Нагревательные элементы и их устройство

Непрерывная шовная сварка осуществляется при непрерывном движении деталей и непрерывном протекании сварочного тока. Толщина свариваемых листов, как правило, не превышает 1 мм. Применяется редко из-за перегрева сварочных роликов и свариваемых деталей, невысокого качества сварки и относительно низкой стойкости электродов. Используется для сварки неответственных изделий из малоуглеродистых сталей.

Прерывистая шовная сварка осуществляется при непрерывном движении деталей и прерываемом включении сварочного тока. Герметичность швов, обеспечиваемая перекрытием литых ядер сварных точек, достигается сбалансированным соотношением скорости вращения роликов и частоты импульсов тока. Толщина свариваемых листов -- до 3 мм. Способ прерывистой шовной сварки получил наибольшее распространение благодаря меньшему перегреву роликов и заготовок.

Шаговая шовная сварка осуществляется в ходе прерывистого движения деталей (на шаг), с помощью больших величин сварочного тока, включаемого в момент остановки роликов. Характеризуется наименьшим перегревом роликов и заготовок. Толщина свариваемых листов -- до 3 мм. Применяется для сварки алюминиевых сплавов и плакированных металлов.

Желательный диаметр электродов 150--200 мм, так как при меньшем диаметре увеличивается их износ. При сварке металлов толщиной менее 0,5 мм применяют электроды диаметром 40--50 мм. Для изготовления электродов для точечной и роликовой сварки используется медь марки М1, кадмиевая, хромистая, берилиевая бронзы и другие сплавы[2].



Билет 7

1. Нагревательные элементы

Электрические нагревательные элементы применяются в бытовой и промышленной технике. Применение различных нагревателей известно всем. Это электрические плиты, жарочные шкафы и духовки, электрокофеварки, электрические чайники и отопительные приборы всевозможных конструкций.

Электрические водонагреватели, чаще именуемые бойлерами, тоже содержат нагревательные элементы. Основой многих нагревательных элементов служит проволока с высоким электрическим сопротивлением. И чаще всего эта проволока изготовлена из нихрома.

Открытая нихромовая спираль

Самым старым нагревательным элементом является, пожалуй, обычная нихромовая спираль. Когда-то давно, в ходу были самодельные электрические плитки, кипятильники для воды и обогреватели типа «козёл». Имея под рукой нихромовый провод, которым можно было «разжиться» на производстве, изготовить спираль требуемой мощности не представляло никаких проблем.

Конец провода нужной длины вставляется в пропил воротка, сам провод пропускается между двумя деревянными брусками. Тиски нужно зажать так, чтобы вся конструкция держалась, как показано на рисунке. Усилие зажима должно быть таким, чтобы провод проходил сквозь бруски с некоторым усилием. Если усилие зажима будет велико, то провод попросту оборвется.



Рисунок Навивка нихромовой спирали

Вращением воротка проволока протаскивается сквозь деревянные бруски, и аккуратно, виток к витку, укладывается на металлический стержень. В арсенале электриков был целый набор воротков различного диаметра от 1,5 до 10 мм, что позволяло навивать спирали на все случаи жизни.

Известно было, какого диаметра провод и какая длина требуется для намотки спирали нужной мощности. Эти магические числа до сих пор можно найти в сети интернет. На рисунке 2 показана таблица, где приведены данные о спиралях различной мощности при напряжении питания 220В.

2. Точечная сварка

Точечная контактная сварка -- сварочный процесс, при котором детали соединяются в одной или одновременно в нескольких точках. Прочность соединения определяется размером и структурой сварной точки, которые зависят от формы и размеров контактной поверхности электродов, силы сварочного тока, времени его протекания через заготовки, усилия сжатия и состояния поверхностей свариваемых деталей. С помощью точечной сварки можно создавать до 600 соединений за 1 минуту. Применяется для соединения тончайших деталей (до 0,02 мкм) электронных приборов, для сварки стальных конструкций из листов толщиной до 20 мм в автомобиле-, самолёто- и судостроении, в сельскохозяйственном машиностроении и других отраслях промышленности.

Сварочная машина для контактной точечной сварки.

Точечная сварка является разновидностью контактной сварки, поэтому в основу ее технологии заложены тепловое воздействие электрического тока по закону Джоуля -- Ленца и усилие сжатия свариваемых деталей. В процессе сварки ток проходит от одного электрода к другому через металл заготовок. Электроды для контактной точечной сварки изготовляются из сплавов с высокой электропроводностью, чтобы сопротивление в контакте электрод-деталь было минимальным. Поэтому в местах контактов деталь-деталь происходит наибольший нагрев за счет наибольшей величины электрического сопротивления. Разогрев и расплавление металла под действием электрического тока приводит к образованию литого ядра сварной точки, диаметр которой обычно составляет 4--12 мм.

Рисунок Конструктивные элементы сварных соединений, выполненных контактной точечной сваркой: а -- неплакированные металлы; б -- плакированные металлы; в -- детали неравной толщины; г -- разноименные металлы; s и s1 -- толщина детали; d -- расчетный диаметр литого ядра точки или ширина литой зоны шва; h и h1 -- величина проплавления; g и g1 глубина вмятины

Различают мягкий и жесткий режимы точечной сварки. Мягкий режим характеризуется большей продолжительностью времени сварки и плавным нагревом заготовок умеренными силами тока, с плотностью тока на рабочей поверхности электрода обычно не превышающей 100 А/мм?. Время протекания тока обычно 0,5--3 секунды. Преимуществами мягких режимов являются меньшие потребляемые мощности, по сравнению с жесткими режимами; меньшие нагрузки сети; менее мощные и более дешевые сварочные машины, необходимые для производства точечной сварки; уменьшение закалки зоны сварки. Мягкие режимы применяют для сварки сталей, склонных к закалке.

Жесткий режим точечной сварки характеризуется малой продолжительностью времени сварки, бомльшими, чем при мягком режиме, значениями силы тока и значительным сжимающим давлением электродов. Плотности тока достигают 120--300 А/мм? при сварке стали. Время протекания тока обычно 0,1--1,5 секунды. Давление электродов обычно принимают в пределах 3--8 кг/мм?. К недостаткам жестких режимов относятся повышенная мощность, потребляемая при сварке; значительные нагрузки сети; мощные сварочные машины. Преимущества -- уменьшение времени сварки и повышение производительности. Жесткие режимы применяют при сварке алюминиевых и медных сплавов, с высокой теплопроводностью, деталей неравной толщины и разноименных деталей, а также высоколегированных сталей с целью сохранения коррозионной стойкости.

Время подачи тока при сварке и время приложения усилий сжатия, сила тока и величина усилий сжатия определяются по заданной циклограмме процесса.

3. Ультразвук и его сущность

Ультразвук, или «неслышимый звук», представляет собой колебательный процесс, осуществляющийся в определенной среде, причем частота колебаний его выше верхней границы частот, воспринимаемых при их передаче по воздуху ухом человека. Физическая сущность ультразвука, таким образом, не отличается от физической сущности звука. Выделение его в самостоятельное понятие связано исключительно с его субъективным восприятием ухом человека. Ультразвук, наряду со звуком, является обязательным компонентом естественной звуковой среды.

Ультразвук - упругие волны с частотами приблизительно от (1,5 - 2)·104Гц (15 - 20 кГц) до 109 Гц(1ГГц); область частотных волн от 109 до 1012 - 1013 Гц принято называть гиперзвуком. По частоте ультразвук удобно подразделять на 3 диапазона: ультразвук низких частот(1,5·104 - 105Гц), ультразвук средних частот(105 - 107Гц), область высоких частот ультразвука(107 - 109Гц). Каждый из этих диапазонов характеризуется своими специфическими особенностями генерации, приёма, распространения и применения.

По физической природе ультразвук представляет собой упругие волны, и в этом он не отличается от звука, поэтому частотная граница между звуковыми и ультразвуковыми волнами условна. Однако благодаря более высоким частотам и, следовательно, малым длинам волн, имеет место ряд особенностей распространения ультразвука.

Ввиду малой длины волны ультразвука, характер его определяется прежде всего молекулярной структурой среды. Ультразвук в газе, и в частности в воздухе, распространяется с большим затуханием. Жидкости и твёрдые тела представляют собой, как правило, хорошие проводники ультразвука, - затухание в них значительно меньше. Поэтому области использования ультразвука средних и высоких частот относятся почти исключительно к жидкостям и твёрдым телам, а в воздухе и в газах применяют ультразвук только низких частот.

Ультразвуковым волнам было найдено больше всего применения во многих областях человеческой деятельности: в промышленности, в медицине, в быту, ультразвук использовали для бурения нефтяных скважин и т.д. От искусственных источников можно получить ультразвук интенсивностью в несколько сотен Вт/см2.

Ультразвуки могут издавать и воспринимать такие животные, как собаки, кошки, дельфины, муравьи, летучие мыши и др. Летучие мыши во время полёта издают короткие звуки высокого тона. В своём полёте они руководствуются отражениями этих звуков от предметов, встречающихся на пути; они могут даже ловить насекомых, руководствуясь только эхом от своей мелкой добычи. Кошки и собаки могут слышать очень высокие свистящие звуки (ультразвуки).



Билет 8

1. Физико-технические основы элеткротермии

Понятие «электротермия» объединяет большой класс технологических процессов в различных отраслях промышленности, основой которых служит нагрев материалов и изделий с помощью электрической энергии. Применение электронагрева вместо пламенного в некоторых технологических процессах позволяет получить большую экономию топлива и сократить обслуживающий персонал.

В электротермии можно выделить следующие способы преобразования электрической энергии в тепловую.

Нагрев сопротивлением происходит за счет выделения теплоты в проводящем материале при протекании по нему электрического тока. Этот вид нагрева основан на законе Джоуля-Ленца и применяется в установках прямого и косвенного действия.

Индукционный нагрев, основанный на преобразовании энергии электромагнитного поля в тепловую посредством наведения в нагреваемом теле вихревых токов и тепловыделения в нем по закону Джоуля-Ленца.

Диэлектрический нагрев помещенных в высокочастотное электрическое поле непроводящих материалов и полупроводников, происходящий за счет сквозных токов проводимости и смещения при поляризации.

Дуговой нагрев , при котором материал нагревается за счет теплоты, поступающей в него из опорных пятен дуги.

Электронно- и ионно-лучевой нагрев , в результате которого тепловая энергия выделяется при столкновении быстродвижущихся электронов или ионов, ускоренных электрическим полем, с поверхностью нагреваемого объекта. Плазменный нагрев, основанный на нагреве газа за счет пропускания его через дуговой разряд или высокочастотное электромагнитное или электрическое поле.

Лазерный нагрев , происходящий за счет нагрева поверхности объектов при поглощении ими высококонцентрированных потоков световой энергии, полученных в лазерах - оптических квантовых генераторах.

Основные параметры электротермических установок (мощность, коэффициент полезного действия, удельный расход электроэнергии) определяют в результате расчета теплоты. Теплообмен определяется законами теплопередачи. Процесс теплообмена является сложным, поэтому в инженерных расчетах его подразделяют на более простые составляющие - теплопроводность, конвекцию и излучение (лучистый теплообмен).

Теплопроводность - это передача теплоты внутри твердого тела или неподвижной жидкости (газа) от областей с более высокой температурой к областям с более низкой температурой.

По сравнению с индукционным нагревом, применяемом для разогрева электропроводящих материалов переменным током частотой не более 30 МГц, диэлектрический нагрев проводится на более высоких частотах. В качестве генераторов применяются либо электронные генераторы на лампах (до 300 МГц), либо магнетроны (выше 300 МГц).

На полупроводниках установки диэлектрического нагрева не строятся, так как мощные транзисторы, работающие на высоких частотах, пока не разработаны.

В качестве обкладок конденсатора иногда применяют толстую фольгу, которую расстилают над и под заготовками

Диэлектрический нагрев - метод нагрева диэлектрических материалов переменным во времени электрическим полем. Если поле изменяется со сверхвысокой (СВЧ) частотой (в диапазоне 0,4 - 10 ГГц), то это СВЧ нагрев, если с частотой в диапазоне 10 - 100 кГц, то - ТВЧ нагрев (нагрев токами высокой частоты). ТВЧ нагрев диэлектриков проводят в конденсаторах, а СВЧ нагрев - в волноводах и объемных резонаторах. Т.к. глубина проникновения электромагнитного поля в диэлектрическую среду определяется частотой (чем выше частота, тем меньше глубина проникновения и наоборот), то на ТВЧ как правило глубина прогрева значительно больше, чем на СВЧ. Отличительной особенностью диэлектрического нагрева от двух других, физически возможных способов нагрева - кондуктивного (от греющей стенки) или конвективного (горячим потоком теплоносителя, воздухом например) является объемность тепловыделения в нагреваемой диэлектрической среде. Диэлектрический нагрев - объемный нагрев, однако не обязательно однородный. Если глубина проникновения больше толщины прогреваемого слоя, что обычно характерно для ТВЧ нагрева, то тепловыделение более однородно. При глубине проникновения меньшей, чем толщина прогреваемого слоя (что обычно характерно для СВЧ энергоподвода), то объемный нагрев не является однородным. Прогревается только слой, в который проникает электромагнитное поле. Более глубокие слои остаются непрогретыми. Кроме того, если прогреваемый объект своими размерами превышает длину волны поля в среде нагреваемого объекта, то в нем, в силу волнового характера поля, возникает картина стоячих волн, что тоже приводит к неоднородности нагрева.

2. Установки дуговой электрической сварки

Электросварка -- один из способов сварки, использующий для нагрева и расплавления металла электрическую дугу.

Температура электрической дуги (до 5000 °С) превосходит температуры плавления всех существующих металлов.

Ручная электродуговая сварка - принцип работы

Как любая другая, дуговая mma-сварка подразумевает соединение металлических заготовок с помощью тепловой энергии, возникающей в результате горения электродуги. Такой метод получил еще название сварка покрытыми электродами, так как они имеют специальную обмазку. При замыкании электрической цепи аппарат дуговой сварки подает ток на электрод, его покрытие начинает плавиться, образуя вокруг рабочей зоны газовое облако, блокируя попадание воздуха в сварочную ванну.

Различают установки для ручной дуговой сварки переменного тока и постоянного. К первым относят трансформаторы, которые преобразуют сетевой ток в переменный нужного напряжения. Как правило, электродуговая сварка переменного тока используется для углеродистых сталей. Для обработки нержавеющей стали нужна электрическая сварка на постоянном токе, для чего может использоваться различное оборудование MMA-сварки: выпрямитель или инверторный аппарат.

Виды дуговой сварки MMA

Оборудование для электродуговой сварки металлов подразделяется на следующие виды:

· инверторы - такие электродуговые установки обладают высокой мощностью при малом весе;

· трансформаторы - классическое средство дуговой сварки, обладает низкой ценой и высокой эффективностью;

· выпрямители - преобразуют переменный ток в постоянный, позволяющий получить более качественный шов.



Билет 9

1. Стыковая сварка

Стыковая сварка -- сварочный процесс, при котором детали соединяются по всей плоскости их касания, в результате нагрева. В зависимости от марки металла, площади сечения соединяемых деталей и требований к качеству соединения стыковую сварку можно выполнять несколькими способами: сопротивлением, непрерывным оплавлением и оплавлением с подогревом. Один из процессов сварки давлением.

Рисунок Схема машины для стыковой контактной сварки: 1 -- станина машины; 2 -- направляющие; 3 -- неподвижная плита; 4, 7 -- свариваемые заготовки; 5, 8 -- зажимы-электроды; 6 -- подвижная плита; 9 -- сварочный трансформатор; Р -- сжимающее усилие

Сварка сопротивлением используется для соединения деталей с площадью сечения до 200 мм?. Применяется в основном при сварке проволоки, стержней и труб из низкоуглеродистой стали относительно малых сечений.

Сварка оплавлением используется для соединения деталей с площадью сечения до 100000 мм?, таких как трубопроводы, арматура железобетонных изделий, стыковые соединения профильной стали.

Применяется для соединения железнодорожных рельсов на бесстыковых путях, для производства длинно размерных заготовок из сталей, сплавов и цветных металлов. В судостроении используется для изготовления якорных цепей, змеевиков холодильников рефрижераторных судов. Также сварка оплавлением используется в производстве режущего инструмента (например, для сварки рабочей части сверла из инструментальной стали с хвостовой частью из обычной стали). Стыковая сварка является разновидностью контактной сварки, поэтому в основу ее технологии заложены тепловое воздействие электрического тока по закону Джоуля -- Ленца и усилие сжатия свариваемых деталей. Стыковая сварка с разогревом стыка до пластического состояния называется сваркой сопротивлением; с разогревом стыка до оплавления -- сваркой оплавлением. Сварка сопротивлением происходит следующим образом: закрепленные в зажимах сварочной машины детали плотно прижимают друг к другу свариваемыми поверхностями, а затем пропускают через них электрический ток. После нагрева стыкуемых поверхностей до пластического состояния производится осадка (сжатие) деталей с одновременным отключением тока. Для обеспечения равномерного нагрева контактирующие торцы свариваемых заготовок должны быть тщательно подготовлены. Необходимо удалить неровности, загрязнения и окислы, так как неравномерность нагрева и окисление металла на торцах понижают качество сварки сопротивлением. Чем больше сечение свариваемых поверхностей, тем ниже качество сварного соединения, главным образом из-за образования окислов в стыке. Этим объясняется ограниченное применение сварки сопротивлением, которая используется для соединения деталей с площадью сечения до 200 мм?. Применяется в основном при сварке проволоки, стержней и труб из низкоуглеродистой стали относительно малых сечений, также сварка сопротивлением даёт хорошие результаты для металлов, обладающих хорошей свариваемостью в пластическом состоянии -- малоуглеродистых и низколегированных конструкционных сталей, алюминиевых

2. Ультразвук и его применение

Ультразвук, или «неслышимый звук», представляет собой колебательный процесс, осуществляющийся в определенной среде, причем частота колебаний его выше верхней границы частот, воспринимаемых при их передаче по воздуху ухом человека. Физическая сущность ультразвука, таким образом, не отличается от физической сущности звука. Выделение его в самостоятельное понятие связано исключительно с его субъективным восприятием ухом человека. Ультразвук, наряду со звуком, является обязательным компонентом естественной звуковой среды.

Ультразвук - упругие волны с частотами приблизительно от (1,5 - 2)·104Гц (15 - 20 кГц) до 109 Гц(1ГГц); область частотных волн от 109 до 1012 - 1013 Гц принято называть гиперзвуком. По частоте ультразвук удобно подразделять на 3 диапазона: ультразвук низких частот(1,5·104 - 105Гц), ультразвук средних частот(105 - 107Гц), область высоких частот ультразвука(107 - 109Гц). Каждый из этих диапазонов характеризуется своими специфическими особенностями генерации, приёма, распространения и применения. По физической природе ультразвук представляет собой упругие волны, и в этом он не отличается от звука, поэтому частотная граница между звуковыми и ультразвуковыми волнами условна. Однако благодаря более высоким частотам и, следовательно, малым длинам волн, имеет место ряд особенностей распространения ультразвука.

Ввиду малой длины волны ультразвука, характер его определяется прежде всего молекулярной структурой среды. Ультразвук в газе, и в частности в воздухе, распространяется с большим затуханием. Жидкости и твёрдые тела представляют собой, как правило, хорошие проводники ультразвука, - затухание в них значительно меньше. Поэтому области использования ультразвука средних и высоких частот относятся почти исключительно к жидкостям и твёрдым телам, а в воздухе и в газах применяют ультразвук только низких частот.

Ультразвуковым волнам было найдено больше всего применения во многих областях человеческой деятельности: в промышленности, в медицине, в быту, ультразвук использовали для бурения нефтяных скважин и т.д. От искусственных источников можно получить ультразвук интенсивностью в несколько сотен Вт/см2.

Ультразвуки могут издавать и воспринимать такие животные, как собаки, кошки, дельфины, муравьи, летучие мыши и др. Летучие мыши во время полёта издают короткие звуки высокого тона. В своём полёте они руководствуются отражениями этих звуков от предметов, встречающихся на пути; они могут даже ловить насекомых, руководствуясь только эхом от своей мелкой добычи. Кошки и собаки могут слышать очень высокие свистящие звуки (ультразвуки).

3. Индукционные плавильные установки



Билет 10

1. Теплопередача в электрических установках

Основные параметры электротермических установок (мощность, коэффициент полезного действия, удельный расход электроэнергии) определяют в результате расчета теплоты, требуемой для технологического процесса, а также расчета процессов теплообмена между источником теплоты и окружающей средой. Теплообмен определяется законами теплопередачи. Процесс теплообмена является сложным, поэтому в инженерных расчетах его подразделяют на более простые составляющие - теплопроводность, конвекцию и излучение (лучистый теплообмен).

Теплопроводность - это передача теплоты внутри твердого тела или неподвижной жидкости (газа) от областей с более высокой температурой к областям с более низкой температурой.

В соответствии с молекулярно-кинетической теорией теплопроводность обусловлена тепловым движением и энергетическим взаимодействием микрочастиц (молекул, атомов, электронов). Частицы с большей энергией отдают часть своей энергии менее нагретым при соударении. Скорость теплопередачи в этом случае зависит от физических свойств вещества, в частности от его плотности. При стационарных процессах теплопередачи тепловой поток, проходящий через тело в единицу времени, постоянный, так как в процессе передачи теплоты теплосодержание тела не изменяется.

Тепловой поток (Вт) через однослойную плоскую стенку при установившемся режиме определяется по формуле Фурье:



где и - температуры поверхностей стенки, К; l - ее толщина, (м); F -площадь проводящей стенки, ; -коэффициент теплопроводности, зависящий от природы вещества и температуры, Вт/(м К).

Для большинства применяемых в печестроении материалов:

здесь - коэффициент теплопроводности при 273 К; - температурный коэффициент; -средняя температура стенки, К.

Конвекция - теплопередача в жидкостях и газах, при которой перемещаются отдельные частицы и отдельные элементы объема вещества, переносящие присущий им запас тепловой энергии. Перенос теплоты вместе с переносом массы вещества называют конвективным теплообменом.

Если передача теплоты конвекцией обусловлена лишь разностью плотностей вещества вследствие различных температур, то такая конвекция называется естественной или свободной. При наложении на нагретый объем вещества внешних сил (принудительное перемещение вещества) теплоперенос называют вынужденной конвекцией.

Тепловой поток конвективного теплообмена определяют на основании закона Ньютона-Рихмана:

где - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/( ); - температура стенки; - температура окружающей среды; F -поверхность конвективного теплообмена, .

Коэффициент теплоотдачи представляет собой количество теплоты, передаваемой в единицу времени через единицу поверхности при разности температур между поверхностью и омывающей жидкостью в 1 К.

Излучение - передача теплоты в невидимой (инфракрасной) и видимой частях спектра. При передаче теплоты излучением энергия передается в форме электромагнитных волн. Для передачи тепловой энергии наиболее существенными являются тепловое излучение с длиной волны 0,4-400 мк. Между нагретыми телами, расположенными в пределах видимости друг друга, всегда происходит лучистый теплообмен. При этом суммарный тепловой поток направлен от более нагретого тела к менее нагретому. Этот поток определяется температурами тел, степенью их черноты и размерными факторами.

При излучении нагретого тела в неограниченное пространство (при односторонней теплопередаче) лучистый тепловой поток (Вт/ ):

где - постоянный коэффициент излучения абсолютно черного тела; - степень черноты тела, численно равная его поглощающей способности (для абсолютно черного тела =1); T - абсолютная температура, К.

2. Материалы, применяемые в электропечестроении

При изготовлении электротермических установок (ЭТУ) применяются материалы, предназначенные для работы при высоких температурах. В их числе огнеупорные и теплоизоляционные материалы для теплоизоляции нагреваемых тел от окружающей среды и жаропрочные материалы, идущие на изготовление нагревателей и элементов конструкций печей.

Огнеупорные материалы - материалы, используемые для сооружения различных печей и аппаратов, работающих в условиях высокотемпературного (выше 1200 К) нагрева.

По специфическим условиям работы они должны удовлетворять следующим требованиям.

1. Огнеупорность - это способность без деформации и оплавления противостоять воздействию высоких температур. В зависимости от степени огнеупорности их подразделяют на три класса: огнеупорные (огнеупорностью 1580-1770 К); высокоогнеупорные (1770-2000 К включительно); высшей огнеупорности (выше 2000 К).

Материалы с огнеупорностью ниже 1580 К называют теплоизоляционными.

2. Механическая прочность. При высоких температурах она имеет важное значение, поскольку огнеупорные материалы в процессе работы подвергаются воздействию значительных механических нагрузок в условиях высоких температур. Механическая прочность огнеупоров определяет верхний температурный предел их применения. Максимальной рабочей температурой огнеупорного материала принята температура, при которой начинается деформация материала от сжимающей нагрузки 20 кПа.

3. Термическая устойчивость - это способность материала без разрушения выдерживать резкие колебания температуры. Выгрузка из печи нагретого и последующая загрузка холодного материала создают в печах резкие колебания температуры, которые приводят к термическим напряжениям, способным разрушить огнеупорный материал.

4. Химическая нейтральность. По отношению к нагреваемому материалу и внутренней кладке печи огнеупорные материалы должны быть химически нейтральны, чтобы не засорять нагреваемую продукцию и не разрушаться ею путем химической эрозии.

5. Малая электропроводность. Огнеупорный материал в электрических печах часто одновременно является и электроизоляционным материалом. На нем монтируются электронагревательные элементы, он является тепло - и электроизолятором ванны печи от корпуса. По этой причине огнеупорный материал должен обладать хорошими электроизоляционными свойствами в условиях рабочих температур.

6. Малая теплопроводность. Она способствует снижению тепловых потерь через стенки электрической печи без чрезмерного увеличения их толщины.

Наиболее полно изложенным требованиям удовлетворяют огнеупорные материалы, изготовляемые на основе кремнезема (2000 К), глинозема (2300 К), оксида магния (2600 К).

Массовыми огнеупорами для электроплавильных печей являются динас (2000 К), магнезит (2570 К), хромомагнезит, доломит и шамот (2000 К).

Для печей сопротивления основным огнеупорным материалом является шамот, представляющий собой глубоко обожженную огнеупорную глину. Высокотемпературные печи футеруют изнутри в основном высокоглиноземистыми материалами - муллитом, алундом, а также углем и графитом.

Для выплавки тугоплавких металлов и сплавов применяются высококачественные и относительно дорогостоящие огнеупорные материалы - диоксид циркония (температура плавления 2800 К), оксид бериллия (2870 К), диоксид тория (3300 К) и др.

В практике нашли применение искусственные высокотемпературные волокна, теплопроводность которых в 2 раза ниже, чем материалов с ячеистой структурой.

Теплоизоляционные материалы.Обладают малой теплопроводностью при достаточной огнеупорности. Поэтому теплоизоляционные материалы - это, как правило, рыхлые легкие массы, сильно пористые изделия или крупнозернистые порошки.

Наибольшее распространение в качестве теплоизоляционных материалов получили диатомит, шлаковые и минеральные ваты, пеностекло, зонолит, а также комбинированные материалы на основе асбеста.

Диатомит - осадочная горная порода; по химическому составу - кремнезем, используется в виде насыпной изоляции.

Шлаковые и минеральные ваты получают из топочных и доменных шлаков, а также из различных пустых пород путем расплавления их в печах и последующего распыления струи расплава сжатым воздухом или паром.

Пеностекло получают путем добавления в расплав стекла газообразующих веществ. Полученные изделия из пеностекла обладают хорошо развитой пористостью и большой механической прочностью, максимальная рабочая температура 900-1000 К.

Зонолит - легкая чешуйчатая масса, получаемая из низкосортной слюды путем обжига. Применяется в виде засыпки (до 1400 К).

Асбест - волокнистый материал, с максимальной рабочей температурой 900 К. В чистом виде применяется в качестве засыпки. Обычно служит армирующим веществом для создания композиционных материалов (асбокартон, асбошнур и т. п.).

3. Особенности дуги переменного тока

Основные особенности дуги, характерны для униполярных дуг, т. е. таких дуг, в которых направление тока не изменяется. Дуга переменного тока, т, е. дуга, в которой изменяется направление тока и, следовательно, один и тот же электрод которой переменно бывает то катодом, то анодом, обладает рядом особенностей. Эти особенности зависят от частоты тока. В сварочной технике чаще всего используются дуги промышленной частоты. Иногда используются также токи повышенной частоты (400500 Гц). При таких частотах, как показано выше (см. П4.4), скорости релаксации основных процессов в плазме столба намного превышают скорости изменения основных параметров дуги тока, напряжения, темпера- туры компонентов. Плазму такого разряда можно считать в каждый данный момент времени локально равновесной и изотермической. Однако распределение температуры и ее значения в столбе такой дуги изменяются во времени; вообще говоря, меняются и размеры столба. В нервом приближении, с учетом только тепловой инерционности столба, процессы в нем могут быть описаны уравнением (П4.18), В случае длинных дуг, т. е. таких, в которых процессы в столбе оказывают решающее влияние на характеристики дуги в целом, уравнение (П4.18) описывает поведение дуги почти в течение всего периода изменения тока, за исключением коротких промежутков времени вблизи моментов перехода тока через нуль. Характеристики дуги вблизи нуля тока должны рассматриваться обязательно с учетом приэлектродных процессов. С процессами погасания и повторного возбуждения дуги переменного тока связаны стабильность ее горения и возможность использования ее в сварочных целях, поэтому они тщательно изу-1 чаются.

Теория приэлектродных явлений в нестационарном случае не разработана. Эксперимент показывает, что поведение дуги переменного тока вблизи моментов изменения направления дугового тока (или полярности дугового напряжения) существенно зависит от свойств материала электродов и условий в дуговом промежутке. При этом поведение дуги в эти моменты на тугоплавком и легкоплавком электродах совершенно различно и зависит от направления изменения тока.

Эти особенности хорошо прослеживаются в дуге переменного тока при сварке вольфрамовым электродом в аргоне изделий из алюминия и его сплавов. На рис, П4.4 приведена типичная вольтамперная характеристика такой дуги при высоком напряжении холостого хода источника, питающего дугу, и действующем токе дуги 200 А; направление обхода характеристики показано стрелками. Особенностями этой характеристики являются высокий пик напряжения повторного зажигания при переходе с прямой полярности (катод вольфрамовый электрод) на обратную (катод алюминиевое изделие) и незначительный пик при переходе с обратной полярности на прямую, разница в напряжении горения дуги прямой и обратной полярности, значительная площадь между восходящей (при возрастании тока) и нисходящей (при убывании тока) ветвями характеристики (гистерезис). Качественно ход этих процессов хорошо объясняется термоэмиссионной теорией плавящегося катода и теорией автоэлектронной эмиссии из алюминиевого катода (или близкой в ней по выводам теорией термической ионизации в ионизационном пространстве). При переходе с обратной полярности на прямую разогретый в предыдущем полу периоде вольфрамовый электрод энергично эмитирует электроны. Ток эмиссии определяется только температурой электрода, которая из-за малой теплопроводности вольфрама не успевает заметно измениться. Поэтому ток в дуге возникает при сколь угодно малом восстанавливающемся напряжении и растет вместе с ростом напряжения. Наблюдающийся при этом небольшой пик напряжения зажигания обусловлен падающей характеристикой дуги при малых токах. Напряжение горения дуги в течение всего полупериода полярности невелико. Это хорошо объясняется термической теорией катодных явлений; разность температур ионизационного пространства и катода в этом случае невелика, что и определяет малое значение катодного падения напряжения (см. §П4.24) и общего напряжения дуги. При переходе с прямой полярности на обратную процесс носит совсем другой характер. Для повторного возбуждения дуги на алюминиевом катоде (или в ионизационном пространстве вблизи него) должен быть создан источник электронов. Холодный алюминиевый электрод практически не эмитирует электроны, а электроны не могут появиться, пока поле не достигнет достаточной напряженности и не рассосется отрицательный объемный заряд, образовавшийся в предыдущий полупериод, когда изделие было анодом. Если предположить, как это следует из термической теории, что ток переносится ионами, то и тогда в ионизационном пространстве первоначальная ионизация может происходить только за счет электронов, поступающих из нового катода.

Таким образом, катод может быть образован на холодном металле только в результате автоэлектронной эмиссии, для которой необходима довольно высокая напряженность поля.

Более детальное изучение перехода напряжения дуги перемен кого тока с прямой полярности на обратную при сварке алюминия показало, что процесс носит еще более сложный характер.

Из-за наличия пленки окисла А12Оа на поверхности изделия резко понижается работа выхода из алюминия, уже при напряжении 6080 В образуется так называемый диффузионный тлеющий разряд. После прохождения субнормальной стадии он переходит в свою нормальную стадию, в которой рост тока происходит при постоянном напряжении. В этой стадии происходит энергичная очистка сварочной ванны благодаря процессу катодного распыления. Дальнейший рост тока, вызванный восстановлением напряжения на разрядном промежутке, влечет за собой контракцию разряда у катода и переход его в аномальную стадию. В этой стадии рост тока сопровождается быстрым ростом напряжения на промежутке, достигающего при токе I А около 220240 В. Дальнейшее увеличение тока приводит к быстрой перестройке катодных процессов, образуется дуговой разряд с характерным для него низким напряжением горения. Однако это напряжение значительно (на 1012 В) выше, чем в полупериоде прямой полярности. В конце этого полупериода тока напряжение вновь возрастает на несколько вольт (из-за падающего характера ВАХ катодного падения напряжения). Когда напряжение на промежутке становится недостаточным для поддержания тока, дуга гаснет. Повторное зажигание полуволны напряжения прямой полярности происходит так, как описано выше.

Описанные здесь процессы в той или иной степени характерны для любой сварочной дуги переменного тока. Переменный ток чаще всего применяется при сварке штучными электродами с обмазкой, при сварке плавящимся электродом под флюсом и при сварке неплавя-щнмея электродом в аргоне алюминия и его сплавов. При сварке голыми стальными электродами наблюдается высокий пик напряжения зажигания в обоих полупериодах прямой и обратной полярности. Восходящая и нисходящая ветви ВАХ в полупериод прямой полярности слегка расходятся, а в полупериод обратной полярности практически совпадают. Это объясняется, по-видимому, большим теплоотводом в изделие и, следовательно, малой тепловой инерцией при катодной области. Наблюдающийся иногда сдвиг между током и напряжением на дуговом промежутке (запаздывание тока) при смене полярности объясняют термоэлектродвижущими силами и диффузионным характером переноса тока, по направлению противоположного приложенному к промежутку напряжению. Более вероятен здесь учет индуктивности измерительной цепи и токов смещения в промежутке.

При сварке обмазанными электродами, когда дуга горит и атмосфере, содержащей пары легкоионизируемого металла, например калия, пик напряжения зажигания выражен значительно слабее, а разница восходящей и нисходящей ветвей более заметна. Было отмечено, что она растет с падением потенциала ионизации, в парах калия эта разница напряжений достигает 56 В. Так же действует на эту разницу и рост частоты тока: при частоте 2000 Гц она достигает у голых электродов 5 В. Эти данные подтверждают тепловой характер инерционных процессов в столбе дуги.

Процесс повторных зажиганий сварочной дуги переменного тока под флюсом носит специфический характер из-за шунтирующего действии расплавленного флюса и непрерывного изменения зазора между электродами благодаря подаче электродной проволоки в зону дуги. Внешние динамические характеристики такой дуги отличаются наличием возрастающего участка, что объясняется увеличением давления дуги и, следовательно, ее реальной длины с ростом тока. По этой же причине восходящая ветвь динамической характеристики иногда лежит выше нисход51щей. Если при снятии характеристик приняты меры по исключению этого фактора, они становятся близки к характеристикам открытой дуги. Пики напряжений повторных зажиганий при сварке под флюсом велики, но скорости восстановления напряжения значительно ниже, чем в открытой дуге.

Для непрерывного горения дуги переменного тока при отсутствии специальных устройств, обеспечивающих повторные зажигания дуги после смены полярности дугового напряжения, необходимо, чтобы мгновенное значение напряжения питания в момент смены полярности превышало напряжение повторного зажигания. При синусоидальном напряжении питания и= Um sin (Ш + i)1) это приводит к ограничению, налагаемому на минимально допустимый угол сдвига я|? между током и напряжением:

и условие (П4.33) сводится к следующему:

где Цп напряжение дуги (для простоты анализа принято что напряжение дуги не зависит от тока и полярности), ток определяется выражением р

В случае если с73 = сУд, это условие определяет минимальную кратность напряжения холостого хода источника по отношению к дуговому напряжению: J

В чисто активной цепи непрерывный ток не может существовать Зависимость минимального значения Um/UR от угла сдвига (г в короткозамкнутой цепи приведена на рис. П4.5.

Если условие (П4.33) не выполняется/дуга в цепи переменного тока без специальных устройств гореть не будет. При действующем напряжении холостого хода источника 6090 В (Un = 85 127 В) допустимом по требованиям безопасности при сварке, это" условие выполняется лишь при наличии в флюсе или обмазке электродов легкоионизируемых присадок. При сварке не плавящимися электродом это условие при допустимых напряжениях литания вообще не может быть выполнено. Поэтому необходимо для стабильного горения дуги принимать специальные меры для ее повторного зажигания. С этой целью используют специальные устройства стабилизаторы горения дуги (см. гл. о), представляющие собой генераторы импульсов напряжения.

При создании стабилизаторов необходимо учитывать реальный ход динамической ВАХ дуги. В частности, импульсы должны обеспечивать переход разряда из тлеющего в дуговой через стадию аномального тлеющего разряда. Поэтому энергия импульса должна быть достаточно велика от 0,2 до 1 Дж. Необходимо также правильно выбрать момент инжекции импульса. При преждевременной инжекции импульса его энергия будет рассеяна до того, как возникнет тлеющий разряд, и переход через пик напряжения зажигания не будет обеспечен. Исследования показали, что стабилизирующий импульс должен быть инжектирован, когда тлеющий разряд уже сформирован. Эта стадия наступает через 00 200 после смены полярности дугового напряжения (при сварке алюминия в аргоне). Задержка зависит от тока. Она минимальна при токе 150250 А и растет при его уменьшении и увеличении. Объяснения такому ходу зависимости задержки от тока пока не найдено.

При выборе стабилизатора для обеспечения горения дуги при сварке штучными электродами и под флюсом необходимо учитывать, что пики напряжения зажигания возникают в каждый полупериод тока дуги. При выборе мощности стабилизатора для сварки под флюсом необходимо также учитывать шунтирующее действие флюсовой ванны. Кроме стабилизаторов дуги для стабилизации ее горения могут применяться осцилляторы устройства, основным назначением которых является первоначальный поджиг дуги. Импульсы осциллятора обычно не синхронизированы с моментами перехода тока через пуль, поэтому при использовании их возможны перерывы в токе дуги. Кроме того, в ряде конструкций развиваемый осциллятором ток из-за большого внутреннего сопротивления источника импульсов недостаточен для надежной стабилизации дуги. Применение специальных стабилизаторов предпочтительнее. Если в осцилляторе (или возбудителе дуги) приняты специальные меры для его работы в качестве стабилизатора, то его называют возбудителем-стабилизатором.

Из-за разницы свойств и теплофизических характеристик электрода и изделия при сварке алюминия и его сплавов различаются напряжения горения дуги прямой и обратной полярности. При наличии разницы в напряжениях горения дуги прямой U± и обратной U полярности

При сварке алюминия вольфрамовым электродом щ 0,1 ,.. 0,2; х 0,2 ... 0,4 и, следовательно, /ср 0,3 ... 0,6.

Постоянная составляющая тока неблагоприятно воздействует на сварочный трансформатор,

вызывая его подмагиичнваннс, искажение формы и значительное увеличение первичного тока. Еще более существенны неблагоприятные технологические последствия уменьшения тока обратной полярности. Поэтому при сварке принимают специальные меры для компенсации постоянной составляющей тока.

Простейший путь снижения постоянной составляющей включение в цепь дуги активного сопротивления. Наличие активною сопротивления приводит к уменьшению постоянной составляющей тока Дуги:

Через конденсаторы проходит сварочный ток, создающий падение напряжения определяет погребную емкость батареи:

и, следовательно, увеличение активного сопротивления приводит к снижению среднего значения тока.

Пои допустимой из технологических соображений доле постоянной 0,2; при этом б > 0,7.

Этот способ компенсации постоянной составляющей, несмотря на свою малую эффективность, получил широкое распространение в сборных постах для аргонодуговой сварки па переменном токе.

Эффективным способом устранения постоянной составляющей в токе дуги является последовательное включение в цепь дуги батареи конденсаторов. Среднее значение напряжения на батарее конденсаторов устанавливается равным половине разности напряжений прямой и обратной полярности:

где с7Лоп допустимая переменная составляющая напряжения на конденсаторах.

Постоянная составляющая тока может быть устранена включением диодно-тиристорной ячейки в цепь сварочного ток. Ячейка состоит из встречно-параллельно включенных диода и тиристора. Тиристор обеспечивает прохождение прямого тока, а диод обратного. Угол открытия а тиристора должен удовлетворять условию

При сварке необходимо принять меры для сохранения непрерывное и тока. С этой целью диодно-тиристорная ячейка обычно шунтируется активным сопротивлением.

4. Принцип действия и устройство электрофильтров

Электрофильтр

-- устройство, предназначенное для очистки технологических газов и аспирационного воздуха от находящихся в них взвешенных частиц посредством воздействия электрического поля.

Процесс улавливания взвесей в электрофильтре можно условно разделить на несколько этапов:

· зарядка взвешенных частиц;

· движение заряженных частиц к электродам;

· осаждение заряженных частиц на электродах;

· регенерация электродов -- удаление с поверхности электродов уловленных частиц;

· удаление уловленной пыли из бункерной части электрофильтра.

При прохождении пылегазовой среды через активную зону электрофильтра взвешенные частицы (аэрозоли) попадают в зону действия коронного разряда в неоднородном электродном поле.

При определенной величине напряжения, приложенного к межэлектродному промежутку, напряженность поля около коронирующего электрода становится достаточной для появления коронного разряда, следствием которого является заполнение внешней части межэлектродного промежутка в основном отрицательно заряженными ионами. Отрицательно заряженные ионы под действием сил электрического поля движутся от коронирующих электродов к осадительным. Взвешенные частицы, находящиеся в потоке, в результате адсорбции на их поверхности ионов, приобретают в межэлектродном промежутке электрический заряд и под влиянием сил электрического поля движутся к электродам, на поверхности которых и осаждаются.

Уловленные частицы периодически удаляются с электродов с помощью механизмов встряхивания, попадают в бункеры, расположенные под электродной системой, и через них выводятся из электрофильтра.

Размещено на Allbest.ur

...