Электротехнологические установки


A. H. Макаров, А. Ю. Соколов









ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ




Рекомендовано федеральным учебно-методическим объединением в системе высшего образования по укрупненным группам специальностей и направлений подготовки 13.00.00 «Электро- и теплоэнергетика» в качестве учебного пособия для реализации основных образовательных программ высшего образования по направлению подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника»







Издание 4-е, переработанное и дополненное













Москва Вологда «Инфра-Инженерия»

2021

УДК 621.3
ББК 31.2
     М15





Рецензенты:

кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения и электротехники ТвГТУ А. Ю. Русин; кандидат технических наук, диспетчер ОДС филиала АО «СО ЕЭС» «Тверское РДУ» Д. В. Чернышов






      Макаров, А. Н.
М15       Электротехнологические установки : учебное пособие / А. Н. Макаров,
      А. Ю. Соколов. - 4-е изд., перераб. и доп. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2021. - 288 с.
           ISBN 978-5-9729-0583-6

      Рассмотрены конструкции, принципы действия и области применения основных видов электротехнологических установок: электрических печей сопротивления, дуговых печей и электросварочных установок, индукционных печей, установок электрохимической и электрофизической обработки материалов. Приведено математическое описание процессов преобразования электрической энергии в тепловую и распределения тепловой энергии в рассматриваемых электротехнологических установках. Показаны системы их электропитания и автоматического управления. Даны краткие сведения по основам теплопередачи в объеме, необходимом для выполнения расчетов электропечей.
      Для студентов высших учебных заведений электротехнических направлений подготовки, а также специалистов, проектирующих и эксплуатирующих электротехнологические установки.

                                                               УДК 621.3
                                                               ББК 31.2



ISBN 978-5-9729-0583-6    © Макаров А. Н., Соколов А. Ю., 2021
                          © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                          © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

ВВЕДЕНИЕ


      Электротехнологическими установками являются все устройства, преобразующие электрическую энергию в другие виды энергии, необходимые для ведения технологического процесса [1-5]. Однако в настоящее время под электротехнологиями принято понимать процессы преобразования электроэнергии в тепловую и химическую энергии, непосредственно участвующие в обработке материалов. Наиболее распространенными электротехнологическими процессами являются электротермические, в основе которых лежит преобразование электрической энергии в тепловую для нагрева изделий и материалов в целях изменения их формы или свойств, а также для их плавления, сварки, сушки. Кроме электротермических процессов в понятие «электротехнология» включают [2]:
   - электрохимические методы обработки и получения материалов, при которых с помощью электрической энергии осуществляется разложение химических соединений и их разделение путем перемещения заряженных частиц (ионов) в жидкой среде под действием электрического поля (электролиз, гальванотехника, анодная электрохимическая обработка);
   - электрофизические методы обработки, при которых для воздействия на материалы используется превращение электрической энергии как в механическую, так и в тепловую (электроэрозионная, ультразвуковая, магнитоимпульсная, электровзрывная);
   - аэрозольная технология, при которой энергия электрического поля используется для сообщения электрического заряда взвешенным в газовом потоке мелким частицам вещества с целью перемещения их под действием поля в нужном направлении.
      Вся электрическая энергия в электротермических установках преобразуется в тепловую, поэтому такие установки необходимо рассматривать в комплексе как электротехнические и теплотехнические объекты. Только глубокие знания процессов преобразования электрической энергии в тепловую в электротермических установках может обеспечить надежное и безаварийное их функционирование.
      Большинство электротехнологических процессов (в первую очередь электротермические) являются весьма энергоемкими, поэтому электротехнология сегодня - один из существенных потребителей электроэнергии.
      В системе электроснабжения промышленного предприятия электро-технологическая установка представляет собой электроприемник с определенными энергетическими показателями и требованиями к надежности электроснабжения и качеству электроэнергии. Некоторые электротехноло-гические установки создают помехи (например, колебания напряжения при работе электродуговых печей) и требуют мероприятий по обеспечению их электромагнитной совместимости с питающей сетью. Поэтому при проек

3

тировании и эксплуатации системы электроснабжения необходимо иметь достаточно глубокие знания в области электротехнологии [6].
      На многих предприятиях, где используется электротермическое оборудование, нет специалистов по направлению «Электротехника, электромеханика и электротехнологии», поэтому вопросами эксплуатации электротермических установок должен владеть выпускник любой электротехнической специальности. В связи с этим студенту при изучении дисциплины «Электротехнологические установки» необходимо не только освоить устройство, принцип работы, характеристики, системы электропитания и управления электротермических установок, но и научиться рассчитывать их мощность и выбирать установку по справочнику.
      В учебном пособии рассматриваются технологические процессы, конструкции, характеристики и режимы работы основных видов электро-технологических установок, а также их электрооборудование, системы электропитания и автоматического управления. Для наиболее распространенных электротехнологических установок - электротермических - изложены основы их электрического и теплового расчетов. Ряд приведенных методов расчета (расчет теплообмена в дуговых сталеплавильных печах трехфазного и постоянного тока, плазменно-дуговых сталеплавильных печах) разработан одним из авторов данного пособия - доктором технических наук, профессором А. Н. Макаровым.
      При написании учебного пособия авторы использовали свой опыт преподавания курса «Электротехнологические установки» в Тверском государственном техническом университете, а также работы крупнейших специалистов в области электротермических и электросварочных процессов и установок: А. Д. Свенчанского, А. П. Альтгаузена, А. В. Болотова, Г. А. Шепеля, М. Б. Гутмана, Л. С. Кацевича, А. С. Васильева, А. Е. Слухоцкого, А. Б. Кувалдина, А. М. Кручинина, В. П. Цишевского, Е. В. Долбилина, В. П. Рубцова, А. В. Щербакова, С. В. Дзлиева, Ю. М. Миронова, В. С. Чередниченко, В. В. Овчинникова, В. С. Милютина и других авторов.
      При подготовке четвертого издания переработаны некоторые параграфы с целью придания им большей четкости и полноты изложения, добавлен материал по электросварочным установкам и источникам их питания, включены фотографии, позволяющие читателю получить наглядное представление о внешнем виде электротехнологического оборудования.
      В конце пособия дается обширный список литературы с многочисленными ссылками в тексте. С помощью приведенных изданий читатель может углубить и расширить свои знания в области электротехнологических установок.

4

            ГЛАВА 1



ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
ОБ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ. МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ЭЛЕКТРОПЕЧЕСТРОЕНИИ

1.1. Технологические процессы в машиностроении, включающие электротермическое оборудование

     В настоящее время электротехнологческие установки (ЭТУ) занимают ведущее место во всех отраслях народного хозяйства. Электрические печи и нагревательные устройства широко применяются в промышленности, сельском хозяйстве, в быту и на транспорте. Трудно сегодня найти такое предприятие, на котором не используются электротермические и электросварочные процессы.
     Электрические нагревательные печи широко используются в машиностроении при термообработке и обработке давлением различных металлических деталей, для нагрева и сушки изделий и материалов. Такие печи применяются также в химической, легкой, пищевой и других отраслях промышленности, а также в строительстве и сельском хозяйстве.
     Электрические плавильные печи используются в черной металлургии для выплавки высококачественных легированных сталей. В таких печах благодаря безокислительной атмосфере получают стали с высокими прочностными свойствами по сравнению с мартеновскими печами. Переход на электросталь позволяет выпускать машины более компактными, надежными, долговечными и сокращает на 25-30 % расход металла в машиностроении. Электрические плавильные печи используются для выплавки редких и тугоплавких металлов. Титан, цирконий, ниобий, молибден, вольфрам имеют высокие температуры плавления и могут быть получены только в электропечах. Без этих металлов немыслимо современное авиа- и ракетостроение. В цветной металлургии электрические плавильные печи используются для выплавки никеля, меди, цинка, магния и их сплавов. В химической промышленности плавильные электропечи применяются для производства карбида кальция, фосфора, ацетилена, пластмасс, синтетических материалов.
     Так как значительный объем электротехнологических процессов приходится на получение и обработку сталей, рассмотрим кратко марки сталей и детали машин, для которых они используются.
     Стали - сплавы железа с углеродом, содержащие углерода до 2,14 %. Чугуны - сплавы железа с углеродом с содержанием углерода более 2,14 %. Получают стали и чугуны из руд, содержащих окислы железа. Чугуны производят в домнах, стали производят в мартеновских печах, электропечах, конверторах.
     Выпускают стали следующих марок.


5

     Стали обыкновенного качества, например марки Ст1 и Ст6 (цифры - условный номер марки). Используются в строительстве, мостостроении, судостроении для создания корпусов, каркасов, несущих конструкций.
     Конструкционные стали, например сталь 20 и сталь 45 с 0,20%-м и 0,45%-м содержанием углерода. Используются для изготовления деталей машин, механизмов, узлов.
     Инструментальные стали, например У8 и У10 с 0,8%-м и 1,0%-м содержанием углерода соответственно. Используются для изготовления резцов, сверл, фрез, дыропробивных пуансонов и другого режущего инструмента.
     Легированные стали, например марки 15Х (хромосодержащая), 14Г2 (марганцесодержащая), 02Н12Х5М3 - сталь, содержащая никель, хром и молибден. Используются для изготовления наиболее важных деталей в машино-, самолето-, судостроении, ракетной технике. Из легированных сталей выполняют зубчатые колеса, шатуны двигателей, турбины, коленчатые валы, пружины, рессоры, подшипники.
     В процессе изготовления деталей машин изделия из стали проходят в электропечах следующие виды термической обработки: отжиг, закалку, отпуск.
     Отжиг - процесс термообработки, заключающийся в нагреве стали до определенной температуры, выдержке и последующем охлаждении в печи с целью получения равновесной структуры. Применяется для выравнивания структуры фасонных отливок, слитков из легированных сталей, снятия наклепа при деформировании в холодном состоянии, для снятия внутренних напряжений в металле, возникающих при сварке. Отжиг также применяют с целью создания мелкозернистой структуры, понижения твердости и повышения пластичности.
     Закалка - процесс термической обработки, состоящий в нагреве стали, выдержке и последующем быстром охлаждении с целью повышения твердости и прочности и снижения пластичности. Закаливают валы, оси, шестерни, пилы, сверла и другой режущий инструмент. Закалочная среда -масло, вода, расплавленные соли калия, натрия, применяется также поверхностная закалка.
     Отпуск - нагрев до определенной температуры с последующим охлаждением с заданной скоростью для снятия внутренних напряжений после закалки.
     Некоторые изделия из стали проходят в электропечах химикотермическую обработку, основанную на диффузии в сталь атомов различных элементов. Процесс осуществляется в электропечах с газовой средой (контролируемой атмосферой). Основные виды химико-термической обработки следующие.
     Цементация - процесс диффузного насыщения стали углеродом при нагреве в углеродосодержащей среде. Цель цементации - получить высо

6

кую твердость и износостойкость поверхности при вязкой сердцевине. Цементации подвергаются зубчатые колеса, червячные передачи, ролики подшипников.
      Азотирование - процесс диффузного насыщения поверхностного слоя стали азотом с целью получения высокой твердости, износостойкости и коррозионной стойкости. Контролируемая среда в электропечи - аммиак.
      Поверхностное насыщение стали одновременно углеродом и азотом в газовой среде с целью повышения твердости и износостойкости называется нитроцементацией.
      Хромирование - процесс диффузного насыщения поверхности стали хромом с целью получения высокой коррозионной стойкости, жаростойкости, твердости, износостойкости.


1.2.    Классификация электротермического оборудования по способу преобразования электрической энергии в тепловую

     Электротермическая установка представляет собой комплекс, состоящий из самого электротермического оборудования (электропечи), систем его электропитания и управления, а также вспомогательных механизмов [2, 4, 5]. Классификацию электротермического оборудования удобно проводить по способу преобразования электрической энергии в тепловую (табл. 1.1). Именно это определяет конструкцию электротермической установки, ее технологические возможности и области применения.


Таблица 1.1
Классификация электротермического оборудования по способу преобразования электрической энергии в тепловую

Электрические  Электрические Электрические   Электронно-     Индукционные   
     печи         дуговые     дуговые печи     лучевые     печи и установки 
сопротивления      печи      сопротивления       печи      диэлектрического 
                                                                нагрева     
Электрическая  Электрическая Электрическая  Электрическая    Электрическая  
   энергия        энергия       энергия        энергия          энергия     
 превращается  превращается   превращается   превращается    превращается   
в тепловую при  в тепловую     в тепловую   в кинетическую     в энергию    
  протекании   в дуговом или  и в дуговом   энергию потока    переменного   
электрического  плазменном   разряде, и при  электронов,    магнитного или  
  тока через     разряде,      протекании      а затем      электрического  
 твердые или   возникающем в электрического в тепловую при   поля, а затем  
 жидкие тела   газовой среде тока в твердых бомбардировке     в тепловую    
в соответствии  или в парах  и жидких телах    потоком       в нагреваемых  
  с законом       металла                     электронов   телах, помещенных
Джоуля - Ленца                               поверхности      в это поле    
                                             нагреваемого                   
                                               объекта                      

7

     Приведенная классификация подчеркивает различные физические принципы, лежащие в основе рабочего процесса различных типов установок электронагрева [4, 7].
     При протекании электрического тока через твердый или жидкий проводник в последнем в соответствии с законом Джоуля - Ленца выделяется тепло. Такое преобразование электрической энергии в тепловую получило название «нагрев сопротивлением», а соответствующее электротермическое оборудование называется электрической печью сопротивления (ЭПС).
     При протекании электрического тока через газовую среду возникает электрический разряд, переходящий при определенных условиях в электрическую дугу. Дуговой нагрев является наиболее мощным и концентрированным способом преобразования электроэнергии в тепло и реализуется в дуговых электропечах. К таким печам относятся дуговые сталеплавильные печи (ДСП), руднотермические печи (РТП), вакуумные дуговые печи (ВДП), плазменные печи, а также печи электрошлакового переплава (ЭШП). В ЭШП дуга отсутствует, но по конструкции, принципу работы и области применения они схожи с ВДП, поэтому их традиционно принято изучать совместно с установками дугового нагрева.
     ДСП и РТП являются установками первичной обработки, в которых из сырья получают металл или сплав с новыми качествами. В ДСП таким сырьем служит металлолом, который расплавляют тепловой энергией, выделяющейся в электрических дугах. В РТП сырьем являются природные руды, из которых получают путем восстановления чистые металлы и сплавы. Процесс преобразования энергии в РТП необходимо рассматривать как комбинированный: помимо тепла от электрических дуг важную роль в процессе нагрева играет джоулево тепло, выделяемое при протекании тока через ванну печи, причем доли дуговой и омической составляющих в различных рудовосстановительных процессах сильно отличаются. Поэтому РТП представляют собой дуговые печи сопротивления.
     ВДП и ЭШП являются рафинировочными печами. В них производится вторичный переплав металлов и сплавов с целью улучшения их свойств, благодаря рафинировочной среде (вакуум или шлак) исключаются примеси, улучшается структура получаемых слитков. В ВДП плавят высокоактивные жароупорные металлы и сплавы, активно поглощающие при нагреве кислород, такие как титан, молибден, вольфрам и другие.
     При достаточно высокой степени ионизации газ дугового разряда приобретает особые свойства, что заставляет рассматривать его как четвертое агрегатное состояние вещества - плазму. Для получения плазменной дуги (низкотемпературной плазмы) дуговой разряд сжимают в поперечном сечении потоком газа или магнитным полем. В такой стабилизированной дуге температура и концентрация энергии больше, чем в открытой. Она используется в плазменных печах, применяемых для плавки, сварки и резки тугоплавких металлов, а также для нанесения покрытий различного назначения.

8

     При очень глубоком вакууме, когда практически отсутствуют в атмосфере частицы газа, газовый разряд заменяется электронным лучом - потоком электронов, выделяемых раскаленным катодом и несущихся под действием ускоряющего электрического поля по направлению к аноду -нагреваемому или расплавляемому материалу. Такой электронно-лучевой нагрев осуществляется в электронно-лучевых установках (ЭЛУ), позволяющих получить наиболее чистые металлы и сплавы, выполнить высококачественную сварку и резку тугоплавких металлов большой толщины.
     В проводнике, помещенном в переменное магнитное поле, по закону электромагнитной индукции, наводятся вихревые токи (токи Фуко), разогревающие проводник. Этот способ электронагрева называют индукционным нагревом, при котором электроэнергия сначала превращается в энергию переменного магнитного поля, а затем внутри нагреваемого тела в тепловую энергию. Если надо нагреть диэлектрик, то его помещают в высокочастотное электрическое поле, при этом в нем возникают токи смещения, вызывающие диэлектрические потери. Это диэлектрический нагрев.
     Для процесса выплавки и термообработки металлов могут использоваться и топливные (газовые, мазутные) печи. Рассмотрим основные преимущества и недостатки электрических промышленных печей по сравнению с топливными печами [6, 8].
     Преимущества электропечей:
     1.       Высокая концентрация энергии в малых объемах для проведения технологических процессов при температурах выше 2000 °C и обеспечения высокой скорости нагрева и плавления металла.
     2.      Широкий диапазон регулирования выделяемой энергии и возможность получения равномерного распределения температур.
     3.      Простота герметизации оборудования для проведения процесса нагрева в вакууме или защитной атмосфере.
     4.      Отсутствие загрязнения нагреваемого объекта.
     5.      Уменьшение загрязнения окружающей среды.
     6.      Компактность, отсутствие продуктов сгорания, уменьшение пожароопасности, улучшение санитарно-гигиенических условий труда.
     Недостатки электропечей:
     1.      Эксплуатационные затраты при использовании электропечей выше, чем топливных, ввиду более высокой стоимости электроэнергии по сравнению с эквивалентным по тепловыделению количеством топлива.
     2.      При температурах выше 900 °C надежность электропечей несколько ниже, чем топливных, что объясняется тяжелыми условиями работы нагревательных элементов.
     3.      Изготовление электропечей является более трудоемким и сложным по сравнению с топливными печами.
     Данные недостатки обычно компенсируются получением изделий в электропечах более высокого качества по сравнению с топливными печами.

9

1.3. Теплопередача в электротермических установках

     Основные параметры электротермической установки (в частности ее мощность) определяются в результате расчета теплоты, требуемой для технологического процесса, а также расчета процессов теплообмена между источником тепла и окружающей средой [1].
     Теплообменом, или теплопередачей, называют процесс распространения теплоты в пространстве. Важнейшими характеристиками процесса теплообмена являются теплота, тепловой поток и плотность теплового потока. Теплота Q (Дж) - это количество энергии, которую получает или отдает в процессе теплообмена рассматриваемое тело (изделие, материал, газ и др.). Количество теплоты, передающееся через произвольную поверхность в единицу времени, называют тепловым потоком Ф (Вт). Плотность теплового потока q (Вт/м²) - это количество теплоты, которое отдается или воспринимается в единицу времени единицей площади поверхности участвующего в теплообмене тела, то есть это тепловой поток через единицу поверхности.
     В электротермических установках процесс теплообмена является сложным, поэтому в расчетах его подразделяют на более простые составляющие - способы теплопередачи: теплопроводность, конвекцию и излучение.
     Теплопроводность - это передача тепловой энергии за счет теплового движения и взаимодействия микрочастиц вещества, при которых быстродви-жущиеся частицы отдают часть своей энергии более медленным при соударениях с ними, что приводит к переносу теплоты из зон с более высокой температурой в зоны с более низкой. Перенос теплоты теплопроводностью, имеющий атомно-молекулярный характер и не связанный с макроскопическим движением среды, происходит внутри твердых тел, неподвижных жидкостей и газов. Теплота передается теплопроводностью, например, внутри нагреваемого металлического изделия, помещенного в рабочее пространство электропечи сопротивления косвенного действия, а также через огнеупорную кладку (футеровку) такой печи.
     Процесс теплопроводности существенно зависит от распределения температуры внутри тела. Совокупность мгновенных значений температуры во всех точках изучаемого пространства (тела) называют температурным полем. Различают стационарное температурное поле, в котором температуры точек тела постоянны во времени, и нестационарное, в котором они изменяются. Последнее наблюдается, например, при разогреве футеровки электропечи. Во всяком температурном поле всегда имеются точки с одинаковой температурой. Геометрическое место таких точек называют изотермической поверхностью. Наиболее резкое изменение температуры в теле имеет место в направлении нормали к изотермической поверхности. Оно характеризуется градиентом температуры - вектором, направленным по нор

10