Классификация электрических печей

Классификация электрических печей основана на способе превращения электрической энергии в тепловую. В связи с этим различают печи сопротивления, дуговые, индукционные и электроннолучевого нагрева.

Принцип действия печей сопротивления основан на выделении тепла при прохождении тока по проводнику, обладающему электрическим сопротивлением. Количество теплоты (Дж), выделяющегося в проводнике по закону Джоуля-Ленца, пропорционально квадрату силы тока, электрическому сопротивлению проводника и времени (Q = 1,005I²Rτ). Выбором значений силы тока и сопротивления получают необходимую мощность для расплавления металла. Сопротивлением может служить проводник или нагреваемый материал (например, шлак).

Принцип работы дуговых электропечей основан на преобразовании электрической энергии в тепловую в электрической дуге, являющейся одной из форм разряда в газовой фазе. В сравнительно малом объеме дуги при таком разряде можно сконцентрировать большие мощности и получить очень высокие (<3000°С) температуры. Плавление и нагрев металла происходят с большой скоростью. В печах косвенного нагрева дуга горит между электродами. Очаг высоких температур несколько удален от поверхности металла, значительная часть тепла в виде лучистого потока достигает ее после отражения от стен и свода печи. Футеровка таких печей испытывает высокие тепловые напряжения, что снижает ее стойкость. В печах прямого нагрева дуга горит между электродом и расплавляемым (или расплавленным) металлом. В таких печах созданы более благоприятные условия передачи тепла от дуги металлу, так как очаг высоких температур находится в прямом контакте с поверхностью металла. В связи с этим в сталеплавильном и ферросплавном производствах распространены печи прямого нагрева с тремя дугами, горящими в воздушной атмосфере (трехфазные печи).

К числу дуговых печей относятся также вакуумные дуговые печи прямого действия, предназначенные для плавления тугоплавких металлов, а также переплава стали для улучшения ее свойств. Существует два варианта таких печей: с расходуемым и нерасходуемым электродами. В печах с расходуемым электродом дуга горит между расплавляемым электродом и зеркалом расплавленного металла. В печах с нерасходуемым электродом дуга горит между графитовым или тугоплавким металлическим электродом и расплавляемым металлом. Для вакуумных дуговых печей используют вместо огнеупорной футеровки водоохлаждаемые элементы, находящиеся под воздействием высоких температур.

Плазменные дуговые печи с анодом на металле также относятся к дуговым печам прямого действия, в которых источником тепла является сжатая в поперечном направлении дуга, а плотность тока, в которой существенно выше, чем в обычной. В атмосфере инертного газа температура сжатой дуги в десять раз выше, чем обычной, и может достигать нескольких десятков тысяч градусов. Сталеплавильные процессы при таком источнике тепла могут протекать с высокой скоростью. В металлургии применяют плазменные печи либо с керамическим тиглем, либо с водоохлаждаемым кристаллизатором. Первые подобны обычным дуговым сталеплавильным печам, но обладают более высокой производительностью и возможностью получать металл более высокого качества. Вторые применяют для рафинировочного переплава и принудительной направленной кристаллизации переплавленного металла.

Принцип действия индукционных печей основан на нагреве металла токами, возбуждаемыми в нем переменным электромагнитным полем индуктора. В этих печах электрическая энергия вначале превращается в электромагнитную, а затем опять в электрическую, переходящую в тепло вследствие сопротивления нагреваемого металла. Поскольку тепло выделяется в нагреваемом металле, то использование его является наиболее полным. Для плавления металла применяют индукционные печи с железным сердечником или без него. Печи с сердечником имеют ограниченную мощность и применяются преимущественно в цветной металлургии. Печи без сердечника обладают более высокой удельной мощностью и применяются для производства специальных сталей и сплавов. Такие печи могут быть помещены в вакуумных камерах и работать как тигельные вакуумные индукционные печи, применяемые для производства качественных сталей.

В электроннолучевых печах нагрев происходит вследствие аккумуляции части кинетической энергии потока электронов, направляемого на поверхность металла. Источник электронов выполняют в виде кольцевого катода или аксиальной электронной пушки, помещаемых вместе с нагреваемым объектом в камеры, в которых давление атмосферы поддерживают <13,33 Па. Электроннолучевые печи применяют для получения слитков металла высокой чистоты.