Электротехнологические промышленные установки. Практикум

А. И. Гардин, О. Ю. Малафеев, С. Н. Юртаев


ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОМЫШЛЕННЫЕ УСТАНОВКИ

        ПРАКТИКУМ

Учебное пособие



















Москва Вологда


«Инфра-Инженерия»


2023

УДК 621.365
ББК 31.29 Г20


Рецензенты:
доктор технических наук, профессор кафедры силовой электроники ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» А. Б. Лоскутов;
кандидат технических наук, заведующий кафедрой электроэнергетики, электроснабжения и силовой электроники ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева» А. А. Севостьянов



     Гардин, А. И.
Г20       Электротехнологические промышленные установки. Практикум :
     учебное пособие / А. И. Гардин, О. Ю. Малафеев, С. Н. Юртаев. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 292 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1256-8


           Рассмотрены вопросы применения электротехнологических установок на промышленных предприятиях, их принцип действия, конструкции и основные технические характеристики. Приводятся лабораторные и практические работы по курсу «Электротехнологические установки», их описание, задания и указания по выполнению.
           Для студентов очной и заочной форм обучения по направлению подготовки 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника».


УДК 621.365

ББК 31.29













ISBN 978-5-9729-1256-8

    © Гардин А. И., Малафеев О. Ю., Юртаев С. Н., 2023
    © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ПРЕДИСЛОВИЕ


     В учебно-практическом пособии рассмотрены лабораторные и практические работы по основным видам электротехнологических установок (ЭТУ), применяемым в промышленности: печи сопротивления, установки дуговой и контактной сварки, электролизные установки, установки элек-троэрозионной обработки металлов, дуговые печи, дуговые вакуумные печи, установки и печи индукционного нагрева. Основное внимание уделяется источникам питания ЭТУ, энергетическим характеристикам, влиянию работы ЭТУ на качество электроэнергии в системе электроснабжения промышленного предприятия. Материал размещен в десяти разделах, каждый раздел сопровождается теоретическим вступлением о принципе действия ЭТУ и особенностям режимов работы. Особый интерес может вызвать раздел 7, где рассмотрены конструкции короткой сети дуговых печей и эффекты, возникающие в многоамперных электрических сетях. Лабораторные и практические работы этого раздела разработаны на основе научных трудов основателя кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий и городов» в Горьковском политехническом институте профессора Ю.Л. Мукосеева [32].
     Дисциплина «Электротехнологические промышленные установки» изучается студентами с момента образования кафедры в 1964 году. Первые преподаватели В.Л. Айзеншток, Г.Я. Вагин [5, 45]. Ведущие лекторы курса: с 1978 по 1998 год - А.И. Гардин (в этот период был создан основной материал пособия [46-49]), с 1999-2019 год - Е.Б. Солнцев, с 2020 года по настоящее время - О.Ю. Малафеев.
     Авторы приносят благодарность рецензентам книги за ряд полезных замечаний. Особую признательность выражают Е.Б. Солнцеву за внедрение курсового проекта по дисциплине «Электротехнологические установки» и сопровождение курса в течение двадцати лет.
     Авторы будут признательны за замечания по содержанию книги, которые следует направлять по адресу электронной почты gardinai 996@gmail.com.

3

    1. ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ПЕЧЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ

    В курсе «Электротехнологические установки» по данной теме проводится лабораторная работа № 1. В ходе работы студенты изучают: разнообразные конструкции печей сопротивления косвенного действия, конструкции нагревательных элементов, методы электрического расчёта печей сопротивления, электрические схемы соединения нагревательных элементов в однофазных и трёхфазных печах, физические основы влияния электрической нагрузки печей на режим напряжения в схеме электроснабжения промышленного предприятия.

    1.1. Классификация электрических печей сопротивления

    Печи нагрева методом электрического сопротивления (ЭПС) являются широким классом устройств, применяемых для сушки, термообработки и плавки. Различают ЭПС прямого и косвенного действия. У первых тепло выделяется непосредственно в нагреваемом теле при протекании через него электрического тока; у вторых тепло выделяется в специальных нагревательных элементах и передаётся объекту нагрева излучением, конвекцией и теплопроводностью. В свою очередь ЭПС косвенного действия принято делить на низко-, средне- и высокотемпературные. Эти группы различают по сортаменту применяемых для их изготовления материалов, по конструкции и используются для различных технологических процессов.
    Низкотемпературные печи (с температурой в рабочей камере до 400 °C), в которых передача тепла к нагреваемым изделиям осуществляется в основном конвекцией (естественной или принудительной), используются в технологических процессах сушки, отпуска стальных изделий, нагрева под термическую и механическую обработку лёгких и цветных металлов и их сплавов, для плавки легкоплавких металлов.
    Среднетемпературные печи (до 1250 °C), в которых передача тепла осуществляется преимущественно излучением, применяются для закалки, отпуска, нормализации, цементации, спекания, нагрева под ковку, штамповку и прокатку, для прессования и других технологических процессов.
    Высокотемпературные печи (свыше 1250 °C) используются для спекания металлургических изделий, их дегазации и рафинирования, термообработки тугоплавких металлов и сплавов, выращивания монокристаллов и их обработки, для нагрева тугоплавких металлов и сплавов перед пластической деформацией.
    По конструктивным признакам и характеру технологического цикла нагрева ЭПС разделяют на печи периодического (садочные) и методического (непрерывного) действия. В печах периодического действия изделия


4

загружаются в камеру печи и постепенно нагреваются в ней, оставаясь неподвижными. В каждый момент времени температура всех точек печной камеры примерно одинакова и одинаково изменяется во времени (рис. 1.1).


Рис. 1.1. Основные типы печей сопротивления периодического действия: а — камерная, б — шахтная, в — колпаковая, г — элеваторная, д — с выдвижным подом, 1 — кладка печи, 2 — нагреваемое изделие, 3 — нагреватели (закреплены на внутренней поверхности печи)

5

     В методических печах изделия загружаются с одного конца печи и, постепенно перемещаясь вдоль неё, выходят с другого конца нагретыми до заданной температуры. В таких печах температура повышается от загрузочного конца печи к разгрузочному, оставаясь неизменной во времени в каждой точке печи (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Основные типы печей сопротивления методического действия: а — конвейерная, б — барабанная, в — рольганговая, г — карусельная, 1 — кладка печи, 2 — механизм перемещения изделий, 3 — нагреватели, 4 — нагреваемые изделия

     По атмосфере в рабочем пространстве ЭПС разделяют: на печи с окислительной средой (обычные печи с воздушной атмосферой), с контролируемой атмосферой инертных газов и вакуумные печи.
     Для всех ЭПС косвенного действия характерно наличие кладки, состоящей из огнеупорного слоя, образующего рабочее пространство печи (камера нагрева), и теплоизоляционного слоя, служащего для уменьшения теплового потока из рабочего пространства печи во внешнюю среду.

6

Кладка печи заключена в металлический кожух, имеющий рёбра жесткости. Нижняя часть печи называется под, верхняя - свод. Обрабатываемые детали помещаются в рабочую камеру печи и подвергаются воздействию тепла от нагревателей.

    1.2. Материалы и конструкция нагревательных элементов

     Материалы нагревательных элементов ЭПС должны обладать необходимой жаростойкостью (устойчивость против оплавления и механическая прочность при высокой температуре), жаропрочностью (отсутствие деформации нагревателей), высоким удельным электрическим сопротивлением, малым температурным коэффициентом удельного электрического сопротивления, постоянством электрического сопротивления (материал не должен изменять удельное сопротивление во времени).
     Для различных видов печей материалы и конструкции нагревательных элементов различны. В низкотемпературных печах используются стержневые, коаксиальные и трубчатые электронагреватели. Стержневые нагреватели представляют собой стальные стержни круглого поперечного сечения с устройствами для подключения к сети. Коаксиальные электронагреватели (рис. 1.3) состоят из коаксиально расположенных стальных труб различных диаметров или внутреннего стержня и трубы. Стержень и труба являются проводниками, включенными в сеть электрического тока последовательно. Зазоры между проводниками заполняются уплотнённым электроизоляционным термостойким материалом. Температура стержневых и коаксиальных нагревателей из стали не должна превышать 450 °C.
     Трубчатый электронагревательный элемент (ТЭН) представляет собой металлическую трубу 3 (рис. 1.4), внутри которой запрессована в наполнителе 4 спираль 2 из нихромовой проволоки. Наполнителем 4 служит плавленая окись магния (периклаз) или его заменители - кварцевый песок, корунд.
     Преимущества ТЭН перед другими нагревателями:
     а)      поверхность нагревателя не находится под электрическим напряжением, т. е. нагреватель электробезопасен. При заземлении внешней трубки и правильно выбранной защите (на автоматическом выключателе или предохранителе) его можно помещать в воду, жидкий металл, соли;
     б)      нагревательная спираль, запрессованная в наполнителе, имеет малый диаметр проволоки и значительный срок службы;
     в)      нагреватели надежно работают при вибрациях и значительных ударных нагрузках (благодаря плотности набивки наполнителя);
     г)     нагреватели могут иметь любую форму.


7

Рис. 1.3. Коаксиальный электронагреватель:
1 — стержень, 2 — труба, 3 —уплотнитель, 4 — клеммы для подсоединения к электрической сети, 5 — герметичная пробка из изоляционного материала, б — сварное соединение проводников

1 — контактный стержень, 2 — нагревательная спираль, 3 — оболочка, 4 — наполнитель, 5 — герметичная пробка, б — контактная гайка

     Температура на оболочке ТЭН (в зависимости от материала оболочки) не должна превышать 200-700 °C.
     В среднетемпературных печах нагревательные элементы с целью улучшения теплоотдачи выполняются открытыми из голой (без изоляции) нихромовой (сплавы никеля, хрома, железа) или фехралевой (сплавы железа, хрома, алюминия) ленты или проволоки.
     Конструктивно открытые нагреватели изготавливаются в виде спирали или ленты (рис. 1.5) и размещаются на внутренней поверхности рабочей камеры печи (рис. 1.1, рис. 1.2).


Рис. 1.5. Конструкция нагревательных элементов: а — проволочная спираль (аэф = 0,32), б — проволочный (аэф = 0,68) и ленточный зигзаг (аэф = 0,4)

     В высокотемпературных печах нагревательные элементы выполняются в виде стержней из карборунда, молибдена, вольфрама и других материалов.
     Основные характеристики материалов приведены в табл. 1.6.

    1.3. Принцип действия печей сопротивления

     Принцип действия нагревателей ЭПС основан на явлении нагрева проводника, включенного в электрическую цепь. При прохождении

9

электрического тока через нагреватель происходит преобразование электрической энергии в тепловую энергию Wq, количество которой определяется в соответствии с законом Джоуля - Ленца:
                           и ²
         Wq = 1²Rt = UнэIt = —-1[Вт• с,Дж] = 0,239-10е 3 1²Rt[ккал] = ,л л.
R                R                                          (1.1)
= 0,278-10⁽ 6 1²Rt[кВт• ч],

где I - сила тока, протекающего через нагреватель, А;
R - активное сопротивление нагревателя, Ом;
Uнэ - напряжение, приложенное к нагревателю, В; t - время прохождения тока, с.
     Тепловая энергия с поверхности нагревателя передаётся нагреваемому изделию посредством излучения и конвекции. Мощность, выделяющаяся с единицы поверхности нагревателя, получила название удельной поверхностной мощности нагревателя. Чем выше удельная поверхностная мощность нагревателя, тем выше температура его поверхности. Таким образом, величина удельной поверхностной мощности определяет температуру его поверхности.
     Для вычисления удельной поверхностной мощности реального нагревателя вводится понятие идеального нагревателя. Идеальным называют такой нагреватель, который образует с изделием две параллельные бесконечные плоскости при условии, что теплопередача осуществляется только одним способом теплопередачи - за счёт теплового излучения, и тепловые потери равны нулю.
     Для идеального нагревателя удельная поверхностная мощность находится по закону Стефана - Больцмана:
®ид = Ср [(7н/100)⁴ - (ТИзД/100)⁴],            (1.2)

где Tн, Tизд - соответственно, температура нагревателя и изделия, К; Спр - приведённый коэффициент излучения изделия, Вт/(м²К⁴):

С '■“'пр

5,7

¹/еизд + ¹/ен ⁻ ¹

(1.3)

где Ен, Еизд - коэффициенты теплового излучения материала нагревателя и изделия.
     На основе выражения (1.2) построены зависимости удельной поверхностной мощности идеального нагревателя шид от температуры изделия и нагревателя, при Спр = 3,85 Вт/(м²К⁴), при ен = Еизд = 0,8 (рис. 1.6). В случае отличия значений е от 0,8, величину удельной поверхностной мощности умножают на поправочный коэффициент ас = 0,26/'пр, где Cпр -реальное значение приведенного коэффициента излучения изделия,


10