Печи / Моргунов Печи литейных цехов
.pdf
а) |
б) |
Рис. 2.18. Схемы топок вагранок с холостой колошей: а – коксовых;
б– газовых; 1 – фурма; 2 - горелка
Вкоксовой вагранке (см.рис. 2.18,а) сжигание кокса производится в «толстом» слое холостой коксовой колоши (ХКК). Для сжигания кокса внутрь ХКК через фурмы подается с определенной скоростью воздух. Пополнение ХКК производится сверху загрузкой рабочих коксовых колош. Этим самым обеспечивается постоянство высоты ХКК.
Вгазовой вагранке с холостой огнеупорной колошей (ХОК) (см.рис. 2.18,б) газо-воздушная смесь из горелки подается внутрь слоя ХОК, где происходит ее сжигание. ХОК, как правило, состоит из кусков (шаров) огнеупорного материала, который содержит определенное количество углерода в виде графита. Пополнение ХОК, для поддержания постоянства ее высоты, производится также, как и у коксовой вагранки. Только расход ХОК значительно меньше чем расход ХКК.
Сжигание твердого топлива в «тонком» слое пористой среды
производится в специальных топках на колоснике (см.рис. 2.19).
91
Рис. 2.19. Схема топки твердотопливной печи со слоевым режимом тепловой работы при сжигании топлива в «тонком» пористом слое:
1 – кусковое топливо; 2 – колосник
В данных печах уголь загружается в топку на колосники «тонким» слоем. Снизу топки через колосники подается воздух для сжигания. Зола из топки через колосники попадает в зольник.
2.4.2. Электрические печи
Электрические печи широко применяются в литейных цехах. Они используются для плавки сплавов, термообработки отливок, сушки литейных форм, стержней и т.п. В электропечах значительно легче производить регулировку температуры в рабочем пространстве с достаточно высокой точностью В электропечах намного легче создать требуемую печную атмосферу. Рабочее пространство электропечей легче герметизировать. Это позволяет осуществить нагрев материала в защитных атмосферах, в том числе и в вакууме.
Электрические печи периодического действия с конвективным режимом теплообмена могут работать в замкнутом цикле рециркуляции печной атмосферы, что значительно повышает к.п.д. печей и создает условия тепловой обработки материала (изделий) в неизменной печной атмосфере заданного состава.
Превращение электрической энергии в тепловую в электропечах производят следующим образом:
-в твердых, жидких или газообразных проводниках электрического тока (резисторах) при приложении к ним внешней Э.Д.С.;
-в рабочем теле при помещении его в переменное электромагнитное поле и индуцировании в нем Э.Д.С.;
92
-в поверхностном слое рабочего тела при его бомбардировке потоком электронов, ускоренных в вакууме;
-в поверхностном слое рабочего тела при воздействии на него светового электромагнитного потока сверхвысокой плотности;
-в газе при его ионизации и изменении кинетической энергии воздействием внешних электрических сил (Э.Д.С., электромагнитного поля и т.д.).
Взависимости от способа превращения электроэнергии в тепловую, печи подразделяются (см.рис. 2.20) на дуговые, индукционные, сопротивления, плазменные, электрошлаковые, солевые, электроннолучевые и аэродинамического нагрева.
Дуговые |
|
Индукционные |
|
Сопротивления |
|
Плазменные |
|
|
|
|
|
|
|
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕЧИ
Электро- |
|
Электронно- |
|
Аэродинамиче- |
|
Солевые |
шлаковые |
|
лучевые |
|
ского нагрева |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 2.20. Классификация электрических печей по способу преобразования электрической энергии в тепловую
Дуговые печи
Дуговые печи используют в качестве плавильных. Тепловая энергия в этих печах генерируется в газообразном проводнике при приложении к нему разности электрических потенциалов. При воздействии разности потенциалов возникает интенсивная термоэлектронная эмиссия. Электроны ускоряются и производят ударную ионизацию молекул газа. Газ частично ионизируется, его электросопротивление резко падает. Все это приводит к «загаранию» дуги в данной зоне.
При атмосферном давлении температура кратера дуги достигает значений 3000-4000 К, а температура в канале электрической дуги – 50006000К.
93
ДУГОВЫЕ ПЕЧИ
Переменного тока |
|
Постоянного тока |
|
|
|
С зависимой дугой
С независимой дугой
Рис. 2.21. Классификация дуговых печей
Взависимости от источника тока дуговые печи могут быть
переменного или постоянного тока (см. рис.2.21).
Взависимости от места образования дуги в рабочем пространстве дуговые печи подразделяются на печи с зависимой (прямого действия) или независимой (косвенного действия) дугой. Конструктивные схемы дуговых плавильных печей представлены на рис. 2.22.
а) |
б) |
в) |
Рис. 2.22. Схемы дуговых плавильных печей: а – барабанной поворотной с независимой дугой; б – ванной поворотной с зависимой дугой переменног тока; в – ванной поворотной с зависимой дугой постоянного тока; 1 – электрод;
2 – сплав; 3 – анод
94
Печи с зависимой дугой или печи прямого действия переменного тока (см.рис. 2.22,б) получили широкое распространение для плавки чугуна и стали. В данных печах дуга “горит” между электродом и металлической садкой (шихтой или расплавом). По форме рабочего пространства эти печи относятся к печам ванного типа.
Дуговые печи выполняются с кислой и с основной огнеупорной футеровкой, в зависимости от технологического процесса плавки (кислого или основного).
Современные дуговые печи имеют прогрессивную систему подъема и поворота свода для открывания печей подж загрузку через верх. Печи типа ДС-6Н1 имеют выкатную ванну. Вообще, в зависимости от способа открывания печи для загрузки шихты сверху, различают печи с поворотным сводом (серия ДСП) и с выкатным корпусом (серия ДСВ). В печах серии ДСП свод подвешен к полупорталу Г-образной конструкции из балок коробчатого сечения, а серии ДСВ – к порталу П-образной конструкции.
Все дуговые электропечи имеют современную систему автоматического перемещения электродов; при этом у всех печей, кроме ДС-6Н1, эта система выполнена электрогидравлической. Печи емкостью более 25 т оборудуются устройствами для электромагнитного перемешивания металла и могут иметь механизмы вращения ванны металла. На всех печах применены усовершенствованные электродные уплотнения.
Преимущества дуговых электропечей по сравнению с индукционными печами заключаются:
-в использовании горячего активного шлака для десульфурации, дефосфорации и других металлургических процессов;
-в более либеральных требованиях к используемой шихте по влажности и химсоставу;
-в высоком КПД при расплавлении (80-85%);
-в возможности проведения металлургических процессов в восстановительной и нейтральной атмосферах, что часто необходимо для получения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом;
-в осуществлении более быстрого подъема температуры;
-в большей производительности (на 23-30%) и меньшей стоимости при одинаковой емкости;
-в более высокой стойкости футеровки (срок службы подины, водоохлаждаемого свода и стеновых панелей – 2000 плавок и более);
-в исключении из плавильной кампании создания "болота";
-в использовании однородной загрузки всей шихты без сортировки по размеру.
95
Недостатки:
-более низкий к.п.д. при перегреве (не более 20%);
-значительное выделение дыма и шум во время работы (до 105 дБ);
-большой угар шихты (3,%-5,0);
-большая неравномерность температуры металла.
Печи с зависимой дугой постоянного тока (см.рис. 2.22,в) для обеспечения электрической цепи, должны иметь охлаждаемый анод. Чаще всего его располагают в подине ванны. Достоинство печей данного типа заключается в том, что постоянный ток устраняет пульсацию горения дуги и стабилизирует процесс плавки. Это приводит к общему снижению удельной мощности печи.
Дуговые печи постоянного тока применяются при плавке высококачественных тугоплавких сплавов в вакууме. В настоящее время дуговые печи постоянного тока начинают вытеснять промышленные дуговые печи переменного тока различной мощности.
Основными преимуществами дуговых печей постоянного тока
перед аналогичными дуговыми печами переменного тока являются:
-снижение расхода графитированных электродов до 1,5 кг на тонну жидкого металла;
-снижение угара металла до 2-4% (увеличение выхода годного);
-снижение расхода ферросплавов в среднем на 15-20%;
-снижение количества пылевыбросов в 6-8 раз;
-снижение уровня шума на 15-20 децибелл (т.е. до пределов санитарных норм);
-снижение фликкер-эффекта.
Фликкер-эффект (мерцание катода) – флуктуации эмиссии электродов с поверхности накаленного катода, возникающие в следствие диффузии к поверхности катода примесных атомов; один из шумовых источников.
Следует еще раз отметить, что особенностью всех дуговых плавильных печей с зависимой дугой является высокая активность шлака, перегретого до температуры, превышающей температуру перегрева жидкого металла.
В печах с независимой дугой дуга горит между двумя электродами (рис. 2.22,а). Эти печи в основном поворотные барабанного типа. Они нашли применение для плавки медных сплавов.
96
Плазменно-дуговые печи
Плазменные печи работают, используя энергию плазмы. Плазма отличается от других состояний вещества тем, что в ней часть молекул ионизируется. В плазменных печах используется низкотемпературная плазма со степенью ионизации около 1%.. Температура низкотемпературной плазмы находится в пределах 10000-30000 К.
Поток плазмы в печах генерирует специальное устройство, которое называется плазмотроном. В плазмотрон постоянно подается плазмообразующий газ (например, аргон), который под действием разности потенциалов ионизируется.
Для получения плазмы используются два типа плазмотронов: дуговые (электродные) и индукционные (безэлектродные).
а) |
б) |
в) |
г) |
Рис. 2.23. Схематичное устройство плазмотронов: а – дуговых постоянного тока прямой полярности; б – дуговых переменного тока; в – дуговых комбиниро-
ванных; г – индукционных высокочастотных
Дуговые плазмотроны в свою очередь могут быть двух типов – косвенного и прямого действия постоянного и переменного тока. В литейном производстве получили распространение плазменные печи с дуговыми плазмотронами прямого действия постоянного тока прямой полярности
(см.рис. 2.23,а).
В печах с плазмотронами прямого действия образование плазмы происходит между плазмотроном и металлом, расположенным в печи. Такая схема работы плазмотрона, имеет наивысший к.п.д. (70-85%). Недостатком является постоянно изменяющееся расстояние между поверхно-
97
стью металла и соплом плазмотрона, что снижает стабильность работы плазмотрона.
Дуговые плазмотроны переменного тока (см.рис. 2.23,б) применяются в случае использования трехфазных сетей, чтобы обеспечивать равномерность нагрузки.
Для повышения стабильности горения переменного тока используются комбинированные плазмотроны. В данных плазмотронах основную дугу переменного тока прямого действия стимулируют вспомогательной маломощной дугой постоянного тока, горящей между электродом и со-
плом (см.рис. 2.23,в).
Принцип работы индукционных плазмотронов (ВЧ-плазмотронов) основан на поглощении в плазме энергии переменного электромагнитного поля частотой до 40 МГц. При этом температура плазменной струи дости-
гает 15000-20000 К.
а) |
б) |
в) |
Рис. 2.24. Схемы плазменно-дуговых печей: а – ванных; б – с переплавом расходуемого слитка в кристаллизатор; в – с переплавом расходуемого слитка в гарнисажный тигель; 1 – плазмотрон; 2 – водоохлаждаемый медный анод; 3 – рас-
ходуемый слиток; 4 – кристаллизатор; 5 – гарнисажный тигель
Плазменно-дуговые печи с дуговыми плазмотронами прямого действия, в зависимости от поставленных технологических задач плавки, по форме рабочего пространства могут быть (см.рис. 2.24):
-ванного типа, с переплавом в ней шихты;
-с переплавом расходуемого слитка в кристаллизатор;
-с переплавом расходуемого слитка в гарнисажный тигель.
98
Плазменно-дуговая печь ванного типа (см.рис. 2.24,а) по устройст-
ву подобна обычным дуговым печам постоянного тока. Только вместо электрода устанавливаются один или несколько плазмотронов. В подину печи также закладывается водоохлаждаемый медный анод. В отличие от дуговых печей плазменно-дуговые печи должны быть более герметичны.
Основным преимуществом плазменного нагрева является возможность управления составом газовой среды печи изменением состава подаваемого плазмообразующего газа. Кроме того, в данных печах можно создать широкий диапазон давлений – от 0,1 Па до 300 кПа.
Плазменные печи используются в основном для плавки тугоплавких высококачественных сплавов, высоколегированных сталей и жаропрочных сплавов.
Длина дуги горения в печи может достигать 1-2 м, что обеспечивает устойчивое горение вне зависимости от обвалов шихты и всплесков жидкой ванны.
Отсутствие углеродистых электродов исключает науглероживание металла и позволяет выплавлять низкоуглеродистые стали. Нейтральная атмосфера из аргона способствует очищению сплава от водорода и азота.
На рис. 2.24,б показана схема плазменно-дуговой печи для переплава расходуемого слитка в кристаллизатор. При переплаве в среде аргона производится рафинирование сплава. Поэтому в кристаллизаторе образуется отливка (слиток) с более высоким качеством сплава. В этой печи плазмотрон располагается сверху по центру, а расходуемый слиток сбоку.
На рис. 2.24,в представлена схема плазменно-дуговой печи для переплава расходуемого слитка в гарнисажный тигель, расплав из которого разливается в литейные формы. В данной печи предусмотрено боковое расположение плазмотронов и центральное расположение расходуемого слитка.
Следует отметить, что в плазменно-дуговых печах ванного типа большой емкости плазмотроны могут устанавливаться по периметру боковой стенки ванны (см.рис. 2.25).
99
Рис. 2.25. Плазменно-дуговая печь ванного типа с боковой установкой плазмотронов
Печи данной конструкции могут запитываться трехфазным током. В этом случае металл в ванне будет нулевой точкой в электрической схеме печи.
Введение в плазмообразующий газ плазмотрона (например, в аргон) молекулярно-восстановительных или окислительных газов (водорода, азота, кислорода) позволяет совместить процесс плавления металла с его рафинированием и дополнительной обработкой.
Применение дуговых плазмотронов с высоковольтной плазмой из молекулярно-восстановительных газов в рудно-термических печах может не только резко увеличить их производительность, но и качественно изменить технологический процесс. Например, применение водородных плазмотронов в карботермическом процессе восстановления тугоплавких металлов привело к исключению кокса из процесса восстановления, т.е. процесс стал водородотермическим. Причем во многоплазменных руднотермических печах (рис. 2.26) возможно совмещение восстановительного и рафинировочного процессов, например, для получения тугоплавких металлов. При этом необходимое энергосодержание восстановительного процесса (до 20 кВт·ч/кг) обеспечивается нагревом плазмообразующего газа – водорода до 5500-6000 К.
100