Лекция № 14. Классификация нагревательного оборудования.

Классификация печей. Классификация печей по принципу теплогенерации. Тепловыделение в печах представляет собой процесс превращения какого-либо вида энергии в тепловую энергию.

Источниками получения тепла являются: а) химическая энергия топлива (топливные печи); б) химическая энергия жидкого металла или шихты; в) электрическая энергия.

Превращение химической энергии топлива в тепловую энергию происходит в результате сгорания топлива в так называемых топливных печах. В металлургии к таким печам относятся пламенные печи и печи, работающие по слоевому режиму. 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, передающими тепло материалу. Подобные печи работают на газообразном и жидком топливах.

Сжигание топлива в печах, работающих по слоевому режиму, обычно применяют при обработке кускового материала. Чаще всего оно осуществляется в вертикальных (шахтных) печах, где материал либо распределяется по всему объему и раскаленные газы проходят между его кусками, либо частицы его распределены в газообразном теплоносителе. Для слоевого режима работы печей характерно тесное переплетение всех трех видов теплопередачи (тепловое излучение, конвекция, теплопроводность). Разделить их часто не представляется возможным.

Известны три разновидности слоевого режима: с плотным, кипящим и со взвешенным слоем обрабатываемого материала. В печах с плотным (фильтрующим) слоем шихта, в состав которой может входить и твердое кусковое топливо, расположена плотным слоем по всему объему печи и медленно продвигается вниз. Горячие газы - продукты сгорания топлива - проходят через слой между отдельными его кусками.

Это наиболее распространенный режим работы слоевых печей. Он характерен для шахтных печей, широко распространенных в металлургии. В печах с кипящим слоем слой под динамическим действием газов находится в разуплотненном состоянии и энергично перемешивается. В таких печах может выгорать как размельченное топливо, так и горючие компоненты, содержащиеся в обрабатываемой шихте. Иногда вместе с воздухом подают газообразное топливо. Широкое использование печи с кипящим слоем получили в цветной металлургии для обжига сульфидных концентратов различных металлов, для сушки и кальцинации глинозема.

В печах со взвешенным слоем обрабатывают материалы, доведенные до пылевидного состояния. При этом мелкие частицы материала отделены друг от друга газовой прослойкой и, будучи, «взвешены», движутся вместе с ним. Применяют размолотое твердое и газообразное топливо. В печах цветной металлургии широко используется тепло сгорания серы при плавке сульфидов цветных металлов. Как в черной, так и в цветной металлургии широко распространены печные агрегаты, в которых источником получения тепловой энергии является процесс выгорания элементов, содержащихся в обрабатываемом металле или в проплавляемой шихте. В черной металлургии таким основным элементом является углерод, который выжигается из чугуна при производстве стали в конвертерах. В цветной металлургии широко распространены процессы получения металлов из сульфидного сырья, в котором основным горючим элементом является сера. Выжигание серы является основным процессом теплогенерации в автогенных процессах, протекающих в жидкой ванне.

Во всех этих агрегатах процесс теплогенерации происходит непосредственно в материале или в объеме, заполненном размельченной шихтой, и поэтому органически сочетается с принятой технологией, причем выделяющееся тепло равномерно распределяется по всей массе обрабатываемого материала. Существуют и такие печи, в которых тепловыделение обусловлено и химической энергией топлива, и химической энергией жидкого металла. К таким печам, занимающим промежуточное положение между топливными печами и конвертерами, относят мартеновские печи. В этих печах топливо сгорает над ванной металла, пламя и раскаленные газы также находятся над ванной металла, т. е. идут процессы, присущие пламенным печам. Вместе с тем в металлической ванне происходит выгорание примесей, сопровождаемое выделением тепла, причем очень существенным, вплоть до того, что в некоторые периоды плавки теплогенерация за счет химической энергии жидкого металла может иметь решающее значение.

Большое значение в металлургии имеют электрические печи. Основой превращения электрической энергии в тепловую служит теплогенерация:

1) при прохождении электрического тока через газ;

2) при воздействии электрического тока на магнитное поле и создании вихревых токов в металле;

3) при перемагничивании и поляризации диэлектриков;

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

5) за счет кинетической энергии электронов. Перечисленные принципы теплогенерации лежат в основе конструкций следующих групп печей и установок: дуговых и плазменных печей, индукционных печей, установок диэлектрического нагрева, печей сопротивления, электроннолучевых печей. Вид процесса теплогенерации, осуществляемого в печном агрегате, в решающей степени определяет как конструкцию печи, так и характер тепломассообменных процессов, протекающих в ее рабочем пространстве.

Классификация печей по технологическому назначению и конструктивным признакам.По технологическому назначению металлургические печи делят на плавильные и нагревательные. Плавильные печи предназначены для получения металлов из руд и переплавки металла с целью придания ему необходимых свойств. В этих печах материалы изменяют свое агрегатное состояние. Нагревательные печи применяют для нагрева материалов с целью обжига (известняка, магнезита, огнеупорных материалов и др.) и сушки (литейных форм, руды, песка и др.), а также для придания металлу пластических свойств перед обработкой давлением, для термической обработки, чтобы изменить структуру металла. В нагревательных печах металлы и материалы не изменяют своего агрегатного состояния. Внутри каждой из этих групп печи подразделяют в соответствии с теми технологическими операциями, которые в них проводят. Так, плавильные печи могут быть чугуноплавильные, сталеплавильные, медеплавильные и др.

Нагревательные печи могут служить для обжига огнеупорных материалов, нагрева металла перед прокаткой и ковкой, термообработки металла. Эти группы печей подразделяют еще и по конструктивным признакам, методам транспортирования металла в печах, характеру продукта, подвергаемого нагреву.

Например, печи для нагрева перед прокаткой разделяют на следующие группы: а) нагревательные колодцы, методические печи, камерные нагревательные печи и др.; б) садочные, толкательные, с вращающимся подом; в) для нагрева слитков, блюмов, труб, сутунки и др. Топливные печи подразделяют по виду применяемого топлива. Так, сталеплавильные мартеновские печи могут быть газовые и мазутные. В соответствии с методами утилизации тепла отходящих дымовых газов печи подразделяют на регенеративные и рекуперативные.

Электрические печи классифицируют по способу превращения электрической энергии в тепловую: дуговые электрические, сопротивления и индукционные. Современные печи представляют собой сложные тепловые агрегаты, состоящие из собственно печи и вспомогательного оборудования.

Собственно печь включает в себя рабочее пространство и устройства для получения тепловой энергии: горелки, форсунки в топливных печах и электроды, резисторы в электрических печах. В рабочем пространстве печи осуществляются те технологические операции, для которых предназначена печь. В состав вспомогательного оборудования входят устройства для утилизации тепла отходящих дымовых газов, вентиляторы и дымососы, дымовые трубы, различные клапаны, задвижки и др.

Топливные печи. Топливные печи широко применяются в металлургии. Их используют для получения чугуна из железной руды, в них выплавляют сталь, нагревают металл перед обработкой давлением и осуществляют термическую обработ ку.

Все топливные печи могут быть подразделены на две большие группы: слоевые и пламенные. В слоевых печах с плотным (фильтрующим) слоем используется твердое кусковое топливо. Их применяют для выплавки чугуна из руды, расплавления металла перед литьем, обжига железных руд, известняка, магнезита и доломита. Слоевые печи относятся к шахтным печам, важнейшими из которых являются доменные печи - основные агрегаты любого предприятия с полным металлургическим циклом. В пламенных печах используют газообразное или жидкое топливо, которое (как говорит само название печей) сжигается с образованием пламени (факела) в рабочем пространстве печей. Факельный метод сжигания топлива применяется в мартеновских печах при выплавке стали, в нагревательных печах прокатных и кузнечных цехов, в печах для термической обработки стали.

На рисунке представлены топливные шахтные печи.

 

Рисунок - Топливные шахтные печи

Печи металлургии с полной или частичной теплогенерацией за счет выгорания примесей металла. Для поддержания необходимой температуры металлургическую печь необходимо снабжать тепловой энергией, которая может поступать или извне или выделяться непосредственно в расплавленном металле. В первом случае тепло выделяется вне ванны в результате сжигания топлива или использования электрической энергии и передается поверхности ванны излучением и конвекцией. Так работают мартеновские и электрические сталеплавильные печи. В другом случае тепло выделяется в самой ванне или в результате окисления примесей, содержащихся в расплавленном сырье, или в результате приложения электромагнитного поля (индукционные электрические печи). С использованием тепловой энергии, выделяющейся при окислении примесей (главным образом углерода), работают сталеплавильные конвертеры, мартеновские печи, печи для обжига и плавки сульфидных концентратов, конвер теры заводов цветной металлургии. На тепловую работу большое влияние оказывает вид используемого окислителя, которым в принципе могут быть или кислород воздуха или чистый кислород и которые имеют совершенно различные тепловые эквиваленты. С использованием воздушного дутья работали и еще иногда работают бессемеровские и томассовские конвертеры; с использованием чистого кислорода - современные кислородные конвертеры.

Электрические печи. Электронагрев достаточно широко используют в промышленности, сельском хозяйстве и в быту, что обусловлено энергетическими, технологическими, социальными и экологическими преимуществами, присущими этому виду теплогенерации. Электрические печи, установки и агрегаты разнообразны по назначению, конструктивному исполнению, размерам и характерным признакам. Электрические печи классифицируют по способу преобразования электрической энергии в тепловую с учетом взаимного расположения зоны генерации тепла и зоны технологического процесса, схемы подвода энергии для теплогенерации и режима тепловой работы согласно общей теории печей M. А. Глинкова.

Печи сопротивления с прямым подводом энергии, когда обеспечивается теплогенерация в зоне технологического процесса, являются печами теплогенераторами, работающими в электрическом режиме. Печи сопротивления с косвенным подводом энергии, когда теплогенерация происходит во вспомогательной зоне генерации тепла в виде твердого или жидкого нагревателя, являются печами-теплообменниками, работающими в конвективном (низкотемпературные циркуляционные печи) или радиационном (средне- и высокотемпературные печи) режиме. На рисунке представлены печи сопротивления.

 

 

Рисунок – Печи сопротивления

Индукционные печи, в которых теплогенерация происходит в результате индукционного подвода энергии переменного электромагнитного поля, создаваемого специальным устройством в виде индуктора. Индукционные печи могут быть печами-теплогенераторами с электрическим режимом тепловой работы. Однако промышленные индукционные нагревательные и плавильные печи имеют смешанные энергетические условия, поскольку теплогенерация зависит от условий преобразования электрической энергии в зоне технологического процесса, в которой нагреваемый материал может иметь различное агрегатное состояние: твердый в индукционных нагревательных установках, жидкий в индукционных плавильных печах, ионизированный в высокочастотных плазмохимических установках. В ряде случаев, когда прямой индукционный подвод энергии в зону технологического процесса невозможен по электротехническим причинам или нежелателен по технологическим причинам, применяют индукционные печи-теплообменники, имеющие зону генерации тепла в виде специального нагревателя. Режим тепловой работы таких печей определяется теплопроводностью в индукционных плавильных печах с электропроводным (металлическим или графитовым) тиглем или излучением в индукционных нагревательных печах для спекания керамики.

 

а) Индукционный плавильный комплекс

б) Электрическая индукционная печь

 

Установки диэлектрического нагрева, в которых теплогенерация происходит за счет электрической поляризации диэлектрика, расположенного в переменном электрическом поле конденсатора. Установки диэлектрического нагрева являются печами-теплогенераторами, обеспечивающими равномерный или избирательный нагрев в зависимости от распределения диэлектрических свойств по объему зоны технологического процесса.

Дуговые печи, в которых теплогенерация происходит за счет энергетических преобразований дугового разряда, существующего в воздухе, инертной атмосфере или парах переплавляемых материалов. Дуговой разряд является зоной генерации тепла. В дуговых печах прямого действия дуговой разряд существует на границе (печи с открытой дугой) и даже внутри зоны технологического процесса, под слоем шихтовых материалов (печи с закрытой дугой). Поэтому тепловой режим работы дуговых печей прямого действия может иметь смешанную схему. Дуговые печи косвенного действия, имеющие некоторое применение в машиностроении, являются печами теплообменниками и работают в радиационном режиме. Разновидностью ду говых печей являются плазменно-дуговые печи, в которых в качестве энергоносителя используют потоки газоразрядной низкотемпературной плазмы с температурой (0, 5-2) ∙ 104 К и которые работают как печи теплообменники в конвективном или радиационном режиме в зависимости от силы тока и длины столба дуги.

Рисунок – Дуговая сталеплавильная печь

 

Рисунок – Дуговая электропечь

 

Электронно-лучевые установки, в которых происходит преобразование энергии электрического поля высокого напряжения в кинетическую энергию быстролетящих электронов, формируемых в виде электронного луча, с последующим ее рассеянием в тепло при попадании на поверхность нагреваемого металла. Такие установки могут рассматриваться как печи теплогенераторы условно, поскольку для зоны технологического процесса в виде массивного твердого или жидкого тела прямая теплогенерации имеет место только в поверхностном слое на глубине внедрения ускоренных электронов в кристаллическую решетку нагреваемого тела (для металлов - несколько микрометров), а остальной объем зоны нагревается в результате теплопереноса. Лазерные установки, т. е. установки нагрева когерентным излучением оптического квантового генератора.

Общая характеристика электрических печей, применяемых в черной и цветной металлургии.На заводах черной и цветной металлургии электрические печи применяют для извлечения металлов из руд (рудовосстановительные печи), вы плавки металлов (плавильные печи), рафинирования (рафинировочные печи), нагрева перед пластической деформацией (нагревательные печи) и для термической обработки (термические печи). В рудовосстановительных печах путем энергоемкого восстановления природных руд и концентратов при высоких температурах получают ферросплавы, продукты цветной металлургии (медные и медно-никелевые штейны, титановые и кобальтовые шлаки, никель, силикоалюминий и др.) и ряд специальных продуктов (карбид кальция, фосфор, плавленые огнеупоры и др.). Рафинировочные ферросплавные печи периодического действия работают с открытой дугой, имеют мощность 2, 5-5 MB • А и предназначены для производства безуглеродистого феррохрома, ферровольфрама, марганца и др. Рудовосстановительные печи непрерывного действия работают с дугой под слоем шихтовых материалов, в режиме смешанного нагрева и имеют мощность до 100 MB • А. В некоторых странах такие печи мощностью 30-60 MB ∙ А применяют для выплавки чугуна (так называемые электродомны). Разновидностью рудовосстановительных печей является созданный в России агрегат для кислородно-взвешенной электротермической плавки измельченных сульфидных и оксидных концентратов цветных металлов с целью получения шлака, штейна и легколетучих металлов.

В настоящее время разрабатывают рудовосстановительные печи с применением плазмохимических генераторов, называемых струйными плазматронами. Высококачественную легированную электросталь выплавляют из скрапа и металлизованной шихты в основных дуговых сталеплавильных печах переменного или постоянного тока вместимостью 100-150 т.

Стальные отходы переплавляют в индукционных тигельных печах средней или высокой частоты, а также в плазменно-дуговых печах с огнеупорной футеровкой. Рафинирование стали и сплавов производят путем переплава в водоохлаждаемый кристаллизатор в переплавных печах - электрошлаковых, плазменно-дуговых, дуговых вакуумных, электронно-лучевых. Чистые сплавы выплавляют в вакуумных индукционных печах. Чистые тугоплавкие редкие металлы получают в дуговых вакуумных печах. Дуплекс процесс: вакуумная индукционная печь - электронно-лучевая установка применяют для получения особо чистых цветных и редких металлов, сплавов на основе железа, никеля и кобальта.

Цветные металлы (цинк, медь, алюминий и их сплавы) выплавляют в индукционных канальных печах промышленной частоты. Применяемые для этих целей более простые плавильные печи сопротивления косвенного действия имеют худшие технико-экономические показатели.

Электрические печи достаточно широко (при соответствующем технико-экономическом обосновании) применяют для нагрева заготовок черных и цветных металлов перед пластической деформацией и для последующей термообработки в прокатных, кузнечно-прессовых, термических и метизных цехах. Камерные печи с выдвижным подом применяют для термообработки стального проката, шахтные - для отжига и охлаждения слитков переплавных процессов, колпаковые - для отжига и отпуска листов, рулонов ленты и бунтов проволоки. Для нагрева мерных заготовок простого сечения возможно применение электроконтактных кондукционных установок прямого нагрева.

В условиях непрерывного производства и однородного нагрева под горячую деформацию эффективно применение проходных печей сопротивления косвенного нагрева (конвейерных, рольганговых, карусельных и с пульсирующим подом), индукционных нагревателей прямого нагрева. При термообработке металлопроката находят применение толкательные проходные печи сопротивления, протяжные с жидким теплоносителем (щелочи, соли, свинец, цинк, алюминий) для нагрева проволоки, тонких труб или лент. Барабанные печи обеспечивают равномерный нагрев сыпучих материалов в порошковой металлургии. Цветные металлы до 600-800 К целесообразно нагревать в печах сопротивления косвенного нагрева с преобладанием конвективной теплопередачи в рабочем пространстве, которые также могут быть садочными (камерная с выкатным подом) или проходными (конвейерная).

В разнообразных электрических печах проводят высокотемпературные технологические процессы получения и обработки тугоплавких металлов, полупроводниковых и сверхпроводящих материалов: спекание, вакуумный переплав, вытягивание монокристаллов из расплава, зонная плавка и перекристаллизация, испарение, напыление покрытий и пленок, диффузия, транспортные реакции и т. д. В цветной металлургии печи сопротивления прямого нагрева применяют для графитации (при 2800 К) углеграфитовых изделий (например, графитированные электроды для дуговых печей).

 

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться: