Контрольная работа по "Материаловедение и технология материалов"

Вопрос 5.

Нагревательные печи и электронагревательные устройства для подготовки металла под пластическую деформацию.

Печь нагревательная – [reheating furnace] — печь для нагрева металлических слитков или заготовок (без изменения их агрегатного состояния) перед пластической деформацией. Рабочая температура нагревательных печей для цветных металлов 500-950°С, для стали 1350-1500°C, для тугоплавких металлов 1700-1900°C. Нагревательные печи могут быть периодическими (камерные, нагревательные колодцы) или непрерывного действия (проходные, методические, кольцевые, карусельные, конвейерные и др.), топливные или электрические. В черной металлургии для нагрева перед прокаткой на блюмингах и слябингах применяют нагревательные колодцы. Заготовки для прокатки сорта и листа нагревают в методических печах (в частности, в печах с шагающим подом). В трубо- колесопрокатном производстве заготовки круглой формы нагревают в кольцевых печах. Прокатные цехи заводов цветной металлургии также оснащены толкательными печами, а также печами с шагающим подом (или балками)."

Промышленные нагревательные печи применяются в черной и цветной металлургии для разогрева заготовок перед ковкой, прокатом или прессованием. Нагревательные печи различаются своей конструкцией, температурным режимом и способом загрузки слитков. В качестве источника энергии используется электричество, мазут или природный газ. В зависимости от метода загрузки заготовок, печи бывают периодические и непрерывные.

В периодические печи одновременно загружается определенное количество слитков, которые в процессе нагрева остаются неподвижными. За тем слитки выгружаются и отправляются на дальнейшую обработку, в то время как их место занимает следующая партия. К такому типу относится камерные печи.

В печах непрерывного цикла заготовки находятся в постоянном движении относительно источника тепла. Это позволяет обеспечить высокую производительность при относительно малых размерах печи. К данному типу относятся методическая, карусельная и конвейерная печь.

В камерной нагревательной печи слитки остаются неподвижными во время их нагрева. В зависимости от особенностей конструкции камерные печи бывают следующих видов:

- вертикальная печь - заготовки  в процессе нагрева, а также  при загрузке и выгрузки находятся  в вертикальном положении. Применяется  при изготовлении узких и длинных  изделий.

- Колпаковая печь - изделия нагревается при помощи располагающегося над ними подвижного колпака. Данная конструкция используется для нагрева изделий листового проката.

- Нагревательный колодец - представляет собой печь с  вертикальной загрузкой и имеет  сверху люк, через который загружаются  заготовки, удерживаемые специальным  устройством с механическим захватом.

В зависимости от используемого режима, камерные печи бывают с постоянной и изменяемой температурой. Печи с изменяемой температурой применяют в том случае, когда необходимо получить заданные свойства металла при помощи определенного температурного режима. Все заготовки должны пройти полный цикл нагрева и последующего остывания, поэтому они загружаются и выгружаются одновременно. Для наиболее точного изменения температуры в качестве источника энергии используется электричество. Печи с постоянной температурой работают на природном газе или мазуте и используются для одновременного нагрева нескольких заготовок, при этом загружать и выгружать их можно по отдельности.

В методической нагревательной печи заготовки находятся в постоянном движении относительно источника тепла. Для того чтобы обеспечивает равномерный процесс нагрева, и предотвратить образование механических напряжений в металле, заготовки последовательно проходят 3 зоны:

I. Методическая зона –  осуществляется предварительный  разогрев слитков.

II. Зона сварки - слитки  нагреваются до заданной температуры.

III. Томительная зона - происходит  равномерное распределение тепловой  энергии по заготовке, перед тем  как подвергнуть ее обработке.

В зависимости от размера заготовок, зоны могут иметь свои особенности. При большом сечении слитков зона сварки состоит из нескольких секций, каждая из которых имеет отдельный источник, или несколько источников тепла для того, чтобы полностью прогреть заготовку. В небольших слитках распределение тепловой энергии происходит моментально, соответственно зона томления не требуется. В качестве источника энергии применяется газ или жидкое топливо. Нагрев осуществляется при помощи форсунок, расположенных в стенках сварочной зоны.

Промышленные газовые нагревательные печи используются во многих отраслях промышленности. Они являются важнейшим звеном технологического цикла в таких областях производственной деятельности, как металлургия, машиностроение, стекольная и керамическая промышленности, а также при изготовлении блочных стройматериалов.

НПП "Теплоограждение" производит нагревательные печи всех видов. Цены на такой вид продукции высылаются по запросу.

Электронагревательные устройства делятся на контактные и индукционные. При контактном электронагреве заготовка зажимается между медными контактами и через нее пропускают ток большой силы. Нагрев происходит за счет выделения тепла в результате омического сопротивления заготовки.

Индукционный нагрев осуществляют на установках ТВЧ. Заготовка помещается в индуктор, по которому пропускают ток высокой частоты. Индуктируемый в заготовке ток нагревает ее до требуемой температуры.

Электронагрев обеспечивает высокую скорость нагрева, удобство регулирования температуры, почти полное отсутствие угара металла, возможность автоматизации подачи и выдачи заготовок.

) Нагревательные устройства. Нагрев заготовок перед обработкой давлением осуществляется в пламенных и электрических печах и электронагревательных устройствах. Пламенные печи являются наиболее распространенными. В них нагревают как мелкие заготовки, так и крупные слитки весом до 300 т. Пламенные печи работают на твердом (в том числе и пылевидном), жидком и газообразном топливе. Наиболее совершенными в отношении регулирования и получения минимальных потерь от физической и химической неполноты горения являются печи, работающие на газообразном топливе, и электрические печи.

Сжигание жидкого топлива осуществляется при помощи форсунок, которые обеспечивают хорошее смешивание топлива с воздухом и его распыление. Для сжигания газообразного топлива применяют газовые горелки, которые как и форсунки обеспечивают хорошее смешивание топлива с воздухом перед сжиганием. Сжигание пылевидного топлива производят с помощью горелок, имеющих специальные устройства, в которых угольная пыль посредством шнека и воздуха подается к горелке, а последняя обеспечивает хорошее смешивание воздуха с пылью путем завихрения пылевоздушного потока. Применение твердого топлива не желательно, так как сильно загрязняется печное отделение и к тому же невозможно регулировать температуру печи. Печи, работающие на твердом топливе, громоздки, поскольку для сжигания топлива необходима специальная топка. При сжигании топлива в пылевидном состоянии необходимы значительные затраты энергии и средств на размол топлива.

Нагревательные пламенные печи по конструкции и характеру распределения температур в рабочем пространстве печи делятся на камерные, в которых температура по всему рабочему пространству одинакова, и методические, у которых температура в рабочем пространстве повышается от загрузочного окна к окну выдачи нагретых заготовок.

Высокая температура в рабочей камере печи (1400-1500° С) достигается применением высококалорийного топлива и подогретого воздуха в рекуператорах. Горелки или форсунки в этих печах располагаются как над нагреваемыми заготовками, так и под ними.

При нагреве крупных заготовок в камерных печах для облегчения их загрузки и выгрузки применяют различные загрузочные механизирующие устройства, машины или печи с выдвижным подом и со съемным сводом.

Для уменьшения отхода на окалину применяют печи с использованием нейтральных или защитных атмосфер, составляющие которых не вступают в реакцию с нагреваемым металлом.

Разновидностью камерных печей являются нагревательные колодцы, которые находят применение в прокатных цехах для нагрева слитков, часто поступающих из сталелитейных цехов в горячем состоянии. Колодцами эти печи называют потому, что слитки в них загружают сверху и устанавливают вертикально, а сами печи чаще выкладываются в земле. Использование тепла горячих (неостывших) слитков обеспечивает экономию топлива

В камерные печи обычного нагрева заготовки загружают через определенные промежутки времени (периодически) партиями. При очередной загрузке температура в рабочей камере печи понижается тем резче, чем крупнее и легированные стальные заготовки, затем температура постепенно повышается и достигает заданной.

Для нагрева концов штанг и прутков (при работе на горизонтально-ковочных машинах) применяют щелевые печи, загрузочным окнам которых придают вид щели.

Муфельные печи имеют герметически закрывающийся ящик, называемый муфелем, который загружают металлом; нагревание его осуществляется без доступа воздуха и газов. Такой способ нагрева применяют как для стали, так и для специальных сплавов в целях исключения образования окалины.

Безокислительный нагрев стальных и других заготовок, кроме муфельных печей и печей с использованием нейтральных или защитных атмосфер, производят в специальных печах барабанного типа. В барабан печи заливают расплавленное стекло слоем толщиной 100 мм. Из примыкающей подогревательной камеры в барабан печи подаются заготовки, подогретые до 600°C, где они покрываются слоем стекла, которое предохраняет заготовки от дальнейшего окисления, а если заготовка уже была окислена, то окалина растворяется в расплавленном стекле. Нагретые таким способом заготовки на поверхности имеют тонкий слой стекла, который удаляют механическим способом. Нагрев в стекле протекает без риска пережога металла.

Методические печи имеют вытянутую форму. Длина этих печей в шесть и более раз превышает ширину. Температура в таких печах понижается в направлении движения пламени к загрузочному окну. В методических печах производится непрерывная выдача нагретых заготовок, методичный (постепенный) нагрев и лучшее использование тепла, образовавшегося при сгорании топлива, газов. Чем печь длиннее, тем полнее теплоиспользование. При выходе из методической печи отходящие газы имеют более низкую температуру, чем в камерных печах, поэтому эти печи экономичнее камерных.

Рабочее пространство методических печей разделено на две различные по величине части: большую, так называемую подогревательную камеру , и меньшую - со стороны топочных устройств, называемую нагревательной камерой. Заготовки поступают вначале в подогревательную камеру и продвигаются по поду печи, постепенно нагреваясь, затем попадают в нагревательную камеру, где нагреваются до требуемой температуры. Выдача заготовок производится через окна на торце или в боковых стенках нагревательной камеры.

Продвижение заготовок по поду печи осуществляется чаще всего с помощью механического толкателя.

Переходной конструкцией от камерной печи к методической является полуметодическая печь. Длина этой печи более ширины в 4-5 раз. В ней, как и в методической печи, нагревают заготовки, форма которых удобна для продвижения через печь. Эти печи обслуживают прокатное и штамповочное оборудование высокой производительности. Такие печи иногда обеспечиваются механизмом подачи заготовок от печи к обрабатываемой машине. В этом случае заготовка по мере продвижения по поду печи достигает отверстия , проваливается в него, попадая на заслонку , которая под тяжестью заготовки или посредством пневматического цилиндра открывается, и заготовка падает на транспортер , подающий заготовки, например, к штамповочной машине.

Для нагрева заготовок применяют печи с вращающимся подом (карусельные). Печь кольцевого типа представляет собой как бы свернутую в кольцо узкую длинную методическую конвейерную печь. Эти печи позволяют в широких пределах регулировать желаемый режим нагрева металла путем изменения скорости вращения пода, расположения горелок и подачи топлива. Нагрев металла в этих печах протекает быстрее и равномернее, так как заготовки на поду печи укладываются на некотором расстоянии одна от другой. Угар металла при нагреве в этих печах меньше, чем в печах с толкателем заготовок по поду, поскольку в последних заготовки укладываются вплотную друг к другу и требуется большее время нагрева и, кроме того, при продвижении заготовок в печи сбивается окалина и происходит повторное ее образование.

Более совершенными считаются печи, использующие тепло отходящих газов, так называемые, регенеративные и рекуперативные печи.

Регенеративные печи с помощью регенераторов используют тепло отходящих газов для подогрева воздуха и газа (в газовых печах), поступающих в печь.

В рекуперативных печах осуществляют подогрев только воздуха, поступающего в печь для горения. Потоки отходящих газов и нагреваемого воздуха в рекуператорах непрерывны и осуществляются каждый по своему каналу, причем движение воздуха идет навстречу движению печных газов. Газы нагревают стенки рекуператора с одной стороны, а воздух отнимает тепло с другой.

Применение рекуператоров и регенераторов повышает к. п. д. всех печей. В методических регенеративных печах к. п. д. может быть доведен примерно до 40%, а в простых камерных печах он обычно не превышает 12%.

Электрические печи сопротивления применяют чаще всего для нагрева цветных металлов и сплавов, реже для нагрева стали, так как температурный интервал штамповки, например алюминия, находится в пределах 475-400°C, т. е. в пределах температур, постоянство которых в пламенных печах поддерживать значительно труднее, чем постоянство температур штамповки стали. В качестве электронагревателей в электропечах служат металлические нагреватели в виде ленты или проволоки, изготовленные из хромоалюминиевых или хромоникелевых сплавов, которые ввиду небольшой их стойкости применяют для температур ниже 1200° С. Для высоких температур (1300° С) применяют стержни (силитовые и глоборовые), изготовленные из карбида кремния. Нагревательные элементы чаще всего размещаются на боковых стенках печи.