Электроконтактный нагрев металлов

Помимо индукционного, в кузнечно-прессовых цехах получил распространение электроконтактный метод нагрева металлов, имеющий ряд преимуществ перед другими методами, его стоимость на 30 % ниже стоимости индукционного нагрева вследствие меньшего расхода электроэнергии, составляющего 300—350 кВт-ч/т. Стоимость оборудования в 1,5 ниже стоимости оборудования для индукционного нагрева.

Этот вид нагрева осуществляется непосредственной передачей тока от питающей сети к заготовке через рабочие контакты нагревательных установок. Практически этот способ нагрева заготовок постоянного, а иногда и переменного сечения может быть использован для всех операций обработки металлов давлением, а также и многих видов термообработки. Существуют установки, в которых нагрев цилиндрических и прямоугольных прутков и полос совмещается с операциями пластичной деформации: гибкой, осадкой, плющением, оттяжкой, рубкой, навивкой спиральных пружин. Электроконтактный способ нагрева наиболее целесообразно проводить в массовом производстве. К недостаткам этого нагрева относят трудность в достижении равномерного нагрева концов заготовок, зажатых в медные или медно-графитовые контакты, и ограничение размеров заготовок, которое определяется отношением длины заготовки к диаметру . При КПД уменьшается до 50 %. Расход электроэнергии при нагреве коротких заготовок меньше (до 500—600 кВт -ч/т).

В качестве источников питания могут быть использованы источники постоянного и переменного тока промышленной и повышенной частоты. При нагреве постоянным током улучшается равномерность нагрева, так как ток равномерно распределяется по сечению проводника. Однако его применение ограничено возможностью получения постоянного тока большой силы, что усложняет и удорожает установку. При использовании повышенной или высокой частоты в заготовке индуцируются (наводятся) вихревые токи (токи Фуко), что позволяет осуществить комбинацию электроконтактного нагрева с индукционным. Однако использование токов высокой частоты усложняет и удорожает установку. Поэтому для питания установок чаше всего используют токи промышленной частоты.

Рис. 6.8. Схемаэлектроконтактной установки с теристорным управлением.

Схема установки (по Г. С. Ковреву) приведена на рис. 6.8. Заготовка 3 зажата в контактах 2 я 4, к которым подведено напряжение от понижающего трансформатора. Оптический пирометр 1или другой какой-либо датчик температуры включен в цепь усилителя 5 таким образом, что при увеличении температуры заготовки напряжение на выходе усилителя уменьшается. Это сопровождается уменьшением напряжения на управляющем электроде тиристора, который закрывается, разрывая первичную цепь трансформатора. При остывании заготовки усилитель увеличивает напряжение на управляющем электроде, и тиристор открывается. В цепи имеется два тиристора, по одному на каждый полу период переменного напряжения.

Тиристоры используют и для автоматического регулирования с изменением величины подводимого к заготовке напряжения. Однако использование тиристоров в схемах питания электроконтактных установок снижает коэффициент мощности последних, а следовательно, и общий КПД.

Предельно допустимые продолжительности нагрева , исключающие перегрев или оплавление, в зависимости от диаметра заготовок :

, мм 10 20 30 40 50 60 70

, с 6 15 40 60 80 100 120

Для нагрева в установке холодной заготовки массой до температуры необходимо подвести к ней количество теплоты, Дж

здесь с—средняя теплоемкость, Дж/(кг°С); —термический КПД установки. В соответствии с законом Джоуля—Ленца

где — сила тока в цепи, A; —сопротивление материала заготовки, Ом; . — продолжительность нагрева, с.

Приравняв последние две формулы, получим, что

Выразим и через линейные размеры заготовки:

;

здесь и — длина и площадь поперечного сечения заготовки, см и см²; — плотность нагреваемого материала, кг/см³; — среднее удельное электросопротивление заготовки, Ом-см.

Подставим значения и в формулу для , А:

Следовательно, сила тока зависит от физических свойств нагреваемого материала, температуры и продолжительности нагрева, поперечного сечения заготовки и термического КПД установки, но не зависит от длины заготовки.

Вследствие изменения свойств материала и термического КПД в течение нагрева по формуле можно определить только среднее значение силы тока. По мере прогрева заготовки вследствие уменьшения ее теплопотребления сила тока уменьшается.

В соответствии с законом Ома напряжение на концах заготовки, В

Следовательно, среднее напряжение в период нагрева зависит от свойств материала проводника, его длины, продолжительности и температуры нагрева, а также термического КПД установки.

Полная средняя мощность, кВт, электроконтактной установки

где — полный КПД установки. Он определяется произведением КПД трансформатора - электрической цепи и термического т. е. .

Можно принять, что . Электрический КПД зависит от отношения и усилия зажима контактов. При . Термический КПД, учитывающий потери тепла излучением и конвекцией в окружающее пространство, а также контактной теплопроводностью, при благоприятных условиях может достигать 0,97—0,99.

Поэтому эти установки имеют низкий удельный расход электроэнергии, что способствует их широкому распространению.