Печи литейных цехов. Характеристика, анализ, классификация: Учебное пособие

В.Н. МОРГУНОВ

ПЕЧИ ЛИТЕЙНЫХ ЦЕХОВ Характеристика, анализ, классификация (Учебное пособие)

Пенза 2009

1

УДК 621.745.4.5(075.8)

Рецензенты: Ученый совет Пензенского научного центра; Главный металлург ОАО «Пензадизельмаш» А.С. Белоусов Моргунов В.Н. Печи литейных цехов. Характеристика, анализ, классификация.: Учеб. пособие. – Пенза: Изд-во пенз. гос. ун-та, 2009 с.179. Проанализированы и изложены основные технологические, энергетические, экологические и иные задачи, которые поставлены современным производством отливок перед печными агрегатами, как технологическим оборудованием тепловой обработки материалов. Представлены классификация и основные конструктивно-технологические схемы современных печей литейного производства. Изложены основные вопросы тепло- и массообмена в печах при их тепловой работе. Учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Машины и технология литейного производства» направления подготовки дипломированных специалистов «Машиностроительные технологии и оборудование».

ПРЕДИСЛОВИЕ

2

Многие процессы производства отливок связаны с тепловой обработкой материалов, производимой в печах. Например, при производстве литейных форм требуется определенная тепловая обработка формовочных материалов, стержней, форм и т.п. Для придания отливкам определенных свойств их могут подвергать термической обработке. Производство литейных сплавов для отливок вообще невозможно без плавильных печей. Известно, что, в настоящее время, затраты на производство литейных сплавов в себестоимости произведенных отливок составляют более 50% от общих затрат на изготовление литья. Поэтому в литейном производстве широко внедряются высокоэффективные плавильные агрегаты и технологические методы плавки в них сплавов, которые позволяют не только улучшить эксплуатационные свойства литых деталей, но и повысить экономичность их производства за счет снижения материало- и энергоемкости. Экономику литейного производства осложнило значительное повышение цен на шихтовые материалы, электроэнергию, кокс, природный газ. Это привело литейщиков к необходимости изменения традиционных технологий и оборудования производства сплавов для изготовления конкурентно-способных отливок по качеству и экономичности их производства. Для обеспечения современных технологических процессов тепловой обработки, производимых в печах, необходимо знать: - основные положения и законы нагрева различных материалов, в т.ч. и при изменении их агрегатного состояния; - основные технологические и энергетические задачи, которые должны решаться в печах литейных цехов; - основные характеристики современных печей, их параметры и технологические возможности; - основы тепловой работы печей и зависимость их конструктивнотехнологических схем от задач, поставленных перед ними; - конструкции современных печей и основных их систем, узлов и оборудования; основные материалы, применяемые для строительства, ремонта и эксплуатации печей; - основные положения, требования и правила эксплуатации печного хозяйства. Изучением данных вопросов занимается дисциплина «Печи литейных цехов», которая основывается на знаниях таких областей науки, как термодинамика, теплотехника, газодинамика, пирометаллургия. В области освещения конструкций и методик расчета металлургических печей издано достаточно много научно-технической и учебной литературы. Материал в них обширен, но разобщен. Многие конструктивнотехнологические схемы печей, описанные в изданной литературе, устарели.

3

Настоящее учебное пособие является существенным дополнением для изучения дисциплины «Печи литейных цехов». Во первых, в пособии достаточно подробно анализируются основные технологические, энергетические и иные задачи печей с представлением современных требований к основным ее узлам, элементам и материалам. Во вторых, в пособии представлен подробный анализ основных характеристик и параметров печей во взаимосвязи с их технологическими и энергетическими задачами. В третьих, приводится достаточно подробная классификация печей по основным классификационным признакам с анализом их задач и конструктивных особенностей. В четвертых, в пособии представлены материалы анализа конструктивно-технологических решений сушильных нагревательных и плавильных печей во взаимосвязи с основными тепловыми и температурными параметрами технологических процессов сушки, нагрева или плавки материалов.

4

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И АНАЛИЗ РАБОТЫ ПЕЧНОГО ХОЗЯЙСТВА Тепловая обработка материалов требует специального теплового агрегата, который называется печью. Основным назначением любой печи является создание определенных тепловых и температурных условий, которые должны обеспечить выполнение заданного технологического процесса тепловой обработки материала. Кроме полного удовлетворения требований технологии печь должна обеспечивать: - высокую производительность при минимальном расходе теплоты и минимальных потерях металла (материала) при нагреве; - минимальный расход материалов и времени для постройки и ремонта при минимальных капитальных затратах; - возможность автоматизации работы; - благоприятные условия труда. Для выполнения своего назначения любая печь должна решать определенные технологические и энергетические задачи. Постановка этих задач исходит из заданного технологического процесса тепловой обработки материала. Рассмотрим основные задачи, которые должна решать печь при своей работе. 1.1.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ

Постановка технологических задач, которые должна выполнять печь, зависит от вида тепловой обработки материала. Так для сушильных печей основной технологической задачей является не сам по себе нагрев материала, а удаление из него влаги и других летучих соединений (иногда обеспечение полимеризации связующих в песчаных литейных формах и стержнях). Нагрев материалов в данном случае необходим для осуществления этих процессов или ускорения их. Для решения технологической задачи тепловой сушки в сушильных печах существенную роль приобретают печные газы. Основной технологической задачей термических печей является обеспечение ими требуемых техпроцессом термообработки изменений в структуре сплава отливок, с целью получения заданных механических или иных свойств сплава в отливках. Решение этой задачи возможно только при нагреве отливок с заданной температурной скоростью до четко определенных конечных температур (температурный график нагрева). Часто решение данной задачи связано с наведением специальных атмосфер в пе-

5

чи (химически – активных, нейтральных, безокислительных и т.п.), или с введением в нее специальных твердых или газообразных реагентов. Главной технологической задачей плавильных печей является производство жидкого сплава определенных температуры и химического состава. Для решения этой задачи одного переплава шихты в жидкое состояние недостаточно. При производстве сплавов плавильные печи должны обеспечивать решение ряда металлургических задач (окисления, раскисления, легирования, рафинирования, модифицирования, наведения шлаков, перемешивания расплава, температурной выдержки и пр.). Для производства высококачественных литейных сплавов в плавильных печах создаются специальные печные атмосферы (нейтральные, безокислительные, вакуум и пр.). Любая технологическая задача, решаемая в печи, обязательно сопровождается передвижением обрабатываемого материала или изделия (загрузка, передвижение в печи выгрузка и т.п.). Поэтому все печи должны быть оборудованы специальными устройствами и механизмами, обеспечивающими передвижение материала по зонам печи, а также механизмами передвижения рабочих дверей, крышек, сводов и других узлов печи, открывающих или закрывающих ее рабочее пространство. Решение технологических задач всегда сопровождается присутствием каких-то печных газов или вакуумом. Поэтому конструкция печи должна иметь устройства и механизмы для наведения, передвижения, утилизации и удаления печных газов. Решение технологических задач в печах часто связано с образованием различных побочных продуктов (например, шлаков при плавке сплавов или отработанных реагентов при термообработке). В связи с этим любая конструкция печи должна иметь устройства для удаления и утилизации данных побочных продуктов. 1.2.

ОСНОВНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ

Для решения определенных технологических задач печь должна выполнить определенный комплекс энергетических задач. Несомненно, что постановка энергетических задач вытекает из технологических задач тепловой обработки, которые в свою очередь определяются параметрами нагрева материала (например, температурным графиком нагрева). Поэтому, для выявления основных энергетических задач, вначале рассмотрим основные параметры нагрева материала.

6

1.2.1. Параметры нагрева материала При любом технологическом процессе тепловой обработки основными параметрами нагрева материала являются: - конечная температура нагрева; - температурная скорость нагрева до конечной температуры; - время выдержки при конечных температурах нагрева; - количество теплоты для обеспечения заданного нагрева; - температурная скорость охлаждения после выдержки до заданной температуры. Конечная температура нагрева Любая тепловая обработка материала связана с его нагревом от начальной температуры (Тн) до заданной конечной температуры (Тк). Значение конечной температуры зависит, главным образом, от цели (технологической задачи) процесса нагрева материала (сушки, нагрева, плавки и т.п.). При термообработке конечная температура нагрева назначается в соответствии с видом термообработки по значениям критических температур изменения структуры или свойств сплава в отливке (они характерны только для этого типа сплава). Например, для осуществления полного отжига стальных отливок необходимо их нагревать до конечной температуры, равной на 30-50К выше критической точки окончания образования аустенита (точки АС3), что составляет 1223-1323К (950-10500С). При плавке конечная температура нагрева (перегрева) определяется прежде всего температурой плавления сплава, а затем уже характером внепечной обработки жидкого сплава, условиями его заливки в литейную форму и конструктивной сложностью изготовляемой отливки (габаритными размерами, массой, толщиной стенки и т.д.). Например, температура выпуска ЧПГ из печей, в зависимости от вида литья, находится в пределах 1583-1653К (1310-13800С), а температура выпуска нелегированных сталей из печей – 1793-1823К (1520-15500С). При сушке материалов конечная температура нагрева определяется критическими температурами необратимых физико-химических процессов, происходящих в материале или в каких-то его компонентах. Например, конечная температура сушки формовочного песка находится в пределах 773-873К (500-6000), стержней и форм на органических водных связующих – в пределах 423-453К (150-1800), а на глинистых связующих – в пределах 723-773К (450-5000).

7

Температурная скорость нагрева Скорость нагрева материала, или температурная скорость нагрева ( ∂Т / ∂τ ; град/с) в основном определяется следующими тремя факторами: - поставленной технологической задачей нагрева (сушка, термообработка, плавка и т.п.); - теплофизическими характеристиками материала (теплоемкостью, теплопроводностью, температуропроводностью и т.п.); - размерными и количественными характеристиками материала или изделия (массой, габаритными размерами, толщиной стенок и т.п.). Часто скорость нагрева является основополагающим параметром тепловой обработки материала. Поэтому необходимо более подробно рассмотреть вопрос выбора данного параметра. Если исходить из экономических соображений выбора температурной скорости нагрева материала, то ее значение должно быть максимально возможным. Т.к. в этом случае сокращается время тепловой обработки и повышается тепловое к.п.д. Именно такой нагрев применяется в основном при плавке шихты в печах, т.к. скорость нагрева и плавления шихты не оказывает значительного влияния на физико-химические свойства конечного изделия – отливки. Для обеспечения максимально допустимой скорости нагрева необходимо создать в печи такие тепловые условия, при которых возникал бы

[

(max)

]

максимально возможный тепловой поток Q пов к поверхности обрабатываемого материала. Такие тепловые условия в печи могут возникать: - при создании максимально возможной разности температур (∆Т) между теплоносителем и нагреваемым материалом (т.е. создании максимального градиента температур); - при создании интенсивного движения теплоносителя (печных газов) в рабочем пространстве топливных печей, что увеличивает тепловой поток к нагреваемому материалу за счет конвективной составляющей теплообмена. Однако, во многих случаях, очень высокая скорость нагрева может вызвать опасность перегрева поверхности материала (особенно массивного) и даже его разрушения под действием температурных напряжений. Это говорит о том, что скорость нагрева материала в каждом конкретном случае должна иметь вполне определенное значение.

8

Критерием оценки правильного выбора значения температурной скорости нагрева может служить температурная равномерность нагрева материала. Показателем температурной равномерности нагрева является скорость изменения разности температур поверхности и центральной части нагреваемого материала (∆Т = Тпов. – Тц) во времени:

∂ (∆Т ) ∂ (∆Т ) 〈 0; = 0; ∂τ ∂τ

∂ (∆Т ) 〉 0; ∂τ

(1.1)

В случае когда ∆Т не изменяется во времени (∆Т- const) нагрев считается равномерным. Равномерность или неравномерность нагрева всегда связана с совместным решением внутренней и внешней задач нагрева. Решение внешней задачи нагрева обеспечивается определенным количеством теплового потока (Qпов) от теплоносителя к поверхности материала. Например, если принять, что теплоотдача в основном осуществляется по закону Ньютона-Рихмана, то тогда значение внешнего теплового потока можно определить по следующему уравнению:

Qпов. = α ∑ ⋅ (Т Т − Т пов. ) ⋅ F , (Вт) где

α ∑ - суммарный коэффициент теплоотдачи (

(1.2)

Вт ); м ⋅ град 2

F – тепловопринимающая поверхность материала (м2); ТТ; Тпов. – температуры теплоносителя и поверхности материала соответ-

ственно (К).

Решение внутренней задачи нагрева обеспечивается определенным тепловым потоком от поверхности внутрь материала. Решение этой задачи зависит от свойств материала (геометрических, теплофизических и т.п.). При этом внутренний тепловой поток к центру изделий можно определить по следующей формуле:

Qц =

2λ

δ

(Т

пов .

− Т ц ) ⋅ F , (Вт)

где λ – коэффициент теплопроводности материала (

9

Вт ); м ⋅ град

(1.3)

δ – расчетная толщина материала (м); Тпов.; Тц – температуры поверхности и центра материала (К); F – тепловоспринимающая поверхность материала (м2). Здесь следует отметить, что при нагреве жидких материалов решение внутренней задачи ускоряется за счет перемешивания, т.е. внутренний теплоперенос начинает осуществляться не только за счет теплопроводности, но и за счет конвекции. Равномерность нагрева материала будет соблюдаться только при равенстве внешнего и внутреннего тепловых потоков:

Qпов. = Qц.

(1.4)

В случае, когда Qпов. > Qц , нагрев внешней поверхности материала будет осуществляться быстрее, чем его центральная часть, т.е.: ∂ (∆Т ) 〉 0; ∂τ

(1.5)

Чем выше скорость роста ∆Т, тем выше перегрев поверхности материала, тем вероятнее возникновение недопустимых термических напряжений. Поэтому скорость нагрева должна быть ограничена каким-то предельно допустимым значением. Во многих случаях, особенно при термообработке отливок, скорость нагрева определяется скоростью заданного изменения структуры сплава, скоростью диффузии и т.п. Поэтому скорость нагрева, особенно при термообработке, назначается специальным температурным графиком нагрева материала. В качестве примера, на рис. 1.1 представлен температурный график нагрева отливок различной толщины из стали марки 40ГЛ для проведения специального вида термообработки – отжига.

10

Рис. 1.1. Температурный график нагрева отливок из стали марки 40ГЛ для термообработки

Время нагрева и выдержки при конечных температурах нагрева При нагреве всегда температура центральной части материала меньше температуры поверхности (если нагрев осуществляется внешним источником тепловой энергии). Поэтому для выравнивания температур по сечению материала, а также для наиболее полного осуществления технологических задач тепловой обработки (изменение структуры, гомогенизации, снятия напряжений и т.п.) необходимо определенное время выдержки при заданных конечных температурах нагрева. Чем сложнее изделие, тем сложнее определить время выдержки, т.к. для ее определения требуется множество факторов (режимы нагрева, теплофизические характеристики материла, скорости их изменения от изменения температуры и т.п.). Поэтому время нагрева и выдержки часто определяют по значениям безразмерных критериев:

11

- критерия Био (Bi), который характеризует тепловую инерционность системы; - критерия Фурье (Fо), который характеризует температурную инерционность системы; - температурного критерия поверхности (θ), который характеризует температурную напряженность системы. Время нагрева и выдержки приближенно можно найти из следующих эмпирических зависимостей данных критериев:

Tпечи−Тм(к) αΣ ⋅δ lnθ Fо⋅δ 2 λ ; Fо = ;θ = ; ; , τ= Bi = а = a Bi λ сср ⋅ ρ Тпечи−Тм(н)

(1.6)

где а – температуропроводность материала (м2/с); δ – расчетная толщина нагреваемого тела (расстояние от поверхности до центра) (м); Тпечи; Т м( к ) ; Т м( н ) - температуры печи, поверхности материала в конце и начале нагрева соответственно (К); ⎛ Вт ⎞ ⎟⎟ ; ⎜⎜ 2 ⎝ м ⋅ град ⎠ ⎛ ⎞ λ – коэффициент теплопроводности материала ⎜⎜ Вт ⎟⎟ ; ⎝ м ⋅ град ⎠

α Σ - суммарный коэффициент теплоотдачи

сср – средняя удельная теплоемкость материала

⎛ Дж ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ ; ⎝ кг ⋅ град ⎠

ρ – плотность материала (кг/м3). Теплофизические характеристики основных литейных сплавов, материалов литейных форм и иных материалов, используемых в литейном производстве, представлены в приложении А. Рассмотрим, в качестве примера, режимы нагрева для отжига отливок из стали и чугуна. Так, при полном отжиге стальных отливок, необходимо обеспечивать время выдержки при Тк (1223-1323К) около 1 часа на каждые 25 мм их толщины стенок. А, при высокотемпературном отжиге отливок из ЧПГ, время выдержки при Тк (1113-1173К) зависит от содержания цементита в структуре чугуна (который должен полностью разложиться) и колеблется от 0,5 до 5,0 час.

12

С теплотехнической точки зрения все изделия, подвергаемые термической обработке, подразделяются на термически «тонкие» и термически «массивные». В термически «тонких» телах, при их нагреве, перепадом температур между центром и поверхностью изделия можно пренебречь, т.е. можно принимать распределение температуры по сечению изделия равномерным. В термически «массивных» телах перепад температур составляет значительную величину и пренебречь им нельзя при выборе скорости нагрева. Условное разделение тел на термически "тонкие" или термически «массивные» производят по значению безразмерного критерия Био:

Вi =

δ /λ , 1/ α

(1.7)

где δ – расстояние (толщина) от центра до поверхности (м); ⎛ Вт ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ ; ⎝ м ⋅ град ⎠ ⎛ ⎞ α – коэффициент теплоотдачи ⎜⎜ 2 Вт ⎟⎟ . ⎝ м ⋅ град ⎠

λ – коэффициент теплопроводности

Величина δ/λ представляет собой тепловое сопротивление нагреваемого (охлаждаемого) материала (его называют внутренним). Величина 1/α – представляет собой тепловое сопротивление на пути переноса теплоты от теплоносителя к поверхности материала (это тепловое сопротивление называют внешним по отношению к материалу). Следовательно, число Вi можно охарактеризовать как отношение внутреннего теплового сопротивления изделия при нагреве к внешнему. Чем меньше величина δ/λ и больше 1/α, тем меньше перепад температур по сечению изделия. Увеличение δ/λ и снижение 1/α приводят к росту перепада температур и, если этот перепад значителен, тело следует отнести к классу «массивных». Расчеты показывают, что принадлежность тел к классу «тонких» определяется значениями критерия Био в пределах:

Вi = (0÷0,25). Принадлежность к «массивным» телам проявляется при значениях Био:

Вi >0,5.

13

Область 0,25 ≤ Вi ≤ 0,5 является переходной. Рассмотрим нагрев изделий с учетом значения критерия Био при постоянной температуре температурного поля. Нагрев термически "тонких" тел при постоянной температуре При постоянной температуре в рабочем пространстве печи (Тпечи – const) время нагрева термически "тонких" тел зависит только от интенсивности внешнего теплообмена. В данном случае изменения температуры

( ) (τ )

за время (τ) можно определить из следующей эмпирической тела Т и зависимости:

[

]

Т и(τ ) = Т печи − Т печи − Т и(н ) ⋅ е

(

− ( F ⋅α Σ ⋅τ ) / m⋅cср

)

,

(1.8)

(н ) где Тпечи; Т и - температуры печи и начальная изделия (К); F – площадь поверхности изделия (м2); τ – время нагрева (с); m – масса изделия (кг);

сср – средняя удельная теплоемкость материала изделия

⎛ Дж ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ ; ⎝ кг ⋅ град ⎠

α Σ - средний суммарный коэффициент теплоотдачи за период нагрева ⎛ Вт ⎞ ⎜⎜ 2 ⎟⎟ . ⎝ м ⋅ град ⎠

Исходя из данной эмпирической зависимости можно найти продолжительность окончательного нагрева изделия (τк) при его нагреве до (к ) конечной температуры Т и :

τк =

m ⋅ сср F ⋅α Σ

[Т ⋅ ln

печи

[Т печи

14

]

− Т и(н ) − Т и(к ) ] , (с)

(1.9)

Нагрев термически "массивных" тел при постоянной температуре Расчет нагрева "массивных" тел основывается на решениях задач теплопроводности для нестационарного температурного поля. В частности при нагреве "массивных" тел в температурном поле с Т = const температурную скорость нагрева и продолжительность нагрева можно найти через значения безразмерных критериев нагрева (Био, Фурье и температурного) по эмпирическим зависимостям (1.6). Расчет ведется в следующей последовательности. 1. Находят значение безразмерного критерия Био (Bi) по уравнению (1.6). 2. Находят безразмерный температурный критерий поверхности (н ) нагреваемого изделия, при нагреве от начальной температуры ( Т пов ) до (к ) конечной температуры ( Т пов ):

[Т =

θ пов

печи

[Т печи

]

− Т и(н ) − Т и(к ) ]

(1.10)

3.

По значениям критериев θпов и Вi, пользуясь специальными номограммами для расчета нагрева Д.В. Будрина, находим значение безразмерного критерия Фурье (Fо). 4. По значениям критериев Fо и Вi, пользуясь номограммами Д.В. Будрина, находим безразмерный температурный критерий центра нагреваемого изделия (θц). 5. По значению температурного критерия центра (θц) находят (к ) конечную температуру нагрева центра ( Т ц ):

[

]

Т ц(к ) = Т печи − Т печи − Т ц(н ) ⋅ θ ц

(1.11)

6. Находят разность конечных температур нагрева поверхности и центра изделия: (к ) (к ) ∆Т = Т пов − Т ц

15

(1.12)

7.

Находят температуропроводность изделия (а) по уравнению

(1.6). 8. Находят конечное время нагрева (τк), исходя из значений критерия Фурье (Fо), температуропроводности (а) и расчетной толщины нагреваемого тела (δ), по уравнению (1.6). Количество теплоты, необходимое для проведения тепловой обработки Любая тепловая обработка материала, связанная с его нагревом до определенной конечной температуры (Тк), возможна только при передаче ему определенного количества теплоты (полезная теплота нагрева, Qп). Данное количество теплоты зависит: - от разности температур нагрева (∆Т = Тк – Тн); - от массы нагреваемого изделия или от массовой (объемной) производительности тепловой обработки; - от теплофизических характеристик материала или изделий (теплоемкости, скрытых теплот плавления, испарения и т.п.). Полезную теплоту для обеспечения нагрева материала можно определить по уравнению:

QП = М ·(сср.к. · Тк – сср.н.· Тн) = М · ∆Н, (Дж или Вт) (1.13) где сср.к.и сср.н – средние удельные теплоемкости нагреваемого материала ⎛

Дж ⎞ ⎟⎟ ; ⎝ кг ⋅ град ⎠

при Тк и Тн соответственно ⎜⎜

М – масса нагреваемого материала (кг или кг/с); ∆Н – изменение энтальпии (теплосодержания) материала при его нагреве от Тн до Тк (Дж/кг); Тк и Тн – температуры материала в конечный и начальный период нагрева

соответственно (К).

Удельная теплоемкость – это количество теплоты, необходимое для нагрева тела, массой в 1 кг, на 1 градус (К). Различают удельные теплоемкости при изобарном или изохорном процессе. Известно, что при изобарном процессе (Р = const) удельная теплоемкость – есть функция температуры. Поэтому в теплотехнике часто пользуются значениями средней теплоемкости в пределах изменения температур до (Тк). В пособии используются значения средних удельных теплоемкостей при изобарных процессах (сср), т.к. в печах термодинамические процессы происходят в основном при постоянном давлении (Р ≈ 100 кПа), или при незначительном его изменении.

16

При расчетах, связанных с газообразными веществами, используются объемные средние теплоемкости изобарного процесса (Дж/м3 · град). Энтальпия – в данном случае, это количество тепловой энергии, которое содержится в материале массой 1 кг, участвующем в термодинамическом процессе (в расчетах значение энтальпии приняты при нормальном атмосферном давлении Р ≈ 100 кПа) и имеющем определенную температуру (Тм). Для газов часто значение энтальпии относят к 1 м3. При этом объем газов должен быть приведен к нормальным условиям.

Изменение энтальпии материала можно определить по следующей формуле: ∆Н = Нк - Нн. (1.14) Если давление в печи будет постоянным, равным атмосферному (Р = Р0 = const), то: Нк = сср.к. · Тк; Нн = сср.н.· Тн, (1.15) где Нк и Нн – значения энтальпий материала при Тк и Тн (Дж/кг). Следует напомнить, что значения средних удельных теплоемкостей и иных теплофизических свойств основных материалов, подвергаемых тепловой обработке в литейном производстве (металлов, сплавов, формовочных материалов и изделий, и т.д.), представлены в приложении А. Если в процессе нагрева происходит изменение агрегатного состояния материала или его составных компонентов, то на данный процесс также затрачивается определенное количество теплоты, которое должно учитываться при определении значения полезно затрачиваемой теплоты (Qп). Количество теплоты, затрачиваемое на изменение агрегатного состояния можно определить по следующей формуле:

Qагр. = qагр. · М, (Дж или Вт),

(1.16)

где qагр. – удельная скрытая теплота агрегатного превращения (плавления, испарения, кристаллизации или конденсации) (Дж/кг); М – масса компонента материала, меняющего агрегатное состояние (кг или кг/с). Удельная скрытая теплота является одной из теплофизических характеристик материала. В качестве примера, в табл. 1.1 приведены значения удельных скрытых теплот плавления для некоторых чистых металлов.

17

Каждая печь, как тепловой агрегат, имеет определенный тепловой к.п.д. (η). Поэтому необходимое количество теплоты для осуществления нагрева будет равно:

QП

Qнеобх. = η , (Дж или Вт)

(1.17) Таблица 1.1.

Металл

Железо (Fe) Медь (Сu) Алюминий (Al) Цинк (Zn) Магний (Mg) Олово (Sn)

Температуры и теплоты плавления металлов Температура плавУдельная скрытая Плотность, ρ(кг/м3) ления, Тпл; К(0С) теплота плавления qпл(кДж/кг)

7880 8930 2700 7150 1760 7300

1808(1535) 1356(1083) 933,3(660,1) 692,7(419,5) 923(650) 505(231,9)

268,0 213,6 385,2 104,7 209,4 58,6

Температурная скорость охлаждения Для определенных процессов тепловой обработки требуется вполне определенное значение температурной скорости охлаждения материала (особенно в процессах термообработки). Например, при низкотемпературном отжиге (старении) отливок из ВЧШГ охлаждение, после выдержки при Тк = 773-873 К, ведут медленно с температурной скоростью 20-50 град/ч до температуры 573 К. 1.2.2. Вывод основных энергетических задач печи Для обеспечения определенного (назначенного) температурного графика нагрева материала в пространстве печи необходимо создать: - определенную температуру теплоносителя в печи (Тп); - определенный тепловой поток от теплоносителя к поверхности обрабатываемого материала (Qпов). Так как температурный график нагрева материала может предусматривать различную температурную скорость нагрева или охлаждения, то печь, соответственно, должна иметь возможность изменять тепловые

18

условия нагрева в своем рабочем пространстве. Т.е. печь также должна обеспечивать изменения значений температуры источника теплоты и теплового потока от него к материалу во времени. Изменения во времени в рабочем пространстве печи температуры теплоносителя ( ∂Т / ∂τ ) и теплового потока ( ∂Qпов / ∂τ ) называются температурным и тепловым режимами работы печи соответственно. А обеспечение соответствующих теплового и температурного режимов работы является самой главной энергетической задачей печи. Для обеспечения данной задачи необходимо постоянно вносить тепловую энергию. Поэтому второй, не менее важной, энергетической задачей печи является генерация определенного количества теплоты. Для решения этой задачи печь должна иметь устройства для генерации тепловой энергии из других ее видов. Любой тепловой процесс не обходится без тепловых безвозвратных потерь, которые определяют его экономичность. Исходя из этого третьей энергетической задачей печи является обеспечение минимальных энергетических затрат при ее работе. Для решения этой задачи печь, как высокотемпературный агрегат, должна быть: - в первую очередь изолирована от окружающей среды специальной теплоизолирующей и огнеупорной оболочкой, обладающей минимальной теплопроводностью и высокой огнеупорностью внутренних слоев; - во вторую очередь обеспечена специальными устройствами (теплообменниками), которые бы позволяли производить утилизацию теплоты отходящих печных газов (это уменьшает потери теплоты, связанные с выбросами печных газов в атмосферу). Следует отметить, что весь комплекс тепловых явлений, которые происходят в печи при ее работе для обеспечения заданного графика тепловой обработки материала, называется тепловой работой печи. 1.3.

ГРАНИЧНЫЕ УСЛОВИЯ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ ПЕЧИ

Как правило, тепловая работа печи сопровождается сложными тепловыми процессами между телами, с различными геометрическими, физическими и иными характеристиками, в основном, в нестационарном температурном поле. Поэтому, для упрощения рассмотрения тепловых процессов работы печи, для упрощения расчетов параметров тепловых процессов, в теплотехнике вводят определенные граничные условия. Граничные условия дают возможность в каком-то приближении рассмотреть теп-

19

лообмен в печи по упрощенной схеме. В общем случае при рассмотрении теплообмена между средами применяют четыре рода граничных условий. Граничные условия первого рода характеризуют случай, когда задано изменение температуры поверхности тела в функции времени:

Тпов → f(τ)

(1.18)

В расчетах (предварительных) часто принимают, что изменение температуры поверхности тела происходит по прямолинейному закону, т.е.:

∂T → const ∂τ

(1.19)

Граничные условия второго рода характеризуют случай, когда задано изменение теплового потока к поверхности тела в функции времени (тепловой график нагрева): Qпов → f(τ) ; (1.20) Часто принимают, что тепловой поток во времени не изменяется:

Qпов → const .

(1.21)

Граничные условия третьего рода характеризуют случай, когда задано: - изменение температуры теплоносителя (печи) в функции времени (температурный график печи): ТТ → f(τ) ; (1.22) - изменение интенсивности теплообмена на границе поверхности нагреваемого тела также по определенному закону. Очень часто принимают, что температура теплоносителя (печи) не изменяется во времени: ТТ → const, (1.23) а теплообмен на поверхности осуществляется по закону Ньютона-Рихмана:

Qпов = α Σ ·∆Т,

(1.24)

где α Σ - суммарный коэффициент теплоотдачи на поверхности нагревае⎛

Вт ⎞ ⎟⎟ . ⎝ м ⋅ град ⎠

мого тела ⎜⎜

2

20

Граничные условия четвертого рода характеризуются равенством тепловых потоков, проходящих через поверхность беззазорного контакта двух тел:

⎛ ∂Т ⎞ ⎛ ∂Т ⎞ ⎟ = λ2 ⎜ ⎟ . ⎝ ∂х ⎠1 ⎝ ∂х ⎠ 2

λ1 ⎜ 1.4.

(1.25)

ОСНОВНЫЕ ТЕМПЕРАТУРНЫЕ РЕЖИМЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ПРИ РАБОТЕ ПЕЧЕЙ

Температура печи (Тпечи) – это важнейший показатель ее тепловой работы. Выбор значений температуры печи зависит от вида и условий технологического процесса тепловой обработки материала. Прежде всего от конечной температуры нагрева материала (Тк) и температурного графика его нагрева ( ∂ Т / ∂ τ ). В зависимости от данных параметров нагрева материала в рабочем пространстве печи создается определенное значение разности температур (∆Т) между температурой поверхности материала и температурой печи. Эта разность температур определяется в основном исходя из соображений равномерности нагрева материала. Практически для сушильных печей ∆Т устанавливается в пределах 20-100К, для термических печей – 50-70К, для плавильных печей – максимально допустимая в режиме плавления. В зависимости от заданной скорости нагрева материала температуру печи могут поддерживать постоянной или изменить во времени, могут поддерживать одинаковые ее значения по всему объему рабочего пространства или разные значения в разных точках рабочего пространства. Известно, что скорость нагрева зависит от теплотехнических характеристик изделия. Исходя из их значений изделия подразделяются на термически "Тонкие" и термически "массивные". Такое условие разделения изделий производят по значению критерия Био (Bi). Именно по значению критерия Био часто определяется скорость нагрева и, соответственно, выбор температурного режима печи (особенно в нагревательных печах). Как правило, при назначении максимально возможной скорости нагрева тел (термически «тонких») в печах применяют одноступенчатый температурный режим нагрева, а при нагреве термически «массивных» тел в основном применяют многоступенчатый температурный режим нагрева.

21

1.4.1. Одноступенчатый температурный режим

При нагреве термически «тонких» тел для ускорения процесса нагрева, повышения производительности печи и снижения окисления можно выбирать такой температурный режим, где время нагрева было бы минимальным. Этому требованию удовлетворяет температурный режим печи, который характеризуется постоянством температуры печи либо во времени, либо по длине рабочей камеры (в зависимости от характера работы печи - периодического или непрерывного). Такой режим подразумевает только одну ступень нагрева и называется одноступенчатым (см. рис. 1.2) и соответствует граничным условиям 3-го рода. Данный режим нагрева, при Тпечи = const, называется камерным режимом. При одноступенчатом режиме нагрева материал помещается сразу же в среду с высокой температурой, поэтому скорость нагрева будет высокой. Это естественно будет вызывать перепад температур по толщине материала. Только термически «тонкие» тела позволяют производить нагрев с такой скоростью, т.к. в этих телах при нагреве возникают незначительные термические напряжения, которыми можно пренебречь.

Рис. 1.2. Одноступенчатый температурный режим работы печи

При данном режиме нагрева чем выше температура греющей среды

в печи, тем больше значение коэффициента теплоотдачи (α Σ ) к поверхности тела и тем меньше время нагрева. Однако, здесь следует отметить, что повышение коэффициента теплоотдачи влечет за собой увеличение числа Био. Это может привести к тому, что значение числа Био может выйти из области определения термически «тонких» тел. В данном случае, это же

22

тело, следует рассматривать как термически «массивное», которое нельзя нагревать, применяя одноступенчатый температурный режим. «Массивные» тела нагревать при одноступенчатом температурном режиме можно лишь в том случае, когда температурная скорость нагрева по каким-то причинам не ограничивается (например, нагрев изделий из «мягких» сталей или плавка шихты). 1.4.2. Многоступенчатые температурные режимы

Многоступенчатые температурные режимы складываются из нескольких тепловых периодов: предварительного нагрева; интенсивного нагрева; выдержки при постоянной температуре; охлаждения и т.п. Каждый тепловой период характеризуется определенной скоростью нагрева (охлаждения) материала и соответственно определенными значениями температуры в печи. Многоступенчатые температурные режимы применяются для нагрева термически «массивных» тел или для многоступенчатой термообработки отливок. Они могут применяться, как в печах периодического действия, так и в многозоновых печах непрерывного действия. На практике часто используются двух- или трехступенчатые температурные режимы. Двухступенчатые температурные режимы работы используются в основном двух видов: - с замедленным режимом нагрева в 1-ом периоде с определенной температурной скоростью; - с ускоренным режимом нагрева в 1-ом периоде.

а)

б)

Рис. 1.3. Схемы двухступенчатых температурных режимов работы печи: а - с замедленным режимом нагрева в первом периоде; б – с ускоренным режимом нагрева в первом периоде

23

В двухступенчатом температурном режиме с замедленным нагревом в 1-ом периоде (см. рис. 1.3а) температура печи повышается с определенной скоростью, что создает условия протекания нагрева при болееменее постоянном тепловом потоке (Qпов = const). Это соответствует граничным условиям 2-го рода. Во втором периоде, для выравнивания температур поверхности и центра материала, температуру печи поддерживают постоянной (Тпечи = const – граничные условия 3-го рода). В двухступенчатом температурном режиме с ускоренным нагревом (см. рис. 1.3б) в 1-ом периоде температуру печи поддерживают постоянной (Тпечи = const), как при одноступенчатом режиме. Отличие состоит в том, что во втором периоде, для создания лучших условий выравнивания температур поверхности и центра материала, температуру печи уменьшают с определенной скоростью, добиваясь, чтобы Тпов = Тк = const (граничные условия 1-го ряда). Трехступенчатый температурный режим печи позволяет осуществить более эффективно нагрев «массивных» тел, для которых термические напряжения представляют значительную опасность. В первую очередь к ним относятся сложные массивные отливки (кокильные, непрерывного литья), которые отличаются высоким уровнем остаточных напряжений, а также изготовленные из сплавов с низкой теплопроводностью. На практике в основном используются две разновидности трехступенчатого температурного режима работы печи. Первая разновидность характеризуется: медленным повышением температуры печи в 1-ом периоде; постоянством температуры печи во 2-ом периоде; понижением температуры печи в 3-ем периоде нагрева (см. рис. 1.4).

Рис. 1.4. схема трехступенчатого температурного режима работы печи

24

Вторая разновидность характеризуется: замедленным повышением температуры печи в 1-ом периоде; более ускоренным повышением температуры печи во 2-ом периоде; постоянством температуры печи в 3-м периоде. Применение той или иной разновидности трехступенчатого температурного режима зависит от условий техпроцесса нагрева отливок, в основном для определенного вида термообработки. Трехступенчатый температурный режим работы часто используется в термических печах с выдвижным (выкатным) подом. Приведенные температурные режимы работы печей рассматривались с точки зрения эффективности нагрева «тонких» или «массивных» тел. Но в литейном производстве достаточно часто график изменения скорости нагрева материала назначается не с точки зрения более эффективного его нагрева, а с точки зрения поставленной технологической задачи (особенно при термической обработке отливок). Например, графитизирующий отжиг отливок из белого чугуна на ковкий (см. рис. 1.5).

Рис. 1.5. Схема температурного режима нагрева при графитизирующем отжиге отливок из белого чугуна на ферритный ковкий чугун

При полном графитизирующем отжиге получают ферритный (черносердечный) ковкий чугун. Типовой режим графитизирующего отжига состоит из пяти периодов:

25

- нагрев до температуры 1203-1243К (930-9700С), во время которого (П + Ц) превращается в (А + Ц); - выдержка при данной температуре от 6 до 12 час для разложения цементита и образования в структуре (А + Г); - охлаждение до температуры около 1033К (7600С), т.е. до температуры несколько выше начала эвтектоидного превращения, при этом матрица (А + Г) превращается в (П + Г); - медленное контролируемое охлаждение со скоростью 5-8К/ч до температуры 973-993К (700-7200), при котором цементит перлита должен полностью разложиться на феррит и графит, т.е. образуется структура (Ф + Г); - окончательное охлаждение до заданной температуры выгрузки отливки из печи. В данном процессе тепловой обработки скорость нагрева и охлаждения отливки определяется механизмом и кинетикой структурных преобразований сплава в отливке, а не ее теплотехническими характеристиками. Еще раз следует отметить, что в печах непрерывного действия температура ее зон не изменяется во времени, а в печах периодического действия она циклически изменяется во времени. 1.5.

ОСНОВНЫЕ РЕЖИМЫ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЕ ПЕЧЕЙ

В зависимости от способа теплогенерации и условий теплообмена различают несколько режимов теплообена при тепловой работе печей: конвективный, радиационный, слоевой и внутренний. Очень часто именно режим теплообмена определяет конструктивно- технологическое оформление пространства печи. 1.5.1. Конвективный режим теплообмена

Конвективный режим характеризуется преимущественным конвективным теплообменом и обязательным движением теплоносителя (печной атмосферы) в ее рабочем пространстве. Передача теплоты излучением при данном режиме выражена слабо и может быть учтена с помощью поправочного коэффициента к конвективному коэффициенту теплоотдачи. Конвективный режим свойственен только низкотемпературным печам, в которых температура теплоносителя не превосходит 873К (6000). Роль конвективного режима тепловой работы возрастает в печах, где нагреваемые изделия распределены по всему их рабочему объему, а также в печах, где происходит нагрев изделий, поверхность которых имеет

26

достаточно низкую степень черноты (ε < 0,4), что присуще, например, цветным сплавам. В первом случае изделия, подвергаемые нагреву взаимно экранируются от излучающей составляющей тепловой энергии, что почти исключает ее роль в общем теплообмене. Во втором случае, из-за малого значения степени черноты, незначительна поглощающая способность лучистой составляющей теплового потока. Это также снижает роль радиационной составляющей в общем теплообмене. В печах с конвективным режимом работы стремиться достичь развитого движения печных газов в рабочем пространстве, их циркуляцию и часто, рециркуляцию. Этим обеспечивается: - увеличение теплового потока к поверхности материала и равномерное его распределение по ней; - более равномерный нагрев материала; - повышение теплового к.п.д. печи. На рис. 1.6. показана схема печи для сушки литейных форм, работающей по конвективному режиму теплообмена с циркуляцией и рециркуляцией печных газов.

Рис. 1.6. Схема печи с конвективным режимом тепловой работы: 1 – нагреваемое изделие; 2 – экран; 3 – поток теплоносителя; 4 – поток отработанных печных газов

Конвективный тепловой режим работы применяется в печах, где теплоносителем служит жидкая среда (например, солевые ванны). Только в этом случае необходимо обеспечивать преобладание конвективного теплообмена над теплообменом посредством теплопроводности. Это достигается интенсивным движением теплоносителя в печи.

27

1.5.2. Радиационный режим

Радиационный режим тепловой работы печи характеризуется преимущественным радиационным теплообменом. Данный режим реализуется в печах при температуре выше 873К (6000). Источником теплового излучения могут быть: горящий факел и раскаленные продукты сгорания топлива; электрическая дуга или низкотемпературная плазма; раскаленный электрический нагревательный элемент (сопротивление); раскаленная футеровка печи; раскаленные радиационные нагревательные трубы и т.д. В топливных печах при радиационном режиме тепловой работы большое значение имеет степень черноты пламени (εп). При малых значениях εп тепловой поток от пламени (продуктов сгорания) невелик. Поэтому для увеличения теплового потока необходимо увеличивать степень черноты пламени (εп). Для повышения εп пламени в печах применяют следующие два способа: - увеличивают толщину слоя пламени над материалом (т.е. увеличивают свободное пространство печи); - производят естественную или искусственную карбюризацию пламени (вдувают угольную пыль в пламя; подают природный газ в пламя, где он диссоциирует на сажистый углерод и Н2). Увеличение толщины слоя пламени (раскаленных газов) повышает его εп, однако это ведет к нерациональному увеличению высоты рабочего пространства печи. Здесь также следует отметить, что повышение слоя пламени приводит к экранированию теплового потока от раскаленной футеровки к поверхности материала. Поэтому применение карбюризации пламени, с точки зрения повышения значения теплового потока к материалу, предпочтительнее, чем увеличение толщины слоя пламени. Радиационный режим тепловой работы печи, в зависимости от основной направленности теплового потока в рабочем пространстве от источника теплового излучения, подразделяется на три разновидности (см. рис.1.7): - с равномерно распределенным радиационным теплообменом (Qм = Qф); - с направленным прямым радиационным теплообменом (Qм > Qф); - с направленным косвенным радиационным теплообменом (Qм < Qф);

28

Рис. 1.7. Схема печи с радиационным режимом тепловой работы: 1 – оболочка (футеровка) печи; 2 – источник лучистой тепловой энергии; 3 – теплообрабатываемый материл

Для всех трех разновидностей радиационного режима тепловой работы роль внутренней поверхности оболочки (футеровки) рабочего пространства печи, как участника в общем теплообмене будет различна. Равномерно распределенный, радиационный режим тепловой работы наиболее целесообразно применять для нагрева массивных изделий. В данном случае относительно небольшая интенсивность внешнего теплообмена обеспечивает равномерность нагрева массивных изделий. Такой режим тепловой работы характерен для камерных вертикальных термических печей. Направленный прямой радиационный режим тепловой работы обеспечивается созданием максимальных температур источника тепловой энергии возле поверхности нагреваемого материала. На практике направленный прямой радиационный теплообмен применяют в плавильных и термических печах при нагреве изделий, размещенных по поду печи. Для обеспечения такого режима в пламенных печах высокотемпературный хорошо светящийся факел располагают вблизи поверхности нагреваемого или проплавляемого материала. В дуговых электропечах аналогичную задачу выполняет расположенная близко к поверхности материала электрическая дуга. Режим направленного прямого теплообмена нерационально применять в том случае, когда поверхность нагрева распределена по всему объему рабочего пространства печи, или когда изделия имеют большую толщину при малом коэффициенте теплопроводности. Направленный косвенный радиационный режим тепловой работы целесообразно применять в том случае, когда исключается любой местный перегрев поверхности материала. В данном случае основная тепловая

29

энергия от источника теплоты передается оболочке (футеровке) печи, которая ее аккумулирует. После раскаления внутренней поверхности оболочки она начинает интенсивно излучать тепловую энергию на поверхность нагреваемого материала. В технической литературе такие печи получили название «отражательные» печи. Но этот термин не выражает сущности печи, т.к. футеровка печи не отражает тепловую энергию, а излучает часть аккумулированной тепловой энергии. В пламенных печах раскаленные продукты сгорания имеют относительно низкую излучательную способность, т.к. тепловое излучение газов селективно (избирательно). В основном теплоизлучающей способностью обладают только трехатомные газы (СО2, Н2О и т.п.). При применении направленного косвенного радиационного теплообмена футеровка печи трансформирует (преобразует) селективное аккумулированное тепловое излучение газов в сплошное тепловое излучение, направленное от поверхности футеровки на нагреваемый материал. Такая форма теплообмена стабилизирует тепловой поток к нагреваемому материалу и приводит к более равномерному его нагреву. В печах с направленным косвенным радиационным режимом работы большое значение имеет степень развития свободной поверхности оболочки (футеровки) рабочего пространства ϖ :

ϖ =

Fф

Fм ,

(1.26)

где Fф – Площадь свободной внутренней поверхности футеровки рабочего пространства печи (м2); Fм – площадь тепловоспринимающей поверхности нагреваемого материала (м2). Чем больше значение степени развития футеровки рабочего пространства печи, при данном радиационном режиме тепловой работы, тем выше значение теплового потока к поверхности материала. На рис. 1.8. представлены схемы расположения газогорелочных устройств в топливных печах при различных радиационных режимах их тепловой работы.

30

а)

б)

в)

Рис. 1.8. Схемы расположения горелочных устройств в топливных печах с радиационным режимом тепловой работы: а – равномерно-распределенным; б – прямонаправленным; в – косвенно-направленным

1.5.3. Слоевой режим

Данный режим тепловой работы применяют для тепловой обработки кускового или сыпучего материала. Слоевой режим характеризуется обязательным равномерным расположением нагреваемого материала и теплоносителя по всему рабочему пространству печи. При данном режиме все три вида теплообмена (излучение, конвекция и теплопроводность) тесно связаны между собой и разделить их практически невозможно. При слоевом режиме либо теплоноситель проходит (фильтруется) через слой материала, либо материал (сыпучий) равномерно распределяется в теплоносителе. Исходя из данного положения различают три разновидности слоевого режима тепловой работы: - с фильтрацией теплоносителя через плотный пористый слой, как правило, кускового материала; - с фильтрацией теплоносителя через разуплотненный (псевдоожиженный) пористый слой сыпучего (зернистого) материала; - с взвешиванием зернистого материала в потоке теплоносителя. При слоевом режиме тепловой работы с фильтрацией теплоносителя через пористый слой материала большое значение имеет такая характеристика слоя материала, как его порозность:

f =

31

Vпор

Vсл ,

(1.27)

где Vпор - объем пор в слое материала (м3); Vсл – общий объем слоя материала (м3).

а)

б)

в)

г)

Рис. 1.9. Схемы печей со слоевым режимом тепловой работы: а – с фильтрацией теплоносителя через плотный «толстый» пористый слой кускового материала; б – с фильтрацией теплоносителя через разуплотненный пористый слой сыпучего материала при механическом воздействии (вращение барабана); в – с фильтрацией теплоносителя через псевдоожиженный (кипящий) слой сыпучего материала; г – с движением разуплотненного сыпучего материала совместно с потоком теплоносителя

Схемы печей со слоевым режимом тепловой работы представлены на рис. 1.9, где представлены все три разновидности. Слоевой режим с фильтрацией теплоносителя через плотный пористый слой кускового материала. Плотный слой кускового материала образуется под действием сил тяжести. Порозность такого слоя, как правило, меняется в очень узких пределах (порядка 0,45-0,47). В печах с фильтрацией теплоносителя через плотный пористый слой материала (см. рис. 1.9,а) газообразный теплоноситель фильтруется через слой материала, как правило, снизу вверх, при этом передает часть своей тепловой энергии. Материал очень часто также движется, как, например, в шахтных плавильных печах (вагранках). По такой схеме слоевого режима можно производить сушку и подогрев шихтовых материалов. Слоевой режим с фильтрацией теплоносителя через разуплотненный (псевдоожиженный) пористый слой сыпучих материалов. Псевдоожиженный слой сыпучего материала в рабочем пространстве печи

32

может осуществляться под действием различных внешних сил (механических, газодинамических и иных). К таким слоям можно отнести: - слой сыпучих материалов, разуплотненный при вращении барабана, внутри которого расположен тот или иной материал (рис. 1.9,б); - «кипящий» слой сыпучего материала, созданный под действием кинетической энергии потока газообразного теплоносителя (рис. 1.9,в). В разуплотненном слое порозность меняется в широких пределах. Это оказывает значительное влияние на интенсивность теплообмена. Возникновение «кипящего» слоя. При определенном значении скорости газа, фильтрующегося через слой сыпучего материала (с размерами частиц от 0,5 до 4,0 мм), частицы начинают раздвигаться относительно друг друга. Объем слоя увеличивается. Слой начинает перемещаться. Наступает момент псевдоожижения слоя. Причем увеличение объема при переходе в псевдоожиженное состояние, в зависимости от свойств сыпучего материала, может колебаться в пределах:

Vпл < Vож ≤ 4Vпл

(1.28)

где Vож - объем слоя в псевдоожиженном состоянии (м3); Vпл – объем слоя в плотной упаковке, до ожижения (м3). Для аэродинамического состояния "кипящего" слоя характерны две скорости – минимальная ( ϖ мин), при которой начинается ожижение, и максимальная ( ϖ max), при которой слой начинает переходить во взвешенное состояние. Скорости газа в любом месте «кипящего» слоя ϖ к, очевидно, должны удовлетворять условию:

ϖ мин < ϖ к < ϖ max,

(1.29)

где ϖ мин, ϖ max и ϖ к – скорости минимальная, максимальная и «кипящего» слоя, отнесенные ко всему сечению слоя (м/с), без учета порозности слоя. Отношение средней скорости потока по сечению слоя (ϖ к) к минимальной скорости начала псевдоожижения (ϖ мин) называется числом псевдоожижения (W):

33

W=

ϖк ϖ мин .

(1.30)

Устойчивое состояние псевдоожижения, как правило, наблюдаеся при значении числа псевдоожижения:

W = (2 – 6). Значения ϖ мин и ϖ max можно найти по значениям критериев Рейнольдса (минимального и максимального). Минимальное значение критерия Рейнольдса (Reмин), которое соответствует началу псевдоожижения находится по следующей эмпирической зависимости:

Re мин

⎡ Аr ⎤ f =⎢ ⋅ 0 ,15 ⎥ ⎣ 4,35 (1 − f ) ⎦

0 , 54

(1.31)

Максимальное значение критерия Рейнольдса (Remax) можно определить по следующей зависимости:

Remax = (

fк )· Аr 18

(1.32)

где Аr – критерий Архимеда; f и fк – порозность плотного и «кипящего» слоев сыпучего материала. Критерии Рейнольдса со скоростью потока газа связан следующими соотношениями:

Re мин =

ρ Г ⋅ d Г ⋅ ϖ мин d Г ⋅ ϖ мин d ⋅ϖ ; Re max = Г max , = µ ν ν

где ρГ – плотность газа (кг/м3); dГ – гидравлический диаметр потока газа (м);

µ – динамичесий коэффициент вязкости газа ( Н ⋅2с ); м

2

ν – конематический коэффициент вязкости газа ( м ); с

34

(1.33)

ϖ

и ϖ max – минимальная и максимальная скорости потока газа, при которых слой в состоянии «ожижения» (м/с). Критерий Архимеда связан определенным соотношением с критериями Грассгофа (Gr) и Рейнольдса: мин

Gr Ar = (Re) 2

(1.34)

В свою очередь критерий Грассгофа находят по следующей эмпирической зависимости:

Gr =

g ⋅ β ⋅ ∆T0 ⋅ l 3

ν2

,

(1.35)

где g – ускорение свободного падения (9,8 м/сек2); β – коэффициент объемного расширения газа (1/град): ∆Т0 – разность температур потока газа при фильтрации материала (∆Т0 = Тн – Тк), (К); l – рассматриваемый размер потока (в данном случае dГ), (м); ν – кинематический коэффициент вязкости (м2/с). После установления псевдоожиженного состояния сопротивление «кипящего» слоя, при фильтрации через него газа, становится постоянным и практически не зависит от скорости газа. Оно может быть определено по следующей формуле:

∆Р = Н·(ρм – ρГ )· (1 – fк) · g, (Н/м2)

(1.36)

где Н – высота псевдоожиженного слоя (м); ρм и ρГ – плотность частиц материала и газа соответственно (кг/м3); fк – порозность псевдоожиженного слоя; g – ускорение свободного падения (9,8 м/сек2). Очень часто в исходном сыпучем материале присутствуют частицы различного размера, кроме этого они изменяют свои размеры в процессе тепловой обработки. Поэтому в «кипящем» слое часто наблюдается вынос частиц за пределы границ слоя. Этот вынос может достигать 50% и выше.

35

Теплопередача между газом и частицами в «кипящем» слое происходит главным образом конвекцией, что объясняется в основном малым диаметром частиц (0,5 - 4 мм) и хорошими условиями их обтекания. Значения коэффициента теплоотдачи (αкип) в «кипящем» слое на⎛ Вт ⎞ ⎟⎟ . ходятся в пределах 12-35 ⎜⎜ 2 ⎝ м ⋅ град ⎠ Здесь следует отметить, что значение теплоотдачи в «кипящем» слое окружающим поверхностям во много раз превосходит значение теплоотдачи от простого потока газа, разумеется при сопоставимых условиях. Коэффициент теплоотдачи конвекцией (αк) в «кипящем» слое окружаю⎛ Вт ⎞ ⎟⎟ . щим поверхностям материала может достигать 600-800 ⎜⎜ 2 ⎝ м ⋅ град ⎠ Слоевой режим тепловой работы со взвешиванием частиц материала в потоке теплоносителя. Во взвешенном состоянии частиц число псевдоожижения достигает величины – W > 50. При этом частицы увлекаются потоком газа (см. рис. 1.9,г). Частицы в потоке газа могут двигаться ускоренно (а > 0), замедленно (а < 0) или с постоянной скоростью (а = 0). Размеры частиц материала, применяемого для тепловой обработки во взвешенном состоянии, находятся в пределах 0,05-0,5 мм. В зависимости от организации газовых потоков в рабочем пространстве движение частиц материала и газа может быть: спутным, встречным и перекрестным. В основном применяется спутное движение, которое может быть организовано вертикальным, горизонтальным или спиралевидным (циклонным). Спиралевидное спутное движение наиболее перспективно, так как позволяет создавать компактные агрегаты для тепловой обработки высокой производительности. При спутном вертикальном взвешивании необходимо создать определенное равновесие сил, действующих на частицу, которое приведено в следующем уравнении:

⎡ ⎤ (ω Г − ω ч )2 mч ⋅ а ч = [(mч − m Г ) ⋅ g ] + ⎢ К ч ⋅ ⋅ ρ ч ⋅ Fм ⎥ + R тр . (Н), 2 ⎣⎢ ⎦⎥ где mч – масса частицы (кг); ач – ускорение частиц в потоке газа (м/сек2);

36

(1.37)

mГ – масса газа (кг); g – ускорение свободного падения (9,8 м/сек2); Кч – постоянный коэффициент сопротивления формы частицы; ωГ – скорость потока газа (м/сек); ωч – скорость частицы в потоке газа (м/сек); ρч – плотность частицы (кг/м3); Fм – площадь наибольшего сечения частицы в плоскости, перпендикуляр-

ной направлению ее движения (миделево сечение) (м2); Rтр. – результирующая сил трения при движении частицы в потоке газа (Н). 1.5.4. Внутренний режим

Внутренний режим тепловой работы характеризуется генерацией теплоты непосредственно в обрабатываемом материале. Например, за счет подведенной к нему электрической энергии. При этом режиме тепловой работы отсутствует теплоноситель как передаточное звено в теплообмене.

а)

б)

Рис. 1.10. Схемы печей (плавильных) с внутренним режимом тепловой работы: а – электрических; б – топливных

Внешний теплообмен, в данном случае, связан не с нагревом материала, а, наоборот, с потерями теплоты. Такой режим тепловой работы характерен для индукционных плавильных печей и конверторов. В индукционных печах за счет электротехнических свойств обрабатываемого материала, при наведении в нем электродвижущей силы (э.д.с.), производится

37

генерация теплоты внутри материала (см. рис. 1.10а). В конверторах генерация теплоты внутри обрабатываемого материала производится за счет химической энергии его элементов (см. рис. 1.10б). Частично этот режим тепловой работы присутствует в плавильных дуговых и мартеновских печах (где присутствует металлургический этап выжигания элементов сплава). 1.6.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОГНЕУПОРНОЙ ОБОЛОЧКИ ПЕЧНОГО ПРОСТРАНСТВА

Огнеупорная оболочка печного пространства выполняет, как правило, две основные функции: технологическую и теплотехническую. Кроме этих двух основных функций огнеупорная оболочка может выполнять строительную функцию. В связи с этим она должна обладать, как минимум, определенной строительной прочностью. Главной технологической функцией оболочки является герметизация рабочего пространства печи от окружающего пространства. При этом следует учитывать, что высокие температуры в печи могут значительно изменить прочностные и иные свойства выбранной оболочки для герметизации. Оболочка может вступать в химическое взаимодействие с печными газами, жидкими сплавами и шлаками. Очень часто на оболочку печи оказывается механическое воздействие материалом (происходит ее истирание). То есть для выполнения своей технологической функции оболочка печи должна соответствовать определенным требованиям. Она должна иметь: - высокую температуру начала размягчения, т.е. высокую огнеупорность; - устойчивость против резких изменений температуры; - максимальную химическую сопротивляемость воздействию шлаков, печных газов и жидкого металла; - минимальное изменение размеров в процессе службы; - определенную плотность, которая существенно влияет на массу печи, на количество аккумуляции теплоты печью, на прочность несущих строительных частей печи; - размерную точность изготовления, что влияет на ее долговечность (особенно это касается изделий из которых выполняется оболочка). В качестве примера, в табл. 1.2 проставлены данные по максимально допустимой температуре нагрева распространенных огнеупорных изделий для изготовления огнеупорной оболочки (футеровки).

38

Таблица 1.2 Максимально допустимые температуры футеровки печи из различных материалов и изделий

Огнеупорный материал и изделия Шамотный кирпич: класс А класс Б класс В Динасовый кирпич

Температура, К (0С) 1573-1673 (1300-1400) 1523-1573 (1250-1300) 1473-1523 (1200-1250) 1873-1953 (1600-1680) 1923-1973 (1650-1700) 1473-1623 (1200-1350) 1073-1123 (800-850) 2273(2000) 1973(1700) 1973(1700) 2273(2000)

Магнезитовый кирпич Шамотный легковесный кирпич Теплоизоляционный кирпич Графитовые огнеупоры Форстеритовые огнеупоры Хромитовые огнеупоры Циркониевые огнеупоры

Оценка устойчивости огнеупорных материалов или их химической сопротивляемости воздействию шлаков, жидких сплавов и печных газов по трехбальной шкале (отличная, удовлетворительная или плохая) представлена в приложении Б. Например, динасовые огнеупоры имеют отличную химическую сопротивляемость воздействию кислых шлаков и плохую – воздействию основных шлаков, а магниевые огнеупоры, наоборот, плохую сопротивляемость при воздействии кислых шлаков и отличную – при воздействии основных. Значения плотности огнеупорных и теплоизоляционных материалов и изделий представлены в приложении В. Теплотехническая функция оболочки выражается в ее способности теплоизолировать рабочее пространство печи от окружающего пространства. Эта способность оболочки оценивается ее теплопроводностью и толщиной. В любом случае тепловой поток, проходящий через оболочку печи, прямо пропорционален ее коэффициенту теплопроводности и обратно пропорционален ее толщине (λ/δ). В связи с этим одним из самых главных теплотехнических требований к оболочке является минимально возможное значение ее коэффициента теплопроводности. В высокотемпера-

39

турных печах толщина теплоизоляционной оболочки может достигать значительных размеров и, соответственно, значительной массы. Поэтому оболочка должна обладать по возможности, минимальной плотностью. Данные требования к оболочке не исключают определенные требования к огнеупорности и прочности. Оболочка печи, в процессе ее работы, участвует в теплообмене, как внутри, так и с окружающей средой. Тепловой поток через огнеупорную оболочку печи в окружающую среду может достигать значений 4,65-7,00 кВт/м2 (в качестве сравнения, тепловой поток внутри печи имеет значение порядка 470-930 кВт/м2). Тепловые потери через огнеупорную оболочку печи складываются из двух составляющих, это: - потери теплоты, связанные с градиентом температуры (∆Т) в оболочке значениями коэффициента ее теплопроводности (λ) и толщины стенки (δ) (чем выше значение ∆Т, тем больше теплопотерь; чем больше значение δ и меньше λ, тем меньше теплопотерь); - потери теплоты, связанные с аккумуляцией определенного количества теплоты (Qакк) оболочкой и последующей, при охлаждении печи, передачей ее в окружающую среду; данный вид теплопотерь связан с определенными характеристиками оболочки, как ее масса (Мф), теплоемкость (Сф), температура конечного нагрева (Тф), а также с длительностью цикла термического воздействия на материал (период) (чем выше Тф, ее Сф и Мф, тем больше Qакк; чем выше значение Qакк, тем больше теплопотерь при охлаждении печи). Потери аккумулированной теплоты имеют значительную величину в печах периодического действия, в которых через определенный цикл происходит ее охлаждение. Поэтому в печах периодического действия следует применять огнеупорную оболочку с минимально возможной массой и минимальным значением теплоемкости. Значения удельных теплоемкостей и других теплофизических свойств огнеупорных и теплоизоляционных материалов изделий, в качестве ознакомления, представлены в приложении В. По своему исполнению огнеупорные оболочки печей (футеровка печей) может быть из одного материала (однослойная оболочка) и из нескольких материалов (многослойная оболочка). Наиболее распространены три основных исполнения: - однослойная футеровка; - двухслойная с внешним теплоизолирующим слоем и внутренним слоем высокой огнеупорности; - трехслойная с дополнительным внешним теплоизолирующим слоем малой огнеупорности.

40

На рис. 1.11, в качестве примера, приведены схемы распределения температур по таблице огнеупорных оболочек трех исполнений, приведенных выше.

а)

б)

в)

Рис. 1.11. Варианты исполнения огнеупорных оболочек (футеровок) печей: а – однослойной; б – двухслойной; в – трехслойной

Из представленных схем следует, что, в случае выполнения внутреннего огнеупорного слоя оболочки из одного материала для всех трех исполнений, наименьшим значением средней температуры характеризуется трехслойная оболочка (см. рис. 1.11). Однослойное исполнение конструктивно самое простое и дешевое, но ее применение приводит к повышенным тепловым потерям. В табл. 1.3, для примера, представлены значения потерь теплоты через огнеупорные оболочки печи различного исполнения. В качестве внутреннего огнеупорного слоя во всех исполнениях служит шамотный кирпич.

41

Таблица 1.3 Потери теплоты через оболочку (футеровку) печи Материал оболочки (толщина слоя)

Обозначение показателя

Шамот (1 кирпич) Шамот (1 кирпич), изоляция (1 кирпич) Шамот (1 кирпич), изоляция (1 кирпич), шлаковая засыпка (100 мм)

Потери теплоты,Qп(Вт/м2) и температура наружной стенки,Тн(К), при температуре внутренней стенки,Твн(К):

Qп Тн Qп Тн Qп Тн

673 1190 375 145 300 85 300

1073 2742 450 345 326 220 315

1673 5658 550 760 357 530 342

В табл. 1.4 даны рекомендации по выбору толщин слоев оболочек из различных огнеупорных и теплоизоляционных материалов для нагревательных печей. Таблица 1.4 Рекомендуемые толщины кладки и теплоизоляции нагревательных печей Элементы кладки

Температура рабочего пространства печи,Твн(К)

До 1473

Огнеупорный слой толщина, мм материал

250

Стены Выше 1473 До 1273

Своды с 1273-1473 пролетом до 3,5 м

230-350 230 230

Выше 1473

300

До 1273

300

Своды с 1273-1473 пролетом до 3,5 м

Выше 1473

300 300

Шамот класса В Шамот класса А Шамот класса Б Шамот класса А Динас или шамот класса А Шамот класса Б Шамот класса А Динас или шамот класса А

42

Изоляционный слой толщина, мм материал

250 120-250 150-200

Диатомитовый кирпич "-"

150-200

Изоляционная засыпка "-"

150-200

«-«

150-200

«-«

150-200

«-«

150-200

«-«

1.7.

ХАРАКТЕРИСТИКА ПЕЧНЫХ ГАЗОВ

1.7.1. Роль печных газов в технологии тепловой обработки материалов

Печные газы по своей сущности и в зависимости от вида тепловой обработки в различных печах могут играть двоякую роль. В первом случае они являются активными участниками технологического процесса тепловой обработки. Во втором случае они являются побочным продуктом процесса, часто нежелательным, приносящим тепловые, материальные, экологические и иные потери (это выброс тепловой энергии в атмосферу, взаимодействие с металлами, их окисление, насыщение газами, выброс вредных веществ в атмосферу и т.д.). Активные печные газы в процессе тепловой обработки материала в печах выполняют, как правило, две важные функции: энергетическую и технологическую. Энергетическая функция печных газов заключается в обеспечении переноса и передачи определенного количества теплоты материалу в рабочем пространстве печи. Для этого они должны обладать определенными массой, температурой и теплосодержанием (энтальпией). При этом приобретают большое значение такие характеристики газов, как их теплоемкость (спр.сг.) и степень черноты (εГ). Чем выше теплоемкость печных газов, тем выше их энтальпия при заданной температуре, тем значительнее тепловой поток к материалу. Чем выше степень черноты печных газов, тем выше его «светимость» (т.е. выше тепловая излучающая способность). В топливных печах печные газы являются единственным теплоносителем. Они в основном определяют и обеспечивают тепловую работу печи. В низкотемпературных конвективных электрических печах печные газы также являются основными теплоносителями и передатчиками тепловой энергии материалу. Причем во всех конвективных печах обязательное интенсивное движение печных газов. Без движения нет конвективного теплообмена. Технологическая функция печных газов заключается в создании определенных условий в рабочем пространстве печи, которые способствуют или определяют главную технологическую задачу тепловой обработки материала (сушку, термообработку, плавление). В топливных и электрических термических, а также плавильных печах печные газы играют важную металлургическую роль. Инертные газы в печах защищают отливки или сплав от окисления. Восстановительные

43

печные газы, особенно в топливных высокотемпературных плавильных печах, способствуют восстановлению элементов сплава. В вакуумных плавильных печах обеспечивается дегазация сплава. В сушильных печах печные газы, кроме функции теплоносителя, играют роль сушильного агента. Они забирают влагу из обрабатываемого материала и удаляют ее из печи. Поэтому к печным газам сушильных печей предъявляются дополнительные требования по их составу, влажности, равномерности распределения по рабочему пространству, скорости подачи к поверхности сушильного материала и скорости их отвода от нее. Естественно, что для выполнения своих функций активные печные газы должны осуществлять определенное движение в рабочем пространстве печи. При этом скорость печных газов, ее векторная направленность к поверхности материала (угол атаки), характер их движения (ламинарный или турбулентный) в значительной степени определяют интенсивность теплообмена, в особенности конвективного. Движение печных газов в рабочем пространстве печи осуществляется в основном двумя способами: - нагнетающими устройствами (вентиляторами, избыточным давлением в газопроводах и т.п.); - отсасывающими устройствами с созданием разряжения в рабочем пространстве (дымососами и специальными дымовыми трубами). Состав печных газов топливных печей зависит от технологического топлива (уголь, кокс, мазут, природный газ и т.п.) Например, при сжигании топлива, содержащего углеводороды, в печных газах в основном содержатся: углекислый газ (СО2); азот (N2); водяной пар (Н2О); угарный газ (СО); в небольших количествах оксиды серы и азота, а также водород (Н2) и кислород (О2). При сжигании кокса в печных газах значительно повышается содержание угарного газа, а содержание водяного пара будет незначительно. Как правило, печные газы в своем составе содержат взвешенные частицы пыли, состоящие в основном из оксидов металлов и неметаллов, а также из остатков технологического топлива. В электрических печах, где специально печная атмосфера не наводится, печные газы в основном состоят из воздушной атмосферы с содержанием в том или ином количестве тех же компонентов, что и в топливных печах. В печах со специальной атмосферой состав печных газов определяется вводимым в печное пространство технологическим газом (инертным, восстановительным, вакуумом и т.п.).

44

1.7.2. Печные газы – как экологически вредные выбросы в атмосферу

После выполнения своих энергетических и технологических задач отработанные печные газы выбрасываются из печей в окружающую атмосферу. Поэтому печи являются достаточно серьезными источниками вредных выбросов, загрязняющих атмосферу. В состав печных газов могут входить следующие экологически опасные составляющие: - взвешенная пыль различной дисперсности, состоящая из остатков топлив, оксидов металлов и неметаллов (в т.ч. и тяжелых металлов); - оксиды серы и азота (даже незначительная концентрация оксида азота может быть смертельно опасна для окружающей среды); - угарный газ (СО) и углекислый газ (СО2). Состав вредных составляющих в печных газах зависит от выполняемых печью технологических задач. Так при сушке выбрасываются продукты сгорания топлива, пары летучих составляющих материала, пылевидные включения и т.п. При нагреве отливок под термическую обработку выбрасываются в атмосферу продукты сгорания, технологические газы для регулирования атмосферы печи, оксиды металлов и т.п. При плавке сплавов выбрасываются в атмосферу продукты сгорания различных топлив, пылевидные выделения топлив, оксиды металлов, пылевидные выделения футеровки, составляющие шлака, продукты взаимодействия газа, металла, футеровки и шлака при металлургических процессах и т.д. Общее количество газовых выбросов из печей литейных цехов может достигать 7000 м3 на одну тонну теплообрабатываемого материала. Так при производстве 1 тонны отливок из стали или чугуна может выделяться: пыли до 50 кг; оксида углерода до 250 кг; оксида серы до 2 кг; углеводородов до 2,5 кг; оксида азота до 0,5 кг и т.п. Приведенные данные еще раз подтверждают, что печи литейных цехов являются экологически опасными объектами, как по выбросам пыли, так и по выбросам оксидов углерода, серы и азота. В пылевидной фракции газовых выбросов из печей содержится достаточно большое количество токсичных металлов, их оксидов и других соединений. По эффекту токсичности металлы и оксиды делятся на 4 класса опасности: 1 класс – особо токсичные вещества (к ним относятся: As; Be; Cd; Hg; Sс; Pb; Zn; фосген); 2 класс – вещества повышенной токсичности (Со; Cr; Cu; Mo; Ni; Sb; NO2); 3 класс – токсичные вещества (V; W; Mn; Cr; сернистый ангидрид);

45

4 класс- менее токсичные вещества (титан и его соединения). Для обеспечения безопасной жизнедеятельности содержание токсичных веществ в окружающей среде ограничивают специальными законами и нормативными документами, в которых указываются предельно допустимые концентрации вредных веществ в окружающей среде (ПДК), а также предельно допустимое количество выбросов из определенных объектов выброса (ПДВ), устанавливаемое для конкретного района, региона и т.п. Например, ГОСТ 12.1.005-88 устанавливает ПДК вредных веществ в воздухе рабочей зоны. В приложении Г приведена токсилогическая характеристика основных металлов, выбрасываемых из печей, а также значения их ПДК в воздухе и воде. В табл. 1.5 приведена технологическая характеристика основных вредных газообразных веществ, выбрасываемых печами в атмосферу и их ПДК в воздухе. Таблица 1.5 Краткая токсилогическая характеристика вредных газообразных веществ

Вещество Оксиды азота (в пересчете на NO2)

ПДК мг/м3 2,0

Сернистый ангидрид

10,0

Оксид рода

20,0

Фосген (СОСl2)

угле-

0,5

Класс Характер токсического действия опасности 2 Оказывает выраженное раздражающее и прижигающее действие на дыхательные пути, поражает альвиольную ткань, что приводит к отеку легких: оказывает действие на артерии, вызывает расширение сосудов и снижение кровяного давления. 3 Оказывает сильное раздражающее действие на дыхательные пути, нарушает обменные и ферментные процессы. 4 Вытесняет кислород из оксигемоглабина крови, что препятствует переходу кислорода из печени к тканям; понижает содержание кислорода в крови, вызывает удушье. Оказывает токсическое действие на клетки, нарушая тканевое дыхание и уменьшает потребление тканями кислорода. 1 Токсичный отравляющий газ удушающего действия. Смертельная концентрация в воздухе 100-300 мг/м3.

46

В воздухе промышленной зоны концентрации вредных веществ всегда выше, чем в окружающей атмосфере. Для основных газообразных вредных выбросов значения максимально допустимых концентраций в рабочей зоне представлена в табл. 1.6. Таблица 1.6 Максимально допустимые концентрации вредных веществ в промышленной зоне

Наименование вещества Оксид углерода (СО) Диоксид углерода (СО2) Диоксид серы (SО2) Сероводород (Н2S) Оксиды азота (NОх) Хлор (Сl) Фосген (СОСl2) Пыль содержащая > 50% SiО2 То же, содержащая от 5% до 50% SiО2

Максимально допустимые концентрации (мг/м3) 120,0 9000,0 26,0 27,0 57,0 3,0 4,0 2000,0 10000,0

Из приведенных таблиц следует, что вредные выбросы из печей должны постоянно учитываться и контролироваться. Рассмотрим, в качестве примера, характеристики выделяемых вредных веществ плавильными агрегатами, которые отнесены к опасным агрегатам металлургического производства. Значительные выбросы вредных газов и пылевидных частиц наблюдается при использовании вагранок. Они, при работе, выбрасывают в атмосферу большое количество газов, содержащих полидисперсную пыль и такие токсичные компоненты, как оксид углерода, оксиды серы, азота, пары масел и др. Расход колошниковых газов и их параметры на выходе из слоя шихты зависят от производительности вагранки и интенсивности режима плавки. Ориентировочно удельный выход колошниковых газов составляет 1,2-1,4 т или 0,9-1,2 тыс.нм3 на одну тонну выплавляемого чугуна. Колошниковые газы коксовых вагранок характеризуются следующим химическим составом (объемн. %): СО2 – 5,2-16; СО – 5,5-24: Н2О до 1,2; SO2 – 0,025-0,5; Н2 – 0,5-0,7; О2 – 0,4-1,3. В незначительных количествах в газах содержатся SО3 и NOх. Концентрация пыли в колошниковых газах лежит в диапазоне 3-20 г/нм3. В отдельные моменты плавки концентрация может достигать 25-40 г/нм3. Резкое увеличение концентрации пыли в газах наблюдается в моменты загрузки шихты и при проплавке, когда уровень завалки в шахте вагранки понижается. Хи-

47

мический состав ваграночной пыли зависит от состава металлозавалки, топлива, условий работы вагранки. В среднем он характеризуется следующими величинами (масс. %): С - около 50; SiO2 - 20-45; СаО - 2-12; Аl2О3 0,5-4,0; (FeO +Fe2O3) - 10-30; MnО - 0,5-2,5. Ваграночная пыль отличается широким спектром дисперсности, причем содержание частиц размером менее 5 мкм составляет 10-20%. Удельная масса ваграночной пыли лежит в диапазоне 2,3-3,1 г/см3. Она относится к группе неслипающихся пылей. Установлено, что наиболее опасной для организма человека является пыль с размером частиц от долей микрометра до 5 мкм, так как она проникает глубоко в легкие и находится там длительное время. В зоне завалочного устройства и в системе очистки колошниковые газы разбавляются подсасываемым воздухом. В связи с этим общий объем газовых выбросов из вагранок увеличивается в 1,5-3,5 раза (по сравнению с объемом ваграночных газов на уровне колошника). Плавка чугуна и стали в дуговых печах сопровождается интенсивным пылегазообразованием. Интенсивность пылегазообразования при плавке стали в дуговых печах зависит от ведения технологического процесса, вида шихтовых материалов, расхода электродов, состава футеровки и других показателей. При отсутствии системы уплотнения (герметизации) печи газы фильтруются через неплотности свода, электродные зазоры, желоб и рабочее окно. В зависимости от системы отбора газов неорганизованные выбросы могут составлять до 40% общего объема. При анализе выбросов дуговых печей следует различать первичные газы, которые образуются непосредственно в рабочем пространстве печи, и вторичные – это разбавленные подсасываемым воздухом выходящие из печи первичные газы. При этом объем вторичных газовых выбросов увеличивается в десятки раз. За счет выгорания углерода из металла, угара электродов, а также загрязнений, вносимых шихтой, образования газов при разложении флюсов и окисления в электродуговой печи в среднем за плавку выделяется 350500 м3 первичных газов на 1 т металлозавалки. При крупной чистой шихте выбросы снижаются до 100 м3/т. Газы, образующиеся при плавке стали в дуговых печах, состоят из оксидов углерода (СО и СО2), азота (NO и NO2), серы (SO2 и SO3). В небольших концентрациях присутствуют цианиды, фториды, пары воды и некоторые деструкции органических веществ. Основная доля указанных газов образуется в зоне горения дуги. Часть газов выделяется из расплава в период кипения и доводки металла. Установлено, что при выжигании в дуговых печах 1% металла в минуту выделяется 5 кг/мин пыли и газа на каждую тонну выплавляемого металла. В табл. 1.7 представлен усредненный химический состав первичных газов выделяемых при плавке стали в дуговых печах.

48

Таблица 1.7 Химический состав первичных газов, выделяемых при плавке стали в дуговой печи

Период плавки Расплавление шихты Кипение расплава Раскисление и доводка расплава

Состав газов (объемн.%) СО2 О2 N2 6-12 1-4 остальное 6-8 8-14

СО 4-10 8-26 8-16

Концентрация пыли в первичных газах колеблется в пределах от 510 г/м при расплавлении шихты до 20-50 г/м3 при раскислении стали и вводе известняка. Химический состав пыли отличается многокомпонентностью и значительно изменяется в зависимости от периодов плавки и марки выплавляемой стали. В табл. 1.8 приведено содержание основных компонентов пыли при плавке стали. 3

Таблица 1.8 Изменение химического состава пыли, выделяющейся при плавке среднеуглеродистой стали в дуговой печи

Период плавки С 0,9-2,0

Расплавление шихты Раскисление и доводка рас- 0,8-2,0 плава

Химический состав, масс.% SiO CaO MgO MnO FeO 10-20 0,6-1,5 1,0-2,0 1,0-3,0 6-10

Fe2O3 50-75

15-30

40-65

1,0-3,0

1,0-2,0

1,0-3,0

6-12

В приложении Д представлены усредненные значения вредных выбросов, отнесенных к 1 тонне выплавленного сплава, из основных типов печей при плавке стали, чугуна, алюминиевых и медных сплавов. В связи со значительными выбросами вредных веществ из печей главным экологическим требованием к их конструкциям является обязательное присутствие эффективных систем очистки газовых выбросов. Также в печах необходимо применять экологически чистые виды топлив и шихтовых материалов.

49

Газовые выбросы из печей могут иметь высокую температуру (до 1000-1200 К), что также наносит значительный экологический вред окружающей среде. Известно, что при высоких температурах продукты сгорания обладают большим теплосодержанием. Значение теплосодержания продуктов сгорания зависит от содержания в них компонентов и их теплофизических свойств, в особенности от значений удельных теплоемкостей. В приложении Е, для ознакомления, представлены значения удельных теплоемкостей для основных компонентов печных газов, в зависимости от температуры продуктов сгорания. Для снижения температуры продуктов сгорания, выбрасываемых в атмосферу, необходимо снизить их теплосодержание (чем меньше теплосодержание продуктов сгорания, тем меньше их температура). Поэтому все высокотемпературные печи должны быть обеспечены специальными устройствами для утилизации теплоты газовых выбросов. Это, в свою очередь, повышает тепловой к.п.д. печей. 1.8.

ОСНОВНЫЕ ЗОНЫ ПЕЧНОГО ПРОСТРАНСТВА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА ПЕЧЕЙ

Схематично любую печь можно представить состоящую из трех зон (см. рис. 1.12): - зоны технологического процесса тепловой обработки, где располагается обрабатываемый материал и происходит процесс передачи ему определенного количества теплоты; - зоны переноса теплоты, где происходит теплоперенос от источника теплогенерации к обрабатываемому материалу непосредственно или с помощью специального теплоносителя (печных газов); - зоны теплогенерации, где происходит преобразование, в основном, электрической или химической энергии в тепловую. Зона технологического процесса совместно с зоной переноса теплоты чаще всего оформляют рабочее пространство печи. Размеры и конфигурация зоны технологического процесса зависят от размеров обрабатываемого материала, производительности печи и требуемой тепловоспринимающей поверхности. Размеры зоны переноса теплоты и ее расположение зависят от режима тепловой работы печи (конвективный, радиационный, слоевой, внутренний), источника теплогенерации (топливный или электрический) и свойств теплоносителя. Так, например, в топливных печах размеры и конфигурацию зоны переноса теплоты определяют характеристики продуктов сгорания (количество, скорость, характер и направление движения).

50

Расположение зоны теплогенерации зависит от источника теплогенерации и режима теплообмена при тепловой работе печи. Она может располагаться, как в рабочем пространстве печи, так и за ее пределами. Например, при конвективном режиме работы зону теплогенерации выносят за пределы рабочего пространства (см. рис. 1.12б). В данном случае теплогенерация происходит в отдельных устройствах. Эти устройства в топливных печах называются топками, а в электрических печах сопротивления – калориферами. Следует отметить, что при расположении теплогенератора за пределами рабочего пространства обязательно использование теплоносителя (печных газов). При радиационном режиме теплообмена зону теплогенерации очень часто располагают в рабочем пространстве печи (см. рис. 1.12а). Это связано с особенностями радиационного теплообмена. При внутреннем режиме теплообмена зона теплогенерации всегда совмещена с зоной технологического процесса (рис. 1.12в). В данных печах отсутствует зона переноса теплоты. При слоевом режиме теплообмена зона переноса теплоты всегда совмещена с зоной технологического процесса (рис. 1.12г).

а)

б)

в)

г)

Рис. 1.12. Схемы расположения основных зон печного пространства: а – с расположением зоны теплогенерации в рабочем пространстве; б – с выносом зоны теплогенерации за пределы рабочего пространства; в - совмещение зон теплогенерации и технологического процесса; г – совмщение всех трех зон; 1 – зона технологического процесса; 2 – зона переноса теплоты; 3 – рабочее пространство; 4 – зона теплогенерации

Здесь следует отметить, что при разработке геометрических форм печей необходимо, по возможности, добиваться минимального соотношения площади внутренней поверхности огнеупорной оболочки печи (Fст) к объему ее пространства (Vз):

51

Fст V з → min

(1.38)

Соблюдение данного требования приводит к уменьшению тепловых потерь через оболочку печи. Для взаимосвязи основных зон печного пространства печь имеет специальные соединительные части: дымоходы, борова, трубопроводы, дымовые трубы. Наиболее распространенными геометрическими формами рабочего пространства печей являются: - прямоугольный параллелепипед (шириной В, высотой Н и длиной L); - прямой цилиндр (диаметром Д и высотой Н). В реальности формы печей более разнообразны, но их с некоторыми допущениями можно свести к этим двум геометрическим формам. Обычно при оформлении геометрии рабочего пространства для горизонтальных печей сначала определяют длину (L), а для вертикальных высоту (Н). Другие размеры устанавливают исходя из размеров нагреваемого материала, режима тепловой работы, назначения технологического процесса и т.д. Объем рабочего пространства печи (Vр.п.), как уже отмечалось, содержит в своем составе: зону технологического процесса, зону переноса теплоты, иногда зону теплогенерации. Соотношение объемов этих зон характеризуется коэффициентом заполнения рабочего пространства (Кз). Коэффициент заполнения рабочего пространства равен отношению объема зоны технологического процесса (Vм) к общему объему рабочего пространства.

Vм Кз = V р .п.

(1.39)

Значение коэффициента заполняемости зависит от поставленных технологических задач и тепловых режимов работы печей. Так при слоевом и внутреннем режимах теплообмена коэффициент заполняемости по значению приближается к единице, а в печах с радиационным или конвективным режимами теплообмена его значение приблизительно равно 0,25. Для обеспечения выделения тепловой энергии зона теплогенерации в той или иной мере должна иметь такие устройства, как топки, горелки, форсунки в топливных печах или электронагреватели, индукторы, элек-

52

троды, плазмотроны, лазерные и электронные пушки в электрических печах. Печи не могут функционировать без следующего оборудования: - нагнетательно-отсасывающего (вентиляторы, дымососы и т.п.), обеспечивающих движение печных газов в рабочем пространстве и их выброс в атмосферу; - различных механизмов загрузки, выгрузки и перемещения материалов в печи; - устройств для охлаждения узлов печи, подвергаемых сильному тепловому воздействию; - устройств для подогрева дутьевого воздуха (воздухоподогреватели) и топлива, а также шихтовых материалов; - очистных и аспираторных сооружений, обеспечивающих безопасность жизнедеятельности; - различного электрооборудования (силовые трансформаторы, усилители тока, преобразователи тока и т.п.), обеспечивающего печи электрической энергией, как для ее тепловой работы, так и для работы ее различных подвижных устройств и механизмов; - контрольно- измерительных приборов и устройств автоматизации (КИП и А), обеспечивающих заданные режимы работы печи и контроль за ними. 1.9.

ТОПЛИВО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ТОПЛИВА

Современная структура потребления топливо-энергетических ресурсов характеризуется следующими приближенными данными: освещение 0,5%; силовые процессы 25%; высокотемпературные процессы (свыше 673 К) 25%; средне- и низкотемпературные процессы (соответственно 423673 и 373-423 К) 49,5%. Освещение и силовые процессы определяют потребность в электроэнергии. Высокотемпературные процессы, а к ним относятся и тепловая обработка материалов в литейном производстве, определяет потребность в технологическом топливе, электроэнергии и паре. Причем доля технологического топлива в высокотемпературных процессах литейного производства в настоящее время, оставаясь значительной, постепенно уменьшается, уступая место электроэнергии. Электрической энергии как источнику тепловой энергии, предъявляются в основном требования к трем параметрам: напряжению (т.е. обеспечение его постоянства), подводимой мощности (обеспечение в необходимом количестве) и частоте (обеспечение постоянства частоты тока).

53

1.9.1. Классификация технологического топлива и основные требования, предъявляемые к нему.

Технологическим топливом называется горючее вещество, способное при сжигании в воздухе выделять значительное количество тепловой энергии. К технологическому топливу предъявляются следующие требования: - эти вещества должны быть достаточно распространены в природе и их добыча должна иметь, по возможности, низкие затраты; - сжигание этих веществ не должно быть связано с выделением вредных и ядовитых веществ опасных для здоровья и жизнедеятельности человека, а также окружающей среды; - эти вещества должны обеспечивать легкость своего сжигания и регулирование процесса горения. По агрегатному состоянию виды топлива разделяются на твердое, жидкое и газообразное. По происхождению – на естественные и искусственные. Топливо, используемое в том виде в котором оно находится в природе, называется естественным. В настоящее время естественное топливо является уникальным и невозобновляемым сырьем для химической, нефтехимической, фармацевтической, микробиологической и иных промышленностей. Хотя, как непосредственные источники тепловой энергии, они достаточно широко применяются в промышленности. Непосредственное сжигание естественного топлива по целому ряду причин не всегда целесообразно, поэтому в технике широко применяются методы переработки естественного топлива. Продукт переработки естественного топлива носит название искусственного топлива. Основные виды технологического топлива, которые используются в промышленности представлены в табл. 1.9.

54

Таблица 1.9 Классификация топлива по агрегатному состоянию и происхождению

Агрегатное соПроисхождение стояние естественное искусственное Твердое Дрова, торф, бурый Древесный уголь, кокс, полукокс, уголь, каменный уголь, брикеты, термоантрацит антрацит, горючие сланцы Жидкое Нефть Бензин, керосин, мазут и другие продукты переработки нефти, спирт, каменноугольная смола и др. Газообразное Природный и нефте- Газы: коксовый, доменный, свепромысловые газы тильный, водяной, генераторный, нефтезаводской и др. Самый древний вид топлива – дрова. В настоящее время дрова используются в промышленности очень ограниченно. Нефть как топливо применяется со второй половины XIX века. В настоящее время нефть является одним из важнейших ископаемых. Нефть в основном напрямую не сжигают. Ее используют для изготовления искусственных топлив: мазута, керосина и т.п. С древнейших времен в металлургии в качестве топлива применялся древесный уголь, однако появившийся в более позднее время кокс вытеснил его. В последнее время очень широкое применение получили природные газы. Увеличивается добыча каменного угля. При этом значительно увеличивается добыча углей, годных для коксования. Кокс и термоантрацит в основном используется при плавке чугуна в вагранках. Природный газ нашел самое большое распространение в сушильных и нагревательных (термических) печах, а также в плавильных печах для производства алюминиевых и медных сплавов. Из жидких топлив наибольшее распространение получил мазут. Он по некоторым показателям превосходит другие топлива, в т.ч. и природный газ. Очень часто его используют в качестве резервного для печей, работающих на природном газе. В целом ряде случаев работа на комбинированном газо-мазутном топливе оказывается экономически более выгодной, чем на одном газообразном.

55

Все виды топлива характеризуются своим составом, т.е. содержанием горючих и негорючих составляющих. Негорючие составляющие называются балластом топлива. Элементарный состав жидкого и твердого топлива

Как горючее, так и негорючие составляющие жидкого или твердого топлив находятся в различных, часто сложных, химических соединениях. Поэтому для удобства определения горючих составляющих жидкого или твердого топлива расчет производят по их элементарному составу. В полном виде элементарный состав жидкого или твердого топлив описывается уравнением массы рабочего топлива (рабочего – означает с учетом балласта и влажности):

Ср + Нр + Ор + Sр + Np + Vp + Ap + Wp + Рр = 100%, (1.40) р

р

р

р

p

где С ; Н ; О ; S ; N – содержание (по массе) соответствующих химических элементов в топливе (%); Vp; Ap; Wp; Рр – содержание (по массе) летучих, золы, влаги и пыли соответственно (%). Состав газообразного топлива

Состав газообразного топлива определяют по концентрации химических составляющих, как горючих, так и балласта. Очень часто концентрацию составляющих газообразного топлива выражают в объемных процентах (объемн.%), приведенных к нормальному состоянию. Так для природного газа состав рабочего топлива описывается следующим уравнением: CH 4p + ΣC n H mp + H 2p + CO p + CO 2p + N 2p + O2p + SO 2p + H 2 O p + NO xp =

=100(объемн.%)

(1.41)

где CH 4 иΣC n H m - содержание (по объему) метана и других углеводородов в рабочем топливе (объемн.%); H 2p ; CO p ; CO 2p ; N 2p ; O2p ; SO 2p ; H 2 O p ; NO xp - содержание различных газообразных составляющих рабочего топлива (объемн.%). p

p

56

1.9.2. Основные теплотехнические характеристики технологического топлива

Ценность топлива определяется следующими характеристиками: теплотворной способностью или теплотой сгорания; жаропроизводительностью; температурой воспламенения; удобством сжигания; содержанием вредных примесей. Кроме этого технологическое топливо может характеризоваться следующими параметрами: температурой вспышки; реакционной способностью; расходом воздуха на горение; пределом воспламенения; плотностью; пористостью; вязкостью; температурой застывания; размерами кусков или дисперсностью частиц. Теплотворная способность топлива

кДж кДж ; 3 ) – это максималькг м ное количество теплоты, которое может выделиться при полном сжигании 1 кг или 1 м3 топлива в холодном воздухе (Тв = 273 К). От теплотворной способности зависит расход топлива на проведение заданной тепловой обработки материала в печи. Различают высшую и низшую теплотворную способность. Их значения зависят от содержания влаги в топливе. Теплотворная способность топлива (

р

Высшая теплотворная способность ( Q в ) – это максимальное количество теплоты, выделенной при полном сгорании топлива с образованием воды. р

Низшая теплотворная способность ( Q н ) – это максимальное количество выделенной теплоты при полном сжигании топлива с учетом поглощения теплоты на парообразование. При парообразовании происходит поглощение теплоты в количестве:

2512 кДж/кг(Н2О).

Низшая теплотворная способность топлива более реальна. В данном случае процесс должен происходить без конденсации влаги, а продукты сгорания должны выходить из печи с температурой не менее 373 К (2730С). р

р При нормальных физических условиях Q н и Q в связаны между собой следующим выражением:

Q нр = Q вр - q H 2O ⋅ m H 2O ,

57

(1.42)

где q H 2O - удельная теплота испарения влаги (q = 2512

кДж ); кг

mH 2O - удельное содержание влаги в продуктах сгорания, полученных при

сжигании 1 м3 или 1 кг топлива, приведенное к нормальным условиям кг кг ( 3 ; ). м кг

Содержание балласта уменьшает теплотворную способность топлива и, соответственно, его жаропроизводительность. В газообразном топливе в качестве балласта чаще всего встречается Н2О, N2 и СО2. В жидком топливе - Н2О и сернистые соединения. В твердом топливе – вода, различные минеральные твердые и летучие соединения, оксиды и т.д. Летучая часть балласта топлива переходит в продукты сгорания, а твердая – образует золу при сжигании. Поэтому жидкие и твердые топлива характеризуp p ются такими параметрами, как содержание влаги (W ) и летучих (V ), а р также значением зольности (А ). Температуры продуктов горения топлива

Температурными характеристиками топлива являются: жаропроизводительность, калориметрическая температура, теоретическая температура и действительная температура горения. Жаропроизводительность является основной температурной характеристикой топлива. Жаропроизводительность (Тж) – это максимальная температура, которая развивается при полном сжигании топлива в воздухе с учетом парообразования, но без учета диссоциации продуктов сгорания. Значение жаропроизводительности топлива показывает на его тепловые возможности при обработке материала в печах. Сжигание топлива в современных печах часто производят с использованием подогрева воздуха и самого топлива. Несомненно, что физические теплоты топлива и "дутьевого" воздуха, вносимые в теплосодержание продуктов сгорания дополнительно, должны повысить их температуру (т.е. выше значения Тж). Максимально возможная температура горения с учетом физических теплот топлива и "дутьевого" воздуха, но без учета потерь теплоты в окружающее пространство и на диссоциацию продуктов сгорания называется калориметрической температурой горения. Ее значение определяется по уравнению:

58

Тк =

Qнр + Qф.т. + Qф.в. n

∑ сi ⋅ υi

, (К),

(1.43)

i =1

где

Q нр - низшая теплотворная способность топлива (кДж/кг или кДж/м3);

Qф.т. и Qф.в. – физические теплоты, вносимые топливом и "дутьевым" воздухом в зону горения (кДж/кг или кДж/м3); ci – средня теплоемкость i-го компонента продуктов сгорания при температуре Тк (

кДж ); м ⋅ град 3

υi – объем i-го компонента продуктов сгорания при сжигании единицы

массы или объема топлива, приведенный к нормальным условиям (м3); n – количество компонентов в продуктах сгорания.

При Qф.т. = 0 и Qф.в. = 0 калориметрическая температура горения должна быть равна жаропроизводительности:

Тк = Тж, при Qф.т. = Qф.в.= 0. Реально при высоких температурах происходят реакции диссоциации продуктов сгорания: СО2 → СО + 1/2О2; Н2О → Н2 + 1/2О2 Эти реакции требуют затрат теплоты, т.е. относятся к эндотермическим реакциям. Также в реальных условиях горения обязательно наблюдается химический недожог топлива. Значение температуры горения топлива с учетом потерь теплоты на диссоциацию продуктов сгорания и химический недожог топлива называют теоретической температурой (Тт). Известно, что при увеличении значения жаропроизводительности топлива степень диссоциации его продуктов сгорания увеличивается. Практически влияние диссоциации продуктов сгорания на значение теоретической температуры сказывается при значениях температуры выше 1873-1923 К (1600-16500С).

59

Для определения теоретической температуры горения топлива в воздухе часто используют поправочный коэффициент, учитывающий степень диссоциации продуктов сгорания (коэффициент диссоциации – φ):

Тт = φ · Тк ,

(1.44)

при Т = 2473 К – φ ≈ 0,93; при Т = 2323 К – φ ≈ 0,95; при Т = 2223 К – φ ≈ 0,96; при Т = 2123 К – φ ≈ 0,97. Действительная температура горения (ТД) – это температура продуктов горения, которая достигается при сжигании топлива в реальных условиях работающей печи. Данная температура будет ниже, чем значение теоретической температуры, вследствие теплообмена продуктов сгорания в рабочем пространстве печи. Для практических расчетов действительной температуры горения (ТД) все потери теплоты, происходящие при теплообмене продуктов сгорания в рабочем пространстве, учитываются специальными пирометрическими коэффициентами (η), значения которых определены экспериментальным путем:

ТД = η · Тт = η ·φ · Тк

(1.45)

Значение пирометрического коэффициента зависит от конструкции рабочего пространства печи и условий сжигания топлива. В табл. 1.10 приведены значения η для наиболее распространенных конструктивных вариантов печей. Таблица 1.10 Значение пирометрического коэффициента (η)

Вариант печи Камерные печи периодического действия Проходные печи, методические нагревательные печи Закрытые туннельные печи Вагранки

η 0,62-0,70 0,70-0,75 0,75-0,82 0,78-0,85

60

Теоретический расход воздуха на горение. Коэффициент расхода воздуха.

Теоретический расход воздуха на горение или стехиометрический объем воздуха (Lт) – это минимально возможное количество воздуха, необходимое для полного горения единицы массы или объема топлива, рассчитанное по стехиометрическим уравнениям горения, согласно химического состава топлива. Полное горение топлива – это такое горение, при котором в продуктах сгорания не образуются горючие газы, способные в дальнейшем догорать с выделением теплоты. В реальных условиях тепловой обработки действительный или фактический расход воздуха на горение (LД), по заданным условиям сжигания, часто имеет значение отличное от значения теоретического расхода (Lт ). Соотношение действительного расхода воздуха на горение (LД) к теоретическому расходу (Lт) учитывается специальным коэффициентом (α), который называется "коэффициентом расхода воздуха на горение топлива":

α=

LД Lт

(1.46)

Несомненно, что для полного сжигания топлива, в реальных условиях практический расход воздуха (Lпр) будет выше по значению, чем Lт. На практический расход воздуха при полном горении будут оказывать влияние следующие факторы: - вид топлива и его подготовка к горению; - устройство топок и топливосжигающего оборудования; - назначение и конструкция печи. Реально для полного сжигания топлива, в зависимости от его вида, рекомендуются следующие значения коэффициента расхода воздуха (αп = Lп/ Lт): - газообразное топливо – 1,05-1,10; - мазут – 1,10-1,25; - пылевидное топливо – 1,20-1,25; - каменноугольное топливо – 1,20-1,70. Изменяя коэффициент расхода воздуха можно регулировать состав продуктов сгорания и их температуру. В приложении Ж , в качестве при-

61

мера, приведены состав и калориметрическая температура горения природного газа в зависимости от коэффициента расхода воздуха и температуры его подогрева. Температура воспламенения и вспышки

Температура воспламенения топлива характеризует момент перехода реакции его окисления от медленного протекания к быстрому (т.е. горению). Для большинства горючих газов температура воспламенения находится в пределах 773-873 К (500-6000С). Для твердого топлива температура воспламенения находится в пределах 973-1073 К (700-8000С). Чем больше летучих веществ в твердом топливе, тем ниже его температура воспламенения. Жидкое топливо воспламеняется только в парообразном состоянии при 773-973 К (500-7000С). Кроме температуры воспламенения жидкое топливо характеризуется температурой вспышки. Это значение температуры, при которой над поверхностью жидкого топлива образуется взрывчатая газообразная смесь из паров топлива и воздуха. Температура вспышки значительно ниже температуры воспламенения. Например, у мазута температура вспышки имеет значение 353-373 К (80-1000С). Следует отметить, что присутствие балласта в топливе повышает температуру воспламенения, а водяной пар до определенной концентрации является катализатором горения топлива (без присутствия группы ОН по теории цепной реакции горения невозможно сжигание топлива). Пределы воспламенения

Пределы воспламенения – это граничные концентрации горючего газа в горючей газовоздушной смеси, в пределах которых происходит ее воспламенение. Данный параметр характерен для газообразных топлив. Горючие газовоздушные смеси в пределах воспламенения взрывоопасны. Они могут взорваться от любого источника огня (спички, искры и т.п.). Повышение температуры среды расширяет пределы воспламеняемости среды. В качестве примера. Пределы воспламеняемости природного газа при температуре 293 К (200С) имеют следующие значения: - минимальная концентрация газа (объемн.) – 3% - максимальная концентрация газа (объемн.) – 17%.

62

Удобство сжигания

Удобство сжигания топлива характеризуется трудоемкостью подготовки топлива к сжиганию и затратами дополнительной энергии на его подготовку и розжиг. Кокс, например, перед сжиганием просеивают и сортируют по размерам кусков (что важно для наведения холостой колоши вагранки). Розжиг кокса требует затрат дополнительного топлива (природного газа, дров) и длителен по времени. Мазут перед сжиганием необходимо подогреть, что требует специальных устройств для подогрева. Его сжигание связано с обязательным распылением сжатым воздухом, паром и др. дополнительными источниками кинетической энергии. Природный газ разжигается достаточно легко с помощью газового или электрического запальника. Вредные примеси

Вредные примеси топлива оказывают существенное влияние на экологическую обстановку при его сжигании в печах. Чем больше вредных примесей в топливе, тем больше капитальных затрат на очистку продуктов сгорания. К часто встречающимся вредным примесям относятся сера и ее соединения, пылевидные частицы (оксиды, частицы самого топлива и пр.). Такая примесь, как сера, кроме экологической опасности, наносит вред качеству сплавов при их производстве (особенно при производстве чугуна и стали). Реакционная способность твердого топлива

Реакционная способность – это способность топлива, содержащего углерод, участвовать, при высоких температурах, в реакции газификации углерода, при продувке его углекислым газом (СО2):

С + СО2 → 2СО

(1.47)

Эта реакция эндотермическая. Для ее прохождения требуется затраты теплоты: Qэнд = 13548 кДж/кг(С) Реакционная способность (R) характеризует степень прохождения реакции газификации и определяется соотношением количества (СО2) и

63

(СО) в продуктах сгорания, выраженных в объемных процентах (объемн.%) и приведенных к нормальным условиям:

R=

CO (объемн.%) СО (объемн.%) + СО2 (объемн.%)

(1.48)

Чем больше реакционная способность топлива, тем больше СО выделяется в продукты сгорания, тем меньше температура продуктов сгорания. На реакционную способность большое влияние оказывает пористость топлива. Чем выше пористость топлива, тем выше его реакционная способность. Одной из важных характеристик ценности топлива является его стоимость. Однако следует отметить, что стоимость топлива должна всегда рассматриваться в комплексе с транспортными расходами, хранением, затратами на обеспечение безопасности и т.п. Условное топливо и эквивалентный коэффициент

Для сопоставления различных технологических топлив введено понятие «Условное топливо». Условное топливо – это такое предполагаемое топливо, у которого низшая теплотворная способность принята равной:

Qр н.усл.т = 29350 кДж/кг. Для сравнения различных технологических топлив, при расчетах их расхода, производят перерасчет количества реального топлива (тр.т.) в количество условного топлива (тусл.т.). Перерасчет производится с помощью эквивалентного коэффициента (Э):

тусл.т = Э · тр.т

(1.49)

Эквивалентный коэффициент связывает между собой низшие тепр лотворные способности реального топлива (Q н.р.т.) и условного топлива (Qр н.усл.т.): Qнр. р.т. 1 = ⋅ Qнр. р.т. = 34ּ 10-6 ּ Qн. р.т. Э= р (1.50) Qн. усл.т. 29350

64

1.9.3. Перспективы использования естественного топлива

По состоянию на начало 2006 года общее потребление первичной энергии в мире составило 15,05 млрд. тонн условного топлива или 2,42 тонн условного топлива в среднем на одного жителя планеты в год. В табл. 1.11 представлена структура мирового потребления первичной энергии по ее видам на начало 2006 года. Таблица 1.11 Структура мирового потребления энергии по регионам мира на начало 2006 г. (в %)

Регионы

Всего

Северная, Центральная и Южная Америка, в т.ч. США Европа и Евразия, в т.ч. Россия Ближний Восток Африка АзиатскоТихоокеанский регион, в т.ч.: Китай Япония

31,3

Виды первичной энергии природАтомная нефть ный газ уголь и гидроэнергия 35,3 32,8 21,6 38,8

22,2 28,3

24,6 25,1

23,0 40,8

19,6 18,4

19,0 36,5

6,4 4,8 3,0

3,4 7,1 3,4

14,7 9,1 2,6

3,8 0,3 3,4

5,7 0,35 1,75

32,6 14,7 5,0

29,1 8,5 6,4

14,7 1,7 2,9

56,3 36,9 4,1

22,5 7,9 6,6

Обеспеченность основными видами энергетических ресурсов регионов мира крайне неодинакова. Географическое несовпадение центров запасов и, соответственно, производства энергетических ресурсов и преимущественных центров потребления определяет две основные проблемы развития мировой экономики: - обеспечение надежности поставок огромных объемов энергетических ресурсов из центров производства в центры их потребления; - установление разумных цен на энергоресурсы в нестабильных условиях развития экономики. В табл. 1.12 представлены данные о распределении запасов основных топливо-энергетических ресурсов по состоянию на начало 2006 года.

65

Таблица 1.12 Распределение основных топливо-энергетических ресурсов по регионам мира (в %)

Регионы Северная, Центральная и Южная Америка, в т.ч. США Европа и Евразия, в т.ч. Россия Ближний Восток Африка АзиатскоТихоокеанский регион, в т.ч.: Китай Япония

Природный газ

Нефть

Каменный и бурый уголь

8,4

13,8

30,2

3,2 35,3 27,5 41,9 8,0

2,2 11,8 6,2 61,9 9,2

27,1 31,6 17,3 0,05 5,5

6,4 0,9 -

3,3 1,3 -

32,6 12,6 0,04

В настоящее время использовать естественные виды топлива напрямую для сжигания в топках печей нерационально, т.к. они являются уникальным сырьем многих перерабатывающих отраслей промышленности. Поэтому в настоящее время необходимо использовать комплексные энерготехнологические методы использования топлива, в которых предусматривать комбинированные процессы: - с одной стороны для извлечения всех ценных составляющих из топлива; - с другой стороны для рационального сжигания топлива с последующей организацией технологий утилизации продуктов сжигания. По простейшей энерготехнологической схеме естественное топливо необходимо подвергать специальной термической переработке, в результате которой получается: - ценное сырье для химической и иной промышленности; - высококалорийное искусственное технологическое топливо (твердое, газообразное, жидкое, пылевидное). Энерготехнологические методы в настоящее время возможно использовать для всех видов твердых, жидких и газообразных топлив.

66

Так путем переработки угля получают сотни ценных продуктов. Из нефти и природного газа производится более 95% продуктов органического синтеза: полиэтилен; пластмассы; полиэфирные волокна; синтетический каучук; кормовой белок и т.д. На рис. 1.13, в качестве примера, представлена энерготехнологическая схема переработки природного газа в сырье химической промышленности и синтетическое высококалорийное технологическое топливо.

Технологическое топливо Природный газ

Термическая переработка

Горючий газ Получение электроэнергии

Сырье для химической и иной промышленности

Рис. 1.13. Энерготехнологическая схема рационального использования природного газа.

1.10. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПЕЧЕЙ

Работа любой печи характеризуется определенным набором количественных, геометрических и теплотехнических параметров, которые определяют их возможности при решении заданных технологических задач. 1.10.1. Количественные и геометрические параметры работы Количественные параметры печи характеризуют объемы процесса тепловой обработки, производимого в ней. Самым основным количественным параметром работы печи является ее производительность. Для характеристики печи обычно используют два понятия производительности – это общая производительность и удельная производительность. В печах периодического действия количественные параметры характеризуются количеством изделий массой или объемом материала (сад-

67

кой), загружаемых в рабочее пространство (т; м3; шт.), а также временем цикла тепловой обработки (час). Общая производительность печи (G; M; V; L) характеризует количественные ее возможности по тепловой обработке материала (т/час; м3/час; шт/час; т/цикл; шт/цикл). Именно общая производительность печи совместно с такими характеристиками, как размеры материала, назначение тепловой обработки и режим тепловой работы, определяют размеры ее рабочего пространства. Удельная производительность печи (g; m; υ) характеризует интенсивность ее работы. Данный параметр определяет производительность работы единицы площади пода или единицы объема рабочего пространства печи [(кг/(м2·час); кг/(м3·час)]. Удельную производительность называют массовой напряженностью пода или массовой напряженностью рабочего пространства. Например, для современных нагревательных печей массовая напряженность пода составляет 550-570 кг/(м2·час). Для оценки интенсивности работ печей периодического действия, работающих циклически, вводят понятие условной производительности. Ее определяют отношением массы или объема «садки» к времени технологического цикла тепловой обработки (т/час; м3/час; шт/час). Геометрические параметры печи характеризуют ее возможности при тепловой обработке материала или изделий, исходя из их габаритных размеров и плотности упаковки. Геометрические параметры печи долны быть связаны с ее производительностью. К геометрическим параметрам печи можно отнести: - размеры рабочего пространства (высота, длина, ширина; или площадь пода; или площадь поперечного сечения и длина); - объем рабочего пространства; - коэффициент загрузки рабочего пространства; - габаритные размеры печи. 1.10.2. Теплотехнические параметры работы

Теплотехнические параметры характеризуют тепловую работу печи. К ним можно отнести следующие параметры: рабочую температуру печи и температурный режим ее работы; тепловую нагрузку и тепловой режим ее работы; тепловую мощность; удельную тепловую мощность; коэффициент форсирования; тепловое напряжение рабочего пространства; удельный расход тепловой энергии или технологического топлива. Рабочая температура печи (Тп) – это максимальная температура, которая может использоваться в данной печи для тепловой обработки ма-

68

териала. Данный параметр определяет предельные возможности печи по тепловой обработке материала. (τ) Температурный режим работы (Тп ) – это заданный график изменения температуры в печи во времени (К/с). Данный параметр назначается исходя из технологических задач нагрева (температурного графика нагрева) материала. Тепловая нагрузка (Wп) – это количество тепловой энергии, подаваемое в рабочее пространство печи в единицу времени (Вт). Тепловая нагрузка определяется тепловым режимом печи. В топливных печах тепловую нагрузку часто характеризуют расходом технологического топлива (В) в единицу времени (кг/час; м3/час; кг/с; м3/с). (τ) Тепловой режим печи (Wп ) – это график изменения тепловой нагрузки во времени (Вт/с). Тепловой режим должен поддерживать заданный температурный режим печи. Тепловая мощность печи (Wmax) – это наибольшее количество тепловой энергии, которое можно подать в печь в единицу времени (Вт). Тепловая мощность характеризует тепловые возможности печи. Удельная тепловая мощность (ϖ max) – это тепловая мощность, отнесенная к единице площади печи Fп или единице объема рабочего пространства Vр.п. (Вт/м2; Вт/м3):

Wmax ϖ max = ;ϖ Fn

Wmax max = V р .п.

(1.51)

Коэффициент форсирования (Кф) – это отношение тепловой мощности к средней тепловой нагрузке за время работы печи:

Wmax Кф = W п .ср .

(1.52)

Тепловое напряжение (тепловая напряженность) рабочего пространства (ϖ н) – это номинальная тепловая нагрузка печи (Wп.ном.), отнесенная к единице площади пода (Fп) или к единице свободного объема рабочего пространства (Vр.п.):

69

Wп.ном. Wп.ном. ϖн= ϖ Fn ; н = V р.п.

(1.53)

Тепловая напряженность может изменяться в достаточно широком пределе:

ϖ н = (60 – 1200) (кВт/м3) В электрических печах сопротивления вместо теплового напряжения используется понятие удельная поверхностная мощность – это номинальная тепловая нагрузка (Wп.ном.), отнесенная к единице поверхности нагревателя. Удельный расход тепловой энергии или технологического топлива (ϖ уд; Вуд) – это расход тепловой энергии или технологического топлива на единицу массы материала, подвергаемого тепловой обработке (Дж/кг; Вт/кг; кг/кг; м3/кг). 1.10.3. Энергетический к.п.д. печей

В топливных печах эффективность тепловой работы характеризуется общим тепловым к.п.д. печи (η0), который равен отношению количества полезно затраченной теплоты (Qп) к общей тепловой энергии, вводимой в печь: Qп η0 = (1.54) р (В ⋅ Qн + Qф + Qдоп ) , р

где Q н – низшая теплотворная способность топлива (Дж/кг или Дж/м3); В – расход топлива на сжигание в печи (кг; м3 или кг/с; м3/с); Qф – физическое тепло топлива и дутьевого воздуха, вносимые в печь (Дж или Дж/с); Qп – полезно затраченная теплота (Дж или Дж/с); Qдоп – дополнительно вводимая теплота в печь (Дж или Дж/с). Для электрических печей характерны три показателя к.п.д.: электрический; тепловой; общий. Электрический к.п.д. – это отношение количества электроэнергии, поступившей в печь, к количеству электроэнергии, поданной от силовой сети к печной установке:

70

Wn ηэ = W , c

(1.55)

где Wп – электрическая мощность, поступившая в печь (Вт); Wс – электрическая мощность, поданная к печной установке от силовой сети (Вт). Электрический к.п.д. печи характеризует количество потерь электроэнергии электрооборудованием печной установки. Тепловой к.п.д. электрической печи – это отношение полезно затраченной тепловой энергии (Qп) ко всей энергии, поступившей в рабочее пространство печи:

ηт =

Qn , Wn + Wдоп

(1.56)

где Wп – электрическая мощность, поступившая в печь (Вт); Wдоп – дополнительно введенная тепловая энергия в рабочее пространство печи (Вт). Общий к.п.д. электрической печи – это отношение полезной тепловой энергии (Qп) к общей электроэнергии (Wс), подаваемой от силовой сети к печной установке:

Qn ηо = W , c

(1.57)

Если дополнительно введенная тепловая энергия в рабочее пространство печи равна нулю (Wдоп = 0), то общий к.п.д., в данном случае, будет равен:

ηо = ηэ · ηт

71

(1.58)

1.11. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ К ПЕЧАМ ЛИТЕЙНЫХ ЦЕХОВ

Печи литейных цехов относятся к особо опасным объектам поэтому к ним предъявляются особые требования по экологической безопасности, взрывобезопасности, пожаробезопасности и иной промышленной безопасности. Проектирование, строительство, эксплуатация печей, подготовка и аттестация работников, эксплуатирующих печей, должно производиться в соответствии с требованиями специальных нормативных Правил безопасности, которые утверждаются постановлением Госгортехнадзора России. К ним относятся: - "Правила безопасности в литейном производстве" (ПБ 11-551-03); - "Общие правила безопасности для металлургических и коксохимических предприятий и производств" (ПБ 11-493-02); - "Правила безопасности в газовом хозяйстве металлургических и коксохимических предприятий и производств" (ПБ 11-401-01); - соответствующие строительные нормы и правила (СН и П), санитарные нормы (СН), правила противопожарной и электробезопасности (ППБ; ПУЭ; РД и т.п.) и иные нормативные документы. В принятых Нормативных документах особое внимание уделяется экологической безопасности при эксплуатации печей. Так в "Правилах безопасности в литейном производстве" п.2.2.1 гласит: - "Применяемые вагранки должны быть закрытого типа и оборудованы взрывобезопасными устройствами для пылеоочистки, дожигания колошниковых газов…. Содержание СО в отходящих газах не должно превышать 0,1%, пыли – не более 80-100 мг/м3". Печи литейных цехов нельзя эксплуатировать без специального разрешения соответствующего органа Госнадзора РФ, а обслуживающий персонал должен пройти обучение и получить соответствующий допуск на эксплуатацию и ремонт печей.

72

2. ОБЩАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ И КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПЕЧЕЙ Как уже отмечалось, печи литейных цехов выполняют определенные технологические задачи, которые входят в общий технологический процесс изготовления отливок. Поэтому за основу анализа и классификации печей необходимо взять технологическое назначение печей. Для выполнения конкретных технологических задач тепловой обработки материала необходим какой-то принцип действия печи. То есть данный признак характерен для всех печей и, поэтому, используется при классификации печей.

Характерные классификационные признаки печей

Технологическое назначение

Принцип действия и исполнение

Форма рабочего пространства

Способ утилизации теплоты отработанных газов

Температурный режим

Способ загрузки и передвижения материала

Источник теплогенерации

Режим теплообмена

Печная атмосфера

Рис. 2.1. Основные признаки, характерные для печей и принятые за основу их классификации

73

Известно, что, для осуществления своего назначения, любая печь должна иметь, как минимум, два основных элемента, которые собственно ее образуют, это: - рабочее пространство, где производится тепловая обработка материала; - зона с источником генерации тепловой энергии, необходимой для тепловой обработки. Поэтому включение в анализ и классификацию печей таких характерных признаков, как способ генерации тепловой энергии и форма рабочего пространства, не должно вызывать сомнений. Технологические процессы тепловой обработки материала требуют определенных температурных режимов, которые должны обеспечиваться определенным режимом теплообмена. Поэтому данные характерные признаки подвергаются анализу и входят в классификацию печей. Любой технологический процесс тепловой обработки реализуется в рабочем пространстве печи с какой-то печной атмосферой. Т.е. способ реализации технологического процесса тепловой обработки в той или иной печной атмосфере является характерным признаком печей и должен использоваться при классификации печей. Таким образом, к классификационным признакам можно отнести следующие характерные признаки печей (см.рис.2.1): - технологическое назначение; - принцип действия и конструктивное исполнение; - геометрическая форма рабочего пространства; - способ загрузки материала и его передвижения в рабочем пространстве; - источник теплогенерации; - температурный режим и режим теплообмена; - способ утилизации теплоты отходящих печных газов; - печная атмосфера в рабочем пространстве. 2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМУ НАЗНАЧЕНИЮ

В зависимости от технологического назначения печи подразделяются на три группы: плавильные; нагревательные и сушильные. По более узкому технологическому назначению они могут подразделяться на подгруппы и т.д. Плавильные печи

К плавильным печам относятся печи, в которых осуществляют производство из исходных твердых шихтовых материалов жидкого сплава за-

74

данного химического состава, температуры и качества. Изменение агрегатного состояния технологического материала сопровождается изменением формы, размеров, плотности и прохождением различных окислительновосстановительных реакций. Все эти процессы сопровождаются значительными тепловыми эффектами, что оказывает определенное влияние на тепловую работу печей. В зависимости от поставленных технологических задач плавильные печи можно классифицировать следующим образом (см.рис.2.2): - собственно плавильные печи; - печи доводки и выдержки расплава (миксеры); - раздаточные печи. По назначению, т.е. исходя из производства какого-то типа сплава, плавильные печи подразделяют на сталеплавильные, чугуноплавильные и для плавки цветных сплавов. Печи для плавки цветных сплавов, в свою очередь, подразделяют на печи для плавки алюминиевых, медных, цинковых, магниевых, титановых и иных литейных сплавов. Первичные плавильные

Миксерования

Раздаточные

По технологическим задачам

ПЛАВИЛЬНЫЕ ПЕЧИ

По

Чугуноплавильные

Легкоплавких (Al;Mg;Zn и пр.)

назначению

Для цветных сплавов

Среднеплавких (Сu;Ni и пр.)

Сталеплавильные

Тугоплавких (Тu и пр.)

Рис. 2.2. Классификация плавильных печей

75

Нагревательные печи

Нагревательные печи предназначены для нагрева твердых материалов и изделий без изменения их агрегатного состояния. Т.е. в этих печах не происходит существенных изменений химического состава, формы, размеров и плотности теплообрабатываемого материала. Поэтому технологические процессы в печах данной группы не оказывают существенного влияния на их тепловую работу. В зависимости от технологических задач, поставленных перед нагревательными печами, их подразделяют (см.рис. 2.3): - на печи для нагрева отливок под заварку; - на печи для прокалки керамических литейных форм; - на термические печи. Нагрев отливок для исправления дефектов

Прокалка форм

НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ

ПЕЧИ

Термические

отжиг

закалка

нормализация

универсальные

отпуск

агрегаты

Рис. 2.3. Классификация нагревательных печей

Термические печи наиболее распространенные в группе нагревательных печей. Они служат для изменения структуры сплава в отливках, снятия внутренних напряжений в теле отливок и стабилизации их размеров при тепловой обработке. Термические печи в зависимости от технологических задач подразделяются на печи отжига, закалки, отпуска или нормализации.

76

Если печь может выполнять поочередно несколько технологических задач, то их называют универсальными термическими печами. Если несколько печей с различными технологическими задачами объединяются в единую технологическую цепочку термической обработки отливок, то их в данном случае называют агрегатами. Сушильные печи

-

К сушильным печам относятся (см.рис. 2.4): печи для сушки исходных формовочных материалов; печи или стенды для сушки литейных форм; печи для сушки стержней; печи для сушки и подогрева шихтовых материалов; печи для сушки пиломатериалов, используемых для изготовления моделей; печи или стенды для сушки и прокалки заливочных ковшей; печи для сушки отливок после окраски. СУШИЛЬНЫЕ ПЕЧИ

Формовочных материалов (песка и глины)

Форм и стержней

Шихтовых материалов

Пиломатериалов

Заливочных ковшей

Отливок после окраски

Рис. 2.4. Классификация сушильных печей

77

2.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ПРИНЦИПУ ДЕЙСТВИЯ И КОНСТРУКТИВНОМУ ИСПОЛНЕНИЮ

По принципу действия все печи подразделяются на две группы (см.рис. 2.5): периодического и непрерывного действия. ПЕЧИ ПО ПРИНЦИПУ ДЕЙСТВИЯ И КОНСТРУКТИВНОМУ ИСПОЛНЕНИЮ

Периодического действия

Поворотные

Непрерывного действия

Стационарные

Тупиковые

Вращающиеся

Проходные

Рис. 2.5. Классификация печей по принципу действия и конструктивному исполнению

В печах непрерывного действия технологический процесс тепловой обработки материала не прерывается в течение длительного времени. Данный процесс отвечает требованиям массового производства отливок. В печах непрерывного действия необходимо обеспечивать: - непрерывное движение материала в ее рабочем пространстве; - непрерывную подачу исходных материалов или изделий в рабочее пространство; - непрерывную выгрузку обработанного материала или изделий из рабочего пространства. Печи периодического действия работают циклично. В этих печах тепловая обработка материала производится партиями (садкой) без его передвижения в рабочем пространстве. Характерной особенностью печей периодического действия является то, что в каждом последующем цикле требуется производить

78

дополнительные затраты теплоты на нагрев остывшей футеровки (аккумуляцию теплоты футеровкой). По конструктивному исполнению печи можно подразделить на стационарные, поворотные, вращающиеся, тупиковые или проходные. Как правило вращающиеся печи являются проходными непрерывного действий. Стационарные печи могут быть как периодического, так и непрерывного действий. Стационарные печи непрерывного действия могут быть только проходные, а периодического – как проходные, так и тупиковые. Поворотные печи могут быть только периодического действия. 2.3. КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ФОРМЕ РАБОЧЕГО ПРОСТРАНСТВА

По форме рабочего пространства печи подразделяют (см.рис. 2.6) на ванные, тигельные, шахтные, шахтно-ванные, барабанные и камерного типа. Как правило, ванные, тигельные и шахтные печи используют для плавки литейных сплавов. ФОРМЫ РАБОЧЕГО ПРОСТРАНСТВА ПЕЧЕЙ

Ванные

Тигельные

Шахтные

Шахтно-ванные

Барабанные

Камерного типа

Рис. 2.6. Классификация печей по форме рабочего пространства

Ванные печи

Ванные печи по форме рабочего пространства представляют собой горизонтальную емкость с прямоугольным или круглым основанием, выполненную из огнеупорной и теплоизолирующей оболочки (футеровки).

79

В зависимости от технологического назначения и габаритных размеров ванные печи подразделяются на стационарные и поворотные (см.рис. 2.7).

а)

б)

Рис. 2.7. Схемы ванных плавильных печей: а – стационарных (пламенных или электросопротивления); б – поворотных (электрических или пламенных).

Ванные печи используют в основном для плавки стали, алюминиевых и медных сплавов. Они могут быть как топливные, так и электрические. Иногда ванные печи используются для нагрева отливок в жидких соляных средах (соляные ванны). Тигельные печи

В тигельных печах рабочее пространство выполнено в форме вертикального полого цилиндрического или конического огнеупорного изделия с дном. Иногда данное изделие имеет форму параллелепипеда. В печном хозяйстве данные изделия называются тиглем. Именно в тигле данных печей происходит технологический процесс плавки, доводки и выдержки литейных сплавов. По конструктивному исполнению тигельные печи могут быть стационарные или поворотные, с постоянным или выемным тиглями (см.рис. 2.8). В зависимости от способа генерации теплоты тигельные печи могут быть индукционные, электросопротивления или топливные.

80

а)

б)

в)

Рис. 2.8. Схемы тигельных печей: а – стационарных с постоянным тиглем; б – поворотных с постоянным тиглем; в – стационарных с выемным тиглем

Для изготовления тиглей применяются жаропрочные чугуны и стали, а также жаростойкие огнеупорные изделия (графитовые, графитошамотные, алундовые и т.п.). В индукционных тигельных печах постояные тигли изготавливаются непосредственно на печи набивкой специальных огнеупорных масс на основе огнеупорных песков (маршалита, хромомагнезита и т.д.). Набивка на печи осуществляется с помощью шаблона. Затем тигель в печи просушивается и спекается без изъятия шаблона. Шахтные и шахтно-ванные печи Шахтные печи имеют рабочее пространство в форме вертикальной цилиндрической или конической шахты, выполненной из огнеупорной и теплоизоляционной оболочки (футеровки с металлическим кожухом). Оболочку печи могут выполнять: из огнеупорных изделий (кирпичей); из огнеупорных набивных масс; из огнеупорных панелей и т.п.

81

Рис. 2.9. Схема шахтной чугуноплавильной печи - вагранки

Классическим примером шахтной печи является вагранка (рис. 2.9). Она служит в качестве плавильного агрегата для плавки чугуна. В этих печах используется слоевой режим тепловой работы. Они непрерывного действия и работают по принципу противотока, т.е. движение шихтовых материалов и печных газов в рабочем пространстве противоточное. При длительной плавильной компании огнеупорная оболочка рабочего пространства вагранки выполняется из “гарнисажа”. В данном случае металлический кожух шахты вагранки принудительно охлаждается потоком воды. Шахтно-ванные печи совмещают ванну и шахту. В шахте в основном происходит подогрев шихты и ее плавление, а в ванне печи проводят перегрев расплава.

82

а)

б)

Рис. 2.10. Схемы шахтно-ванных печей: а – чугуноплавильной с водоохлаждаемыми колосниками; б – для плавки алюминиевых сплавов с разделением ванны на зоны плавки и доводки

Для поддержания столба шихты в шахте печи, в нижней ее части выполняются: - либо подина с уклоном в сторону ванны; - либо водоохлаждаемые колосники. Ванну печей данной конструкции иногда разделяют на отдельные зоны: плавки и перегрева расплава. Шахтно-ванные печи с выполнением водоохлаждаемых колосников в нижней части шахты используют для плавки чугуна (см.рис. 2.10а). Шахтно-ванные печи с разделением ванны на зоны плавки и перегрева в основном используют для плавки алюминиевых сплавов (см.рис. 2.10б). Барабанные печи Барабанные печи имеют рабочее пространство в виде горизонтального или наклонного цилиндров. Иногда барабанные печи имеют форму усеченного конуса или нескольких усеченных конусов, расположенных друг в друге противоположно по направлению конусности.

83

а)

б)

в)

Рис. 2.11. Схемы барабанных печей: а – вращающихся наклонных одноходовых; б – вращающихся конусных многоходовых; в – поворотных плавильных (топливных или электрических)

В зависимости от конструктивного исполнения барабанные печи могут быть вращающиеся или поворотные (см. рис. 2.11). Вращающиеся барабанные печи используются: - для сушки сыпучих материалов (например, песка); - для термообработки малогабаритных отливок в поточно-массовом производстве. Они всегда выполняются непрерывного действия. Материалом для изготовления барабанов, в данном случае, могут служить износостойкие жаропрочные чугуны или стали. Вращающиеся барабанные печи, в зависимости от изменения направления потока сыпучего материала могут быть одноходовые (см.рис. 2.11а) и многоходовые (рис.2.11б). Поворотные барабанные печи (см.рис. 2.11в) служат для плавки, выдержки и раздачи литейных сплавов. Они периодического действия. Рабочее пространство этих печей выполнено из огнеупорных футеровочных материалов и изделий. Барабанные печи могут быть, как топливные, так и электрические (дуговые и канальные). Печи камерного типа

Печи камерного типа имеют форму рабочего пространства в виде горизонтального или вертикального параллелепипеда (иногда цилиндра), выполненного из огнеупорных и теплоизоляционных стенок. Отличительной особенностью данных печей является то, что они служат

84

для тепловой обработки готовых изделий или материалов, расположенных в каком-то мерном жаростойком сосуде (подоне, корзине, коробе, тигле и т.п.) или на конвейере. В данном случае изделия, подвергаемые тепловой обработке, не принимают форму зоны технологического процесса, в основном не соприкасаются с внутренними стенками рабочего пространства и не вступают с ними в какое-либо взаимодействие. Горизонтальные печи камерного типа (см.рис. 2.12) по исполнению могут быть: - тупиковые периодического действия; - проходные, как периодического, так и непрерывного действия; - колпаковые, в которых нагреваемое изделие, установленное на стационарный под, накрывается сверху съемным футерованным корпусом печи.

а)

б)

в)

Рис. 2.12. Схемы горизонтальных печей камерного типа: а – тупиковых периодического действия; б – проходных периодического или непрерывного действия; в – колпаковых периодического действия

В основном горизонтальные печи камерного типа используются: для сушки литейных форм и стержней; для термообработки отливок; для прокалки керамических оболочек. Колпаковые печи используются для термообработки крупногабаритных массивных отливок. В литейном производстве для термообработки отливок иногда используют горизонталные карусельные печи камерного типа с вращающимся подом (кольцевым или тарельчатым). Они неперывного действия. Устройства для загрузки и выгрузки у печей данной конструкции распологаются рядом. На рис. 2.13 изображена схема горизонтальной карусельной печи камерного типа с вращающимся кольцевым подом.

85

Рис. 2.13. Схема кольцевой печи камерного типа: 1 – вращающийся под; 2 – огнеупорная оболочка печи с корпусом; 3 – загрузочное окно; 4 – окно выгрузки

Вертикальные печи камерного типа (см.рис. 2.14) по исполнению могут быть с верхней загрузкой изделий, с нижней загрузкой изделий (лифтовые) и конвейерные.

а)

б)

в)

Рис. 2.14. Схемы вертикальных (шахтных) печей камерного типа: а – с верхней загрузкой изделий периодического действия; б – с нижней загрузкой изделий периодического действия; в – конвейерные непрерывного действия

Вертикальные печи камерного типа с верхней и с нижней загрузками изделий используются в основном для термообработки отливок. Оба эти типа печей периодического действия.

86

Вертикальные конвейерные печи камерного типа служат для сушки стержней или для термообработки отливок из цветных сплавов. Они непрерывного действия. Все печи камерного типа могут быть топливными или электрическими. 2.4. КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ИСТОЧНИКУ ТЕПЛОГЕНЕРАЦИИ

В зависимости от источника теплогенерации подразделяются на две группы: топливные и электрические.

все

печи

2.4.1. Топливные печи

Топливные печи в зависимости от способа сжигания топлива подразделяются: - на пламенные с четко выраженным факелом; - на печи с горением топлива в слое кускового материала (пористой среде). Пламенные печи

В пламенных печах теплопередача нагреваемому материалу осуществляется от пламени (факела) и раскаленных продуктов сгорания в свободном объеме рабочего пространства.

а)

б)

в)

Рис. 2.15. Пламенные печи контактного (прямого) действия: а – ванные; б – барабанные; в – камерного типа; 1 – горелка; 2 – нагреваемый материал

87

По форме рабочего пространства пламенные печи могут быть ванные, тигельные, шахтно-ванные, барабанные и камерного типа. В зависимости от места расположения источника теплогенерации и способа теплопередачи пламенные печи подразделяются на печи контактного (прямого) или бесконтактного (косвенного) действий. В пламенных печах контактного действия (см.рис. 2.15) материал, подвергаемый тепловой обработке, находится в непосредственном контакте с продуктами сгорания. Это может привести к повышенному окислению элементов сплава и насыщению его газами. Однако, несмотря на данный недостаток, в литейном производстве достаточно широко используются топливные ванные плавильные печи (так называемые "отражательные печи"). Для пламенных отражательных печей характерны: повышенные вместимость (до 12-15 т) и производительность; возможность использования крупногабаритной шихты при механизированной загрузке; простота обслуживания. Эти печи применяют для плавки алюминиевых, реже – магниевых сплавов в цехах фасонного литья с большим годовым выпуском.

а)

б)

Рис. 2.16. Нагревательные пламенные печи бесконтактного (косвенного) действия камерного типа: а – с муфелированием изделий; б – с муфелированием пламени; 1 – горелка; 2 – нагреваемое изделие; 3 – муфель; 4 – радиационная труба; 5 – тепловые затворы

В пламенных печах бесконтактного действия продукты сгорания отделены от изделий, подвергаемых тепловой обработке, специальной не-

88

проницаемой, огнеупорной перегородкой. Теплопередача осуществляется через эту перегородку. Разделение перегородкой (муфелирование) может производиться несколькими способами. В первом случае (см.рис. 2.16,а) теплообрабатываемые изделия в печи накрываются специальным колпаком (муфелем), который предохраняет их от контакта с продуктами сгорания. Причем под муфелем можно создать любую печную атмосферу, например, защитную. Во втором случае (см.рис. 2.16,б) «муфелируют» продукты сгорания. В данном случае топливо сжигается в специальных радиационных трубах. Они нагреваются и осуществляют передачу теплоты изделиям. В этом случае в рабочем пространстве печи можно наводить необходимую печную атмосферу. В пламенных плавильных тигельных печах «муфелирование» продуктов сгорания осуществляется тиглем (см.рис. 2.17,а). Печи данной конструкции (поворотные или стационарные) применяют для плавки и выдержки цинковых, магниевых, алюминиевых и медных сплавов.

а)

б)

Рис. 2.17. Пламенные плавильные печи бесконтактного действия: а – тигельные; б – ванные с погруженным газогорелочным устройством; 1 – горелка; 2 – расплав; 3 – тигель; 4 – газоотводящая труба – нагреватель

К преимуществам топливных тигельных печей можно отнести: - простоту конструкции и надежность в эксплуатации;

89

- хорошую маневренность при переходе от плавки сплава одного химического состава к сплаву с другим составом; - удобство проведения различных технологических операций (легирования, рафинирования, дегазации, модифицирования); - возможность применения для разливки металла отдельными порциями дозаторов, манипуляторов, роботов. Недостатками тигельных печей являются: - малая вместимость (100-500 кг), невысокая производительность, повышенный расход топлива; - неудобство в разливке метала, в случае необходимости выемки тигля из печи или разбора разливочной ложкой (небольшим ковшом), что увеличивает продолжительность разливки. Для плавки магниевых сплавов применяются стальные тигли, для плавки оловянных, свинцовых, алюминиевых сплавов – чугунные, для плавки медных и алюминиевых сплавов – графитошамотные (8-12% графита, 20-25% шамота; 50-67% огнеупорной глины). Вместимость графитошамотных тиглей – 0,5÷500 кг. Недостатком металлических тиглей является растворение железа во время плавки и переход его в состав сплава, что ухудшает качество сплава. С целью предотвращения этого процесса внутреннюю поверхность тиглей и плавильного инструмента окрашивают или обмазывают специальными составами. Наибольшее распространение получила краска состава: - оксид цинка (50%); отмученный мел (50%); жидкое стекло (5% свыше 100%); вода (100%, свыше 100%). Перед нанесением краски поверхность подогревают до 80-900С. В состав обмазки для тиглей входят магнезит, асбест и жидкое стекло. Смесь наносят на поверхность тиглей слоем 5-15 мм, высушивают при 200-800С. В пламенных плавильных или солевых ванных печах бесконтактного (косвенного) действия применяют газогорелочные погруженные устройства. Газоотводящие трубы этих устройств погружаются в расплав (см.рис. 2.17,б). продукты сгорания, которые проходят по данным трубам, нагревают их. В то же время они не имеют контакта с расплавом. Топливные печи с сжиганием топлива в пористой среде

Сжигание топлива в пористой среде может производится в «толстом» ее слое или в «тонком» ее слое. Сжигание топлива в «толстом» слое пористой среды производится в вагранках. В этих печах сжигание топлива производится в «толстом» слое холостой колоши, высота которой поддерживается постоянной.

90

а)

б)

Рис. 2.18. Схемы топок вагранок с холостой колошей: а – коксовых; б – газовых; 1 – фурма; 2 - горелка

В коксовой вагранке (см.рис. 2.18,а) сжигание кокса производится в «толстом» слое холостой коксовой колоши (ХКК). Для сжигания кокса внутрь ХКК через фурмы подается с определенной скоростью воздух. Пополнение ХКК производится сверху загрузкой рабочих коксовых колош. Этим самым обеспечивается постоянство высоты ХКК. В газовой вагранке с холостой огнеупорной колошей (ХОК) (см.рис. 2.18,б) газо-воздушная смесь из горелки подается внутрь слоя ХОК, где происходит ее сжигание. ХОК, как правило, состоит из кусков (шаров) огнеупорного материала, который содержит определенное количество углерода в виде графита. Пополнение ХОК, для поддержания постоянства ее высоты, производится также, как и у коксовой вагранки. Только расход ХОК значительно меньше чем расход ХКК. Сжигание твердого топлива в «тонком» слое пористой среды производится в специальных топках на колоснике (см.рис. 2.19).

91

Рис. 2.19. Схема топки твердотопливной печи со слоевым режимом тепловой работы при сжигании топлива в «тонком» пористом слое: 1 – кусковое топливо; 2 – колосник

В данных печах уголь загружается в топку на колосники «тонким» слоем. Снизу топки через колосники подается воздух для сжигания. Зола из топки через колосники попадает в зольник. 2.4.2. Электрические печи

Электрические печи широко применяются в литейных цехах. Они используются для плавки сплавов, термообработки отливок, сушки литейных форм, стержней и т.п. В электропечах значительно легче производить регулировку температуры в рабочем пространстве с достаточно высокой точностью В электропечах намного легче создать требуемую печную атмосферу. Рабочее пространство электропечей легче герметизировать. Это позволяет осуществить нагрев материала в защитных атмосферах, в том числе и в вакууме. Электрические печи периодического действия с конвективным режимом теплообмена могут работать в замкнутом цикле рециркуляции печной атмосферы, что значительно повышает к.п.д. печей и создает условия тепловой обработки материала (изделий) в неизменной печной атмосфере заданного состава. Превращение электрической энергии в тепловую в электропечах производят следующим образом: - в твердых, жидких или газообразных проводниках электрического тока (резисторах) при приложении к ним внешней Э.Д.С.; - в рабочем теле при помещении его в переменное электромагнитное поле и индуцировании в нем Э.Д.С.;

92

- в поверхностном слое рабочего тела при его бомбардировке потоком электронов, ускоренных в вакууме; - в поверхностном слое рабочего тела при воздействии на него светового электромагнитного потока сверхвысокой плотности; - в газе при его ионизации и изменении кинетической энергии воздействием внешних электрических сил (Э.Д.С., электромагнитного поля и т.д.). В зависимости от способа превращения электроэнергии в тепловую, печи подразделяются (см.рис. 2.20) на дуговые, индукционные, сопротивления, плазменные, электрошлаковые, солевые, электроннолучевые и аэродинамического нагрева. Дуговые

Электрошлаковые

Индукционные

Сопротивления

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

ПЕЧИ

Электроннолучевые

Аэродинамического нагрева

Плазменные

Солевые

Рис. 2.20. Классификация электрических печей по способу преобразования электрической энергии в тепловую

Дуговые печи

Дуговые печи используют в качестве плавильных. Тепловая энергия в этих печах генерируется в газообразном проводнике при приложении к нему разности электрических потенциалов. При воздействии разности потенциалов возникает интенсивная термоэлектронная эмиссия. Электроны ускоряются и производят ударную ионизацию молекул газа. Газ частично ионизируется, его электросопротивление резко падает. Все это приводит к «загаранию» дуги в данной зоне. При атмосферном давлении температура кратера дуги достигает значений 3000-4000 К, а температура в канале электрической дуги – 50006000К.

93

ДУГОВЫЕ

Переменного тока

ПЕЧИ

Постоянного тока

С зависимой дугой

С независимой дугой

Рис. 2.21. Классификация дуговых печей

В зависимости от источника тока дуговые печи могут быть переменного или постоянного тока (см. рис.2.21). В зависимости от места образования дуги в рабочем пространстве дуговые печи подразделяются на печи с зависимой (прямого действия) или независимой (косвенного действия) дугой. Конструктивные схемы дуговых плавильных печей представлены на рис. 2.22.

а)

б)

в)

Рис. 2.22. Схемы дуговых плавильных печей: а – барабанной поворотной с независимой дугой; б – ванной поворотной с зависимой дугой переменног тока; в – ванной поворотной с зависимой дугой постоянного тока; 1 – электрод; 2 – сплав; 3 – анод

94

Печи с зависимой дугой или печи прямого действия переменного тока (см.рис. 2.22,б) получили широкое распространение для плавки чугуна и стали. В данных печах дуга “горит” между электродом и металлической садкой (шихтой или расплавом). По форме рабочего пространства эти печи относятся к печам ванного типа. Дуговые печи выполняются с кислой и с основной огнеупорной футеровкой, в зависимости от технологического процесса плавки (кислого или основного). Современные дуговые печи имеют прогрессивную систему подъема и поворота свода для открывания печей подж загрузку через верх. Печи типа ДС-6Н1 имеют выкатную ванну. Вообще, в зависимости от способа открывания печи для загрузки шихты сверху, различают печи с поворотным сводом (серия ДСП) и с выкатным корпусом (серия ДСВ). В печах серии ДСП свод подвешен к полупорталу Г-образной конструкции из балок коробчатого сечения, а серии ДСВ – к порталу П-образной конструкции. Все дуговые электропечи имеют современную систему автоматического перемещения электродов; при этом у всех печей, кроме ДС-6Н1, эта система выполнена электрогидравлической. Печи емкостью более 25 т оборудуются устройствами для электромагнитного перемешивания металла и могут иметь механизмы вращения ванны металла. На всех печах применены усовершенствованные электродные уплотнения. Преимущества дуговых электропечей по сравнению с индукционными печами заключаются: - в использовании горячего активного шлака для десульфурации, дефосфорации и других металлургических процессов; - в более либеральных требованиях к используемой шихте по влажности и химсоставу; - в высоком КПД при расплавлении (80-85%); - в возможности проведения металлургических процессов в восстановительной и нейтральной атмосферах, что часто необходимо для получения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом; - в осуществлении более быстрого подъема температуры; - в большей производительности (на 23-30%) и меньшей стоимости при одинаковой емкости; - в более высокой стойкости футеровки (срок службы подины, водоохлаждаемого свода и стеновых панелей – 2000 плавок и более); - в исключении из плавильной кампании создания "болота"; - в использовании однородной загрузки всей шихты без сортировки по размеру.

95

Недостатки: - более низкий к.п.д. при перегреве (не более 20%); - значительное выделение дыма и шум во время работы (до 105 дБ); - большой угар шихты (3,%-5,0); - большая неравномерность температуры металла. Печи с зависимой дугой постоянного тока (см.рис. 2.22,в) для обеспечения электрической цепи, должны иметь охлаждаемый анод. Чаще всего его располагают в подине ванны. Достоинство печей данного типа заключается в том, что постоянный ток устраняет пульсацию горения дуги и стабилизирует процесс плавки. Это приводит к общему снижению удельной мощности печи. Дуговые печи постоянного тока применяются при плавке высококачественных тугоплавких сплавов в вакууме. В настоящее время дуговые печи постоянного тока начинают вытеснять промышленные дуговые печи переменного тока различной мощности. Основными преимуществами дуговых печей постоянного тока перед аналогичными дуговыми печами переменного тока являются: - снижение расхода графитированных электродов до 1,5 кг на тонну жидкого металла; - снижение угара металла до 2-4% (увеличение выхода годного); - снижение расхода ферросплавов в среднем на 15-20%; - снижение количества пылевыбросов в 6-8 раз; - снижение уровня шума на 15-20 децибелл (т.е. до пределов санитарных норм); - снижение фликкер-эффекта. Фликкер-эффект (мерцание катода) – флуктуации эмиссии электродов с поверхности накаленного катода, возникающие в следствие диффузии к поверхности катода примесных атомов; один из шумовых источников.

Следует еще раз отметить, что особенностью всех дуговых плавильных печей с зависимой дугой является высокая активность шлака, перегретого до температуры, превышающей температуру перегрева жидкого металла. В печах с независимой дугой дуга горит между двумя электродами (рис. 2.22,а). Эти печи в основном поворотные барабанного типа. Они нашли применение для плавки медных сплавов.

96

Плазменно-дуговые печи

Плазменные печи работают, используя энергию плазмы. Плазма отличается от других состояний вещества тем, что в ней часть молекул ионизируется. В плазменных печах используется низкотемпературная плазма со степенью ионизации около 1%.. Температура низкотемпературной плазмы находится в пределах 10000-30000 К. Поток плазмы в печах генерирует специальное устройство, которое называется плазмотроном. В плазмотрон постоянно подается плазмообразующий газ (например, аргон), который под действием разности потенциалов ионизируется. Для получения плазмы используются два типа плазмотронов: дуговые (электродные) и индукционные (безэлектродные).

а)

б)

в)

г)

Рис. 2.23. Схематичное устройство плазмотронов: а – дуговых постоянного тока прямой полярности; б – дуговых переменного тока; в – дуговых комбинированных; г – индукционных высокочастотных

Дуговые плазмотроны в свою очередь могут быть двух типов – косвенного и прямого действия постоянного и переменного тока. В литейном производстве получили распространение плазменные печи с дуговыми плазмотронами прямого действия постоянного тока прямой полярности (см.рис. 2.23,а). В печах с плазмотронами прямого действия образование плазмы происходит между плазмотроном и металлом, расположенным в печи. Такая схема работы плазмотрона, имеет наивысший к.п.д. (70-85%). Недостатком является постоянно изменяющееся расстояние между поверхно-

97

стью металла и соплом плазмотрона, что снижает стабильность работы плазмотрона. Дуговые плазмотроны переменного тока (см.рис. 2.23,б) применяются в случае использования трехфазных сетей, чтобы обеспечивать равномерность нагрузки. Для повышения стабильности горения переменного тока используются комбинированные плазмотроны. В данных плазмотронах основную дугу переменного тока прямого действия стимулируют вспомогательной маломощной дугой постоянного тока, горящей между электродом и соплом (см.рис. 2.23,в). Принцип работы индукционных плазмотронов (ВЧ-плазмотронов) основан на поглощении в плазме энергии переменного электромагнитного поля частотой до 40 МГц. При этом температура плазменной струи достигает 15000-20000 К.

а)

б)

в)

Рис. 2.24. Схемы плазменно-дуговых печей: а – ванных; б – с переплавом расходуемого слитка в кристаллизатор; в – с переплавом расходуемого слитка в гарнисажный тигель; 1 – плазмотрон; 2 – водоохлаждаемый медный анод; 3 – расходуемый слиток; 4 – кристаллизатор; 5 – гарнисажный тигель

Плазменно-дуговые печи с дуговыми плазмотронами прямого действия, в зависимости от поставленных технологических задач плавки, по форме рабочего пространства могут быть (см.рис. 2.24): - ванного типа, с переплавом в ней шихты; - с переплавом расходуемого слитка в кристаллизатор; - с переплавом расходуемого слитка в гарнисажный тигель.

98

Плазменно-дуговая печь ванного типа (см.рис. 2.24,а) по устройству подобна обычным дуговым печам постоянного тока. Только вместо электрода устанавливаются один или несколько плазмотронов. В подину печи также закладывается водоохлаждаемый медный анод. В отличие от дуговых печей плазменно-дуговые печи должны быть более герметичны. Основным преимуществом плазменного нагрева является возможность управления составом газовой среды печи изменением состава подаваемого плазмообразующего газа. Кроме того, в данных печах можно создать широкий диапазон давлений – от 0,1 Па до 300 кПа. Плазменные печи используются в основном для плавки тугоплавких высококачественных сплавов, высоколегированных сталей и жаропрочных сплавов. Длина дуги горения в печи может достигать 1-2 м, что обеспечивает устойчивое горение вне зависимости от обвалов шихты и всплесков жидкой ванны. Отсутствие углеродистых электродов исключает науглероживание металла и позволяет выплавлять низкоуглеродистые стали. Нейтральная атмосфера из аргона способствует очищению сплава от водорода и азота. На рис. 2.24,б показана схема плазменно-дуговой печи для переплава расходуемого слитка в кристаллизатор. При переплаве в среде аргона производится рафинирование сплава. Поэтому в кристаллизаторе образуется отливка (слиток) с более высоким качеством сплава. В этой печи плазмотрон располагается сверху по центру, а расходуемый слиток сбоку. На рис. 2.24,в представлена схема плазменно-дуговой печи для переплава расходуемого слитка в гарнисажный тигель, расплав из которого разливается в литейные формы. В данной печи предусмотрено боковое расположение плазмотронов и центральное расположение расходуемого слитка. Следует отметить, что в плазменно-дуговых печах ванного типа большой емкости плазмотроны могут устанавливаться по периметру боковой стенки ванны (см.рис. 2.25).

99

Рис. 2.25. Плазменно-дуговая печь ванного типа с боковой установкой плазмотронов

Печи данной конструкции могут запитываться трехфазным током. В этом случае металл в ванне будет нулевой точкой в электрической схеме печи. Введение в плазмообразующий газ плазмотрона (например, в аргон) молекулярно-восстановительных или окислительных газов (водорода, азота, кислорода) позволяет совместить процесс плавления металла с его рафинированием и дополнительной обработкой. Применение дуговых плазмотронов с высоковольтной плазмой из молекулярно-восстановительных газов в рудно-термических печах может не только резко увеличить их производительность, но и качественно изменить технологический процесс. Например, применение водородных плазмотронов в карботермическом процессе восстановления тугоплавких металлов привело к исключению кокса из процесса восстановления, т.е. процесс стал водородотермическим. Причем во многоплазменных руднотермических печах (рис. 2.26) возможно совмещение восстановительного и рафинировочного процессов, например, для получения тугоплавких металлов. При этом необходимое энергосодержание восстановительного процесса (до 20 кВт·ч/кг) обеспечивается нагревом плазмообразующего газа – водорода до 5500-6000 К.

100

Рис. 2.26. Схема плазменно-дуговой восстановительно-рафинировочной печи для производства тугоплавких металлов: 1 – шихта; 2 – плазмотроны; 3 – жидкий металл; 4 – слиток

Индукционные печи

Индукционные печи - это разновидность электрических печей, работа которых основана на принципе работы трансформатора. В индукционных печах переменное электромагнитное поле наводится с помощью спиралеобразного, охлаждаемого водой или воздухом индуктора (первичная обмотка), по которому пропускают первичный переменный электрический ток. В качестве вторичной обмотки используется непосредственно переплавляемый литейный сплав или стенка тигля. Именно в них наводится вторичный ток, который генерируется в тепловую энергию. Важной особенностью индукционных печей является интенсивная циркуляция жидкого металла, вызываемая воздействием электромагнитных полей. Интенсивность перемешивания пропорциональна квадрату ампер – витков (I · n)2 и обратно пропорциональна частоте питающего тока (f). Перемешивание расплава ускоряет процессы плавления и выравнивания расплава по химическому составу, и температуре. Это является положительной стороной индукционных печей. Отрицательной стороной движения расплава является повышенный износ футеровки (тигля или канала), образование мениска, вероятность выброса расплава из печи.

101

Другой особенностью индукционных печей является то, что плотность вторичного (индуцируемого) тока достигает максимума на поверхности расплава, т.е. у стенок футеровки, и снижается по направлению к внутренним его слоям. Причем толщина поверхностного слоя металла, где в основном наблюдается вторичный электрический ток, зависит от частоты данного тока, а именно, значение толщины поверхностного слоя любого проводника (∆), где в основном течет электрический ток, обратно пропорционально квадрату его частоты (∆ → 1/f2). Поэтому основная тепловая энергия генерируется именно в этом слое проводника. Основными преимуществами индукционных печей являются: - генерирование тепловой энергии непосредственно в нагреваемом материале, что значительно снижает потери энергии; - достижение температуры расплава лимитируется только стойкостью огнеупорной футеровки печи; - циркуляция расплава в печи, ускоряющая процессы плавки и стабилизации свойств; - незначительный угар легирующих элементов; - малые габариты печей; - пониженное содержание газов в расплаве (незначителен процесс их поглощения). Основными недостатками индукционных печей являются: - низкая температура шлака и, соответственно, малая его активность, т.е. шлак не обладает эффективным рафинирующим свойством; - малая стойкость футеровки, особенно основной. На рис. 2.27 представлена схема классификации индукционных печей, в зависимости от способа наведения вторичного тока, применяемой частоты тока, конструктивного исполнения, области применения и т.п.

102

Плавильные

Миксеры

ИНДУКЦИОННЫЕ ПЕЧИ

Миксеры

Раздаточные

Плавильные

Чугун ТИГЕЛЬНЫЕ Сталь

Промышленной частоты (50 Гц)

КАНАЛЬНЫЕ Чугун

Сплавы: Cu; Al; Zn Сплавы: Al; Cu; Zn; Mg; Ni

Прямого действия

Повышенной частоты (до 10000 Гц)

С вертикальным каналом

С горизонтальным каналом

Косвенного действия Барабанные

Шахтные

Рис. 2.27. Классификация индукционных плавильных печей

103

Ванные

В зависимости от способа наведения вторичного тока в переплавляемом сплаве и конструктивного исполнения различают две разновидности индукционных печей: тигельные и канальные (см.рис. 2.27). Индукционные тигельные печи

Индукционные тигельные печи применяются для плавки почти всех литейных сплавов. В них производят выплавку сталей (печи типа ИСТ), чугуна (печи типа ИЧТ), алюминиевых сплавов (ИАТ), латуни (ИЛТ) и других цветных сплавов (Zn; Mg; Ni). Тигельные печи имеют достаточно высокий электрический к.п.д. – порядка 55-65%. В тигельных печах (см.рис. 2.28) тигель с рабочим материалом (шихтой) помещают внутрь спиралеобразного индуктора. При пропускании через индуктор переменного тока тигель с шихтой попадает в переменное электромагнитное поле удвоенной силы, которое вызывает возникновение вторичного вихревого тока (тока Фуко).

а)

б)

Рис. 2.28. Схемы индукционных тигельных печей: а – прямого действия; б – косвенного действия; 1 – индуктор; 2 – тигель огнеупорный; 3 – сплав; 4 – блок конденсаторов; 5 – источник переменного тока заданной частоты; 6 – дополнительный тигель-нагреватель

В зависимости от места преимущественного возникновения вторичного тока различают индукционные тигельные печи прямого действия и косвенного действия.

104

В индукционных тигельных печах прямого действия вторичные токи возникают в шихтовых материалах и расплаве, расположенных в тигле (см.рис. 2.28,а). В индукционных тигельных печах косвенного действия вторичный ток в основном возникает в дополнительном тигле-нагревателе, который играет роль вторичной оболочки (см.рис. 2.28,б). От тигля-нагревателя происходит нагрев сплава. Материалом для изготовления тиглянагревателя служит преимущественно графит. Индукционные тигельные печи в зависимости от частоты тока могут быть промышленной частоты (50 Гц) и повышенной частоты (до 10000 Гц). В комплект оборудования индукционных печей повышенной частоты обязательно входят преобразователи частоты и напряжений переменного тока. Частота тока оказывает значительное влияние на работу индукционных печей. От нее зависит время и температура нагрева, интенсивность перемешивания расплава, к.п.д. печи и т.п. В первом приближении выбор оптимального значения частоты тока зависит от размеров тигля печи, типа выплавляемого сплава (его магнитной проницаемости) и массы металла в тигле. Чем больше диаметр тигля, чем больше в нем масса сплава, тем меньшее значение частоты тока можно применять в тигельных печах. В табл. 2.1, в качестве ознакомления, представлены интервалы значений частот тока, применяемых в тигельных печах, в зависимости от размеров тигля и обрабатываемого сплава. Таблица 2.1 Предпочтительная частота тока для тигельных индукционных печей

Внутренний диаметр тигля, (мм) 300-425 450-550 Выше 550

Масса металла в тигле, (т) Сталь, чугун АлюминиеМедный вый сплав сплав 0,25-0,65 0,10-0,25 0,30-0,75 1,0-1,5 0,35-0,55 1,0-2,0 Выше 1,5 Выше 0,55 Выше 2,0

Частота тока, (Гц) 500-2400 50-1000 50-500

Специфической особенностью индукционных тигельных печей, при рассмотрении их работы с позиции работы по принципу трансформатора, является отсутствие замкнутого магнитопровода. Это приводит к возникновению значительного индуктивного сопротивления в цепи переменного тока, что вызывает сдвиг фаз напряжения и тока. Мощность такой установки падает, соответственно коэффициент мощности тигельной печи может имееть значения:

105

Cosφ = 0,03 – 0,2 Для увеличения коэффициента мощности (Cosφ) в электрическую схему индукционной тигельной печи параллельно включают батарею конденсаторов. Они должны компенсировать индуктивное сопротивление и вызывать обратный сдвиг фаз. Методом подбора емкости конденсаторов добиваются увеличения Cosφ, приближая его к единице. Здесь следует отметить, что повышение частоты электрического тока в индукционной тигельной печи ведет к снижению требуемой емкости конденсаторных батарей, для повышения Cosφ до максимальных значений. Индукционные тигельные печи могут использоваться в качестве плавильных агрегатов, как первичные агрегаты, или в качестве миксеров, как вторичные агрегаты.

Рис. 2.29. Схема индукционной тигельной ванной печи: 1 – индуктор; 2 – тигель-ванна

В настоящее время для миксерования большого количества расплава разработаны тигельные ванные печи большой емкости (см.рис. 2.29). Для интенсификации процесса выплавки литейных сплавов высокого качества применяются индукционные плазменно-дуговые печи (см.рис. 2.30).

106

Рис. 2.30. Схема индукционной плазменно-дуговой печи: 1 – плазмотрон; 2 – индуктор; 3 – анод

Конструктивно данная печь не отличается от индукционной тигельной печи. Отличие состоит в том, что в крышку данной печи над тиглем установлен дуговой плазмотрон прямого действия, а в подине тигля выполнен водоохлаждаемый анод. Плазматрон с механизмом передвижения смонтирован на крышке печи. Мощность плазмотрона составляет примерно 1/3 мощности индуктора. Применение плазматрона для обогрева ванны в тигле позволяет устранить основные недостатки индукционных печей – низкую температуру шлаков и ограниченную возможность проведения активных металлургических процессов. Производительность печи в данном случае повышается в 1,5-1,7 раза. В начальный период плавки плазменная дуга относительно быстро проплавляет в шихте колодец. Образуется "болото" металла, что резко повышает к.п.д. плавления. Для плавки сталей выпускаются индукционно-плазменные печи серии ИПСТ емкостью 0,16 и 0,25 т. потребляемая мощность печей 170 и 290 кВт соответственно. Плазмобразующий газ – аргон. Его расход – 1,5 м3/ч. Постоянный ток плазмотрона – 1,5 кА. Индукционные канальные печи

В индукционных канальных печах вторичный ток наводится в замкнутом витке жидкого металла. Виток жидкого металла оформляется

107

специальным каналом, выполненным в нижней части рабочего пространства печи из огнеупорного материала. Огнеупорный канал выполнен таким образом, что образует виток вокруг водоохлаждаемого (воздухоохлаждаемого) индуктора. Внутри индуктора проходит ветвь замкнутого магнитопровода (стального сердечника). Совместное выполнение магнитопровода, индуктора и огнеупорного канала образует единое устройство, котрое называется индуктивной единицей. Мощность индуктивной единицы ограничена огнеупорностью футеровки. Поэтому в канальных печах большой емкости устанавливают несколько индуктивных единиц. Индукционные канальные печи выпускаются только промышленной частоты (50Гц). При работе печи в замкнутом витке жидкого металла (вторичной обмотке) возникает вторичный ток, который может достигать значений 10 и более килоампер (кА). В данном витке металла происходит преобразование электрической энергии в тепловую. Плавление и перегрев сплава в рабочем пространстве печи происходит за счет постоянной циркуляции расплава в замкнутом канале. Во избежание разрыва цепи вторичной обмотки (непредвиденный выход расплава из канала) в печи необходимо постоянно держать определенное количество расплава ("болото"). Замкнутые каналы в канальных печах могут выполняться вертикальными (см.рис. 2.31,а) и горизонтальными (см.рис. 2.31,б).

108

а)

б)

Рис. 2.31. Схемы индукционных канальных печей: а – с вертикальным каналом; б – с горизонтальным каналом; 1 – индуктор; 2 – сплав; 3 – замкнутый канал; 4 – магнитопровод

В свою очередь индукционные канальные печи с вертикальным каналом по форме рабочего пространства и конструктивному исполнению канала могут быть (см.рис. 2.32): - барабанные с U-образным исполнением каналов; - вертикальные (шахтные) с U-образным исполнением каналов; - вертикальные (шахтные) с прямоугольным исполнением каналов.

109

а)

б)

в)

Рис. 2.32. Схемы индукционных канальных печей с вертикальным каналом: а – барабанные; б – вертикальные (шахтные) с U-образным каналом; в – вертикальные (шахтные) с прямоугольным исполнением канала; 1 – индукционная единица

Выполнение каналов в печи прямоугольной формы требуется при плавке быстроокисляемых сплавов, имеющих тугоплавкие оксиды (например, алюминиевых сплавов). При циркуляции расплава по каналу, его оксиды засоряют канал. Для упрощения чистки канала его выполняют прямоугольной формы. Как правило индукционные канальные печи имеют высокий к.п.д. – порядка 75-80%. Они при выдержке расплава более совершенны, чем тигельные. Значение Соsφ у канальных печей выше в 3 раза, по сравнению с тигельными. В связи с этим для работы канальной печи требуется в 3-4 раза меньше применяемая емкость конденсаторных батарей. Средний удельный расход электроэнергии у канальных печей в режиме перегрева расплава соствляет около 50 кВт·ч/т. Индукционные канальные печи применяются для плавки медных (печи типа ИЛК) и алюминиевых сплавов (типа ИАК), а также для перегрева и миксерования чугуна (ИЧКМ). Сейчас разработаны конструкции ванных индукционных канальных печей большой емкости (см.рис. 2.33).

110

Рис. 2.33. Схема ванной индукционной канальной печи: 1 – индукционная единица; 2 – расплав

Печи данной конструкции предназначены для длительной выдержки значительного количества расплава, т.е. используется как миксерные печи. Индукционные канальные раздаточные печи

В настоящее время индукционные канальные печи широко используются в качестве раздаточных печей. Индукционные канальные раздаточные печи (ИКРП) входят в автоматизированные системы разливки, которые действуют на стыке между формовочной линией и плавильными установками. ИКРП выполняют две основные функции: - хранение расплава, готового к разливке, этим обеспечивается гарантированная непрерывность производства, либо при перебоях в подаче расплава из плавильных печей, либо при перебоях в работе формовочной линии; - разливка расплавленного металла в литейные формы с определенной скоростью при обеспечении дозирования порции. При выполнении этих функций ИКРП должны: - поддерживать постоянную температуру и химический состав расплава во время выдержки и разливки; - ограничивать наличие шлаковых включений в разливаемом расплаве; - обеспечивать модифицирование и легирование с регулировкой подачи модификаторов и лигатур по времени, и соответствующей их дозировкой; - приспосабливать разливку сплава к определенному перемещению литейных форм на линии. Как правило, ИКРП при разливке и дозировке сплава в литейные формы используют специальные регулируемые стопорные механизмы.

111

По принципу действия они подразделяются (см.рис. 2.34): - на ИКРП с выдачей расплава созданием повышенного давления в рабочем пространстве печи (системы PRESSPOUR или POUROMAT); - на чайниковые ИКРП с выдачей расплава поворотом печи.

а)

б)

Рис. 2.34. Схемы индукционных канальных раздаточных печей (ИКРП): а – с выдачей расплава созданием повышенного давления в печи; б – с выдачей расплава поворотом печи

ИКРП системы PRESSPOUR представляют собой футерованный герметичный цилиндрический кожух. Наполнение и разливка осуществляется через каналы в форме сифонов. Нижние концы сифонов расположены у основания печи. Такое расположение обеспечивает разливку без шлака. Инертный газ под давлением подает расплавленный металл в разливочный носок печи из которого происходит его разлива через стопорное устройство. Давление газа также поддерживается постоянный уровень расплава в разливочном носке печи. Скорость разливки регулируется стопором стопорного устройства. ИКРП чайникового типа производит разливку расплава, при повороте печи, в промежуточный ковш, в котором установлено стопорное устройство. Печи сопротивления

В электрических печах сопротивления теплогенерация производится в твердом проводнике тока, имеющем определенное электросопротивление (т.е. в резисторе), при приложении к нему разности электрических

112

потенциалов (напряжения). Данные твердые проводники - резисторы называются нагревательными элементами электросопротивления. Все печи электросопротивления в литейном производстве относятся к печам косвенного действия (т.е. теплогенерация в них производится не в рабочем материале, а в отдельном нагревательном элементе). По назначению печи электросопротивления могут быть плавильными, нагревательными и сушильными. По форме рабочего пространства они могут быть тигельными, ванными и камерного типа, как горизонтального, так и вертикального исполнения. На рис. 2.35 представлены схемы плавильных электрических печей сопротивления тигельных и ванных. Эти печи сопротивления нашли широкое распространение для плавки и выдержки цветных легкоплавких сплавов, а также как раздаточные печи.

а) ных;

б)

Рис. 2.35. Схемы плавильных печей электросопротивления: а – тигельб – ванных; 1 – расплав; 2 – электронагреватель (резистор, ТЭН и т.п.)

Печи сопротивления камерного типа, как вертикальные, так и горизонтальные, получили достаточно широкое распространение при нагреве и термообработке отливок. Иногда их применяют для сушки литейных форм и стержней.

113

а)

б)

Рис. 2.36. Схемы электрических печей сопротивления камерного типа: а – с радиационным режимом теплообмена; б – с конвективным режимом теплообмена; 1 – электронагревательный элемент; 2 – изделие (материал); 3 – вентилятор; 4 – экран

В зависимости от режима теплообмена печи электросопротивления камерного типа подразделяются на две группы (см.рис. 2.36): - с конвективным режимом теплообмена или конвективные печи; - с радиационным режимом теплообмена или радиационные печи. По принципу действия печи сопротивления камерного типа могут быть, как периодического (садочного) действия, так и непрерывного действия. Электрошлаковые печи Электрошлаковые печи относятся к печам сопротивления косвенного действия. Отличие электрошлаковых печей заключается в том, что в них электронагревательным элементом (сопротивлением) служит жидкий шлак.

114

а)

б)

в)

Рис. 2.37. Схемы электрошлаковых печей: а – плавильной ванного типа с нерасходуемыми (графитовыми) электродами; б – переплавной в формукристаллизатор с расходуемым электродом; в – переплавной в гарнисажный тигель с расходуемым электродом; 1 – нерасходуемый электрод; 2 – жидкий шлак; 3 – расплав; 4 – расходуемый электрод; 5 – кристаллизатор; 6 – слиток (отливка); 7 – гарнисажный тигель; 8 – охлаждаемый подовый электрод

По материалу электродов и принципу работы электрошлаковые печи подразделяются (см.рис. 2.37): - на плавильные ванные с нерасходуемыми электродами; как правило графитовыми; - на переплавные с расходуемыми элекродами (ЭШП). Электрошлаковые ванные печи с нерасходуемыми электродами (см.рис. 2.37,а) используются для рафинирования жидкого сплава перегретым шлаком определенного состава, а также для плавки металлоотходов (стружки, обрези и т.п.) с последующей заливкой расплава в изложницы (для изготовления чушек) или в кристаллизаторы (для изготовления расходуемых электродов). Чушки используются, как исходный шихтовый материал для производства какого-то сплава. Расходуемые электроды (болваны) используются в переплавных печах. Электрошлаковые печи с расходуемыми электродами (см.рис. 2.37,б) получили широкое распространение для производства слитков в кристаллизаторе из высококачественных сталей и других сплавов ответственного назначения. Сущность электрошлакового переплава (ЭШП) заключается в следующем. На дно кристаллизатора устанавливают специальную металлическую затравку. На затравку насыпают смесь рабочего флюса и магниевого или алюминиевого порошка (для лучшего зажигания дуги и последующего формирования жидкой шлаковой ванны). Переплавляемый электрод (болван из сплава) опускают в кристаллизатор до соприкосновения со смесью. Вокруг электрода засыпают рабочий флюс в количестве 6-8% от массы электрода. Подают напряжение в цепь: электрод -

115

рабочий флюс-затравка-кристаллизатор. Рабочий флюс расплавляется, образуя жидкую шлаковую ванну. В последующем жидкий шлак играет роль элекросопротивления, в котором происходит генерация теплоты. Температура шлаковой ванны имеет значения от 1873 до 2273 К (1600-20000С). В зависимости от цели переплава состав шлаковой ванны можно изменить. Конец переплавного электрода всегда погружен в шлаковую ванну. При плавлении капли металла с электрода проходят шлаковую ванну и, под ее воздействием, рафинируются. Постепенно под шлаковой ванной образуется слой расплава, который постоянно увеличивается. Под воздействием кристаллизатора происходит направленная кристаллизация расплава в слиток или отливку. Печи ЭШП выпускаются как с одним электродом, так и многоэлектродные. По способу выплавки слитка они бывают с неподвижным глухим и со сквозным кристаллизаторами. В первом случае высота кристаллизатора равна высоте переплавляемого слитка, а во втором – кристаллизатор перемещается относительно слитка. Наиболее важным узлом ЭШП является кристаллизатор. Его изготавливают из меди или хромистой бронзы, а наружный кожух – из немагнитной стали. Если вместо кристаллизатора для слитка установить водоохлаждаемую литейную форму, то получим одну из разновидностей электрошлакового литья (ЭШЛ). В данном случае жидкий металл с электрода поступает через шлак в водоохлаждаемую литейную форму. Вторая разновидность ЭШЛ реализована в ЭШП с накоплением расплава в гарнисажном тигле (см.рис. 2.37,в). Затем накопленный расплав из тигля сливают в литейные формы. Литейными формами могут быть: - кокиль, тогда этот процесс называется электрошлаковое кокильное литье (ЭКЛ); - центробежная установка, тогда процесс называется центробежное электрошлаковое литье (ЦЭШЛ). Главным компонентом ЭШП является шлак, к которому предъявляются следующие требования: - должен обеспечивать эффективное рафинирование сплава; - при рабочих температурах должен иметь стабильную электропроводность (в пределах 0,001-0,005 Ом·м); - должен иметь низкую температуру плавления и высокую температуру кипения; - должен иметь стабильную вязкость при рабочих температурах; - должен обеспечивать высокое межфазовое натяжение на границе с металлом и обладать высокой адгезией к неметаллическим включениям; - не должен быть дефицитным и гигроскопичным; - должен быть экологически чистым.

116

Наиболее распространенными шлаками для ЭШП являются шлаки на основе фтористого кальция (СаF2), который обеспечивает достаточную температуру плавления и кипения, хорошее удаление неметаллических включений и защиту металла от окисления. Кроме этого в шлак добавляют следующие материалы: СаО, Al2O3, MgO и др., Каждый из них выполняет ту или иную функцию, способствующую улучшению качества металла. В промышленности в основном используют готовые флюсы (табл. 2.2). Таблица 2.2 Состав и свойства флюсов для ЭШП

Марка флюса АНФ1П95 АНФ-6 АН-291

Содержание компонента,%

Тпл, К

ρ,т/м

-

1663-1683

2,25

Удельное электросопротивление,Ом·м 0,0015-0,002

17

1593-1613 1723

2,47 2,64

0,003-0,0035 0,0037-0,004

СаF2

Al2O3

СаО

MgO

95

-

5

70 18

30 40

25

3

Солевые печи

Электрические солевые печи или печи с жидким теплоносителем можно отнести к печам сопротивления косвенного действия. В отличие от обычных печей рабочее пространство в данных печах заполняется жидким теплоносителем, в качестве которого используются расплавленные соли. Нагрев изделий осуществляется погружением их в расплав соли. Выбор состава теплоносителя зависит от технологических целей нагрева (типа сплава и температуры нагрева). В табл. 2.3 приведены наиболее распространенные составы жидких теплоносителей и температурные области их применения. Таблица 2.3 Состав жидких теплоносителей для соляных печей

Состав теплоносителей 26%NaCl+74%CaCl2 100%KCl 100%NaCl 100%BaCl2

Температурная область применения, К 813-1143 1073-1273 123-1373 1373-1623

Применение солевых печей обеспечивает высокую равномерность нагрева отливок. Главное достоинство солевых печей заключается в высо-

117

кой точности нагрева. Перепад температур в объеме жидкой среды не превышает 3-5 градусов, а при применении электромагнитного перемешивания уменьшается до 1 градуса. Немаловажное преимущество солевых печей проявляется в сохранении поверхности отливок от окисления. В зависимости от способа нагрева расплава соли в печи они подразделяются (см.рис. 2.38): - на тигельные с внешним источником тепловой энергии (электронагревателем); - на ванные с погружным электронагревателем (ТЭНом); - на ванные электродные, где генерация теплоты происходит в самом расплаве соли.

а)

б)

в)

Рис. 2.38. Схемы электрических солевых печей: а – тигельных электросопротивления; б – ванных с погружными электронагревателями (ТЭНами); в – ванные с погружными электродами; 1 – расплав соли; 2 – отливка; 3 – электронагреватель; 4 – ТЭН погружной; 5 – погружные электроды

Солевые тигельные печи с внешним электронагревателем (см.рис. 2.38,а) имеют огнеупорный тигель с расплавом соли. Вокруг тигля с внешней его стороны располагают электронагревательные элементы. В печах данной конструкции рабочая температура среды может достигать 1123 К (8500С). В солевых ванных печах с погружными электронагревателями нагрев расплава соли осуществляется ТЭНом, которые располагают возле внутренних боковых стенок ванны (рис. 2.38,б). Печи данной конструкции более компактны по сравнению с тигельными. Солевые ванные печи с погружными электродами (рис. 2.38,в) представляют собой печи сопротивления с жидким нагревательным элементом (т.е. расплавом соли).

118

В данных печах нерасходуемые электроды из жаропрочных сталей погружаются в расплав соли на небольшом расстоянии друг от друга (2550 мм). К электродам подводят электрический ток напряжением 5-25 В. Между электродами через расплав соли начинает протекать ток порядка 5000-10000 А. Высокая плотность тока обеспечивает интенсивную циркуляцию расплава и равномерный его перегрев. Печи данной конструкции позволяют осуществить нагрев изделий до 1573 К (13000С). Печи аэродинамического нагрева

Печи аэродинамического нагрева или рециркуляционные нагревательные установки (РНУ) основаны на принципе аэродинамического теплового эффекта, который возникает при нагнетании газового потока ротором центробежного вентилятора в замкнутом циркуляционном контуре (рис. 2.39). Ротор в этом случае служит одновременно нагнетателем и генератором теплоты.

Рис. 2.39. Схема печи аэродинамического нагрева: 1 – ротор; 2 – экран; 3 – изделие; 4 – корпус печи

Замкнутый циркуляционный контур в этих печах создается специальным экраном, установленным внутрь корпуса печи. Между стенками корпуса и экраном образуются каналы, которые совместно с рабочей камерой составляют замкнутый тракт, замыкающийся на роторе. Основное требование к данным печам – герметичность пространства. РНУ нашли применение для термообработки отливок из цветных сплавов нагрев до 773823 К. Преимущества данного способа нагрева заключается в возможности

119

точного регулирования температуры (скоростью ротора), создании любых контролируемых атмосфер. Электронно-лучевые печи

Электронно-лучевые печи (ЭЛП) работают на принципе превращения кинетической энергии быстро летящих электронов в тепловую энергию, выделяющуюся при ударе электронов о поверхность нагреваемого металла. ЭЛП целесообразно применять для производства (переплава) тугоплавких, высококачественных сплавов или особо чистых металлов (титана, вольфрама, молибдена, ниобия, титана, циркония, урана, высококачественных сталей и т.п.). Для осуществления работы ЭЛП необходимо иметь: - герметичную камеру, в которой необходимо создавать вакуум (добавлением не более 0,07 Па); - поток свободных электронов, направленный на нагреваемый материал; - ускоряющее электрическое поле (разность потенциалов). Источником свободных электронов служит специальный термокатод, который представляет собой металлический материал, характеризующийся низкой работой выхода электронов и нагретый до высокой температуры. В качестве такой материала используется вольфрам. Электроны вылетают из нагретого вольфрамового катода и ускоряются приложенным между анодом и катодом ускоряющим напряжением. Следует отметить, что с увеличением ускоряющего напряжения коротковолновая часть спектра излучения смещается в область ренгеновкого излучения. Мощность ренгеновского излучения в ЭЛП не превышает 0,6% общей мощности электронного луча. Но даже такая величина ренгеновского излучения представляет серьезную опасность для обслуживающего персонала. Поэтому величину ускоряющего напряжения в ЭЛП ограничивают до 30-35 кВ. В то же время, даже при значении ускоряющего напряжения равном 10 кВ, скорость электронов достигает значения 60 км/с. Печи работают при постоянном токе. Для обеспечения достаточно плотного потока электронов применяются специальные сложные фокусирующие устройства и магнитные линзы. Комплекс излучателя электронов, устройств для их ускорения и фокусирования называется электронной пушкой. По принципу действия электронные пушки делятся на электростатические и магнетронные. Электростатические электронные пушки, в свою очередь по конструктивным особенностям делятся на пушки с кольцевым катодом, радиальные и аксиальные.

120

Классификация ЭЛП представлена на рис. 2.40. За основу классификации приняты следующие признаки: - тип применяемой электронной пушки; - назначение ЭЛП; - способ подачи расходуемой заготовки в переплавных ЭЛП. С кольцевой пушкой

С аксиальной пушкой ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ПЕЧИ(ЭЛП)

С радиальной пушкой

Плавильные

Термические

С переплавом слитка в кристаллизатор

С магнетронной пушкой

С переплавом слитка в гарнисажный тигель

С переплавом шихты в гарнисажном тигле

Рис. 2.40. Классификация электронно-лучевых печей

ЭЛП, имеющие пушку с кольцевым катодом являются наиболее простыми. В данных печах кольцевой катод из вольфрамовой проволоки нагревается до температуры более 2273 К от источника питания. Анодом служит нагреваемое тело (слиток). Печи с такой пушкой имеют наиболее высокий к.п.д. (15-40%). Однако близкое расположение катода к нагреваемому металлу приводит к быстрому его выходу из строя (пары металла попадают на катод). Поэтому печи с такими пушками нашли ограниченное применение. ЭЛП с радиальной пушкой не имеют данного недостатка. Так как радиальный катод не связан электрической цепью с нагреваемым металлом. Для ускорения электронов в данном случае используется отдельный анод, который предохраняет катод от паров металла (см.рис. 2.41).

121

Рис. 2.41. Схема устройства электронно-лучевых печей: 1 – катод; 2 – фокусирующее устройство; 3 – водоохлаждаемый анод; 4 – магнитная линза; 5 – нагреваемое тело

Электронный пучок направляется прямо или, с помощью магнитной линзы, отклоняется в сторону нагреваемого тела. К недостаткам радиальных пушек относится сложность и громоздкость печей большой мощности, где организуется несколько пушек. В ЭЛП с аксиальной электронной пушкой возможно разделение систем откачки (создания вакуума) из рабочего пространства печи и прикатодного пространства пушки. В печах данной конструкции формируется, в отличие от установок с кольцевым катодом и с радиальной пушкой, не плоский, а конусообразный электронный луч. Такие установки получили наибольшее распространение. Схема работы такая же, как у печей с радиальной пушкой. Отличие заключается в том, что нагрев вольфрамового катода может осуществляться с помощью вспомогательного электроннолучевого нагревателя, а камера, где располагается катод, имеет свою систему откачки. После анода устанавливается система диафрагм, которые ограничивают попадание паров металла в катодное пространство. На рис. 2.42 представлена конструктивная схема ЭЛП с аксиальной электронной пушкой.

122

Рис. 2.42. Схема электронно-лучевой плавильной печи с аксиальной пушкой: 1 – катод; 2 – разгоняющие электроды; 3 - сжимающая электромагнитная катушка; 4 – сжимающая электромагнитная катушка с электромагнитной системой отклонения или развертки пучка электронов (по окружности, спирали или под углом); 5 – диафрагма сопротивления потоку газа; 6 – вакуумный затвор

В настоящее время выпускаются аксиальные электронные пушки мощностью от 30 до 1200 кВт. В магнетронных электронных пушках используют дополнительные устройства для создания в них магнитного поля. Наложение магнитного поля на поток электронов приводит к их движению по спирали. Такое движение электронов снижает требование к юстировке электростатической электрической системы катод-анод. По назначению ЭЛП подразделяются на печи: - для переплава расходуемого слитка в кристаллизатор; - для переплава расходуемого слитка в гарнисажный тигель, с последующей заливкой из него расплава в литейную форму; - для переплава шихты в гарнисажном тигле; - для зонной перекристаллизации; - для термической обработки изделий.

123

По способу подачи расходуемой заготовки переплавные ЭЛП могут быть (см.рис. 2.43): - с горизонтальной подачей расходуемой заготовки с одной или двух сторон; - с вертикальной подачей расходуемой заготовки.

а)

б)

Рис. 2.43. Основные конструктивные схемы подачи расходуемых заготовок в переплавные электронно-лучевые печи: 1 – электронная пушка; 2 – расходуемая заготовка; а – вертикальная; б - горизонтальная

Для дополнительного рафинирования металла в переплавных ЭЛП применяются промежуточные водоохлаждаемые гарнисажные емкости (гарнисажные тигли). Схема такой установки представлена на рис. 2.44.

124

Рис. 2.44. Схема переплавной ЭЛП с промежуточным гарнисажным тиглем (холодным подом): 1 – электронная пушка; 2 – расходуемая заготовка; 3 – холодный под

На рис. 2.45 приведена оригинальная электронно-лучевая установка для переплавки отходов титановых сплавов в слитки, которые затем используются как расходуемые электроды в дуговых гарнисажных печах. Плавление отходов ведут в титановом, охлаждаемом водой тигле с донным сливом с применением двух пушек. Изложницы для слитков располагаются на поворотном столе заливочной камеры. Производительность установки состаляет 4-5 слитков в час; масса одного слитка – до 300 кг, рабочий вакуум ЭЛП – 6,7-0,13 Па.

125

Рис. 2.45. Схема ЭЛП для переплава отходов титановых сплавов: 1 – загрузочная камера шихтовых материалов; 2 – электронно-лучевая пушка; 3 – смотровое окно; 4 – тигель с донным сливом; 5 – изложница; 6 – поворотный стол; 7 – водоохлаждаемый воротник изложницы; 8 – электропривод; 9 – вакуумный затвор; 10 – патрубки к вакуумной системе

Производительность установки составляет 4-5 слитков в час, масса одного слитка – до 300 кг, рабочий вакуум ЭЛП – 6,7-0,13 Па. 2.5. КЛАССИФИКАЦИЯ ПО РЕЖИМАМ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ

По применяемому режиму теплообмена печи подразделяются на три группы: - конвективные печи, где используется конвективный режим теплообмена; - радиационные печи, где используется в основном радиационный режим теплообмена; - радиационно-конвективные печи, где в различных частях рабочего пространства используются различные режимы теплообмена. По применяемым температурным режимам работы печи подразделяют на две группы, это:

126

- печи с камерным режимом работы или камерные печи; - печи с методическим режимом работы или методические печи. Печи с камерным режимом работы

В камерных печах обеспечивается практически постоянная температура по всему объему рабочего пространства печи. В топливных камерных печах для обеспечения одинаковой температуры расредотачивают равномерно по всей длине рабочего пространства подвод тепловой энергии и отвод печных газов (см.рис. 2.46,а).

а)

б)

Рис. 2.46. Схемы камерных печей: а – топливных; б - электросопротивления

В электрических камерных печах сопротивления нагревательные элементы должны быть равномерно распределены по стенкам, своду и поду печи. Причем все нагревательные элементы должны иметь одинаковую мощность (рис. 2.46,б). Значительную роль в обеспечении камерного режима играет интенсивная циркуляция печных газов. Печи периодического действия, как правило, работают по камерному режиму. Температура в этих печах со временем может изменяться, но в любой момент времени по объему рабочего пространства она поддерживается одинаковой. В печах непрерывного действия, работающих по камерному режиму, температура в рабочем пространстве остается неизменной не только по его длине, но и во времени.

127

Методические печи

В печах с методическим режимом нагрева тепловая нагрузка распределена неравномерно по длине пространства, т.е. температура в различных точках рабочего пространства имеет разное значение. Т.к. все методические печи непрерывного действия, то значение их температуры в каждом поперечном сечении рабочего пространства неизменна во времени (температура различна только по длине рабочего пространства). В связи с этим нагреваемый материал, передвигаясь вдоль рабочего пространства печи попадает в зоны с различной температурой. При обеспечении регулирования температуры по зонам рабочего пространства печи можно добиваться требуемой скорости нагрева материала. Топливные методические печи в зависимости от направлений движения нагреваемого материала и печных газов в рабочем пространстве подразделяются на две группы (см.рис. 2.47): - печи с прямоточным движением; - печи с противоточным движением.

Рис. 2.47. Схемы методических печей и графики распределения температур в них: а – с противоточным движением; б – с прямоточным движением; Тг – температура печных газов; Тм – температура нагреваемого материала

В прямотоке печные газы и нагреваемый материал движутся в одном направлении. В противотоке – движение происходит в противоположных направлениях. Методические топливные печи с противотоком характеризуются достаточно высоким к.п.д. (40-50%) и более высокой температурой нагрева материала.

128

Прямоточные методические печи применяются только в случае необходимого интенсивного отбора теплоты материалом в зоне высоких температур, для исключения чрезмерного теплового воздействия в этой зоне на огнеупорную оболочку рабочего пространства. В методических топливных печах изменение температуры печных газов по длине рабочего пространства, как правило, применяется плавно без видимых скачков (см.рис. 2.47). Но если методическая печь имеет несколько зон, то в каждой зоне можно установить свой температурный режим, т.е. по длине печи будет наблюдаться скачкообразное изменение температуры, при переходе от данной зоны в другую. В электрических печах методический режим можно осуществить двумя методами: - первый метод, это вынос электронагревателя за пределы рабочего пространства печи и подогрев в нем газообразного теплоносителя, вдуваемого в печь; - второй метод, это создание в печи по ее длине несколько тепловых зон, в которых расположены электронагреватели различные по мощности. На рис. 2.48 представлена схема электрической методической печи с выносным электронагревателем и дополнительным газовым теплоносителем. В качестве газового теплоносителя может использоваться воздух.

Рис. 2.48. Схема электрической методической печи с выносным электронагревателем и газообразным теплоносителем (воздухом)

В данной конструктивной схеме печи холодный воздух подается в электронагреватель (калорифер), где он подогревается, а затем подается в рабочее пространство печи. Там он отдает часть своей теплоты теплообрабатываемому материалу. Затем через газоотводящие каналы воздух выво-

129

дится из печи. При необходимости его можно повторно использовать, смешивая со свежей порцией холодного воздуха. На рис. 2.49 изображена схема трехзонной электрической методической печи с электронагревателями различной мощности. В этой печи каждая зона имеет свою рабочую температуру, поддерживаемую электронагревателями.

Рис. 2.49. Схема трехзонной электрической методической печи: 1 – зона замедленного нагрева; 2 – зона интенсивного нагрева и выдержки; 3 – зона регулируемого охлаждения

В первой зоне температура поддерживается невысокой. Поэтому нагрев материала в данной зоне будет замедленный. Во второй зоне поддерживается наивысшая температура. При попадании в эту зону материал интенсивно нагревается до конечной температуры. В третьей зоне установлены нагреватели малой мощности. Служит данная зона для регулируемого охлаждения материала. 2.6. КЛАССИФИКАЦИЯ ПЕЧЕЙ ПО СПОСОБАМ ЗАГРУЗКИ МАТЕРИАЛА И ЕГО ПЕРЕДВИЖЕНИЯ В РАБОЧЕМ ПРОСТРАНСТВЕ

По способам загрузки материала и его передвижения в рабочем пространстве в основном классифицируются сушильные и нагревательные печи камерного типа. Печи периодического действия (садочные) в зависимости от способа загрузки классифицируются:

130

- на печи со стационарным подом и специализированными устройствами загрузки; - на печи с подвижным подом. Печи периодического действия со стационарным подом, в зависимости от конфигурации рабочего пространства и его размеров могут быть (см.рис. 2.50): - с верхней загрузкой (краном, тельфером и т.п.) со съемным или раскрывающимся сводом; - с боковой загрузкой погрузочным устройством; - с боковой загрузкой при помощи выкатной тележки (платформы).

а)

б)

в)

г)

Рис. 2.50. Печи камерного типа периодического действия со стационарным подом: а – с верхней загрузкой; б – с боковой загрузкой; в – с выкатной тележкой (платформой) тупиковые; г – с выкатной тележкой проходные

Верхняя загрузка мелких изделий в садочные печи со стационарным подом производится в специальных корзинах или контейнерах при помощи подъемных механизмов (крана, тельфера, пневматического и гидравлического подъемников). Боковая загрузка мелких изделий в садочные печи со стационарным подом производится с помощью специальных поддонов толкательными устройствами, а крупных изделий – при помощи специальных садочных машин. Загрузка изделий в садочную печь с выкатной тележкой осуществляется краном на платформу тележки, которую затем закатывают в печь по рельсам. Печи периодического действия с подвижным подом выполняются двух видов (см.рис. 2.51): - горизонтальные с выкатным подом; - вертикальные с опускающимся подом (элеваторные печи).

131

а)

б)

Рис. 2.51. Печи периодического действия с подвижным подом: а – с выкатным; б – с опускающимся

Загрузка изделий в садочную печь с выкатным подом осуществляется с помощью крана на платформу пода, затем он специальным механизмом закатывается в печь. Загрузка в садочную печь с опускающимся подом происходит следующим образом. Тележка-под в нижнем положении выкатывается с платформы подъемника по рельсам из-под печи и загружается краном. Затем тележка-под закатывается на платформу подъемника, который поднимает ее и вталкивает снизу в подовое окно печи. Печи непрерывного действия в зависимости от конструктивных решений устройств перемещения материала подразделяются (см.рис. 2.52): - на толкательные печи, как правило, со специальными закрытым циклом поддонов, на которых устанавливаются изделия; - на печи с импульсным (пульсирующим) подом (для термообработки мелких отливок); - на печи с роликовым подом; - на печи с вращающимся тарельчатым подом; - на печи с вращающимся кольцевым подом; - на печи с подовым горизонтальным конвейером; - на печи с вертикальным конвейером; - на печи с подвесным конвейером.

132

Рис. 2.52. Печи непрерывного действия с различными устройствами для перемещения материала в рабочем пространстве: а – толкательные; б – с импульсным подом; в – роликовые; г – с вращающимся тарельчатым подом; д – с вращающимся кольцевым подом; е – вертикальные конвейерные; ж - горизонтальные с подовым конвейером; з – с подвесным конвейером

В толкательных печах передвижение коробов-поддонов осуществляется пневматическими, электромеханическими или гидравлическими толкателями, а выгрузка – специальными выталкивателями. В печах с пульсирующим подом мелкие отливки загружаются на под в виде лотка, установленный на специальные катки. Под-лоток имеет возвратно-поступательное движение с помощью специального устройства. Отливки при каждой пульсации передвигаются вдоль печи. Выгрузка отливок осуществляется по наклонному лотку. В печах с роликовым подом движение крупных изделий или мелких в поддонах осуществляется вращением роликов. В печах с вращающимся подом при нагреве мелких изделий предусматривается одно загрузочно-раздаточное рабочее окно. При нагреве средних отливок загрузка в данные печи осуществляется через два загрузочных окна. При нагреве крупных отливок в печи предусматриваются открытые загрузочные сектора, через которые краном производится загрузка на под.

133

В горизонтальные конвейерные печи загрузка мелких отливок на конвейер осуществляется с помощью бункерного вибрационного загрузчика. В вертикальных конвейерных печах передвижение изделий в печи осуществляется с помощью специальных этажерок, установленных на конвейере. 2.7. КЛАССИФИКАЦИЯ ПЕЧЕЙ ПО НАВЕДЕНИЮ ПЕЧНОЙ АТМОСФЕРЫ

В зависимости от способа наведения и состава печной атмосферы печи могут быть: с пассивной или активной печной атмосферой; с окислительной, восстановительной, инертной атмосферой или вакуумной. В печах с пассивной атмосферой печные газы специально не наводятся – они присутствуют при технологическом процессе (например индукционные печи). В печах с активной атмосферой печные газы специально наводятся для проведения каких-либо технологических операций (нагрева, сушки, защиты от окисления и т.д.). Восстановительные атмосферы в печах, как правило, содержат продукты неполного сжигания топлива (СО, Н2 и пр.). Поэтому после их использования необходимо произвести их дожигание в специальных устройствах. Инертная атмосфера используется для безокислительного нагрева металла (отливок в термических печах или сплава в плавильных печах). В этих печах используется инертный газ (аргон, азот и т.п.). Поэтому рабочее пространство данных печей требует герметизации. В качестве ознакомления в табл. 2.4 представлены составы газов, которые достаточно часто используют для наведения печной атмосферы в термических печах.

134

Таблица 2.4 Состав контролируемых атмосфер термических печей

Атмосфера Защитные: -для ферритного и перлитного КЧ -зндогаз -экзогаз -генераторный газ древесноугольный Нейтральные: -азот -аргон Окислительные: -состав 1 -состав 2 -состав 3

СО2

Состав атмосферы, % (объемн.) СО Н2 Н2О N2