Электротехнологические процессы широко применяются в промышленности. Оборудование для этих процессов весьма разнообразно по принципу действия, мощности, характеристикам потребления электроэнергии.
К электротехнологическому оборудованию относятся: электрические печи и электронагревательные установки, электросварочные установки всех видов, установки для размерной электрофизической и электрохимической обработки металлов.
В понятие «электротехнология» включены 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, а также для их плавления и испарения; – электросварочные процессы, в которых получаемая из электрической энергии тепловая энергия используется для нагрева тел в целях осуществления неразъемного соединения с обеспечением непосредственной сплошности в месте сварки;
-
электрохимические методы обработки и получения материалов, при которых с помощью электрической энергии осуществляется разложение химических соединений и их разделение путем перемещения заряженных частиц (ионов) в жидкой среде под действием электрического поля (электролиз, гальванотехника, анодная электрохимическая обработка);
-
электрофизические методы обработки, при которых для воздействия на материалы используется превращение электрической энергии как в механическую, так и в тепловую (электроэрозионная, ультразвуковая, магнитоимпульсная, электровзрывная);
-
аэрозольная технология, при которой 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.
Электротехнологические установки (ЭТУ) используют непосредственное воздействие электромагнитного поля на рабочую среду. При этом электрическая энергия преобразуется в другие виды энергии, в частности тепловую или механическую, используемые для нагрева, плавления, перемещения, деформации, разделения или смешивания материалов. Особенностью такого преобразователя, который можно назвать электротехнологическим преобразователем энергии, является то, что его составной частью является сама рабочая среда в твердом, жидком, газообразном или плазменном состояниях. Технологические параметры обработки этой среды могут быть легко изменены путем регулирования электрических параметров питания установки.
Термин «промышленные электротехнологические установки и оборудование» включает агрегаты, в которых осуществляются электротехнологические процессы, электрические машины, а также вспомогательные электротехнические аппараты и приборы (источники питания, устройства защиты, управления, датчики систем автоматики и др.).
Электронагрев широко применяется на промышленных предприятиях при производстве фасонного литья из металлов и сплавов, нагрева заготовок перед обработкой давлением, термической обработки деталей и узлов электрических машин, сушки изоляционных материалов и т. д.
Электротермической установкой называют комплекс, состоящий из электротермического оборудования (электрической печи или электротермического устройства в которых электрическая энергия преобразуется в тепловую), и электрического, механического и другого оборудования, обеспечивающего осуществление рабочего процесса в установке.
Электрический нагрев дает следующие преимущества по сравнению с топливным:
1. Очень простое и точное осуществление заданного температурного режима.
2. Возможность концентрации высоких мощностей в малом объеме.
3. Получение высоких температур (3000 °C и выше против 2000 °C при топливном нагреве).
4. Возможность получения высокой равномерности теплового поля.
5. Отсутствие воздействия газов на обрабатываемое изделие.
6. Возможность вести обработку в благоприятной среде (инертный газ или вакуум).
7. Малый угар легирующих присадок.
8. Высокое качество получаемых металлов.
9. Легкость механизации и автоматизации электротермических установок.
10. Возможность использования поточных линий.
11. Лучшие условия труда обслуживающего персонала.
Недостатки электрического нагрева: более сложная конструкция, высокая стоимость установки и получаемой тепловой энергии.
Электротермическое оборудование весьма разнообразно по принципу действия, конструкции и назначению. В наиболее общей форме все электрические печи и электротермические устройства можно разделить по назначению на плавильные печи для выплавки или перегрева расплавленных металлов и сплавов и термические (нагревательные) печи и устройства для термообработки, изделий из металла, нагрева материалов под пластическую деформацию, сушки изделий и т. д.
По способу преобразования электрической энергии в тепловую различают, в частности, печи и устройства сопротивления, дуговые печи, индукционные печи и устройства.
Печь нагрева сопротивлением
Классификация электротермических установок
1. По способу превращения электроэнергии в тепло.
1) Установки с нагреваемым током активным сопротивлением.
2) Индукционные установки.
3) Дуговые установки.
4) Установки диэлектрического нагрева.
2. По месту выделения тепловой энергии.
1) Прямого нагрева (тепло выделяется непосредственно в изделиях)
2) Косвенного нагрева (тепло выделяется в нагревателе либо в межэлектродном промежутке электрической дуги).
3. По конструктивным признакам.
4. По назначению.
В электропечах и электротермических устройствах сопротивления используется выделение тепла электрическим током при прохождении его через твердые и жидкие тела. Электропечи этого вида преимущественно выполняются как печи косвенного нагрева.
Превращение электроэнергии в тепло в них происходит в твердых нагревательных элементах, от которых тепло путем излучения, конвекции и теплопроводности передается нагреваемому телу, либо в жидком теплоносителе - расплав ленной соли, в которую погружается нагреваемое тело, и тепло передается ему путем конвекции и теплопроводности. Печи сопротивления — самый распространенный и многообразный вид электропечей.
Плавильные печи сопротивления применяют преимущественно при производстве литья из легкоплавких металлов и сплавов.
Работа плавильных дуговых электропечей основана на выделении тепла в дуговом разряде. В электрической дуге концентрируется большая мощность и развивается температура свыше 3500° С.
В дуговых печах косвенного нагрева дуга горит между электродами, а тепло передается расплавляемому телу в основном излучением. Печи такого рода используют при производстве фасонного литья из цветных металлов, их сплавов и чугуна.
В дуговых печах прямого нагрева одним из электродов служит само расплавляемое тело. Эти печи предназначены для выплавки стали, тугоплавких металлов и сплавов. В дуговых печах прямого нагрева, в частности, выплавляют большую часть стали для фасонного литья.
В индукционных печах и устройствах тепло в электропроводном нагреваемом теле выделяется токами, индуктированными в нем переменным электромагнитным полем. Таким образом, здесь осуществляется прямой нагрев.
Индукционную печь или устройство можно рассматривать как своего рода трансформатор, в котором первичная обмотка (индуктор) подключена к источнику переменного тока, а вторичной обмоткой служит само нагреваемое тело. Индукционные плавильные печи применяют при производстве литья, в том числе фасонного, из стали, чугуна, цветных металлов и сплавов.
Нагревательные индукционные печи и установки используют для нагрева заготовок под пластическую деформацию и для проведения разного рода термообработки. Индукционные термические устройства применяют для поверхностной закалки и других специализированных операций.
Автоматизация электротехнологических процессов
Создание систем автоматического управления электротехнологическими установками требует знания принципов построения, функциональных свойств и, особенно, математических моделей и характеристик элементов, совокупность которых и образует систему.
Для каждого класса объектов управления существует вполне определенный набор функциональных элементов, включающий как специальные (используемые только для установок данного класса), так и общетехнические устройства, применяемые в установках различного назначения. Это обстоятельство приводит к необходимости отдельного изучения элементов, применяемых в системах управления конкретными объектами управления.
Специфика электротехнологических установок, обусловленная большими мощностями, достигающими десятков мегаватт, различными родами токов и исполнительных приводов, привела к использованию в системах управления целого ряда устройств, практически не применяемых для других объектов.
Особенности автоматизации электрических нагревательных установок: Системы автоматического регулирования температуры