11.2. Косвенный нагрев металлических заготовок Электрические печи сопротивления

Эти печи получили широкое распространение для нагрева стальных изделий под термическую обработку и цветных металлов перед пластической деформацией.

Печи делятся на низкотемпературные с температурой рабочего пространства 650-700^оС, среднетемпературные с температурой 700-1250^оС и высокотемпературные с температурой рабочего пространства более 1250^оС.

В них электрическая энергия преобразуется в тепловую с помощью нагревателей, являющихся элементами электрической цепи. Нагревательные элементы изготавливаются из металлических, металлокерамических, карбидокремниевых материалов.

Металлические – нихромы (Х23Н18, Х15Н60, Х20Н80 для рабочих температур до 1100^оС) и фехрали (ОХ23105А, ОХ27105А для температур 1300^оС).

Карбидокремниевые нагреватели - , металлокерамические ( ) используют для рабочих температур 1400-1450^оС.

Печи с нагревателями изготавливают как камерами, так и методическими.

Металлические нагреватели изготавливают из проволоки диаметром 3-15 мм, или из ленты толщиною более 1 мм и шириной сечения 10 толщин.

Из проволочного материала изготавливаются спирали, из ленты – зигзаги, затем закрепляемые у боковых стен печи. Из неметаллических материалов изготавливаются нагреватели стержневого типа.

Нагрев в расплавленных слоях (соляные ванны)

Применяются для нагрева деталей под термообработку, позволяют осуществлять быстрый и равномерный нагрев в интервале температур 150-1300^оС без образования окалины.

Теплоносители являются различные соли ( , , смеси ) в расплавленном состоянии. Электрический ток подводят к расплавленным солям электродами, погруженными в соль.

Питание переменным током высокого напряжения 380 и 220 вольт через понижающие трансформаторы. Рабочее напряжение на электродах составляет 10-2 вольт. Электроды изготавливаются из низкоуглеродистых сталей. Ванны футеруются огнеупорным и теплоизоляционным материалом.

Нагрев в электролите

Основан на явлении нагрева катода при пропускании через электролит постоянного тока высокого напряжения (220-380 В). Анодом является ванна, изготовленная из нержавеющей стали электролит – растворы или . Катодом является нагреваемая заготовка

Нагрев катода происходит в результате выделения на нем водорода, который образует газовый слой, имеющий большое омическое сопротивление, что и вызывает выделение большого количества тепла.

Электролитические процессы, протекающие при пропускании постоянного тока через электролит сопровождаются непрерывным выделением в газовую оболочку ионов водорода и металла, что обуславливает проводимость газовой оболочки.

Электрический ток проходит через нее в виде искровых разрядов, что сопровождается резким повышением температуры катода. Нагрев металла проводится при плотности тока 2-6 А/см².

Принципиальная схема нагрева в электролите.

Рис. 23.

1 – двигатель, 2 – генератор постоянного тока,

3 – ванна с электролитом, 4 – нагреваемое изделие.

11.2. Установки прямого электронагрева. Электроконтактные нагревательные установки

В этих установках осуществляется принцип непосредственной передачи электрического тока от питающей электросети к заготовке через рабочие контакты.

В качестве источника питания могут быть использованы генераторы постоянного и переменного тока.

При применении переменного тока для понижения напряжения используются понижающие трансформаторы, позволяющие трансформировать электрический ток 220/380 вольт в рабочий, характеризуемый низким напряжением (2-20 В) и большой силы (1-40 кА).

Контактным способом следует нагревать, прежде всего, длинномерные заготовки (у которых более , где - длина, - диаметр сечения) постоянного поперечного сечения по длине.

На практике применяют несколько схем нагрева – нагрев по длине заготовки, нагрев одного конца заготовки, нагрев некоторого участка длинномерной заготовки, нескольких участков заготовки одновременно, непрерывный нагрев заготовки одновременно, непрерывный нагрев заготовки при ее движении между двумя парами роликов.

Преимущество контактного нагрева заключается в следующем.

По сравнению с печным нагревом контактными нагревателями обеспечивается большая скорость нагрева, меньший угар металла, лучшие условия работы обслуживающего персонала. КПД установки достигает 90%. Недостатки этого способа заключаются в низкой стойкости электроконтактов, неравномерности нагрева заготовок имеющих разную площадь поперечного сечения по длине.

Рассмотрим подробнее последние утверждения.

1. В местах касания электрических контактов и заготовки площадь касания зависит от усилия прижима их к заготовке. При усилии прижима близком к нулю электрический контакт происходит по гребешкам неровностей на поверхности заготовки и контакта, что обуславливает большое электрическое сопротивление и нагрев заготовки в области контактов до температур значительно больших, чем средняя температура заготовки.

Для обеспечения наиболее низкого переходность сопротивления и, следовательно, уменьшения выделения в контактной зоне тепла необходимо увеличение давления на контакты, чистота поверхности контакта и заготовки, использование для изготовления контактов материала, обладающего низким электрическим сопротивлением.

В зависимости от диаметра нагреваемой заготовки рекомендуется применять следующие усилия сжатия контактов:

Таблица 3

Диаметр заготовки, мм	20 - 30	30 - 50	50 - 70
Усилие сжатия, кН	10.8	30	50

Для повышения стойкости электрических контактов на поверхности заготовки не должны быть окалины или ржавчина, разрушающие надежное электрическое соединение с контактным зажимом.

2. Влияние на температуру нагрева разности в площадях поперечных сечений на отдельных участках заготовки можно иллюстрировать следующим примером.

Рис. 24.

Рассмотрим количество тепла, выделяющееся на разных участках заготовки

, (126)

где - количество тепла, выделившегося на 1 участке заготовки;

- сила тока;

- длина участка;

- площадь сечения участка;

- плотность материала заготовки;

- теплоемкость материала заготовки;

- разность температур 1 участка до и после нагрева;

- время нагрева.

(127)

Так как через 1 и 2 участки длины заготовки проходит ток одинаковой силы , то перепад температур до и после нагрева во 2 участке

(128)

Тогда соотношение перепадов температур окажется

(129)