NAGRZEWANIE REZYSTANCYJNE

NAGRZEWANIE REZYSTANCYJNE Nagrzewanie rezystancyjne (oporowe) jest to nagrzewanie elektryczne wykorzystujące efekt Joule'a w ośrodku przewodzącym stałym, połączonym galwanicznie ze źródłem energii. Moc cieplna wywołana efektem Joule'aLenza jest proporcjonalna do kwadratu prądu w torze P = R I 2 przy czym R jest rezystancją toru wykonanego z materiału o konduktywności γ bądź rezystywności ρ. Rys. 2.1. Element przewodzący prąd elektryczny P = γ E 2 V V = F l 1

Rys. 2.9. Schemat elektryczny urządzenia rezystancyjnego bezpośredniego bezkomorowego z ciągłą regulacją napięcia 1 zabezpieczenia, 2 wyłącznik, 3 przekaźniki zabezpieczające, 4 tyrystory, 5 transformator wielkoprądowy, 6 wsad 2

Rys. 2.10. Zasilacz zmiennoprądowy z kompensacją mocy biernej i symetryzacją obciążenia sieci R wsad, T transformator jednofazowy o regulowanej przekładni, C 3 i C 4 kondensatory do kompensacji mocy biernej. C 1 i C 2 kondensatory układu symetryzującego Steinmetza, L dławik układu symetryzującego 3

Rys.2.6. Charakterystyki nagrzewania prądem przemiennym wsadu prostopadłościennego o przekroju kwadratowym 42 x 42 z normalnej stali węglowej przy różnych napięciach zasilających umożliwiających osiągnięcie temperatury zadanej: po 22 s krzywe a, po 84 s krzywe b, po 144 s krzywe c 4

Rys. 2.12. Zużycie właściwe energii minimalne (linie ciągłe) i średnie (linie przerywane) przy trzech wartościach maksymalnych natężeń prądu grzejnego: a) w procesie nagrzewania kęsów stalowych od 20 do 1200 C; b) w procesie podgrzewania od 700 do 1200 C d średnica kęsa o przekroju kołowym, δ długość boku kęsa o przekroju kwadratowym Rys. 2.14. Moc transformatora w urządzeniu rezystancyjnym bezpośrednim bezkomorowym do nagrzewania kęsów stalowych o przekroju kwadratowym, wg [280] δ długość boku, l długość kęsa 5

Rys. 2.19. Schemat pieca Achesona do grafityzacji elektrod zasilanego prądem stałym 1 fundament, 2 wymurówka ogniotrwała, 3 suchy piasek, 4 ściana czołowa nierozbieralna, 5 zasypka termoizolacyjna, 6 zasypka oporowa, 7 wsad (elektrody cylindryczne), 8 ściana boczna rozbieralna, 9 otwory do odprowadzania gazów, 10 elektrody doprowadzające prąd do rdzenia Rys. 2.20. Zmiennoprądowy układ zasilania pieców Achesona 1 transformator piecowy, 2 transformator kompensacji, 3 bateria kondensatorów kompensacji, 4 tor wielkoprądowy, 5 piece 6

Tablica 2.1. Podstawowe właściwości niektórych stopów austenitycznych, Typy stopów Nazwa lub oznaczenie handlowe stopu Główne składniki chemiczne w przybliżeniu Ni Cr Fe Kraj wytwarzania Rezystywność w temperaturze 20 0 C % masy Ω mm 2 /m Dopuszczalna temperatura pracy 0 C Temperatura topnienia 0 C Austenityczne bezżelazowe typu NiCr Austenityczne żelazowe typu NiCrFe FeCrNi FeNiCr Baildonal 80 Polska 79 20 1.09 1200 1400 Baildonal 70 Polska 69 30 1.17 1230 1380 Chroniterm 80 1450 Spezial 80 20 1.12 1220 Chroniterm 70 1400 Spezial 70 30 1.19 1250 Chronix 80 1400 Extra 80 20 1 1.12 1250 Chronix 70 1380 Extra 70 30 1 1.19 1250 Nikrothal 80 1400 Plus Szwecja 80 20 1.09 1200 Х20Н80 Rosja 75 78 20 23 1.09 1100 1390 1420 ХН70Ю Rosja 67 71 26 29 1.34 1200 1390 1420 R.D.01 Francja 80 20 <1 1.08 1200 R.D.02 Francja 70 30 <1 1.18 1260 Cronifer II Extra 60 15 21 1.13 1200 1390 Cronifer III Extra 30 20 46 1.04 1150 1390 Cronifer IV Extra 20 25 50 0.95 1100 1380 Chroniterm 60 Spezial 60 15 25 1.13 1150 1390 Chroniterm 30 Spezial 30 20 50 1.04 1100 1390 Chroniterm 20 Spezial 20 25 55 0.95 1050 1380 Nikrothal 60 Plus Szwecja 60 15 25 1.11 1150 1390 Nikrothal 40 Plus Szwecja 35 20 45 1.04 1100 1390 Nikrothal 20 Plus 20 25 55 0.95 1050 1380 Х25Н20 Rosja 17 20 24 27 reszta 0.92 1000 1400 1430 R.D.03 Francja 60 15 25 1.12 1125 R.D.04 Francja 45 23 32 1.12 1150 7

Tablica 2.2. Podstawowe właściwości niektórych stopów ferrytycznych Typy Stopów Nazwa lub oznaczenie handlowe stopu Kraj wytwarzania Główne składniki chemiczne w przybliżeniu Cr Fe Al. Si Rezystywność w temperaturze 20 C Dopuszczalna temperatura pracy Temperatura topnienia % masy Ω mm 2 /m C C Ferrytyczne typu FeCrSi Megatherm I Megatherm II 30 18 67.5 78.5 2.5 3.5 0.87 1.05 1050 900 1470 1460 Ferrytyczne typu FeCr Al Alsichrom 1 Alsichrom 2 Alsichrom 10 SO Aluchrom O Aluchrom P Aluchrom S Aluchrom W Baildonal 12 Baildonal 10 Baildonal 8 Kanthal APM Kanthal AF Kanthal A1 Kanthal D Alkrothal OX27IO5A OX23IO5A RD.05 RD.07 Polska Polska Polska Szwecja Szwecja Szwecja Szwecja Szwecja Rosja Rosja Francja Francja 25 20 14 25 20 20 15 23 17 13 22 22 22 22 15 26 28 21.5 23.5 25 20 68.5 74 74.5 68.5 74 74.5 79.5 72 78 83 72.2 72.7 72.2 73.2 80.7 reszta reszta 70 75 5 5 4 5.5 5 4.5 4.5 5 5 4 5.8 5.3 5.8 4.3 4.3 5.5 5.8 4.5 5.2 5 5 1.44 1.37 1.25 1.44 1.37 1.35 1.25 1.43 1.34 1.29 1.45 1.39 1.45 1.35 1.25 1.42 1.35 1.45 1.39 1350 1250 1050 1350 1300 1270 1050 1280 1200 1050 1400 1400 1400 1300 1100 1300 1200 1375 1330 1510 1510 1510 1510 1510 8

Tablica 2.3. Podstawowe właściwości metali wysokotopliwych Nazwa metalu Molibden Wolfram Tantal Platyna Rezystywność w 20 0 C Ω mm 2 /m 0.050 0.055 0.125 0.105 Dopuszczalna temperatura pracy 0 C 1900 2500 2400 1600 Temperatura topnienia 0 C 2360 3387 3030 1772 Tablica 2.4. Podstawowe właściwości materiałów wysokotemperaturowych niemetalowych Rodzaj i symbol chemiczny Karborund SiC Nazwa lub oznaczenie handlowe Kraj wytwarzania Rezystywność w temperaturze 20 C Rezystywność w temperaturze t t ρ Dopuszczalna temp. pracy w powietrzu (Ωmm 2 )/m C (Ωmm 2 )/m C SilitCesiwid Silit KEN A; KEN B Morganite Tecorundum Cristolon CL Globar LL Globar SG Hot Rod CXL Rosja W.Bryt. Japonia USA USA USA USA ~4000 ~1850 ~1600 1400 1400 1300 1300 1300 1300 1300 1300 1250 900 1100 1100 1200 1000 1100 1600 1450 1450 1650 1700 1600 1540 1650 1650 Krzemomolibden MoSi 2 Kanthal ST Kanthal N Kanthal 33 Kanthal 1900 1 ) Mosilit Szwecja Szwecja Szwecja Szwecja Rosja 0.30 0.30 0.28 0.33 0.32 1800 1600 1600 3.45 3.45 3.30 3.80 3.70 4.10 1700 1700 1800 1900 1700 1700 Węglik niobu NbC Węglik niobu NbC +10%TiC Rosja 0.50 2600 2.31 Rosja 0.74 2600 3.08 2500 2 ) 3000 3 ) 2500 2 ) 3000 3 ) Chromian lantanu LaCr0 3 Typ A Typ B Japonia Japonia Rosja 8000 6 ) 12000 6 ) 100000 1000 3000 2000 2000 1850 Węgiel i grafit C Węgiel amorficzny Grafit syntetyczny Francja 70 80 2000 28 32 2300 4 ) Francja 8 10.5 2500 9.3 12.3 3000 5 ) l ) Część Mo zastąpiono W. 2 ) W próżni. 3 ) W argonie technicznym. 4 ) W atmosferze beztlenowej. 5 ) W helu. 6 )W temperaturze 100 0 C 9

Rys. 2.26. Elementy grzejne niskotemperaturowe: a) widok; b) k) przekrój 1 rezystor grzejny, 2 izolacja elektryczna, 3 płaszcz metalowy, 4 płaszcz ochronny, 5 przewód ochronny, 6 linka nośna, 7 przewód zasilający 10

Rys. 2.28. Najbardziej charakterystyczne rodzaje elementów grzejnych średniotemperaturowych, a) skrętkowy, b) taśmowy, c) drutowy meandryczny 11

Rys. 2.30. Zalecane maksymalne obciążenia powierzchniowe rezystorów grzejnych firmy Kanthal przeznaczonych do pracy w piecach przemysłowych, wg [155]: a) spiralnych i falistych umieszczonych w kanałach kształtek ceramicznych (d 3 mm, g 2 mm); b) spiralnych nawiniętych na rurach ceramicznych (d 3 mm, g 2 mm); c) falistych z taśmy zawieszonych na ścianach pieców i swobodnie promieniujących (g 2,5 mm, s 50 mm); d) falistych z drutu zawieszonych na ścianach pieców i swobodnie promieniujących (d 5 mm, s 50 mm). (Podane na rysunkach wartości dotyczą eksploatacji przy ciągłej regulacji temperatury. Przy regulacji nieciągłej należy przyjmować nieco mniejsze wartości p) 12

Rys. 2.39. Elementy grzejne karborundowe, 1 rezystor grzejny, 2 końcówka, 3 część metalizowana końcówki, 4 łączówka 13

Urządzenia rezystancyjne pośrednie bezkomorowe Rys. 2.47. Układy grzejne najbardziej rozpowszechnionych urządzeń rezystancyjnych pośrednich bezkomorowych 14

Rys. 2.48. Przykłady zastosowań urządzeń kondukcyjnych 15

Urządzenia rezystancyjne pośrednie komorowe Rys. 2.57. Schematy bardziej rozpowszechnionych pieców rezystancyjnych pośrednich nieprzelotowych: a) komorowy; b) wgłębny; c) tyglowy; d) wannowy; e) kołpakowy; f) elewatorowy, g) wysuwny; h) komorowy z wymuszonym ruchem powietrza; i) warnik W wsad 16

Rys. 2.58. Schematy bardziej rozpowszechnionych pieców rezystancyjnych pośrednich przelotowych: a) taśmowy; b) rolkowy; c) przepychowy; d) wózkowy (przetokowy); e) przenośnikowy; f) przewłokowy; g) ślimakowy; h) wstrząsowy; i) okrężny z pionową komorą W wsad, s ruch szybki, p ruch wolny 17

Rys. 2.87. Charakterystyki dynamiczne pieca rezystancyjnego nieprzelotowego Wielkości charakterystyczne pieców rezystancyjnych: moc grzejną znamionową P n, moc grzejną jałową P o, moc strat w stanie cieplnie ustalonym w funkcji temperatury roboczej P p =f(t r ), współczynnik wzmocnienia K = dt r /dp p, praktyczny czas rozgrzewu τ p, teoretyczny czas rozgrzewu τ t, ciepło akumulacyjne statyczne Q a,s ciepło akumulacyjne dynamiczne Q, czas stygnięcia τ s, czas opóźnienia L, stała czasowa N. 18

Rys. 2.89. Sterowanie tyrystorowe obiektów o małej mocy: a) regulacja fazowa w zakresie mocy 0 P n ; b) regulacja fazowa w zakresie mocy 0,5P n P n ; c) sterownik w układzie odwrotnie równoległym (P α = 0 P n ); d) sterownik w układzie odwrotnie równoległym z diodą (P α = 0,5P n P n ); e) sterownik w układzie mostkowym (P α = 0 P n ) Rys. 2.90. Sterowniki tyrystorowe w układzie odwrotnierównoległym obiektów dużej mocy: a) regulacja impulsowa; b) układ gwiazdowy; c) układ gwiazdowy z przewodem zerowym; d) układ trójkątowy 19