Текст книги "История электротехники"
Автор книги: авторов Коллектив
Жанр:
Технические науки
сообщить о нарушении
Текущая страница: 39 (всего у книги 78 страниц) [доступный отрывок для чтения: 28 страниц]
7.1. ЭЛЕКТРОТЕРМИЯ
7.1.1. РЕЗИСТИВНЫЙ НАГРЕВНачальный период. Первые эксперименты по нагреву проводников электрическим током относятся к XVIII в. В 1749 г. Б. Франклин (США) при исследовании разряда лейденской банки обнаружил нагрев и расплавление металлических проволочек, а позднее по его указанию Дж. Пристли (1766 г.), почетный член Петербургской академии наук, изучал нагрев различных металлов и отметил различия в их проводимости.
Нагрев проводников исследовали Л. Тенар (Франция, 1801 г.), В. В. Петров (1802 г.) и X. Дэви (Англия, 1807 г.). Используя вольтов столб, Дж.Г. Чилдрен (Англия, 1815 г.) осуществил нагрев и расплавление различных металлов. Несколько ранее Пепи (Англия) поставил эксперименты по нагреву алмазной пыли в разрезе железной проволоки, которая раскалялась при протекании электрического тока докрасна. Через некоторое время алмазная пыль исчезала, а железо превращалось в сталь. Это устройство можно считать первой электропечью сопротивления косвенного действия. Р. Хар (Англия, 1839 г.) предложил вакуумную печь сопротивления с использованием воздушного насоса. Важный для расчета установок резистивного нагрева закон выделения энергии в проводнике при протекании тока открыли Дж.П. Джоуль (1841 г.) и Э.Х. Ленц (1844 г.).
В 1849 г. М. Депре изготовил лабораторную печь с угольным нагревателем в виде трубки длиной 23 мм. Г.Б. Симпсон получил американский патент (1859 г.) на нагревательное устройство с нагревателем в виде спирали, расположенным в углублениях изолирующей подложки.
Первые применения резистивного нагрева в медицине:
Штейнхель и Хейдер (Австрия, 1845 г.) использовали электрический нагрев для умерщвления зубного нерва;
Миддельдорпф (Германия, 1854 г.) применил электронагрев в хирургии.
Увеличение производства электроэнергии в конце XIX в. позволило создавать крупные электропечи сопротивления.
В 1886–1888 гг. братья Коулесс создали печь прямого нагрева для получения алюминия из глинозема (одновременно с расплавлением шел электролиз). Ток проходил между электродами через слой шихты (мощность 300 кВт, напряжение 60 В, ток до 6000 А). В те же годы П.Л.Т. Эру изготовил печь для получения алюминиевой бронзы с проводящим тиглем и электродом сверху. Сначала расплавлялась медь, затем загружался глинозем, и шел электролиз. Ток протекал от электрода к корпусу (угольная футеровка) через шихту. Одновременно Ч.М. Холл создал подобную печь. Эти печи существенно снизили стоимость получения алюминия.
В. Борхерс (Германия, 1891 г.) создал опытную печь для восстановления оксидов с угольным нагревателем.
Е.А. Ачесон (США, 1892 г.) получил патент на печь для нагрева смеси песка, кокса и других материалов. При нагреве эта смесь превращается в огнеупор – карборунд (карбид кремния). При мощности печи 746 кВт за 36 ч получено 3150 кг карборунда. Такая же конструкция печи использована этим же ученым для получения графита из угля.
B. Нернст (Германия, 1901 г.) разработал лабораторную печь в виде алундовой трубы с намотанным на нее проволочным нагревателем из иридиевой платины мощностью 2,5 кВт с температурой 1450 °С. Эта печь была изготовлена фирмой «Хереус» (Германия), которая затем стала выпускать широкую номенклатуру подобных печей с муфелем и нагревателями из платиновой фольги.
В 1904 г. Эгли (Германия) изобрел простой способ получения изделий любой формы из силита (карбида кремния) – материала для нагревателей.
B.C. Арсем (США, 1906 г.) создал вакуумную плавильную печь с температурой 2000 °С с графитовым нагревателем. Фирма «Дженерал электрик» стала изготавливать с 1912 г. такие печи мощностью 15–60 кВт.
C. Аббот (США, 1921 г.) получил патент на конструкцию и технологию производства теплоэлектронагревателей (ТЭНов) (фирма «Дженерал электрик», начало работ 1913 г.)
Простота и большое число возможных конструктивных вариантов реализации резистивного нагрева содействовали широкому применению резистивных установок.
Промышленные печи сопротивления. В 1901 г. В.П. Ижевский изготовил первую в мире плавильную электропечь сопротивления (рис. 7.1). В качестве нагревателя использована разогретая магнезитовая или динасовая футеровка. В конструкции применены технически интересные решения (стальной кожух в виде барабана, установленный на катках, вращение печи, подвод тока через коллектор), которые позднее использовались при создании печей. Опытная печь была установлена в Киевском политехническом институте, а промышленная печь емкостью 100 кг для плавки цветных металлов была пущена на заводе в г. Екатеринославе.
Рис. 7.1. Трехфазная вращающаяся печь сопротивления В.П. Ижевского для плавки цветных металлов
До 1917 г. в России был создан целый ряд печей резистивного нагрева:
электрическая соляная ванна для закалки инструмента (Стабинский, 1907 г.);
корытообразная печь прямого нагрева для выплавки металлов из руд (А. Н. Лодыгин, 1908 г.);
крупная печь сопротивления для нагрева стальных снарядов перед закалкой (Королев, 1913–1914 гг.);
печи сопротивления с угольными стержневыми нагревателями для плавки стали (С.С. Штейнберг и А. Ф. Грамолин, 1915 г.). Эти печи (рис. 7.2) делались емкостью 100–1000 кг и успешно работали в годы первой мировой войны на ряде уральских заводов.
В США промышленные печи сопротивления были созданы фирмой «Дженерал электрик» в 1917 г. В этих печах были применены нихромовые нагреватели. Уже к 1920 г. на автозаводах США применялись печи сопротивления различных конструкций: камерные, шахтные, с выдвижным подом, колпаковые, карусельные, конвейерные и др. При этом использовались наработки, сделанные при создании пламенных печей.
Рис. 7.2. Печь С.С. Штейнберга и А.Ф. Грамолина с угольными нагревателями для плавки стали
Развитие установок резистивного нагрева в Европе отстало от развития аналогичных установок в США на несколько лет. Например, в Германии в 1924 г. эксплуатировались лишь несколько печей для нагрева металлов. Однако к 1932 г. там работали уже несколько сотен печей для термообработки металлов.
В СССР производство электропечей сопротивления (ЭПС) было налажено в 1928–1930 гг. на заводе «Электрик» в Ленинграде (до этого печи закупались за границей). В 1931 г. там серийно выпускались камерные печи с нихромовыми нагревателями.
Московский электрозавод в 1933 г. изготовил плавильную ЭПС для алюминиевых сплавов. С 1934 г. печи сопротивления стали производиться на заводе «Меткой», позднее переименованном в Московский завод электротермического оборудования (МосЗЭТО). Завод «Электрик» освоил выпуск толкательных печей (1935г.), а завод «Уралэлектромашина» – ЭПС шахтные и с шагающим подом для термообработки тонких труб из спецсплавов (1937 г.). С 1950 г. МосЗЭТО серийно стал выпускать конвейерные печи.
Значительный вклад в разработку и внедрение ЭПС внесло ОКБ «Электропечь», позднее преобразованное во ВНИИ электротермического оборудования (ВНИИЭТО), директором которого стал А.П. Альтгаузен:
40–50-е годы – созданы вакуумные ЭПС для термообработки реакционно-активных металлов и сплавов с температурой 900–1200 °С;
1953 г. – на Первом государственном подшипниковом заводе (ГПЗ-1) в Москве введен в эксплуатацию автоматический цех АЦ-1 с ЭПС по производству подшипников;
1963 г. – на ГПЗ-1 введен цех АЦ-2, а через 2 года АЦ-3 с линиями ЭПС различных типов (конвейерных, роликовых и с пульсирующим подом);
50–60-е годы – созданы высоковакуумные печи с нагревателями из вольфрама, молибдена и тантала с температурой до 2500 °С;
1966–1968 гг. – осуществлены пуск рольганговой печи сопротивления длиной 100 м для отжига труб в г. Северске, ввод в эксплуатацию печи в г. Лыткарино Московской области для ситаллизации и отжига астродиска диаметром 6 м (использован в крупнейшем телескопе) и пуск печи для вакуумной (светлой) закалки;
1970 г. – пуск толкательного агрегата для газовой цементации в г. Заволжье;
1978 г. – пуск первой печи для вакуумной закалки наГПЗ-1.
Значительный вклад в разработку методов расчета электрических печей сопротивления в 50-х годах внесли А.Д. Свенчанский и другие сотрудники кафедры электротермических установок Московского энергетического института (МЭИ).
К концу 80-х годов электрические печи сопротивления как по численности, так и по суммарной мощности занимают первое место среди электротермических установок различных видов.
В нашей стране, например, выпускалось электропечей сопротивления только периодического действия более 100 типоразмеров и модификаций с единичными мощностями от десятков до сотен киловатт. В эксплуатации находились десятки тысяч таких печей суммарной мощностью несколько миллионов киловатт.
Основными направлениями развития ЭПС явились разработки печей с контролируемой атмосферой, вакуумных и прецизионных, а также систем микропроцессорного управления для них. В этой области в 80-х годах большую работу проводил ВНИИЭТО, которым с 1972 по 1987 г. руководил А.С. Бородачев.
Установки прямого нагрева {электроконтактные). В 1930 г. в СССР В.Н. Гевелинг предложил метод электроконтактной роликовой закалки, которая некоторое время даже конкурировала с индукционной поверхностной закалкой.
В 40–50-е годы широкое применение получил электроконтактный нагрев заготовок под ковку в кузнечном цехе на Горьковском автозаводе (Е.И. Натанзон, Г.М. Тельнов). Использовались установки различных типов, например установка К-13 для нагрева стальных заготовок диаметром 20–45 мм установленной мощностью 200 кВ∙А, производительностью 160–180 заготовок в час, с удельным расходом электроэнергии 325–350 кВт∙ч/т.
В конце 80-х годов подобные установки довольно широко использовались на машиностроительных заводах для нагрева под пластическую деформацию (раскатка концов труб, нагрев заклепок и др.)
Бытовые устройства резистивного нагрева. В 1881 г. на Международной электротехнической выставке в Париже были представлены бытовые электронагревательные приборы: камин и утюг. В конце прошлого века были сделаны изобретения системы электрообогрева помещений (О. Розе, Англия, 1882 г.), погружаемого водонагревателя – кипятильника (Юллиг, Германия, 1883 г.), электрозажигалки для сигар (Т. Эдисон, 1883 г.), а также плитки, чайника, самовара и т. д.
Во ВНИИЭТО в начале 70-х годов были созданы образцы различных бытовых электронагревательных приборов: электроконвекторы, водонагреватели, кофеварки, утюги и т. п. Началось проектирование специальных заводов и цехов по их производству, но до их реализации дело не дошло.
Инфракрасный нагрев. В 1903 г. был получен патент Германии на применение инфракрасного нагрева (Шраммбергер). В 1934 г. X. Жорже (Франция) создал электропечь с графитовыми нагревателями для инфракрасного нагрева кварцевого стекла и плавки металлов. Широкое применение получил инфракрасный нагрев для сушки лакокрасочных покрытий автомобилей на заводах Форда (США, 1932 г.). Инфракрасные излучатели (темные и светлые) применяют также для различных технологических процессов, например, для сушки.
Интересную установку с использованием светлых излучателей для термообработки сварных швов трубопроводов на электростанциях в 80-х годах создал и с успехом применяет ЦНИИ технологии машиностроения (ЦНИИТмаш).
Электродные водонагреватели. Первый водогрейный котел на напряжение 6 кВ был изготовлен в 1907 г.
В 60-е годы во ВНИИЭТО была разработана серия электродных котлов для сельского хозяйства мощностью 25–400 кВт с диапазоном регулирования мощности 10–100%.
7.1.2. ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ НАГРЕВНачальный период. В 1878–1880 гг. В. Сименс (Англия) выполнил ряд работ, которые легли в основу создания дуговых печей прямого и косвенного нагрева, в том числе однофазной дуговой печи емкостью 10 кг. Им было предложено использовать магнитное поле для отклонения дуги и регулирования режима перемещения электродов. А. Муассан (Франция, 1890 г.) изготовил дуговую печь для получения карбида кальция.
В конце XIX в. (1899 г.) были созданы первые промышленные дуговые печи. П.Л.Т. Эру построил промышленную печь прямого нагрева для плавки стали (рис. 7.3), а Э. Стассано (Италия) – шахтную электрическую домну для выплавки чугуна из руд, представляющую собой печь косвенного нагрева с вращением наклонной ванны (рис. 7.4).
Рис. 7.3. Дуговая электропечь для плавки стали П.Л.Т. Эру
Рис. 7.4. Дуговая электропечь для плавки чугуна из руд конструкции Э. Стассано
1 – шахта; 2 – электроды
Дуговые сталеплавильные печи прямого нагрева. В 1900–1915 гг. были выполнены различные усовершенствования печей конструкции П.Л.Т. Эру и Э. Стассано: печь с тремя электродами, трехфазное питание, подовый электрод, съемный свод, неподвижная ванна, графитизированные электроды, свинчиваемые (наращиваемые) электроды и т.д., которые способствовали распространению дуговых сталеплавильных печей (ДСП) в металлургии.
Использование дуговых печей в России началось с 1910 г., когда на Обуховском заводе в г. Петербурге была установлена двухэлектродная сталеплавильная печь Эру мощностью 500 кВ∙А для дуплекс-процесса (мартен – электропечь). Емкость печи 3,5 т при жидкой завалке и 2,5 т при твердой завалке, удельный расход электроэнергии (соответственно) 280 и 865 кВт∙ч/т.
Важными этапами для электрометаллургии России и СССР явились:
1910 г. – пуск завода «Пороги» на р. Сатке с печами для получения ферросилиция и углеродистого феррохрома (две печи мощностью по 350 кВт) и производство карбида кальция в печи 250–300 кВт на заводе г. Алаверди.
1916 г. – разработка (С.И. Тельный и В.Г. Евреинов) печи для плавки стали с вращающейся дугой (рис. 7.5).
1917 г. – начало строительства электросталеплавильного завода «Электросталь» под г. Ногинском с установкой четырех печей П.Л.Т. Эру емкостью 1,5 т.
1925 г. – выпуск двух печей с вращающейся дугой емкостью по 0,25 т и мощностью 200 кВ∙А для фасонного литья на заводе «Электросила» (позднее Харьковском электромашиностроительном заводе – Л.И. Аронов и А.П. Ионов).
1928 г. – на Московском электрозаводе сконструирована и изготовлена дуговая печь «ГЭТ» косвенного действия для плавки меди (четыре типоразмера печи мощностью 100–325 кВ∙А и емкостью 100–1200 кг).
1931 г. – изготовление и пуск в эксплуатацию трехтонных ДСП; 1932 г. – изготовление десятитонной ДСП и первых ферросплавных печей мощностью 800 и 1600 кВ∙А.
1928–1934 гг. – на Московском электрозаводе изготовлена 151 дуговая печь емкостью до 12 т (Л.И. Аронов, К.М. Филиппов и др.)
1940 г. – на заводе «Уралэлектромашина» изготовлена ДСП емкостью 30 т (пущена в г. Запорожье).
Рис. 7.5. Однофазная печь с вращающейся дугой конструкции С.И. Тельного и В.Г. Евреинова
За годы войны дуговые печи на предприятиях устарели, и появилась необходимость создания новых печей.
В 1949–1952 гг. ОКБ треста «Электропечь» разработало серию дуговых сталеплавильных печей с выкатывающейся ванной типа ДСВ емкостью 5, 10, 18 и 30 т. Всего на МосЗЭТО было изготовлено 40 печей общей емкостью свыше 700 т. В 1951–1953 гг. на заводе «Днепроспецсталь» были пущены в эксплуатацию две печи емкостью по 18 и одна печь емкостью 30 т.
В 1955 г. была разработана печь с поворотным сводом емкостью 80 т. Две такие печи были изготовлены в 1958 г. Новосибирским ЗЭТО и установлены на Новолипецком металлургическом комбинате.
В 1971 г. на волгоградском металлургическом заводе «Красный Октябрь» были введены в эксплуатацию две печи ДСП-200, разработанные ВНИИЭТО. Емкость такой печи 200 т, мощность печного трансформатора (разработан и изготовлен на Московском электрозаводе) 45 MB∙А.
Для увеличения производительности ДСП стали использовать трансформаторы более высокой мощности, в частности для печи емкостью 200 т – 90 и 125 MB∙А.
Шведская фирма ASEA в 1947 г. разработала для крупных ДСП устройство электромагнитного перемешивания расплавленного металла. В 60-х годах в США стали применять печи емкостью 400–800 т с трансформаторами мощностью до 200 MB∙А. В конце 70-х годов фирма «Маннесман» (ФРГ) стала применять систему донной разливки стали и охлаждаемые стены и свод. Все эти разработки были направлены на увеличение производительности печей.
В 80-е годы наиболее перспективными направлениями развития ДСП в нашей стране и за рубежом явились дуговые печи с питанием на постоянном токе, что существенно снизило потери в короткой сети, и печи с водоохлаждаемой футеровкой и сводом для работы в дуплекс-процессе, т. е. практически только для расплавления шихты. Во ВНИИЭТО (А.Н. Попов, Л.С. Кацевич и др.) был проведен ряд исследований и конструкторских разработок в этих направлениях.
Разработанная во ВНИИЭТО ДСП постоянного тока емкостью 12 т была введена в эксплуатацию в 1981 г. В 1984 г. на Оскольском электрометаллургическом комбинате установлены две ДСП емкостью по 150 т с трансформатором 90 MB∙А. В футеровке стен печи использованы водоохлаждаемые панели.
Дуговые печи косвенного нагрева. Дуговая барабанная качающаяся печь с двумя горизонтальными электродами разработана в Корневильском университете в 1915 г. (Х.В. Жиллетт) и изготовлена в 1917 г. В 1918 г. фирма по производству электропечей в г. Детройте (США) начала серийное производство этих однофазных печей для переплава медных сплавов. Попытки изменить конструкцию (ввести вращение ванны или три электрода с трехфазным питанием) оказались неудачными. В СССР печи такого типа изготавливались на Московском электрозаводе с 1929 г. В настоящее время дуговые печи косвенного нагрева не выдерживают конкуренции со стороны индукционных плавильных печей.
Рис. 7.6. Открытая трехфазная печь для получения карбида кальция конструкции А. Хельфенштейна
Рудовосстановительные (руднотермические) печи. В начале XX в. были созданы двухэлектродные печи постоянного или переменного тока для производства карбида кальция мощностью до 4000 кВ∙А. Эти печи использовались также для производства ферросплавов. А. Хельфенштейн (Австрия) ввел в эксплуатацию трехфазные печи мощностью до 12 MB∙А (рис. 7.6) с проводящим угольным подом, присоединенным к нейтральному проводу. В 1907 г. в Норвегии была пущена печь мощностью 24 MB∙А, представляющая собой практически сдвоенную печь (две трехфазные системы в одном кожухе). Для улучшения условий труда уже в 1910 г. была создана конструкция полузакрытой печи с отсосом газов.
С 1895 г. разрабатываются конструкции электропечей для получения чугуна из железной руды. В 1908 г. в Швеции была построена дуговая печь (электрическая домна) мощностью 700 кВт с питанием от сети 25 Гц. В дальнейшем в Швеции и Норвегии были пущены несколько подобных усовершенствованных печей: двухфазная с четырьмя электродами мощностью 1850 кВт с использованием древесного угля, трехфазная с шестью электродами, а в 1913 г. трехфазная конструкции А. Хельфенштейна мощностью 7360 кВт с использованием кокса. В 1925 г. в Норвегии (фирма «Электрохемикс») была введена в эксплуатацию первая закрытая низкошахтная прямоугольная печь мощностью 6 MB∙А.
В СССР первые ферросплавные печи (открытые) мощностью 800 и 1600 кВ∙А изготовлены Московским электрозаводом в 1932 г. В 1934 г. в г. Запорожье пущены печи фирмы «Мигэ» (Франция) мощностью 10 MB∙А для получения алюмината бария и ферросилиция. Закрытые печи стали создаваться с середины 30-х годов.
По разработкам ВНИИЭТО в СССР построены и пущены различные руднотермические печи.
В 1958 г. пущена первая закрытая ферросплавная печь мощностью 10,5 MB∙А на Кузнецком ферросплавном заводе. В 1978 г. созданы и внедрены на Никопольском ферросплавном заводе печи мощностью 63 MB∙А для получения марганца и силикомарганца. В 80-е годы созданы и внедрены руднотермические печи мощностью 80 MB∙А для возгонки желтого фосфора, 63 MB∙А для получения ферросилиция и марганцевых сплавов, 40 MB∙А для производства силикохрома. Печи для возгонки желтого фосфора, выпускавшиеся в СССР в 70–80-е годы, питались от трех однофазных трансформаторов с подключением к сети 110 кВ и по ряду показателей превосходили фосфорные печи США и ФРГ.
В начале 80-х годов фирма «Элкем» (Норвегия) ввела в эксплуатацию закрытую печь для производства феррохрома мощностью 105 MB∙А.
Вакуумные дуговые печи. Вакуумно-дуговая плавка предложена в 1905 г. В. фон Больманом (Германия). В. Кролл (США) в 1940 г. осуществил вакуумно-дуговую плавку титана. Имеются два варианта вакуумно-дуговых печей (ВДП): с расходуемым (переплавляемым) и нерасходуемым (водоохлаждаемым) электродом. Второй вариант применяется реже, например для плавки слитков из губки или порошка (патент Англии, 1957 г.). Количество ВДП быстро увеличивалось, например, &США за три года (1957–1959) оно почти удвоилось. При этом жаропрочные и шарикоподшипниковые стали плавили в ВДП, получая слитки диаметром до 600 мм и массой до 6 т. Промышленные ВДП для титана созданы в 1948–1950 гг. Вакуумная плавка тугоплавких металлов (молибден, ниобий, вольфрам) позволила получать слитки массой до 1 т (конец 50-х годов).
В СССР работы по ВДП начались с середины 50-х годов в ряде организаций: Институт металлургии им. А.А. Байкова АН СССР (Имет), ЦНИИ черных металлов (ЦНИИчермет), МЭИ. Изготавливались и разрабатывались первые ВДП на Московском заводе электровакуумных печей (М.Я. Смелянский). В 1970 г. осуществлен пуск ВДП, разработанной во ВНИИЭТО, для производства слитков массой 60 т в г. Ижоры. В 80-е годы ВНИИЭТО разработал новую серию вакуумно-дуговых печей для плавки стали и тугоплавких металлов, в которых использовались электроды большего диаметра, кристаллизаторы различной формы сечения, подача инертного газа и другие конструктивные новшества.
Установки электрошлакового переплава. Первые в мире электрошлаковые печи (ЭШП) были разработаны и изготовлены Институтом электросварки АН УССР им. Е.О. Патона (ИЭС) и в 1958 г. введены в эксплуатацию на заводе «Днепроспецсталь» и Новокраматорском машиностроительном заводе. В ряде стран (Франция, Япония, Швеция и др.) установки ЭШП сделаны и эксплуатируются по лицензиям СССР.
В 60–70-е годы ВНИИЭТО совместно с ИЭС создал ряд промышленных установок ЭШП: для производства слитков массой 10 т в г. Краматорске (1962 г.), 60 т в г. Ижоры (1968 г.), для получения полых и прямоугольных слитков массой 16 т (1975 г.), круглых слитков массой 200 т и диаметром до 2, 4 м, предназначенных для изготовления роторов турбин (1978 г.). В 1977 г. была создана печь для электрошлакового литья емкостью 5 т.
В 80-е годы получили распространение ЭШП для кокильного и центробежного литья, разработанные ИЭС.
