Особенности нагревательных печей

Введение

Промышленной печью называется устройство, где химическая энергия топлива, электроэнергия или другие виды энергии превращающиеся в тепло, под действием которого совершаются технологически необходимые превращения обрабатываемых материалов или изменения их свойств. При этом имеется в виду, что обработка материалов ведется в промышленных масштабах .Если в печах обрабатывается малые количества  материалов в опытных целях, такие печи называют лабораторными или полупромышленными. В случаях, когда выделяющееся в печи тепло расходуется для бытовых нужд (обогрева помещений, приготовление пищи и т.п.), печь называется бытовой.

Особенности нагревательных печей

Разнообразие печей, обусловленное их технологическими назначениям и особенностями  конструкции, чрезвычайно велико. Печи широко применяют в топливоперерабатывающей, металлургической, машиностроительной, химической и пищевой промышленности.

В производстве строительных материалов и других отраслях производства. Печи предназначаются для: 1) разделения или синтеза веществ; 2) воздействие на строение материала (макро- и микроструктуру) с целью получения желательных свойств; 3) придание материалу пластичности или текучести для изменения его формы.

Обычно печь выполняет несколько технологических функций. Так, в мартеновской печи. Наряду с окислением примесей и восстановлением железа, может производиться легирование стали, в расплавленное состояние металла используется, чтобы придать ему желательную форму.

Особенно своеобразны и наиболее трудно поддаются расчету тепловые процессы, происходящие при изменение агрегатного состояния или химического состава основной массы обрабатываемых материалов.

Это обусловлено рядом причин (в разных случаях не одних и тех же): неодинаковым по ходу процесса поглощением или выделением теплоты превращений, сложностью распределения температур в обрабатываемых твердых телах, непостоянством размеров и формы тел, изменчивостью условий теплообмена (например, при слоевых процессах или при плавлении материала) и т.д.

В то же время можно выделить группы печей различного технологического назначения, обладающих большим сходством, как по условиям своей работы, так и по конструкции. Например, могут быть объединены печи для нагрева металлов и кирпичеобжигательные печи. В таких печах, которые можно назвать нагревательными, тепло передается обрабатываемым твердым материалом с целью получения структуры, обеспечивающей заданные физические и рабочие свойства, или придания структуры, обеспечивающей заданные физические и рабочие свойства,

Или придания этим материалом пластичности , необходимой для последующей механической обработки. В том и другом случае не происходит существенных изменений химического состава, формы и размеров изделий при их нагреве. Нагревательные печи характеризуются наличием свободного,  т.е незанятого нагреваемыми изделиями объема рабочего пространства, которое необходимо для развития процесса горения и переноса тепла движущимися газами. Однако некоторые нагревательные печи, особенно низкотемпературные, могут иметь топки, расположенные вне рабочего пространства, или электрические нагреватели. В этих печах промежутки между стенками и изделиями, а также между последними служат для прохода теплоносителей ( продуктов горения, воздуха или иных, например, защитных газов) и для осуществления лучистого теплообмена.

Классификация печей

Все промышленное оборудование можно разделить на три большие группы: энергетическое, технологическое и вспомогательное. Энергетическое оборудование предназначено для получения рабочего вида энергии из другой энергии без изменения ее вида. Назначением технологического оборудования является использование с максимально возможным коэффициентом  полезного действия (к. п. д.) рабочего вида энергии для осуществления какого-либо технологического процесса. К вспомогательному относится такое оборудование, работа которого не связана в явном виде с получением, преобразованием или использованием энергии.    

 Металлургические печи  относятся к технологическому  оборудованию. Рабочим видом энергии  служит тепло. Основным назначением  печей как технологического оборудования  является создание таких тепловых  условий, которые бы обеспечили  наиболее благоприятное протекание  технологического процесса в  рабочем пространстве печей.

При работе всех печей можно выделить с теплотехнической точки зрения два основных процесса: генерацию (получение) тепла и перенос тепла от источника к генерации, для других – процесс переноса тепла. Исходя из этого, различают три большие группы, объединение печи - теплогенераторы; печи теплообменники; печи смешанного типа. К печам - теплогенараторам относят все печи, в которых возникновение тепла происходит в самом материале, подвергаемом тепловой обработки. В этих печах отсутствует процесс переноса тепла из какой-то другой зоны печи к нагреваемому материалу, поскольку тепло выделяется внутри самого материала, и поэтому тепловым процессом для них является генерация тепла. Примером печей – теплогенераторов могут служить конверторы для получения стали из чугуна. Такие как: индукционные нагревательные и плавильные печи, конверторы для переработки медных, медноникелевых и никелевых штейнов для получения черной меди. Печи кипящего слоя для обжига сульфидов цветных металлов и др. В печах-теплообменниках тепло выделяется вне обрабатываемого материала и передается к нему благодаря протеканию таких процессов передачи тепла, как конвекция, излучение и теплопроводность. В этих печах основным является процесс теплообмена, поскольку теплообмен целиком определяет протекание технологического процесса. К печам-теплообменникам относят большое число печей для плавления металлов и сплавов, печей для нагрева изделий под прокатку, ковку, штамповку, т. е под операции пластической деформации, а также печи для нагрева под термообработку ( отжиг, отпуск, нормализация, закалка) и др.

К группе печей смешанного типа принадлежит такие печи, в которых процессы генерации и переноса тепла имеют одинаковое важное значение. Примером таких печей служит современная мартеновская печь, работающая с продувкой ванны кислородом. Наряду с переносом тепла к ванне от факела, который в данном случае является источником тепловой энергии, внутри самой жидкости ванны происходит выделение тепла при окислении таких примесей, как углерод, кремний, марганец, а так же при окислении части железа, что является, конечно, недостатком мартеновских печей, работающих с продувкой ванны кислородом. Как было отмечено выше, рабочим видом энергии является тепловая энергия (тепло), с точки зрения теплотехники не имеет значения источник получения тепла. Тепло может быть получено за счет сжигания газообразного, жидкого и твердого топлива (топливные печи); в тепло может быть превращена электрическая энергия (электрические печи – дуговые, индукционные, и электроннолучевые, печи сопротивления, установки диэлектрического нагрева и др.), а также атомная энергия солнечного излучения (солнечные печи). По технологическому назначению металлургические печи делят на плавильные и нагревательные.

Плавильные печи предназначены для получения из руд металлов и сплавов заданных свойств, а также для переплавки металлов и сплавов с целью изменения их свойств. Эти процессы всегда сопровождаются переходом материала из твердого состояния в жидкое, т.е изменением агрегатного состояния. Плавильные печи в свою очередь подразделяют на чугуноплавильные, сталеплавильные, печи для плавки цветных тяжелых и легких материалов и т.д.

Печи, предназначение для проведения в них определенных технологических операций, могут классифицироваться по конструктивным признакам. Например, нагревательные печи для нагрева перед прокаткой подразделяют на нагревательные колодцы, методические печи, печи, с вращающим подом, секционные печи скоростного нагрева и т.д.

Топливные печи группируют по виду применяемого топлива. Например, сталеплавильные мартеновские печи могут быть газовыми (топливо - природный газ), мазутными (топливо – мазут) или газомазутными (топливо – природный газ плюс мазут).

Электрические печи классифицируют по способу превращения электрической энергии в тепловую: дуговые печи, печи сопротивления, индукционные печи и др. В нагревательных печах обрабатываемый материал не изменяет своего агрегатного состояния (нагревательные, сушильные, обжиговые печи). Нагревательные печи применяют для нагрева материалов с целью обжига (известняка, магнезита, огнеупорных материалов, сульфидов цветных металлов и т.д.), сушки (литейных форм, песка, руд, концентратов и т.д.). Большая группа нагревательных печей служит для нагрева металла с целью придания ему пластических свойств перед прокаткой, ковкой, штамповкой, прошивкой. Нагревательные печи применяют также для нагрева металла с целью изменения внутренней металлографической структуры и, следовательно, свойств (термообработка),а так же для нагрева под термохимическую обработку.

По способу утилизации тепла отходящих дымовых газов печи подразделяют на регенеративные (мартеновские печи, регенеративные нагревательные колодцы) и рекуперативные (рекуперативные нагревательные колодцы,  методические печи и др.).

Таким образом, все отмеченные выше несомненные достоинства электрических печей не означают, что электрификация термических процессов в черной металлургии является целесообразной абсолютно во всех случаях. Во многих процессах, когда применение электрической энергии не вызывается технологической или теплотехнической необходимостью, технико-экономические показатели оказываются лучшими при использовании топливных установок.

Индукционные печи

Поскольку в этих печах тепло выделяется внутри зоны технологического процесса, внешний теплообмен в них практически отсутствует, и они являются печами - теплогенераторами. Индукционные печи применяются для плавления черных и цветных металлов и сплавов, нагрева с целью термической  обработки стальных изделий. Эти печи начинают использовать для нагрева металла перед прокаткой и ковкой.

Установки электро-лучевого нагрева.

В этих условиях электрическая энергия превращается в тепло за счет столкновения ускоренного потока электронов с поверхности расплавляемого металла. Такие установки применяют для вакуумного переплава особо чистых металлов и сплавов, так как в этих печах отсутствуют источники загрязнения металла (электроды или футеровка), свойственные другим электроплавильным устройствам.

К другим классификационным признакам относят режим работы электрических печей. По этому признаку печи разделяют на камерные или непрерывные (методические).

Зависимости от осуществляемого технологического процесса печи могут быть разделены на плавильные и нагревательные.

Общим для конструкции всех электрических печей является то, что все они состоят из двух основных частей: собственно печи, т.е. рабочей камеры, где происходит технологический процесс, и электрического оборудования включающего тот или иной преобразователь электроэнергии (трансформатор, высокочастотный генератор), а также пусковые, распределительные, защитные и сигнальные устройства. Для вакуумных печей свойственна еще одна (третья) важная часть конструкции: вакуумное оборудование, с помощью которого создается и поддерживается необходимое разрешение в рабочей камере.

Классификация печей по принципу тепловыделения.

Тепловыделение в печах представляет собой процесс превращения какого-либо вида энергии в тепловую энергию. Источниками получения тепла является химическая энергия топлива (топливные печи), химическая энергия жидкого металла, электрическая энергия.

Превращение химической энергии топлива в тепловую происходит в результате сгорания топлива в топливных печах. В черной металлургии к таким печам относят пламенные печи и печи, работающие по слоевому режиму (шахтные печи). Рабочее пространство пламенных печей только в очень малой степени заполнено обрабатываемым материалом, который обычно располагается  на поду. Основная часть рабочего пространства  заполнена пламенем и раскаленными дымовыми газами, передающие тепло материалу. Подобные печи работают на газообразном, жидком и иногда пылевидном твердом топливе.

В шахтных печах все рабочее пространство заполнено сыпучими материалами, в состав которых входит и сжигаемое кусковое твердое топливо. При сгорании кусков топлива образуются продукты сгорания, и выделяется тепловая энергия, которая передается материалу излучением, конвекцией и теплопроводностью. В этих печах расстояние между кусками и поверхность теплообмена практически неопределенны.

Превращение химической энергии металла в тепловую происходит при выгорании примесей, находящихся в состава жидкого металла. В этих агрегатах, представителями которых являются конверторы, процесс тепловыделения происходит непосредственно в материале, и поэтому органически сочетаются с технологией; при этом выделяющиеся тепло равномерно распределяется по всей массе жидкого металла.

Существуют и такие печи. В которых тепловыделение обусловлено химической энергией топлива и химической энергией жидкого металла. К таким печам относят мартеновские и двухванные печи. В этих печах топливо сгорает над ванной металла, т.е. идут процессы, присущие пламенным печам. Вместе с тем в металлической ванне происходит выгорание примесей, сопровождаемое выделение тепла. Причем очень существенным (в некоторые периоды плавки выделение тепла за счет химической энергии жидкого металла может иметь решающее значение).

 

В основе превращения электрической энергии в тепловую могут лежать следующие принципы:

Тепловыделение при прохождении электрического тока через газ;

Тепловыделение при воздействии электрического тока через газ;

Тепловыделение при прохождении электрического тока на магнитное поле и создание вихревых токов в металле;

Тепловыделение при перемагничивании и поляризации диэлектриков;

Тепловыделение при прохождении электрического тока через твердое (иногда и жидкое) тело, обладающее электропроводностью;

Тепловыделение за счет кинетической энергии электронов.

Перечисленные принципы теплогенерации лежат в основе следующих групп печей и установок: 1-й – дуговых и плазменных печей, 2-й – индукционных печей, 3-й – установок диэлектрического нагрева, 4-й – печей сопротивления, 5-й – электроннолучевых печей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Применение электрического нагрева и его особенности

Электрические печи получают все более широкое распространение во многих отраслях промышленности и особенно металлургии. Электронагрев используется здесь для расплавления металлов и сплавов, восстановление металлов из руд, нагрева различных изделий и заготовок.

Электрические печи позволяют в ряде случаев осуществить процессы, которые невозможно было бы провести в топливных печах, не говоря о многих других существенных достоинствах электрического нагрева. Так, получению качественных сталей в электропечах способствует легкость регулирования теплового режима.  Минимальный угар легирующих элементов и возможность создания малоокислительной или слабовосстановительной атмосферы. Легирование стали некоторых марок вообще можно получать исключительно в электрических печах. Ферросплавы, широко применяющиеся в современном производстве наиболее эффективно осуществляется в мощных дуговых печах. Где концентрируются выделение большого количества тепла в сравнительно малом объеме. Плавка высокореакционных и тугоплавких металлов (титан, молибден, вольфрам и др.) и сплавов на основе ведется исключительно в электрических дуговых вакуумных печах или электронно-лучевых установках.