Основные характеристики колпаковой печи

 

 

Печи и нагревательные установки, относящиеся к основному  оборудованию термических цехов, можно  классифицировать по технологическому назначению, источнику тепловой энергии, способу и степени механизации и использованию различных сред при нагреве.

По технологическому назначению печи и нагревательные установки термических цехов группируются в зависимости от операций, для которых они предназначены (закалочные, отпускные, цементационные и т. д.).

По источнику тепловой энергии печи и нагревательные установки подразделяются на печи, работающие на жидком или газообразном топливе, н электрические печи.

Печи можно классифицировать по способу и степени механизации. Печи с механизацией продвижения деталей разделяются на толкательные, конвейерные с вращающимся подом и т. п. Они могут иметь устройства для ручной выгрузки изделий для автоматического сброса изделий в закалочный бак и др. К печам без механизации относится большинство камерных печей.

Кроме того, печи можно  различать по признаку использования  различных сред при нагреве изделий. Согласно этому признаку, лечи могут иметь в рабочем пространстве контролируемую атмосферу, например, можно создать в печи нейтральную (неокисляю-щую и необеэуглероживатощую) или же науглероживающую атмосферу и т.  К этой группе относятся печи с контролируемой атмосферой, вакуумные и печи-ванны с расплавленными солями или металлами.

 К термическим печам  предъявляется ряд требований. Печи  должны быть компактными и  иметь хорошую теплоизоляцию  наружного слоя футеровки. Кладка  печи должна быть заключена в металлический кожух. . Рабочие камеры термических печей, работающих на мазуте, должны быть отделены от камер сжигания топлива. Рекомендуется располагать камеры сжигания под подом печи. В этом случае под печи будет всегда горячий. Менее удобны выносные топки печей.

Высокие требования предъявляют  к футеровке термических печен. Огнеупорные и теплоизоляционные  материалы должны быть высокого качества. Огнеупорные кирпич и изделия  должны быть плотными с наименьшим количеством пор, швы между кирпичами не должны пропускать газы и продукты сгорания. Это требование герметичности кладки особенно важно для печей с контролируемой атмосферой и вакуумных. Условное обозначение материалов дли футеровки печен, приведенных в книге, показано в приложении. Большое значение имеет также качество жаростойких и жаропрочных деталей печей.

Некоторые детали печей  должны быть стойки против газовой  коррозии (радиационные трубы, детали рекуператоров и др.).

Каждая печь должна иметь  приборы для измерения и регулирования температуры, а при необходимости и записи ее и для регулирования давления газа к воздуха. Кроме того, печи газовой цементации и нитроцементацнк должны иметь приборы для авто* матического регулирования углеродного потенциала. Печи, предназначенные для быстрого нагрева, как, например, печи-ванны, должны быть снабжены специальными автоматическими минутными часами.

 

Колпаковые печи для  обработки металла горячим газом  были разработаны специально для  нужд металлургической промышленности и впервые появились в 20-е годы прошлого века. Несколько позже появились колпаковые печи для термообработки изделий в вакууме. Конструкция этого типа печей предусматривает нагрев изделий в газовой или вакуумной среде под переносным колпаком и позволяет производить полный цикл термообработки: нагрев, охлаждение, выдержка. Изделия располагаются на неподвижном стенде с одной или в некоторых случаях, несколькими стопами.

Колпаковые печи предназначены  для термообработки крупногабаритных изделий и широко применяются  на предприятиях металлургии, в атомной, электронной, авиационной и многих других отраслях промышленности, где есть необходимость выполнения термо-химических операций с металлическими заготовками больших размеров. Они применяются для аустенизации, коксования, цианирования, азотирования, нитроцементации, оксиазотирования, закалки, отжига, отпуска, пайки, чернения, спекания и других операций термообработки металла.

Колпаковые печи могут  быть газовыми или электрическими и  классифицируются по типу обрабатываемых изделий, для обработки ленточных рулонов, проволоки, прутков, листов и другого металлопроката.

Основными техническими характеристиками колпаковых печей  является температура нагрева, вес  садки, габаритные размеры обрабатываемых изделий, количество стендов обработки. Ниже приведены приблизительные параметры современной печи для термообработки в атмосфере защитных газов:

Колпаковая печь –  печь периодического действия для термообработки рулонов ленты, листов и бунтов проволоки. Отличительная особенность колпаковой печи – наличие двух колпаков: внутреннего, предохраняющего металл от окисления (муфеля), и наружного, футерованного огнеупорным кирпичом, на котором монтируются горелки или электрические нагреватели. Муфель выполняется из жароупорной стали. Герметизация колпаковой печи достигается применением песочных затворов. Обычно для ускорения нагрева металла с помощью внутреннего циркуляционного вентилятора создают интенсивную циркуляцию защитного газа под муфелем.

Принципиальные отличия имеют  колпаковые печи для отжига листов, уложенных в стопу; колпаковые печи одностопные, колпаковые печи трёхстопные и колпаковые печи для отжига распушенных рулонов. Из этого многообразия конструкций наиболее распространена одностопная печь. Она лучше других вписывается в поточное производство, нагревает металл достаточно равномерно и быстро, даёт низкую себестоимость нагрева и довольно низкий расход топлива.

Рис. 1 – Схема колпаковой печи:

 

Рис.1 Внешний вид колпаковой печи.

1. Вход в дымовой боров.
2. Инжектор.
3. Кольцевой канал сжатого воздуха.
4. Конвекторное кольцо.
5. Рулон
6. Нагревательный колпак.
7. Крышка
8. Двойной муфель
9. Рабочее колесо вентилятора
10. Газопровод
11. Горелка
12. Песочный затвор.

 

Время нагрева в колпаковой печи является главным фактором, влияющим на расход топлива. Время зависит  от условий теплообмена на торцах и боковой поверхности рулонов металла. Известно, что для прогрева плотносмотанных рулонов в радиальном направлении требуется времени в несколько раз больше, чем для прогрева в аксиальном направлении. Это связано с тем, что коэффициент теплопроводности в радиальном направлении для стали составляет только 1,5-4 Вт/(м×К), а в аксиальном направлении около 30 Вт/(м×К). Низкие значения коэффициента теплопроводности в радиальном направлении связаны с наличием воздуха между витками рулона. Для обеспечения подвода необходимого количества теплоты к торцам рулонов служат специальные устройства, называемые конвекторными кольцами и размещаемые между рулонами. Они представляют собой набор узких параллельных спиралевидных каналов между плоскими пластинами. По каналам проходит горячий защитный газ, отдающий свою теплоту. Высота конвекторных колец – 50-120 мм.

Равномерность нагрева  металла определяется типом направляющего  аппарата, расположенного в самом  низу муфеля. Внутри аппарата располагается  рабочее колесо циркуляционного  вентилятора. Защитная атмосфера подсасывается  в аппарат сверху вниз и распределяется по периферии.

Принцип работы колпаковой печи определяется технологическим  процессом, который делится на три  примерно одинаковые стадии: нагрев до 650-800 °С, охлаждение под муфелем до 150 °С и без него и последняя  стадия –разгрузка и загрузка стенда. Равенство времени по стадиям позволяет использовать три стенда с одним нагревательным колпаком и двумя муфелями. Загрузка металла заканчивается опусканием на стенд поверх стопы рулонов муфеля и нагревательного колпака. После этого подаётся защитный газ (обычно смесь из 95 % N2 и 5 % Н2) и с помощью циркуляционного вентилятора осуществляется его циркуляция. Затем включаются горелки. Продукты горения проходят между нагревательным колпаком и муфелем и при помощи инжектора (инжектирующая среда – компрессорный воздух) удаляются в дымоотводы и в дымовой боров. Температура дыма перед инжектором около 630-660 °С. В колпаковых печах физическая теплота дыма обычно не утилизируется, что можно считать одним из недостатков печей.

Защитный газ подается циркуляционным вентилятором в зазор между муфелем и рулонами стопы. Газ равномерно распределяется по конвекторным кольцам и через них попадает во внутренние полости рулонов, омывая их. Опускаясь по внутренней полости стопы газ возвращается в циркуляционный вентилятор. Кольца получают теплоту от защитного газа конвекцией и нагревают рулоны. Муфель излучает на боковую поверхность металла, но тепловой поток несущественен для нагрева рулонов из-за отмеченного ранее низкого коэффициента теплопроводности в радиальном направлении. Исключение делается для верхнего рулона, который получает теплоту на свой торец. Поэтому верхний рулон всегда греется быстрее других. В наихудших условиях нагрева и охлаждения находится нижний рулон. Проблемой является низкий коэффициент теплоотдачи от муфеля к защитному газу, в результате чего вынужденно поддерживаются высокими температура муфеля и температура дыма под нагревательным колпаком. Это приводит к повышенной температуре уходящих газов и высокому расходу топлива.

 

Ориентировочный вид  теплового баланса камеры сжигания топлива колпаковой печи (под нагревательным колпаком) приведен в табл. 1.

При составлении баланса  принято следующее. Происходит нагрев стопы из 4 рулонов стальной ленты  диаметром 2,2 метра от 60 до 720 °С. Масса  садки – 110,4 тонны. Время нагрева – 50 часов. Допустимая разница температур по объему садки – 50 °С. Топливо – коксодоменная смесь с низшей теплотой сгорания 6,65 МДж/м3.

В данном примере удельный расход топлива составил 1129/29,3 = 39 кг у.т./т металла. Обычно удельный расход топлива в одностопных колпаковых печах в зависимости от режима термообработки составляет от 35 до 50 кг у.т./т металла.

Таблица 1 – Ориентировочный тепловой баланс колпаковой печи (на 1 кг нагретого металла)

 

Пути экономии топлива  в колпаковых печах:

1. использование рекуператоров для подогрева воздуха до 350-390 °С, что снижает расход топлива на 17-20 %;

2. интенсификация теплообмена  между нагревательным колпаком  и муфелем (специальная обмазка  внутренней поверхности нагревательного  колпака, скоростные горелки и т.п.);

3. разработка оптимальной  конструкции конвекторных колец,  обеспечивающих высокую теплоотдачу  к торцам рулонов и имеющих  низкое гидравлическое сопротивление;

4. применение в кладке  волокнистых огнеупорных материалов, позволяющих примерно в 2 раза  снизить потери теплоты на аккумуляцию кладки;

5. разработка конструкции  печи с условиями теплообмена  на всех торцах рулонов, похожими  на условия для верхнего торца  верхнего рулона;

6. замена двух колпаковых  печей одной реверсивной печью,  принцип которой аналогичен работе стана Стеккеля: две обогреваемые камеры с печными моталками. Но в отличие от стана Стеккеля, между камерами с моталками находится система стационарных и подвижных роликов, подогревающих или охлаждающих ленту рулона при перематывании;

7. изменение схемы подачи защитного газа: газ подается циркуляционным вентилятором не по периферии, а по центру рулона и через конвекторные кольца выбрасывается струями на стенки защитного муфеля. При этом резко увеличивается теплоотдача на внутренней поверхности муфеля, что приводит к сокращению времени цикла термообработки на 20-30% и сокращению расхода топлива.

Современная колпаковая печь как правило включает в себя следующее оборудование:

Стационарный стенд;

Колпак для нагрева  и выдержки;

Колпак для охлаждения;

Муфель;

Газовакуумная система;

Система водоохлаждения;

Электроконтактную систему;

Системы газоаналитическую, автоматизированного и экологического контроля, контрольно-измерительных  приборов.

Управление печью как  правило возможно в ручном и автоматическом режимах.

Благодаря модульной  системе колпаковые печи могут укомплектовываться дополнительными стендами, генераторами для выработки азота и кислорода, внутренним теплообменником, моечной  машиной, различной специализированной оснасткой и прочими необходимыми функциональными модулями и системами управления.

Ашинский металлургический завод для термообработки металлопроката использует пять колпаковых печей, последняя  из которых была приобретена у  ОАО «Курганхиммаш» для увеличения объемов производства сверхтонкой (до 50 микрон) электротехнической ленты.

Калужский завод по обработке  цветных металлов использует колпаковые печи HPH всемирно известного производителя LOI для осуществления светлого отжига рулонных металлических лент в чистом водороде. Возможность одновременного отжига нескольких партий изделий позволяет значительно увеличить эффективность и производительность участка термообработки.

На заводе магнезиальных  изделий комбината «Магнезит», российского  лидера в производстве огнеупорных  материалов, используется единственная на территории России колпаковая печь периодического действия американского производителя «ХЭД». Оборудование предназначено для обработки плит для шиберной разливки стали и рассчитано на 60 лет постоянного использования без риска возникновений деформации корпуса.