Электрические печи нагрева сопротивлением
Печь сопротивления представляет собой футерованную камеру. Тепло выделяется в нагревателе, после чего отдается нагреваемому изделию.
Электрические печи сопротивления по способу превращения электрической энергии в тепловую разделяются на печи косвенного действия и установки прямого нагрева.
Классификация печей нагрева сопротивлением по технологическому назначению
По технологическому назначению печи сопротивления косвенного нагрева можно разделить на три группы:
1) термические печи для различных видов термической и термохимической обработки черных и цветных металлов, стекла, керамики, металлокерамики, пластмасс и других материалов;
2) плавильные печи для плавки легкоплавких цветных металлов и химически активных тугоплавких металлов и сплавов;
3) сушильные печи для сушки лакокрасочных покрытий, литейных форм, обмазок сварочных электродов, металлокерамических изделий, эмалей и т. п.
Классификация электрических печей нагрева сопротивления по характеру работы
Электрические печи сопротивления обычно используют для термической обработки изделий, которые должны изменять свою температуру в соответствие с заданным режимом обработки. По первому способу изделие помещается в камеру печи и изменяют температуру внутри камеры в соответствии с графиком обработки, потом изделие выпускают, загружают новое, цикл повторяется. Такой способ принят в печах периодического действия (садочные печи). Есть два вида садочных печей – камерные и шахтные.
Для печи периодического действия (садочной) характерно неизменное положение нагреваемого тела (садки) в течение всего времени пребывания в печи. Цикл работы печи включает загрузку, тепловую обработку по заданному режиму и выгрузку. Печь может работать круглосуточно (тогда циклы непрерывно следуют друг за другом) или с перерывами – в одну или две смены.
По второму способу камерные печи сопротивления создают несколько температурных зон в соответствии с требуемым графиком обработки изделия. Обрабатываемое изделие перемещается с заданной скоростью от загрузочного окна к разгрузочному. При такой организации процесса возможно движение изделий непрерывным потоком. Это печи непрерывного действия (методические).
Эти печи используют в условиях серийного производства, автоматизация технологического процесса предполагает обеспечение:
1. Автоматического перемещения изделия с заданной скоростью внутри печи.
2. Автоматическую подачу необработанных изделий и уборки обработанных.
3. Автоматическая стабилизация t° в температурных зонах печи.
Печи непрерывного действия особенно удобны для работы в поточных технологических линиях с металлообрабатывающими станками и другими агрегатами и устройствами.
Классификация электрических печей нагрева сопротивлением по температурному режиму
Печи сопротивления косвенного нагрева разделяются по температурному режиму на низко-, средне- и высокотемпературные.
У первых верхняя температурная граница лежит в пределах 600–650°С и процессы теплообмена идут с значительной или даже преобладающей ролью конвекции. Низкотемпературные печи часто называют конвекционными печами.
В средне- и высокотемпературных печах теплообмен внутри печи осуществляется в основном излучением, а доля конвективного теплообмена незначительна. Печи с преобладающим лучистым теплообменом иногда называют радиационными.
Среднетемпературные печи имеют верхнюю температурную границу 1200–1250 °С, определяемую возможностью применения для нагревательных элементов специальных сплавов сопротивления. Технологические применения этих печей весьма обширны: процессы закалки, нормализации, отжига, термохимическая обработка черных металлов, нагрев под обработку давлением черных и цветных металлов и т. п.
Названные группы печей отличаются как конструктивно, так и механизмом передачи тепла от нагревателя к изделию. Таким образом, в низкотемпературных печах основным механизмом передачи тепла является конвекция, т.е. в таких печах тепло передается потоком циркулирующего воздуха. Для интенсификации процесса теплопередачи низкотемпературные печи обычно снабжают вентилятором и нагреватель иногда размещается в отдельной камере. Эта камера связана с основной камерой каналами для циркуляции воздуха. В средне и высоко температурных печах основное тепло от нагревателя к изделию передается излучением. Т.о., в данных печах установка вентилятора не нужна, но необходимо наличие оптической связи между нагревателем и изделием, т.е. они должны быть размещены в общей камере.
Другие конструктивные отличия связаны с устройством футеровки и материалом нагревательных элементов. В низкотемпературных печах футеровка содержит только теплоизоляционный слой, а жесткость футеровки обеспечивается двумя связанными между собой внешними и внутренними каркасами.
В среднетемпературных печах в футеровке появляется огнеупорный слой, выполненный их легковеса. Этот слой имеет механическую связь с внешним каркасом печи, в связи с чем надобность во внутреннем каркасе отпадает.
В высокотемпературных печах огнеупорный слой выполнен из шамота. Между огнеупорным слоем и слоем теплоизоляции вводится дополнительный слой легковеса для снижения температуры теплоизоляции до допустимой.
В низко и средне температурных печах используются металлические нагреватели их фехраля и константана при t° до 800 °С и нихрома до 100 °С.
В высокотемпературных печах обычно используют неметаллические нагреватели (карборундовые, графитовые, угольные). Такие нагреватели могут значительно изменять свое сопротивление при нагреве и в процессе эксплуатации. Кроме того, для надежной работы такие нагреватели должны разогреваться постепенно при малой мощности (иначе они растрескаются).
Учет этих специфических особенностей приводит к необходимости применять в высокотемпературных печах те или иные средства регулирования подводимого напряжения (автотрансформатор, регулируемый трансформатор).
Для многих технологических процессов требуются вакуум или инертные газы в рабочем пространстве печи, поэтому в ряде случаев печи сопротивления выполняют вакуумными, газонаполненными или вакуумно-компрессионными.
Типы и конструкции печей сопротивления косвенного нагрева
Электрические печи сопротивления периодического действия
Электропечи сопротивления периодического действия разнообразны по конструкции, их применяют в индивидуальном или мелкосерийном производстве. Из них наиболее широко распространены колпаковые, элеваторные, камерные и шахтные печи.
Колпаковая печь – печь периодического действия с открытым снизу подъемным нагревательным колпаком и неподвижным стендом. Нагреваемые детали (садка) 5 с помощью подъемно-транспортных устройств помещаются на стенд 1. Поверх них сначала устанавливается жаропрочный колпак – муфель 3, а затем основной колпак 2 камеры печи, выполненной из металлического каркаса с огнеупорной футеровкой. Нагревательные элементы 4 расположены по боковым стенкам колпака и в кладке стенда. Питание нагревательных элементов осуществляется с помощью гибких кабелей и штепсельных разъемов.
Печи сопротивления периодического действия: а – колпаковая; б – элеваторная; в – камерная; г – шахтная; 1 – стенд; 2 – камера печи; 3 – жаропрочный муфель; 4 – нагревательные элементы; 5 – нагреваемое изделие (садка); 6 – опускающийся под; 7 – подъемное устройство; 8 – свод; 9 – механизм подъема свода
По окончании нагрева электропитание колпака отключается и он переносится на соседний стенд, где уже установлена очередная загрузка для нагрева. Остывание садки происходит на стенде под жароупорным муфелем, что обеспечивает необходимую скорость остывания.
В колпаковых печах при каждом цикле теряется лишь теплота, запасенная в муфеле и кладке стенда, что составляет 10–15 % от теплоты, запасенной в кладке колпака.
Мощность колпаковых печей достигает нескольких сотен киловатт. Благодаря тому что колпак и муфель могут быть герметизированы, нагрев и остывание садки можно проводить в защитной атмосфере.
Элеваторная электропечь – печь периодического действия с открытой снизу неподвижной камерой нагрева 2 и с опускающимся подом 6. Она представляет собой цилиндрическую или прямоугольную камеру, установленную на колоннах на высоте 3–4 м над уровнем пола цеха.
Под печи поднимается и опускается гидравлическим или электромеханическим подъемником, который установлен под камерой нагрева. Нагреваемые изделия – садку 5 нагружают на тележку, затем с помощью лебедки продвигают под печь и поднимают подъемником 7, вдвигая в камеру. По окончании технологического процесса под опускается и изделие снимается.
В низкотемпературных печах нагреватели 4 расположены на стенках. В высокотемпературных печах нагреватели расположены на стенках и в поду.
Элеваторные печи служат для отжига, эмалирования, цементации, обжига керамических изделий, спекания и металлизации деталей.
Печи комплектуются многоступенчатыми трансформаторами.
Камерная электропечь – печь периодического действия с камерой нагрева, загрузка и разгрузка садки которой производятся в горизонтальном направлении. Камерная печь состоит из прямоугольной камеры 2 с огнеупорной футеровкой и теплоизоляцией, перекрытой сводом 8 и помещенной в металлический кожух. Печь загружается и выгружается через закрываемое дверцей отверстие в передней части.
В поду камерной печи обычно имеется жароупорная плита, на которой расположены нагреватели 4. В печах до 1000 К теплообмен обеспечивается за счет излучения или вынужденной конвекции, обеспечиваемой замкнутой циркуляцией печной атмосферы.
Шахтная печь представляет собой круглую, квадратную или прямоугольную шахту. Корпус печи заглублен в землю и перекрывается сверху крышкой с затвором и электроприводом. Нагревательные элементы в ней установлены обычно по боковым стенкам.
Электропечи сопротивления непрерывного действия (методические печи)
При установившемся технологическом процессе термообработки для увеличения производительности предпочтительно применять непрерывнодействующие печи. В зависимости от требований технологического процесса в таких печах кроме нагрева изделий до заданных температур можно производить выдержку при этой температуре, а также их охлаждение. В таком случае печи выполняют состоящими из нескольких зон, протяженность которых зависит от конкретных условий проведения технологического процесса.
Часто печи непрерывного действия объединяют в один полностью механизированный и автоматизированный агрегат, состоящий из нескольких печей. В частности, такая линия может включать в себя закалочную и отпускную печи, закалочный бак, моечную машину и сушилку.
Конструкции печей непрерывного действия различаются в основном механизмами перемещения нагреваемых изделий в рабочем пространстве печи.
Конвейерная печь – печь непрерывного действия с перемещением садки на горизонтальном конвейере.
Схема конвейерной электропечи: 1 – теплоизолированный корпус; 2 – загрузочное окно; 3 – нагреваемое изделие; 4 – нагревательные элементы; 5 – конвейер
Под печи представляет собой конвейер – полотно, натянутое между двумя валами, которые приводятся в движение специальными двигателями. Нагреваемые изделия укладываются на конвейер и передвигаются на нем через рабочее пространство печи. Конвейерная лента может быть выполнена плетеной из нихромовой сетки, штампованных пластин и соединяющих их прутков, а также для тяжелых нагреваемых изделий – из штампованных или литых цепных звеньев.
Конвейер размещается целиком в камере печи и не остывает. Однако валы конвейера находятся в очень тяжелых условиях и требуют водяного охлаждения. Поэтому часто концы конвейера выносят за пределы печи. В этом случае значительно облегчаются условия работы валов, но возрастают потери теплоты в связи с остыванием конвейера у разгрузочных и загрузочных концов. Нагреватели в конвейерных печах чаще всего размещаются на своде или в поду под верхней частью ленты конвейера, реже – на боковых стенках.
Конвейерные нагревательные печи в основном применяются для нагрева сравнительно мелких деталей до температуры около 1200 К.
Схема толкательной печи: 1 – толкатель с приводным механизмом; 2 – нагреваемые изделия; 3 – теплоизолированный корпус; 4 – нагревательные элементы; 5 – подина печи; 6 – закалочная ванна
Для высоких температур (выше 1400 К) применяются печи непрерывного действия с перемещением садки путем проталкивания вдоль рабочего пространства – толкательные печи. Они применяются для нагрева как мелких, так и крупных деталей. На поду таких печей устанавливаются направляющие в виде труб, рельсов или роликового пода, изготовленных из жароупорного материала, и по ним в сварных или литых специальных поддонах перемещаются нагреваемые изделия.
Перемещение поддонов обеспечивается электромеханическими или гидравлическими толкающими устройствами. Основное преимущество таких печей перед другими типами – их относительная простота, отсутствие сложных деталей из жароупорных материалов. Их недостатки – наличие поддонов, применение которых ведет к увеличению тепловых потерь и к повышенному расходу электрической энергии, ограниченный срок службы поддонов.
Толкательные печи , предназначенные для нагрева крупных заготовок правильной формы, выполняют без поддонов. При этом нагреваемые изделия укладывают в печь вплотную непосредственно на направляющие.
Толкательные водородные печи предназначены для различных технологических процессов, требующих нагрева в водороде или диссоциированном аммиаке. Они широко применяются в электроламповом производстве, при производстве металлокерамических деталей и твердых сплавов, для обжига и спекания керамики, для отжига и пайки металлических деталей и т. д.
При использовании в качестве защитного газа водорода или диссоциированного аммиака на загрузочных и разгрузочных камерах печи предусмотрены «свечи» для контроля заполнения ее рабочим газом. Состав рабочего газа каждой печи регулируется самостоятельно и расход его контролируется с помощью расходомеров для водорода и азота. Разгрузочные камеры печей имеют предохранительные клапаны для защиты от разрушения в случае образования в них взрывоопасной смеси.
Протяжная электропечь – печь непрерывного действия для нагрева проволоки, прутков или ленты путем непрерывной протяжки через камеру нагрева. Она представляет собой муфель с нагревателями, через который пропускается нагреваемое изделие.
Протяжная электропечь: 1 – теплоизолирующий корпус; 2 – нагреватель; 3 – муфель; 4 – нагреваемое изделие
В протяжных печах применяется также смешанный способ нагрева; прямой – с помощью контактных приводных роликов и косвенный – с помощью нагревателя. Косвенный нагрев обеспечивает термообработку концов прутка в начале и в конце процесса, когда прямой нагрев не может быть осуществлен.
Средства нагрева
Средства нагрева. При проведении термообработки сварных соединений нагрев изделий производят индукционным и радиационным (электропечным и газопламенным) способами.
Нагрев сварных конструкций при их термообработке производят в печах индукционным способом токами промышленной (50 Гц) или повышенной (8000 Гц) частоты, а также радиационным способом электронагревателями сопротивления или газопламенными горелками.
Индукционный способ заключается в нагреве изделия электрическим током, индуктируемым непосредственно в нагреваемом изделии переменным электромагнитным полем. Нагрев токами промышленной частоты обеспечивает наиболее равномерный нагрев сварных соединений и поэтому применяется для термообработки изделий любой толщины. Индукционный способ нагрева обычно применяют при закалке. При термообработке сварных соединений труб широко применяют одно- или двухсекционные гибкие индукторы, питание которых осуществляется от сварочных трансформаторов.
Газопламенный способ не обеспечивает равномерного нагрева сварных соединений при толщине стенки свыше 25. 30 мм и не дает возможности точно регистрировать величину температуры. Нагрев сварных стыков труб обычно ведут двумя горелками, пламя которых вводят внутрь специальной воронки или манжеты для равномерного распределения теплоты по периметру стыка. Для обеспечения замедленного охлаждения после нагрева стык закрывают асбестовой манжетой. Можно также выполнять нагрев в газовых печах. Радиационный нагрев электронагревателями сопротивления получил наибольшее распространение. Такой способ нагрева обеспечивает термообработку по заданному режиму при равномерном прогреве изделия.
В зависимости от температуры в рабочей камере различают низкотемпературные (с номинальной температурой 300. 700 °С), среднетемпературные (с номинальной температурой 700. 1250 °С) и высокотемпературные (с номинальной температурой свыше 1250 °С) электропечи сопротивления.
По конструктивному исполнению различают электропечи сопротивления периодического или непрерывного действия.
В электропечах периодического действия нагреваемые изделия загружают в рабочую камеру и постепенно нагревают в ней, при этом изделия остаются неподвижными. В электропечах непрерывного действия изделия загружают в рабочую камеру с одного конца печи и перемещают постепенно по ее длине, после чего изделия выходят с другого конца печи, нагретые до заданной температуры.
Электропечи периодического действия бывают камерные и шахтные, их применяют при закалке и отпуске сварных изделий. Электропечи для нагрева под закалку имеют нагревательные элементы в виде проволоки или ленты (печи с внешним обогревом тигля) или электродов (печи с внутренним обогревом тигля).
Электропечи непрерывного действия по конструктивному исполнению подразделяются на конвейерные, рольганговые, толкательные, карусельные, барабанные и протяжные.
При термообработке сварных соединений труб широко применяют нагревательные устройства типов ГЭН и ГРЭН. Источниками питания для них могут являться сварочные трансформаторы или сварочные источники постоянного тока. Такие нагреватели могут оснащаться блоками управления термопроцессом, обеспечивающим заданный температурно-временной режим нагрева изделия.
В случае термообработки сварных стыков труб при толщине стенки трубы свыше 25 мм внутри трубы следует устанавливать на расстоянии 300. 500 мм от шва тепловые заглушки.
Групповая термообработка сварных стыков труб может выполняться как с помощью индукторов, так и с помощью радиационных и комбинированных электронагревателей. При этом индукторы следует подключать последовательно, а электронагреватели сопротивления — параллельно.
Для измерения температуры до 500 °С применяют ртутные термометры, манометрические и электрические сопротивления. Температуры свыше 500 °С измеряют хромель-алюмелевыми термопарами. Измерение электродвижущей силы термопар производят с помощью милливольтметров, шкала которых проградуирована в градусах Цельсия. Можно применять переносные милливольтметры класса точности 1,0типов МПП-054, МПП-154, МПП-254идр. или стационарные класса точности 1,5 типов МПЩПр-54,
МПЩПр-55 и др. Фиксирование изменения температуры во времени регистрируют самописцами.
Для точного измерения температуры применяют электромеханические или электронные потенциометры различных типов класса точности 0,5. Такие потенциометры также оснащают самописцами. Регулирование температуры выполняется автоматически с помощью позиционных и пропорциональных электрических или пневматических регуляторов.
Электрические печи сопротивления
Электрические печи сопротивления разделяются на несколько типов зависимо от методики производимого нагрева, но все они предназначены для термической обработки изделий. Данные установки являются незаменимыми в промышленных сферах, лабораториях и научно-исследовательских отраслях для сушек, предварительного разогрева, обжига, закалки и иных обработок высокими температурами.
Разные типы электрических печей сопротивления объединяют следующие достоинства:
Произведение равномерного высокотемпературного нагрева;
Компактные конструкции и высокомощный нагрев;
Возможность применения автоматических систем управления;
Возможность регулировать процессы работы в автоматическом режиме;
Применение высокоэффективной герметизации.
Электрические печи сопротивления по типу нагрева делятся на прямо действующие и косвенно прогреваемые. Печь прямого нагрева проводит ток непосредственно через изделие. Таким образом, набор необходимой температуры происходить за несколько секунд, и деталь прогревается практически мгновенно. К сожалению, такое оборудование имеет и слабые стороны. Например, чрезмерная громоздкость, некоторые сложности конструктивного характера и трудности в оперативном регулировании режимов не позволяют применять печи прямого действия для решения абсолютно всех задач. В основном такие устройства стараются изготавливать на основе косвенного действия с применением дополнительных элементов нагревания из жаропрочных сплавов. Нихромовые или фехралевые сплавы в виде проволоки либо ленты способны служить на протяжении длительного времени, надежно выполняя свои функции и точно соблюдая задаваемые температурные параметры и другие ряды преимуществ. В промышленном масштабе производится немалое количество установок косвенного нагрева с теплоотдачей конвективным методом, излучением, теплопроводностью или даже с комбинацией нескольких разных видов действия.
Электрические печи сопротивления также разделяют на разные типы по следующим показателям:
Рабочий режим
Существуют устройства беспрерывного и периодического нагревания;
Способ применения
Зависит от сферы использования (лаборатория, промышленность) и производимых нагрузок (единичное изготовление изделий или массовое);
Атмосфера функционирующей камеры
Есть атмосферы поддающиеся контролю, например, вакуумные, а есть агрегаты, работающие в воздушной среде (окислительные);
Обрабатываемое изделие. Одни печи направлены на работу с металлами, другие на обработку стекла, третьи – керамику либо изделия из фарфора.
Конструктивный тип печи сопротивления
Может быть шахтным, камерным, конвейерным либо вообще плавильным. Есть печи, у которых поддон выдвижной или пульсирующий, может быть карусельным или барабанным, толкательным и т. п.
Рабочая температура
Данный критерий говорит о производимой силе нагревания печи: низкотемпературная, высокотемпературная, особо высокотемпературная, сверхвысоко температурная.
Характеристики материалов для разных типов печей сопротивления
Логично сделать вывод, что нагревательный элемент, применяемый в печи сопротивления должен обладать жаростойкостью, жаропрочностью и высоким удельным сопротивлением. Конечно же, цена на такой нагреватель тоже должна быть приемлемой для потребителя. Максимально соответствовать всем указанным критериям могут элементы нагрева, в состав которых входят железо, хром, никель и алюминий. Таковыми сплавами являются хром и никель для печей сопротивления косвенного типа.
Нихромовый сплав маркировкой Х20Н80 характеризуется как долговечный, надежный, ударостойкий и хорошо свариваемый материал для нагрева. Помимо всего на его поверхности во время работы образуется специфическая пленка, предотвращающая растрескивание при часто прерываемой работе. Но недостатком данного материала является его ограниченность во временных нагрузках. Нихром нельзя использовать при длительном беспрерывном цикле работы, он попросту расплавится. При необходимости выполнения длительных и высокотемпературных работ целесообразно использовать фехраль. Сплав из фехраля также выделяется невысокой ценой сравнительно с нихромом. Данный нагреватель, зависимо от маркировки, способен длительно функционировать с теплоотдачей от 800 до 1400 С.
Но важно понимать, что фехраль имеет и массу недостатков по сравнению с нихромом. Она более хрупкая и не очень стойкая к коррозийным и магнитным воздействиям. В процессе работы температурное удлинение фехралевых элементов может достигать заметных величин, которые необходимо учитывать еще при изготовлении проекта на печь сопротивления. Футеровка печи с фехральным нагревом должна быть выполнена из кирпича либо обмазки содержащей глинозем в большом количестве. Максимально подходящие марки нагревателей фехрального состава для таких работ есть Х27Н70ЮЗ и Х15Н60ЮЗ.
Нагревательные элементы в большинстве моделей электрических печей сопротивления выполняются из проволоки либо имеют ленточную конструкцию. В промышленных печах в основном используется нихромовая либо фехралевая проволока диаметром 3-7 миллиметров, но также встречаются печи, в которых нагреватели сделаны из проволоки большего диаметра. При формировании спиральных нагревателей из прецизионных проволок они должны быть достаточно жесткими, иметь плотность намотки и соотношение диаметр/шаг с оптимальной теплопередачей. Дело в том, что высокая плотность намотки и большой диаметр способствуют росту мощности только до определенного предела. С дальнейшим ростом густоты укладки возрастает экранирующее влияние одних витков на другие – то есть снижается эффективность использования.
В настоящее время большим спросом пользуются нагреватели, размещенные в керамические трубки. Их показатели мощность находятся на высоком уровне, монтаж можно производить как в камере, так и на ее наружных стенках.
Ленточные элементы нагрева изготавливаются в виде зигзага и могут иметь неограниченную длину, зависимо от желаемой мощности печи. Закрепление таких нагревателей на нагреваемый объект происходит при помощи керамических стоек или жаропрочных сплавов.
Вывод
Разные типы печей сопротивления пользуются большим спросом в различных рабочих сферах производства. На сегодняшний день более достойного оборудования, чем электропечи сопротивления нет, они незаменимы в разномасштабных проектах начиная от гончарного дела и заканчивая крупными металлургическими заводами.
Источник http://electricalschool.info/main/electrotehnolog/334-jelektricheskie-pechi-nagreva.html
Источник https://studref.com/364600/tehnika/sredstva_nagreva
Источник https://electro-nagrev.ru/primenenie/promyshlennyy-nagrev/electricheskie-pechi-soprotivlenia/
