Печи / Моргунов Печи литейных цехов

УДК 621.745.4.5(075.8)

Рецензенты:

Ученый совет Пензенского научного центра; Главный металлург ОАО «Пензадизельмаш» А.С. Белоусов

Моргунов В.Н. Печи литейных цехов. Характеристика, анализ, классификация.: Учеб. пособие. – Пенза: Изд-во пенз. гос. ун-та, 2009 -

с.179.

Проанализированы и изложены основные технологические, энергетические, экологические и иные задачи, которые поставлены современным производством отливок перед печными агрегатами, как технологическим оборудованием тепловой обработки материалов. Представлены классификация и основные конструктивно-технологические схемы современных печей литейного производства. Изложены основные вопросы тепло- и массообмена в печах при их тепловой работе.

Учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Машины и технология литейного производства» направления подготовки дипломированных специалистов «Машиностроительные технологии и оборудование».

ПРЕДИСЛОВИЕ

2

Многие процессы производства отливок связаны с тепловой обработкой материалов, производимой в печах. Например, при производстве литейных форм требуется определенная тепловая обработка формовочных материалов, стержней, форм и т.п. Для придания отливкам определенных свойств их могут подвергать термической обработке. Производство литейных сплавов для отливок вообще невозможно без плавильных печей. Известно, что, в настоящее время, затраты на производство литейных сплавов в себестоимости произведенных отливок составляют более 50% от общих затрат на изготовление литья. Поэтому в литейном производстве широко внедряются высокоэффективные плавильные агрегаты и технологические методы плавки в них сплавов, которые позволяют не только улучшить эксплуатационные свойства литых деталей, но и повысить экономичность их производства за счет снижения материало- и энергоемкости.

Экономику литейного производства осложнило значительное повышение цен на шихтовые материалы, электроэнергию, кокс, природный газ. Это привело литейщиков к необходимости изменения традиционных технологий и оборудования производства сплавов для изготовления кон- курентно-способных отливок по качеству и экономичности их производства. Для обеспечения современных технологических процессов тепловой обработки, производимых в печах, необходимо знать:

-основные положения и законы нагрева различных материалов, в т.ч. и при изменении их агрегатного состояния;

-основные технологические и энергетические задачи, которые должны решаться в печах литейных цехов;

-основные характеристики современных печей, их параметры и технологические возможности;

-основы тепловой работы печей и зависимость их конструктивнотехнологических схем от задач, поставленных перед ними;

-конструкции современных печей и основных их систем, узлов и оборудования; основные материалы, применяемые для строительства, ремонта и эксплуатации печей;

-основные положения, требования и правила эксплуатации печного хозяйства.

Изучением данных вопросов занимается дисциплина «Печи литейных цехов», которая основывается на знаниях таких областей науки, как термодинамика, теплотехника, газодинамика, пирометаллургия.

В области освещения конструкций и методик расчета металлургических печей издано достаточно много научно-технической и учебной литературы. Материал в них обширен, но разобщен. Многие конструктивнотехнологические схемы печей, описанные в изданной литературе, устарели.

3

Настоящее учебное пособие является существенным дополнением для изучения дисциплины «Печи литейных цехов». Во первых, в пособии достаточно подробно анализируются основные технологические, энергетические и иные задачи печей с представлением современных требований к основным ее узлам, элементам и материалам. Во вторых, в пособии представлен подробный анализ основных характеристик и параметров печей во взаимосвязи с их технологическими и энергетическими задачами. В третьих, приводится достаточно подробная классификация печей по основным классификационным признакам с анализом их задач и конструктивных особенностей. В четвертых, в пособии представлены материалы анализа конструктивно-технологических решений сушильных нагревательных и плавильных печей во взаимосвязи с основными тепловыми и температурными параметрами технологических процессов сушки, нагрева или плавки материалов.

4

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И АНАЛИЗ РАБОТЫ ПЕЧНОГО ХОЗЯЙСТВА

Тепловая обработка материалов требует специального теплового агрегата, который называется печью. Основным назначением любой печи является создание определенных тепловых и температурных условий, которые должны обеспечить выполнение заданного технологического процесса тепловой обработки материала. Кроме полного удовлетворения требований технологии печь должна обеспечивать:

-высокую производительность при минимальном расходе теплоты

иминимальных потерях металла (материала) при нагреве;

-минимальный расход материалов и времени для постройки и ремонта при минимальных капитальных затратах;

-возможность автоматизации работы;

-благоприятные условия труда.

Для выполнения своего назначения любая печь должна решать определенные технологические и энергетические задачи. Постановка этих задач исходит из заданного технологического процесса тепловой обработки материала. Рассмотрим основные задачи, которые должна решать печь при своей работе.

1.1.ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ

Постановка технологических задач, которые должна выполнять печь, зависит от вида тепловой обработки материала. Так для сушильных печей основной технологической задачей является не сам по себе нагрев материала, а удаление из него влаги и других летучих соединений (иногда обеспечение полимеризации связующих в песчаных литейных формах и стержнях). Нагрев материалов в данном случае необходим для осуществления этих процессов или ускорения их. Для решения технологической задачи тепловой сушки в сушильных печах существенную роль приобретают

печные газы.

Основной технологической задачей термических печей является обеспечение ими требуемых техпроцессом термообработки изменений в структуре сплава отливок, с целью получения заданных механических или иных свойств сплава в отливках. Решение этой задачи возможно только при нагреве отливок с заданной температурной скоростью до четко определенных конечных температур (температурный график нагрева). Часто решение данной задачи связано с наведением специальных атмосфер в пе-

5

чи (химически – активных, нейтральных, безокислительных и т.п.), или с введением в нее специальных твердых или газообразных реагентов.

Главной технологической задачей плавильных печей является производство жидкого сплава определенных температуры и химического состава. Для решения этой задачи одного переплава шихты в жидкое состояние недостаточно. При производстве сплавов плавильные печи должны обеспечивать решение ряда металлургических задач (окисления, раскисления, легирования, рафинирования, модифицирования, наведения шлаков, перемешивания расплава, температурной выдержки и пр.). Для производства высококачественных литейных сплавов в плавильных печах создаются специальные печные атмосферы (нейтральные, безокислительные, вакуум и пр.).

Любая технологическая задача, решаемая в печи, обязательно сопровождается передвижением обрабатываемого материала или изделия (загрузка, передвижение в печи выгрузка и т.п.). Поэтому все печи должны быть оборудованы специальными устройствами и механизмами, обеспечивающими передвижение материала по зонам печи, а также механизмами передвижения рабочих дверей, крышек, сводов и других узлов печи, открывающих или закрывающих ее рабочее пространство.

Решение технологических задач всегда сопровождается присутствием каких-то печных газов или вакуумом. Поэтому конструкция печи должна иметь устройства и механизмы для наведения, передвижения, утилизации и удаления печных газов.

Решение технологических задач в печах часто связано с образованием различных побочных продуктов (например, шлаков при плавке сплавов или отработанных реагентов при термообработке). В связи с этим любая конструкция печи должна иметь устройства для удаления и утилизации данных побочных продуктов.

1.2.ОСНОВНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ

Для решения определенных технологических задач печь должна выполнить определенный комплекс энергетических задач. Несомненно, что постановка энергетических задач вытекает из технологических задач тепловой обработки, которые в свою очередь определяются параметрами нагрева материала (например, температурным графиком нагрева). Поэтому, для выявления основных энергетических задач, вначале рассмотрим основные параметры нагрева материала.

6

1.2.1. Параметры нагрева материала

При любом технологическом процессе тепловой обработки основными параметрами нагрева материала являются:

-конечная температура нагрева;

-температурная скорость нагрева до конечной температуры;

-время выдержки при конечных температурах нагрева;

-количество теплоты для обеспечения заданного нагрева;

-температурная скорость охлаждения после выдержки до заданной температуры.

Конечная температура нагрева

Любая тепловая обработка материала связана с его нагревом от начальной температуры (Тн) до заданной конечной температуры (Тк). Значение конечной температуры зависит, главным образом, от цели (технологической задачи) процесса нагрева материала (сушки, нагрева, плавки и т.п.).

При термообработке конечная температура нагрева назначается в соответствии с видом термообработки по значениям критических температур изменения структуры или свойств сплава в отливке (они характерны только для этого типа сплава). Например, для осуществления полного отжига стальных отливок необходимо их нагревать до конечной температуры, равной на 30-50К выше критической точки окончания образования аустенита (точки АС3), что составляет 1223-1323К (950-10500С).

При плавке конечная температура нагрева (перегрева) определяется прежде всего температурой плавления сплава, а затем уже характером внепечной обработки жидкого сплава, условиями его заливки в литейную форму и конструктивной сложностью изготовляемой отливки (габаритными размерами, массой, толщиной стенки и т.д.). Например, температура выпуска ЧПГ из печей, в зависимости от вида литья, находится в пределах 1583-1653К (1310-13800С), а температура выпуска нелегированных сталей из печей – 1793-1823К (1520-15500С).

При сушке материалов конечная температура нагрева определяется критическими температурами необратимых физико-химических процессов, происходящих в материале или в каких-то его компонентах. Например, конечная температура сушки формовочного песка находится в пределах 773-873К (500-6000), стержней и форм на органических водных связующих – в пределах 423-453К (150-1800), а на глинистых связующих – в

пределах 723-773К (450-5000).

7

Температурная скорость нагрева

Скорость нагрева материала, или температурная скорость нагрева ( ∂Т / ∂τ ; град/с) в основном определяется следующими тремя факторами:

-поставленной технологической задачей нагрева (сушка, термообработка, плавка и т.п.);

-теплофизическими характеристиками материала (теплоемкостью, теплопроводностью, температуропроводностью и т.п.);

-размерными и количественными характеристиками материала или изделия (массой, габаритными размерами, толщиной стенок и т.п.).

Часто скорость нагрева является основополагающим параметром тепловой обработки материала. Поэтому необходимо более подробно рассмотреть вопрос выбора данного параметра.

Если исходить из экономических соображений выбора температурной скорости нагрева материала, то ее значение должно быть максимально возможным. Т.к. в этом случае сокращается время тепловой обработки и повышается тепловое к.п.д. Именно такой нагрев применяется в основном при плавке шихты в печах, т.к. скорость нагрева и плавления шихты не оказывает значительного влияния на физико-химические свойства конечного изделия – отливки.

Для обеспечения максимально допустимой скорости нагрева необходимо создать в печи такие тепловые условия, при которых возникал бы

максимально возможный тепловой поток [Qпов(max) ]к поверхности обрабатываемого материала. Такие тепловые условия в печи могут возникать:

-при создании максимально возможной разности температур (∆Т) между теплоносителем и нагреваемым материалом (т.е. создании максимального градиента температур);

-при создании интенсивного движения теплоносителя (печных газов) в рабочем пространстве топливных печей, что увеличивает тепловой поток к нагреваемому материалу за счет конвективной составляющей теплообмена.

Однако, во многих случаях, очень высокая скорость нагрева может вызвать опасность перегрева поверхности материала (особенно массивного) и даже его разрушения под действием температурных напряжений. Это говорит о том, что скорость нагрева материала в каждом конкретном случае должна иметь вполне определенное значение.

8

Критерием оценки правильного выбора значения температурной скорости нагрева может служить температурная равномерность нагре-

ва материала. Показателем температурной равномерности нагрева является скорость изменения разности температур поверхности и центральной

части нагреваемого материала (∆Т = Тпов. – Тц) во времени:

В случае когда ∆Т не изменяется во времени (∆Т- const) нагрев считается равномерным.

Равномерность или неравномерность нагрева всегда связана с совместным решением внутренней и внешней задач нагрева.

Решение внешней задачи нагрева обеспечивается определенным количеством теплового потока (Qпов) от теплоносителя к поверхности материала. Например, если принять, что теплоотдача в основном осуществляется по закону Ньютона-Рихмана, то тогда значение внешнего теплового потока можно определить по следующему уравнению:

где α∑ - суммарный коэффициент теплоотдачи ( м2 Втград );

F – тепловопринимающая поверхность материала (м2);

ТТ; Тпов. – температуры теплоносителя и поверхности материала соответственно (К).

Решение внутренней задачи нагрева обеспечивается определенным тепловым потоком от поверхности внутрь материала. Решение этой задачи зависит от свойств материала (геометрических, теплофизических и т.п.). При этом внутренний тепловой поток к центру изделий можно определить по следующей формуле:

где λ – коэффициент теплопроводности материала ( м Втград );

9

δ – расчетная толщина материала (м); Тпов.; Тц – температуры поверхности и центра материала (К);

F – тепловоспринимающая поверхность материала (м2).

Здесь следует отметить, что при нагреве жидких материалов решение внутренней задачи ускоряется за счет перемешивания, т.е. внутренний теплоперенос начинает осуществляться не только за счет теплопроводности, но и за счет конвекции.

Равномерность нагрева материала будет соблюдаться только при равенстве внешнего и внутреннего тепловых потоков:

В случае, когда Qпов. > Qц , нагрев внешней поверхности материала будет осуществляться быстрее, чем его центральная часть, т.е.:

Чем выше скорость роста ∆Т, тем выше перегрев поверхности материала, тем вероятнее возникновение недопустимых термических напряжений. Поэтому скорость нагрева должна быть ограничена каким-то предельно допустимым значением.

Во многих случаях, особенно при термообработке отливок, скорость нагрева определяется скоростью заданного изменения структуры сплава, скоростью диффузии и т.п. Поэтому скорость нагрева, особенно при термообработке, назначается специальным температурным графиком нагрева материала.

В качестве примера, на рис. 1.1 представлен температурный график нагрева отливок различной толщины из стали марки 40ГЛ для проведения специального вида термообработки – отжига.

10