3 Электрический расчет печи сопротивления

3.1. Принимаем рабочую температуру нагревательных элементов равной:

3.2. Выбираем сплав ХН60Ю [3], для которого рекомендуемая рабочая температура равна 1500 °С. Удельное сопротивление данного сплава:

3.3. Удельная поверхностная мощность идеального нагревателя по рис. 66 [3] W_ид = 35,5 кВт/м².

3.4. Относительная поверхностная мощность стен, несущих нагреватели:

где F_п - площадь поверхности стены, на которой предполагается разместить нагреватели, определяемая по следующей формуле:

3.5. Выбираем проволочный зигзагообразный нагреватель и по табл. 42 [3] определяем, что при нагреве стали в замкнутой защитной атмосфере поправочный коэффициент α = 0,49.

Тогда удельная поверхностная мощность реального нагревателя:

3.6. В случае, если нагреватель соединен по схеме «треугольник» U = 220 В, W = 17,395 кВт/м², а мощность:

3.7. В случае соединения нагревателя по схеме «звезда» U = 380 В, W = 17,395 кВт/м², а Р_ф = Q_пол = 164,854 кВт.

3.8. По приложению XIV [3] полученным параметрам при соединении «треугольником» удовлетворяет проволочный нагреватель с диаметром 10 мм и длиной 112 мм или нагреватель с диаметром 12 мм и длиной 124 мм.

Полученным параметрам при соединении «звездой» удовлетворяет нагреватель с диаметром 14 мм и длиной 83 мм. При диаметре 10 мм и отношении ε_м/d = = 2,75 на поверхности футеровки площадью 1 м² можно разместить 30 м нагревателя (по табл. 44 [3]). При общей длине нагревателя 198 м необходима поверхность 198/30 = 6,6 м².

При оптимальном отношении оптимальная длина нагревателя, размещаемая на 1 м² поверхности футеровки, составляет 24 м. Следовательно, требуемая поверхность рабочего пространства печи равна 198/24 = 8,25 м².

Рассматривать спиральные нагреватели не имеет смысла, т.к. они не выполняются диаметром более 8 мм.

Таким образом, на основании сопоставления всех возможных типов нагревателей и схем их соединений следует выбрать либо зигзагообразный нагреватель сечением 10 мм и длиной 112 мм, (схема соединения «звезда»), либо зигзагообразный нагреватель диаметром 12 мм и длиной 124 мм (схема соединения «треугольник»).

3.9. Сопротивление фазы:

3.10. Длина нагревателя, приходящегося на одну фазу:

3.11. Удельная поверхностная мощность:

4 Конструкции электрических печей сопротивления косвенного действия камерного типа

Наибольшее распространение получили электрические печи сопротивления косвенного действия [6]. Их принцип работы таков, что энергия преобразуется из электрической в тепловую при протекании тока через нагреватели, после чего передается излучением, теплопроводностью или конвекцией изделию, помещенному внутрь. Печь состоит из рабочей камеры, образованной футеровкой из слоя огнеупорного кирпича, несущего на себе изделия и нагреватели, а также изолированного от металлического кожуха теплоизоляционным слоем (рисунок 4.1). Работающие в камере печи детали и механизмы, а также нагревательные элементы выполняются из жаропрочных и жароупорных сталей и других жароупорных материалов [5, 7].

Рисунок 4.1 – Устройство камерной печи сопротивления косвенного действия: 1 – нагреватели; 2 – огнеупорная кладка, 3 – теплоизоляция, 4 – подовая плита

Для нагрева больших партий одинаковых деталей применяют печи непрерывного действия (методические), в которых изделия непрерывно перемещаются от одного торца к другому. Производительность таких печей больше, нагрев изделий более однороден, расход энергии меньше; как правило, они в высокой степени механизированы. В электрических печах сопротивления с рабочими температурами до 700° С (как периодического действия, так и в методических) широко используется принудительная циркуляция газов с помощью вентиляторов, встраиваемых в печь или вынесенных из печи вместе с нагревателями в электрокалориферы. Электрические печи сопротивления косвенного действия для расплавления легкоплавких металлов (свинец, баббит, алюминиевые и магниевые сплавы) конструируются либо в виде печей с металлическим тиглем и наружным обогревом, либо в виде отражательных печей с ванной и расположенными над ней в своде нагревателями. К лабораторным электрическим печам сопротивления относятся небольшие трубчатые, муфельные и камерные печи, а также термостаты и сушильные шкафы.

К наиболее часто используемым электрическим печам сопротивления косвенного действия камерного типа относятся печи марок СНО и СНЗ [6]. Электропечи серии СНО компактны, имеют большую производительность, небольшой расход электроэнергии и долгий срок службы нагревательных элементов. Недостаток этих электропечей: наличие окислительной атмосферы в рабочем пространстве.

Рисунок 4.2 - Камерная электрическая печь СНО-8,5.17.5/10

На рисунке 4.2 изображен чертеж печи СНО-8,5.17.5/10. Печь нагревается элементами 2, изготовленными из сплава Х20Н80. Нагревательные элементы располагаются на поде 5, своде 3 и боковых стенках 4. Питание от сети трехфазного тока. Дверца открывается механизмом подъема 1.

Однако в последнее время все чаще предпочтение отдается использованию печей марок СНЗ. На рисунке 4.3 представлена электропечь с защитной атмосферой СНЗ-2,5.5.1,7/10. Данная серия печей выпускается как с металлическими нагревателями 2 (до 1000 °С), так и с карборундовыми нагревателями (до 1250 °С). В этих печах механизированы операции загрузки и разгрузки. Защитная атмосфера вводится по газопроводу 3 через заднюю торцевую стенку. В нижней части кожуха печи 6 крепится трубопровод из двух линий: по одной подается газ, по другой – воздух. Газ и воздух смешиваются в горелке и, сгорая, создают пламенную газовую завесу при открытой дверце 1 (заслонке). Нагревательные элементы 2 располагаются на поде 5 и стенках рабочей камеры 4.

Рисунок 4.3 - Камерная электрическая печь с контролируемой атмосферой

СНЗ-2,5.5.1,7/10

Электропечи серии СНЗ применяются для отпуска, отжига, нормализации и закалки. Но имеют зачастую недостаточно высокую рабочую температуру. Более высокие температуры (до 1350 °С) получают в электропечах серии Г (Г-30 и Г-50). Карборундовые нагреватели 2 по четыре штуки расположены горизонтально около свода 1 и под подом 3 печи. Недостаток печей данного типа – частый выход из строя карборундовых нагревательных элементов.

Во всех типах камерных электропечей контроль температуры осуществляется с помощью термопар. Электропечи имеют ряд преимуществ перед топливными печами: отсутствие дымовых газов, не требуется дымососной системы, хорошая теплоизоляция, легкость регулирования температуры, возможность применения контролируемых атмосфер, хорошие санитарные условия в цехе. Недостаток электропечей: более длительный нагрев изделий, так как передача тепла осуществляется излучением (применение вентиляторов, вызывающих циркуляцию воздуха в рабочем пространстве, ускоряет нагрев), необходимость заземления печей по технике безопасности, большие затраты при эксплуатации.

Рассмотрим конструкцию печи марки СНЗ - 8.16.5/10-И3, как наиболее универсальной в применении. Электропечь состоит из каркаса, футеровки, нагревателей, дверцы, монтажа механического, трубопровода защитной атмосферы и трубопровода пламенной завесы.

Каркас электропечи сварной, из листовой и профильной стали, исполнение герметичное. Футеровка выполнена из огнеупорных и теплоизоляционных материалов. Футеровочные материалы стойкие в углеродосодержащих атмосферах.

Нагреватели проволочные зигзагообразные выполнены из сплава высокого электрического сопротивления. Дверца сварная, зафутерована огнеупорными и теплоизоляционными материалами. Подъем и опускание дверцы осуществляется мотор-редуктором (электродвигателем со встроенным тормозом).

Монтаж механический представляет собой наружные соединения между выводами нагревателей, выполненными проводом с теплостойкой изоляцией. Вся проводка закрыта защитными кожухами [7].

Трубопровод защитной атмосферы и трубопровод пламенной завесы обеспечивают подачу газа в электропечь через заднюю стенку. Питание нагревателей электроэнергией осуществляется от сети переменного тока через трансформатор.

Камерные печи с выдвижным подом (в индексации печи вторая буква Д) получили широкое применение для нагрева тяжелых изделий или садок крупногабаритных полуфабрикатов (листов, профилей и др.). В этих печах загрузку и разгрузку пода производят вне рабочего пространства печи, что позволяет применять общецеховые грузоподъемные устройства. Выдвижной под представляет собой футерованную тележку на колесах с роликовыми подшипниками. Если печь предназначена для тяжелых садок, то часто колеса заменяют роликами. Под свободно перемещается по роликам, опираясь на них специальными направляющими.

Для создания герметичности между выдвижным подом и стенками печи применяются песочные или водяные затворы. Песочные затворы выполняют обычно в виде желобов, установленных вдоль боковых кромок пода и заполняемых песком или хромовой рудой, и ножей, укрепленных в боковых стенках печи. При вкатывании пода в печь ножи углубляются в слой песка, находящегося в желобах. Водяной затвор имеет кольцевой по всему периметру пода желоб, заполненный водой. Такие же кольцевые ножи укрепляют на боковой стенке печи и кромке пода. После вкатывания пода в печь желоб с помощью рычажной системы поднимается, ножи входят в желоб, в результате чего щель между подом и стенкой перекрывается. Водяные затворы обеспечивают лучшую герметизацию рабочего пространства печи, чем песочные затворы. Перемещение пода в указанных печах осуществляется в большинстве случаев электрическим приводом.

Камерные печи с выдвижным подом применяются в основном для отжига, а также для нагрева под закалку и отпуск.