Электроконтактный нагрев сопротивлением применяют для сквозного нагрева, контактной сварки, наплавки при восстановлении изношенных деталей и прогрева трубопроводов.
Сквозной нагрев используется в качестве основного способа нагрева деталей и заготовок для последующей их обработки давлением или термообработки, а также в качестве составной части технологического нагрева в комбинации с другими операциями при изготовлении полуфабрикатов или готовых деталей. При сквозном нагреве электрическая энергия преобразуется в тепловую непосредственно в деталях или заготовках, включаемых в цепь электрического тока. Для сквозного нагрева принципиально может быть использован как постоянный, так и переменный ток.
В электроконтактных установках широко применяют переменный ток, так как необходимые для нагрева токи в тысячи и десятки тысяч ампер при напряжении в несколько вольт наиболее просто могут быть получены лишь при помощи трансформаторов переменного тока. Установки электроконтактного нагрева деталей или заготовок подразделяются на однопозиционные и многопозиционные (рис. 1).
Рис. 1. Схемы однопозиционного (а) и многопозиционных устройств с последовательным (б) и параллельным (в) включением заготовок в электрическую цепь: 1 — зажимной токоподводящий контакт; 2 — нагреваемая заготовка; 3 — токоподводящий провод.
В зависимости от требуемой скорости нагрева и производительности технологической линии используют ту или иную схему. По технико-экономическим соображениям наиболее выгодно применять миогопозиционную схему с последовательным включением нагреваемых заготовок в электрическую цепь, так как в этом случае обеспечивается любой заданный темп выдачи нагретых заготовок с постепенным увеличением их температуры до заданного значения путем перекладывания заготовок с одной позиции на другую.
Независимо от схемы включения нагреваемых заготовок в электрическую цепь большое влияние на технологические, электрические и технико-экономические показатели электроконтактных установок оказывает токовая нагрузка в местах соприкосновения токоподводящих контактов с нагреваемой заготовкой. Токовую нагрузку снижают, охлаждая и усиливая давление в контактах, а также применяя зажимы с радиальными и торцевыми контактами.
На ремонтных предприятиях могут использоваться однофазные и трехфазные электроконтактные установки. Трехфазные установки по сравнению с однопозиционными однофазными равной производительности более эффективны, так как обеспечивают равномерную нагрузку фаз питающей сети и позволяют уменьшить токовую нагрузку каждой фазы.
Вариант электроконтактного нагрева и нагревательной установки выбирают в зависимости от конкретных условий.
Основные электротехнические характеристики электроконтактных нагревательных установок
Для любой электроконтактной установки определяют следующие расчетные параметры:
-
мощность силового трансформатора,
-
потребную силу электрического тока во вторичной цепи,
-
напряжение на нагреваемой детали или заготовке,
-
коэффициент полезного действия
-
коэффициент мощности.
Исходными данными для расчета электроконтактных установок являются:
-
марка материала,
-
масса нагреваемой детали и ее геометрические размеры
-
напряжение питающей сети,
-
время и температура нагрева.
Полная мощность, В∙А, силового трансформатора для однопозиционного устройства:
где kз = 1,1... 1,3 — коэффициент запаса; Ф — полезный тепловой поток; ηобщ — общий к. п. д. установки: ηэ — электрический к. п. д.; ηт — термический к. п. д.; ηтр — к. п. д. силового трансформатора.
Сила тока, А, во вторичной цепи при нагреве заготовок до температуры выше точки магнитных превращений
где ρ — плотность материала заготовки, кг/м3; ΔТ = Т2—T1 — разность между конечной Т2 и начальной T1 температурами нагрева заготовки, К; σ2— площадь поперечного сечения заготовки, м2.
Время нагрева зависит от диаметра заготовки и температурного перепада по ее длине и поперечному сечению. По технологическим условиям температурный перепад между внутренними и поверхностными слоями нагреваемой заготовки не должен превышать ΔТП = 100 К. Расчетные и экспериментальные графические зависимости для определения времени нагрева приводятся в справочной литературе.
В практических расчетах время нагрева, с, цилиндрических заготовок диаметром d2 = 0,02...0,l м с ΔТП = 100 К можно определить по эмпирической формуле
Если заготовка нагревается до температуры ниже точки магнитных превращений, то при определении силы тока во вторичной цепи необходимо учитывать поверхностный эффект, степень влияния которого зависит от магнитной проницаемости.
Применительно к электроконтактному нагреву эмпирическая зависимость, устанавливающая связь между током I2, относительной магнитной проницаемостью μr2 заготовки и ее диаметром, имеет вид
В практических расчетах обычно задаются различными значениями μr2 и по формулам определяют силу тока I2. Одинаковое значение силы тока, найденное по указанным формулам (2) и (4), будет искомой величиной в данвый момент времени. По расчетным значениям I2 и Z2 напряжение, В, во вторичной цепи определяют по выражению
Рис. 2. Зависимость cosφ электроконтактных установок от отношения l2/σ2: 1 — для двухпозиционной установки при поочередном нагреве двух заготовок; 2 — для двухпозиционной установки при одновременном нагреве двух, затотовок; 3 — для однопозиционной установки.
При определении основных электротехнических характеристик электроконтактной установки необходимо учитывать, что физические параметры заготовки и электротехнические показатели установки изменяются в процессе нагрева. Удельная теплоемкость см и удельное электрическое сопротивление проводника ρт изменяются в зависимости от температуры, а соsφ, η и t — в зависимости от температуры, конструктивно-технологического типа установки и числа нагревательных позиций.
По графическим экспериментальным зависимостям (рис. 2, 3) определяют соsφ и ηобщ в зависимости от отношения длины заготовки l2 к σ2. Требуемые значения S, l2 и U2 могут быть получены подстановкой соответствующих значений леременных величин в формулы (1), (2), (4) и (5). В практических расчетах в формулы обычно подставляют усредненные значения см, ρт, η, t и соsφ и определяют среднее за принятый температурный интервал нагрева значение мощности, тока или напряжения.
Рис. 3. Зависимость общего к. п. д. электроконтактных установок от отношения l2/σ2: 1 — для двухпозиционной установки при поочередном нагреве двух заготовок; 2 — для двухпозиционной установки при одновременном нагреве двух заготовок; 3 — для однопозиционной установки.
Силовые трансформаторы электроконтактных установок работают в повторно-кратковременном режиме, который характеризуется относительной продолжительностью включения
где tн — время нагрева заготовок, с; t3 — время загрузочно-разгрузочных и транспортных операций, с.
Полная расчетная мощность, кВА, силового трансформатора с учетом εх определяется по выражению
