Назначение и описание конструкции проектируемой печи.

Введение.

    В плавильных отделениях литейных цехов применяют высокопроизводительные вагранки, дуговые и индукционные печи, миксеры, раздаточные устройства. Часть отливок подвергают обработке в термических печах. Материалы, используемые в литейном производстве, подсушивают в сушилах.

    В зависимости от назначения, печи литейных цехов можно подразделить на плавильные, нагревательные и сушильные (сушила).

    Повышение требований к качеству нагрева определило создание более совершенных печей различных типов.

    Современные плавильные и нагревательные печи представляют собой комплексы с высокой степенью механизации и автоматизации.

При термической обработке металлов широко применяются топливные и электрические печи различных конструкций. От работы печей в значительной мере зависит качество продукции и производительность термических агрегатов.

    При всем разнообразии задач нагрева, конструкций и размеров печей общими для всех этих устройств являются процессы регенерации тепла (либо за счёт сжигания топлива, либо с помощью электрической энергии) и процессы передачи тепла к поверхности нагреваемых изделий и последующего распространения внутри них. Эти процессы осуществляются при помощи определённых элементов печного оборудования (устройств, для сжигания топлива, электрических нагревателей сопротивления и т.п.) в рабочих камерах, имеющих огнеупорную футеровку и тепловую изоляцию.

    Печная теплотехника в свете работ ученых представляется комплексной дисциплиной, развивающейся на основе достижений физической химии, теплофизики, гидроаэродинамики, электротехники и материаловедения.

 

 

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ.

РАСЧЕТЫ.

ОХРАНА ТРУДА.

Введение.

    В плавильных отделениях литейных цехов применяют высокопроизводительные вагранки, дуговые и индукционные печи, миксеры, раздаточные устройства. Часть отливок подвергают обработке в термических печах. Материалы, используемые в литейном производстве, подсушивают в сушилах.

    В зависимости от назначения, печи литейных цехов можно подразделить на плавильные, нагревательные и сушильные (сушила).

    Повышение требований к качеству нагрева определило создание более совершенных печей различных типов.

    Современные плавильные и нагревательные печи представляют собой комплексы с высокой степенью механизации и автоматизации.

При термической обработке металлов широко применяются топливные и электрические печи различных конструкций. От работы печей в значительной мере зависит качество продукции и производительность термических агрегатов.

    При всем разнообразии задач нагрева, конструкций и размеров печей общими для всех этих устройств являются процессы регенерации тепла (либо за счёт сжигания топлива, либо с помощью электрической энергии) и процессы передачи тепла к поверхности нагреваемых изделий и последующего распространения внутри них. Эти процессы осуществляются при помощи определённых элементов печного оборудования (устройств, для сжигания топлива, электрических нагревателей сопротивления и т.п.) в рабочих камерах, имеющих огнеупорную футеровку и тепловую изоляцию.

    Печная теплотехника в свете работ ученых представляется комплексной дисциплиной, развивающейся на основе достижений физической химии, теплофизики, гидроаэродинамики, электротехники и материаловедения.

 

 

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ.

Назначение и описание конструкции проектируемой печи.

   Печь ТГО – топливная нагревательная печь периодического действия, колпаковая, с окислительной атмосферой

          

1 -  втулки

2- направляющие

3- колпак

4- огнеупорный муфель

5- газовые горелки

6- песчаный затвор

7- патрубок

8- стационарный стенд

9- песчаный затвор

   10- каналы, для удаления продуктов горения

11- дымосос

12- отливка

13- огнеупорный слой

14- теплоизоляционный слой

  

                                                    Рисунок 1. Схема печи ТГО.

 

Отливки укладывают на стационарный стенд 8, закрывают огнеупорным муфелем 4. Сверху мостовым краном устанавливают футерованный колпак 3. Колпак центрируют с помощью неподвижно установленных четырех направляющих 2 и втулок 1,смонтированных на съемном колпаке 3.Отливки нагревают с помощью газовых горелок 5, установленных на колпаке. Продукты горения газа омывают муфель 4 и разогревают его, футеровка колпак раскаляется и также передает теплоту муфелю излучением. Теплота от стенок муфеля к отливкам также передается излучением. Продукты горения удаляются из пространства печи через каналы 10, расположенные в основании стенда, и дымососом 11 выбрасываются в атмосферу. В пространство под муфель, где расположены отливки, подается защитный газ по патрубку 7. Место стыкования колпака и стенда уплотнено песчаными затворами 6 и 9. Таким же образом уплотнен зазор между стендом и муфелем 4. Цеховой газопровод подключают к газопроводу колпака после его установки на стенд с помощью гибкого шланга. Обычно один колпак обслуживает несколько стендов. Колпак переставляется с одного стенда на другой с помощью кранов. Пока на одном стенде происходит нагрев и выдержка металла под колпаком, на другом металл остывает, а на третьем производят загрузку отливок.

Такие печи используют обычно для термической обработки отдельных изделий и мелких деталей на поддонах, загружаемых вручную или с помощью простейших загрузочных механизмов.

   

      1.2 Обоснование технологических параметров процесса.

Чугун  – это многокомпонентный сплав железа с углеродом (более 2.14%С) и другими элементами(Si, Mn,S,P).

 Широкое распространение чугуна в промышленности обусловлено оптимальным сочетанием технологических и эксплуатационных свойств, технико-экономических. Сплав СЧ15 применяют для малоответственных, слабонагруженных отливок (крышки, кожухи, корыта).

 

Таблица 1. Химический состав сплава СЧ15. [1]

Марка сплава	Легирующие элементы (Mg-основа)
	C	Mn	Si	S	P
СЧ15	3,5-3,7	0,1-0,5	2-2,4	До 0,15	До 0,2

Влияние химических элементов на структуру и свойства чугуна.

Углерод в небольшой степени способствует графитизации чугуна, понижает прочность, повышает пластичность, улучшает литейные свойства.

  Кремний способствует графитизации чугуна, укрупняет графитовые включения, повышает механические свойства, улучшает литейные свойства.

  Марганец нейтрализует вредное влияние серы, тормозит процесс графитизации, повышает склонность к отбелу, устойчивость аустенита, дисперсность перлита, прочность, ухудшает литейные свойства.

  Сера сильно тормозит графитизацию, способствует образованию горячих трещин, понижает механические свойства и литейные свойства.

  Фосфор в небольшой степени способствует графитизации чугуна, повышает прочность, твердость, износостойкость, жидкотекучесть, понижают ударную вязкость и хладостойкость.

 

 

Таблица 2.Физические свойства сплава СЧ15. [1]

Марка сплава	Плотность, кг/м3	Коэффициент линейного расширения, α*106 (1/оС)	Теплопроводность [Вт/(м* оС)] При температуре, С	Теплоемкость [Дж/(кг* К)] При температуре, С	Модуль упругости при растяжении, E 10- 5 при t=200С
		20 - 200	20              300	20-200
СЧ15	7000	9,0.10-6	59               42	4600	0.9

 

 

Марка сплава	σ в, МПа	НВ* 10 -1 МПа
СЧ15	150	130 - 241

       Таблица 3. Механические свойства сплава СЧ15

 

Технологические свойства чугуна(свариваемость и обрабатываемость) также определяются его составом и структурой.

  Свариваемость серого чугуна значительно хуже, чем углеродистой стали,так как при обычных режимах сварки возникает переходная зона, отличающаяся высокой хрупкостью, что может привести к образованию трещин.

  Обрабатываемость серого чугуна связана сего твердостью обратной зависимостью. Обрабатываемость оценивается стойкостью режущего инструмента, допустимыми скоростями резания, чистотой обработанной поверхности. Она улучшается по мере увеличения железа в структуре. Оценку обрабатываемости часто производят по экономической скорости резания.

Износостойкость характеризует долговечность деталей и самих машин. Износостойкость серого чугуна определяется условиями трения, но большое значение имеет также состав чугуна к особенно его структура.

 

Литейные свойства серого чугуна значительно лучше, чем других сплавов. Это позволяет применить его для тонкостенных отливок и определяет сравнительную простоту технологических процессов и высокий коэффициент выхода годного.

   Жидкотекучесть определяется разными способами, но чаще по спиральной пробе. Чем ниже марка серого чугуна, тем больше жидкотекучесть. При модифицировании серого чугуна в большинстве случаев жидкотекучесть уменьшается, в связи с образованием графитов в расплаве. Однако, если при этом существенно уменьшается содержание газов и неметаллических включений, то жидкотекучесть может и возрасти. Повышение жидкотекучести может быть достигнуто повышением температуры заливки, устанавливаемой в зависимости от чугуна.

   Вторым важным литейным признаком является усадка- изменение объема и линейных размеров отливок в результате термического сжатия, фазовых превращений и силового взаимодействия с формой в процессе затвердевания и остывания. Объемная усадка тем больше, чем больше коэффициент объемной усадки жидкого металл и температура металла. Усадка в твердом состоянии составляет: предусадочное расширение 0,1-0,3%, доперлитная усадка 0,2-0,4%, литейная усадка 0,7-1,3%. При определении размеров модельной оснастки литейную усадку для чугунов марок от СЧ 10-28 до СЧ 28-48 принимают 0,7-1,0%.

 

Для повышения прочности и коррозионной стойкости выбираем вид термообработки- закалку. При закалке улучшаются технологические и прочностные свойства.   

 

Термическая обработка отливки из СЧ 15.

 

 

                

 

      1.3 Выбор материала футеровки, особенности кладки.

Футеровка любой печи должна быть прочной, плотной и долговечной. Эти качества футеровки определяются двумя решающими факторами: правильным выбором материалов и хорошим качеством выполнения работ.

 При изготовлении простой кирпичной или фасонной кладки требуется тщательное выполнение работ, перевязка швов и соответственная толщина слоев между кирпичами.

Под печи выкладывают чаще всего на стальные листы, опирающиеся на подподовые балки, или прямо на фундамент. Зазор между подом и фундаментом, образуемый с помощью подподовых балок, оставляют для того, чтобы обеспечить циркуляцию воздуха во избежание перегрева низа пода и верха фундамента. Под всегда делают многослойными. Нижние слои, называемые выстилкой из теплоизоляционного кирпича, а верхние – из огнеупорного кирпича. При кладке пода обеспечивают тщательную перевязку швов. Ряды кирпичей кладут вперемежку – то на плашку, то на ребро; самый верхний ряд кладут всегда на ребро. Такая кладка лучше противостоит механическим воздействиям, испытываемым поверхностью пода.

Стены печи выкладывают из кирпичей на плашку. Стены делают многослойными; внутренний слой -огнеупорный, наружный - теплоизоляционный. Огнеупорными называют материалы, способные противостоять продолжительному воздействию высоких температур(свыше 1000 ).Теплоизоляционные материалы имеют низкую теплопроводность, но не выдерживают воздействия высоких температур, металла, шлаков; температура применения не превышает 900. Промежуточные слои состоят из легковесного огнеупора или огнеупорного кирпича. В стенах печей имеются окна смотровые, отверстия горелок и форсунок. Эти отверстия не должны ослаблять кладку. Окна перекрывают арками или специальными плитами. С наружной стороны окна армируют рамами. При кладке стен печей вертикальные швы перевязываются.

Свод печи выполняют в виде арок и плоских перекрытий. Плоские своды делают подвесными. Арочные своды набирают из прямых клиновых кирпичей, а плоские – из специальных кирпичей, которые можно подвешивать. Арочные своды опираются на пятовый кирпич, уложенный на подпятовую балку.

Температурные швы нужны для компенсации расширения кладки при нагреве. При проектировании футеровки печей для различного материала кладки на 1 метр кладки, в зависимости от свойств огнеупорного материала, принимают следующие толщины температурных швов, мм: шамотной 5-6 мм; динасовый 12-16 мм. При многослойной футеровке температурные швы располагают в разбежку по толщине кладки. По высоте стены температурные швы могут быть непрерывными и в разбежку.

 

 

 

              

 а)                б)                     в)

Рисунок 3. Способы укладки кирпича: а) на плашку; б) на торец; в) на ребро.

 

 

 

а)                                            б)

Рисунок 4. Способы укладки кирпича: а) ложковый; б) тычковый.

 

Перевязка швов осуществляется смещением одного ряда кирпичей относительно другого на ½ и ¼ кирпича. Огнеупорный и теплоизоляционный слои обычно между собой не перевязывают.

Растворами заполняют швы, расположенными между отдельными кирпичами или фасонными изделиями. Химический состав и свойства растворов должны быть как можно ближе к составу и свойствам материалов кирпичей. При разогреве печей массу растворов сушат и обжигают до образования твердого черепка, спекшегося с поверхностью кирпича. При этом кладка печи образует сплошной спекшийся монолит. Выпускают готовые составы растворов, называющиеся мертелями. Мертели также изготавливают на месте для каждого вида огнеупоров. Мертель приготовляют из порошка соответствующего материала и связки, которой чаще всего бывает огнеупорная глина. Например, мертель для шамотной кладки состоит из 60% шамотного порошка и 40% молотой огнеупорной глины растворенной водой до консистенции густой сметаны. Применяют растворы, твердеющие при низких температурах и называемые воздушно-твердеющими растворами. В их состав входит жидкое стекло. Оно повышает прочность и газоплотность кладки.

При проектировании футеровки печи стремятся к получению температурных швов между изделиями минимальной толщины. Это особенно важно для плавильных печей, где толщина шва тщательно контролируется. Такие же требования предъявляют и к мертелям.

Шамот используется для футеровки практически всех частей печи. Доступность и низкая стоимость также обуславливается их широкое применение.

Шамотные изделия имеют сравнительно не высокую предельную температуру ( до 1500 ^оС) небольшую усадку при повторном обжиге и хорошую термостойкость. Шамотные изделия плохо сопротивляются воздействию окалины.

Основы шамотных материалов служат окисды Al и Si (Al₂Si₃, Sio₂) при чем содержание Al₂O₃ составляет в них 28-45%.

В качестве теплоизоляционного слоя используют шлаковую вату.

Эти материалы предназначены для сжигания теплового потока из зоны повышения температуры, т.е. сокращается потеря тепла через стенки печи. Они имеют теплопроводимость и не выдерживают воздействия повышения температур.

  Шлаковая вата – рыхлый искусственный материал из хаотически расположенных нитей металлургического шлака, ее получают раздувкой струи шлака струей пара или сжатого воздуха. Ее применяют в исходном виде и в виде изделий: войлока, плит. Используют в качестве сыпучего материала, кирпичей, блока.
Диатомит – это природный материал, представляющий остатки панцирных микроорганизмов. В естественном виде сыпучих материалов. Диатомитовые кирпичи изготавливают формовкой диатомитового порошка с глиной с последующим обжигом. Кирпичи выпускают трех марок: 500,600 и 700. Диатомит используют до t 900 С для кладки наружных слоев изоляции стен и сводов.

 

Таблица 5. Характеристики шамотных изделий.

Огнеупорность, оС	1580-1710
Температура начала деформации под нагрузкой, оС	1250-1400
Усадка при 1300оС, %	0,7-1
Предел прочности при сжатии, МПа	19-50
Пористость, %	30
Термостойкость	10-15

 

 

    1.4 Общая характеристика топлива и теплообмен в печи.

 

Топливо – это горючие вещества, при горении которых выделяется теплота, используемая в промышленности и для бытовых нужд.

Горение – это процесс взаимодействия топлива с окислителем, который находится в воздухе, сопровождающийся выделением тепла и излучением (тепловым).

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О

Топливо классифицируют по следующим признакам:

1. По происхождению:

- естественное – топливо, используемое в том виде, в котором оно находится в природе (газ, древесина);

- искусственное – продукт переработки естественного топлива (мазут, кокс).

2. По агрегатному состоянию:

- твердое;

- жидкое;

- газообразное.

3. По отношению к нагреву:

- теплостойкие – вещества, химический состав которых не изменяется при нагреве – кокс, газы СО₂, Н₂ и др.

- теплонестойкие – вещества, химический состав которых изменяется при нагреве – дерево, каменный уголь, торф.

Изучение топлива начинается с изучения его химического состава.

СН₄ – метан, основная составляющая газообразного топлива, его содержание может быть до 98%, бесцветный газ t_кип – 164 ⁰С. Основной компонент природных топлив (77-99%). Горит бесцветным пламенем. С воздухом образует взрывоопасные смеси. При сгорании 1 м³ СН₄ выделяется 35800кДж тепла .

Применяется как топливо.

Подавляющее большинство видов топлива органического происхождения и поэтому их основными составляющими являются углерод и водород._. Также в состав топлива могут входить О, N, S, которые находятся в связанном состоянии. Всегда присутствуют Н₂О и негорючие минеральные вещества, которые после сжигания образуют золу. Чтобы определить состав топлива проводят технический и химический анализ:

- технический – определение влаги, золы, внешнего вида, летучих и теплоты сгорания;

- химический – определение содержания отдельных химических соединений

(СН₄, С₂Н₆, Н₂S), что характерно для газообразного топлива или

определение его поэлементного состава – С, Н, О, N, S, A, W – это характерно для твердого и жидкого топлива.

Газообразное топливо- это смесь различных газов: СН₄ + СО + Н₂ + С₂Н₄ +С₅Н₅ + С_nН_m +Н₂S+N₂+Н₂0+СО₂=100%.

СО- основной горючий состав доменного газа. При сгорании 1 м³ выделяется 12770 кДж теплоты. Этот газ ядовит.

Н₂S- тяжелый газ, неприятный запах, обладает высокой токсичностью. При наличии в газе сероводорода повышается коррозия металлических частей печи и газопровода. При сгорании 1 м³ выделяется 23400 кДж тепла.

Остальные газы: N₂, СО2 , О₂ и пары воды- балласт. При повышении этих газов снижается содержание горючих составляющих, и их присутствие в топливе приводит к понижению температуры горения топлива. Содержание в топливе более 0,5% свободного О₂ считается опасным по ТБ_.

Газообразное топливо по происхождению подразделяют на естественные и искусственные. Газообразные топлива имеют ряд преимуществ перед другими видами топлива.

 - низкая себестоимость;

 - более высокий КПД;

 - упрощаются устройство для сжигания;

 - улучшаются условия труда;

 - снижаются расходы по эксплуатации печей;

К недостаткам относятся;

 - токсичность;

 - взрывоопасность в смеси  с воздухом;

Основная характеристика топлива- теплота сгорания - количество тепла, которое выделяется при сжигании единицы объема топлива, кДж/кг; кДж/м³.

Различают высшую теплоту сгорания и низшую.

Если в продуктах сгорания влага находится в жидком виде, то теплота сгорания будет высшая (Q_в), а если в парообразном – то низшая (Q_н).

Теплота сгорания любого топлива – это сумма теплоты сгорания элементов или соединений, составляющих это топливо. Теплоту сгорания газообразного топлива подсчитывают суммированием тепловых эффектов реакции горения.

Условное топливо – это понятие введено для сравнения различных видов топлив. За условное топливо взят уголь Донецкого бассейна с Q_в=29300 кДж/кг.

С помощью формулы Т_экв= Q_н^р /Q_н^усл можно определить теплоту сгорания любого топлива.

Теплопередача (теплообмен) – процесс распространения тепла в системе тел или внутри отдельного тела.

Для осуществления теплопередачи необходима разница температур между обменивающимися телами. Теплота передается от более нагретого тела, к менее нагретому.

Теплопередача осуществляется теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

Теплопроводность – процесс передачи теплоты от одних частей тела (твердого, жидкого, газообразного) к другим без заметного перемещения микрочастиц относительно друг друга.

Конвекция – процесс передачи теплоты от одних частей тела (жидкого, газообразного) к другим при интенсивном перемещении среды.

Тепловое излучение – процесс передачи теплоты в виде электромагнитных волн, который возможен даже тогда, когда тела находятся на расстоянии друг от друга.

                                                          

                                                            излучение

                                                                    теплопроводность

                                                                    конвекция

                                                                    1 - горелка

                                                                    2 - футеровка

                                                                    3 - отливка

 

 

Рис. 5. Теплопередачи в печи.

 

 

РАСЧЕТЫ.

12Следующая ⇒

Поделиться: