Нагревательные элементы (нагреватели)

Проволочные зигзагообразные нагреватели навешивают на стенках и своде печи на жаропрочных крючках, подовые нагреватели укладывают свободно на фасонные кирпичи.

Спиральные нагреватели в низкотемпературных печах подвешивают на фасонных керамических втулках на керамических трубках 2 или на полочках футеровки. В среднетемпературных печах спиральные нагреватели укладывают также в пазах 3 футеровки.

Ленточные нагреватели (изготовленные из ленты или литые) крепят на стенках и своде обычно на специальных керамических крючках; на поду их укладывают на керамических опорах.

Материалы для нагревательных элементов

Нагревательные элементы, как и жароупорные, работают в зоне повышенных температур. В электропечестроении кроме вышеперечисленных, предъявляют к ним еще ряд требований, связанных их электрическими свойствами. Таким образом, данные материалы должны обладать:

1. Жаростойкость, т.е. они не должны окисляться под действием кислородного воздуха, высоких температур.

2. Достаточная жаропрочность может быть невелика, достаточно, чтобы нагреватели поддерживали сами себя.

3. Большое удельное сопротивление. Это объясняется тем, что тонкие и длинные нагреватели не прочны, не удобны конструктивно, имеют малый срок службы.

Нагреватель состоит из металлической трубки, по оси которой расположена нихромовая спираль 2, приваренная к выводным концам 5 нагревателя. Трубка заполнена кристаллической окисью магния (периклазом). В концах трубки закреплены выводные изоляторы.

Трубка легко изгибается, поэтому ТЭН выпускаются различной формы (в том числе ребристыми - для электрокалориферов).

Нагреватели выполненные из зигзагообразной проволоки устанавливают на стенах и куполе печи при помощи термостойких крючков, подовые нагреватели кладут произвольно на фасонные кирпичи. Нагреватели со спиралью в печах с низкими температурами монтируются при помощи фасонных керамических втулок, керамических трубках или полочках футеровки. Монтаж в средне температурных печах производиться аналогичным образом, в пазах футеровки. Ленточные нагреватели (как литые так и произведенные из ленты) укрепляют на стенах и арке, как правило, при помощи специализированных крючках из керамики; на поду их кладут на керамические опоры.

Материалы для нагревательных элементов

Аналогично жаропрочным, нагревательные элементы подвергаются действию высоких температур. В изготовлении электрических печей предъявляются высокие требования к свойствам материалов, сопряженные с их электропроводимостью:

• Материалы не должны подвергаться высокой степени окисления из-за кислорода воздуха и повышенных температурам
• Термостойкость должна быть достаточной для автономной поддержки
• Высокий коэффициент удельного сопротивления, так как нагреватели с малым диаметром сечения имеют низкий срок службы
• Для сокращения пусковых толчков тока, материалы должны иметь низкое значение температурного коэффициента сопротивления (ТКС), так как толчки могут быть продолжительными по времени и достигать 4-5 кратной величины
• Стабильные электрические свойства нагревателей
• Неизменный размер нагревательных элементов
• Материла должны быть просты в обработке

Сейчас для изготовления нагревательных элементов в основном используется нихром (сплав никеля, железа и хрома), так как допускается их использование в температурных рамках до 1100 °С. При температурах до 600 °С целесообразным является использование фехраля и константа. В печах, где рабочие температуры достигают значений 1100-1150 °С и выше, применяются неметаллические нагревательные элементы, такие как стержни из карборунда (предельно допустимая температура 1300-1400°С), дисилицида молибдена (1400-1500°С). Вакуумные высокотемпературные печи с рабочей температурой доходящей до 3000°С как правило содержат нагреватели из тантала, молибдена, вольфрама, углерода (графитовые или угольные). Широкое распространение получили молибденовые (до 2000°С в защитной среде) и вольфрамовые (до 2500°С в защитной среде) нагревательные элементы для высокотемпературных печей.

Показатели электрической мощности, которую потребляют нагревательные элементы, составляет единицы киловатт (для небольших печей). Это значение для высокообъемных печей достигает тысячи киловатт и выше.

Трубчатые электронагреватели (ТЭНы)

В печах, где предусмотрены электрические калориферы или солевые ванны, где рабочие показатели температуры ниже 600°С находят применение трубчатые электронагеватели.

Конструкция включает в себя металлическую трубку, вдоль оси которой располагается спираль из нихрома, присоединенная при помощи сварки к выводным краям нагревателя. На концах трубки зафиксированы выводные изоляторы а полость трубки наполнена кристаллической окисью магния (периклазом). Трубка обладает высокими показателями пластичности, поэтому выпускается в разнообразных формах (включая ребристую форму, предназначенную для электрокалориферов).

элек­тропечей сопротивления

Нагревательные элементы имеют самую высокую температуру в печи и, как правило, пред­определяют работоспособность установки в целом.

К этим материалам предъявляются следующие требо­вания:

1. Достаточная жаростойкость (окалиностойкость).

2. Достаточная жаропрочность - механическая проч­ность при высоких температурах, необходимая для того, чтобы нагреватели могли поддерживать сами себя.

3. Большое удельное электрическое сопротивление. Чем меньше удельное электрическое сопротивление, тем больше длина нагревателя и меньше его поперечное сечение. Се­чение нагревателя должно быть достаточно большим для обеспечения необходимого срока службы. Длинный нагре­ватель не всегда возможно разместить в печи. Таким об­разом, желательно, чтобы материалы нагревательных элементов имели высокое значение удельного электриче­ского сопротивления.

4. Малый температурный коэффициент сопротивления. Данное требование должно выполняться для того, чтобы мощность, выделяемая нагревателями в горячем и холод­ном состояниях, была одинаковой или отличалась незначи­тельно. Если температурный коэффициент сопротивления велик, для включения печи в холодном состоянии прихо­дится использовать трансформаторы, дающие в начальный момент пониженное напряжение.

5. Постоянство электрических свойств. Некоторые ма­териалы, например карборунд, с течением времени ста­реют, т. е. увеличивают электрическое сопротивление, что усложняет условия их эксплуатации. Требуются трансфор­маторы с большим количеством ступеней и диапазоном напряжений.

6. Обрабатываемость. Металлические материалы долж­ны обладать пластичностью и свариваемостью, чтобы из них можно было изготовить проволоку, ленту, а из послед­них - сложные по конфигурации нагревательные эле­менты. Неметаллические нагреватели прессуются или фор­муются, с тем чтобы нагреватель представлял собой гото­вое изделие.

Основными материалами для нагревательных элемен­тов являются сплавы на основе железа, никеля, хрома и алюминия.

Это, в первую очередь, - хромоникелевые, а также железохромоалюминиевые сплавы. Свойства и характеристики этих сплавов представлены в .

Двойные сплавы состоят из никеля и хрома (хромони­келевые сплавы), тройные - из никеля, хрома и железа (железохромоникелевые сплавы). Тройные сплавы - даль­нейшее развитие хромоникелевых сталей, так как Х23Н18, Х15Н60-Н применяются примерно до 1000°С.

Двойные сплавы - это, например, Х20Н80-Н. Они об­разуют на поверхности защитную пленку из окиси хрома. Температура плавления этой пленки выше, чем самого сплава; пленка не растрескивается при нагреве и охлаж­дении. Эти сплавы имеют хорошие механические свойства как при низких, так и при высоких температурах, они крипоустойчивы, пластичны, хорошо обрабатываются, сва­риваются.

Хромоникелевые сплавы имеют удовлетворительные электротехнические свойства, не стареют, немагнитны. Основной их недостаток - высокая стоимость и дефицит­ность, в первую очередь никеля. Поэтому были созданы железохромоалюминиевые сплавы, содержащие железо, хром и до 5 % алюминия. Эти сплавы могут быть более жаростойкими, чем хромоникелевые, т. е. могут работать до 1400°С (например, сплав Х23Ю5Т). Однако эти сплавы достаточно хрупки и непрочны, особенно после пребыва­ния при температуре, большей 1000°С. Поэтому после работы нагревателя в печи его нельзя вынуть и отремон­тировать. Данные сплавы магнитны, могут ржаветь во влажной атмосфере при нормальной температуре. Они имеют низкое сопротивление ползучести, что должно быть учтено при конструировании из них нагревателей. Недо­статком этих сплавов является также их взаимодействие с шамотной футеровкой и окислами железа. В местах со­прикосновения этих сплавов с футеровкой при температуре эксплуатации выше 1000°С футеровка должна быть вы­полнена из высокоглиноземистого кирпича или покрыта" специальной высокоглиноземистой обмазкой. Во время эксплуатации эти нагреватели существенно удлиняются, что также должно быть учтено при конструировании, т. е. необходимо предусматривать возможность их удлинения.

Представителями этих сплавов являются Х15Ю5 (тем­пература применения - около 800°С); Х23Ю5 (1200°С); Х27Ю5Т (1300°С) и Х23Ю5Т (1400°С).

В последнее время разработаны сплавы типа Х15Н60Ю3 и Х27Н70ЮЗ, т. е. с добавлением 3 % алюминия, что зна­чительно улучшило жаростойкость сплава, а наличие ни­келя практически исключило имеющиеся у железохромо-алюминиевых сплавов недостатки.

Сплавы Х15Н60ЮЗ, Х27Н60ЮЗ не взаимодействуют с шамотом и окислами железа, достаточно хорошо обраба­тываются, механически прочны, нехрупки.

В высокотемпературных печах используются неметаллические нагреватели: карборундовые и из дисилицида молибдена.

Для печей с защитной атмосферой и вакуумных ис­пользуются угольные и графитовые нагреватели. Нагрева­тели в этом случае выполняются в виде стержней, труб и пластин.

В высокотемпературных вакуумных печах и печах с за­щитной атмосферой применяются нагреватели из молиб­дена и вольфрама. Нагреватели из молибдена в вакууме могут работать до 1700°С, а в защитной атмосфере – до 2200°С. Температура применения в вакууме ниже, что объясняется испарением молибдена. Нагреватели из вольф­рама могут работать до 3000°С.

В отдельных случаях применяются нагреватели из ниобия и тантала.

Нагревательные элементы большинства промышленных печей выполняются либо из ленты, либо из проволоки (рис. 3.4 – 3.7). Обычно для изготовления нагревателей промышленных печей применяется проволока диаметром от до мм. Однако для печей с рабочей температурой С и выше следует брать проволоку диаметром менее мм. Соотношения между шагом спирали и ее диаметром и диаметром проволоки выбирают таким образом, чтобы облегчить размещение нагревателей в печи, обеспечить достаточную их жесткость и в то же время не затруднить чересчур теплоотдачу от них к изделиям.

Основы теории электрического нагрева

Тема: Типы электропечей

В литейном производстве применяют большое количество разнообразных электропечей: для плавки и выдержки металла, термообработки и сушки. Электропечи удобно классифицировать по способу преобразования электрической энергии в тепловую испособу подвода теплоты к нагреваемому телу . В электропечах нагрев осуществляется по методу сопротивления, электрической дугой, индукционным методом и электронным лучом .

Отечественная промышленность выпускает большое количество разнообразных электропечей. Обозначение электропечей, выпускаемых отечественной промышленностью, основано на методе нагрева с учетом признаков технологического характера. Так, для плавиль­ных печей обозначения состоят из трех основных букв, нескольких цифр и вспомогательных букв.

Первая буква обозначает способ нагрева: Д - дуговой; И - индукционный; С - сопротивлением; Э - электронный.

Вторая буква определяет металл, для плавки которого предназначена печь: С - сталь; Ч - чугун; А - алюминий; М - медь и ее сплавы и т. д.

Третья буква определяет основной конструктивный признак печи: для дуговых открытых печей П - поворотный свод; для индукционных от­крытых печей Т - тигельный; для печей сопротивления К - камерная и т. д.

Цифра после буквенного обозначения для плавильных электропечей обозначает вместимость в тоннах.

Примеры обозначений : ИАТ-6 - индукционная тигельная печь для плавления алюминия вместимостью 6 т; ИСТ-0,4 - индукционная сталеплавильная тигельная печь вместимостью 0,4 т; ДСП-12 - дуговая сталеплавильная печь с поворотным сводом вместимостью 12 т.

Дуговые печи успешно применяют для плавки металлов, т.к. высокая концентрация энергии обеспечивает быстрое расплавление металла. Промышленные дуговые печи работают на переменном токе, поэтому в течение каждого периода в результате изменения направления тока поверхность торца электрода и поверхность металла попеременно становятся то катодом, то анодом.

Перенос тока в дуге в основном осуществляется движущимися электронами. При прохождении электронов газ, находящийся в дуговом промежутке, ионизируется. Дуговой электрический разряд поддерживается за счет эмиссии электронов из катода, которая резко возрастает при повышении температуры. Электроны, выбрасываемые катодом, ускоряются под воздействием приложенного к дуговому промежутку напряжения, устремляются к аноду и отдают ему свою кинетическую энергию, вызывая его нагрев и разрушение.

Таким образом, между графитизированными электродами и металлом создается столб дуги, состоящий из смеси нейтральных газовых частиц электронов, ионов и атомов паров электрода и металла. В результате в жидкой ванне возникает циркуляция металла, которая ускоряет передачу теплоты от дуги к металлу, способствует перемешиванию металла и выравниванию в нем температуры по объему ванны.

Электрическая дуга является интенсивным высокотемпературным источником излучения, температура дуги находится в пределах 4900-5800ºС. Электроды должны иметь высокую электропроводимость, повышенную температуру начала окисления на воздухе, высокую механическую прочность и хорошую обрабатываемость. Электроды изготовляют диаметром 100-710 мм и длиной 1000-1800 мм. Наращивание производят с помощью специальных графитированных ниппелей с конической или цилиндрической резьбой. Расход электродов в среднем составляет 5-8 кг/т.

Электронно-лучевые печи работают по принципу преобразования в теплоту энергии пучка электронов при взаимодействии его с поверхностью нагреваемого тела. Электроны, эмитированные катодом, разгоняются электрическим полем до больших скоростей и направляются на нагреваемое тело. Создание и ускорение пучков электронов эффективно только в условиях высокого вакуума.

Достигая поверхности металла, электроны внедряются в его кристаллическую решетку или жидкую структуру расплава. Проходя через металл, электроны взаимодействуют как с кристаллической решеткой, так и с отдельными атомами, молекулами и электронами. В результате часть энергии электронного пучка переходит в тепловую энергию, за счет которой температура металла повышается. Таким образом, металл в области падения электронного пучка разогревается. Затем теплота распространяется в металле путем теплопроводности.

Электронно-плавильные установки (ЭПУ) применяют для получения слитков особо чистых металлов и переплава отходов этих металлов.

Электронной пушкой называют устройство, в котором пучок электронов, эмитируемых катодом, формируясь электрическим и магнитным полями, ускоряется в электрическом поле, выводится через отверстия в аноде и направляется на нагреваемый металл.

Нагревательные элементы сопротивления

Нагревательные элементы сопротивления (нагреватели) могут металлическими и керамическими. Металлические нагревательные элементы сопротивления применяют в основном в тер­мических печах; они представляют собой проводники, выполненные из специального сплава, имеющего большое электрическое сопро­тивление и высокий срок службы при температурах, соответству­ющих термической обработке. Если на концах проводника создать разность потенциалов, по проводнику потечет электрический ток, сила которого будет зависеть как от напряжения на концах провод­ника, так и от электрического сопротивления самого проводника, т. е.

где I - ток в проводнике, А; V - напряжение на концах провод­ника, В; R - электрическое сопротивление проводника, Ом.

При протекании по проводнику электрического тока происходит преобразование электрической энергии в тепловую. Количество электрической энергии, преобразованной в тепловую за 1 с, можно выразить формулой Р = V*I, где_ Р - количество энергии за 1 с или мощность, Вт.

Регулируя напряжение и сопротивление проводника, можно добиться выделения необходимого количества тепловой энергии. Напряжение регулируют трансформатором. На термических печах напряжение может изменяться от 5 до 380 В. Для этой цели исполь­зуют печные трансформаторы, рассчитанные на передачу большого количества электрической энергии. Сопротивление проводника (нагревателя) изменяют, увеличивая или уменьшая его длину и по­перечное сечение.

Электрическое сопротивление проводника может быть подсчитано по формуле

ρ-удельное электросопротивление материала проводника, Ом-м; l - длина проводника, м; S - площадь поперечного сечения проводника, м 2 .

Долговечность нагревателя зависит от температуры, до которой он нагревается. Чем лучше условия отвода теплоты от нагревателя,

Рис. 9. Нагревательные элементы

тем ниже его температура при прочих равных условиях. В термиче­ских печах температура нагревателя не должна превышать, темпе­ратуру рабочего пространства печи более чем на 50-100 °С. JB этом случае обеспечивается равномерный нагрев деталей. Если темпера­тура нагревателя будет намного выше температуры нагрева деталей, то возникнет местный перегрев деталей, что приведет к браку про­дукции. Долговечность нагревателя зависит также от поверхностной плотности теплового потока измеряемой в Вт/м 2 . Допустимая по­верхностная плотность теплового потока для разной температуры печного пространства различна.

Для обеспечения быстрого разогрева печи расход электрической энергии принимается в 1,5 раза больше, чем требуется при нормаль- ной работе печи.

В зависимости от температуры в рабочем пространстве печи применяют соответствующие материалы нагревателей: до 1100 °С - преимущественно нагреватели из хромоникелевых сплавов, для более высоких температур (до 1300 °С) - керамические нагреватели. ."Большинство термических печей имеют нагреватели из ни­хрома - сплава никеля и хрома, изготовляемые из проволоки или ленты. Нагреватель из проволоки может быть изготовлен в виде спирали или зигзага.

На рис. 9, а показан нагреватель (справа) в виде спирали и даны примеры его расположения в печи. Срок службы нагревателя за­висит от размещения его в печи. Целесообразно нагреватели 2 раз­мещать на боковых стенах на полочках / или 5. Раскрытый нагре­ватель отдает теплоту в рабочее пространство печи излучением. Нагреватель 3 свода помещен в специальный фасонный кирпич 4, имеющий канал с прорезью. Условия отвода теплоты от нагревателя в этом случае хуже. Нагреватель свода со всех сторон окружен огнеупорным материалом, и только узкая прорезь соединяет канал с рабочим пространством печи. В таких условиях срок службы на­гревателя свода может быть увеличен лишь при уменьшении поверхностной плотности теплового потока на 25-35 %. Подовый нагреватель 9 также работает в тяжелых условиях. От рабочего пространства его экранирует подовая плита 8. Подовый нагреватель должен быть защищен от попадания на него окалины и прочих предметов. К на­гревателям, находящимся в печи, электрическая энергия подается по специальным проводникам-выводам 6, изготовленным из жаро­прочной стали. Они имеют поперечное сечение намного больше сече­ния проводника-нагревателя, чтобы избежать нагрева их протека­ющим в цепи током. Изделие 7 располагают на поде печи.

На рис. 9, б показан нагреватель (справа) из проволоки в виде зигзага и даны примеры его расположения в печи. На стенах зигзаго­образные нагреватели 4 подвешивают на крючках 3, изготовленных из нихрома. Нагреватели / на своде также подвешивают на крюч­ках 2, противоположные концы которых загибают, что препятствует их выпаданию. Нагреватели 5 располагают на поде печи.

Площадь раскрытия у зигзагообразных нагревателей больше, они хорошо отдают теплоту в печное пространство, что увеличивает срок их службы. Срок службы нагревателя зависит также от диа­метра проволоки, из которой сделана спираль или зигзаг.

Нагреватели из нихромовой ленты изготовляют обычно в виде зигзага. Схема размещения нагревателей в печи такая же, как и зиг­загообразных проволочных нагревателей.

Литые нагреватели изготовляют специальным методом литья в оболочковые формы. Такие нагреватели применяют в печах тогда, когда трудно подобрать нагреватели из проката из-за недопустимо высокой поверхностной плотности теплового потока и, следова­тельно, более высокой температуры нагревателя. Питые нагреватели успешно применяют при температуре печного пространства 950- 1150 °С. Нагреватели в месте изгиба имеют приливы, при помощи которых их крепят в печах на специальных петлях и крючках.

Для обогрева сушил некоторое распространение получили труб­чатые нагреватели..Трубчатый электронагреватель (ТЭН) состоит из трубки из жаропрочной или обычной углеродистой стали, внутри которой помещена спираль, навитая из нихромовой проволоки. Спираль расположена по оси трубки, а пространство между спи­ралью и стенкой трубки заполнено порошком из окиси магния, обладающим хорошими электроизоляционными свойствами и высо­кой теплопроводностью. Длина трубки может быть до 1 м. По концам трубки устанавливают изоляторы с расположенными в них выво­дами, к которым присоединена спираль. Трубки в сборе можно легко изгибать и придавать им любую форму. Эти нагреватели применяют при рабочей температуре до 600 °С для нагрева воздуха, воды, масла и т.д.

В основу расчета электрических нагревателей положены условия теплопередачи их с окружающим «пространством. Срок службы нагревателя зависит от температуры для каждой марки стали или сплава, из которого сделан нагреватель, существует оптимальная температура. Перегрев нагревателя приводит к его пережогу.

Температура нагревателя зависит от поверхностной плотности теплового потока от нагревателя к окружающей среде. Чем ниже температура в рабочем пространстве печи, тем "больше может быть поверхностная плотность теплового потока от нагревателя. Для нагревателей из нихрома рекомендуется поверхностная плотность теплового потока 1,5-10 4 Вт/м 2 при температуре лечи 900 "С; 1-10 4 - при 1000 °С; 0,7-10 4 -при 1100 °С.

Размеры нагревателя определяют, установив тепловым расчетом печи его необходимую мощность и задавшись допустимой поверх­ностной плотностью теплового потока от нагревателя.

Размеры нагревателей из круглого проката

где d - диаметр проволоки, м; ρ - удельное электрическое сопро­тивление нагревателя, 10 -6 Ом-м; Р - мощность, кВт; V - напряжение на нагревателе, В; l - длина нагревателя, м; q - поверхностная плотность теплового потока, Вт/м 2 .

Для ленточных нагревателей при отношении сторон ленты bla = т

На условия теплопередачи нагревателя влияют состав атмосферы печи и взаимное расположение нагревателей.