Нагрев и нагревательные устройства учебно-методическое пособие

Хромагнезитовые огнеупоры: 30–70 % Mg и 10–30 % Сr2O3. Тальк – природный водный силикат магния, обладает огне-

упорностью в пределах 1500–1550 °С. Прочие огнеупоры:

Углеродистые огнеупоры, цирконистые высокоогнеупоры, карборундовые изделия (карбидные высокоогнеупоры, SiC) и др.

1.4. Механика газов

От характера движения газов в печах зависят условия теплообмена в рабочем пространстве, распределение температур и другие характеристики печи. В.Е. Грум-Гржимайло одним из первых обратил внимание на движение газов в печах. Движение газов зависит от динамической вязкости (н·с/м2) и кинематической / (м2/с).

Вязкость зависит от температуры. Для газов характерен закон Бойля-Мариотта

v1p1 = v2p2 = const,

где v1 и v2 – объемы газа при p1 и p2.

Различают течение газов по каналам ламинарное и турбулентное. Существует критерий Рейнольдса

Re = wdv , w – скорость движения.

Вкруглых трубах поток при Re < 2100 является ламинарным, при Re > 2300 – турбулентным. Движение описывается уравнениями механики сплошной среды. Так для плоского и цилиндрического каналов (труба) распределение скорости соответствует параболическому распределению. Движение газов в трубопроводах, каналах

иборовах является, как правило, одномерным, т.е. результирующие скорости протекающей среды в любой точке данного поперечного сечения одинаковы по направлению.

Врабочем пространстве печи находится одна или несколько проточных и циркулярных зон. В различных местах объема такой камеры скорости газов различны по величине и направлению и могут быть даже различно направлены (рисунок).

11

– коэффициент теплопроводности;

с– удельная теплоемкость;

– объемный вес. Критерий Нуссельта

Nu k l ,

где k – коэффициент конвективного теплообмена. Критерий Прандтля

Pr ,

где – кинематическая вязкость газа или жидкости. Размерность k (ккал/ ч·м2·°С).

Теплопередача излучением. Играет большую роль, поскольку в печи имеют место высокие температуры. По современным представлениям тепловое излучение представляет собой сложное явление, которое в одних случаях проявляет себя как волновой процесс, а в других – как поток огромного количества быстро летящих частиц, называемых квантами или фотонами. Распространение теплового излучения можно рассматривать как движение одного из видов электромагнитных волн.

Теплопередача теплопроводностью. Основной закон имеет следующий вид:

Q dxdt F , ккал/ч· м2,

где Q – тепловой поток, ккал/ч·м2; dxdt – температурный градиент;

F – площадь поверхности.

Коэффициент теплопроводности (ккал/ч·м·°С) характеризует количество тепла, передаваемое теплопроводностью через 1 м2 поверхности в час при градиенте температур в 1 °С/м. Тогда

13

Q t1 t2 F , ккал/ч, где – коэффициент теплоотдачи.

2.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

ОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПЕЧАХ

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

Внагревательных печах металл или другие материалы нагревают с целью:

–изменения механических свойств (главным образом, пластичности) перед обработкой давлением: прокаткой, ковкой, штамповкой, волочением;

–изменения структуры металла;

–обжига материалов (известняка, доломита, магнезита, руды, огнеупорных материалов);

–удаления влаги из материалов (сушка литейных материалов

иформ, руды, угля).

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

Плавильные печи применяют с целью:

–получения металла из руд или концентратов,

–переплавки металла;

–удаления примесей из металлических материалов (шихты)

иполучения металла необходимого состава.

Вплавильных 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.

14

Тепло, которое необходимо для осуществления процессов технологии, может возникнуть в самом материале, подвергаемом тепловой обработке. Тепловые устройства, действие которых основано на этом принципе, называются печами-теплогенераторами.

Примером является конвертер для продувки жидкого чугуна. Тепло, необходимое для перегрева металла в конвертере, получается за счет химической энергии жидкого чугуна, заливаемого в конвертер (окисление Si, Mn, P, C).

Втепловых устройствах другого типа необходимое тепло подводится к материалу, подвергаемому тепловой обработке, извне. Поэтому в подобных устройствах осуществляется два главных теплотехнических процесса:

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

–передача тепла материалу, подвергаемому тепловой обра-

ботке.

Первый из этих процессов 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.

Второй процесс – теплопередача – является для данных тепловых устройств главным, определяющим. Поэтому подобные тепловые устройства условно называются печами – тепловыми аппаратами – теплообменниками. Большинство печей, применяемых в металлургии, относятся к данному типу.

С технологической точки зрения, печи классифицируют в зависимости от происходящих в них процессов – 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.

Впервых тепло сообщается поверхности нагреваемого материала в основном радиацией, во вторых конвекцией, в третьих про-

15

цессы теплообмена развиваются в слое кусковых, зернистых или пылевидных материалов, причем процессы теплоотдачи радиацией

иконвекцией настолько переплетены, что разделить их очень трудно. Пример последней – доменная печь. Через верхнюю часть, называемую колошником, поступают сырые материалы в виде кусков (руда, флюсы, кокс). Нагретый воздух подается в нижнюю часть – горн. Раскаленные газы движутся снизу вверх, отдавая тепло сырым материалам. В этой печи происходит сложный режим теплообмена.

Степлотехнической точки зрения очень важно, работают печи периодическим или непрерывным процессом.

При периодическом процессе материалы загружаются в печь

иподвергаются тепловой обработке. После разгрузки печи загружается новая партия материала и процесс тепловой обработки повторяется. Так работают нагревательные колодцы для слитков, камерные плавильные печи.

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 и др. По способу перемещения материалов по печи их разделяют на толкательные, перекатные, протяжные, с движущимся подом, с передвижением материалов под действием силы тяжести (доменная печь).

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).

Вспомогательные устройства: воздухо- и газонагреватели; кот- лы-утилизаторы; дутьевые вентиляторы; механизмы для загрузки, выгрузки и перемещения материала в печи; контрольно-измери- тельная и регулирующая аппаратура; дымовые трубы и дымососы.

16

Требования, предъявляемые к печам.

1.Полное удовлетворение требованиям технологии.

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

3.Минимальный расход материала и времени для постройки

иремонта при минимальных капитальных затратах.

4.Возможность автоматизации работы печей.

5.Благоприятные условия труда.

2.1. Тепловая работа печей

Под тепловой работой печи понимают всю совокупность тепловых процессов, совершающихся в ней.

Основным параметром, характеризующим печь-теплообменник как тепловой аппарат, является ее тепловая мощность, выражаемая

вВт или ккал/ч и представляющая собой наибольшее количество тепла необходимого потенциала, которое может быть подведено

впечь в единицу времени.

Теплообмен в рабочем пространстве печей складывается из следующих процессов:

–теплообмена между газами, поверхностью нагрева и внутренней поверхностью кладки (в некоторых случаях также с поверхностью элементов ограждения);

–теплообмена внутри материала, подвергаемого тепловой обработке;

–теплообмена между внутренней поверхностью кладки и окружающей средой, который выражается в передаче ей тепла из рабочего пространства через футеровку печи.

Большую роль играет внутренний теплообмен. Благоприятные условия при этом:

–возможно более быстрый нагрев поверхности тела до конечной температуры, при этом равномерный нагрев тела достигается

внаиболее короткие сроки;

–возможно более полное равномерное использование поверх-

ности нагрева тела.

17

По теориям теплопередачи, по условиям теплообмена тела можно разделить на тонкие и массивные.

Тонкие тела при заданных условиях внешнего теплообмена нагреваются практически равномерно по толщине. Производительность печей для тепловой обработки таких изделий определяется исключительно условиями внешнего теплообмена.

Массивные тела нагреваются по толщине неравномерно, поэтому в конце нагрева требуется выдержка для выравнивания температуры. Для увеличения производительности подобных печей необходимо сочетать медленный нагрев, быстрый нагрев и выдержку. Оптимальное решение зависит от типа печи, размеров нагреваемых изделий и сорта металла.

2.2. Тепловой баланс печи

При проектировании печей составляется тепловой баланс с целью определения расхода топлива или электроэнергии. Тепловой баланс включает в себя приход и расход тепла.

Приход тепла включает:

1.Тепло от горения топлива.

2.Тепло, вносимое подогретым воздухом.

3.Тепло, вносимое подогретым топливом. Расход тепла включает.

1.Тепло, необходимое для нагревания и плавления материалов.

2.Тепло, уносимое шлаками.

3.Тепло технологических реакций.

4.Тепло, уносимое уходящими газами.

5.Тепло от химической неполноты сгорания топлива.

6.Тепло от механической неполноты сгорания.

7.Потери тепла через кладку теплопроводностью.

8.Потери тепла лучеиспусканием через открытые окна и щели

печи.

9.Тепло, уносимое выбивающимися газами.

10.Тепло, затрачиваемое на нагревание тары.

18

11.Тепло, уносимое водой, охлаждающей отдельные элементы

печи.

12.Затраты тепла на аккумуляцию его кладкой.

Коэффициент теплоиспользования современных пламенных печей находится в пределах 0,25–0,55. Для некоторых шахтных печей он достигает 0,8. Для электрических печей коэффициент теплоиспользования достигает 0,7 и более.

2.3. Расчет и конструирование печей

Под расчетом печи понимают совокупность расчетных операций, выполняемых в целях определения всех величин, необходимых для конструирования печи.

Врасчет печи входят тепловые, механические, строительные

итехнико-экономические расчеты. При расчете и конструировании топливных печей целесообразно придерживаться следующей схемы.

1. Тип печи и энергия:

а) выбор типа печи и энергии; б) выбор топлива или параметров электроэнергии.

2. Горение топлива – расчет теоретического горения топлива.

3. Рабочее пространство печи:

а) выбор температурного режима печи; б) определение производительности печи;

в) определение основных размеров рабочего пространства печи; г) выбор огнеупорных материалов и толщины кладки; д) составление эскиза печи;

е) составление теплового баланса и определение расхода топлива или электроэнергии.

4. Топочное (или электронагревательное) и вспомогательное оборудование печи:

а) выбор способа сжигания и определение производительности

иразмеров горелок, форсунок и топок;

б) выбор и определение размеров газо- и воздухопроводов, дымоходов, клапанов и перекидных устройств.

19

5.Оборудование для утилизации тепла отходящих газов: а) выбор и расчет рекуператоров и регенераторов; б) выбор и расчет котла-утилизатора.

6.Энергетическое оборудование печи:

а) расчет механики газов; б) выбор дутьевых вентиляторов и газодувок;

в) выбор и расчет дымовых труб и эжекторов; г) расчет электрооборудования печи.

7.Арматура печи и механизмы: а) выбор и расчет арматуры; б) выбор и расчет механизмов.

8.Контрольно-измерительные приборы и автоматика.

9.Графическое оформление проекта и составление специфи-

кации.

10.Технико-экономические расчеты:

а) составление материальной и финансовой сметы на постройку или ремонт;

б) определение стоимости нагрева или плавления.

При разработке технического проекта печи необходимо предусмотреть выполнение требований техники безопасности и противопожарной техники безопасности.

2.4. Нагрев и охлаждение металла

Процесс нагрева металла в печах представляет собой сложный комплекс явлений, характеризующийся тем, что тепло из окружающей среды, т.е. из рабочего пространства печи, передается поверхности тела, а с поверхности распространяется внутрь. При охлаждении те же явления происходят в обратном направлении.

Таким образом, как при нагреве, так и при охлаждении происходит внешний и внутренний теплообмен. Теплообмен каждого из этих видов протекает по определенным физическим законам и зависит от условий сжигания топлива, движения газов, а следовательно, от конструкции печей и условий их эксплуатации.

20