Лекция № 2. Расчет и конструирование печей.

По технологическому назначению металлургические печи делят на две основные группы: нагревательные и плавильные.

В нагревательных печах металл или другие материалы на­гревают с целью:

1. Изменения механических свойств металла (главным об­разом пластичности) перед обработкой давлением: прокаткой, ковкой, штамповкой, волочением;

2. Изменения структуры металла;

3. Обжига материалов (известняка, доломита, магнезита, руды, огнеупорных материалов);

4. Удаления влаги из материалов (сушка литейных материа­лов и форм, руды, угля).

В таких печах основной продукт нагрева не меняет своего агрегатного состояния, хотя в процессе нагрева могут сущест­венно измениться его свойства.

Плавильные печи применяют с целью:

1. Получения металла из руд или концентратов;

2. Переплавки металла;

3. Удаления примесей из металлических материалов (ших­ты) и получения металла необходимого состава.

В плавильных печах после нагрева до температуры плавле­ния материал переводится в другое агрегатное состояние (из твердого в жидкое).

Таким образом, печи — это тепловые устройства, предназна­ченные для осуществления технологических процессов таких видов, которые требуют разогревания материалов до той или иной температуры, и поэтому рабочим видом энергии в таких устройствах является тепло.

Тепло, которое необходимо для осуществления процессов технологии, может возникнуть в самом материале, подвергаемом тепловой обработке. Тепловые устройства, действие которых основано на этом принципе, будем в дальнейшем называть печами-теплогенераторами. Примером печи-теплогенератора является конвертер для продувки жидкого чугуна (рисунок 1).

Тепло, необходимое для перегрева металла в конвер­тере, получается за счет химической энергии жидкого чугуна, заливаемого в конвертер (окисление Si, Mn, Р, С).

В тепловых устройствах другого типа тепло, необходимое для осуществления процессов технологии, подводится к мате­риалу, подвергаемому тепловой обработке, извне. Поэтому в подобных устройствах осуществляется два главных теплотехниче­ских процесса:

1) получение тепла из энергии другого вида (химической энергии топлива, электри­ческой, солнечной и т. п.);

2) передача тепла материалу, подверга­емому тепловой обработке.

Первый из этих процессов для печей дан­ного типа является вспомогательным и со­вершается при помощи топочных устройств (топок, горелок, форсунок) или преобразо­вателей электрической энергии в тепловую (сопротивление и т. д.), объединяемых об­щим названием «теплогенераторы».

Дутье

Рисунок 1 – Конвертер для продувки жидкого чугуна

Второй процесс — теплопередача — яв­ляется для данных тепловых устройств главным, определяющим. Поэтому подоб­ные тепловые устройства в дальнейшем бу­дем условно называть печами — тепловыми аппаратами — теплообменниками. Большинство печей, примени­мых в черной металлургии, относится к этому типу.

С технологической точки зрения печи классифицируют в зависимости от происходящих в них процессов. Отсюда возникновение названий — печи для обжига руд, печи для сушки, печи для нормализации металла, чугуноплавильные, сталеплавильные печи и т. д. С теплотехнической точки зрения целесообразно классифицировать печи-теплообменники по признаку теплообменных процессов на радиационные, конвективные и слоевые.

В первых тепло сообщается поверхности нагреваемого материала в основном радиацией; во вторых — конвекцией, в третьих процессы теплообмена развиваются в слое кусковых, зернистых или пылевидных материалов, причем процессы теплоотдачи радиацией и конвекцией в этих печах настолько переплетены, что разделить их очень трудно. Вследствие этого режим теплообмена в слое на данной стадии развития теории печей целесообразно выделить в особую группу. На рисунке 2 показаны схемы печей, работающих по радиационному режиму. Одна из печей (рисунок 2, а) служит для нагрева стальных слитков перед прокат­кой. Слитки поступают через отверстие 1 и выгружаются через отверстие 2. Пламя движется во встречном направлении, как показано стрелками. Другая изображена на рисунке 2, б. Она служит для нагрева слитков в вертикальном положении и назы­вается нагревательным колодцем. На рисунке 3 а приведена схема плавильной печи, работающей по радиационному режиму. Пос­ле расплавления жидкий металл собирается на поду, выполнен­ном в виде чаши.

Рисунок 2 - Схемы: а - методической печи; б- нагревательных колодцов для слитков

На рисунке 3 б показа­на схема печи для сушки литейных форм, работающей по конвективному режиму, на рисунке 4 а схема шахт­ной (доменной) печи. Через ее верхнюю часть, называемую колош­ником, поступают сырые материалы в виде кусков (руда, флюсы, кокс). Нагретый воздух, подается в ниж­нюю часть печи — горн. Раскаленные газы движутся снизу вверх, отдавая тепло сырым материалам. В этой печи происходит слое­вой режим теплообмена. На рисунке 4 б приведена схема печи для тепловой обработки, например, обжита, зернистых материалов, располагаемых в виде слоя толщиной 1,0—1,5 м в нижней части печи.

Рисунок 3 – Схемы: а – ванны плавильной печи; б – печи для сушки литейных форм

При продувании через слой воздуха с определенной скоро­стью плотная структура слоя нарушается, благодаря чему зер­нистый материал начинает энергично перемешиваться подобно тому, как это происходит в жидкости. Такая тепловая обработ­ка называется процессом в псевдоожиженном, или кипящем слое. Над кипящим слоем находится взвешенный слой пылевид­ного материала, где также происходят процессы тепловой обра­ботки.

С теплотехнической точки зрения очень важно, работают ли печи периодическим или непрерывным процессом.

При периодическом процессе материалы загружаются в печь и подвергаются тепловой обработке. После разгрузки печи за­гружается новая партия материала и процесс тепловой обработ­ки повторяется. Так работают нагревательные колодцы для слитков (рисунок 2 б), камерные плавильные печи ( рисунок 3 а) и др.

При непрерывном процессе изделия или материалы загру­жаются с одного конца печи; проходя через нее, подвергаются тепловой обработке и выдаются из печи непрерывно или перио­дически. К таким устройствам относятся методические печи для нагрева заготовок (рисунок 2 а), доменные печи (рисунок 4 а), печи с кипящим слоем (рисунок 4 б) и др.

По способу перемещения материалов по печи их разделяют на толкательные (рисунок 2, а), перекатные, протяжные, с движущимся подом, с передвижением материалов под действием силы тяжести (рисунок 5 а). Нагрев материалов в топливных печах может осу­ществляться непосредственно раскаленными газами или в му­фельных печах теплопередачей через стенку. На рисунке 5 приведе­на схема муфельной печи для нагрева стопы листового металла. Раскаленные газы, выходя из горелок 4, нагревают муфель 3, от которого тепло передается стопе металла 1. В зависимости от температуры, которая должна быть получена в рабочем прост­ранстве печей, изменяются требова­ния к организации процесса сжига­ния топлива и к тепловому режиму печей.

Рисунок 4 – Схемы: а - шахтной печи; б – печи с кипящим слоем:

1-колошник; 2-шахта; 3-распар; 4-горн; 5-фурмы; 6-решетка.

Печная установка представляет собой сложный агрегат, состоящий из собственно печи и вспомогатель­ного оборудования, причем все эле­менты печной установки взаимно связаны в работе. К числу этих эле­ментов относят: собственно печь — рабочее пространство; устройство для сжигания топлива (топки, го­релки и т. д.) или превращения энергии других видов (например, электрической) в тепло (резисторы); соединительные части (дымоходы и трубопроводы).

Отвод дыма

Рисунок 5 – Схема муфельной печи для нагрева стопы листового железа: 1-стопа листов; 2-съемный колпак; 3-муфель; 4-горелки;

5-песчаный затвор

Вспомогательные устройства: воздухо- и газонагреватели; котлы- утилизаторы; дутьевые вентиляторы; механизмы для загрузки, выгрузки и перемещения материала в печи; контрольно-измерительная и регулирующая аппаратура; дымовые трубы и дымо­сосы. Важнейшей частью печи является рабочее пространство, где совершается технологическая операция, определяемая теп­ловой работой печи.

К числу основных требований, предъявляемых к печам, от­носят:

1. Полное удовлетворение требований технологии;

2. Высокую производительность печи при минимальном рас­ходе тепла и минимальных потерях металла (материала) при нагреве;

3. Минимальный расход материалов и времени для построй­ки и ремонта при минимальных капитальных затратах;

4. Возможность автоматизации работы печей;

5. Благоприятные условия труда.

Хорошо работающей можно считать такую печь, которая удовлетворяет всем этим требованиям одновременно; для этого необходимо, чтобы печь была правильно сконструирована и находилась в нормальных условиях эксплуатации.

По мере эксплуатации печи кладка и арматура ее изнашиваются, печь все менее удовлетворяет требованиям, предъявляемым к ней, со стороны протекающих в ней процессов, что приводит к необходимости восстановления ее конструкции.

Литература: 3 осн. [11-31], 4 осн. [2-11].

Контрольные вопросы:

1. Поясните, для чего используют нагревательные печи.

2. Поясните, для чего используют плавильные печи.

3. Приведите пример печи-теплогенератора.

4. Приведите схемы печей, работающих по радиационному режиму.

5. Приведите схемы печей, предназначенных для тепловой обработки.

6. Перечислите основные элементы печи и вспомогательного оборудования.