ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Индукционный нагрев
Для индукционного нагрева в том или ином технологическом процессе часто бывает целесообразно размещать индуктор внутри детали, что применяется, в частности, при сварке труб большого диаметра, где требуются большая электрическая мощность, равномерный нагрев но длине заготовки и определенный перепад температур по ее сечению.
Для нагрева трубных заготовок использовали многовитковый индуктор с ферритовым сердечником [114]. По энергетическим затратам такой индуктор не уступает индуктору-трансформатору, конструкция его проще, и он может быть использован в широком диапазоне мощностей и частот, а также при нагреве заготовок с различными внутренними диаметрами.
Последнее обусловлено тем, что потери в ферритовом сердечнике значительно меньше, чем потери в сердечнике из изолированной стали. В качестве электрической изоляции поверхности индуктора, обеспечивающей надежную работу при температурах, превышающих 1000 °С, использовали плазменное покрытие из оксида алюминия толщиной около 0,1 мм. Индукторы с защитным покрытием из оксида алюминия прошли испытания на промышленной установке индукционного нагрева в режиме нагрева заготовок до 1200 °С. Испытания показали, что такой индуктор сокращает тепловые потери на 10%, увеличивает скорость нагрева заготовки на 12% и полностью устраняет возможность замыкания между витками и корпусом заготовки.
Низкотемпературный индукционный нагрев токами промышленной частоты находит широкое применение в технологических процессах изготовления пластмассовых, резино- и асбестотехнических изделий в СССР и за рубежом.
Разработаны, испытаны и внедрены в промышленное производство нагревательные индукционные плиты типа РТПИ для вулканизации в резинотехнической промышленности.
Плиты состоят из основания, индукционного нагревателя, крышки и рейки выводов. В основании плит профрезерованы пазы, в которых размешены индукторы. Индукторы выполнены в виде бескаркасных катушек из жаростойкого провода марки ПОЖ диаметром 1,7 мм, пропитанных органосиликатным составом и изолированных высоко- нагревостойкой стеклослюдинитовой лентой ЛСКВ. После укладки индукторов в пазы основания их компаундировали органосиликатным составом. Долговечность индуктора определяется в основном сроком службы системы изоляции, которая обеспечивает надежную эксплуатацию при температурах до 300 °С не менее 40 тыс.ч. Технические характеристики нагревательных плит типа РТПИ-600 приведены ниже:
Потребляемая мощность, кВт:
при 20 °С........................................................................ 7,5
при 250 °С...................................................................... 5,1
Напряжение, В........................................................... 220
Частота переменного тока, Гц............................... 50
Максимальная рабочая температура, °С................... 250
Перепад температуры на рабочей поверхности
плиты, 0 С, не более............................................... ±5
Габаритные размеры, мм.......................................... 600 х 600x60
Масса, кг................................................................. 180
Испытания плит как в лабораторных, так и в производственных условиях показали ряд существенных преимуществ индукционного обогрева токами промышленной частоты по сравнению с омическим. При индукционном обогреве тепло выделялось непосредственно в теле плиты, вследствие чего уменьшались инерционность плит и амплитуда колебаний температуры.
Время разогрева плит до заданной температуры снижалось на 25—30%, а время восстановления температуры при перезарядках пресса — в 2 раза, что позволило повысить производительность прессов на 15—20% и сократить расход электроэнергии на единицу продукции на 10—20% по сравнению с расходом на плиты со спиральными нагревателями типа РТПС. Плиты с индукционным обогревом обладают мягкой тепловой характеристикой: с повышением температуры вследствие изменения параметров стали существенно снижается мощность нагревателя — до 40% при нагреве от 20 до 300 °С. Таким образом, индукционные нагреватели при обычном двухпозиционном регулировании автоматически, без специальных устройств, обеспечивают более высокое качество регулирования температуры - регулирование неполным притоком.
Известно также применение электроизоляционных жаростойких бетонов в электротермическом оборудовании: в плавильных печах, в индукционных нагревательных установках и в печах сопротивления. Их применение дало возможность повысить срок службы, надежность и экономичность работы электротермического оборудования.
Электрический нагрев
Из разнообразных видов электронагревательных элементов (ЭНЭ) широко применяются ЭНЭ, состоящие из высокоомной жаростойкой проволоки или ленты и деталей электрической изоляции ее от корпуса прибора, выполняющих также роль несущей конструкции. Разработаны базовые конструкции ЭНЭ на основе жаростойкого слюдопласта и организованы участки по их серийному производству на некоторых слюдяных фабриках [115]. Для жаростойких слюдопластов, применяемых в электротермии, в качестве связующих использовали кремнийорганические лаки, водные растворы фосфатов или композиции этих материалов. Листовой прокладочный слюдопласт толщиной 0,3—2 мм применяли при изготовлении ЭНЭ плоской конструкции, слюдопласт толщиной 0,08—0,12 мм — при изготовлении трубчатых ЭНЭ. Трубчатые ЭНЭ изготовляли на специализированных участках слюдяных фабрик на основе жаростойкого слюдопласта и алюмохром- фосфатного связующего под названием ЭНЭТИ. ЭНЭТИ состоял из трубчатого слюдопластового основания и намотанной на него нагревательной спирали из жаростойкой высокоомной проволоки, концы которой закреплены на трубке при помощи пустотелых заклепок или другим способом. Слюдопластовое основание изготовляли по способу, основанному на свойстве увлажненного слюдопласта с фосфатным связующим принимать в холодном состоянии форму оправки. Эластичность материала объясняется тем, что в нем присутствуют водорастворимые фосфаты и еще не связанный фосфорный ангидрид, которые активно поглощают воду.
Рис. 11.2. Электронагревательные элементы с закрытой спиралью:
1 - слюдопластовое основание; 2 - нагревательная спираль; 3 - слюдопластовая изоляция; 4 - выводы
Последующая сушка и термообработка отформованных изделий придавали им жесткость, влаго- и водостойкость, а также высокие электрические свойства при рабочей температуре до 800—9О0~с"С. Мощность ЭНЭТИ (рис. 11.2) зависела от размеров и составляла от десятков до сотен ватт при напряжении 12—220 В. Длина ЭНЭТИ составляла 20—500 мм, диаметр - 6-40 мм при толщине стенки от 0,3 до нескольких миллиметров. ЭНЭТИ использовали в различных электробытовых и промышленных изделиях (конвекторах, паяльниках, электрофотоглянцевателях и др.). Испытания показали, что нагреватели, установленные в конвекторах, при непрерывной работе имели безотказную наработку более 6000 ч.
Для изоляции электронагревателей использовали также компаунд АФ-5 или его композицию с каолиновой ватой [116,117].
Исследовали нагреватели, выполненные из проволоки сплавов сопротивления Х20Н80 и 0Х27Ю5А, изолированных слоем алюмофосфатного компаунда.
Проволоку наматывали на шаблон, и после обмазки компаундом конструкцию термообрабатывали по следующему режиму: подъем температуры до 90-95 °С со скоростью 0,5 °С/мин и выдержка при згой температуре 3—5 ч; подъем температуры до 250 °С со скоростью 1 °С/мин и выдержка при этой температуре 3-5 ч, далее температуру поднимали до температуры испытаний нагревателей со скоростью 4 °С/мин и при этой температуре измеряли электрическое сопротивление готовых нагревателей. Нагреватели из сплава Х20Н80 испытывали при 1000 °С, а из сплава 0Х27Ю5А - при 1200 °С. Испытания проводили в периодическом режиме: рабочий режим при номинальной температуре — 10 ч, отключение — на время остывания до комнатной температуры; количество циклов - 200—400. В каждом цикле испытаний проводили измерения электрического сопротивления нагревателя Rиз при номинальной рабочей температуре. Определяли зависимость изменения электросопротивления от времени работы нагревателей. Установили, что в диапазоне 10—300 ч электросопротивление уменьшается, по-видимому, за счет протекания электрохимической реакции в межвитковом пространстве вследствие повышенной кислотности алюмофосфатного компаунда pH, равной 5—6,5, однако при дальнейшей работе нагревателей этот процесс практически прекращается.
Определяли также температурные зависимости сопротивления электроизоляции витков нагревателей в разных средах. Алюмофосфатные компаунды вследствие химического состава и пористости гигроскопичны.
Выявили, что сопротивление изоляции с ростом температуры до 100 ° С резко возрастало до 1012 Ом за счет удаления адсорбированной влаги, затем значение снижалось и при 300 °С находилось на уровне 106 Ом. После работы нагревателей около 300 ч сопротивление изоляции повышалось: при 300 °С составляло 109 Ом, и с этого же момента стабилизировалось электросопротивление нагревателя. По-видимому, за это время полностью протекает химическая реакция между алюмофосфатом и корундом или сплавом сопротивления. Зависимость сопротивления изоляции алюмофосфатного компаунда от температуры при остаточном давлении 10-3 Па расположена значительно выше аналогичных кривых в воздушной среде. Значение в вакууме при 600 °С составляло 109 Ом (в воздухе — 109 Ом при 300 9С). Выявили также, что при температурах 1000—1200 °С сопротивление изоляции стабилизируется на уровне 105—106 Ом. Несмотря на наличие коррозии сплавов сопротивления в первые 300 ч работы нагреватели, выполненные с применением в качестве изоляции алюмофосфатного компаунда, оказались работоспособными в течение длительного времени. Они применяются для изготовления электропечей сопротивления.
Для электропечей сопротивления разработан и внедрен высоконагревостойкий электроизоляционный материал (ВТМ) на основе каолиновой ваты алюмофосфата.
Для увеличения срока службы нагревательного элемента, изготовленного из этого материала, повышения его прочности и закрепления витков нагревателя применяли компаунд АФ-5, который накладывали в межвитковое пространство таким образом, чтобы толщина его слоя не превышала диаметра проволоки. Конструкция нагревательного элемента приведена на рис. 11.3. Такие нагреватели испытывали в следующем режиме: нагрев до 1100 °С со скоростью 120 9 С/с, выдержка при этой температуре в течение 8 ч, естественное охлаждение до комнатной температуры. Нагреватели выдержали 400 циклов, проработав более 3000 ч.
Рис. 11.3. Нагревательный элемент с изоляцией на основе каолиновой ваты и алюмофосфата:
1 — проволока; 2 - компаунд АФ-5; 3 — каолиновая вата с алюмофосфатным связующим
Применение электропечей сопротивления с нагревательными элементами из ВТМ и закреплением витков алюмофосфатным компаундом АФ-5 позволило снизить инерционность электропечей. При этом отпала необходимость держать электропечи включенными во время всей смены, так как скорость разогрева новых печей повысилась до 100—120 9 С/с. Уменьшились потери электроэнергии на аккумуляцию тепла, снизилась масса печей по сравнению с печами с керамической теплоизоляцией.
Электроизоляционные материалы, способные работать при высоких температурах, применяются в конструкциях различных нагревателей, к которым предъявляются весьма высокие требования [88]. При проектировании импульсного реактора ИБР-30 возникла необходимость в моделировании тепловыделения и сопутствующих явлений (тепловых напряжений, деформации, эффективности охлаждения и др.) в основной подвижной зоне, которая являлась наиболее ответственным узлом реактора. Для этой цели потребовался нагреватель, который должен отвечать следующим основным требованиям:
мощность должна быть не менее 3 кВт;
сопротивление изоляции при 20 °С должно составлять 700-800 МОм, при
500 °С - 0,1-0,2 МОм;
должно выдерживаться центробежное ускорение при вращении диска 15 000-20000g;
размеры должны ограничиваться диаметром 106 мм, высотой 25 мм.
С учетом этих требований был спроектирован, изготовлен и испытан электронагреватель, в котором в качестве электрической изоляции использовали нагревостойкие заливочные компаунды, полученные на основе алюмофосфата.
Технические характеристики нагревателя следующие: диаметр нихромовой проволоки 1,2 мм, диаметр спирали 6 мм, сопротивление нихромовой проволоки - примерно 10 Ом.
Результаты натурных испытаний, проведенных в вакууме при остаточном давлении 10-2 Па, показали, что нагреватель может успешно работать в условиях больших центробежных нагрузок, вибраций, тепловых напряжений, высоких рабочих температур, выдерживать большое количество циклов нагрева и охлаждения и т.д.
Алюмофосфатный заливочный компаунд, использованный в качестве электроизоляционного материала в конструкции нагревателя, обладал хорошей адгезией к нержавеющей стали, не разрушался при сварке металла, находящегося с ним в непосредственном контакте, а его механическая прочность обеспечивала работу нагревателя при ускорении 20 000g· Этот компаунд позволил создать нагреватели большой удельной мощности: с объема нагревателя 0,2 л снята мощность 5.2 кВт.
Таким образом, широкий ассортимент разработанных электроизоляционных материалов высокой нагревостойкости позволил создать различное электротехническое оборудование для ядерной энергетики, черной и цветной металлургии и других отраслей народного хозяйства, где технологические процессы протекают при высоких температурах, а иногда при непосредственном контакте изоляции с горячим металлом или открытым пламенем. Хорошо зарекомендовали себя в работе при температурах 300-600 °С системы изоляции в электромагнитных насосах для перекачки жидких металлов, в МГД-генераторах, в электромагнитных устройствах торможения проката, в электромагнитных роликах для транспортировки листовой стали на агрегатах поперечной резки проката, в крановых электродвигателях в металлургическом производстве и других электротехнических устройствах [84].
