Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Технологией называют совокупность методов обработки и переработки (изготовления, изменения состояния, свойств, формы) сырья, материала или полуфабриката, применяемых в процессе производства для получения готовой продукции, а также науку о способах воздействия на них соответствующими орудиями производства. Совокупность технологических операций или часть производственного процесса, выполняемых планомерно и последовательно во времени и в пространстве над однородными или аналогичными изделиями, называют технологическим процессом. Электротехнологией называют совокупность методов обработки и переработки сырья, материала или полуфабриката, осуществляемых на основе непосредственного преобразования электрической энергии в другие виды. Электротехнологическими установками называют электротехнологическое оборудование, используемое для проведения электротехнологических процессов в комплексе с сооружениями, приспособлениями и коммуникациями, обеспечивающими его нормальное функционирование.

Электротехнологические установки делят на следующие: электротермические; электрической сварки; электрофизической обработки; электрохимической обработки; электролизные; импульсной обработки давлением; ультразвуковые; электронно-ионные.

Электротермические установки предназначены для тепловой обработки. Эти установки делят на следующие: сопротивления, дуговые, индукционные, диэлектрические, электронно-лучевые; ионные, плазменные, лазерные.

Установки электрической сварки служат для сваривания металлических деталей с помощью электрического тока. Их делят на следующие: дуговые, контактные, электрошлаковые, плазменные, электронно-лучевые, высокочастотные, лазерные.

Установки электрофизической обработки широко применяют для размерной обработки (придание телу необходимых размеров и формы с помощью съема материала) и обработки поверхности шлифованием, полированием, упрочнением. Они работают на локализованном выделении тепла, которое приводит к оплавлению (испарению) микропорций материала с помощью искры, дугового разряда, контактного сопротивления, электронного или лазерного луча.

Установки электрохимической обработки применяют для размерной обработки, отделки поверхности и пр. В этих установках съем металла происходит при окислении (анодном растворении) материала анода.

Электролизные установки предназначены для электролитического производства химических продуктов (водорода, кислорода, тяжелой воды, хлора, щелочей), электрохимического синтеза органических и неорганических соединений, получения металлов электролизом растворов и расплавов солей, электролитических покрытий металлами и сплавами, электролитического получения копий.

Установки импульсной обработки давлением. Она представляет собой одну из форм механического воздействия на материал для изменения его формы, дробления, очистки. В ультразвуковых установках вещество обрабатывается путем воздействия на него в жидкости упругих колебаний звукового и ультразвукового диапазона частот. Преобразование энергии электромагнитного поля в упругие колебания жидкости осуществляется магнитострикционным или пьезоэлектрическим преобразователем.

Установки электронно-ионной технологии основаны на взаимодействии электрических полей и электрически заряженных, диспергированных веществ, а также особенностей движения этих веществ в электрическом поле.

Из классификации видны некоторые особенности ЭТУ:

выполнение одного технологического процесса несколькими методами;

применение одного метода для нескольких процессов (дуговой нагрев для плавки стали, сварки, размерной обработки в электроимпульсном методе). При этом появляется общность в характеристиках процесса и в источниках питания;

наложение в одном методе нескольких явлений, в результате чего одновременно происходят различные превращения. Соответственно методы исследования и управления процессом должны учитывать совокупность явлений.

Значение электротехнологических установок в повышении эффективности промышленного производства. Основными факторами, направленными на повышение эффективности производства и определяющими развитие электротехнологических процессов, являются следующие:

Повышение требований к качеству материалов и изделий.

Необходимость получения и обработки новых материалов с особыми свойствами.

Необходимость интенсификации производства.

Необходимость экономии материальных и энергетических ресурсов.. Прямым следствием экономии материальных и энергетических ресурсов является экономия трудовых ресурсов.

Экологические факторы. Применение ЭТУ снижает загрязнение воздушного бассейна, дает возможность перерабатывать отходы дешевых, широко распространенных, но трудно-перерабатываемых видов сырья, что имеет исключительное значение в условиях уменьшения запасов сырьевых ресурсов.

Социальные факторы: улучшение условий труда, рост требований к комфорту и лучшая охрана здоровья рабочих.

Энергетические основы электротехнологии.

Широкое применение электроэнергии в технологических процессах обусловлено следующими ее свойствами:

простотой преобразования в другие виды энергии;

возможностью высокой концентрации мощности;

3)сравнительной простотой преобразования параметров (силы, рода и частоты тока, напряжения, формы и длительности импульсов и др.);

высокой точностью регулирования заданных параметров;

отсутствием загрязнений обрабатываемого материала, чем обеспечивается высокое качество продукции и пр.

Однако стоимость электроэнергии выше стоимости большинства других энергоносителей, пригодных к непосредственному использованию в технологическом процессе, что повышает себестоимость продукции энергоемких производств. При этом возрастает значение рационального использования энергии в ЭТУ и интенсификации технологического процесса.

Энергетическую эффективность работы ЭТУ характеризует к. п. д.

Где:

W - энергия, подведенная к энергетической установке;

W_пол - полезно используемая энергия;

ДW = W - W_пол

При потери энергии.

В зависимости от характера энергетического процесса следует различать вид полезной энергии и то сечение энергетического потока, по которому определяют ее значение. В большинстве ЭТУ для преобразователя электроэнергии в энергию технологического процесса требуются иные, чем в цеховой сети, параметры электроэнергии, вследствие чего применяют специальный источник питания (трансформатор или согласующее устройство). Все элементы схемы имеют определенные потери энергии, зависящие от конструктивного использования и режима работы этих элементов. Для большинства энергоемких электротермических процессов к.п.д. находится в пределах 0,5-0,8 (в печах дуговых 0,7-0,8, индукционных 0,5-0,7, термических 0,6-0,8, методических 0,6-0,8, кузнечных 0,6-0,8, в установках ТВЧ 0,5-0,7), в сварочном оборудовании 0,4-0,7, в электрохимических процессах 0,6-0,7. Поэтому снижение потерь энергии в электротехнологических установках представляет собой важную задачу.

Для повышения энергетической эффективности и интенсификации технологического процесса необходимо:

1. Снижать теоретически необходимый удельный расход энергии. Его значение определяется способом выполнения процесса и видом используемой энергии; от длительности процесса он не зависит. Для снижения расхода необходимо разрабатывать новые технологические процессы.

2. Повышать единичную мощность установок. При этом повышается производительность и к.п.д. ЭТУ за счет относительного снижения потерь, более высокого уровня механизации и автоматизации. Для уменьшения длительности процесса необходимо повышать удельную мощность.

Эффективность работы преобразователя как элемента двух систем - электрической и технологической зависит от параметров этих систем, от условий передачи энергии в них.

1. Преобразователи электрической энергии в тепло

Тепло выделяется электрическим током в твердых или жидких телах.

Ток проводимости в материале проводящей среды создают непосредственным включением материала в электрическую цепь либо помещением материала в переменное магнитное поле, создаваемое специальным индуктором.

Объемная плотность тепловой мощности тока и количество теплоты, выделяющейся в материале по закону Ленца-Джоуля, соответственно будут:

Где:

- удельное сопротивление;

- плотность тока.

У цветных металлов при расплавлении удельное сопротивление увеличивается скачком, а у сталей возрастает монотонно. В интервале температур до точки плавления удельное сопротивление при температуре можно определить по формуле:

Где:

- удельное сопротивление при температуре соответственноно при и 20° С; б - температурный коэффициент электрического сопротивления. Плотность постоянного тока по сечению проводника простой конфигурации распределяется равномерно, проводник нагревается равномерно. При этом мощность:

Выделение тепла в проводящем материале переменным током имеет следующие особенности:

Сила тока определяется полным сопротивлением цепи; индуктивное сопротивление снижает силу тока и пропорционально ее квадрату количество выделяемого тепла.

Если материал ферромагнитный, то при нагреве его переменным током учитывают также зависимость сопротивления от силы тока, так как магнитная проницаемость зависит от напряженности поля.

3. Плотность переменного тока по сечению проводника даже простой формы распределяется неравномерно вследствие влияния поверхностного эффекта и эффекта близости, что приводит к неравномерному нагреву материала; с повышением частоты глубина проникновения тока в проводящий материал уменьшается, поэтому тепло выделяется только в поверхностных слоях.

4. В ферромагнитном материале дополнительным источником тепла являются потери на перемагничивание.

Нагрев сопротивлением можно осуществлять непосредственным преобразованием электрической энергии в тепло в обрабатываемом материале, включенном в электрическую цепь (прямой нагрев) и преобразованием электроэнергии в нагревательных элементах с передачей тепла нагреваемому материалу конвекцией, излучением, теплопроводностью (косвенный нагрев).

Для изменения подводимой мощности напряжение необходимо изменять в широких пределах.

Поэтому для установок прямого нагрева применяют переменный ток и трансформаторы с широким диапазоном регулирования вторичного напряжения. Косвенный нагрев применяют в печах сопротивления косвенного действия, в электрических ваннах, в установках инфракрасного нагрева. Нагревательные элементы из металлических сплавов обычно включают непосредственно в цеховую электрическую сеть напряжением до 500В без промежуточного трансформатора. Для регулирования напряжения применяют специальные трансформаторы.

Индукционный нагрев. Для создания переменного магнитного потока применяют индуктор - катушку, по виткам которой протекает переменный ток; форму индуктора выбирают такой, чтобы создаваемый им переменный магнитный поток сцеплялся как с контуром индуктора, так и с контуром, образованным нагреваемым материалом. При этом в материале выделяется активная энергия, плотность потока которой зависит от двух величин - напряженности магнитного поля и частоты тока.

Для повышения мощности можно применить следующие способы:

Увеличение магнитного потока, сцепляющегося с контуром материала. Для этого следует увеличить м.д.с. индуктора и применять стальной сердечник для снижения сопротивления магнитному потоку на тех участках, где он проходит не по нагреваемому материалу.

Повышение частоты, для чего индуктор подключают к источнику повышенной или высокой частоты. Выбор определенной частоты позволяет также получить необходимую глубину проникновения и осуществить заданный режим нагрева.

Для питания индукционных установок применяют ток промышленной частоты 50 Гц и токи повышенной и высокой частоты, получаемые от специальных преобразователей и генераторов.

Выделение тепла активной составляющей тока смещения в материале диэлектрика или полупроводящей среды осуществляют в установках диэлектрического нагрева.

Диэлектрический нагрев производят в переменном электрическом поле. Конструктивно часть установки, где происходит нагрев диэлектрического материала, выполнена в виде плоскопараллельного конденсатора. Допустимая напряженность поля в нем ограничена возникновением искрения в материале или пробоем межэлектродного промежутка. Поэтому ускорить диэлектрический нагрев увеличением удельной мощности можно, только повысив частоту тока, для чего применяют специальные генераторы высокой частоты.

2. Преобразование энергии в электрическом разряде

Электрическим разрядом называют прохождение электрического тока в газе под воздействием электрического поля. В электротехнологических установках широко применяют коронный, искровой, дуговой и тлеющий разряды. Дуговой разряд используется в дуговых и руд-нотермических печах, в дуговой электросварке, в электроимпульсной и электроконтактной обработке. Искровой разряд лежит в основе электроискровой и электрогидравлической обработки. "Тлеющий" применяется в термохимической обработке и для катодного распыления при получении тонких пленок в полупроводниковой технологии. Коронный - в электронно-ионной технологии для ионизации частиц в электрическом поле (в электрогазоочистке, электроокраске, сепарации, при нанесении порошковых покрытий).

Тип самостоятельного разряда определяют два основных процесса: эмиссия электронов из катода и образование в газовой среде электронов и положительных ионов. существует пять видов эмиссии электронов из катода: а) термоэлектронная; б) автоэлектронная; в) фотоэлектрическая; г) вторичная, вызванная положительными ионами; д) вторичная, вызванная метастабильными атомами.

Образование электронов и положительных ионов в газовой среде происходит путем: ударной ионизации электронами; термической ионизации; фотоионизации; ударной ионизации положительными ионами; ионизации метастабильными атомами; кумулятивной ионизации.

Благодаря малой массе и высокой подвижности электроны имеют основное значение в создании тока (около 99%) в газовой среде.

Коронный разряд представляет собой неполный пробой газового промежутка. Он возникает при большой неоднородности поля в области, где напряженность достигает значений, равных или превышающих напряженность пробоя. В этой части разряда (коронирующем слое) происходит ионизация и возбуждение молекул, сопровождающееся свечением газа. Толщина коронирующего слоя и сила разрядного тока растет с повышением напряжения. При небольшом напряжении размеры короны малы и ее свечение незаметно.

Сила тока равна от 10 ^-4 - 10 А, напряжение - десятки киловольт. Этими параметрами обусловлен выбор источника питания.

Установки с коронным разрядом работают при напряжениях, близких к напряжению пробоя. При изменении параметров среды может произойти пробой с переходом коронного разряда в искровой и при определенных условиях - в электрическую дугу. Источники питания должны иметь защиту от перехода искрового разряда в дуговой.

Дуговой разряд. Электрической дугой называется один из видов самостоятельного электрического разряда в газе или парах металла, характеризующийся высокими плотностью тока, температурой и малым значением катодного падения напряжения. Дуга характеризуется высокой скоростью преобразования энергии.

Столб дуги по длине и характеру происходящих процессов расчленяют на три части - собственно столб дуги, катодную и анодную области. Катодная область по протяженности приблизительно равна длине свободного пробега электрона, что при атмосферном давлении составляет около 10^-5 см. Протяженность анодной области несколько больше (примерно 10 ^-3 - 10 ^-4 см). Вследствие малости катодной и анодной областей общую длину дуги можно считать равной длине столба l_ст:

В электрической дуге энергия, необходимая для эмиссии электронов, получается за счет нагрева катода до высокой температуры (термоэлектронная эмиссия) и за счет создания вблизи катода сильного электрического поля (автоэлектронная эмиссия).

В дуге с тугоплавким катодом (уголь, вольфрам, обладающими высокой температурой плавления) преобладает термоэлектронная эмиссия. У относительно легкоплавких металлических электродов преобладает автоэлектронная эмиссия, или оба вида эмиссии существуют совместно.

Катод получает тепло в результате рекомбинации бомбардирующих его положительных ионов, а также теплопроводностью от ближайших слоев плазмы. Температура катодного пятна приближается к температуре кипения материала и составляет в угольном катоде примерно 3500 К, при стальном около 2400 К.

Основным источником энергии, выделяющейся в столбе дуги, является энергия электрического поля. Напряженность поля должна быть такой, чтобы энергия, выделяющаяся в единице столба дуги, была достаточной для передачи тепла материалу теплопроводностью, излучением и конвекцией и поддержания температуры в столбе дуги на уровне, достаточном для термической ионизации. При этом энергия электрического поля принимается прежде всего электронами, которые при многократных столкновениях передают ее тяжелым частицам.

Сопротивление столба дуги зависит от рода газа, его давления, температуры и других параметров, влияющих на длину свободного пробега электронов.

Поверхность анода бомбардируется электронами, которые отдают аноду свою кинетическую энергию и энергию, затраченную на эмиссию с поверхности катода, поддерживая высокая температура анода. Температура анодного пятна несколько выше, чем катодного, и составляет при атмосферном давлении для угольных электродов около 4200 К, для стальных примерно 2600 К.

Энергия, получаемая анодом, расходуется в основном на плавление и испарение материала анода, на излучение в окружающую среду и на потери теплопроводностью через тело анода.

Динамическая вольт-амперная характеристика определяет свойства дуги не однозначно, как статическая, а зависит от скорости изменения силы тока и термической инерционности дуги, что приводит к появлению временного гистерезиса.

Дуга является нелинейным элементом электрической цепи, напряжение на котором в большинстве случаев не зависит от силы тока. Если в районе рабочей точки статическая характеристика дуги жесткая, то при расчете электрических цепей, содержащих дугу, падение напряжения на дуге можно уподобить действию, не зависящего от силы тока.

Условия устойчивого горения дуги выполняются, если в течение длительного времени дуговой разряд существует непрерывно при заданных напряжении и силе тока.

Дуга переменного тока широко применяется в электротермических установках, так как требуемое регулирование напряжения и мощности в широких пределах при переменном токе осуществляется проще и экономичнее, а устройства регулирования надежнее в эксплуатации, дешевле, имеют более высокий к.п.д., чем преобразователи постоянного тока.

Дуга горит устойчиво и непрерывно, если термическая инерция столба дуги и частота тока таковы, что в течение одного полупериода проводимость столба дуги практически постоянна. Дуга горит непрерывно если и кривая тока не имеет разрыва при переходе через нулевое значение. Для получения непрерывного горения последовательно с дугой включают индуктивность, вследствие чего в цепи возникает э.д.с. самоиндукции. Ток в дуге сдвигается по фазе относительно напряжения источника питания на угол ц. Кроме стабилизации дуги, индуктивность ограничивает также силу тока к.з., которое может получиться в условиях эксплуатации, например, при замыкании электродов через расплавленный металл. Вместе с тем индуктивность снижает коэффициент мощности, поэтому ее стремятся ограничить наименьшим необходимым значением.

В сильноточных дугах электротермических установок термическая инерционность достаточно велика, что с учетом индуктивности сети обеспечивает устойчивое горение дуги.

В относительно слаботочных дугах, например при ручной дуговой сварке, термическая инерционность мала.

Искажение формы кривых напряжения и тока приводит к появлению высших гармонических в сетях системы электроснабжения.

Форма кривой общего тока в цепи с шихтой зависит не только от формы кривой напряжения дуги, но и от соотношения сопротивлений в цепи дуги.

При больших силах тока термическая инерционность и разогрев столба дуги от электродов настолько значительны, что гистерезис в динамической характеристике и пик зажигания практически могут исчезнуть. Напряжение на дуге может иметь трапецеидальную или даже прямоугольную форму. Такая форма осциллограмм и характеристик имеется у дуг высокого напряжения, горящих между раскаленными электродами, у ртутных дуг высокого давления, у мощной дуги сталеплавильной печи, горящей на расплавленный металл.

Если термическая инерция столба дуги настолько велика, что в течение полупериода проводимость столба практически не меняется, то напряжение на дуге и ток дуги синусоидальны. Последний случай характерен для сильноточных дуг в рудотермической печи и для дуг в сталеплавильной печи, горящих на шлак. Во многих электротермических устройствах применяют трехфазный ток. В этом случае создается трехфазная дуга, которая представляет собой совокупность трех дуг, возникающих поочередно на электродах в соответствии с последовательностью изменения напряжения.

3. Электронно - лучевой нагрев

Все кислоты, соли и основания - электролиты. Под влиянием растворителей и температуры электролит распадается; чем выше температура и чем слабее раствор, тем больше в нем содержится расщепленных молекул. Отношение числа расщепленных молекул к общему числу молекул электролита называется степенью диссоциации.

Электрическая энергия преобразуется в химическую при электролизе - совокупности процессов, происходящих в результате прохождения электрического тока через раствор или расплав электролита. Место основных электрохимических явлений - граница соприкосновения двух фаз - электрода (проводника первого рода) и электролита (проводника второго рода). Для преобразования электрической энергии источника в химическую электрохимическую систему следует вывести из состояния равновесия. При этом на поверхности электрода возникает дополнительный скачок потенциала, называемый поляризацией. Значение поляризации, необходимое для протекания данного электродного процесса с определенной скоростью, называется перенапряжением.

Реальная ЭДС, которая должна быть приложена к клеммам электролизной ванны для того, чтобы реакция протекала с заданной скоростью, больше напряжения разложения на величину перенапряжений на электродах и на сумму потерь в проводниках первого и второго рода. Поэтому сила тока электролизной ванны определяется по формуле:

Где:

Е - э. д. с;

- сопротивление электролита;

- сопротивление электродов.

Электролизные установки работают на постоянном токе. Сила тока лежит в пределах от сотен ампер в гальванотехнике и электрохимической обработке до десятков тысяч ампер в электрометаллургии (при производстве алюминия достигает 150 кА). Напряжение на одной ванне составляет единицы вольт; ванны соединяют последовательно, в серии, так что напряжение источника составляет сотни вольт.

6. Преобразование электрической энергии в механическую

В основе работы разнообразных ЭТУ, преобразующих электрическую энергию в механическую, лежат пондеромоторные силы, действующие на материал в электромагнитном поле. В стационарных электрическом и магнитном полях объемная плотность пондеромоторных сил соответственно равна:

Где:

и - соответственно плотность свободных зарядов и вещества.

Первый член правой части уравнений дает слагаемое плотности пондеромоторных сил, действующих на свободные заряды и обтекаемые током проводники. Вторая слагающая характеризует силы, действующие на среду (диэлектрики и магнетики втягиваются в область наибольшей напряженности поля). Третья слагающая представляет собой плотность стрикционных сил, изменяющих размер вещества в поле.

Наиболее широкое распространение получили установки, в которых под действием пондеромоторных сил происходит движение заряженных диспергированных частиц в электрическом поле, движение проводящей среды с током в магнитном поле и ультразвуковые колебания преобразователя.

Третью слагающую уравнений и используют для создания пьезо- и магнитострикционных преобразователей, применяемых в ультразвуковых установках.

Для питания ультразвуковых преобразователей применяют генераторы соответствующего диапазона частот.

В основе действия электротехнологических установок лежит сравнительно небольшое число эффектов, обусловленных прохождением тока в твердой, жидкой и газообразной среде. При этом каждый способ преобразования электроэнергии, являясь основой создания ЭТУ, в значительной степени предопределяет электрические параметры и энергетические характеристики установок. Почти все ЭТУ в отличие от других промышленных потребителей электроэнергии имеют сильно изменяющиеся электрические параметры и специфические режимы эксплуатации. К тому же частоты, используемые в ЭТУ, находятся в пределах:

Токи - от сотых долей ампера до 150 тысяч ампер, напряжение - от единицы вольт до сотен тысяч вольт.

Поскольку электроснабжение ЭТУ выполняется от электрической сети промышленного предприятия, то для преобразования параметров электрической энергии и согласования их с преобразователями применяют следующие устройства: трансформаторы, симметрирующие схемы, электромашинные преобразователи частоты, выпрямители, тиристорные инверторы со сложными схемами автоматического регулирования, транзисторные и ламповые генераторы и т. п.

Некоторые устройства могут применяться для различных ЭТУ (мощные выпрямители для электролиза и для вакуумных дуговых печей; выпрямители с емкостными накопителями для установок магнитно-импульсной и электрогидравлической обработки, для некоторых типов ОКГ и др.). В большинстве ЭТУ применяют свои специфические источники питания. ток электротехнологический квантовый

Размещено на Allbest.ru