Печи / Моргунов Печи литейных цехов

Граничные условия четвертого рода характеризуются равенством тепловых потоков, проходящих через поверхность беззазорного контакта двух тел:

1.4. ОСНОВНЫЕ ТЕМПЕРАТУРНЫЕ РЕЖИМЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ПРИ РАБОТЕ ПЕЧЕЙ

Температура печи – это важнейший показатель ее тепловой работы. Выбор значений температуры печи зависит от вида и условий технологического процесса тепловой обработки материала. Прежде всего от конечной температуры нагрева материала (Тк) и температурного графика его нагрева ( ∂Т / ∂τ ). В зависимости от данных параметров нагрева материала в рабочем пространстве печи создается определенное значение разности температур (∆Т) между температурой поверхности материала и температурой печи. Эта разность температур определяется в основном исходя из соображений равномерности нагрева материала. Практически для сушильных печей ∆Т устанавливается в пределах 20-100К, для термических печей – 50-70К, для плавильных печей – максимально допустимая в режиме плавления.

В зависимости от заданной скорости нагрева материала температуру печи могут поддерживать постоянной или изменить во времени, могут поддерживать одинаковые ее значения по всему объему рабочего пространства или разные значения в разных точках рабочего пространства.

Известно, что скорость нагрева зависит от теплотехнических характеристик изделия. Исходя из их значений изделия подразделяются на термически "Тонкие" и термически "массивные". Такое условие разделе-

ния изделий производят по значению критерия Био (Bi).

Именно по значению критерия Био часто определяется скорость нагрева и, соответственно, выбор температурного режима печи (особенно в нагревательных печах).

Как правило, при назначении максимально возможной скорости нагрева тел (термически «тонких») в печах применяют одноступенчатый температурный режим нагрева, а при нагреве термически «массивных» тел в основном применяют многоступенчатый температурный режим нагрева.

21

1.4.1. Одноступенчатый температурный режим

При нагреве термически «тонких» тел для ускорения процесса нагрева, повышения производительности печи и снижения окисления можно выбирать такой температурный режим, где время нагрева было бы минимальным. Этому требованию удовлетворяет температурный режим печи, который характеризуется постоянством температуры печи либо во времени, либо по длине рабочей камеры (в зависимости от характера работы печи - периодического или непрерывного). Такой режим подразумевает только одну ступень нагрева и называется одноступенчатым (см. рис. 1.2) и соответствует граничным условиям 3-го рода. Данный режим нагрева,

при Тпечи = const, называется камерным режимом.

При одноступенчатом режиме нагрева материал помещается сразу же в среду с высокой температурой, поэтому скорость нагрева будет высокой. Это естественно будет вызывать перепад температур по толщине материала. Только термически «тонкие» тела позволяют производить нагрев с такой скоростью, т.к. в этих телах при нагреве возникают незначительные термические напряжения, которыми можно пренебречь.

Рис. 1.2. Одноступенчатый температурный режим работы печи

При данном режиме нагрева чем выше температура греющей среды

в печи, тем больше значение коэффициента теплоотдачи (αΣ ) к поверхности тела и тем меньше время нагрева. Однако, здесь следует отметить, что повышение коэффициента теплоотдачи влечет за собой увеличение числа Био. Это может привести к тому, что значение числа Био может выйти из области определения термически «тонких» тел. В данном случае, это же

22

тело, следует рассматривать как термически «массивное», которое нельзя нагревать, применяя одноступенчатый температурный режим.

«Массивные» тела нагревать при одноступенчатом температурном режиме можно лишь в том случае, когда температурная скорость нагрева по каким-то причинам не ограничивается (например, нагрев изделий из «мягких» сталей или плавка шихты).

1.4.2. Многоступенчатые температурные режимы

Многоступенчатые температурные режимы складываются из нескольких тепловых периодов: предварительного нагрева; интенсивного нагрева; выдержки при постоянной температуре; охлаждения и т.п. Каждый тепловой период характеризуется определенной скоростью нагрева (охлаждения) материала и соответственно определенными значениями температуры в печи.

Многоступенчатые температурные режимы применяются для нагрева термически «массивных» тел или для многоступенчатой термообработки отливок. Они могут применяться, как в печах периодического действия, так и в многозоновых печах непрерывного действия.

На практике часто используются двухили трехступенчатые температурные режимы.

Двухступенчатые температурные режимы работы используются

восновном двух видов:

-с замедленным режимом нагрева в 1-ом периоде с определенной температурной скоростью;

-с ускоренным режимом нагрева в 1-ом периоде.

Рис. 1.3. Схемы двухступенчатых температурных режимов работы печи:

а- с замедленным режимом нагрева в первом периоде;

б– с ускоренным режимом нагрева в первом периоде

23

В двухступенчатом температурном режиме с замедленным на-

гревом в 1-ом периоде (см. рис. 1.3а) температура печи повышается с определенной скоростью, что создает условия протекания нагрева при более-

менее постоянном тепловом потоке (Qпов = const). Это соответствует граничным условиям 2-го рода. Во втором периоде, для выравнивания температур поверхности и центра материала, температуру печи поддерживают постоянной (Тпечи = const – граничные условия 3-го рода).

В двухступенчатом температурном режиме с ускоренным нагревом (см. рис. 1.3б) в 1-ом периоде температуру печи поддерживают постоянной

(Тпечи = const), как при одноступенчатом режиме. Отличие состоит в том, что во втором периоде, для создания лучших условий выравнивания температур поверхности и центра материала, температуру печи уменьшают с определенной скоростью, добиваясь, чтобы Тпов = Тк = const (граничные условия 1-го ряда).

Трехступенчатый температурный режим печи позволяет осу-

ществить более эффективно нагрев «массивных» тел, для которых термические напряжения представляют значительную опасность. В первую очередь к ним относятся сложные массивные отливки (кокильные, непрерывного литья), которые отличаются высоким уровнем остаточных напряжений, а также изготовленные из сплавов с низкой теплопроводностью.

На практике в основном используются две разновидности трехступенчатого температурного режима работы печи.

Первая разновидность характеризуется: медленным повышением температуры печи в 1-ом периоде; постоянством температуры печи во 2-ом периоде; понижением температуры печи в 3-ем периоде нагрева (см. рис. 1.4).

Рис. 1.4. схема трехступенчатого температурного режима работы печи

24

Вторая разновидность характеризуется: замедленным повышением температуры печи в 1-ом периоде; более ускоренным повышением температуры печи во 2-ом периоде; постоянством температуры печи в 3-м периоде.

Применение той или иной разновидности трехступенчатого температурного режима зависит от условий техпроцесса нагрева отливок, в основном для определенного вида термообработки. Трехступенчатый температурный режим работы часто используется в термических печах с выдвижным (выкатным) подом.

Приведенные температурные режимы работы печей рассматривались с точки зрения эффективности нагрева «тонких» или «массивных» тел. Но в литейном производстве достаточно часто график изменения скорости нагрева материала назначается не с точки зрения более эффективного его нагрева, а с точки зрения поставленной технологической задачи (особенно при термической обработке отливок). Например, графитизирующий отжиг отливок из белого чугуна на ковкий (см. рис. 1.5).

Рис. 1.5. Схема температурного режима нагрева при графитизирующем отжиге отливок из белого чугуна на ферритный ковкий чугун

При полном графитизирующем отжиге получают ферритный (черносердечный) ковкий чугун. Типовой режим графитизирующего отжига состоит из пяти периодов:

25

-нагрев до температуры 1203-1243К (930-9700С), во время которого (П + Ц) превращается в (А + Ц);

-выдержка при данной температуре от 6 до 12 час для разложения цементита и образования в структуре (А + Г);

-охлаждение до температуры около 1033К (7600С), т.е. до температуры несколько выше начала эвтектоидного превращения, при этом матрица (А + Г) превращается в (П + Г);

-медленное контролируемое охлаждение со скоростью 5-8К/ч до температуры 973-993К (700-7200), при котором цементит перлита должен полностью разложиться на феррит и графит, т.е. образуется структура (Ф +

Г);

-окончательное охлаждение до заданной температуры выгрузки отливки из печи.

В данном процессе тепловой обработки скорость нагрева и охлаждения отливки определяется механизмом и кинетикой структурных преобразований сплава в отливке, а не ее теплотехническими характеристиками.

Еще раз следует отметить, что в печах непрерывного действия температура ее зон не изменяется во времени, а в печах периодического действия она циклически изменяется во времени.

1.5. ОСНОВНЫЕ РЕЖИМЫ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЕ ПЕЧЕЙ

В зависимости от способа теплогенерации и условий теплообмена различают несколько режимов теплообена при тепловой работе печей: конвективный, радиационный, слоевой и внутренний. Очень часто именно режим теплообмена определяет конструктивнотехнологическое оформление пространства печи.

1.5.1. Конвективный режим теплообмена

Конвективный режим характеризуется преимущественным конвективным теплообменом и обязательным движением теплоносителя (печной атмосферы) в ее рабочем пространстве. Передача теплоты излучением при данном режиме выражена слабо и может быть учтена с помощью поправочного коэффициента к конвективному коэффициенту теплоотдачи.

Конвективный режим свойственен только низкотемпературным печам, в которых температура теплоносителя не превосходит 873К (6000).

Роль конвективного режима тепловой работы возрастает в печах, где нагреваемые изделия распределены по всему их рабочему объему, а также в печах, где происходит нагрев изделий, поверхность которых имеет

26

достаточно низкую степень черноты (ε < 0,4), что присуще, например, цветным сплавам. В первом случае изделия, подвергаемые нагреву взаимно экранируются от излучающей составляющей тепловой энергии, что почти исключает ее роль в общем теплообмене. Во втором случае, из-за малого значения степени черноты, незначительна поглощающая способность лучистой составляющей теплового потока. Это также снижает роль радиационной составляющей в общем теплообмене.

В печах с конвективным режимом работы стремиться достичь развитого движения печных газов в рабочем пространстве, их циркуляцию и часто, рециркуляцию. Этим обеспечивается:

-увеличение теплового потока к поверхности материала и равномерное его распределение по ней;

-более равномерный нагрев материала;

-повышение теплового к.п.д. печи.

На рис. 1.6. показана схема печи для сушки литейных форм, работающей по конвективному режиму теплообмена с циркуляцией и рециркуляцией печных газов.

Рис. 1.6. Схема печи с конвективным режимом тепловой работы: 1 – нагреваемое изделие; 2 – экран; 3 – поток теплоносителя; 4 – поток отработанных печных газов

Конвективный тепловой режим работы применяется в печах, где теплоносителем служит жидкая среда (например, солевые ванны). Только в этом случае необходимо обеспечивать преобладание конвективного теплообмена над теплообменом посредством теплопроводности. Это достигается интенсивным движением теплоносителя в печи.

27

1.5.2. Радиационный режим

Радиационный режим тепловой работы печи характеризуется преимущественным радиационным теплообменом. Данный режим реализуется в печах при температуре выше 873К (6000). Источником теплового излучения могут быть: горящий факел и раскаленные продукты сгорания топлива; электрическая дуга или низкотемпературная плазма; раскаленный электрический нагревательный элемент (сопротивление); раскаленная футеровка печи; раскаленные радиационные нагревательные трубы и т.д.

В топливных печах при радиационном режиме тепловой работы большое значение имеет степень черноты пламени (εп). При малых значениях εп тепловой поток от пламени (продуктов сгорания) невелик. Поэтому для увеличения теплового потока необходимо увеличивать степень черноты пламени (εп). Для повышения εп пламени в печах применяют следующие два способа:

-увеличивают толщину слоя пламени над материалом (т.е. увеличивают свободное пространство печи);

-производят естественную или искусственную карбюризацию пламени (вдувают угольную пыль в пламя; подают природный газ в пламя, где

он диссоциирует на сажистый углерод и Н2).

Увеличение толщины слоя пламени (раскаленных газов) повышает

его εп, однако это ведет к нерациональному увеличению высоты рабочего пространства печи. Здесь также следует отметить, что повышение слоя пламени приводит к экранированию теплового потока от раскаленной футеровки к поверхности материала. Поэтому применение карбюризации пламени, с точки зрения повышения значения теплового потока к материалу, предпочтительнее, чем увеличение толщины слоя пламени.

Радиационный режим тепловой работы печи, в зависимости от основной направленности теплового потока в рабочем пространстве от источника теплового излучения, подразделяется на три разновидности (см.

рис.1.7):

- с равномерно распределенным радиационным теплообменом

(Qм = Qф);

- с направленным прямым радиационным теплообменом

(Qм > Qф);

- с направленным косвенным радиационным теплообменом

(Qм < Qф);

28

энергия от источника теплоты передается оболочке (футеровке) печи, которая ее аккумулирует.

После раскаления внутренней поверхности оболочки она начинает интенсивно излучать тепловую энергию на поверхность нагреваемого материала. В технической литературе такие печи получили название «отражательные» печи. Но этот термин не выражает сущности печи, т.к. футеровка печи не отражает тепловую энергию, а излучает часть аккумулированной тепловой энергии.

Впламенных печах раскаленные продукты сгорания имеют относительно низкую излучательную способность, т.к. тепловое излучение газов селективно (избирательно). В основном теплоизлучающей способно-

стью обладают только трехатомные газы (СО2, Н2О и т.п.). При применении направленного косвенного радиационного теплообмена футеровка печи трансформирует (преобразует) селективное аккумулированное тепловое излучение газов в сплошное тепловое излучение, направленное от поверхности футеровки на нагреваемый материал. Такая форма теплообмена стабилизирует тепловой поток к нагреваемому материалу и приводит к более равномерному его нагреву.

Впечах с направленным косвенным радиационным режимом работы большое значение имеет степень развития свободной поверхности оболочки (футеровки) рабочего пространства ϖ :

где Fф – Площадь свободной внутренней поверхности футеровки рабочего пространства печи (м2);

Fм – площадь тепловоспринимающей поверхности нагреваемого материала (м2).

Чем больше значение степени развития футеровки рабочего пространства печи, при данном радиационном режиме тепловой работы, тем выше значение теплового потока к поверхности материала.

На рис. 1.8. представлены схемы расположения газогорелочных устройств в топливных печах при различных радиационных режимах их тепловой работы.

30