Главная | Обратная связь

Печи с радиационными трубами.

При косвенном нагреве металл полностью изолируется от дымовых газов, а теплопередача осуществляется через промежуточную стенку. В пламенных печах, оборудованных радиационными трубами, горение осуществляется внутри трубы, а теплоотдача от стенки протекает в ос­новном путем радиации.

Принципиальная схема радиационной трубы и более сложные их конструкции представлены на рис.1 и 2. Для снижения потерь тепла с отходящими газами внутри трубы ус­танавливаются ребристые рекуператоры, через которые проходит воздух для горения. В некоторых случаях их поверхность недостаточна и тогда требуется установка дополнительного внешнего рекуператора.

 

 

Рис. 1. Радиационная труба U-образной формы: 1 - выносной рекуператор; 2 - кожух п чи; 3 - уплотнительный короб; 4 - внутренний рекуператор; 5 - поворотное кол но; б - опора, закрепленная в кладе; 7 - корпус трубы; 8 - установочная плита; 9 - горелка; 10 - запальник для предварительного зажигания; 11 - компенсатор для обеспечения термического расширения

 

 

Рис. 2. Радиационные трубы различной конфигурации:

а - Ф-образная (двухкольцевая); б - W-образная; в - М-образная;

г - однокольцевая; д - Р-образная; е - У-образная; ж - О-образная;

3 - петлевая; и - L-образная; к - прямая; л – тупиковая

Различают проходные и тупиковые радиационные трубы. У первых газ и воздух для горения отводятся от противоположного ее конца. В тупиковых же трубах ввод газа и воздуха совмещен с выводом дымовых и производится с одного конца.

В зависимости от числа поворотов различают одновитьевые, двухвитьевые и многовитьевые трубы. Так, на рис. 1 показана двухвитьевая тупиковая труба. На рис. 2 представлены более сложные конструкции радиациооных труб. В радиационных трубах обычно сжигают газ с коэффициентом расхода воздуха 1,15 - 1,20. Возможно также сжигание мазута или установка электрических нагревателей внутри трубы.

Материал труб - жаропрочные, хромоникелевые стали. Температура их поверхности не превышает 1000 °С, а нагрев металла не больше 900°С Использование карборундовых труб позволяет увеличить температуру стенок до 1300 °С.

Па практике используют радиационные трубы следующих разме­ров диаметр D = 80 - 200 мм, длина L = 1,0 - 3,5 м и толщина стенок δ 4-15 мм.

Исходя из ограничений теплонапряженности одной трубы (q = 23 -40 Вт/м²) и для более равномерного нагрева на одной печи устанавливают определенное количество труб в соответствии с результатами теплового расчета. Их шаг (расстояние между нейтральными осями) принимают равным S= 0,5 для одновитьевых и S = 0,3 м для многовитьевых. Число труб n подсчитывается по формуле

 

n = QK/qf

 

где Q - общее количество тепла, расходуемое на нагрев металла, Вт; К = 1,15 - 1,25 - коэффициент запаса; f - рабочая поверхность одной грубы, м².

Тепловое напряжение трубы подсчитывается обычным методом:

 

q = С_пр[(T_тр /100⁴) - (Т_м /100⁴)],

 

где T_тр и Т_м - температуры поверхностей трубы и металла, К.

 

Приведенный коэффициент излучения С_пр зависит от расположения труб, соответствующих угловых коэффициентов φ, а также от степени черноты поверхностей трубы и металла.

Так, на рис. 3 дан график для определения общих угловых коэф­фициентов φ_1-2 и φ_2-1 от металла к трубе и от трубы к металлу в зави­симости от отношения S/D. График этот рассчитан для горизонтального расположения радиационных труб при наличии отражающей поверхно­сти кладки, расположенной за трубами. В этих условия С_пр подсчитыва­ется следующим образом:

 

C_пр =С₀ φ_1-2 [φ_1-2 (1/ε₂ - 1) + φ_2-1 (1/ε₂ - 1) + 1]. (6.3)

 

Рис. 3. Определение угловых коэффициентов при горизонтальном расположении радиа­ционных труб: а - схема расположения: 1 - радиационная труба; 2 - поверхность садки; 3 - поверхность кладки; б - зависимость между угловыми коэффициентами и относительным шагом труб SID

При двухстороннем расположении труб

 

С_пр =С₀ε₁ φ_1-2 [φ_2-1 + φ_2-1 (1/ε₂ - 1) + 1

 

где С₀ =5,67 Вт/(м²К⁴) - коэффициент излучения абсолютно черного тела; ε₁ и ε₂ - соответственно интегральные степени черноты поверхности труб и нагреваемого металла.

Значения коэффициентов черноты стальной поверхности, как из­вестно, колеблются от 0,1 до 0,9 в зависимости от ее состояния и степени окисления. При на­греве в контролируемой (защитной) атмосфере принимают ε₁ = 0,75 и ε₂ = 0,50.

В некоторых случаях для увеличения интенсивности теплообмена в рабочем пространстве устанавливаются циркуляционные приспособле­ния. Общий коэффициент теплопередачи возрастает при этом на 15 -20%. Можно рекомендовать сравнение результатов расчетов с. данными, подученными при испытаниях действующих установок.

Радиационными трубами оборудуются печи косвенного нагрева без муфеля, у которых рабочее пространство заполнено защитным газом, а также другие виды нагревательных устройств (нагрев в кипящем слое, в ваннах для травления и др.).

В машиностроительном производстве радиационные трубы исполь­зуются в печах непрерывного и периодического действия. К первым от­носятся проходные конвейерные и толкательные печи, ко вторым - печи камерные.

При подсчете теплонапряженности труб и выборе схемы их расположения нужно зачитывать особенности технологии, загрузки пода и продвижения заготовок. При нагреве в кипящем слое предусматривася например, установка вертикальных радиационных труб.

Муфельные печи. Типы муфельных печей

Существует и другой распространенный способ изоляции металла от дымовых газов - нагрев заготовок внутри изолированного сосуда, называемого муфелем. Он заполняется защитной газовой смесью, которая предохраняет заготовки от окисления и обезуглероживания. Часто нагрев связан с химико-термической обработкой (цементацией, науглероживанием, азотированием и др.). В этом случае в муфели подают специальные контролируемые атмосферы.

Защитные и контролируемые атмосферы получают в специальных предназначенных для этого генераторах. Муфели изготавливают из нержавеющих сталей, не исключено также использование керамических материалов. Для увеличения интенсивности теплоотдачи внутри муфеля иногда устанавливают приспособления для циркуляции контролируемой атмосферы.

Разновидностью муфельных печей являются колпаковые печи, которые получили широкое распространение в металлургии и машиностроении. Их часто используют для термообработка листового материале в стопках и рулонах, а также чугунного и стального литья. Крупные от­ливки помещают на поду печи, а мелкие нагревают в чугунных "корзи­нах".

Установка для нагрева состоит из неподвижного стенда и двух съемных колпаков: внешнего - из легковесного огнеупора и внутреннего - из огнеупорной кладки. Наружный колпак выполняет функции стенок и свода камерной печи, в нем монтируются горелки и дымоотводящис каналы. По окончании нагрева нагретый колпак для сохранения заклю­ченного в нем тепла с помощью мостового крана переносится на другой, запасной стенд. Обычно установка состоит из двух или трех стендов.

Муфельная печь - это нагревательное устройство, предназначенное для нагрева разнообразных материалов до определенной температуры. Главной особенностью этой печи является наличие т.н. муфеля, защищающего обрабатываемый материал и являющегося главным рабочим пространством муфельной печи.

Типы муфельных печей:

Умеренные температуры: 100°С-500°С

Средние температуры: 400°С-900°С

Высокие температуры: 900°С-1400°С

Сверхвысокие температуры: 1400°С-1650°С (2000°С)

По типу нагрева:

Электрические муфельные печи

Газовые муфельные печи

По защитному режиму обработки:

Воздушные: нагрев в воздушной среде (общее назначение)

С защитной газовой атмосферой: нагрев в специальной газовой среде (водород, аргон, гелий, азот, восстановительные газы, азотирующие газы и др.)

Вакуумные: нагрев в вакууме

По конструкции:

Вертикальной загрузки (горшковые)

Колпаковые (с отделением от пода)

Горизонтальной загрузки (простые)

Трубчатые (поверка термопар)

Наиболее широкое применение в промышленности, как средство термической обработки (нагрев, спекание, прокалка, отжиг и др.) нашли муфельные печи. Непосредственно муфельными печами, являются электропечи с установленным в рабочем пространстве муфелем, обычно керамическим.

Муфельные печи, в отличие от камерных печей других типов обладают некоторыми

 

недостатками, активно снижающими возможные области их применения. Муфелирование нагревательных элементов, т.е. расположение их за керамическим муфелем, не позволяет использовать данные электропечи при температурах рабочего пространства выше 1100 °С. Это связано с необходимостью повышения температуры на нагревательных элементах выше допустимого температурного уровня их применения. Для возможного снижения температурного перехода между температурой внутри муфеля, т.е. температуры рабочего пространства, и нагревательного элемента, муфеля изготавливаются из керамики, обладающей высоким значением коэффициента теплопроводности, а значит и высокой плотностью. Серьезным недостатком высокоплотного муфеля является его низкая термостойкость. Понятие термостойкости муфеля определяет допустимую скорость его разогрева и количество теплосмен(нагрев-охлаждение) которое он выдерживает до разрушения. Таким образом муфельные печи не позволяют реализовать в них скоростные режимы термообработки, не позволяют проводить в них термообработку металла с необходимостью выгрузки (загрузки) материала из(в) разогретой печи, что связано с открыванием двери, либо крышки.

С позиции тепловой эффективности муфельные печи отличаются от термоагрегатов иных типов тем, что требуют дополнительного расхода электроэнергии на разогрев непосредственно муфеля, обладающего значительной массой, и как следствие требуют удлиненного теплового процесса.

В тоже время следует отметить, что категорическая необходимость ликвидации прямого излучения нагревателей на термообрабатываемый материал может быть реализована не использованием массивного муфеля, а расположением нагревательных элементов внутри керамических трубок в рабочем пространстве, что частично ликвидирует указанные выше недостатки муфельных печей.

Выпускаемые теплопечи с муфелями из волокнистых материалов со сформированными внутри них нагревателями лишены недостатков электропечей с высокоплотным муфелем, определяемых уровнем теплостойкости. При этом, расположение нагревателя в слое теплоизоляционного волокнистого материала снижает эффективность работы нагревательных элементов. Одним из серьезных недостатков волокнистого муфеля является низкая стойкость волокна при наличии газовыделения из обрабатываемого материала за счет возникающего химического взаимодействия с материалом муфеля, особенно активно такие процессы происходят при обжиге керамики с эмалями(выделение солей), при прокаливании опок(выгорание остатков воска, при термообработке металлов(выгорание масла).

Таким образом, муфельные печи для работы при окислительной (воздушной) среде разумно использовать при малых размерах муфеля, когда муфелирование нагревателей керамическими трубками приводит к значительному сокращению рабочего объема и не происходит газовыделение из обрабатываемого материала.

Наиболее широко муфельные печи нашли применение в процессах термообработки материалов в защитных средах (двуокись углерода, водород, азот и др.). Такое исполнение электропечей позволяет обеспечить окислительную среду вне муфеля, где расположены нагревательные элементы, и соответственно значительно удлинить срок службы как нагревателей так и печь в целом.

Основные области использования муфельных печей:

Термообработка металлов (закалка, отжиг, отпуск, нормализация)

Плавка металлов

Обжиг керамических изделий

Сжигание (озоление)

Кремация

Пробирный анализ (купелирование)

Высушивание