Печи литейного и металлургического производства
Печи литейного и металлургического производства
Содержание
1. Общая характеристика печей. Тепловой баланс плавильных агрегатов
2. Классификация и общая характеристика тепловой работы печей
3. Физико-химические и эксплуатационные свойства огнеупорных и теплоизоляционных материалов
1. Общая характеристика печей. Тепловой баланс плавильных агрегатов
Печи с электрическим нагревом широко используются для расплавления металлов и сплавов, восстановления металлов из руд, нагрева различных изделий и заготовок.
Преимущества: отсутствие отходящих дымовых газов, что значительно повышает тепловую эффективность работы; более простая конструкция, более легкая регулировка теплового режима, возможность равномерного подвода теплоты к поверхности изделий и в то же время возможность нагревать отдельные участки изделий, хорошие условия труда.
Недостатки: высокая стоимость единицы теплоты по сравнению с топливом, более высокие эксплуатационные и капитальные затраты, более низкая надежность и долговечность по сравнению с топливными печами.
В основе методов получения теплоты за счет электроэнергии лежат следующие принципы, которые в различных вариантах используются в промышленных электрических печах: теплогенерация в рабочем теле при приложении к нему разности потенциалов (печи сопротивления, дуговые печи, печи электрошлакового переплава); теплогенерация при помещении рабочего тела в переменное электромагнитное поле (индукционные печи); теплогенерация в поверхностном слое рабочего тела при ударе о него ускоренного в вакууме потока электронов (электроннолучевые печи).
2. Классификация и общая характеристика тепловой работы печей
По способу генерации теплоты все печи подразделяют на топливные, где теплота выделяется за счет горения топлива, и на электрические, где электроэнергия преобразуется в теплоту электрической дугой, нагревательными элементами сопротивления или индукцией.
печь литейный металлургический огнеупорный
По условиям теплообмена печи могут быть подразделены на печи с теплопередачей преимущественно излучением и конвекцией. К первым относят высокотемпературные печи, в которых доля конвективного теплообмена невелика. К печам с преимущественно конвективной теплопередачей в рабочем пространстве относят в основном низкотемпературные печи, в которых излучение не играет существенной роли, например сушила.
Работа печей характеризуется тепловой мощностью, тепловой нагрузкой, температурным и тепловым режимами.
Тепловая мощность выражается в кВт, это наибольшее количество теплоты, которое можно подать в печь.
Тепловая нагрузка - это количество теплоты, которое фактически подается в печь.
Температурный режим - это изменение температуры печи во времени.
Тепловой режим - это изменение тепловой нагрузки во времени.
По тепловому режиму печи подразделяются на печи, работающие по камерному режиму, и на печи, работающие по методическому режиму.
В печах непрерывного действия изделия загружают и выгружают непрерывно. Если в печи находится большое число изделий, удаление и загрузка одного изделия практически не изменяет ее теплового режима, т.е. температура печного пространства остается постоянной на протяжении всего времени работы печи.
В печах периодического действия температурный режим печи изменяется с течением времени.
В печах, работающих по методическому режиму, температура изменяется по длине печи или во времени.
Основными характеристиками работы печи являются ее КПД и коэффициент использования топлива (КИТ), а также производительность печи.
КПД - это отношение полезно затраченной теплоты к полному количеству теплоты, поданному в печи (включая теплоту с подогретым воздухом и т.д.). КИТ - это отношение полезно затраченной теплоты к количеству теплоты, выделяемому топливом при его сгорании.
Тепловой баланс печей является важной характеристикой их тепловой работы. Тепловой баланс является выражением закона сохранения энергии применительно к промышленной печи и позволяет найти необходимый расход топлива, электроэнергии и провести теплотехнический анализ работы печи.
Тепловой баланс состоит из двух частей: прихода и расхода теплоты.
Его составляют либо на один час работы (печи непрерывного действия), либо на период (печи периодического действия).
Рассмотрим тепловой баланс пламенной печи непрерывного действия.
Приходная часть. Состоит из следующих статей.
. Химическая теплота горения топлива Вт,
. Физическая теплота, вносимая подогретым воздухом, Вт,
. Физическая теплота, вносимая подогретым топливом, Вт,
. Химическая теплота окисления металла, Вт,
Расходная часть. Состоит из следующих статей.
. Теплота, необходимая для нагрева и плавления материалов (полезная теплота), Вт, где см - средняя удельная теплоемкость материала в
. Теплота с уходящими газами, Вт,
. Потери теплоты теплопроводностью через кладку, Вт,
. Потери теплоты излучением через открытые окна и отверстия, Вт,
Потери теплоты с охлаждающей водой, Вт,
. Химическая теплота продуктов горения топлива, Вт,
. Теплота, уносимая шлаками, Вт,
. Теплота, затрачиваемая на разложение известняка, Вт,
. Потери теплоты на нагрев контролируемой атмосферы, Вт,
. Неучтенные потери. Их обычно принимают равными 10-15 % от суммы всех потерь теплоты:
Используя тепловой баланс, можно рассчитать расход топлива для вновь проектируемой печи, приравняв расходную и приходную части баланса.
Тепловой баланс электрических печей составляют по аналогии с тепловым балансом пламенных печей. В приходной части баланса электрической печи вместо теплоты, вносимой топливом и воздухом, будет теплота, подаваемая из электросети, а в расходной части будет отсутствовать расход теплоты с продуктами горения топлива.
3. Физико-химические и эксплуатационные свойства огнеупорных и теплоизоляционных материалов
Свойства огнеупоров.
Современные печи литейного и металлургического производства выполняют из различных материалов. Для футеровки рабочего пространства и отдельных элементов печей применяют огнеупорные и теплоизоляционные материалы. Каркасы, наружные механизмы, печную арматуру изготавливают из углеродистой стали и чугуна, нагревательные элементы, механизмы, расположенные в рабочем пространстве, детали теплообменников - из жароупорных сталей и сплавов и керамики, индукторы индукционных печей - из профилированных медных трубок и трансформаторного железа и т.д.
Наиболее ответственным элементом, особенно для плавильных печей, является футеровка, выполняемая из огнеупорных и теплоизоляционных материалов. Отдельные части футеровки или всю футеровку можно изготавливать из жароупорных бетонов или набивок.
Огнеупорными называют материалы, способные противостоять продолжительному воздействию высоких температур (свыше 1580°С), а также физико-химических процессов, протекающих в печах.
К огнеупорным материалам предъявляют следующие требования: высокая температура начала размягчения, способность противостоять резким колебаниям температуры, сопротивляемость воздействию шлаков и газовой атмосферы печи, необходимая механическая прочность, постоянство объема в процессе эксплуатации, точные размеры, обеспечивающие высококачественную кладку футеровки, низкая стоимость.
Физические свойства огнеупоров
Пористость% и объемная масса. Эти свойства взаимосвязаны: чем выше пористость, тем меньше объемная масса, и наоборот. Стойкость огнеупоров во многом зависит от пористости, которая колеблется в широких пределах - от 1% в плавленых и до 80% в изоляционных огнеупорных материалах.
Огнеупорные изделия, используемые для кладки пода, свода и стен печей, должны обладать минимальной пористостью, а теплоизоляционные материалы - максимальной.
Газопроницаемость. Так как в огнеупорных материалах есть сквозные поры, то при наличии разности давлений между печным пространством и окружающей атмосферой через них могут проходить газы. С повышением температуры газопроницаемость огнеупоров понижается, так как вязкость газов с ростом температуры увеличивается. Газопроницаемость определяют в соответствии с ОСТ НКТП 4312.
Теплопроводность. Теплопроводность огнеупоров должна быть низкой, за исключением случаев, когда теплота передается через огнеупоры (например, в муфелях, рекуператорах). Теплопроводность зависит от природы материала, его пористости и температуры
Электропроводность. Большинство огнеупорных материалов при низких температурах являются диэлектриками. С ростом температуры и появлением жидкой фазы внутри огнеупоров электропроводность их начинает возрастать.
Удельная теплоемкость. Теплоемкость является важной величиной, оказывающей влияние на тепловую работу футеровки, особенно печей периодического действия. С ростом температуры теплоемкость всех огнеупорных изделий повышается.
Термическое расширение при нагреве характеризуется коэффициентом линейного расширения b, который зависит от природы материала и температуры. Для компенсации термического расширения в кладке футеровки печи предусматривают температурные швы, заполняемые по мере разогрева футеровки.
Эксплуатационные свойства огнеупоров
Огнеупорность - это свойство материалов сохранять механическую прочность при высоких температурах без нагрузки. Огнеупорность зависит от химического состава и наличия примесей.
Термостойкость. Это способность огнеупоров выдерживать без разрушения резкие колебания температур. Термостойкость характеризуют числом теплосмен, т.е. нагревов и последующих резких охлаждений изделий в воде или на воздухе. Шлакоустойчивость. Шлакоустойчивость огнеупоров, т.е. их способность противостоять разъедающему действию шлаков, зависит от химического состава огнеупоров, состава шлака, пористости материала и температуры. Огнеупорные материалы и шлаки подразделяют на кислые, основные и нейтральные. Соответственно подбирают материал для футеровки: при кислых шлаках - кислые огнеупорные материалы; при основных шлаках - основные огнеупорные материалы.
Механическая прочность. Огнеупоры должны обладать высокой механической прочностью, так как в процессе работы в печах они подвергаются сжатию и механическому истиранию.
Сопротивление воздействию печной атмосферы.
Окислительной атмосфере хорошо противостоят все огнеупорные материалы, за исключением углеродистых.
Восстановительную атмосферу выдерживают огнеупорные материалы, не содержащие большого количества оксидов железа.
В печах с контролируемой атмосферой применяют смеси газов СО, Н2, СН4, Н2О, N2, в основном имеющие восстановительный характер. Этим газам также хорошо противостоят огнеупоры, содержащие минимальное количество оксидов железа.
В сушилах содержится повышенное количество водяных паров, котором хорошо противостоят плотные огнеупоры.
Нейтральной атмосфере хорошо противостоят все огнеупорные материалы.