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.
1. 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 изменении 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.
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.
При использовании электрических печей для нагрева деталей и заготовки существенно облегчается регулирование теплового режима, резко возрастает точность соблюдения заданной температуры в печи и обеспечивается высокая степень равномерности нагрева всех изделий, находящихся в печной камере. Кроме того, электронагрев позволяет осуществить при необходимости местный нагрев отдельных участков изделия, а так же нагрев поверхности (для поверхности закалки). Рабочая камера электрической печи может сравнительно легко герметизирована, что позволяет широко применять нагрев в защитных или специальных атмосферах или в вакууме.
Чистота, хорошие условия труда в цехах, оборудованных электрическими печами, отсутствие отходящих дымовых газов, что резко повышает тепловую эффективность работы электрических печей и упрощает их конструкции по сравнению с топливными, являются также очень существенными преимуществами электрического нагрева.