7.1.1. РЕЗИСТИВНЫЙ НАГРЕВ

7.1.1. РЕЗИСТИВНЫЙ НАГРЕВ

Начальный 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%.