1.КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

Нагрев при термической обработке может проводиться в печах, ваннах или в специальных установках и аппара­ тах. Современные нагревательные уст­ ройства наряду с высокой производи­ тельностью и большим к. п. д. должны иметь малый расход топлива или элек­ троэнергии на единицу продукции, быть надежными в эксплуатации при высоком уровне механизации и авто­ матизации работы.

Приступая к конструированию пе­ чей и нагревательных аппаратов, не­ обходимо выбрать: способы отопления, механизацию загрузки, выгрузки и дви­ жения деталей; конструкцию и разме­ ры рабочего пространства, обеспечива­ ющие лучшую передачу тепла деталям; строение и материалы кладки печи, позволяющие уменьшить потери тепла

вокружающее пространство.

Вданной главе приводятся класси­ фикация нагревательных устройств и обоснование выбора топлива, описаны теплотехнические конструкции печей и ванн (табл. 1.1).

1.1.КЛАССИФИКАЦИЯ

НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Основными нагревательными уст­ ройствами для термической обработки являются печи, ванны и нагреватель­ ные установки.

Классификацию термических печей

целесообразно проводить по трем ос­ новным признакам:

технологическому назначению; способам механизации загрузки,

выгрузки и движения деталей в печи; источнику тепловой энергии и спо­ собу передачи тепла деталям (тепло­

технической конструкции).

По технологическому назначению

печи для термической обработки могут быть отжигательными, нормализационными, закалочными, отпускными, це­ ментационными, азотировочными и т. п. В большинстве случаев один и тот же процесс термообработки соверша­

ется в печах неодинаковых констр>укций и, наоборот, одна печь часто слу­ жит для разных операций термообра­ ботки, например для нагрева под за­ калку, нормализацию, высокий отпуск. При выборе технологического процес­ са термообработки необходимо, учиты­ вать температуру нагрева, точность ее ■регулирования, равномерность нагрева по величине садки и возможность при- ^нения “контролируемой атмосферы.

Определяющими факторами при выборе конструкции термических печей являются способы механизации загруз­ ки, выгрузки и движения деталей в пе­ чи, которые в свою очередь зависят от характера производства. При единич­ ном производстве термической обра­ ботке подвергается большое число де­ талей, различных по форме, размерам и марке сплава. В этом случае наибо­ лее пригодны универсальные камерные печи периодического действия.

Камерные печи периодического дей­ ствия могут быть:

снеподвижным подом и внешней механизацией загрузки;

свыдвижным' подом;

колпаковыми; ямными со съемным сводом;

вертикальными, шахтными; элеваторными (с подъемным по­

дом); с передвижной камерой;

двухкамерными или многокамер­ ными.

При массовом производстве по од­ ному режиму обрабатывается значи­ тельное количество одинаковых или однотипных деталей. В этом случае используют специализированные печи поточного производства увеличенной длины. Перемещение деталей в них механизировано.

Печи поточного производства непре­ рывного действия выполняются:

снаклонным подом (при движении деталей под действием силы тяжести); толкательные;

сподвижным подом (конвейерные, туннельные, роликовые, с шагающими

балками, с вибрирующим поДоМ, кару^ сельные);

барабанными;

протяжными.

Автоматизация и механизация ус­ ложняют постройку печей и нагрева­ тельных устройств и увеличивают их стоимость, но при этом обеспечивают­ ся большая надежность и точность со­ блюдения технологического процесса, резко сокращаются расходы по зар­ плате и в конечном итоге быстро оку­ паются производственные затраты. По­ этому при массовом производстве целесообразно создавать поточные аг­ регаты и комплексные поточные авто­ матические линии.

По источнику тепловой энергии

нагревательные устройства для терми­ ческой обработки разделяются на пла­ менные, электрические и печи аэроди­ намического подогрева (ПАП). В по­ следних используется энергия, выделя­ ющаяся в результате трения и местных сопротивлений воздуха или газа, дви­ жущегося с высокими скоростями.

Способ передачи тепла деталям

определяется температурным режимом печи и устройством рабочей камеры. В камерных печах температурный ре­ жим поддерживается постоянным по всему рабочему пространству, но мо­

жет меняться во времени, например при операциях отжига, загрузки новой партии деталей и т. п.

В печах непрерывного действия температурный режим постоянен во времени, но может меняться по длине.

По температурному режиму печи непрерывного действия можно подраз­ делять на печи с постоянной темпера­ турой, методические, скоростного на­ грева, рекуперативные (с использова­ нием тепла, выделяемого охлаждаемым металлом).

П е ч и с п о с т о я н н о й т е м п е ­ р а т у р о й аналогично камерным име­ ют примерно одинаковую температуру по всей длине, а топки, горелки или на­ гревательные элементы распределяют­ ся в них равномерно. Основное пре­ имущество таких печей по сравнению с камерными состоит в том, что дви­ жение деталей в них механизировано. Температура печи для термической об­ работки обычно на 30—50 °С выше ко­ нечной температуры нагрева металла.

чески. Для подогрева холодных дета­ лей используется тепло отходящих газов. Топки, горелки, форсунки сосре­ доточиваются на разгрузочной стороне печи. Температура деталей или загото-

знаменателе через гюсую черту с последней цифрой размера печи.

Для топливных печей после цифр через де­ фис дается буква, обозначающая вид топлива: Г — природный или другой газ; М— мазут или другое жидкое топливо.

Примеры обозначений:

1) индекс печи ТНО-8.12.6/9-Г читается так: печь топливная, камерная с неподвижным подом, обычной атмосферой, ширина пода 8 дм, длина 12, высота камеры 6 дм, предельная тем­ пература нагрева 900 °С, работает на газовом топливе;

2) индекс печи СШЦ 6.12/Ю обозначает следующее: печь электрическая, шахтная, це­

ровывается так: печь топливная, толкательная, с контролируемой атмосферой, агрегируемая, ширина пода 8 дм, длина 70, высота камеры 9 дм, предельная температура нагрева 950°С, работает на газовом топливе.

В индекс ряда электрических печей входят буквы ОКБ или СКБ (особое или специальное конструкторское бюро), за которыми следует номер. Таким образом обозначаются единичные печи, не вошедшие в серию.

1.3. ВЫБОР СПОСОБА ОТОПЛЕНИЯ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

В общем случае методика выбора топлива для термических печей долж­ на быть следующей:

1. Намечаются виды топлива, по­ зволяющие обеспечивать требуемые атмосферу печи, температуру нагрева, точность ее регулирования и качество выпускаемой продукции.

2.Определяется стоимость нагрева

взависимости от цены на топливо и предполагаемого его расхода с учетом

к.п. д. и условий эксплуатации печей (текущего ремонта, амортизационных

отчислений, затрат на зарплату).

3. Учитываются запасы местно­ го топлива. В ряде случаев последнее обстоятельство может быть решаю­ щим.

Лучшим видом энергии при терми­ ческой обработке является' электро­ энергия. В результате ее использова­ ния для нагрева обеспечиваются точ­ ность соблюдения температурного ре­ жима и его полный автоматический контроль; лучшее распределение теп­ ла; большая компактность конструкции и высокий к. п. д. печи; возможность применения контролируемых атмосфер без усложнения конструкции печи; про­ стота пуска и остановки печей; гигие­ ничность; возможность установки печи в любом цехе, включая механосбороч­ ный. Однако электроэнергия пока яв­ ляется самым дорогим видом топлива.

Кроме того, для электрических печей характерны высокие амортизационные расходы и стоимость текущего ремонта по сравнению с пламенными, что так­ же удорожает нагрев.

В пламенных печах используется газовое и жидкое топливо.

Газовое топливо дает те же пре­ имущества, что и электроэнергия, по­ зволяя соблюдать точность темпера­ турного режима и равномерность рас­ пределения тепла по печи. В газовых печах с трубчатыми нагревательными элементами можно применять контро­ лируемые атмосферы. В печах терми­

газы, получаемые как побочные про­ дукты металлургической и химиче­ ской промышленности — коксовальный (Q* « 16—17 МДж/м3),- светильный

(QP ~ 19—21 МДж/м3), а также спе­

ных печах, например для нагрева под закалку инструмента из быстрорежу­ щих сталей. В результатегразрешения проблемы дальнего газоснабжения, применения методов подземной гази­ фикации, разработки местных залежей природного газа и лучшего использо­ вания промышленных газов потребле­ ние жидкого топлива при термообра­ ботке будет значительно сокращаться, так как нефтяные продукты целесооб­ разнее использовать как сырье в хими­ ческой промышленности.

При оценке стоимости нагрева сле­ дует иметь в виду, что калории тепла, полученные при использовании элек­ троэнергии и топлива, не равноценны, так как к. п. д. электрических печей благодаря отсутствию дымовых газов в два-три раза выше, чем пламенных. Учитывая удобство использования электроэнергии для малых термиче­ ских печей, за одну калорию тепла, по­ лучаемую в результате применения электроэнергии, считается рентабель­ ным платить в десять раз больше, чем

электрических и пламенных печей сле­ дует учитывать стоимость выработки электроэнергии. По подсчетам Инсти­ тута энергетики АН СССР, на ближай­ шее время экономически выгоднее при­ менять газовое топливо, особенно если учитывать возможность использования тепла отходящих газов. Если принять, что оптовая цена 1 м3 природного газа 1,6 коп., 1 кг мазута 2,6, а 1 кВт-ч электроэнергии 1,5 коп., то стоимость 10 МДж тепла, полученных при сжига­ нии природного газа, составит 0,45 коп., мазута 0,70, а при использовании элек­ троэнергии 4,15 коп. Учитывая, что к. п. д. электрических печей в 2,5 ра­ за выше, чем пламенных, стоимость нагрева в электрических печах сопро­ тивления будет в четыре раза дороже.

По данным ряда работ, общий эко­ номический эффект от замены электро­

ляет: в камерных печах 30—40, в кон­ вейерных агрегатах до 100, в безмуфельных цементационных агрегатах до 40.

В ближайшее время будут достиг­ нуты значительные успехи в повыше­ нии экономичности производства элек­ троэнергии, а с разрешением пробле­ мы передачи ее на далекие расстояния возможности применения электроэнер­ гии расширятся.

Электроэнергия в процессах терми­ ческой обработки и в настоящее время может быть наиболее экономичной, ес­ ли использовать электрические печи и электронагревательные аппараты с большим к. п. д. и высокой производи­ тельностью. В некоторых процессах термообработки электроэнергия явля­ ется единственно возможным или пред­ почтительным видом энергии. К та­ ким процессам относятся:

непосредственный электронагрев, индукционный нагрев и нагрев в элек­ тродных соляных ваннах и др.;

нагрев для термической обработки в низкотемпературных и вакуумных печах, а также в печах для обработки качественного металла в массовом по­ точном производстве, особенно при размещении печей в механосборочных цехах;

термическая обработка на заводах, не имеющих источников газоснабже­ ния, или на заводах, расположенных

1.4. ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ ВНУТРЕННЕГО ПРОСТРАНСТВА

ПЕЧЕЙ И ВАНН (ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКОЙ КОНСТРУКЦИИ)

Выбор конструкции внутреннего пространства печей и ванн зависит от применяемого вида топлива и способа передачи тепла деталям. Термические печи могут выполняться с отдельной топкой, непосредственным отоплением, аэродинамическим подогревом, муфелированием садки и пламени. Ниже рассматриваются теплотехнические конструкции термических печей (ка­ мерных и непрерывного действия).

В печах с отдельной топкой по­ следняя располагается сверху, сбоку, снизу рабочей камеры; иногда она де­

топка 1 отделена от рабочего простран­ ства решетчатым сводом 2 из шамот­ ного кирпича. При ширине печи до 2 м решетчатый свод делается толщи­ ной в 72 кирпича (115 мм), а при боль­ шей ширине — в 1 кирпич (230 мм). Горелки или форсунки размещаются в шахматном порядке в боковых стен­ ках топки. Продукты сгорания, рас­ пределяемые по площади рабочего про­ странства решетчатым сводом, омыва­ ют детали, находящиеся на поду печи, и отводятся через ряд каналов 3 в ды­ мовой боров 4. Часто дымовые отводя­ щие каналы размещаются в боковых стенках на уровне пода печи. Скорость дымовых газов в решетчатом своде принимается равной 2—3 м/с.

Печь компактна, но имеет много не­ достатков. Детали в ней получают тепло только сверху, что не позволяет добиться равномерного распределения температуры в большой садке. Высота последней не должна превышать 0,6— 0,8 м. На решетчатый свод действует высокая температура со стороны топки и рабочего пространства печи. Это приводит к необходимости его частого ремонта (через 0,5—1 год), который весьма затруднителен. Горелки и фор­ сунки располагаются высоко и неудоб­ но для обслуживания, а быстрый раз­ гар отверстий горелок обусловливает значительное выбивание газов. Учиты­ вая перечисленные недостатки, печи

Схема печи с б о к о в ы м и топ ­ ками, работающей на мазуте или га­ зе, приведена на рис. 1.1,6. Топки 3 находятся ниже уровня пода 1 печи. Продукты сгорания из топок поднима­ ются вдоль боковых стенок, подсасы­ вая более холодные газы из-под дета­ лей или заготовок садки. Поднявшись под свод, продукты сгорания омывают детали и по каналам 2 в поду печи уво­ дят в боров 4. Детали загружаются че­ рез посадочное окно, расположенное с торцевой стороны печи. При ширине рабочего пространства менее 1,5 м топки размещают с одной стороны пе­

чи. В ряде конструкций их помещают на уровне пода и отделяют от деталей кирпичной решетчатой перегородкой. В этом случае факел пламени ударя­ ется о перегородку, частично проскаки­ вает под деталями, которые укладыва­ ются на кирпичные столбики или литые подставки, что позволяет обеспечить более равномерный нагрев. Ширина то­ пок составляет 350—460 мм, расстоя­ ние между горелками или форсунками равно 800—1200 мм. Перегородка должна быть на 150—250 мм выше оси горелки или форсунки.

В печах с высокой, температурой

желательно, чтобы процессы горения завершались в рабочем пространстве, поэтому объем топки надо делать ми­ нимальным.

В п е ч а х с н и ж н е й т о п к о й (рис. 1.1, в) может быть использован любой вид топлива. Топки 2 размеща­ ются под подом 1 рабочей камеры в виде ряда параллельных каналов шириной 400—800 мм, перпендикуляр­ ных к длине печи. Продукты сгррания из топки поднимаются в рабочее про­ странство со стороны, противополож­ ной горелке или форсунке, и отводятся в каналы у загрузочного окна. Часть продуктов сгорания из рабочего про­ странства в результате создаваемого разрежения подсасывается в топку (в отверстие над горелкой или форсун­ кой), вызывая рециркуляцию газов. Горелки или форсунки в топках распо­ лагаются в шахматном порядке. При этом дымовые газы циркулируют коль­ цевыми встречными потоками, что по­ вышает равномерность нагрева дета­ лей.

При газовом отоплении для усиле­ ния циркуляции в рабочем пространст­ ве печи устанавливают дополнитель­ ные горелки со стороны выхода про­ дуктов сгорания из топки 2. Загрузоч­ ное отверстие располагается в торце рабочего пространства. Печи с нижней топкой широко применяются в терми­ ческих цехах и являются типовой теп­ лотехнической конструкцией. Благода­ ря теплому поду и рециркуляции печ­ ных газов они позволяют поддержи­ вать равномерную температуру при нагреве как под закалку (900—800 °С), так и под отпуск (600—300 °С). Печи компактны, и потери тепла в них не­ значительны.

П е ч и с в ы н о с н ы м и т о пк а - м и используются для нагрева на низ­ кие температуры. Топка 1 (рис. 1.1,г) устанавливается отдельно от печи; про­ дукты сгорания из топки направляются по трубопроводу в рабочее пространст­ во вентилятором 3. Камера сгорания в топке отделяется от потока циркули­ рующих газов решетчатой перегород­ кой 2. При выносных топках теряется много тепла в наружных трубопрово­ дах, поэтому рассматриваемые печи

следует использовать тогда, когда одна топка обслуживает ^несколько низко- 'Tемпературных печей.

Пет с непосредственным отоплени­ ем применяются для термической обра­

ботки только при использовании газо­ вого топлива или электроэнергии. В пламенных печах горелки 1 разме­ щаются в боковых стенках печи, фа­ кел пламени вводится непосредственно в рабочее пространство (рис. 1.2, а). Для создания лучшей циркуляции га­ зов садка устанавливается на литые металлические или кирпичные подстав­ ки 3. В больших печах горелки распо­ лагаются по обеим боковым стенкам ,в два ряда по высоте. Факел пламени верхних горелок 1 направляется под свод. Продукты сгорания опускаются по противоположной боковой стенке, подхватываются факелом нижних го­ релок 2 и направляются под садку. Создаются кольцевые потоки продук­ тов сгорания, омывающие садку. В ре­ зультате этого достигается более рав­

номерное распределение температуры в печи.

Расстояние между горелками при непосредственном отоплении принима­ ют равным 800—1500 мм, а при «бес­

дымовые каналы, расположенные в по­ ду печи или в боковых стенках. В ма­ лых печах (шириной до 1,2 м) горелки размещаются с одной стороны печи в один ряд, а между горелками в той же стенке делаются дымовые каналы, по которым продукты сгорания отво­ дятся в верх печи под колпак или вниз в боров. При этом факел направляется под свод, продукты сгорания опуска­ ются вдоль противоположной стенки печи под садку и уходят в дымовые каналы. На рис. 1.2, б показан попереч­ ный разрез вертикальной печи. Горел­ ки 1 в печи располагаются тангенци­ ально. Это позволяет создавать коль­ цевые потоки газов вокруг изделия. В больших печах в сечении устанавли­

дятся в боров через ряд щелей 2 снизу печи.

? Количество циркулирующих про­ дуктов сгорания и скорость их движе­ ния увеличиваются в результате рецир­ куляции, возникающей за счет энергии топливовоздушных струй, вытекающих из горелок или форсунок. На рис. 1.2,б приведен поперечный разрез рецирку­ ляционной горизонтальной печи. Про­ дукты сгорания из рабочего простран­ ства печи подсасываются факелом, вы-

Трубы U-образной формы диаметром 60—100 мм из жаростойкой стали рас­ полагаются горизонтально в два ряда по высоте печи (один ряд над садкой, другой — под ней), что позволяет зна­ чительно увеличить ширину печи и ее производительность, в три-пять раз сократить расход жаростойкой стали. При большой ширине рабочего про­ странства для поддержки труб уста­ навливается дополнительная средняя подвесная опора 3. Герметичность та­ кой печи достигается с помощью на­ ружного сварного кожуха 1, а также специальной глазировкой внутренней поверхности кладки. Стены лучше фу­ теровать кварце-глинистым доменным кирпичом. Для удобства ремонта верх­ няя крышка кожуха 2 делается съем­ ной с песочными затворами. Циркуля­ ция атмосферы в печи осуществляется с помощью вентиляторов 5, размещае­ мых в боковых стенках (как указано на рисунке) или в своде над верхни­ ми нагревательными трубчатыми эле­ ментами печи.

В печах с муфелированием пламе­ ни нагревательные трубы могут распо­ лагаться вертикально по боковым стен­ кам.

1.5. ВЫБОР ВНУТРЕННИХ РАЗМЕРОВ ПЕЧЕЙ

Длина и ширина внутреннего про­ странства печей определяются разме­ рами деталей, принятой системой их укладки на поду и требуемой произво­ дительностью.

В печах, в которых основная доля тепла передается лучеиспусканием, на­ греваемые детали располагаются в один ряд с небольшими зазорами, что позволяет значительно уменьшить вре­ мя нагрева и увеличить производитель­ ность печи (табл. 1.2). Для получения максимальной производительности пе­ чи детали, приближающиеся по форме к квадратной заготовке, надо распола­ гать с зазорами, равными 0,3—0,5 тол­ щины заготовки. Время нагрева в этом случае составит около 0,55—0,65 от времени нагрева, рассчитанного для сплошной плиты той же толщины. Ци­ линдрические детали целесообразно располагать в печи без зазоров и на­ гревать их с двух сторон. Это же под­ тверждают результаты определения коэффициентов взаимного излучения кладки печи и нагреваемых деталей.

На рис. 1.6 приведены графики изме­ нения относительных времени нагрева Тотн и производительности GOTH печи в зависимости от величины зазора o/d для значений констант излучения С = =3,5 Вт/ (м2-К4) и С0 = 5,7 Вт/(м2-К4). Повышение производительности при небольшом зазоре между деталями объясняется тем, что в этом случае бо­ ковые стенки деталей лучше поглоща­ ют тепло, идущее от пода.

В печах с низкой температурой, когда доля передачи тепла лучеиспус­ канием резко падает, например в от­ пускных, детали следует загружать в печи в несколько рядов, укладывая

Рис. 1.6. Зависимость производительности печи, напряжения пода и времени нагрева от зазора между деталями

их с зазорами для циркуляции газов. Для отжигательных печейг с боль­ шой садкой главную роль при нагреве играют выравнивание температуры по объему загрузки и время разогрева стенок и пода печи. Поэтому в таких печах нагрев отдельной детали не определяет общего времени нагрева садки. В них также надо стремиться к возможно большей высоте садки. При подводе тепла только с одной сто­ роны, например сверху, максимальная высота садки может быть принята рав­ ной 0,6—0,8 м. Если высота садки пре­ вышает 0,8 м, необходимо обеспечить двусторонний подвод тепла. Для этого детали помещают на подставки и теп­ ло подводится снизу и сверху садки. При отжиге отливок средняя нагрузка на 1 м2 площади пода может состав­ лять 1,0—1,5 т, а при отжиге сортово­ го металла и поковок 2—3 т. Сортовой металл укладывают в специальные скобки, разделяя слои по высоте рядом прокладок. Последнее позволяет обес­ печивать циркуляцию печных газов в толще садки. Толщина прокладок должна быть не менее 30—40 мм на каждые 200 мм высоты загрузки. На рис. 1.7 приведены схемы нескольких характерных укладок сортового мате­

риала.

Для печей с загрузкой 3—5; 10—30; 50 т и выше можно применять соот­ ветственно такую скорость нагрева: 150—200; 100—120; 50—70°С/ч. Время выдержки при отжиге зависит от мас­ сы садки и температуры печи. Оно уменьшается в печах с более совершен­ ной конструкцией. Для нахождения

удельной производительности печи сле­ дует сделать эскиз укладки наиболее типичных деталей и рассчитать сред­ нюю загрузку пода.

Общее время нагрева и производи­ тельность печей для цементации и азо­ тирования почти не зависят от времени нагрева одной детали, поэтому в таких печах необходимо стремиться к воз­ можно большей загрузке (размещают детали в несколько рядов). Время вы­ держки при цементации и азотирова­ нии определяется глубиной слоя.

Продолжительность выдержки при гомогенизации стального литья, алюми­ ниевых и других сплавов зависит от химического состава и степени неодно­ родности литой структуры и в отдель­ ных случаях достигает двух суток.

При передаче основной доли тепла лучеиспусканием (в печах с темпера­ турой выше 700 °С) слой лучеиспускающих газов над садкой должен состав­ лять 400—600 мм в больших печах и 200—300 мм в малых. Для проверки правильности выбранной площади пода целесообразно определить удель­ ную производительность печи и сравнить полученную величину с прак­ тическими данными (табл. 1.3). Нор­ мальные скорости движения газов в ра­ бочем пространстве печи при естест­ венной циркуляции составляют 1— 2 м/с. В печах с температурой ниже 600 °С следует повышать скорость дви­ жения газов или нагретого воздуха до 6—10 м/с при помощи вентиляторов. Садку в этом случае надо размещать по всему объему рабочего пространст­ ва печи, разделяя детали прокладками (для движения газов).

В нагревательной зоне методиче­ ских печей высоту рабочего простран­ ства принимают равной 900—1000 мм, а в подогревательной 500—700 мм. При непосредственном отоплении печи необходимо избегать прямого сопри­ косновения факела горения с деталя­ ми. Его нужно направлять тангенци­ ально к деталям, соблюдая принципы циркуляции и рециркуляции газов.

Радиус свода печи обычно равен ее ширине, что обеспечивает большую ус­ тойчивость свода. Высота стрелы сво­ да в этом случае составляет 0,134 ши­ рины печи. При ширине печи более 4 м ее свод делают подвесным (рис. 1.8).

Сечение отводящих дымовых кана­ лов зависит от скорости движения га­ зов (равной 2—3 м/с). Ширина верти-

Камерные:

сгоризонтальным не­ подвижным подом

свыдвижным подом ямные со съемным

сводом

колпаковые вертикальные (на 1 мэ

объема печи) Поточные:

толкательные (движе­ ние на поддонах)

конвейерные

роликовые

карусельные печи скоростного на­

грева

—

__

—

.

80—100*

—

—

—

—

кальных каналов принимается равной 115 мм, в крайнем случае 180—230 мм, чтобы сильно не увеличивать толщину стенок печи. Второй размер канала не должен превышать 180—230 мм, иначе снижается прочность стенок печи. По­ этому лучше увеличивать число кана­ лов. Для большей равномерности на­ грева отводящие каналы целесообраз­ нее располагать возможно ближе к уровню пода печи.

Скорость движения газов в боровах 1—2 м/с. Сечение борова должно быть достаточным, чтобы обеспечить воз­ можность чистки. Ниже приведены ре­ комендуемые размеры боровов:

1.6. КЛАДКА ТЕРМИЧЕСКИХ ПЕЧЕЙ, ВАНН И МАТЕРИАЛЫ КЛАДКИ

Стены и свод термических печей со­ стоят из слоев огнеупорного кирпича и теплоизоляции. В качестве огне-

у п о р н о г о к и р п и ч а для термиче­ ских печей с температурой выше 700 °С используется плотный или легковесный шамотный кирпич (ГОСТ 5040—78), который состоит из 60—52 % Si02 и 30—45 % А120 3. П о своим химическим свойствам шамотный кирпич нейтра­ лен, имеет низкую электропроводность,

103 Ом-см. Это позволяет использо­ вать его в печах как материал для

имеет размеры 230X113X63 мм при массе 3,2 кг. В 1 м3 кладки находится около 620 кирпичей. Линейные разме­ ры кладки печи должны приниматься исходя из размеров стандартного кир­ пича с учетом толщины швов, равной в среднем 2—3 мм (условный средний размер кирпича со швами составляет 232ХП5Х65 мм).

Для кладки сводов печей применя­ ется клиновой и ребровой шамотный кирпич размерами 230X113X65— 55 мм и массой 2,9 кг. В 1 м3 кладки находится около 700 таких кирпичей. Для кладки круглых печей, пят сводов, перекрытий, крепления нагревателей, ввода горелок и т. п. нашей промыш­ ленностью выпускаются фасонные ша­ мотные кирпичи (ГОСТ 8691—73). Для кладки рабочего пространства термических печей следует рекомендо­ вать легковесный шамотный кирпич, который благодаря микропорам обла­ дает незначительной теплопроводно­ стью и малой плотностью.

Легковесные шамоты изготовляются тремя способами.

Первый способ заключается в том, что в огнеупорную массу вводят углеродистые веще­ ства — древесные опилки, торф, уголь, которые при обжиге кирпича выгорают, создавая поры. Получается легковесный шамотный кирпич плотностью 1300— 1000 кг/м3 и теплопровод­ ностью при 50 °С 0,35—0,30 Вт/(м -К ).

Второй способ основан на получении пу­ зырьков газа в кирпиче путем добавки к огне­ упорной массе газообразующих веществ (из­ вестняка, доломита) и обработки огнеупорной массы раствором серной кислоты. Для стабили­ зации объема массы в шихту вводят глинозе­ мистый цемент или гипс.

Третий способ заключается в образовании пеношамота с помощью пенообразующих до­ бавок — эмульсии канифольного мыла или мыльного корня. Пеномасса разливается в фор­ мы, сушится и обжигается. В качестве стаби­ лизатора пены используются столярный клей и .'10 %-ный раствор алюмокалиевых квасцов. Химическим и пеношамотным способами полу­ чают легковесные шамоты плотностью до 800—' 600 кг/м3 и теплопроводностью при 50 °С

0,017—0,12 Вт/(м*К).

Огнеупорность легковесного шамот­ ного кирпича мало отличается от огне­ упорности плотного, но первый имеет малые прочность и термическую стой­ кость, высокую газопроницаемость. Срок службы легковесных шамотов, используемых для внутренней футеров­ ки печей, можно продлить, применяя защитные обмазки. Простейшей из них является размолотый шамот, смешан­ ный с глиной и жидким стеклом, хоро­

ший эффект получается при использо- т.оттт,тт уплмлмаг'иРЧМТППЫТ И

вых обмазок.

В результате применения легковес­ ного шамотного кирпича в периодиче­ ски работающих печах намного сокра­ щаются потери тепла от аккумуляции кладки и обеспечивается ее быстрый

разогрев.

В качестве огнеупорной футеровки для стен и подов печей могут исполь­ зоваться огнеупорные бетоны, которые состоят из порошка и боя шамота и

бетоны применяются при температурах до 1400 °С. Кладка из бетона должна быть тщательно высушена и прогрета. Использование указанной кладки вме­ сто кирпичной позволяет резко умень­ шить количество швов и значительно удешевить изготовление фасонных ча­ стей футеровки.

печах применяют диатомитовый, пено­ шамотный и пенодиатомитовый кирпи­ чи, вермикулитовые, совелитовые, ас­ боцементные и минераловатные плиты

и засыпки.

Диатомитовые кирпичи и засыпки представляют собой панцири микро­ водорослей — диатомий, содержащих 90—95 % аморфного Si02. Они облада­

ность. Для теплоизоляции часто при­ меняются необожженный порошок диа-

Материал

Плотность, кг/м*

Предельная температура, °С

легковес, пенодиатомит, вермикулитовые плиты и т. п. На рис. 1.9 приведе­ ны данные о потерях тепла и строи­

нимальная толщина слоя из огнеупор­ ного кирпича определяется допустимой температурой на границе огнеупорного и теплоизоляционного слоев и механи­ ческой прочностью кирпича. Для тер­ мических печей с температурой 900— 800 °С можно использовать шамот толщиной в 0,5 кирпича, т. е. 113 мм. Кладка печей с температурой ниже 700 °С может быть выполнена диатомитовым кирпичом, в качестве теплоизо­ ляционного материала при этом ис­ пользуются вермикулит, минеральная вата и др. Для обеспечения прочности огнеупорного слоя его толщина выби­ рается такой: при высоте стен печи до

Толщина изоляционного слоя из диатомитового кирпича в малых печах со­ ставляет 0,5 кирпича, а в больших — 1 кирпич и более. Кладка стен печи ведется вперевязку: через каждые че­ тыре ряда внутренний огнеупорный слой перевязывается с наружным изо­ ляционным.

Для уменьшения потерь тепла через швы изоляционный кирпич иногда укладывается на ребро. В этом случае толщина слоя должна быть кратна толщине кирпича. Стенки печей с тем­ пературой 600 °С и ниже часто дела­ ются из двух металлических листов, между которыми помещается изоляци­ онный порошок или шлаковая вата.

Минимальная толщина боковых стенок печи, в которых располагаются отводящие каналы, равна 350 мм. Она состоит из двух стенок по 0,5 кирпича и отверстия между ними, равного 113 мм (0,5 кирпича). Торцевые стен­ ки печи, в которых размещаются рабо­ чие окна, выкладываются из шамотно­ го кирпича; если ширина окна превы­ шает 1,5 м, то для создания надежных

превышать 40 мм на ряд кирпича, т. е. на 65 мм.

Целесообразно для снижения по­ терь тепла наружные поверхности стен печи обмазывать молотым шамотом с асбеститом слоем 15—20 мм толщи­

ной по металлической сетке. При ис­ пользовании легковесных шамотов и изоляционной засыпки стены термиче­ ских печей рекомендуется выкладывать в металлическом кожухе из листового железа толщиной 3—4 мм.

Своды термических печей делаются из шамота толщиной в 0,5 кирпича (113 мм) при ширине печи до 1 м, в 1 (230 мм) — до 3,5 м и в 1,5 (350 мм) — свыше 3,5 м. При кладке сводов через каждые 2 м необходимо делать темпе­ ратурные швы толщиной 4—6 мм, осо­ бенно при использовании легковесного шамота с малой механической проч­ ностью. Своды печей следует изолиро­ вать диатомитовым кирпичом или дру­ гими изоляционными материалами (толщина слоя 70—140 мм). Пяты свода полностью выполняются из огне­ упорного кирпича, а давление на них кладки свода передается на арматуру печи через поперечный уголок, швел­ лер или литую балку. Подины терми­ ческих печей выкладываются из ша­ мотного кирпича, шамотной набивки или огнеупорного бетона, а наружный слой толщиной 210—230 мм делается из диатомитового кирпича. Для проч­ ности кладки пода ряды кирпича чере­ дуются на ребро и плашку, первые укладываются «в елочку». Если под делается наклонным, то таким должен быть и фундамент. Глубина закладки последнего ниже уровня земли опреде­ ляется системой дымоходов. Желатель­ но, чтобы под печи возвышался над уровнем пола цеха на 800—900 мм.

В печах с нижними топками под выкладывается из шамота сводиками е 0,5—1 кирпич в зависимости от ши­ рины последних. Толщина простенков между отдельными топками 1—1,5 кир­ пича. Заслонки рабочих окон в терми­ ческих печах рекомендуется выполнять набивными (из диатомитового боя с огнеупорной глиной или из диатоми­ тового кирпича) толщиной 65 или 115 мм. При прямоугольном сечении рабочего окна шириной до 1,2 м сводики могут быть выложены прямой аркой, а при большей ширине — ис­ пользуется литая металлическая балка.

Отводящие дымовые каналы футе­ руются слоем шамота толщиной в 0,5 кирпича. Дымовые борова и кана­ лы, расположенные под печью, изго­ товляются из шамота (толщина стенки

большую помощь оказывает моделиро­ вание. Модель можно сделать прозрач­ ной (например из органического стек­ ла) и в несколько раз меньшей нату­ ральной величины.

Движение газов в пламенной печи моделируют, применяя воздух или во­ ду, движение которых математически выражается одним и тем же дифферен­ циальным уравнением Навье—Стокса. Согласно теории подобия, чтобы мо­ дель отражала работу натуры, необхо­ димо достичь подобия:

внутренних контуров печи и модели (размеров окон из топки или отвер­ стий горелок, размеров отводящих ка­ налов и др.);

физических величин в сходных точ­ ках (движение вязкой жидкости ха­ рактеризуется физическими величина­

ми — ПЛОТНОСТЬЮ Р И ВЯЗКОСТЬЮ [I жид­

кости) ; начальных условий, т. е. условий

входа газов в печь, а при нестационар­ ном движении и начального состояния потока;

граничных условий, что обеспечи­ вается числовым равенством определя­ ющих критериев в сходных сечениях. Для моделирования движения газов в печи определяющим критерием явля­ ется критерий Рейнольдса:

где v — скорость движения газов; d — гидравлический диаметр. Поэтому не­ обходимо, чтобы для однотипных се­ чений модели и натуры критерии Рей­ нольдса были численно равны. Если полного подобия достичь невозможно, то модель нужно рассчитывать по пра­ вилам приближенного моделирования, пользуясь стабильностью и автомо­ дельностью движения потока вязкой жидкости. В этом случае движение газов можно изучать не во всем объ­ еме печи и модели, а в подобных участ­ ках.

Скорость движения и расход жид­ кости при моделировании движения газов определяются из равенства кри­ териев Рейнольдса для натуры (печи) и модели:

vpd v'p'd'

Здесь п — отношение геометрических размеров печи и модели в принятом масштабе модели— \/п.

Количество протекающей жидкости V в модели при ее поперечном сечении

критерия Re) для печи и модели будут численно равны и все остальные кри­ терии подобия, поэтому измеренные на модели величины пересчитывают для реальных условий движения газов в печи.

По результатам исследования на модели можно исправить геометриче­ ские размеры печи, установив их наи­ более рациональные значения.

1.8. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТЕРМИЧЕСКИХ ПЕЧЕЙ, ЕГО ОСОБЕННОСТИ

Тепловой расчет печи сводится к определению расхода топлива (в пла­ менных печах) или мощности (в элек­ трических печах). Независимо от вида топлива и назначения печи потребляе­ мое ею тепло разделяется на полезно используемое (на нагрев металла); расходуемое на нагрев тары, защитно­ го газа или попадающего в печь воз­ духа; теряемое печью.

Для определения максимального расхода топлива в пламенной печи или установочной мощности в электри­ ческой печи составляется тепловой ба­ ланс, который включает приходные и расходные статьи. Тепловой баланс печи необходимо составлять по перио­ ду нагрева на максимальную произво­ дительность печи в секунду. Для пе­ риодически работающих печей тепло­ вой баланс составляется на цикл их работы.

1.8.1. Основные статьи теплового баланса термических печей

Приходные статьи. 1. Химическое тепло, выделяющееся при сжигании топлива,

сгорания газа, Дж/м3 (мазута, Дж/кг); В — расход газа в секунду, м3/с (мазу­ та, кг/с).

2. Физическое тепло нагретого воз­ духа, потребляемого для горения топ-

Та б л и ц а 1.5. Экономия газа

степлотой сгорания 6500 кДж/м3 при коэффициенте избытка воздуха а=1,05

Здесь Ln— действительный объем воз­ духа, подаваемый для сжигания 1 м3 газа, м3/м3 (мазута, м3/кг); ct — тепло­ емкость воздуха, Дж/(м3-К); /в — тем­ пература подогрева воздуха, °С. Воз­ дух нагревают для повышения темпе­ ратуры печи и уменьшения расхода топлива. Иногда с этой же целью по­ догревают и топливо, его физическое тепло определяется по формуле (1.2), в которую вводятся данные для топли­ ва. Для термических печей топливо не подогревается, так как их рабочие температуры невелики.

Воздух нагревают в рекуператорах теплом отходящих продуктов сгора­ ния. Некоторое представление об эко­ номии топлива в зависимости от тем­ пературы нагрева воздуха за счет теп­ ла отходящих газов дает табл. 1.5. Необходимый для горения объем воз­ духа и низшая (рабочая) теплота сго­ рания топлива определяются из расче­ та горения топлива.

Расходные статьи. 1. Тепло, иду­

Дж/(кг-К); /м.к — конечная температу­ ра нагрева металла, °С; t0— начальная температура металла, °С.

2.Тепло, затрачиваемое на нагрев поддонов, коробок, конвейера QTap, рассчитывается аналогично расходу тепла, затрачиваемого на нагрев ме­ талла. При этом необходимо, чтобы ко­ личество нагреваемой тары на едини­ цу массы металла было минимальным.

3.Тепло, теряемое вследствие теп­

лопроводности стенок QCT, определяет­

ся различно, в зависимости от того, является ли тепловой режим печи уста­ новившимся или неустановившимся.

При у с т а н о в и в ш е м с я режиме тепло теряется в результате теплопро­ водности стенок и его передачи от на­ ружной поверхности печи в окружаю­

щий воздух.

Температура в каждой точке тела

ратур в плоской стенке отвечает урав­

нению прямой линии.

Плотность теплового потока, прохо­

где Я— коэффициент теплопроводности материала кладки, Вт/(м-К); 5 — тол­ щина стенки, м; </вн — температура внутренней поверхности стенки, °С; /нар — температура наружной поверх­

ности стенки, °С.

Для многослойной стенки с поверх­ ностью F

Яь Я2, Я „ — соответственно теплопро­ водности этих слоев, Вт/(м-°С).

Учитывая сопротивление перехода тепла от печи к внутренней стенке и от наружной стенки к внешней среде и то, что теплопередающие поверхности стенок различны, находим вид форму­

внутренней поверхности стенки и от на­ ружной поверхности печи в окружаю­ щий воздух, Вт/(м2-К). Для термиче­ ских печей авоз может быть принят

равным 12—18 Вт/(м2-К), для элек­ трических— 12, для пламенных печей,

ляционного слоев данной стенки печи, м2; FBH и jFHap— соответственно внут­ ренняя и наружная поверхность стен­ ки печи, м2.

Потери тепла в результате тепло­ проводности стенок равняются тепло­ вому напору, деленному на тепловые

( 1.6)

Здесь I— высота или длина цилиндри­ ческой стенки, м: гвн, Гнар— радиус внутренней и наружной поверхности кладки, м; гь г2, гп— радиусы соответ­ ствующих слоев кладки, м.

Средние расчетные поверхности каждого из слоев стенки следует вы­ числять как средние геометрические наружной и внутренней поверхностей соответствующего слоя:

F\~ V F1нарF1вн »

F * = V ^2нар^2вн

Если температура внутренней по­ верхности стенки задана, тогда в фор­ мулах, выражающих сопротивление теплопередаче от печи к внутренней поверхности стенки, первого члена зна­ менателя не будет. При различных толщине и строении стенок печи, сво­ да и пода потери тепла необходимо определять отдельно для каждой стен­ ки и результаты суммировать.

Падение температуры в стенке про­ порционально термическому сопротив­ лению и может быть определено графи­ ческим путем. Откладывая по оси абс­ цисс последовательно термические со­ противления 1/авоз, 5ИзАиз, SinAni, 1 /а Печ, а по оси ординат температуры £печ и /воз» определим температуры в стенке, изменяющиеся по прямой ли­ нии (рис. 1.11). Точки пересечения а, б и в соответствуют температурам на­ ружной, внутренней, промежуточной между шамотом и изоляцией поверхно­ стям стенки. Отложив по оси абсцисс значения толщины изоляции 5Из и ша­ мота Sm и перенеся точки а, б и в на ординату, получим распределение /нар, /печ, /вн в двухслойной стенке.

При н е у с т а н о в и в ш е м с я теп­ ловом потоке распределение темпера­ тур в стенке с течением времени меня­ ется. В случае, когда толщина стенки бесконечна, все тепло, сообщаемое внутренней поверхности, идет на разо­ грев стенки. Если стенка имеет конеч­ ные размеры, то параллельно с повы­ шением ее температуры может проис­ ходить еще потеря тепла в окружаю­ щее пространство (воздух). Теплопоглощение стенки из шамота толщиной 115 (при времени разогрева до 30 ч) и 230 мм (при времени разогрева до 100 ч) аналогично теплопоглощению стенки бесконечной толщины.

При возрастании температуры на внутренней поверхности стенки беско­ нечной толщины в результате решения дифференциального уравнения Фурье получаем количество тепла, поглощен­ ного этой стенкой:

ра окружающей среды (воздуха), К; FOTB— площадь открываемого отвер­ стия, м2; Ат — относительное время от­ крытия. Например, заслонка открыва­ ется на 10 мин через каждый час, в этом случае Дт = 10/60 = 1/6. Если заслонка в камерной печи открывается

через 4 ч на 20 мин, то Ат = 20/4-60=

= 1/ 12.

Коэффициент диафрагмирования ф может быть принят равным примерно

таллическими экранами, ф = 0,5. При излучении в атмосферу температуру

окружающего воздуха можно не учи­ тывать.

Формула (1.12) упростится, если в нее ввести величины излучения абсо­

ны, приблизительно они определяются следующим образом:

QT.K.3 « (0,5 -1,0)Q CT. (1,14)

6. Тепло, затрачиваемое на нагрев попадающего в печь холодного воздуха <2воз и уносимое с выбивающимися га­ зами Qra3. Пламенные печи работают

с положительным давлением, поэтому продукты сгорания выбиваются через неплотности кладки и отверстия печи. В электрических печах, имеющих воз­ душную атмосферу, холодный воздух

засасывается через неплотности кла­ дки.

В случае открытой заслонки потери тепла могут быть значительными и их необходимо учитывать. В термической печи с температурой 800—900 °С рас­ ход выбивающегося воздуха или газа при открытом окне в секунду прибли­ зительно составляет

Величину q в зависимости от темпера­

туры можно брать по следующим дан­ ным:

где Я — высота, на которую открыва­ ется окно, м; В — ширина окна, м. По­ тери тепла приближенно можно опре­ делить из выражений