Пламенные нагревательные печи

Пламенные нагревательные печи применяются для наг­рева цветных металлов перед обработкой давлением и для их термической обработки. По конструктивным при­знакам печи можно разделить на проходные и камерные. В проходных печах металл продвигается через печь с помощью механизмов разных типов (толкателей, конвейеров, шагающих балок идр.). При этом нагрев может осуществляться по специальной программе, как, например, в методических печах. К камерных печах металл загружается в печь, где он находится без движения до тех пор, пока не закончился процесс нагрева. Затем на­гретый металл из печи вынимают. Для того чтобы нагреваемый металл не взаимодействовал с печными газами, используют муфельные печи, где печными газами произ­водится нагрев муфеля, а изделия, находящиеся внутри муфеля, нагреваются уже от его стенок.

Практически все цветные металлы имеют большой коэффициент теплопроводности, что позволяет часто счи­тать их «тонкими» по нагреву. Этому способствуют так­же низкие значения степени черноты для многих цвет­ных металлов, что уменьшает лучистый тепловой поток к металлу и α_∑, а также обычно небольшие размеры нагреваемых изделий. Как известно, в тонких изделиях перепад температуры между наружной поверхностью изделия и его серединой невелик, что позволяет нагре­вать их с большой скоростью, не опасаясь возникнове­ния термических напряжений. Этим цветные металлы сильно отличаются от черных, скорость нагрева которых часто ограничивается возможным появлением трещин вследствие значительного перепада температур по сечению.

Нагрев в пламенных печах производится от горячих продуктов горения топлива излучением и конвекцией.

Невысокие температуры нагрева цветных металлов (обычно ниже 850° С) определяют большее влияние конвективного теплообмена. Лучистый поток на металл, так же как это было рассмотрено при описании нагрева в от­ражательных печах, складывается из прямого излучения пламени и отраженного потока от окружающей кладки. Суммарный поток может быть рассчитан по уравнениям (9.1) и (9.2). Поверхность металла, принимающую уча­стие в теплообмене, определяют с учетом его расположе­ния на поду печи и характера нагрева (односторонний или двусторонний). На рис. 115 показано изменение относительного времени нагрева круглых и квадратных по сечению слитков в зависимости от способа их разме­щения на поду печи. Время нагрева изделий изменяется обратно пропорционально активной поверхности изде­лий. Время нагрева минимально у единичного слитка (круглого и квадратного сечений), обогреваемого со всех сторон. Из рис. 115 видно, что при одностороннем нагреве плотно уложенных друг к другу слитков квадрат­ного сечения время нагрева увеличивается в четыре раза в связи с уменьшением поверхности теплообмена слит­ка в четыре раза. Для коротких слитков, имеющих отношение длины к толщине менее трех, следует учитывать нагрев через торцы, что увеличивает соответственно по­верхность нагрева металла.

Проходные (методические) печи чаще всего приме­няются для нагрева слитков металла перед прокаткой для придания им пластичности. В этих печах обычно используется противоточное движение продуктов сжигания топлива и металла. Это дает возможность снизить температуру отходящих газов и повысить коэффициент использования топлива. В зоне сжигания топлива тем­пература максимальная (на 100—200° С выше конечной температуры нагрева металла), к концу печи она умень­шается. При нагреве тонких изделий время нагрева могло бы быть уменьшено при поддержании высокой температуры по всей длине печи. Однако при этом зна­чительно уменьшился бы коэффициент использования топлива в печи. Таким образом, при выборе температу­ры отходящих газов в печи следует учитывать все эко­номические соображения и выбирать оптимальное ре­шение.

При нагреве массивных изделий, кроме зоны посте­пенного нагрева (методической), зоны интенсивного на­грева (называемой часто сварочной), устраивается еще третья зона — зона выдержки (томильная), температура которой лишь на 50° С выше конечной температуры на­грева металла. В этой зоне происходит выравнивание температуры по сечению слитка перед выдачей его из печи.

На рис. 116 приведена методическая двухзонная печь для нагрева слитков из медных и. алюминиевых сплавов.

Слитки загружаются в печь через окно 1 и продвигаются в ней с помощью толкателя с электрическим или гидравлическим приводом. Слитки выдаются через окна 3 с помощью второго толкателя, установленного сбоку.

Слитки нагреваются с двух сторон — сверху и снизу. Печь работает на жидком или газообразном топливе. Форсунки или горелки 2 и 4 расположены сверху и сни­зу слитков. В методической зоне печи свод делается на­клонным, чтобы сохранить скорость движения газов по­стоянной по длине печи (при понижении температуры объем газов уменьшается). Эксплуатационные данные этой печи следующие. Напряженность активного пода, т. е. количество металла, нагреваемого на каждый квад­ратный метр активного пода в час, для медных слитков 1600 кг/(м²-ч), для алюминиевых 500 кг/(м²-ч). Расход мазута на 1 т проката при нагреве медных слитков 37,4 кг, при нагреве алюминиевых слитков 52,6 кг. Слит­ки в рассмотренной печи перемещаются по металличес­ким балкам, что уменьшает сопротивление проталкива­нию их через печь. При высокой температуре нагрева металлические балки заменяют водоохлаждаемыми глиссажными трубами (рис. 117). Для предохранения труб от истирания движущимися слитками к ним приварива­ют металлические прутки. Чтобы снизить отбор тепла глиссажными трубами, предусматривают их тепловую изоляцию, укрепляемую с помощью металлических шты­рей. Изоляция может быть из набивной массы (рис. 117, а) и сборная из керамических сегментов (рис. 117, б).

Потери тепла с охлаждающей водой при использовании изоляции снижаются в 3—6 раз.

Весьма перспективными следует считать печи с ша­гающим подом. Часть поперечного разреза такой печи показана на рис. 118. Под печи состоит из неподвижных 2 и 4 и подвижных 3 балок. Перемещение металла в печи осуществляется за счет движения балок 3 вверх — вперед — вниз — назад. При этом металл поднимается с неподвижных опор и перемещается на определенное расстояние вперед к окну выгрузки. Существенным является уплотнение зазора между балками, чтобы не под­сасывался холодный воздух в печь, а горячие газы не перегревали бы механизм перемещения балок. Надеж­ным уплотнением оказался водяной затвор 5. Преимуще­ство печей с шагающим подом по сравнению с толка­тельными печами состоит в возможности размещать нагреваемые слитки на расстоянии друг от друга, что позволяет увеличить скорость и улучшить равномерность нагрева металла. Скорость перемещения металла в печи легко регулируется. В печах с шагающим подом можно перемещать заготовки любой длины и любого профиля.

При нагреве круглых заготовок можно использовать наклонный под (ролевые печи) с самостоятельным перекатыванием слитков в печи. Однако практика показала малую эффективность таких печей. Повышенное трение слитков и удары друг о друга увеличивают окалинообразование. Периодически приходится затрачивать боль­шой физический труд и для устранения перекоса и зае­дания при движении слитков.

В ряде случаев представляют интерес кольцевые пе­чи с вращающимся подом 1 (рис. 119). Такие печи — высоко механизированные агрегаты с весьма гибкими ус­ловиями нагрева. Горелки или форсунки 4 располагаются на стенках камеры, и график нагрева можно регулиро­вать подачей соответствующего количества топлива на те или иные горелки. Предусматривается возможность отвода продуктов горения 3 в нескольких местах по длине печи. Важным является то, что загружают и вы­гружают слитки на близком расстоянии. Обычно угол между загрузочным 1 и разгрузочным окнами составля­ет 28°. Это удобно используется при организации поточ­ного производства. Отдельные зоны в печи, а также ме­сто загрузки и выгрузки разделяются навесными перегородками, препятствующими движению газов и передаче лучистого тепла из одной зоны в другую.

Камерные печи. Камерные печи чаще всего использу­ются для термической обработки металлов (закалка, нормализация, отжиг), когда требуется точное соблюде­ние необходимой температуры нагрева металла. Поэто­му основным требованием, предъявляемым к печам для термической обработки, является возможность точно регулировать температуру в рабочем пространстве и равномерно нагревать металл по всему его сечению. Часто встает вопрос о нагреве в защитной среде, чтобы предотвратить взаимодействие металла с продуктами горения топлива. На рис. 120 показана печь для отжига листов, рулонов и лент. Внизу размещена камера сгора­ния 1, в которой установлена форсунка жидкого топ­лива 5. Продукты горения топлива по каналам в поду 3 попадают в камеру нагрева 2, где размещают нагревае­мые изделия. Отвод продуктов горения производится также через каналы в поду. Отходящие газы направля­ются в рекуператор 4, а затем через дымоход 6 в трубу. Шибер 7 регулирует тягу в печи.

На рис. 121 представлена колпаковая печь для отжи­га листов в защитной атмосфере. Листы в виде стопок или рулонов укладываются на под 1 и покрываются внутренним металлическим колпаком 2, который в свою очередь накрывается внешним керамическим колпаком 3. Печь отапливают генераторным газом, сжигаемым с помощью инжекционных горелок 4 в пространстве меж­ду внутренним и внешним колпаками. Продукты горения с помощью эжектора отводятся в боров. В течение всего времени нагрева и охлаждения во внутренний колпак подводится защитный газ. Предусмотрено использование одного внешнего колпака на три пода. Пока один охлаж­дается, другой загружается, а третий нагревается.

Выбор защитной атмосферы определяется свойством металла и требуемой степенью защиты поверхности (светлая или чистая либо слегка потемневшая). При этом следует учитывать также стоимость защитной сре­ды. Широко распространены защитные среды из паров воды, продуктов неполного сжигания природного или сжиженного газа при коэффициенте избытка воздуха 0,5—0,95 и продуктов разложения аммиака. Учитывая взрывоопасность продуктов разложения аммиака, их сжигают и очищают от паров воды. Продукты сжига­ния газа также в зависимости от требований проходят очистку от CO₂ и паров воды.

Размеры нагревательной печи рассчитывают на ос­нове определения времени нагрева изделий. Время на­грева находится по формулам для массивных или тон­ких изделий в зависимости от значений критерия Био. Лучистое тепло находят по уравнениям (9.1) и (9.2). При расчете печей термообработки к этому времени обычно приплюсовывается время, необходимое на про­текание процессов в твердой фазе для изменения фазо­вого состава. Длину и ширину печи определяют исходя из заданной производительности и полного времени пребывания металла в печи. Проходные (методические) печи могут быть одно-и двухрядными. В последнем случае их длина уменьшается в два раза.