Предмет высокотемпературных теплотехнологических установок

На Украине первый крупный стекольный завод был построен в г. Львов и позже в Лисичанске (Луганская обл.).

Принцип действия

Для выработки изделий из стекла с характерными свойствами и разного назначения, используются стекловаренные печи, отличающиеся по конструкции, принципу действия, производительности и режиму работы.

По устройству рабочей камеры стекловаренные печи делятся на ванные и горшковые.

По способу обогрева стекловаренные печи можно подразделить на:

- пламенные;

- электрические;

- газоэлектрические.

По способу преобразования электрической энергии стекловаренные печи делятся на:

- дуговые;

- печи сопротивления (прямого и косвенного нагрева);

- индукционные.

Горшковые печи - печи периодического действия применяют для варки стекол специального назначения (оптических, художественных, светотехнических и т.д.). Эти печи имеют КПД 8-10%

Ванные печи бывают периодического и непрерывного действия.

Наиболее эффективными являются стекловаренные ванные печи непрерывного действия.

Наибольшее распространение, среди них, получили печи прямого нагрева.

Для питания электрических печей прямого нагрева используется однофазный или трехфазный ток, который подводится к стекломассе через молибденовые или графитовые электроды.

В печах косвенного нагрева тепло передается материалу излучением или теплопроводностью от введенного в стекломассу нагревателя сопротивления.

Газоэлектрические печи - печи комбинированного нагрева: бассейн, где плавится шихта, обогревается газообразным топливом (природный газ), а бассейн осветления стекломассы обогревается электрическим током. Эти печи часто используются для получения хрусталя и специального стекла.

По способу использования тепла уходящих газов стекловаренные печи делятся на регенеративные и рекуперативные.

В связи с высокой температурой уходящих газов 1350-1500?С, большинство стекловаренных печей регенеративного типа.

В качестве примера рассмотрим ванную регенеративную печь непрерывного действия.

Такие печи используются в производстве листового стекла, бутылок, банок и полуфабрикатов.

Крупные печи длиной до 60 м, шириной до 10 м и глубиной до 1,5 м, имеют производительность до 300 т/сутки стекломассы.

В качестве шихты в основном используется кварцевый песок, сода, поташ и некоторые другие строго дозированные добавки. При варке хрусталя могут добавляться оксид свинца, барий, некоторые красители.

Ванна печи выкладывается огнеупорным материалом, близким по химическим свойствам с расплавом - кварцем, бакором, магнезитом и т.п.

В качестве топлива в основном используется природный газ (резервное топливо - мазут). Рабочая температура в печи 1500-1770?С зависит от типа получаемой стекломассы. Подогрев воздуха в регенераторах 600-900?С.

Размещение горелок может быть продольным с подковообразным факелом (печи до 15 м длиной) и с боковым расположением горелок вдоль длинных стенок печи для особо мощных печей.

Тепловой баланс стекловаренной печи.

Примерный тепловой баланс стекловаренной печи на природном газе приведен в табл.

Приход тепла	%	Расход тепла	%
Химическое тепло топлива, Qx.T	60-65	Физическое тепло продуктов сгорания, Qуx.г.	58-62
Физическое тепло воздуха Qф.в	35-40	Эндотермический эффект реакции, Qэнд.	20-22
		Потери со стекломассой, Q''м	6-8
		Потери излучением, Qизл	5-6
		Потери в окружающую среду, Qкл	6-9

Повышение эффективности работы стекловаренных печей.

Характерной особенностью стекловаренных печей является низкая стойкость стен варочного бассейна в зоне его контакта с верхней частью расплава. На поверхности расплава стекломассы идут основные химические реакции. На поверхность расплава засыпается шихта, которая за счет динамического напора факела распределяется по поверхности расплава, т.е. на поверхности некоторое время находится абразив в виде кварцевого песка. Следовательно внутренняя поверхность огнеупора испытывает химическое и абразивное воздействие среды, что приводит к его повышенному износу учитывая высокий уровень температур в печи до 1700 ^оС.

Повышение стойкости огнеупора достигается принудительным наружным обдувом опасной зоны холодным воздухом или установкой системы испарительного охлаждения вокруг стен варочного бассейна.

Воздушное охлаждение позволяет эксплуатировать печь до одного года, но не гарантирует от прорыва стекломассы через утонченные участки. Высокая температура наружной поверхности стен 500-600?С, создает крайне тяжелые условия работы, обслуживающего печь, персонала.

Применение испарительного охлаждения увеличивает межремонтный срок печи до трех лет и улучшает условия работы персонала.

Повышение эффективности работы стекловаренной печи можно обеспечить:

- утилизацией тепла уходящих газов после регенератора, температура которых достигает 450-500?С;

- оптимизацией работы горелочных устройств;

- установкой современных горелочных устройств, что позволяет уменьшить потери на диссоциацию топлива и продуктов сгорания, и уменьшить выбросы СО и NOx в атмосферу;

- используя специальные заслонки уменьшить потери излучением в окружающую среду.

- качественная подготовка шихты ускоряет процесс стекловарения.

Электрические печи

Электрические печи, в последнее время широко, применяются в народном хозяйстве: металлургии, машиностроении, химической промышленности, медицине, пищевой промышленности и в быту.

Применение электрической энергии дает возможность: концентрации тепловыделений, получения более высоких рабочих температур, локального высокотемпературного нагрева части изделий, совмещение нагрева с химическим воздействием на материал, тепловой обработки в вакууме и т. д.

Следует также отметить относительную простоту подвода электрической энергии и ее высокую экологичность. К недостаткам электронагрева можно отнести: более высокую стоимость электрической энергии по сравнению с топливными печами, большую стоимость электрооборудования, меньшую долговечность элементов печи и нагревателей; зависимость работы печи от электропитания.

Применяют электротермические процессы нагрева в случаях:

- когда невозможно осуществить технологический процесс без электронагрева;

- когда применение электронагрева позволяет получить продукцию более высокого качества;

- когда применение электричества существенно улучшает условия труда, уменьшает вредные выбросы, повышает безопасность жизнедеятельности;

- когда значительно увеличивается производительность или снижается себестоимость термообработки.

По мере развития электроэнергетики, увеличения производства электроэнергии, увеличивается промышленное потребление электроэнергии и расширяются сферы её применения.

Классификация электрических печей.

Электрические печи классифицируют по способу теплогенерации, т. е. по способу преобразования электрической энергии в тепловую.

Классификация электрических печей:

Способ электронагрева	Вид печи	Примерная плотность теплового потока, кВт/мІ
Печи сопротивления	Печи прямого нагрева	3000 - 6000 на 1 мІ нагреваемой заготовки
	Печи косвенного нагрева	5 - 120 на 1 мІ поверхности нагревателя
Индукционные печи	Печи промышленной частоты 50 Гц	700 - 1000 на 1 мІ поверхности индуктора
	Печи повышенной частоты 150 - 8000 Гц	1000 - 10000
	Печи высокой частоты более 10000 Гц
Дуговые печи	Прямого действия с зависимой дугой	на 1 мІ зеркала ванны или печи большой емкости
	Косвенного действия с независимой дугой
	Смешанного нагрева или дуговые печи сопротивления
	Плазменно-дуговые печи
Установки для нагрева в электролите		на 1 мІ нагреваемой заготовки
Установки электронного нагрева		на 1 мІ зеркала металлической ванны

- В печах сопротивления тепло выделяется при прохождении тока в проводнике по закону Джоуля - Ленца

(Дж)

В печах прямого нагрева ток пропускается непосредственно через нагреваемое изделие, в печах косвенного нагрева тепло передается изделиям (материалу) от специальных нагревателей и кладки за счет излучения и конвекции.

- В индукционных печах материал помещается в переменное магнитное поле. По закону электромагнитной индукции в материале возникают вихревые токи Фуко, которые по закону Джоуля - Ленца разогревают материал вплоть до его плавления.

С повышением частоты увеличивается плотность теплового потока на поверхности нагреваемого материала, а внутренние слои прогреваются, в основном, за счет теплопроводности материала (внутренний теплообмен).

- Электродуговые печи - это, как правило, печи большой мощности до 150 МВт и более. Такие печи широко применяются для выплавки высоколегированных сталей и сплавов специального назначения, а также для получения ферросплавов. Выделение тепла происходит в дуговом электрическом разряде, существующем в газовой среде или вакууме. В плазменно-дуговых печах потоки низкотемпературной плазмы с температурой до 20000 К генерируется за счет энергии дугового разряда.

- Принцип действия установки нагрева в электролите состоит в утилизации тепла электрического разряда, возникающего в газовой (водородной) полости на поверхности нагреваемого объекта, служащего катодом при электролизе растворов щелочей, кислот или солей щелочных металлов под напряжением до 400 В.

- В установках электронного нагрева происходит преобразование энергии электрического поля высокого напряжения (до 35 кВ) в кинетическую энергию летящих электронов (в виде электронного пучка), при торможении на нагреваемой поверхности электронов выделяется значительное количество тепла.

Электрические печи сопротивления

Электрические печи сопротивления по способу нагрева изделий и материалов делятся на печи косвенного нагрева и установки прямого нагрева.

Установки прямого нагрева широко применяются: для варки сортового и технического стекла; графитирования; производства карбокорунда, сероуглерода; нагрева металлических изделий постоянного поперечного сечения при термообработке (проволока, прутки, трубы и т.д.)

Печи сопротивления косвенного нагрева применяются при термообработке, плавке цветных металлов, в химической и пищевой промышленности.

По технологическому назначению печи сопротивления можно разделить на 4 группы:

-Термические печи для термической обработки чёрных и цветных металлов, керамики, пластмасс и др.;

-Плавильные печи для плавки цветных металлов и сплавов;

-Сушильные печи для сушки лакокрасочных покрытий, литейных форм, металлокерамических изделий;

-Печи пищевой промышленности.

По температурному режиму работы электрические печи сопротивления делятся на:

ѕ Высокотемпературные (более 1300°С);

ѕ Среднетемпературные (600-1250°С);

ѕ Низкотемпературные (менее 600°С).

Высокотемпературные и большинство среднетемпературных печей - это печи с преобладанием радиационного теплообмена. С понижением рабочей температуры в печи (особенно ниже 1000°С) влияние конвективной составляющей теплообмена растёт, поэтому в таких печах организовывают принудительную циркуляцию газовой среды.

В высокотемпературных печах в качестве нагревателей используют карбокорундовые, силитовые, графитовые неметаллические нагреватели. Применение таких нагревателей имеет ряд особенностей:

- нагреватели значительно изменяют своё сопротивление при нагреве;

- имеют высокий коэффициент линейного расширения;

- не выдерживают ударных нагрузок, или значительной вибрации;

- разогрев нагревательных элементов необходимо вести плавно повышая температуру, чтобы не допустить коробления и растрескивания самих элементов.

В виду данных особенностей нагревателей, высокотемпературные печи комплектуются специальными регулирующими трансформаторами.

В средне и низкотемпературных печах сопротивления в качестве нагревательных элементов используют хромо - никелевые сплавы, основные характеристики которых приведены в табл.

Основные характеристики нагревательных элементов сопротивления

Материал	Область применения, рекомендуемая температура	Удельное электрическое сопротивление ,сэ, Ом·м, при температуре t, °C
Сталь Х25Н20	Нагревательные элементы печей, до 800°С	0,92·10-6+38·10-11·t
Нихром Х15Н60 Х20Н80 Х20Н80Н Х27Н70ЮЗ	То же, до 950°С То же, до 1100°С То же, до 1100°С То же, до 1150°С	1,12·10-6+14·10-11·t 1,1·10-6+8,5·10-11·t 1,12·10-6+25·10-11·t 1,34·10-6+5·10-11·t
Железохромалюминиевый сплав Х23Ю5Т	То же, до 1150°С	1,4·10-6+5·10-11·t
То же, Х27Ю5Т	То же, до 1250°С	1,4·10-6+5·10-11·t
Силит, SiC	То же, до 1450°С	8·10-4ч19·10-4
Дисилицид молибдена, MoSi2	Нагреватели печей с окислительной атмосферой, более 1600 °С	3,2·10-6ч4·10-6

Металлические нагревательные элементы выполняются в виде проволочных спиралей, с толщиной проводника до 7-10 мм или лент толщиной до 3 мм. Нагревательные элементы соединяются параллельно - последовательно и размещаются на внутренней поверхности кладки. Электрическая мощность отдельных печей может достигать тысяч киловатт.

По роду работы, печи сопротивления делятся на печи периодического и непрерывного действия.

По конструктивным признакам печи сопротивления классифицируются, как правило, по форме рабочего пространства:

- камерные;

- шахтные;

- колпаковые;

- муфельные;

-барабанные;

- ванные;

- проходные и т.д.

Печи периодического действия - это, как правило, камерные, шахтные, колпаковые, муфельные и плавильные.

Печи непрерывного действия - конвеерные, барабанные, толкательные-проходные, протяжные и т.д.

Большое влияние на работу печей сопротивления оказывает футеровка, особенно для печей периодического действия. Внутренняя поверхность рабочей камеры печи сопротивления при радиационном режиме нагрева должна работать как излучатель, или отражатель при высокой отражательной способности кладки.

Толщина огнеупорной кладки должна быть минимально необходимой по нормам проектной прочности, особенно в печах периодического действия, чтобы минимизировать аккумуляционную способность кладки и её стоимость.

Тепловая изоляция должна быть максимально эффективна. Снаружи печи обычно покрываются металлическим листом с высокой отражательной способностью.

В высокотемпературных печах часто применяют экранную тепловую изоляцию, чаще всего металлическую: из молибдена или нержавеющей стали.

Электрическая мощность нагревателей определяется по результатам теплового расчета печи и составления теплового баланса. Установленную мощность печи сопротивления определяют с учётом коэффициента избытка мощности:

N_уст=К₃ N_расч

где N_уст - установленная мощность;

К₃ - коэффициент избытка (запаса мощности);

N_расч - расчётная мощность печи

Избыток мощности необходим так как:

- возможны колебания напряжения в сети до 10%, что приводит к потере мощности до 20%;

- в результате работы нагревательных элементов происходит их старение, окисление и как следствие повышение активного сопротивления, что приводит к снижению мощности;

- для возможности увеличить мощность печи в определённых условиях;

- для компенсации неточностей расчётов.

При проектировании промышленных печей сопротивления коэффициент запаса К₃ примерно равен 1,3 - 1,6, в отдельных случаях К₃?1,8.

Ферросплавные печи.

Технологические особенности работы печи.

Ферросплавы - это сплавы железа с другими минералами (металлами). Наиболее известные из них - ферросилиций, ферромарганец, феррохром, ферроникель, ферроалюминий, феррованадий и многие другие, используемые для легирования сталей и улучшения их свойств.

Ферросплавы получают в электродуговых - рудно-термических печах большой мощности . В большинстве ферросплавных печей ведут восстановительный процесс, а в качестве восстановителя применяют коксовую или угольную мелочь.

Печи могут быть, открытыми и закрытыми, в последнее время в основном закрытые, т.к. в процессе работы печи выделяется ферросплавный газ, в котором СО составляет 80-90%. Теплотворная способность газа . Ферросплавное производство одно из самых энергоемких.

Футеровка печи выполняется из шамотного (высокоглиноземистого) огнеупора - верхняя часть, а нижняя часть из угольных блоков (при выплавки углеродистых ферросплавов) и из магнезита (при выплавки низкоуглеродистых ферросплавов).

Для равномерного проплавления шихты печи зачастую оборудуются механизмом реверсивного вращения ванны с углом поворота до 130°.

Свод печи водоохлаждаемый, неподвижный с отверстиями для электродов, загрузочных воронок, газоотводов и предохранительных клапанов.

Восстановительные печи - это печи непрерывного действия. Шихта (агломерат, окатыши, флюсы, обогащенная руда, топливо-восстановитель) загружаться в печь порциями (колошами) через загрузочные воронки.

В зоне электрической дуги возникает высокотемпературная реакционная зона с температурой до 2000 ⁰С. При контакте с углеродом и СО окислы восстанавливаются и расплав частично насыщается углеродом (науглераживается).

Ферросплав и шлак выпускают из печи периодически, по мере их накопления, через сливной желоб. Температура расплава, выпускаемого из печи, зависит от типа ферросплава и колеблется в диапазоне 1500 - 1800 ⁰С.

Тепловой баланс ферросплавной печи.

Примерный тепловой баланс ферросплавной печи по выплавке ферромарганца приведен в табл.

Тепловой баланс ферросплавной печи по выплавке ферромарганца

Приход тепла	%	Расход тепла	%
Теплота электрической дуги, Qэл	50-52	Эндотермические реакции восстановления, Qэнд.	51-56
Химическое тепло углерода, кокса, электрода и т.д., Qх.т.	46-48	Тепло теряемое со шлаком, Qшл.	16-18
Экзотермические реакции окисления, Qэкз.	2-4	Тепло теряемое с ферромарганцем, Q''м.	7-9
		Потери тепла через кладку, Qкл.	3-4
		Потери тепла с ферросплавным газом, Qг.	3-4
		Электрические потери и др., Qэл.	8-10
Итого	100	Итого	100

Значительное количество химического тепла имеет отводимый ферросплавный газ. Физическое тепло этого газа невелико 3-4 %, но теплотворная способность этого газа составляет 25 - 27% от всей расходной части теплового баланса.

Повышение эффективности работы ферросплавных печей.

Повышение эффективности работы ферросплавных печей, в первую очередь, связано с сокращением удельного расхода электрической энергии на выплавку ферросплавов, для этого:

- используют химическую энергию ферросплавного газа для предварительного подогрева и сушки шихты в отдельном агрегате или в самой печи;

- частично восстанавливают элементы шихты в топливных печах;

- используют физическое тепло ферросплавов и особенно шлаков для получения пара, подогрева воды или шихты;

- применяют вращающиеся ванны;

- уменьшают электрические потери в токоподводах и электродах.

Индукционные печи.

Индукционный нагрев материала основан на использовании токов Фуко, которые возникают в любом токопроводящем материале, помещенном в магнитное поле индуктора.

Система «индуктор - заготовка» - это трансформатор без сердечника и вторичной обмотки. Индуктор представляет собой первичную обмотку, выполненную из пустотелых медных водоохлаждаемых трубок. В индукторе с помощью специального генератора наводятся токи большой мощности, в результате чего вокруг индуктора возникает мощное электромагнитное излучение (поле).

В электропроводящем материале, помещенном в индуктор, наводится вихревое электрическое поле, которое наводит в объеме материала вторичные вихревые токи (токи Фуко). Вихревые токи разогревают материал согласно закона Джоуля-Ленца.

Толщина нагреваемого слоя обуславливается глубиной проникновения тока в материал. Для металлов эту глубину ? - практическую толщину нагреваемого слоя можно приближенно определить с помощью формулы Штейнметца:

м.

где - удельное электрическое сопротивление ;

f - частота (Гц);

- относительная магнитная проницаемость.

Анализируя формулу Штейнметца можно отметить, что с увеличением удельного сопротивления глубина прогрева ? возрастает, а сростом частоты и магнитной проницаемости - уменьшается. Необходимо, однако, учитывать, что при нагреве ряда материалов, особенно стали, магнитная проницаемость при определенной температуре падает (в 50-100 раз) и уменьшается до единицы. Эту температуру называют точкой Кюри, в честь ученого в 1895 году открывшего явление перехода ферромагнетика в парамагнетик при достижении ферромагнетиком определенной температуры. Для чистого железа t_k = 768 ^oC, для никеля t_k = 358 ^oC, для кобальта t_k = 1131 ^oC и т.д.

При достижении точки Кюри резко увеличивается глубина прогрева и неравномерность прогрева быстро устраняется.

В мощных плавильных и нагревательных индукционных печах используется, как правило, ток промышленной частоты 50 Гц, т.к. требуется прогрев материала по всему объему.

При термической обработке материала, когда необходима тепловая обработка поверхностного слоя, используются установки с рабочей частотой более 10 КГц.

Во время работы индуктор сильно нагревается, так как сам поглощает собственное излучение и тепловое излучение от нагреваемого материала. Поэтому индукторы изготавливают из медных, водоохлаждаемых трубок.

Индукционный нагрев широко применяется при:

- термообработке, особенно поверхностной закалке материала, и термообработке деталей сложной формы (коленвалы, распредвалы и т.д.):

- сверхчистая бесконтактная плавка, пайка, сварка металла;

- в ювелирном деле;

- получение опытных образцов сплавов;

- обеззараживание медицинского инструмента;

Индукционный нагрев имеет ряд преимуществ перед другими способами нагрева:

- высокоскоростной, экологичный разогрев любого электропроводящего материала;

- возможность нагрева в регулируемой среде или вакууме;

- нагрев через не электропроводную поверхность, оболочку;

- интенсивное перемешивание расплава за счет МГД усилий;

- возможность проведения местного нагрева, в том числе и деталей сложной геометрической формы;

- компактность установки за счет небольшого размера индуктора;

- возможность полной автоматизации циклов и режимов печи.

К недостаткам можно отнести сложность оборудования и необходимость наличия квалифицированного персонала по обслуживанию к ремонту.

Футеровка печи.

Существует несколько способов изготовления футеровки печи (тигля):

- установка готового керамического тигля внутрь индуктора с засыпкой кольцевого зазора порошком из огнеупорного материала;

- кладка тигля фасонными изделиями и засыпкой буферного слоя 25 - 30 мм между тиглем и индуктором;

- набивка по шаблону из сухих порошкообразных масс тигля, непосредственно в печи, с последующим спеканием массы в течении рабочей кампании.

Стойкость футеровки тигля для плавильных печей составляет от 20 до 80 плавок. Как правило, с увеличением емкости печи стойкость тигля уменьшается.

В машиностроении широко применяются установки поверхностного или сквозного нагрева изделий.

Как правило, они делятся на установки:

- универсальные, для нагрева деталей простой формы и определенного типа (цилиндр и т.д.);

- специальные, для обработки деталей сложной конфигурации.

Продолжительность закалки с учетом времени на установку и снятие вала, составляет до 200 с.

Индукционный нагрев применяют также при закалке шестерен, элементов подшипников и т.д.

В последнее годы стали внедрятся в промышленную термообработку индукционные соляные печи (ИВС) ванного типа «Вулкан».

Термообработка изделий проводится в расплавах солей, преимущественно и .

Рабочее пространство может иметь любую конфигурацию и объем.

В ИВС реализуются конвекционно-индукционный способ нагрева изделия. Изделие нагревается за счет конвективного теплообмена с нагретым расплавом и генерируемой тепловой энергией непосредственно в изделие вследствие воздействия высокочастотного электромагнитного поля индуктора. Это позволяет на 15 - 20 % сократить время нагрева по сравнению с нагревом в обычных соляных ваннах сопротивления. Значительно уменьшается также время пуска печи.

Колпаковые печи. Колпаковые печи относят к термическим печам периодического действия. Главный недостаток камерных печей периодического действия - большие потери на аккумуляцию тепла кладкой. Стремление к снижению этих потерь в печах периодического действия привело к созданию конструкций колпаковых печей, которые широко применяются для термической обработки материалов.

Предназначаются колпаковые печи в основном для термообработки рулонов, ленты, листов, стального и чугунного литья, проката и т.д.

Принцип действия колпаковой печи заключается в том, что один колпак обслуживает несколько поддонов, на которых уложены нагреваемые изделия.

Колпак - металлический цилиндр, внутри футеруется огнеупорными материалами.

Оборудован:

- горелками - топливные колпаковые печи;

- электронагревателями - электрические колпаковые печи сопротивления

Колпак переставляется с поддона на поддон (стенд) с помощью крана. Время переноса и подключения невелико, поэтому колпак сохраняет основную часть аккумулированного тепла. Большинство колпаковых печей выполняется с циркуляцией защитной атмосферы под муфелем.

Весь процесс обжига делится на следующие этапы:

- загрузка стоп металла на стенд;

- установка муфеля и заполнение подмуфельного пространства инертным газом;

- установка наружного колпака с нагревателями или горелочными устройствами;

- нагрев садки до 700-750?С в защитной атмосфере;

- охлаждение садки под муфелем до 150-170?С с защитной атмосферой и дальше охлаждение на воздухе.

Поскольку время охлаждения садки примерно в три раза больше времени его нагрева, то, как правило, один наружный колпак обслуживает три стенда (поддона).

Муфель и колпак уплотняются песочными затворами.

Масса садки в колпаковых печах составляет от 10 т в печах по обжигу цветных металлов, до 150 т в печах по обжигу рулонной стали. В качестве топлива используется любое газообразное топливо, чаще всего коксодоменную смесь с теплотворной способностью Q_н^р=6 - 10 мДж/м³.

Продукты сгорания удаляются из печи с помощью эжектора в дымоотводящие трубопроводы и дальше через дымосос в дымовую трубу.

Процесс горения идет в зазоре между жаропрочным муфелем и колпаком. Тепло муфелю передается от газов, и от кладки колпака излучением.

Металлу тепло передается излучением от муфеля и конвекцией от циркулируемой защитной среды. Следует учитывать, что рулон представляет собой анизотропное тело. Коэффициент теплопроводности вдоль оси рулона л= 30ч45 Вт/м·К, коэффициент теплопроводности в радиальном направлении л= 1,5ч4 Вт/м·К. Это связано с наличием воздушных зазоров между витками рулона.

Для ускорения нагрева рулонов, в настоящее время, в стопу между рулонами устанавливаются конвекторные кольца высотой 50-120 мм, как правило, из меди.

Они представляют собой набор узких параллельных спиралевидных каналов между плоскими пластинами. Проходящие по каналам газы обеспечивают подвод тепла к торцам рулонов, что значительно сокращает время нагрева садки. Равномерность нагрева металла определяется типом направляющего аппарата расположенного в самом низу муфеля. Внутри аппарата располагается рабочее колесо циркуляционного вентилятора центробежного типа.

Вентилятор засасывает защитный газ из внутренней части стопы рулонов и подает его в зазор между рулоном и муфелем.

Применение принудительной вентиляции в два раза сокращает время нагрева рулонов и снижает расход топлива.

Тепловой баланс

Примерный тепловой баланс топливной колпаковой печи приведен в табл.

Приход	%	Расход	%
Химическое тепло топлива, Qх.т.	97-98	Физическое тепло материала, Q''м.	37-39
Физическое тепло металла при t= 60ч70 єC, Q'м	2-3	Физическое тепло продуктов сгорания, Qух г..	50-53
		Потери тепла через кладку, Qкл	5-6
		Прочие потери (химический недожог, Qх.н механический недожог, аккумуляция тепла кладкой и т.д.) Qм.н , Qакк.	4-5

Повышение эффективности.

Пути повышения эффективности работы колпаковых печей:

- применение рекуператоров для подогрева воздуха дутья до 350-400?С, позволит снизить расход топлива на 10-15%;

- интенсификация теплообмена между колпаком и муфелем за счет увеличения скорости движения газов (скоростные горелки) и увеличения степени черноты внутренней поверхности колпака (специальная обмазка);

- оптимизация конструкции конвекторных колец, обеспечивающих высокую теплоотдачу к торцам рулонов;

- замена огнеупорной кладки колпака на волокнистые огнеупорные материалы с обмазкой, что позволяет более чем в два раза снизить: вес колпака, потери в окружающую среду, потери на аккумуляцию тепла кладкой;

- изменение схемы подачи защитного газа в центр рулона и вывод его через конвекторные кольца струями к муфелю. При этом усиливается теплообмен внутри рулона, что сокращает цикл термообработки на 20-25% и соответственно снижается расход топлива.

Ванные печи сопротивления

Ванные печи для нагрева материала в жидкой среде широко применяются в термических цехах при нагреве деталей под закалку, отпуск, нормализацию, обжиг, цементацию и другой химико-термической обработки материала.

Нагрев материала в жидких средах (расплавах) имеет ряд преимуществ перед традиционным нагревом в газовой атмосфере:

- большая скорость нагрева материала за счёт высокого коэффициента теплоотдачи от расплава к поверхности материала;

- равномерность подвода тепла к поверхности материала за счёт однородности температур расплава;

- отсутствие окисления поверхности материала, как при нагреве (так как отсутствует свободный кислород), так и после извлечения из ванны (вследствие покрытия поверхности тонкой плёнкой затвердевшего расплава).

При этом необходимо учитывать ряд особенностей, связанных с эксплуатацией печей данного типа:

ѕ необходимость регулярного пополнения ванны солями, в связи с их уносом на поверхности изделий;

ѕ необходимость регулярной очистки от шлаков и других отходов поверхности расплава;

ѕ необходимость соблюдения мер безопасности по предотвращению выбросов солей от влаги, масел и т.п., ограничение попадания солей на поверхность огнеупоров, которое ведёт к их полному разрушению и вспучиванию.

В зависимости от состава солей или щелочей, электрованны подразделяются на: солевые, селитровые и щелочные. В таблице___ приведены основные соли, которые применяются в ванных термических печах.

Составы смесей солей, применяемых для различных видов термообработки

Состав теплоносителя	Температура применения, °С	Вид термообработки
100% BaCl2 90% BaCl2+10% NaCl 78% BaCl2+22% NaCl 80% BaCl2+20% KCl 100% NaCl 53% BaCl2+20% NaCl+27% KCl 50% NaCl+50% BaCl2 20% NaCl+27% KCl+53% BaCl2 100% KNO3 100% NaNO3 50% KNO3+45% NaNO2+ +5% NaNO3	1020-1320 950-1300 700-950 680-1060 850-920 600-900 750-920 680-1150 360-600 300-500 145-590	Окончательный нагрев под закалку легированных и быстрорежущих сталей То же Предварительный нагрев изделий из легированных и быстрорежущих сталей То же Окончательный нагрев под закалку изделий из углеродистых и легированных сталей То же Отжиг и нормализация То же Отпуск закаленных изделий, закалка и отжиг изделий из алюминиевых сплавов То же То же

В зависимости от способа нагрева существуют: ванны прямого нагрева (т.е. электродные соляные ванны) и ванны косвенного нагрева (нагреваемые источником тепла, расположенным за пределами ванны).

Электродные соляные ванные печи получили наибольшее распространение.

Рабочая камера печи чаще всего выполняется в виде тигля из нержавеющей стали с толщиной стенки от 30 до 50 мм. В некоторых случаях футеровка рабочей камеры выполняется из кремнеземистых или корундовых фасонных огнеупоров. Электроды располагаются на одной из стенок тигля и сверху защищаются керамической плитой от случайного попадания деталей на электроды. В качестве электродов часто используются нихромовые пластины. Токоподводы, как правило, водоохлаждаемые. Электрический ток, напряжением 6ч24В, проходя через расплав, обеспечивает энергичное перемешивание расплава, что обеспечивает равномерность температур по объёму. Питание электродов осуществляется через понижающий трансформатор.

На повышение эффективности печей данного типа влияет ряд факторов:

ѕ ритмичность работы печи и полнота её загрузки (при частых остановках печи или работе с частичной загрузкой определяющими будут потери в окружающую среду конвекцией и излучением, а также потери на аккумуляцию тепла кладкой);

ѕ качество футеровки и тепловой изоляции, масса футеровки;

ѕ автоматическое управление мощностью, в зависимости от режимов работы.

Для печей, которые работают несколько часов в сутки, значительное количество электроэнергии расходуется на разогрев расплава и футеровки печи, т.е. на тепловую аккумуляцию. Замена массивной футеровки легковесом существенно уменьшает аккумулирующую способность кладки, уменьшает потери в окружающую среду, сокращает время разогрева расплава.

В настоящее время стали внедряться индукционные соляные печи-ванны типа «Вулкан» с графитовым тиглем.

Рекомендуемая литература

1. Ю.С.Зайцев, О.В.Филипьев : Промышленные печи ХГПУ г. Харьков - 1998 г.;

2. Щукин А.А. «Промышленные печи и газовое хозяйство заводов.» М., «Энергия» 1973 г.

3. В.А. Кривандин, Б.Л. Марков «Металлургические печи» М., «Металлургия» 1977 г.

4. Н.Ю. Тайц «Расчеты нагревательных печей» Киев, «Техника» 1969 г.

5. А.С. Телегин «Теплотехнические расчеты металлургических печей» М., Металлургия 1970 г.

6. Ю.П. Филипьев, Н.С. Громова «Топливо и печи» М., «Металлургия», 1987 г.

7. А.П. Несенчук «Огнетехнические установки и топливоснабжение» Минск, «Высшая школа», 1982 г.

8. Ю.И. Розенгарт «Теплообмен и тепловые режимы в промышленных печах», Киев, «Вища школа» 1986 г.

9. Свинолобов Н.П., Бровкин В.Л. «Печи черной металлургии», Днепропетровск, Пороги, 2004.-154 с.

Размещено на Allbest.ru

...