11.5. Процессы плавления
Плавление – процесс перехода твердого вещества в жидкотекучее состояние (в расплав), сопровождающийся поглощением теплоты.
При постоянном внешнем давлении материал плавится при определенной температуре – температуре плавления, зависящей oт природы вещества и давления.
Температура плавления зависит так же от минералогического состава исходного сырья и характера газовой среды. В восстановительной среде температура плавления существенно понижается.
Теплота, затрачиваемая на переход единицы массы вещества из твердого состояния в жидкое при температуре плавления, называется удельной теплотой плавления.
Если в составе смеси имеются туго- и легкоплавкие компоненты, то соотношение их должно быть таким, чтобы тугоплавкие компоненты успели расплавиться за время пребывания смеси в плавильной установке. Тугоплавкие компоненты должны иметь более тонкий помол, чем легкоплавкие.
При плавлении кусковых материалов расплав появляется на их поверхности, стекает с нее и обнажает расплавленную поверхность, за счет этого уменьшаются размеры и площадь кусков. При плавлении порошковых сырьевых смесей первые капли расплава появляются при эвтектических температурах на контактах отдельных зерен. Поэтому порошки сначала спекаются (омоноличиваются), приобретая пиропластическое состояние, а затем при дальнейшем нагреве спек переходит в расплав.
Теплообмен при плавлении имеет специфические особенности для каждого типа установок. Общим для всех является зависимость теплообмена от лучепрозрачности расплава. Стекольные расплавы наиболее лучепрозрачны и поэтому излучаемые на поверхность расплава тепловые волны проникают в толщу слоя, осуществляя объемный прогрев. Расплавы горных пород менее лучепрозрачны и воспринимаемый ими тепловой поток концентрируется на поверхности расплава, что предопределяет целесообразность плавления горных пород и шлаков в тонком слое.
При производстве минеральной ваты расплавы получают в вагранках, ванных и электродуговых печах. Для получения расплава фриттовых глазурей применяют ванные и вращающиеся печи.
Лекция 12. Конструкции установок высокотемпературной обработки материалов и изделий (4 часа)
12.1. Классификация печей
Печи – это энерготехнологические агрегаты (установки или сооружения), предназначенные для термической обработки исходного сырья с целью придания ему необходимых заданных свойств. Исходное сырье в печах подвергается следующим видам тепловой обработки:
нагреву, сушке, обжигу, спеканию, вспучиванию, плавлению или варке. Основными элементами промышленных печей являются топочные (горелочные) устройства, рабочее пространство (камера), устройства для использования теплоты отходящих газов и продукта, тяговое и дутьевое устройства.
1). В зависимости от устройства рабочей камеры различают следующие основные группы печей:
шахтные (рис. 12.1, а), высота которых больше ширины не менее чем в 4,5 раза; загруженный сверху материал опускается под собственной массой, проходя зоны подогрева, обжига и охлаждения; в зоне охлаждения воздух нагревается и движется навстречу материалу;
камерные (рис. 12.1, б) – рабочее пространство состоит из камеры и материала; блок таких камер образует многокамерные и кольцевые печи (рис. 59, в);
вращающиеся (рис. 12.1, г) – имеют рабочую камеру в виде наклонного вращающегося барабана, внутри которого перемещается и перемешивается материал; навстречу ему движутся газы;
тоннельные (рис. 12.1, д) – это горизонтальный канал большой длины, в котором материал перемещается на вагонетках или конвейером;
горшковые, • или тигельные (рис. 11.2, е) – в рабочей камере расположены сосуды (горшки, тигли);
ванные (рис. 12.1, ж) – рабочая камера имеет вид ванны (бассейна), в которой плавят исходное сырье.
Рис. 12.1. Печи с различным устройством рабочей камеры:
а – шахтная; б, в – камерная; г – вращающаяся; д – тоннельная; е – тигельная; ж – ванная; I...III – соответственно зоны подогрева, обжига и охлаждения; 1 – выгрузка: 2 – материал: 3 – барабан; 4 – вагонетка; 5 – тигель: 6 – ванна
2). В зависимости от режима работы печи могут быть периодического и непрерывного действия.
3). По технологическому признаку различают печи для выполнения следующих операций:
обжига кусковых и порошкообразных материалов (шахтные, вращающиеся);
обжига керамических изделии (камерные, тоннельные, газокамерные, кольцевые);
плавления исходного сырья (ванные, горшковые).
4). В зависимости от теплового режима бывают печи с постоянной и переменной тепловой нагрузкой, а также постоянным и переменным температурным режимом. В печах непрерывного действия с непрерывными загрузкой исходного сырья и выгрузкой горючего продува тепловая нагрузка и температурный режим постоянны, а в печах периодического действия – переменны. Кольцевые и многокамерные печи работают с «подвижным огнем», т. е. в них температурная кривая неизменна во времени, но перемещается по длине печи; также изменяется и место, куда вводится топливо.
5). По способу выделения и передачи теплоты классифицируют в зависимости от вида сжигаемого топлива (пылевидного, кускового, жидкого, газообразного) и электрические.