ПЕЧИ КОСВЕННОГО ДЕЙСТВИЯ
Общие сведения
Из всех электрических печей наиболее распространенными являются ПС косвенного действия, применяемые для нагрева различных изделий и плавки металлов и сплавов. Эти печи классифицируют аналогично топливным печам:
а) по роду работы — на печи периодического действия и печи непрерывного действия;
б)по рабочей температуре — на печи низкотемпературные
I(до 600—900 К), среднетемпературные (до 1300 К) и высокотемпературные (свыше 1300К);
в) по атмосфере рабочего пространства — на печи с окислительной (воздушной) средой, с контролируемыми атмосферами, вакуумные и компрессионные 1;
г) по конструктивным признакам; п е ч и п е р и о д и ч ес к о г о д е й с т в и я (камерные, шахтные, колпаковые, элеваторные с подъемным подом, камерньте с вьтдвижньтм подом, муфельные, колодцы, плавильные); п е ч и н е п р е р ы в н о г о д е й с т в и я (конвейерные, барабанные, карусельные, ручьевые, протяжные, толкательные, с рольганговым подом, с шагающим подом, с пульсирующим подом и т. п.).
Различают следующие режимы работы ПС косвенного действия:
1) длительный режим, при котором ПС работает круглосуточно и футеровка достигает установившейся температуры;
2)периодический режим, при котором ПС до одного раза в сутки отключают, но футеровка достигает установившейся температуры;
3)циклический режим, при котором ПС включают и отключают так часто, что футеровка не достигает установившейся температуры ни в процессе нагрева, ни в процессе охлаждения;
4)скоростной режим, при котором температура рабочего пространства ПС более чем на 50 К превышает температуру нагрева изделия в течение всего периода нагрева. ПСкосвенного действия характеризуются установленной мощностью, мощностью холостого хода, размерами рабочего пространства, рабочей температурой, производимостью и разновидностью печной атмосферы
ВНИИЭТО разработал обозначение и размерные ряды всех типов ПС косвенного действия, данные которых можно найти ,в справочной литературе.
Конкретный тип печи следует выбирать с наиболее полным учетом особенностей технологического процесса и возможностей оборудования.
Материалы для нагревательных элементов. В ПС косвенного действия проводником тока служит специальное сопротивление — нагревательный элемент, который включают в электрическую цепь и в котором происходит Выделение тепловой энергии, согласно формуле (VI-1). Передача тепла от Нагревательного элемента к нагреваемому изделию происходит по законам теплоте передачи излучением, конвекции или теплопроводностью
материал для изготовления нагревательных элементов должен обладать следующими свойствами: высоким удельным электросопротивлением (р, Ом*м), известной (желательно линейной) зависимостью р от температуры малым температурным коэффициентом удельного электросопротивления, высокими температурой плавления и жаростойкостью, достаточной жаропрочностью, отсутствием фазовых превращений при нагреве и охлаждении в процессе эксплуатации, низкой стоимостью.
По характеру материала, применяемого для изготовления нагревательные элементы разделяют на металлические и неметаллические. Металлические нагревательные элементы изготовляют из сплавов сопротивления (никельхромовые, железохромо. никелевые и железохромоалюминиевые) и тугоплавких металлов (молибден, Вольфрам, тантал). Физические Свойства и минимально допустимые температуры этих материалов приведены в приложении Х. При большом значении коэффициента % (у тугоплавких металлов) удельное и общее электросопротивление холодного и нагретого нагревательных элементов отличаются примерно в 10 раз, что вызывает необходимость при пуске ПС снижать питающее напряжение применяемое с этой целью специальные электрооборудование удорожает электропечную установку. Сплавы сопротивления нагревательных элементов используют в виде проволоки холоднотянутой (диаметром 3—7 мм) и горячекатаной (диаметром 8—IО мм) и в виде ленты (Сечением от 1 х 10 до З х 30 мм2). Из Проволоки нагреватели делают в виде цилиндрических спиралей или зигзагов (рис. 185), из ленты — зигзагорали. образньие нагреватели (рис. 186). Целесообразно навешивать спирали на керамические трубки (рис. 187). Крепление нагревателей осуществляют на вертикальных стенах (подвеска на металлических крючках, укладка на керамических полочках); над подом (укладка на керамических гребенках или специальных фасонной керамике) под Сводом (подвеска на металлических крючках или на керамических трубках). Неметаллические нагреватели изготовляют в виде специальных нагревательных элементов из карбида кремния (ГОСТ 16139—70), дисилицида молибдена, графита, угольной крошки (криптола), а также в виде жидких нагревательных элементов (расплавленные соли, шлаки и т. п.).
Рис. 185. Конструкции проволочных нагревательных элементов и способы их крепления к футеровке ПС косвенного действия: а- спираль в пазах сводного кирпича; б — то же, на полочках боковых стен; в - то же в пазах пода; г — зигзаг на полочках свода; д — то же, на крючках; е — то же на полочках боковых стен; ж — тоже, в пазах пода
Футеровка. Чтобы уменьшить потери тепла в окружающую среду, нагревательный элемент и нагреваемое изделие помещают в закрытую камеру, выполненную из огнеупорного материала (керамического или металлического) и имеющую соответствующую тепловую изоляцию. Внутренняя поверхность камеры ПС косвенного действия, работающих по радиационному режиму, играет роль излучателя (при Тф > То) или отражателя (при высокой ее отражательной способности). В ПС косвенного действия, работающих по
Рис. 186. Способы крепления ленточных зигзагообразных нагревательных элементов к футеровке ПС косвенного действия а — на полочках свода; б — на металлических крючках; в — на керамических полочках; г — в пазах подеа
конвективному режиму, нагрев изделия обеспечивают за счет принудительной циркуляции воздушной или газовой атмосферы в печной камере.
Огнеупорная кладка, выполняемая из нормальных кирпичей, фасонного огнеупора и специальной керамики, образует заданную по форме и размерам печную камеру, в которой размещают нагреваемое изделие со вспомогательными поддерживающими и транспортными устройствами, а также нагревательные элементы. Толщина огнеупорной кладки должна быть минимальной, но достаточной по условиям строительной устойчивости, а также по условиям размещения и крепления нагревательных элементов. Излишняя толщина огнеупорной кладки увеличивает массу и энтальвию футеровки, а следовательно, удорожает печь. В высокотемпературных ПС косвенного действия часто трудно или невозможно подобрать керамические огнеупорные и теплоизоляционные материалы, способные работать в условиях высокой температуры. В этих случаях применяют экранную теплоизоляцию из графитовых или металлических экранов (рис. 188, а). Экраны применяют также для снижения тепловой инерции футеровки (так называемые (безынерционные печи), в вакуумных печах для снижения адсорбции газов и для концентрации тепловых потоков в печах с фокусирующим ранами (так называемые оптические» печи, см. рис. 188, 6).
Рис. 187. Конструкция (а) испособы крепления проволочных спиральных нагревательных элементов в ПС косвенного действия на своде (б), на боковых стенах (в — на металлических подвесках; — в пазах керамических столбиков) и в поду (д)
Конструкции промышленных ПС косвенного действия
Камерные печи (рис. 190) просты по конструкции, универсальны. В зависимости от рабочей температуры печей (1000—1400; 1500; 1600; 1800 К) для изготовления нагревателей применяют соответственно материалы: них ромы, железохромоалюминиевые сплавы, карборунд, дисилицид молибдена.
Колпаковые печи (рис. 191) предназначены для отжига стальных листов в стопах, ленты в рулонах, проволоки в бунтах при применении защитной атмосферы или вакуума. Садку помеiцают на футерованный стенд 11, перекрытый подовой плитой 8, и закрывают жароупорным муфелем 1, под который подводят защитный газ (азот). для герметизации пространства внутри муфеля предусмотрен песочный затвор 5. Сверху муфеля устанавливают колпак 2, футерованный шамотным кирпичом. Нагревательные элементы 7 установлены на боковых стенах колпака и в стенде под подовой плитой, Съемный наружный колпак предназначен для нагрева и выдержки садки; охлаждение садки до 400—450 К происходит под муфелем. Обычно на один колпак приходится 3—4 стенда с соответствующим числом жароупорных муфелей. Колодцы (рис. 192) применяют для нагрева слитков сортового металла массой 3—8 т и листовых слитков массой 5—18 т при общей массе садки 20—60 т. Мощность колодцев составляет 600— 3000 кВА (30—50 кВА на 1 т садки). Рабочая температура достигает 1500 К. Колодцы нагревают криптоловыми нагревателями (4) в восстановительной атмосфере, получаемой при неполном сгорании кокса или специально впрыскиваемого керосина. Удельный расход электрической энергии при нагреве слитков холодного и горячего посада составляет соответственно 34О—3бО и 70— ЗО кВт.ч/т садки, уменьшаясь с ростом температуры горячего посада. Основное преимущество электрических нагревательных колодцев — низкий угар металла, равный О,2—-О,5% (вместо 2— 3% в топливных нагревательных колодцах).
Печи электрошлакового переп лава Печь электрошлакового переплава (ЭШП) показана на рис. 193. Такие печи применяют в электрометаллургии качественных сталей для вторичного переплава металла с целью повышения его качества. Сущность процесса состоит в переплаве расходуемого электрода в электропроводной шлаковой ванне при прохождении через нее переменного электрического тока. Металл, оплавляясь на торце электрода, проходит в виде капель через слой шлака и формируется в слиток в водоохлаждаемой изложнице — кристаллизаторе. В результате электрошлакового переплава качество металла повышается благодаря следующим процессам:
а) рафинированию металла (удалению серы, газов и неметаллических включений) при обработке его химически активным при 2000—2300 К шлаком заданного состава и физико-химических свойств;
б) последовательной медленной, направленной (снизу вверх) кристаллизации слитка в водоохлаждаемом кристаллизаторе; при этом возрастает плотность слитка, получается однородная макроструктур а, увеличивается выход годного металла. В печах ЭШП существует тесная связь между электрическим полем и тепловым состоянием шлаковой ванны, которая также зависит от теплофизических свойств шлака и геометрических размеров ванны. Выразим плотность объемного тепловыделения в шлаковой
ванне: qv=Q*E2*103кВт/м3
Полезная мощность, необходимая для нагрева металла от температуры Т0до температуры солидуса, перегрева его до температуры ликвидуса (т. е. расплавления) и перегрева жидкого металла до температуры шлаковой ванны Тш, т. е. для изменения энтальпии расходуемого электрода, переплавляемого с массовой скоростью С, может быть рассчитана по формуле
где i, — энтальпия металла при температуре шлаковой ванны, кдж/кг. для стали можно принять равной 1300—1500 кдж/кг (или 0,36—-0,41 кВт-ч/кг).
Из уравнения (Уi-29) видно, что массовая скорость электрошлакового переплава ‚ при постоянных температурных условиях в шлаковой ванне определяется теплофизическими свойствами переплавляемого металла.
Удельный расход электроэнергии на печах ЭШП колеблется в весьма широких пределах (от 1000 до 2000 кВт.ч/т), что значительно превышает энтальгию металла i и даже на ДСП с огнеупорной футеровкой и соответствующей теплоизоляцией. Таким образом, ЭШП как процесс плавки металла в водоохлаждаемом кристаллизаторе является теплотехнически несовершенным и применение печей ЭШП будет оправдано в тех случаях, когда требуется металл особо высокого качества, который выплавит в печах другого типа невозможно.
