125969 (Конструкция, методика расчёта нагревательных и термических печей для сортового проката), страница 3

Печи с шагающим подом или балками также весьма перспективны. Они свободны от недостатков, присущих толкательным печам. В них нагрев металла происходит с трёх сторон. Кроме того, в печах с шагающим подом легко менять режим нагрева, что является большим преимуществом в случае частой смены сортамента нагреваемого металла.

Наиболее ответственной частью футеровки проходных нагревательных печей являются участки монолитного пода, футеровка элементов шагающего пода, т.е. все элементы футеровки, подвергающиеся воздействию окалины при достаточно высокой температуре (1200 – 1250 ºС), при которой окалина может активно взаимодействовать с огнеупорными материалами. В силу этого верхние слои таких участков футеровки печи обычно выполняют из хромомагнезита, магнезитохромита и талькового кирпича – материалов, не взаимодействующих с окалиной. Подину обычно выполняют трёхслойной: из хромомагнезита (или другого окалиностойкого материала); шамота класса Б; диатомитового кирпича.

Своды печей выполняют арочными и подвесными. В качестве огнеупорного материала чаще всего используют шамот класса А и каолиновый кирпич. Стены печей выкладывают в низкотемпературных зонах двухслойными (шамот класса Б и диатомит), в высокотемпературных зонах трёхслойными (шамот класса А или каолин, шамот класса Б, диатомит).

Тепловой режим и отопление печей. Тепловой и температурный режимы проходных нагревательных печей неизменны во времени. Однако температура по длине печи может быть неизменна, но может и значительно меняться.

Чем выше температура в печи, в которую попадает холодный металл, тем быстрее растёт температура поверхности металла. Если нагревается тело, массивное в тепловом отношении, то резкое повышение температуры поверхности может вызвать возникновение чрезмерного температурного перепада. Поэтому массивный металл нагревают сравнительно медленно, постепенно, до тех пор, пока он не приобретёт необходимых пластических свойств, т.е. до 500 ºС. Этим и вызвано использование методического температурного режима работы печей. Для нагрева металла, который по своим размерам и свойствам ближе к тонкому телу, чем к массивному (например, слябы), созданы печи, работающие по режиму, занимающему промежуточное положение между камерным и методическим. Чтобы обеспечить общий подъём температурного уровня, в печи выполняют две сварочные зоны, в каждой из которых происходит сжигание топлива. При нагреве металла тонкого в тепловом отношении используют камерный режим, при котором поддерживается практически одинаковая температура по всему рабочему пространству. Обеспечение того или иного температурного режима работы печей достигается выбором метода отопления и соответствующего расположения горелочных устройств и дымоотводящих каналов.

Для обеспечения камерного режима необходимо горелки (форсунки) и дымоотборные каналы равномерно распределить по длине рабочего пространства.

Существует торцевое и сводовое отопление печей. При торцевом отоплении характер изменения температуры по длине печи определяет число и назначение её зон. Металл поступает в зону наиболее низких температур и, продвигаясь на встречу дымовым газам, температура которых всё повышается, постепенно нагревается. Методические печи по числу зон нагрева металла могут быть двух-, трёх- и многозонными с односторонним и двусторонним нагревом металла. Рассмотрим назначение зон на примере трёхзонной печи.

Методическая зона – первая (по ходу металла), с изменяющейся по длине температурой. В этой зоне металл постепенно подогревается до поступления в зону высоких температур (сварочную). Во избежание возникновения чрезмерных термических напряжений часто необходим медленный нагрев металла в интервале температур от 0 до 500 ºС. Вместе с тем методическая зона представляет собой противоточный теплообменник. Находящиеся в состоянии теплообмена дымовые газы и металл двигаются навстречу друг другу.

Металл нагревается дымовыми газами, т.е. утилизирует тепло дымовых газов, отходящих из зоны высоких температур. Общее падение температуры дымовых газов в методической зоне весьма значительно. Обычно в зоне высоких температур методических печей температура газов держится на уровне 1300 – 1400 ºС, в конце же методической зоны она находится в пределах 850 – 1100 ºС. Методическая зона значительно увеличивает коэффициент использования тепла, который достигает 40 – 45 %, тогда как в камерных печах он составляет 18 – 20 %.

Зона высоких температур или сварочная – вторая по ходу металла. В этой зоне осуществляется быстрый нагрев поверхности заготовки до конечной температуры. Температура нагрева металла в методических печах обычно составляет 1150 – 1250 ºС. Для интенсивного нагрева поверхности металла до этих температур в сварочной зоне необходимо обеспечивать температуру на 150 – 250 ºС выше, т.е. температура газов в сварочной зоне должна быть 1300 – 1400 ºС.

Томильная зона (зона выдержки) – третья по ходу металла. Она служит для выравнивания температур по сечению металла. В сварочной зоне до высоких температур нагревается только поверхность металла. В результате создаётся большой перепад температур по сечению металла, недопустимый по технологическим требованиям. Температуру в томильной зоне поддерживают всего на 30 – 50 ºС выше необходимой температуры нагрева металла.

Подобный трёхступенчатый режим нагрева необходим в тех случаях, когда нагревают заготовки, в которых может возникнуть значительный перепад температур по толщине (более 200 ºС на 1 м толщины металла). Такие печи (с тремя зонами) называют трёхзонными методическими печами.

3 Определение размеров печей

Размеры рабочего пространства определяют, исходя из производительности, размера и времени нагрева заготовки. Если Р – заданная производительность печи, а τ – время нагрева (ч), то для обеспечения этой производительности в печи в процессе нагрева должна постоянно находиться садка металла, равна G = Pτ.

Зная размеры нагреваемой заготовки (a – ширина, м; b – толщина, м; l – длина, м), можно определить массу g одной заготовки и число заготовок, постоянно находящихся в печи n = G/g.

Обычно при n < 200 шт. делают однорядную печь, длина которой будет равна L = a·n, м.

Для двухрядной печи L = a·n/2.

Если n/2 > 200, то печь выполняют трёхрядной и т.д.

Ширину печи определяют суммированием длины заготовки и необходимых зазоров между заготовкой и стенами печи или между двумя заготовками. Эти зазоры обычно равны примерно 0,25 м, поэтому ширина однорядной печи будет равна B = l + 2·0.25 м; двухрядной B = 2l + 3·0,25 м и т.д.

Длину печи с шагающим подом следует определять с учётом зазоров между заготовками. Обычно расстояние между гранями соседних заготовок составляет 0,5 – 0,7 их толщины.

Поэтому длина печи в этом случае составит

L = an + (0,5 – 0,7)b(n + 1).

Высоту свода печей h чаще всего определяют, исходя из опыта хорошо работающих печей. Так, для трёхзонных и многозонных толкательных печей и с шагающим подом расстояние от высшей точки свода до уровня пода составляет, м:

Начало печи (место посада металла)………………..1,2 – 1,5

Высота сварочных зон:

Верхних….…………………………………………….2,2 – 2,6

Нижних….……………………………………………..2,4 – 3,0

Высота томильной зоны……………………………...1,5 – 1,7

Часто при достаточном конструктивном опыте и наличии информации о хорошо работающих печах размер площади пода печей определяют не через время нагрева, а используя величину напряжённости активного пода На.

В этом случае

Fа = Р/На,

а длина печи La = Fa/B, где В – ширина печи.

4 Печи для термической обработки сортового проката.

4.1 Режимы термической обработки.

Наиболее распространённым видом термической обработки сортового проката является отжиг с целью проведения полной фазовой перекристаллизации, которая обеспечит получение необходимой твёрдости и оптимальной структуры, создающих наилучшие условия для обработки стали резанием. Отжиг стали, как известно, состоит из трёх этапов: нагрева до заданной температуры, выдержки при температуре нагрева, охлаждения по тому или иному режиму.

Температура нагрева зависит от состава стали и её выбираю так, чтобы она на 20 – 40 ºС превышала положение верхней критической точки АС3. Для сталей наиболее распространённых типов применяют следующую температуру нагрева ºС:

Шарикоподшипниковая……………………………780 – 820

Инструментальная углеродистая………………….745 – 820

Инструментальная легированная………………….730 – 880

Быстрорежущая……………………………………. 880 – 900

Скорость достижения конечной температуры нагрева не ограничивается, но обычно она составляет 100 ºС/ч. Время выдержки выбирают так, чтобы успели завершиться все те превращения, которые являются целью термической обработки. Строго говоря, выдержку следует проводить после выравнивания температуры по толщине садки металла. В садочных печах выравнивания температуры садки наступает после 10 – 12 ч с момента начала нагрева. После этого проводят выдержку в течении 2 – 3ч.

Скорость охлаждения металла при проведении отжига лимитируется только до 550 – 600 ºС, чтобы все превращения аустенита были закончены в перлитной области. Это охлаждение обычно осуществляется со скоростью 20 – 30 ºС/ч. Таким образом весь цикл отжига сортового проката занимает 18 – 24 ч.

В некоторых случаях сортовой прокат подвергают нормализации с нагревом до температуры на 30 – 50 ºС выше точки АС3 с последующим охлаждением на спокойном воздухе.

4.2 Конструкция печей

Для отжига чаще всего применяют садочные печи с выкатным подом и с загрузочной машиной (с внешней механизацией). Кроме того, иногда используют колпаковые печи с радиационными трубами или без них с защитной атмосферой. Для нормализации применяют проходные печи с шагающим подом, конвейерные и роликовые.

Садочные печи. Некоторое время были распространены печи с выдвижным подом. В эту печь металл загружают при помощи подвижной тележки и нагревают вместе с печью. Масса садки печей с выдвижным подом изменяется в очень широких пределах и составляет около 2 т/м² площади пода. Печь обычно отапливают газообразным топливом, для этого предусмотрено два ряда горелок, расположенных в шахматном порядке. Дымовые газы удаляются в боров через шесть отводящих каналов, расположенных попарно в середине и по концам печи. Специфическим недостатком печей с выкатывающимся подом является то, что при выкатывании подины теряется тепло.

С целью устранения этого недостатка для отжига сортового проката применяют печи с механизированной загрузкой металла (рисунок 29-1). Печь оборудована подподовыми топками, чаще всего её отапливают смесью коксового и доменного газов с теплотой сгорания 7500 – 8300 кДж/м³ при помощи горелок типа «труба в трубе».

Характер движения газов в рабочем пространстве определяется наличием подподовых топок. Для удаления дымовых газов из рабочего пространства печи в стенках выполнены специальные каналы, расположенные на уровне пода печи, что обеспечивает удовлетворительный нагрев низа садки. Масса садки печей составляет 15 – 20 т. Металл загружают в печь при помощи специальной машины.

Отжигу в рассматриваемых печах обычно подвергают круглые заготовки диаметром 30 – 60 мм или квадратные сечением 120 – 180 мм. Между отдельными пакетами металла помещают специальные прокладки, что способствует циркуляции газов внутри садки и повышает равномерность нагрева. В печах с механизированной загрузкой применяют изотермический отжиг с нагревом до 780 ºС и охлаждением до 650 ºС с выдержкой при этой температуре.

В садочных печах, как в печах периодического действия, значительное количество тепла тратится на нагрев кладки. Для таких печей характерно, что на нагрев металла расходуется 17 – 18 % тепла, унос с продуктами сгорания составляет 54 – 56 % и потери кладкой обычно равны 18 – 19 %. Иначе говоря, тепло, теряемое кладкой, равновелико полезному расходу тепла.

Футеровку термических печей выполняют обычно двухслойной: внутренний слой из шамота класса Б, наружный – из теплоизоляционного диатомового кирпича.

Поскольку садочные печи имеют переменный во времени температурный режим, тепловой расчёт таких печей выполняю на весь цикл работы, а не на 1 ч, как это делают для печей постоянного действия.

Садочным печам присущи следующие серьёзные недостатки:

• непостоянный во времени температурный режим, отрицательно сказывающийся на равномерности нагрева металла;

• высокий удельный расход топлива, вызванный периодическим нагревом кладки печи;

• сложность автоматического регулирования теплового режима печи;

• непригодность для высокопроизводительного поточно-массового производства.

Однако эти печи пока являются наиболее приемлемыми агрегатами для выполнения таких операций термообработки, которые связаны со значительными выдержками и замедленным охлаждением. Садочные печи также наиболее пригодны для термохимической обработки металла.

Проходные печи. Применение проходных печей позволяет обеспечить более совершенный метод нагрева металла. Для термической обработки сортового проката применяют непрерывные печи прямого нагрева трёх конструкций: с шагающим подом, с роликовым подом и конвейерные.

В печах с шагающим подом, применяемых для термической обработки, температура по длине печи чаще всего постоянна. В печах для нормализации иногда предусматривают по длине две зоны: нагрева до 900 ºС и охлаждения до 300 – 400 ºС. Обычно температура печи составляет около 1000 – 1050 ºС. Металл нагревается до 900 – 950 ºС. Печи отапливают холодным газообразным топливом. Горелки расположены равномерно по всей длине, дымовые газы удаляются из печи под зонт через рабочие окна и специальные, выполненные в свода, каналы. Печи с шагающим подом, предназначенные для термообработки, обеспечиваю удельную производительность около 400 – 450 кг/(м²·ч) при удельном расходе тепла около 2100 кДж/кг.