Нагрев и нагревательные устройства учебно-методическое пособие

Нагрев и охлаждение металла относятся к области нестационарной теплопроводности. Если известны условия теплообмена в печи, то обычно в инженерной практике определяют либо время нагрева до заданной температуры, либо температуру металла для заданного времени нагрева. При этом очень важен выбор режима нагрева. Эта задача возникает при освоении технологии новых материалов или сплавов, при проектировании или вводе в эксплуатацию новых печных агрегатов или при пересмотре существующих конструкций и графиков нагрева с целью интенсификации процессов, повышения производительности печи и улучшения качества продукции.

Процесс нагрева в печах характеризуется двумя основными параметрами: температурой и скоростью нагрева. Температурой нагрева считают конечную температуру поверхности металла, при которой он может быть выдан из печи; при этом должна быть обеспечена требуемая равномерность нагрева по сечению, периметру и длине нагреваемого металла.

Скорость нагрева – это изменение температуры металла во времени. Обычно скорость нагрева (°С/ч) определяют по изменению температуры поверхности металла.

Режим нагрева характеризуется следующими данными: температурой нагрева (или температурой выдачи) металла, количеством интервалов нагрева, температурой и продолжительностью (или скоростью нагрева) каждого интервала, а также продолжительностью выдержки и полной продолжительностью нагрева.

При разработке режима нагрева необходимо исходить из следующих положений: нагрев должен совершаться с минимальной продолжительностью при отсутствии брака по вине нагрева и с наибольшей экономичностью (по расходу топлива, угару металла и другим показателям).

Неправильный нагрев может вызвать следующие пороки в обрабатываемом металле: трещины и рванины вследствие резких изменений температуры или неравномерного нагрева; перегрев, пережог, усиленное окисление, обезуглероживание, а иногда науглеро-

21

живание стали как результат одновременного воздействия температуры, длительности нагрева и печной атмосферы; вскрытие подкорковых пузырей, приводящее к образованию волосовин или других поверхностных пороков; загрязнение поверхности металла посторонними включениями (частицами золы, топлива, кирпича); внутренние плены на трубах вследствие чрезмерно высокой или недостаточной температуры нагрева и др.

Из двух основных параметров, определяющих процесс нагрева, для качества продукции важнее температура нагрева. Особенно большое значение имеет режим нагрева легированных сталей.

Нагрев и охлаждение – явления одной категории. Методы расчета, разработанные для нагрева, справедливы и для охлаждения. Применяют специальные устройства для медленного охлаждения специальных сталей после прокатки или ковки (колодцы, ямы и др.).

При изменении температуры в нагреваемом металле происходят следующие явления:

а) изменение физических и механических свойств; б) объемные изменения, связанные с термическим расшире-

нием; в) структурные изменения и фазовые превращения;

г) физико-химические явления, к которым относятся окисление, обезуглероживание и др.

Эти явления происходят по-разному для различных материалов и сплавов.

2.5.Оборудование и элементы печей

1.Топливосжигающие устройства.

При использовании газа – это газовые горелки. При использовании мазута необходимо распылять топливо на мелкие капли, для этого используются форсунки. Пылеугольное топливо сжигается также в горелках. Для сжигания твердого топлива используются топки.

2. Получение тепла за счет электрической энергии.

22

В основе лежат четыре принципа:

а) теплогенерация при прохождении электрического тока через твердое тело, обладающее теплопроводностью;

б) теплогенерация при прохождении электрического тока через жидкое тело, обладающее теплопроводностью;

в) теплогенерация при прохождении электрического тока через газ (искровой разряд, дуга, поток плазмы);

г) теплогенерация за счет кинетической энергии электронов, ускоренных в вакууме или в разреженных газах.

Первый и второй принципы лежат в основе классических печей сопротивления, третий – дуговых печей, четвертый – электроннолучевых печей.

3. Теплообменники.

Рекуператор представляет собой устройство для подогрева воздуха или газа, в котором теплопередача происходит от греющего газа к нагреваемому через стенку, поверхности которой являются поверхностями нагрева.

В регенераторах посредником между греющим и нагревающимся потоками газов является не тонкая герметичная стенка, как в рекуператоре, а массивная регенеративная насадка, которая работает периодически сначала воспринимая (аккумулируя) тепло, а затем отдавая это тепло нагреваемому потоку (воздуху или газу), который движется по тому же пути, по которому только что шли горячие газы, но во встречном направлении.

4. Вспомогательное оборудование.

К нему относятся перекидные, запорные, тяговые и регулирующие устройства, а также кладка и фундаменты.

3. ПЕЧИ ЗАВОДОВ ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ (НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ)

В черной металлургии печи применяют как для нагрева металла, так и для выплавки его. Более простыми, с точки зрения протекающих в них процессов, являются нагревательные печи. Нагрева-

23

тельные печи разделяют на собственно нагревательные и термические.

Нагревательные печи в черной металлургии служат для нагрева стали при обработке ее давлением (прокатке, ковке, штамповке и т.п.).

Высокое качество обработки металла давлением и малая затрата энергии на обработку получается в том случае, когда металлу свойственна большая пластичность. Известно, что сталь становится пластичной, когда она нагрета до высоких температур. В зависимости от состава стали эта температура колеблется в пределах 1100– 1280 °C, а следовательно, температура в печи должна быть еще выше. В нагревательных печах черной металлургии разность температур между эффективной температурой печи и конечной температурой нагрева металла обычно поддерживают равной 100–150 °C. Для получения столь высоких температур топливо в нагревательных печах сжигают непосредственно в рабочем пространстве.

Сжигание топлива в рабочем пространстве, высокая эффективная температура и большая разность между эффективной температурой печи и конечной температурой металла – характерные особенности нагревательных печей.

В нагревательных печах основное количество тепла (~ 90 %) передается металлу излучением и только около 10 % – конвекцией.

Поэтому суммарный тепловой поток на металл в этих печах определяют по формуле

где c – приведенный коэффициент излучения от газов к металлу, Вт/(м2·°С) или ккал/(ч·м2·°С);

Тг и Тм – соответственно температура газа и металла, К.

Ввиду того, что в теплообмене нагревательных печей преобладает излучение, эти печи относятся к группе печей, работающих радиационным режимом.

24

Нагревательные печи можно отапливать твердым, жидким или газообразным топливом. Наиболее эффективной считается работа печей на газообразном и жидком топливах. Твердое топливо применяют реже, так как его использование усложняет конструкцию печи, затрудняет ее обслуживание и внедрение автоматического регулирования теплового режима.

Металл в нагревательных печах нагревают при постоянной либо переменной во времени температуре печи. Тот или иной режим нагрева выбирают исходя из требований получения хорошего качества нагрева, высокой удельной производительности и малого расхода тепла.

Для нагрева металла применяют печи: камерные (нагревательного и периодического действия), в которых металл в процессе нагрева не перемещается по рабочему пространству; непрерывного действия (механизированные), в которых металл перемещается в процессе нагрева.

3.1. Камерные печи прокатных и кузнечных цехов

Металлургические нагревательные печи разделяют на прокатные и кузнечные. Это деление условно, так как и температурный режим, и требования к качеству нагрева перед прокаткой и ковкой в основном одинаковы. Поэтому, если производительность и размеры нагревательных заготовок одинаковы, то конструкция прокатных и кузнечных печей идентична. Некоторые конструктивные отличия наблюдаются в кузнечных печах небольшой производительности для нагрева мелких и средних заготовок, а также для нагрева очень тяжелых слитков (массой в несколько десятков, а иногда сотен тонн). Однако это касается главным образом второстепенных частей печи.

В камерных печах металл в процессе нагрева не перемещается по печи. Поэтому для равномерного нагрева его поверхности необходимо поддерживать одинаковую температуру в различных участках печи. Это обеспечивают равномерным подводом тепла по ее длине и устройством рабочего пространства в виде параллелепипе-

25

да, что при соответствующем подводе тепла способствует созданию одинаковой температуры по объему печи.

Камерные печи применяют для нагрева мелких и крупных заготовок и слитков, когда их немного. Камерные печи для мелких

исредних заготовок бывают переносные и стационарные.

Внагревательных печах важнейшими показателями работы являются производительность (напряжение пода) и удельный расход

тепла. Для малых камерных кузнечных печей средняя удельная производительность составляет 300–600 кг/(ч·м2), удельный расход тепла 5–6,7 МДж/кг или 1200–1600 ккал/кг. При наличии рекуператора удельный расход снижается тем больше, чем выше температура подогрева воздуха.

Камерные печи для нагрева крупных заготовок и слитков работают чаще всего при переменной температуре в рабочем пространстве. Слитки и заготовки нагревают в камерных печах либо партией

внесколько штук (садкой), либо по одной штуке, если масса заготовки (слитка) велика.

Впрокатных цехах для нагрева перед прокаткой слитков

большого сечения (400 400 мм и больше) применяют нагревательные колодцы.

На отечественных металлургических заводах в колодцы поступает 80–90 % горячего посада температурой 800 °C и выше. При этом удельный расход тепла составляет 1050–1250 кДж/кг или 250–

300ккал/кг.

Вколодцах скорость нагрева слитков велика. Так 7-тонные

слитки горячего посада сечением 700 700 мм нагреваются за 2,5–3 ч, а такие же слитки холодного посада нагреваются за 7–8 ч.

3.2. Механизированные печи непрерывного действия прокатных и кузнечных цехов

При массовом нагреве однотипных заготовок в прокатных и кузнечных цехах применяют механизированные печи постоянного (непрерывного) действия, в которых нагретые заготовки передвигаются по рабочему пространству с помощью тех или иных механизмов.

26

Характерной особенностью механизированных печей является постоянство во времени их температурного режима, в то время как по длине рабочего пространства температура может быть переменной или постоянной в зависимости от условий работы.

В механизированных нагревательных печах распространены преимущественно два температурных режима: методический и с постоянной температурой по длине печи.

Под методическим режимом понимают режим, при котором температура газов по длине печи повышается от окна загрузки к окну выдачи. Различают методический режим двухзонный и трехзонный.

При двухзонном режиме нагрева первая по ходу металла зона (методическая) характеризуется повышающейся по ее длине температурой, вторая зона – высоких температур (иногда называемая сварочной) характеризуется постоянной по длине температурой.

Для получения двухзонного режима горелки ставят только

взоне высоких температур. Движение газов в двухзонных печах происходит против движения металла от зоны высоких температур

вметодическую зону. При этом тепло отходящих продуктов сгорания используется для предварительного подогрева металла, который окончательно нагревается в зоне высоких температур.

Трехзонный режим отличается от двухзонного использованием третьей зоны – томления. В этой зоне температура газов по ее длине одинакова и несколько превышает конечную температуру нагрева металла (обычно на 40–60 °C). Трехзонный режим обеспечивает на протяжении зон – методической и высоких температур – быстрый нагрев поверхности заготовок почти до конечной температуры. На протяжении зоны томления происходит выравнивание температуры заготовок по сечению. Поэтому при трехзонном режиме заготовки нагреваются быстрее, чем при двухзонном, особенно для заготовок большой толщины.

При методическом режиме металл нагревается в зоне с пониженной температурой печи, что особенно важно при нагреве высокоуглеродистых или легированных сталей или заготовок большой

27

толщины, требующих осторожного нагрева. Однако при этом снижается производительность печи.

Если же сталь достаточно пластична в холодном состоянии

итолщина заготовок невелика, то такие заготовки можно нагревать с самого начала с высокой скоростью, т.е. загружать в печь с высокой температурой у окна посада. В этом случае может быть применен так называемый прямоточный режим.

Прямоточный режим, так же как и методический может быть двухзонным и трехзонным. При прямоточном трехзонном режиме третья зона – зона выдержки, в которой поддерживается постоянная температура.

Удельная производительность механизированных нагревательных печей составляет при нагреве тонких заготовок 1100 кг/(ч·м2), для заготовок средней массивности 800 кг/(ч·м2). Чаще всего этот показатель 400–650 кг/(ч·м2). Удельный расход тепла достигает

1250–2100 кДж/кг или 300–500 ккал/кг.

При нагреве стали в печах открытым пламенем происходит ее окисление (при каждом нагреве в окалину переходит от 1 до 2 % металла).

Окисление металла приносит серьезный ущерб производству, т.к. является причиной потерь значительного количества металла и, кроме того, усложняет дальнейшую его обработку давлением.

Эффективный метод борьбы с окислением заключается в двухстадийном сжигании топлива. В рабочем пространстве печи топливо сжигается при подаче высоко нагретого воздуха в количестве меньше теоретического (~0,5). Происходит неполное сгорание, про-

дукты которого содержат CO и H2, предохраняющие от окисления. Для получения безокислительного нагрева в печи с температурой 1250–1300 °C необходимо, чтобы в печной атмосфере поддержива-

лись соотношения CO : CO2 ≈ 3 и H2 : H2O ≈ 1,2.

При выходе из рабочего пространства продукты неполного сгорания дожигают, подавая дополнительный (вторичный) воздух,

инаправляют в воздухоподогревательные устройства (рекуперато-

28

ры или регенераторы), где воздух, идущий на горение топлива, подогревается до высоких температур (700 °C и выше).

В методических печах вторичный воздух для дожигания продуктов неполного сгорания подают в ту часть методической камеры печи, где температура металла еще невысока (600–700 °C) и где он практически не окисляется. Благодаря этому тепло, выделяющееся при догорании продуктов неполного сгорания, частично используется на нагрев металла. Продукты полного сгорания направляются

ввоздухоподогревательные устройства.

3.3.Камерные и механизированные термические печи

Ктермическим печам предъявляют особые требования в отношении равномерности нагрева металла. В связи с этим подвод тепла

врабочее пространство термических печей делают по возможности рассредоточенным, принимают также меры к тому, чтобы ярко светящиеся факелы не попадали в рабочее пространство и чтобы была хорошо развита циркуляция газов, способствующая выравниванию температуры.

Наиболее эффективным для термических печей считается газообразное топливо, что позволяет обеспечить наиболее благоприятные условия нагрева заготовок для термической обработки, упрощает конструкцию и облегчает автоматизацию тепловой работы печей. Широко используют и мазут.

Газообразное и особенно жидкое топливо в термических печах часто сжигают не в рабочем пространстве, а в отдельных топках, что обеспечивает равномерный нагрев заготовок (особенно массивных). Топки в термических печах располагают часто под подом печи, иногда вдоль боковых сторон рабочего пространства.

В печах для нагрева металла до низких температур (400– 500 °C) устройство отдельных топок вызывается еще и тем, что при низкой температуре горение топлива является неустойчивым.

Термические печи применяют для различной термической обработки заготовок и изделий в металлургии, в различных отраслях

29

машиностроения и других отраслях промышленности, что определяет разнообразие конструкций термических печей.

По температуре нагрева металла в термических печах различают две группы печей: печи с относительно высокой температурой (800 °C и выше) и печи с низкой температурой (ниже 800 °C). Конструкции печей при этом значительно различаются.

Втермических печах высокой температуры основную роль играет излучение. Величина суммарного теплового потока определяется аналогично приведенному выше.

Втермических печах низкой температуры основное количество тепла передается конвекцией, причем роль конвекции тем больше, чем ниже температура печи. Для обеспечения лучшей передачи тепла в таких печах используется принудительная циркуляция газов. В этих печах топливо сжигают, как правило, в отдельных сильно закрытых топках.

Суммарный тепловой поток на металл в низкотемпературных печах рассчитывают по формуле

т.е. отдельно рассчитывается тепло, которое передается конвекцией. Для термической обработки металл нагревают в камерных печах, работающих чаще всего как печи периодического действия, где он не перемещается по рабочему пространству в процессе нагрева,

либо в печах непрерывного действия.

Первые применяют для нагрева мелких, средних и тяжелых заготовок в том случае, если их небольшое количество, либо когда необходимо нагревать садками. При массовом производстве применяют различные механизированные печи.

При термической обработке ответственных изделий часто необходимо обеспечить безокислительный нагрев. В обычных пламенных печах продукты сгорания содержат CO2, H2O, O2, иногда SO2. Для защиты от них применяют печи, в которых изделие отде-

30