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TECHNICAL ARTICLES電阻爐
利用電熱效應(yīng)供熱的冶金爐。電爐設(shè)備通常是成套的,包括電爐爐體,電力設(shè)備(電爐變壓器、整流器、變頻器等),開(kāi)閉器,附屬輔助電器(阻流器、補(bǔ)償電容等),真空設(shè)備,檢測(cè)控制儀表(電工儀表、熱工儀表等),自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng),爐用機(jī)械設(shè)備(進(jìn)出料機(jī)械、爐體傾轉(zhuǎn)裝置等)。大型電爐的電力設(shè)備和檢測(cè)控制儀表等一般集中在電爐供電室。同燃料爐比較,電爐的優(yōu)點(diǎn)有:爐內(nèi)氣氛容易控制,甚至可抽成真空;物料加熱快,加熱溫度高,溫度容易控制;生產(chǎn)過(guò)程較易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化;勞動(dòng)衛(wèi)生條件好;熱效率高;產(chǎn)品質(zhì)量好等。冶金工業(yè)上電爐主要用于鋼鐵、鐵合金、有色金屬等的熔煉、加熱和熱處理。19世紀(jì)末出現(xiàn)了工業(yè)規(guī)模的電爐,20世紀(jì)50年代以來(lái),由于對(duì)冶金產(chǎn)品需求的增長(zhǎng)和電費(fèi)隨電力工業(yè)的發(fā)展而下降,電爐在冶金爐設(shè)備中的比額逐年上升。電爐可分為電阻爐、 感應(yīng)爐、 電弧爐、等離子爐、電子束爐等。
電阻爐 以電流通過(guò)導(dǎo)體所產(chǎn)生的焦耳熱為熱源的電爐。按電熱產(chǎn)生方式,電阻爐分為直接加熱和間接加熱兩種。在直接加熱電阻爐中,電流直接通過(guò)物料,因電熱功率集中在物料本身,所以物料加熱很快,適用于要求快速加熱的工藝,例如鍛造坯料的加熱。這種電阻爐可以把物料加熱到很高的溫度,例如碳素材料石墨化電爐,能把物料加熱到超過(guò)2500□。直接加熱電阻爐可作成真空電阻加熱爐或通保護(hù)氣體電阻加熱爐,在粉末冶金中,常用于燒結(jié)鎢、鉭、鈮等制品。采用這種爐子加熱時(shí)應(yīng)注意:①為使物料加熱均勻,要求物料各部位的導(dǎo)電截面和電導(dǎo)率一致;②由于物料自身電阻相當(dāng)小,為達(dá)到所需的電熱功率,工作電流相當(dāng)大,因此送電電極和物料接觸要好,以免起電弧燒損物料,而且送電母線的電阻要小,以減少電路損失;③在供交流電時(shí),要合理配置短網(wǎng),以免感抗過(guò)大而使功率因數(shù)過(guò)低。
大部分電阻爐是間接加熱電阻爐,其中裝有專門(mén)用來(lái)實(shí)現(xiàn)電-熱轉(zhuǎn)變的電阻體,稱為電熱體,由它把熱能傳給爐中物料(圖1 間接加熱電阻爐)。這種電爐爐殼用鋼板制成,爐膛砌襯耐火材料,內(nèi)放物料。zui常用的電熱體是鐵鉻鋁電熱體、鎳鉻電熱體、碳化硅棒和二硅化鉬棒。根據(jù)需要,爐內(nèi)氣氛可以是普通氣氛、保護(hù)氣氛或真空。一般電源電壓220伏或380伏,必要時(shí)配置可調(diào)節(jié)電壓的中間變壓器。小型爐(<10千瓦)單相供電,大型爐三相供電。對(duì)于品種單一、批料量大的物料,宜采用連續(xù)式爐加熱。爐溫低于700□的電阻爐,多數(shù)裝置鼓風(fēng)機(jī),以強(qiáng)化爐內(nèi)傳熱,保證均勻加熱。用于熔化易熔金屬(鉛、鉛鉍合金、鋁和鎂及其合金等)的電阻爐,可做成坩堝爐;或做成有熔池的反射爐,在爐頂上裝設(shè)電熱體。電渣爐是由溶渣實(shí)現(xiàn)電熱轉(zhuǎn)變的電阻爐(見(jiàn)電渣重熔)。
感應(yīng)爐 利用物料的感應(yīng)電熱效應(yīng)而使物料加熱或熔化的電爐。感應(yīng)爐的基本部件是用紫銅管繞制的感應(yīng)圈。感應(yīng)圈兩端加交流電壓,產(chǎn)生交變的電磁場(chǎng),導(dǎo)電的物料放在感應(yīng)圈中,因電磁感應(yīng)在物料中產(chǎn)生渦流,受電阻作用而使電能轉(zhuǎn)變成熱能來(lái)加熱物料;所以,也可認(rèn)為感應(yīng)電熱是一種直接加熱式電阻電熱。
感應(yīng)電熱的特點(diǎn)是在被加熱物料中轉(zhuǎn)變的電熱功率(電流分布)很不均勻,表面zui大,中心zui小,稱為趨膚效應(yīng)。為了提高感應(yīng)加熱的電熱效率,供電頻率要合宜,小型熔煉爐或?qū)ξ锪系谋砻婕訜岵捎酶哳l電,大型熔煉爐或?qū)ξ锪仙钔讣訜岵捎弥蓄l或工頻電。感應(yīng)圈是電感量相當(dāng)大的負(fù)載,其功率因數(shù)一般很低。為了提高功率因數(shù),感應(yīng)圈一般并聯(lián)電容器,稱為補(bǔ)償電容。感應(yīng)圈和物料之間的間隙要小,感應(yīng)圈宜用方形紫銅管制作,管內(nèi)通水冷卻,感應(yīng)圈的匝間間隙要盡量小,絕緣要好。感應(yīng)加熱裝置,主要用于鋼、銅、鋁和鋅等的熔鑄,加熱快,燒損少,機(jī)械化和自動(dòng)化程度高,適合配置在自動(dòng)作業(yè)線上。
工業(yè)上應(yīng)用的感應(yīng)熔化爐有坩堝爐(無(wú)芯感應(yīng)爐)和熔溝爐(有芯感應(yīng)爐),見(jiàn)圖2感應(yīng)爐爐體結(jié)構(gòu)示意。坩堝用耐火材料或鋼制成,容量從幾公斤到幾十噸。其熔煉特點(diǎn)是坩堝中熔體受電動(dòng)力作用,迫使熔池液面凸起,熔體自液面中心流向四周而引起循環(huán)流動(dòng)。這種現(xiàn)象稱為電動(dòng)效應(yīng),可使熔體成分均勻,缺點(diǎn)是爐渣偏向周邊,覆蓋性差。與熔溝爐比較,坩堝爐操作靈活,熔煉溫度高,但功率因數(shù)低,電耗較高。熔溝爐的感應(yīng)器由鐵芯、感應(yīng)圈和熔溝爐襯組成,熔溝為一條或兩條帶狀環(huán)形溝,其中充滿與熔池相聯(lián)通的熔體。在原理上,可以把熔溝爐看作是次級(jí)只有一匝線圈而且短路的鐵芯變壓器。感應(yīng)電流在熔溝熔體中流動(dòng),而實(shí)現(xiàn)電熱轉(zhuǎn)變。
生產(chǎn)中,每爐金屬熔煉完畢后,不能把熔池放空,不然容易干枯,一定要保留一部分熔體作為下一爐的起熔體。熔溝溫度比熔池高,又承受熔體流動(dòng)的沖刷,所以熔溝爐襯容易損壞,為便于維修,現(xiàn)代爐子的感應(yīng)器制成便于更換的裝配件。熔溝爐的容量從幾百公斤到百余噸。熔溝爐供工頻電,由于有用硅鋼片制作的鐵芯作磁通路,電效率和功率因數(shù)都很高。熔溝爐主要用于鑄鐵、銅、鋅、黃銅等的熔化,還可作為混熔滬,用來(lái)貯存和加熱熔體。
電弧爐 利用電弧熱效應(yīng)熔煉金屬和其他物料的電爐(圖3電弧爐類型)。按加熱方式分為三種類型:①間接加熱電弧爐。電弧在兩電極之間產(chǎn)生,不接觸物料,靠熱輻射加熱物料。這種爐子噪聲大,效率低,漸被淘汰。②直接加熱電弧爐。電弧在電極與物料之間產(chǎn)生,直接加熱物料;煉鋼三相電弧爐是zui常用的直接加熱電弧爐(見(jiàn)電弧爐煉鋼)。③埋弧電爐,亦稱還原電爐或礦熱電爐。電極一端埋入料層,在料層內(nèi)形成電弧并利用料層自身的電阻發(fā)熱加熱物料;常用于冶煉鐵合金(見(jiàn)鐵合金電爐),熔煉冰鎳、冰銅(見(jiàn)鎳、銅),以及生產(chǎn)電石(碳化鈣)等。
真空電弧爐是在抽真空的爐體中用電弧直接加熱熔煉金屬的電爐。爐內(nèi)氣體稀薄,主要靠被熔金屬的蒸氣發(fā)生電弧,為使電弧穩(wěn)定,一般供直流電。按照熔煉特點(diǎn),分為金屬重熔爐和澆鑄爐。按照熔煉過(guò)程中電極是否消耗(熔化),分為自耗爐和非自耗爐,工業(yè)上應(yīng)用的大多數(shù)是自耗爐。真空電弧爐用于熔煉特殊鋼、活潑的和難熔的金屬如鈦、鉬、鈮(見(jiàn)真空冶金)。
電弧電熱可以認(rèn)為是弧阻電熱。電弧(弧阻)穩(wěn)定是爐子正常生產(chǎn)的必要條件。交流電弧爐通常采用工頻電,為使電弧穩(wěn)定,爐子供電電路中要有適當(dāng)?shù)母锌梗谴嬖诟锌箷?huì)降低功率因數(shù)和電效率。降低電流頻率是發(fā)展交流電弧爐的途徑。弧阻阻值相當(dāng)小,為獲得必要的熱量,爐子需要相當(dāng)大的工作電流,因此爐子短網(wǎng)的電阻要盡量小,以免電路損耗過(guò)大。對(duì)于三相電弧爐,要使三相的阻抗接近一致,以免三相負(fù)荷不平衡。
等離子爐 利用工作氣體被電離時(shí)產(chǎn)生的等離子體來(lái)進(jìn)行加熱或熔煉的電爐。產(chǎn)生等離子體的裝置,通常叫作等離子槍,有電弧等離子槍和高頻感應(yīng)等離子槍兩類。把工作氣體通入等離子槍中,槍中有產(chǎn)生電弧或高頻(5~20兆赫)電場(chǎng)的裝置,工作氣體受作用后電離,生成由電子、正離子以及氣體原子和分子混合組成的等離子體。等離子體從等離子槍噴口噴出后,形成高速高溫的等離子弧焰,溫度比一般電弧高得多。zui常用的工作氣體是氬,它是單原子氣體,容易電離,而且是惰性氣體,可以保護(hù)物料。工作溫度可高達(dá)20000□;用于熔煉特殊鋼、鈦和鈦合金、超導(dǎo)材料等。爐型有配置水冷銅結(jié)晶器爐、 中空陰極式爐、 配置感應(yīng)加熱的等離子爐、有耐火材料爐襯的等離子爐等(見(jiàn)等離子冶金)。
電子束爐 用高速電子轟擊物料使之加熱熔化的電爐(圖4電子束爐示意)。在真空爐殼內(nèi),用通低壓電的燈絲加熱陰極,使之發(fā)射電子,電子束受加速陽(yáng)極的高壓電場(chǎng)的作用而加速運(yùn)動(dòng),轟擊位于陽(yáng)極的金屬物料,使電能轉(zhuǎn)變成熱能。因?yàn)殡娮邮山?jīng)電磁聚焦裝置高度密集,所以可在物料受轟擊的部位產(chǎn)生很高的溫度。電子束爐用于熔煉特殊鋼、難熔和活潑金屬。
工業(yè)上用的電爐分類為兩類:周期式作業(yè)爐和連續(xù)式作業(yè)爐。
周期式作業(yè)爐分為:箱式爐、密封箱式爐,井式爐,鐘罩爐,臺(tái)車爐,傾倒式滾筒爐。
連續(xù)式作業(yè)爐分為:窯車式爐,推桿式爐,輥底爐,振底爐,轉(zhuǎn)底爐,步進(jìn)式爐,牽引式爐,連續(xù)式滾筒爐,傳送帶式爐等。其中傳送帶式爐可分為:有網(wǎng)帶式爐、沖壓鏈板式爐、鑄鏈板式爐等。..
電熱爐
電熱爐可使用金屬發(fā)熱體或非金屬發(fā)熱體來(lái)產(chǎn)生熱源,其構(gòu)造簡(jiǎn)單,用途十分廣泛是它的主要特色,可廣泛應(yīng)用於退火、正常化、淬火、回火、滲碳及滲碳氮化等。主要的金屬發(fā)熱體包括Ni-Cr電(zui常見(jiàn),zui高用至
(1) 電爐具有的優(yōu)點(diǎn)
1) 與燃料爐相比容易得到高溫。
2) 可從材料內(nèi)部加熱使其升溫。
3) 便于在可控氣氛爐和真空爐中使用。
4) 電爐沒(méi)有燃料爐的排煙熱損失,所以熱效率高。
5) 容易控制溫度,便于遙控、細(xì)調(diào)。
6) 能進(jìn)行快速加熱。
7) 操作性能好,不污染環(huán)境。
(2) 電爐存在的缺點(diǎn)
1) 需要增加配電設(shè)備費(fèi)用。
2) 電力成本高。
3) 電阻加熱溫度超過(guò)
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