Энерготехнологические установки

Москва 2023

МИ НИ С Т ЕРС Т ВО НА УКИ  И  ВЫС ШЕГО ОБРА З ОВА НИ Я РФ

Университет науки и технологий МИСИС

ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ

Кафедра энергетики и энергоэффективности горной промышленности

Г.И. Бабокин

ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ 
УСТАНОВКИ

Учебное пособие

Рекомендовано редакционно-издательским  
советом университета

№ 4327

УДК 621.3(07) 
 
Б12

Р е ц е н з е н т 
д-р техн. наук, проф. Д.М. Шпрехер  
(Тульский государственный университет)

Бабокин, Геннадий Иванович.
Б12  
Энерготехнологические установки : учеб. пособие / 

Г.И. Бабокин. – Москва : Издательский Дом НИТУ 
«МИСиС», 2023. – 220 с.
ISBN 978-5-907560-55-0

Содержит информацию о принципах действия, устройстве, основных 
технических параметрах и характеристиках электротехно-
логических установок: электротермических; электрохимических; 
электрокинетических; сварочных. Рассмотрено основное электрооборудование 
и автоматика электротехнологических установок. Даются 
энергетические балансы электротермических установок и методы 
повышения их энергоэффективности.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 

подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», профиль «
Управление энергоресурсами предприятий», и может быть 
полезно работникам промышленности, занимающимся эксплуатацией 
электротехнологических установок.

УДК 621.3(07)

 Бабокин Г.И., 2023
ISBN 978-5-907560-55-0
 Университет МИСИС, 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список используемых сокращений .................................... 7
Введение ........................................................................ 8
ГЛАВА 1. Классификация электротехнологических 
установок. Основы теплопередачи и теплообмена .............. 10
1.1. Классификация электротехнологических  
установок ................................................................. 10
1.1.1. Классификация электротермических  
установок .............................................................. 11
1.1.2. Классификация электрохимических  
установок .............................................................. 15
1.1.3. Классификация электрофизических  
установок .............................................................. 16
1.1.4. Классификация электрокинетических  
установок .............................................................. 18
1.1.5. Классификация электросварочных  
установок .............................................................. 20
1.2. Основы теплопередачи и теплообмена .................... 21
1.2.1. Понятие о теплообмене ................................... 21
1.2.2. Передача тепла теплопроводностью ................. 23
1.2.3. Конвективный теплообмен ............................. 25
1.2.4. Теплообмен излучением ................................. 27
1.3. Динамика нагрева и охлаждения однородного тела 
(изделия) .................................................................. 30
1.3.1. Вывод формулы нагрева и охлаждения тела ...... 30
1.3.2. Переходный процесс нагрева тела .................... 33
1.3.3. Переходный процесс охлаждения тела ............. 34
Контрольные вопросы и задания .................................. 36
ГЛАВА 2. Электротермические установки нагрева 
сопротивлением ............................................................ 38
2.1. Электрические печи сопротивления ....................... 38
2.1.1. Принцип и технологические схемы нагрева 
сопротивлением ...................................................... 38
2.1.2. Нагревательные элементы и футеровка 
электропечей сопротивления .................................... 41
2.1.3. Классификация электрических печей 
сопротивления ....................................................... 44

2.1.4. Электрическая тигельная печь сопротивления 
для плавки металлов ............................................... 46
2.1.5. Электрические печи сопротивления 
для термической обработки и сушки материалов 
и изделий .............................................................. 49
2.1.6. Электрооборудование и автоматика  
электрических печей сопротивления ......................... 57
2.1.7. Электрооборудование и автоматика  
электрической печи сопротивления с непрерывным 
регулированием температуры ................................... 66
2.1.8. Энергетический баланс электрической печи 
сопротивления периодического действия ................... 71
2.1.9. Повышение энергетической эффективности 
электрических печей сопротивления ......................... 79
2.2. Электрические системы отопления ........................ 82
2.2.1. Введение в классификацию электрических  
систем отопления .................................................... 82
2.2.2. Конвективные приборы систем электрического 
отопления .............................................................. 86
2.2.3. Устройство и технические характеристики 
электрического котла .............................................. 90
2.2.4. Конвективное отопление здания  
с электрическим котлом .......................................... 93
2.2.5. Система отопления здания с инфракрасным 
нагревателем .......................................................... 96
2.2.6. Применение тепловых насосов для отопления 
зданий .................................................................100
Контрольные вопросы и задания .................................105
ГЛАВА 3. Дуговые сталеплавильные печи .....................106
3.1. Классификация дуговых сталеплавильных печей ...106
3.2. Принцип действия дуговой сталеплавильной печи 
косвенного действия ..................................................107
3.3. Принцип действия дуговой сталеплавильной печи 
прямого действия......................................................109
3.4. Принцип действия дуговой рудно-термической  
печи ........................................................................110
3.5. Условия зажигания и вольтамперная  
характеристика электрической дуги ............................112

3.6. Условия горения дуги при питании от источника 
переменного напряжения и схема замещения цепи дуги ...115
3.7. Условия устойчивого горения электрической  
дуги ........................................................................118
3.8. Регулирование мощности электрической дуги  
дуговой сталеплавильной печи....................................120
3.9. Режимы работы и электропотребления дуговой 
сталеплавильной печи ...............................................122
3.10. Электрооборудование и автоматика дуговой 
сталеплавильной печи ...............................................126
3.11. Электрические и рабочие характеристики  
дуговой сталеплавильной печи....................................132
3.12. Энергетический баланс дуговой  
сталеплавильной печи ...............................................137
3.13. Повышение энергоэффективности дуговых 
сталеплавильных печей .............................................142
Контрольные вопросы и задания .................................150
ГЛАВА 4. Индукционные электротехнологические 
установки ...................................................................151
4.1. Классификация индукционных 
электротехнологических установок .............................151
4.2. Индукционные плавильные печи .........................152
4.2.1. Индукционные канальные печи (ИКП) ............152
4.2.2. Индукционная тигельная плавильная печь ......154
4.3. Индукционные нагревательные и закалочные 
установки ................................................................159
4.4. Электрооборудование и автоматика  
индукционной канальной печи ...................................162
4.5. Электрооборудование и автоматика  
высокочастотной тигельной печи нагревательных 
и закалочных установок ............................................164
4.6. Энергетический баланс индукционной плавильной 
печи ........................................................................169
4.7. Расчетно-экспериментальный энергетический  
баланс индукционной плавильной печи .......................172
4.8. Повышение энергоэффективности индукционных 
плавильных печей ....................................................174
Контрольные вопросы и задания .................................178

ГЛАВА 5. Установки лучевого и диэлектрического  
нагрева .......................................................................180
5.1. Установки лучевого нагрева ................................180
5.2. Установки диэлектрического нагрева ....................184
Контрольные вопросы и задания .................................186
ГЛАВА 6. Электрохимические и электрофизические 
установки ...................................................................187
6.1. Электролизные установки ...................................187
6.2. Электрооборудование электролизных  
производств .............................................................192
6.3. Электрохимическая обработка материалов ............195
6.4. Электроэрозионные установки .............................198
Контрольные вопросы и задания .................................201
ГЛАВА 7. Электрокинетические установки ....................203
7.1. Электрические фильтры......................................203
7.2. Установки для разделения сыпучих смесей ............207
7.3. Установки для разделения эмульсий и суспензий ...208
7.4. Опреснительные установки .................................210
7.5. Установки электростатической окраски ................211
Контрольные вопросы и задания .................................212
ГЛАВА 8. Электросварочные установки ........................213
Контрольные вопросы и задания .................................217
Заключение ................................................................218
Библиографический список ...........................................219

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ 
СОКРАЩЕНИЙ

ЭТУ – электротехнологические установки
ДСП – дуговые сталеплавильные печи
РТП – рудотермические печи
ВДП – вакуумные дуговые печи
ЭШП – печи электрошлакового переплава
ЭЛУ – электронно-лучевые установки
ЭЭ – электрическая энергия
ТЭ – тепловая энергия
НЭ – нагревательный элемент
НО – нагреваемый объект
ЭПС – электрическая печь сопротивления
ТЭН – трубчатый электронагреватель
КПД – коэффициент полезного действия
КИП – контрольно-измерительные приборы
ГВС – горячее водоснабжение
ТЭЦ – теплоэлектроцентраль
ИК – инфракрасный
ТН – тепловой насос
ВАХ – вольт-амперные характеристики
ТКГ – топливно-кислородные горелки
ИКП – индукционные канальные печи
ИТП – индукционные тигельные печи
ИНУ – индукционные нагревательные установки
ИЗУ – индукционные закалочные установки
ЭЭО – электроэрозионная обработка
МЭП – межэлектродное пространство
ЭИТ – электронно-ионная технология

ВВЕДЕНИЕ

Электротехнологии и электротехнологические установки 

преобразуют электрическую энергию в другие виды энергии 
для выполнения определенного технологического процесса.
Бурному развитию электротехнологии способствует быстроразвивающаяся 
электроэнергетика, создание новых источников 
электрической энергии, сооружение линий электропередачи, 
передающих электроэнергию на дальние расстояния, а также 
преимущество электрической энергии перед другими видами 
энергии, заключающееся в следующем: технически просто реализуется 
способность к преобразованию в другие виды энергии; 
возможность экономической передачи на дальние расстояния; 
экологичность при передаче и применении; простота распределения 
по объектам и установкам внутри предприятия и высокий 
уровень автоматизации процессов по ее применению.
Электротехнологические установки (ЭТУ) широко применяются 
в металлургической, машиностроительной, химической 
и других отраслях промышленности, сельском хозяйстве 
и бытовой технике.
Область применения ЭТУ: плавка металлов и нагрев металлических 
изделий; закалка металлических изделий; получение 
особо чистых металлов; нанесение металлических покрытий 
на изделие; электрохимическая и электрофизическая обработка 
изделий; магнитно-импульсная, электромагнитная, электрогидравлическая 
штамповка изделий; выделение из газового 
потока твердых тел или жидких частиц – электрогазоочистка; 
разделение многокомпонентных систем на составные части – 
электросепарация; нанесение твердых или жидких покрытий 
на изделия – электроокраска и др. Более того, получение высококачественных 
сталей, жароупорных металлов и сплавов, полупроводниковых 
материалов, особо чистых материалов – все 
то, что определяет технический прогресс, может быть достигнуто 
только посредством электротехнологических процессов.
Большинство электротехнологических процессов являются 

энергоемкими, например при плавке стали в дуговых сталеплавильных 
печах удельный расход электроэнергии составляет 
450 кВт⋅ч/т, а при плавке руды в рудотермических печах – 

3000 кВт⋅ч/т. Поэтому ЭТУ являются наиболее существенными 
потребителями электроэнергии в промышленности. В связи 
с этим при рассмотрении процессов в ЭТУ важно изучить их 
принципы действия, устройство, особенности электропотребления, 
энергетический баланс и направления повышения их 
энергоэффективности.

ГЛАВА 1.  
Классификация электротехнологических 
установок. Основы теплопередачи 
и теплообмена

1.1. Классификация 
электротехнологических установок

Электротехнологические процессы включают следующие 

технологические процессы и методы обработки материалов:
• электротермические процессы, в которых используется 

превращение электрической энергии в тепловую для нагрева 
материалов и изделий в целях изменения их свойств или формы, 
для их плавления и испарения;
• электрохимические процессы и методы обработки и получения 
материалов разложением химических соединений и 
их разделением в жидкой среде под действием электрического 
поля (электролиз, гальванотехника, анодная электрохимическая 
обработка);
• электрофизические процессы и методы обработки, при 

которых для воздействия на материалы используется превращение 
электрической энергии как в механическую, так и в 
тепловую (электроэрозионная, ультразвуковая, магнитоим-
пульсная, электровзрывная);
• электрокинетические аэрозольные процессы, при которых 
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;
• электросварочные процессы, в которых получаемая из 

электрической энергии тепловая энергия используется для нагрева 
тел и прочного их соединения в месте сварки.
Электротехнологические установки (ЭТУ) – это технический 
комплекс или агрегаты, в которых происходит превращение 
электрической энергии (ЭЭ) в другие виды энергии с одновременным 
осуществлением технологических процессов, в 
результате которых происходит изменение вещества.

По виду применяемого электротехнологического процесса 

ЭТУ классифицируются на электротермические, электрохимические, 
электрофизические, электрокинетические, сварочные 
(рис. 1.1).

Электротехнологические установки

Электротермические
Электрохимические
Электрофизические

Электрокинетические
Электросварочные

Рис. 1.1. Классификация электротехнологических установок

Технический комплекс или агрегат ЭТУ включает основное 

оборудование, реализующее технологический процесс (электропечь, 
электролизер, закалочное устройство, сварочный аппарат 
и т.д.); источник электропитания (электроснабжение); систему 
управления с контрольно-измерительными приборами; вспомогательные 
механизмы (механизмы подачи руды, наклона, поворота, 
загрузки печи и т.д.).
Следует отметить, что превращение электрической энергии 
в механическую рассматривается в дисциплине «Электрический 
привод», а в световую – в дисциплине «Светотехника».

1.1.1. Классификация электротермических 
установок

Электротермические установки применяют процессы преобразования 
электрической энергии в тепловую. В 1802 г. русский 
ученый В.В. Петров открыл электрическую дугу и практически 
использовал ее в электротермии для нагрева и плавки 
металла, а также для электроосвещения. Сегодня электротермические 
установки находят широкое применение в химической, 
электротехнической, металлургической промышленности, 
машиностроении и других отраслях промышленности. Это 
обусловлено значительными преимуществами электрического 
нагрева по сравнению с нагревом другими способами, а именно:

• легкостью управления и регулирования процесса нагрева, 
возможностью концентрации значительной электрической 
мощности в небольших объемах, что обеспечивает высокую интенсивность 
процесса нагрева;
• возможностью избирательного нагрева отдельных частей 

объекта и получения в нем требуемого распределения температур;
• 
простотой автоматизации процесса нагрева и возможностью 
работы в автоматических линиях;
• возможностью вести нагрев в защитной среде или вакууме 
при герметизации оборудования;
• экологической чистотой процесса нагрева, улучшением 

безопасности и условий труда обслуживающего персонала.
Классификация электротермических установок проводится 
по способу превращения электрической энергии в тепловую 
(способу нагрева), рис. 1.2. Это ЭТУ нагрева сопротивлением, 
дугового нагрева, плазменного нагрева, лучевого нагрева, нагрева 
электромагнитным полем.

ЭТУ

ЭТУ нагрева
сопротивлением 

ЭТУ дугового
нагрева 

ЭТУ плазменного
нагрева 

ЭТУ лучевого нагрева
ЭТУ нагрева
электромагнитным полем 

ЭТУ
электронного
нагрева

ЭТУ
фотонного
нагрева

ЭТУ
индукционного
нагрева

ЭТУ
диэлектрического
нагрева

Рис. 1.2. Классификация электротермических установок

ЭТУ нагрева сопротивлением, в которых электрическая 

энергия превращается в тепловую при протекании тока через 
жидкие или твердые тела. Основное оборудование – печи сопротивления, 
электрокотлы, нагревательные устройства.

Печи сопротивления по способу термической обработки материалов 
подразделяются на нагревательные, в которых нагрев 
изделия осуществляется до температуры ниже температуры 
плавления, и плавильные. Печи используют для нагрева металлических 
изделий под термообработку и пластическую деформацию, 
для плавки металлов, сушки материалов, в том числе 
и лакокрасочных покрытий. Нагрев проводится при атмосферном 
давлении на воздухе, в вакууме, а также в контролируемой 
атмосфере.
ЭТУ дугового нагрева, в которых электрическая энергия преобразуется 
в тепловую в электрическом (дуговом) разряде, возникающем 
между электродами, одним из которых может быть 
нагреваемое изделие. Основное оборудование – дуговые сталеплавильные 
печи (ДСП), рудотермические печи (РТП), вакуумные 
дуговые печи (ВДП). Традиционно к установкам дугового 
нагрева относятся печи электрошлакового переплава (ЭШП), 
несмотря на то что в них отсутствует дуга, но по конструкции, 
принципу действия и области применения они схожи с ВДП. 
ДСП относятся к потребителям с резко переменной электрической 
нагрузкой и высоким расходом электроэнергии.
ДСП работают на переменном трехфазном токе и предназначены 
для получения высококачественных сталей, емкость печей 
достигает 400 т при установленной электрической мощности оборудования 
до 100 МВт. РТП также питаются от трехфазной сети 
и служат для получения различных сплавов и чистых металлов 
из природных руд. Удельный расход электроэнергии в зависимости 
от процесса колеблется от сотен до 3000 кВт⋅ч на тонну. ВДП 
и ЭШП относятся к рафинировочным печам. Благодаря рафинировочной 
среде (в ВДП – вакуум, в ЭШП – шлак), они позволяют 
проводить глубокую очистку металла. Печи пбредназначены 
для переплавки высоколегированных сталей, тугоплавких металлов 
и титана. Получаемый слиток достигает десятков тонн, 
а электрическая мощность печей составляет сотни киловатт.
ЭТУ нагрева электромагнитным полем, в которых электрическая 
энергия переменного электромагнитного поля превращается 
в тепловую в телах, помещенных в это поле. Основное оборудование – 
индукционные тигельные и канальные плавильные 
печи, нагревательные диэлектрические печи. Индукционные 

установки предназначены для плавки металлов (тигельные и канальные 
печи), для нагрева изделий перед пластической деформацией 
и термообработкой (нагревательные установки), а также 
для поверхностной закалки изделий. В зависимости от вида процесса 
индукционные установки получают питание от источников 
переменного напряжения с пониженной, промышленной, 
средней (0,5–10 кГц) и высокой частотами (до 300 МГц). Масса 
металла, выплавляемого в печах, достигает десятки тонн, а 
мощность установок – десятки киловатт. Высокочастотное электрическое 
поле широко используется при нагреве диэлектриков 
и полупроводников (сушка древесины и лакокрасочных покрытий, 
склеивание изделий и вулканизация резины, варка стекла, 
спекание пластмасс и т.д.).
ЭТУ лучевого нагрева, в которых энергия электронного или 

фотонного потока превращается в тепловую энергию при бомбардировке 
электронами или фотонами поверхности нагреваемых 
или обрабатываемых тел. Основное оборудование – электронно-
лучевые и лазерные установки. Электронно-лучевые 
(ЭЛУ) и лазерные установки позволяют производить высококачественную 
сварку и резку больших толщин (несколько сантиметров) 
тугоплавких металлов. Кроме того, данный вид нагрева 
применяется для глубокой очистки металлов и полупроводниковых 
материалов, а также для термообработки поверхности 
изделий. ЭЛУ эффективно используются для плавки высоколегированных 
сталей и тугоплавких металлов. Лазерные установки 
применяются для пробивания отверстий малого диаметра 
(несколько десятков микрон) и резки не только металлов, но 
и керамики, драгоценных камней, строительных плит, пластмасс 
и т.д.
ЭТУ плазменного нагрева, в которых энергия плазмы, получаемая 
с помощью электромагнитного поля, превращается в тепловую 
и используется для плавки, резки и сварки тугоплавких 
металлов и насыщения поверхностного слоя металлических изделий 
легируемым материалом. Основное оборудование – плазмотрон. 
Кроме того, с помощью ионно-плазменной обработки 
производят основные виды химико-термической обработки, широко 
применяемой в промышленности: цементацию, азотирование, 
нитроцементацию поверхности металлических изделий.