ОСНОВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

Основы применения электротермических процессов

Данный раздел содержит общий взгляд на многие виды электротер­мических процессов и их многочисленные достоинства. Их физические ос­новы и различные области применения будут классифицированы и деталь­но рассмотрены как с экономической, так и с экологической точек зрения.

Основные положения

Термические процессы являются необходимой частью многих про­мышленных технологий при производстве и обработке различных изделий. Вследствие уменьшения мировых запасов энергоносителей современный подход к использованию энергии означает ответственную эксплуатацию еще доступных ресурсов. В связи с этим непрерывно возрастающие требо­вания к энергосберегающим процессам нагрева должны быть реализованы в промышленности прежде всего путем внедрения эффективных техноло­гических процессов. В то же время эти технологии должны удовлетворять ряду экономических критериев, например высокой производительности при низкой стоимости производства.

Для выработки теплоты может быть использована либо электриче­ская энергия, либо химическая энергия сжигаемого топлива. Решение за или против конкретного источника энергии основывается преимуществен­но на экономических критериях. Однако для термических процессов все шире используется электрическая энергия вследствие непрерывного уже­сточения требований к эффективности и экологической чистоте промыш-

155

современных электротехнологий

ленных процессов, к качеству продукции и, не в последнюю очередь, к улучшению общего энергетического баланса производства.

Электроэнергия может быть использована значительно более эффек­тивно и значительно более целенаправленно, чем энергия сжигаемого топ­лива. Электрические нагревательные системы характеризуются высокой технической эффективностью, и, несмотря на более высокую стоимость энергии по сравнению с энергией других источников, они более экономич­ны вследствие более низких эксплуатационных расходов. Электротерми­ческие установки очень гибки в работе и предоставляют исключительные возможности для автоматизации, особенно при использовании микропро­цессоров.

Применение электронагрева для термообработки обеспечивает хо­рошую повторяемость процесса. Это значит, что могут быть получены за­данные свойства материала, необходимые для улучшения технических ха­рактеристик, к примеру, узлов машин. Высокая скорость электронагрева, точное регулирование и равномерное распределение температуры обеспе­чивают высокую эффективность термических процессов и заметную эко­номию сырья, в частности, вследствие низких потерь на угар. Это проявля­ется особенно ярко при индукционном и кондуктивном процессах нагрева, при которых тепло выделяется внутри самой загрузки.

Время нагрева в электротермических установках намного короче, чем в пламенных нагревательных установках (иногда на 90 %), поэтому металлургические изменения поверхности загрузки, такие как окисление и обезуглероживание, значительно снижаются, и это способствует высокому качеству изделий. Кроме того, обеспечивается немедленная готовность к работе, и во многих случаях отпадает необходимость иметь технологиче­ские запасы нагретого или расплавленного материала. Электротермиче­ские установки легко могут быть интегрированы в уже существующие производственные линии, что позволяет значительно улучшить ход про­цесса.

современных электротехнологий

В течение последних нескольких лет электронагрев внес значитель­ный вклад также в переработку промышленных отходов, которая будет иметь всевозрастающее значение для развитого индустриального общества в будущем. Например, металлургическая промышленность может пере­плавлять 100 % лома черных металлов в дуговых и индукционных печах. Добавление других компонентов позволяет производить специальные ста­ли или высококачественное чугунное литье любого состава.

С этой целью создан четвертый металлургический передел - обра­ботка жидкого металла вакуумом, инертными газами и т. д. [22]. Так, и в конвертерах, мартеновских печах сейчас можно получить высококачест­венный металл, используя цикл его внепечной обработки.

Наряду с проблемой использования отходов повышенный интерес вызывает воздействие производственных процессов на окружающую сре­ду. Здесь методы электронагрева также могут превосходить пламенные. Электротермические установки при определенных условиях выбрасывают в окружающую среду меньше дыма, пыли и тепловых загрязнений по сравнению с установками, работающими на сжигаемом топливе. Электро­нагрев пригоден для нагрева и плавки любого электрически проводящего и непроводящего материала. Хотя он применяется главным образом для на­грева металлов, графита, расплавленного стекла, оксидов и других неме­таллических материалов, нагреты могут быть даже ионизированные газы. Множество технологических процессов, включая плавку, закалку, отпуск, отжиг, гальванизацию, сварку, пайку, сушку, выращивание кристаллов, подогрев перед прокаткой, ковкой или покрытием, производится с исполь­зованием электронагрева.

Классификация электротермических процессов

Электротермические процессы, используемые для видоизменения материалов или их свойств, основаны на различных физических механиз­мах преобразования электрической энергии в тепловую. По месту преобра-

157

современных электротехнологий

зования энергии они могут быть разделены на процессы прямого и косвен­ного нагрева.

В случае прямого нагрева происходит выделение тепловой энергии непосредственно в самой загрузке за счет протекания электрического тока через ее материал, поглощения ею энергии электромагнитного поля или бомбардировки ее частицами. При косвенном нагреве электрическая энер­гия преобразуется вне загрузки в тепловую, которая передается затем в за­грузку за счет процессов теплопереноса, таких как конвекция, излучение или теплопроводность.

Внутри двух названных основных групп дальнейшая подробная классификация электротермических процессов связана с различными фи­зическими механизмами выделения полезной тепловой энергии в обраба­тываемом материале. Ее целесообразно изложить в рамках описания кон­кретных применений электронагрева в промышленности.

Применение электротермических процессов

Существует широкий диапазон применения электрической энергии в промышленных термических процессах. В зависимости от вида обрабаты­ваемого материала и способа реализации процесса может быть выбран оп­тимальный метод нагрева.

Прямой резистивный нагрев

При протекании электрического тока по электропроводящему мате­риалу выделяется джоулево тепло, поскольку материал обладает электри­ческим сопротивлением. Если это сопротивление является собственным сопротивлением объекта нагрева, то процесс называется прямым (или кон - дуктивным) резистивным нагревом, в противном случае он называется косвенным резистивным нагревом.

При прямом резистивном нагреве (рис. 7.4) на переменном токе на­блюдается неравномерное распределение плотности тока и температуры

158

современных электротехнологий

по сечению обрабатываемого изделия (шихты, загрузки) из-за действия на­веденных токов. Так называемый скин-эффект приводит к более или менее выраженной концентрации электрического тока у поверхности загрузки. Для того чтобы получить равномерное температурное поле, предпочти­тельно использовать источник низкой частоты или постоянного тока.

Нагреваемые прямым резистивным методом тела должны быть со­единены с электродами для обеспечения протекания электрического тока. Электроды обычно выполняются из меди. Для того чтобы обеспечить низ­кое электрическое сопротивление контакта и нормальную работу нагрева­тельного устройства, необходимы большие прижимные усилия, поэтому проблема надежного контакта электродов является основным фактором, ограничивающим мощность установок.

Выделение тепла внутри загрузки и, как результат, быстрый нагрев при высокой плотности энергии гарантируют высокую экономическую и экологическую эффективность прямого резистивного нагрева. Малое обра­зование окалины на поверхности металла и чистый нагрев в любой рабо­чей атмосфере приводят к рациональному использованию сырья.

Процессы прямого резистивного нагрева находят широкое примене­ние. Примерами могут служить нагрев металлических заготовок, проводов,

159

современных электротехнологий

труб и лент в установках периодического и непрерывного действия, плавка стекол, электролиз алюминия, электрошлаковый переплав или производст­во графита. Производство пара в промышленных электродных бойлерах может быть дополнительным примером.

Косвенный резистивный нагрев (рис. 7.5) характеризуется выделени­ем тепла в специальных нагревательных элементах. Перенос тепла в за­грузку осуществляется излучением, теплопроводностью или конвекцией.

Нагревательные элементы различной формы выполняются из жаро­прочных металлических материалов, таких как NiCr, Ta, W, или таких не­металлических материалов, как SiC, MoSi2 и графит. Некоторые из этих материалов, например графит, требуют специальной защитной среды (ва­куума или инертного газа) для предотвращения окисления. В типовой печи сопротивления нагревательные элементы монтируются на изоляционной керамической футеровке, обеспечивающей низкие тепловые потери. В со­ответствии с требованиями процесса печи могут быть спроектированы как для непрерывного, так и для периодического нагрева.

Преимуществами косвенного нагрева являются возможность нагрева

современных электротехнологий

и плавки непроводящих материалов, некритичность к форме загрузки, воз­можность термообработки в различных атмосферах и равномерное распре­деление температуры по всему объему загрузки. По сравнению с прямым резистивным нагревом расход энергии при косвенном нагреве часто выше, как и у пламенных печей, но возможности использования для термообра­ботки материалов шире.

Характерными областями применения косвенного резистивного на­грева являются плавка и термостатирование металлов, Si, Ge и стекол, термообработка твердых материалов, обжиг керамики и эмалевых покры­тий, процессы сушки и подогрев растворов, газов и воды, особенно в бы­товых установках.

Инфракрасный нагрев

Электрический инфракрасный нагрев может быть рекомендован как специальный вид прямого нагрева, поскольку механизм нагрева материала состоит в поглощении им длинноволнового электромагнитного излучения. Соответствующая комбинация спектра излучения инфракрасного излуча­теля с определенной характеристикой поглощения нагреваемого материала обеспечивает избирательный и эффективный нагрев. Экономический и экологический расчеты показывают, что во многих случаях инфракрасный нагрев имеет ряд преимуществ по сравнению с пламенным.

Сушка бумаги, керамики или ткани, сушка и отвердение лаков и кра­сок на металлических поверхностях являются типичными областями при­менения инфракрасного нагрева.

Индукционный нагрев

Индукционный нагрев - широко используемый промышленный про­цесс, пригодный для любого электрически проводящего материала. В ин­дукционных нагревательных установках имеют место два вида преобразо­вания энергии. Энергия, поступающая от источника питания, преобразует-

161

современных электротехнологий

ся в энергию магнитного поля, которая, поглощаясь проводящей загрузкой, превращается в тепловую энергию (джоулево тепло) и вызывает нагрев. Подобно переменному току при прямом резистивном нагреве индуктиро­ванные вихревые токи обычно распределены в загрузке неравномерно. Но, с другой стороны, скин-эффект дает уникальную возможность точного управления температурным полем в процессах со специальными требова­ниями. В зависимости от выбранной частоты тока может быть реализован широкий спектр термических процессов, например поверхностная закалка или плавка металлов.

Классическая индукционная нагревательная система состоит из ка­тушки (индуктора) для создания магнитного поля и нагреваемой загрузки (рис. 7.6).

/П

Рис. 7.6. Принцип индукционного нагрева

Во многих случаях для уменьшения тепловых потерь применяется тепловая изоляция. Характерными частями индукционных установок яв­ляются также стальные магнитопроводы, концентрирующие магнитный поток для улучшения электрических параметров. Кроме того, они снижают уровень электромагнитного поля вблизи установки.

Помимо общих преимуществ электротермических процессов, пере-

162

современных электротехнологий

численных выше, индукционный нагрев обеспечивает дополнительные возможности, такие как избирательный и быстрый нагрев твердых мате­риалов при низком уровне образования окалины. При применении индук­ционного метода для плавки возможно использование электромагнитных сил в жидком металле с целью его перемешивания, гомогенизации или придания определенной формы.

Типичными примерами промышленного применения индукционного нагрева являются термообработка металлов (закалка, отжиг, отпуск), сквозной нагрев перед ковкой и прокаткой, сварка и пайка, нагрев котлов и труб, а также плавка черных, тяжелых и легких металлов, специальных сплавов и оксидов. Индукционный нагрев имеет многообещающий потен­циал для применения в безотходных процессах, например точном литье и штамповке.

Диэлектрический нагрев

Диэлектрический нагрев основан на принципе выделения тепла в электрически поляризуемых непроводящих или плохо проводящих мате­риалах при воздействии высокочастотного электрического поля. Материал нагревается в результате непрерывного изменения положения атомов или молекул в переменном электрическом поле. В случае однородного элек­трического поля в материале и однородности самого материала гарантиру­ется равномерное распределение в нем температуры. Нагрев до требуемой температуры может производиться чрезвычайно быстро за счет использо­вания высокой интенсивности поля или высокой частоты в микроволновом диапазоне.

В зависимости от выбранной частоты различают два вида техноло­гий диэлектрического нагрева. Высокочастотный нагрев в электрическом поле конденсатора осуществляется на частотах мегагерцового диапазона. Для обеспечения передачи энергии высокочастотные установки оснаща­ются системой электродов, формирующей переменное поле, пронизываю-

163

Принципиальные особенности процесса позволяют реализовать очень избирательный нагрев, используя различные поляризационные свой­ства компонентов неоднородных материалов. Традиционным промышлен­ным применением диэлектрического нагрева являются процессы сушки. Они включают, к примеру, сушку бумаги, тканей, древесины и стержневой смеси в литейном производстве. Применение диэлектрического нагрева во многих случаях имеет экономические и экологические преимущества по сравнению с использованием традиционных видов энергии и материаль­ных ресурсов. Другие области применения - нагрев резины и смол или сварка термопластов. Как типичное бытовое применение необходимо упо­мянуть микроволновую печь для приготовления пищи.

Электродуговой нагрев

Сильноточный газовый разряд между двумя электродами, подклю­ченными к источнику питания, называется электрической дугой. Вследст-

164

современных электротехнологий

вие высокой температуры (до 10 000 K) тепловая энергия, содержащаяся в свободно горящей дуге, передается в нагреваемый материал главным обра­зом за счет теплового излучения. Если электроды окружены обрабатывае­мым электрически проводящим материалом, то в нем за счет прямого электрического резистивного нагрева выделяется дополнительная энергия, которая может быть соизмерима с энергией теплового излучения.

Что касается области применения электродугового нагрева, то наи­более важными промышленными процессами являются массовая пере­плавка стального лома и восстановление оксидов металлов до металлов или карбидов. Электродуговые печи для плавки стали являются в основ­ном трехфазными установками большой мощности с тремя графитовыми электродами, расположенными треугольником для обеспечения симмет­ричности загрузки (рис. 7.8).

Устройство электродуговой рудовосстановительной печи подобно устройству трехфазной дуговой сталеплавильной печи, но в отличие от пе­риодического режима работы последней рудовосстановительная печь ра­ботает как установка непрерывной плавки. Электроды погружены в непре­рывно догружаемую смесь оксида металла и восстановительного реагента. Загружаемый материал электропроводен, поэтому имеет место как нагрев

современных электротехнологий

посредством теплового излучения, так и резистивный нагрев высокоэлек­тропроводных областей смеси. Кроме сплавов железа, карбидов, кремние­вых соединений металлов и корунда в таких печах производятся также фосфор и его производные.

Как другие объекты применения электродуговой плавки могут быть названы установки электрошлакового переплава и вакуумные дуговые пе­чи для переплавки особо чистых металлов и сплавов высшего качества. Электродуговой нагрев используется также для сварки, резки и распыле­ния металлов.

Плазменный, электронно-лучевой и лазерный нагрев

Электротермические процессы плазменного, электронно-лучевого и лазерного нагрева ориентированы на применение не в массовом производ­стве, а в высоких технологиях прецизионной обработки. Наиболее важным видом промышленного применения этих процессов являются точная и бы­страя размерная обработка материалов, а также плавка особо чистых ме­таллов и тугоплавких материалов.

Основной принцип плазменного нагрева - конвективная передача тепла в загрузку струей высокотемпературного ионизированного газа (плазмы). В промышленных установках плазма получается главным обра­зом путем сжатия электрической дуги в дуговых плазмотронах (рис. 7.9) или в высокочастотных плазмотронах, где передача энергии в плазму осу­ществляется за счет индукции. В плазменной печи с несколькими плазмо­тронами возможна плавка высокочистых металлов, поскольку электроды, вносящие загрязнения в дуговых печах, здесь отсутствуют. Разновидно­стью плазменной технологии являются процессы поверхностного упроч­нения путем азотирования и науглероживания.

Электронно-лучевой нагрев состоит в бомбардировке загрузки элек­тронами, кинетическая энергия которых преобразуется в тепло. Электрон­ный луч генерируется путем эмиссии электронов из горячего катода с по-

166

современных электротехнологии

Источник 1—------

питания. ■,

Сфокус электрс

Электрод

_ Вакуумный насос

Рис. 7.9 Принцип электронно-лучевого нагрева следующим ускорением в сильном электрическом поле (рис. 7.10).

Фокусировка луча магнитными или электрическими линзами обес­печивает очень высокую удельную поверхностную мощность. Необходи­мым, но в то же время ограничивающим условием для эффективного про­ведения процесса является наличие глубокого вакуума, исключающего по­глощение электронов молекулами газа. Кроме особо чистой плавки типич­ным применением такого вида нагрева являются сварка и сверление мате­риалов, а также покрытия высокой чистоты в оптике и электронике.

Лазерный нагрев основан на выделении тепла при поглощении света нагреваемым материалом. Его эффективность зависит от температуры, длины волны и интенсивности излучения, равно как и от свойств материа-

современных электротехнологий

ла. Преобразование энергии происходит только в очень тонком поверхно­стном слое загрузки.

Лазер состоит из трех главных компонентов: активного лазерного материала, оптического резонатора и системы накачки энергии (рис. 7.11), которая стимулирует лазерный материал, вызывая эмиссию когерентного монохроматического излучения.

Лазерный луч фокусируется оптической системой и направляется на загрузку для ее нагрева. В промышленности наиболее широко используют­ся газовые и твердотельные лазеры, позволяющие реализовать самые вы­сокие технологически осуществимые удельные мощности. С их помощью становится возможной очень точная обработка материала, например свар­ка, пайка, резка или сверление. Подобно электронно-лучевому нагреву, ла­зерные процессы обработки материалов являются многообещающими тех­нологиями будущего.

Электроискровая эрозия

Искровая, или электроразрядная, эрозия выражается состоит в уда­лении материала в процессе прецизионной обработки непрерывно повто­ряющимися электрическими разрядами. Между рабочим электродом и за­грузкой, служащей вторым электродом, циркулирует диэлектрическая

168

современных электротехнологий

жидкость. Если разность потенциалов между электродами превышает электрическую прочность межэлектродного промежутка, то возникает электрический разряд (рис. 7.12). Температура поверхностного слоя обра­батываемого материала повышается настолько, что металл загрузки пла­вится, испаряется и вымывается диэлектрической жидкостью.

Рис. 7.12. Принцип электроискровой эрозии

Установки электроискровой обработки применяются главным обра­зом для обработки погружаемым или проволочным электродами в метал­лообрабатывающей промышленности. При погружной эрозионной обра­ботке происходит равномерное перемещение рабочего электрода, погру­жающегося в загрузку с одновременной обработкой ее. Используется при производстве матриц и прессовых инструментов, а также при механиче­ской обработке высокопрочных и хрупких материалов. В процессе элек - троэрозионной механической обработки проволочным рабочим электро­дом, изготовленным обычно из меди, последний, непрерывно перемеща­ясь, прорезает обрабатываемую заготовку по заданной линии. Этот весьма гибкий производственный процесс позволяет формировать сложные про­фили изделий, не требующие какой-либо последующей обработки.

Н. И. Данилов, Я. М. Щелоков Основы энергосбережения__________________________________ Глава 7. Энергосберегающие возможности

современных электротехнологий