1.5 Нагревательные печи

Электрические нагревательные печи по конструктивным особенностям и степени механизации подразделяются на камерные, шахтные, барабанные, карусельные, толкательные с пульсирующим подом и конвейерные печи, закалочные и цементационные агрегаты непрерывного действия, а также на установки, используемые при нагреве ТВЧ.

Камерные электрические печи. У таких печей в отличие от пламенных нефтяных и газовых рабочее пространство не имеет дымохода и вентиляции. В качестве источника тепла применяют электрическую энергию. Рабочая камера нагревается при помощи нагревательных элементов, изготовляемых из высокоомных хромоникелевых сплавов или карборунда.

Шахтные электрические печи. Нагревательные электрические печи с вертикальным расположением камеры нагрева называют шахтными. По тепловому режиму и методам загрузки они подобны камерным печам. Загрузка и разгрузка таких печей механизирована, что позволяет использовать их при различных видах термической обработки. Шахтные печи обозначают буквой Ш и цифрами, указывающими на мощность печи.

Барабанные электрические печи. Такие печи применяют для нагрева под закалку шариков и роликов подшипников качения штифтов, гаек и других небольших деталей. Представляет собой металлический кожух, внутри которого имеется рабочая камера, выложенная шамотным кирпичом. С торцов печи расположены чугунные плиты. И рабочей камере горизонтально установлен муфель, отлитый из жароупорного сплава. Муфель вращается при помощи электродвигателя через коробку передач, установленную у разгрузочной стороны печи. Муфель обогревается при помощи нихромовых электрических нагревателей, расположенных на боковых стенках и на поду рабочей камеры.

Плавильные печи.

В сталелитейных цехах в качестве плавильных агрегатов используют различные печи - дуговые и индукционные тигельные электропечи, малые конвертеры, мартеновские печи, а также специальные плавильные печи - вакуумно-индукционные и вакуумно-дуговые, плазменно-дуговые, электронно-лучевые и электрошлаковые.

Дуговые электропечи лучше других плавильных агрегатов приспособлены для плавки стали в условиях литейных цехов, так как позволяют быстро приготовить сталь практически любой марки требуемого качества и необходимого количества. При этом в них можно полностью утилизировать отходы собственного производства и переработать как компактный, так и стружечный металлический лом.

Индукционные тигельные электропечи применяют в литейных цехах с небольшим объемом производства стального литья, наиболее часто - в условиях литья по выплавляемым моделям. При этом преимущественно используют печи с кислой футеровкой, поскольку они дешевле и более стойки к теплосменам и в них можно выплавлять практически все основные марки сталей. Только стали, содержащие алюминий, титан и марганец, следует выплавлять в индукционных тигельных печах с основной футеровкой. Это обусловлено тем, что, как и в дуговых печах, алюминий и титан восстанавливают кремний из SiO2 футеровки, разрушают ее и одновременно обогащают расплав кремнием. А легированные марганцем стали при плавке образуют шлаки с высоким содержанием MnO, которые активно взаимодействует с кислым оксидом SiO2 и размывают футеровку.

Вакуумно-индукционные печи бывают однокамерные и многокамерные. Плавильное устройство размещено в вакуумной камере. Камера создается при совмещении откатного корпуса со стационарной стенкой. В откатном корпусе имеются смотровые окна , рубашка водяного охлаждения , дозатор для ввода добавок и вакуумметр. К стационарной стенке смонтирован плавильный тигель с площадкой и токоподводящими шинами. Литейные формы крепят на площадке с помощью откидной траверсы. Заливку форм осуществляют путем поворота тигля с площадкой при помощи электродвигателя с редуктором поворотного механизма.

Вакуумно-дуговые печи также размещаются в вакуумной камере. Плавку осуществляют в водо-охлаждаемом тигле, имеющем намороженный слой выплавляемой стали (гарнисаж). Расплав стали получают оплавлением электрической дугой постоянного тока расходуемого электрода, в качестве которого используют предварительно отлитую цилиндрическую заготовку из той же стали. Остаточное давление в вакуумной камере составляет 0,1…1,0 Па. Заливку стали в литейную форму 5 осуществляют в вакууме.

Электронно-лучевые печи по конструкции похожи на вакуумно-дуговые печи. Плавку осуществляют в водо-охлаждаемом гарнисажном тигле 4, который размещен внутри вакуумной камеры 7. Расплав стали получают оплавлением предварительно отлитой заготовки 3 из той же стали. Расплавление осуществляют за счет энергии электронного луча 2, генерируемого в электронной пушке 1. Обычно печи работают на постоянном токе при остаточном давлении 0,01...0,1 Па. В водоохлаждаемой гарнисажной печи установлены одна или несколько электронных пушек, с помощью которых наплавляют порцию металла. Затем печь наклоняют и сталь заливают в водоохлаждаемую форму. При этом одни пушки обогревают ванну, другие - носок тигля, литник или приемную воронку. Особенно это необходимо при литье высоколегированных сталей.

Плазменно-дуговые печи внешне похожи на дуговые печи постоянного тока (Рис. 2.2.8): так же имеют подовый водо-охлаждаемый электрод 2 и работают на постоянном токе. Но вместо энергии электрической дуги для расплавления шихты и получения расплава стали 3 используют энергию плазмы, которую генерируют специальные устройства - плазмотроны 1. Для выплавки сталей используется так называемая низкотемпературная плазма (10000...30000 0С) со степенью ионизации около 1 %. Генератор плазмы плазмотрон состоит из водоохлаждаемого корпуса с крышкой, катода с вольфрамовым наконечником и медного анода с отверстием в виде сопла. Струя ионизированного газа вытекает из сопла, отрывает дугу от него и замыкает цепь на металле (шихте или жидкой стали). Длина плазменной дуги может достигать 1...2 м. Высокая температура плазмы обеспечивает высокую скорость плавления и нагрева металла. А большая длина дуги, при устойчивом горении, вне зависимости от обвалов шихты и всплесков жидкой стали способствует хорошей работе всего агрегата.

Электрошлаковые печи имеют электрическую схему питания (рис. 2.2.9) сходную с вакуумно-дуговой печьюФазы электрического тока подсоединены к расходуемому электроду 1 и водоохлаждаемой литейной форме 5. Но принцип действия этих печей отличается: расходуемый электрод погружен в слой жидкого электропроводящего шлака 2. К электроду и изложнице подводят переменный электрический ток, который, проходя через слой шлака, нагревает его до температуры 1600...2000 0С. При этом часть тепла передается электроду, торец его расплавляется. Капли металла проходят через слой шлака и очищаются от вредных примесей, прежде всего от серы и неметаллических включений, и образуют жидкую ванну (лунку) 3. Расплав в изложнице затвердевает направленно снизу вверх, обеспечивая получение качественной литой заготовки 4. При этом шлак, затекая в зазор между изложницей и литой заготовкой, образует шлаковая корочка (гарнисаж). Вследствие этого заготовка имеет гладкую поверхность. В качестве шлака используют смесь на основе CаF2 с добавками Al2O3, CaO и MgO. Образующийся шлак должен иметь относительно низкую температуру плавления (1320-1450 ºС) и удельное электросопротивление при рабочих температурах в пределах 0,001-0,005 Ом·м. При изготовлении фасонных отливок метал плавят электрошлаковым методом в тигле, а затем его сливают в литейную форму. Этот способ не уступает по экономическим показателям индукционным тигельным печам. Методом электрошлакового кокильного литья получают отливки ответственного и особо ответственного назначения.

1.6 Компрессор  — энергетическая машина или устройство для повышения давления (сжатия) и перемещения воздуха. Общепринятая классификация механических компрессоров по принципу действия, под принципом действия понимают основную особенность процесса повышения давления, зависящую от конструкции компрессора. По принципу действия все компрессоры можно разделить на две большие группы: динамические и объёмные. Производительность компрессоров обычно выражают в единицах объёма газа сжатого в единицу времени (м³/мин, м³/час). Производительность обычно считают по показателям приведённым к нормальным условиям. При этом различают производительность по входу и по выходу, эти величины практически равны при маленькой разнице давлений между входом и выходом, но при большой разнице, например, у поршневых компрессоров, выходная производительность может при тех же оборотах падать более чем в два раза по сравнению с входной производительностью, измеренной при нулевом перепаде давления между входом и выходом. Компрессоры называются дожимающими, если давление всасываемого газа существенно превышает атмосферное.

Вентилятор — устройство для перемещения газа со степенью сжатия менее 1,15 (или разностью давлений на выходе и входе не более 15 кПа, при большей разнице давлений используют компрессор)^[1].

Основное применение: системы принудительной приточно-вытяжной и местной вентиляции зданий и помещений, обдув нагревательных и охлаждающих элементов в устройствах обогрева и кондиционирования воздуха, а также обдув радиаторов охлаждения различных устройств.

Вентиляторы обычно используются как для перемещения воздуха — для вентиляции помещений, охлаждения оборудования, воздухоснабжения процесса горения (воздуходувки и дымососы). Мощные осевые вентиляторы могут использоваться как движители, так как отбрасываемый воздух, согласно третьему закону Ньютона, создает силу противодействия, действующую на ротор.

В общем случае вентилятор — ротор, на котором определенным образом закреплены лопатки, которые при вращении ротора, сталкиваясь с воздухом, отбрасывают его. От положения и формы лопаток зависит направление, в котором отбрасывается воздух. Существует несколько основных видов по типу конструкции вентиляторов, используемых для перемещения воздуха:

• осевые (аксиальные)

• центробежные (радиальные)

• диаметральные (тангенциальные)

• безлопастные (принципиально новый тип).

1.8 Газоснабжение - прием газа в местах добычи, его обработка, транспортирование, распределение по трубопроводам и подача потребителям. Все это выполняет система газоснабжения, которая в нашей стране построена на базе природного газа. Газовые промыслы, включая скважины и их обустройство, представляют самостоятельную систему, тесно связанную с системой газоснабжения. Последнюю обычно разделяют на две части: газотранспортную и распределительную. Газотранспортная, объединеннная в единую газоснабжающую систему, включает магистр, газопроводы, компрессорные станции, переключающую арматуру, подземные хранилища, систему управления и эксплуатации; распределительная — развитую сеть газопроводов городских и промышленных систем газоснабжения, газорегуляторпые станции (ГРС), газорегуляторные пункты (ГРП) и газорегуляторные установки (ГРУ), газопроводы объектов, системы автоматического регулирования и безопасности сжигания газа, автоматизированную систему управления технологическими процессами газоснабжения и эксплуатации. Отличительная черта газоснабжения по сравнению с другими системами топливоснабжения — невозможность длительного хранения газа, т.е. его нельзя добывать впрок. Это связано с весьма малой плотностью газа, что вызывает необходимость сооружения для его хранения огромных емкостей. Даже подземные хранилища можно использовать лишь для покрытия сезонной неравномерности потребления газа. Отсутствие хранилищ на пути потоков газа от промыслов к потребителям обусловливает жесткую связь между режимами добычи газа и его использования. Такая же жесткая связь устанавливается между темпами освоения месторождения газа и пуском объектов, потребляющих газ. Газ потребляется объектами неравномерно, поэтому неравномерно должна осуществляться и подача газа потребителям. Проблема соответствия подачи и потребления газа — одна из основных в газоснабжении. Для решения ее используют подземные хранилища, потребители-регуляторы с двойным топливоснабжением, аккумулирующую емкость магистральных газопроводов, совместная работа которых автоматически управляется в целях удовлетворения графика потребления газа. Для обеспечения надежного газоснабжения системы имеют резервы службы эксплуатации и аварийные службы.

Для практического использования, будь то в лабораториях или на крупных промышленных предприятиях, азот получают тремя основными способами, все которые основаны на разложении атмосферного воздуха: 1) методом криогенного разложения воздуха, 2) с помощью короткоцикловой безнагревной адсорбции, и 3) методом мебранной диффузии.

Криогенное разложение воздуха

Криогенный способ воздухоразложения был изобретен германским ученым Карлом фон Линде. Этот способ сводится к фракционной перегонке сжиженного атмосферного воздуха, и основан на различии в температурах кипения (испарения) его составных частей: азота, кислорода, аргона и других газов. В кратце, процесс заключается в следующем: вначале, атмосферный воздух сжимается до высокого давления. После сжатия, из сжатого воздуха удаляются твердые примеси, влага, а также двуокись углерода (углекислый газ CO2). Очищенный сжатый воздух подвергается обратному расширению, в результате чего охлаждается до степени сжижения составляющих его газов. После этого, полученная жидкость постепенно испаряется, и по мере испарения из нее пофракционно извлекаются азот (температура кипения -196°C), кислород (температура кипения -183°C), аргон и другие редкие газы.

Способ экономически оправдан только при значительной потребности в азоте. Обычно, криогенные азотные установки используются крупными предприятиями химической и металлургической промышленности.

Получение азота адсорбцией кислорода

Адсорбционный способ выделения азота из воздуха основан на различиях в размере молекул основных составных частей воздуха: азота и кислорода. Адсорбционная установка по получению азота состоит из емкостей-адсорберов (обычно парных, иногда имеющихся в большем четном количестве), заполненных адсорбентом - углеродными молекулярными ситами, или сокращенно. Эти молекулярные сита выглядят обычно как зерна или продолговатые цилиндрики черного цвета, диаметром 1...3 миллиметра: , используемые в адсорбционных установках для получения азота, имеют значительный объем пор, причем поры эти имеют входной размер порядка 3 ангстрем (=0,3 нм). Молекулы кислорода, имеющие кинетический диаметр примерно 2,9 Å, проникают в поры и задерживаются ими; молекулы азота с кинетическим диаметром 3,1 Å беспрепятственно проходят через слой адсорбента. Конечно, на практике, часть молекул кислорода проходит через адсорбент, не задерживаясь в нем; наоборот, часть молекул азота попадает в поры большего, чем расчетный 3,0 Å, размера и задерживается в них. Тем не менее, на выходе адсорбера получается газовая смесь, более или менее обогащенная азотом.

Получение азота способом мембранного разделения воздуха.

мембранные модули воздухоразделения, представляющие собой емкости, обычно цилиндрической формы, внутри которых параллельно размещено множество волокон-«макаронин» из специальных полимерных материалов - полиимида, полисульфона, полифенилоксида. Сжатый воздух подается на вход мембранного модуля, откуда равномерно распределяется между всеми отдельными волокнами, поступая на их внутреннюю сторону. Стенки волокон представляют собой мембраны с ассиметричным расположением пор, через которые быстрее и легче всего, на внешнюю сторону волокон диффудируют молекулы воды H2O, водорода H2 и гелия He. Со средней скоростью через стенки проникают молекулы кислорода, а также углекислого газа CO2. Наоборот, преимущественно на внутренней стороне мембран остаются, из обычно содержащихся в воздухе веществ, молекулы азота, а также аргона и угарного газа CO. Как и в случае с адсорбционными азотными установками, в процессе производства азота мембранным способом он также доосушается.

Кислородная установка - устройство для производства кислорода посредством его отделения от других компонентов воздуха. В основу ее работы положены разные принципы - физическая адсорбция (короткоцикловая (КЦА) и вакуумная короткоцикловая (ВКЦА)), мембранное и криогенное разделение.

Кислородные установки получили очень широкое распространение в процессах металлообработки, сварки, резки и пайки. В химической, нефтехимической промышленности и нефтегазовом комплексе кислород в больших объёмах используется как окислитель в химических реакциях.

Адсорбционная технология

Принцип работы: В кислородных установках используется явление селективной гетерогенной адсорбции кислорода из воздуха твердым адсорбентом. Установки отличаются высокой надежностью, простотой и высокими технико-экономическими характеристиками.

Мембранная технология

Принцип работы мембран: В основе разделения газовых сред с помощью мембранных кислородных установок лежит разница в скоростях проникновения компонентов в газовой смеси через вещество мембраны. Процесс разделения обусловлен разницей в парциальных давлениях на различных сторонах мембраны.

Получение аргона. Аргон в промышленном масштабе добывается в качестве побочного продукта при получении кислорода и азота из воздуха. Процесс получения аргона состоит из следующих стадий: а) сжижения атмосферного воздуха; б) ректификации жидкого воздуха с целью разделения его на составные части и получения аргоно-азотно-кислородной смеси (так называемого сырого аргона); в) очистки сырого аргона.

Сжиженный атмосферный воздух подвергают ректификации. Так как точка кипения аргона выше точки кипения азота на 10° и ниже точки кипения кислорода на 3°, то происходит скопление аргона в кислородно-азотной смеси, отбираемой из определенной части ректификационной колонны.

При дополнительной разгонке этой смеси достигают еще более высокого содержания в ней аргона. Дальнейшая очистка этой смеси (сырого аргона) от кислорода производится химическим путем, сжиганием в ней серы или водорода. В результате этого получается газ, содержащий аргон, водяной пар, азот и немного кислорода. Этот газ пропускают над раскаленной смесью окиси меди и чистой меди. Водород удерживается, восстанавливая окись меди и образуя водяной пар, а медь соединяется с кислородом. Получаемый при этом газ (так называемый технический аргон), содержащий 82% и более аргона, компримируется и поступает к потребителю.

Различают следующие промышленные способы получения углекислого газа:

— путем рекуперации двуокиси углерода из газов брожения на спиртовых и пивоваренных заводах; — путем рекуперации двуокиси углерода из отбросных газов различных производственных процессов;

— путем добычи из подземных естественных источников; — путем производства двуокиси углерода из дымовых газов и продуктов сгорания; — путем производства двуокиси углерода методом прямого сжигания газообразного или жидкого топлива.

Соответственно, в зависимости от концентрации углекислого газа источники его условно можно разделить на три группы.

Первую группу составляют источники сырья, из которых можно производить чистый диоксид углерода без специального оборудования для повышения его концентрации. В эту группу входят:

а) газы химических и нефтехимических производств (производства аммиака, водорода и др. продуктов) с содержанием 98-99 % СО₂; б) газы спиртового брожения на пивоваренных, спиртовых и гидролизных заводах с 98-99 % СО₂; в) газы из естественных источников с 92-99 % СО₂.

Вторую группу формируют источники сырья, использование которых обеспечивает получение чистого диоксида углерода методом фракционной конденсации.

К этой группе относят газы некоторых химических производств с содержанием 80-95 % СО₂.

В третью группу включены источники сырья, использование которых даёт возможность производить чистый диоксид углерода только с помощью специального оборудования. В эту группу входят источники:

а) состоящие в основном из азота и диоксида углерода (продукты сгорания углеродсодержащих веществ, например, природного газа, жидкого топлива, кокса в котельных, газо-поршневых и газотурбинных установках с содержанием 8-20 % СО₂; от-

ходящие газы известковых и цементных заводов с 30-40 % СО₂; колошниковые газы доменных печей с 21-23 % СО₂);

б) состоящие в основном из метана и диоксида углерода и содержащие значительные примеси других газов (биогаз и свалочный газ из биореакторов с 30-45 % СО2; сопутствующие газы при добыче природного газа и нефти с содержанием 20-40 % СО₂).