4. Теплотехнологическое оборудование машиностроительной промышленности

4.1. Нагревательные печи

В кузнечно-прессовых и прокатных печах металл нагревается в печах с открытым пламенем. Температура нагрева 950-1250С выбирается в зависимости от рода и длительности технологических процессов (ковка, прокат и др.), а также от химического состава и физических свойств обрабатываемого материала. В соответствии с этим температура в рабочем пространстве печи составляет 1150-1400С. Изделия в таких печах нагреваются в основном за счет излучения факела, продуктов сгорания и кирпичной кладки.

По условиям укладки и перемещения нагреваемых изделий в пределах пространства различают печи: 1) камерные со стационарным подом или выдвижным, в которых металл в процессе нагрева находится в неподвижном состоянии; 2) методические или механизированные, в которых металл во время нагрева перемещается в рабочем пространстве. Температура газов в рабочем пространстве камерных печей практически одинакова, тем временем как в методических печах она изменяется по ходу движения металла.

Камерные печи. Самыми простыми и в тоже время универсальными являются камерные печи. Они представляют собой прямоугольную камеру с огнеупорной футеровкой и теплоизоляцией, перекрытой сводом и помещенной в металлический каркас. Печь загружается и выгружается через отверстие в передней стенке, прикрываемой дверцей. Маленькие печи для удобства их загрузки устанавливаются на ножки, больше – непосредственно на полу. Горелки располагают на боковых стенках печи. Дверки камерных печей, как правило, выполняются подъемными у небольших печей с ручным или ножным приводом, у более крупных с электрическим.

Для более рационального использования теплоты отходящих газов камерные печи могут сдваиваться. В этих печах значительно снижается расход топлива, а производительность увеличивается в несколько раз, так как повышается коэффициент оборачиваемости камер. По направлению движения теплоносителя камерные печи могут быть с поперечным и подковообразным движением. Подковообразное движение продуктов сгорания в камере обеспечивает их рециркуляцию в рабочей камере и способствует равномерному нагреву металла. Камерные печи могут быть как без использования теплоты отходящих газов, так и с рекуператорами. Рекуператоры устанавливают на печи с целью подогрева воздуха, идущего на горение. Он представляет собой теплообменник, выполненный из трубок, внутри которых движется холодный воздух. Трубки с поверхности омываются горячими газами. Теплопередача нагреваемому воздуху происходит через стенки труб. Движение газа и воздуха осуществляется по принципу противотока. Установка рекуператоров в печи позволяет уменьшить потери с уходящими газами, интенсифицировать процесс горения, а в некоторых случаях вообще отказаться от топки.

Сдвоенные камерные печи (рис. 19) работают следующим образом. В рабочие камеры закладывают обрабатываемые изделия. Мелкие (шарики, гайки, болты, ролики, кольца и т.п.) россыпью насыпают на специальные поддоны, крупные укладывают на полки, устанавливаемые в камерах. Преимуществом сдвоенных камер является еще то, что в разных камерах можно нагревать изделия разных габаритов. Топливо сжигают в горелках, находящихся в торцевой части печи. В горелки из регенераторов, установленных для каждой камеры отдельно, подают нагретый воздух. Продукты горения отдают свое тепло нагреваемым изделиям и футеровка печи. Под действием высоких температур происходит обработка материала. Продукты сгорания топлива из нижней части камеры отводятся вверх через установленный над печью рекуператор под вытяжной зонт.

Рис. 19. Камерная сдвоенная рекуперативная печь: 1  подача воздуха в рекуператор; 2  выход подогретого воздуха из рекуператора; 3  подача воздуха в эжектор; 4  трубчатый эжектор; 5  вытяжная труба; 6  горелка; 7  отвод продуктов сгорания; 8  рабочая камера.

Печи с выдвижным подом предназначены для нагрева слитков и заготовок перед обработкой под прессом. Они представляют собой камеру без дна и обычно без передней стенки, и тележку на катках, на которой смонтированы подина и передняя стенка печи, передвигающуюся на рельсах электромеханической лебедкой. Тележка выезжает из-под печи, на нее краном загружают детали, после чего она подъезжает под камеру и печь включается в работу.

Обычно в таких печах происходит одностороннее движение газов над нагреваемым материалом, который получает тепло главным образом сверху. Это приводит к отставанию нагрева нижней части слитков и необходимости увеличения выдержки металла в печи для выравнивания температуры по всему сечению.

В рассматриваемой печи металл располагается на подставках, что улучшает нагрев его нижних поверхностей. Большая равномерность нагрева в этой печи достигается также принудительной циркуляцией продуктов сгорания за счет энергии движения, вносимой газогорелочными устройствами. В этом случае газовоздушные струи из горелок направляются не в рабочий объем, а в инжекционные устройства, расположенные в кладке печной камеры. В инжекторах остывшие газы из рабочего объема присоединяются к струям, вытекающим из горелок, а затем смесь выбрасывается в рабочий объем. Этим создается рециркуляция газов и , кроме того, в несколько раз увеличивается объем газов, поступающих в рабочую камеру, что благоприятствует равномерному нагреву изделий и позволяет избежать местного их перегрева.

По данным сравнительных испытаний нагрев слитков весом около 7 т до 1150С в обычных печах требует 15 ч, а в рециркуляционных печах только 10 ч, что соответственно приводит и к снижению удельного расхода топлива.

Методические нагревательные печи используются в прокатных цехах для массового нагрева однотипных заготовок. Обычно они работают по принципу противотока движения материала и дымовых газов. Эти печи в основном делят на две или три зоны нагрева, но есть и современные многозонные методические печи высокой производительности.

В двухзонной печи различают сварочную и методическую зоны. Горелки устанавливают только в сварочной зоне, где металл нагревается до заданной температуры. В методической зоне происходить предварительный нагрев металла за счет теплоты, поступающей из сварочной зоны.

В печах с трехзонным режимом добавляется еще зона изотермической выдержки (томильная), в которой постоянная температура продуктов горения незначительно превышает конечную температуру металла (t50С). Назначение этой зоны – выравнивание температуры металла по всему сечению. Эффективность использования топлива в печи достигается удлинением методической зоны, а также подогревом воздуха, идущего на горение, за счет теплоты отходящих газов. КПД современных методических печей достигает 45-50%.

Методические печи также могут отмечаться друг от друга механизмом перемещения нагреваемых изделий внутри печи. Их делят на конвейерные, толкательные и карусельные печи. Толкательные печи применяют для одностороннего нагрева до 900-950С небольших заготовок в листопрокатном производстве. Горелки в этих печах устанавливают в торцевой и боковых стенках сварочной зоны. Печь работает по следующему принципу. Нагреваемые изделия укладываются в литые или сварные поддоны, которые устанавливают на ролики или направляющие рельсы, имеющиеся в поду печи. Заготовки заталкиваются в печь электромеханическим или гидравлическим заталкивателем с загрузочного стола. Одновременно приходят в движение все остальные поддоны. Крайний поддон захватывается специальным таскателем и выдвигается им из печи на разгрузочный стол.

Преимуществом печей толкательного типа является их относительная простота, отсутствие сложных жароупорных деталей, основной их недостаток – наличие поддонов, которые при выходе из печи остывают и следовательно, на их нагрев приходится тратить дополнительную теплоту. Обычно вес поддонов составляет от 10 до 25% от веса изделий. Кроме того, срок службы жароупорных поддонов ограничивается несколькими месяцами, после чего их приходится заменять, поэтому стоимость поддонов является существенной составляющей в себестоимости нагрева. Известным неудобством является также необходимость возврата поддонов от разгрузочного стола к загрузочному. Только в случае нагрева крупных заготовок правильной формы удается избежать большинства этих недостатков.

Конвейерные печи применяются для нагрева лишь сравнительно мелких деталей до 875-900С, так как при более высокой температуре работа механически нагруженных частей конвейера становится ненадежной. Детали укладываются на конвейер вручную или специальным питателем и продвигаются на нем от загрузочного конца к разгрузочному. Полотно конвейера выполняют либо плетеным из нихромовой сетки, либо из штампованных пластин, для тяжелых деталей – из литых цепных звеньев. Конвейер может быть размещен в камере печи целиком, вместе с обоими валами, в этом случае он все время нагрет и поэтому аккумулированное в нем тепло сохраняется. Но недостатком такой конструкции служат весьма тяжелые условия работы обоих валов, находящихся в зоне высоких температур, трудность их ремонта и неудобство в загрузке деталей на раскаленную поверхность конвейера. Обычно при этом приходится охлаждать валы водой, что приводит к дополнительной затрате теплоты. Поэтому часто концы конвейера выносят за пределы печи, естественно что в этом случае аккумулированное тепло конвейера уже не будет сохраняться. Величина этих потерь тепла больше, чем потери с охлаждающей водой у печей с закрытым конвейером.

Для нагрева заготовок и слитков больших размеров (сечением 100100 мм и более) используются методические печи с нижним и верхним обогревом, то есть с установкой горелок над и под нагреваемым материалом. При этом в методической и части сварочной зоны металл передвигается по металлическим водоохлаждаемым (глиссажным) трубам. Следует отметить, что в неизолированных водоохлаждаемых трубах потери тепла могут достигать до 25% от всего тепла, вводимого в печь, а при теплоизоляции потери тепла снижаются до 7-8%.

Кольцевые (или карусельные) печи относятся к современным типам механизированных печей и по своим технологическим особенностям близки к методическим. Карусельная печь представляет собой как бы конвейерную печь, свернутую в кольцо. Печь – кольцеобразная, стены и свод ее неподвижны, а под вращается вокруг вертикальной оси. Изделия укладываются в печь на движущийся под через загрузочное окно в наружной боковой стенки печи, делают в печи полный круг и вынимаются из нее через разгрузочное окно, расположенное рядом с загрузочным. Загрузка и выдача заготовок из печи механизирована и автоматизирована. Тепловой режим печи можно регулировать количеством и производительностью горелок, установленных в сварочной и томильной зонах.

На приведенной (рис. 20) печи горелки расположены тангенциально к кладке. Это позволяет лучше организовать движение продуктов сгорания навстречу движущимся заготовкам. Кольцевые печи, как и методические, допускают двух- и трехступенчатое использование тепла продуктов горения: 1-я ступень – подогрев металла в методической зоне, 2-я – подогрев воздуха для горелок и 3-я – в установленной за печью теплоутилизаторе. При этом в зависимости от температуры дымовых газов и теплового баланса печи возможна установка рекуператора до или после утилизатора.

Скоростной нагрев металла в пламенных печах с температурой 1400-1500С позволяет значительно сократить время нагрева металла, а также уменьшить его угар.

По опытным данным заготовка среднеуглеродистой стали диаметром 100 мм при всестороннем обогреве нагревалось до 1200С в печи с температурой газов 1200С за 40 мин., при 1300С за 18 мин., а при 1400С за 8 мин. Расход тепла в кузнечных газовых печах скоростного нагрева без рекуператоров составляет при наличии водоохлаждаемых труб (по которым продвигается металл в печи) около 1400 ккал/кг, т.е. почти столько же, сколько в обычных печах. При использовании тепла уходящих газов для подогрева воздуха до 300С в рекуператорах расход топлива снижается примерно на 20%. Потери металла в окалине составляют 0,7% от веса заготовок вместо 2,1% при нагреве в обычной печи.

Рис. 20. Кольцевая нагревательная печь.

Скоростной нагрев металла в пламенных печах применяется главным образом в массовом производстве при нагреве сравнительно тонких изделий правильной формы (заготовки под ковку и штамповку, трубы под нормализацию и закалку). Для скоростного нагрева прутков и труб применяют секционные проходные печи, состоящие из нескольких камер (секций). В этих печах металл продвигается со скоростью 1,0-6,0 м/мин через ряд отдельных камер, между которыми расположены ролики, обеспечивающие его поступательное перемещение, сопровождаемое вращением заготовки вокруг своей оси. Металл загружается с одного конца печи и выдается с другого. Сечение каждой секции обычно имеет цилиндрическую форму или же близкую к ней.

В трехсекционной печи для скоростного нагрева труб и прутков, горелки установлены в каждой камере и расположены тангенциально (с одной стороны сверху, а с другой - снизу). Вокруг нагреваемых изделий образуется круговой поток продуктов сгорания, способствующий равномерному нагреву металла. Так как температуры среды в печи на 300-400С выше конечной температуры металла, то нагрев происходит со значительной скоростью (6-7 сек на 1 мм толщины изделия). При таких условиях на внешней поверхности металла практически не успевает образовываться окалина, что значительно улучшает качество изготавливаемых изделий. В тоже время печи этого типа предъявляют более строгие требования к автоматическому регулированию теплового режима, так как для получения заданных высоких температур необходимо точно соблюдать оптимальное соотношение между воздухом и газом.

Для эффективного использования тепла отходящих газов на печах устанавливают воздушные рекуператоры, а за большими печами – и котлы утилизаторы, особенно где температура уходящих газов достигает 1400С.