Введение в нагревательную печь: принцип работы, типы и применение

Нагревательные печи необходимы в различных отраслях промышленности, включая кристаллизацию и переработку, где очень важен точный контроль температуры. Эти печи преобразуют различные формы энергии в тепло и передают его материалам с помощью теплового излучения и конвекции. Контроль температуры во время таких процессов, как рост кристаллов и нанесение поверхностного слоя, напрямую влияет на качество продукции. В этой статье рассказывается об основных принципах работы нагревательных печей и рассматриваются различные типы нагревательных печей с указанием их уникальных характеристик и областей применения. Понимание этих типов поможет выбрать наиболее подходящую печь для конкретных промышленных нужд.

Основной принцип работы нагревательной печи

Основной принцип работы нагревательной печи включает в себя: 1) преобразование электрической энергии в тепловую с помощью резистивного, индукционного или лучистого нагрева, или 2) преобразование химической энергии в тепловую с помощью процесса сгорания топлива и равномерной передачи тепла нагреваемому материалу.

Нагревательная печь оснащена устройством внутреннего сгорания для сжигания топлива с образованием высокотемпературных дымовых газов. Дымовые газы отводятся через дымоход, а отходящее тепло отработанных газов может быть использовано для предварительного нагрева воздуха, поступающего в камеру сгорания, для повышения тепловой эффективности. Нагревательная печь также может быть оснащена автоматической системой управления и контроля для точного регулирования температуры и времени процесса нагрева. В нагревательных печах непрерывного действия обычно используется газовое топливо, тяжелое масло или пылевидный уголь, а в некоторых - кусковой уголь. Чтобы эффективно использовать тепло отходящих газов, в дымоходе устанавливают теплообменники для предварительного нагрева воздуха и газа или котлы-утилизаторы.

В кузнечном и прокатном производстве заготовки обычно нагревают в окислительной атмосфере с пламенем полного сгорания. Использование неполного сгорания восстановительного пламени (т. е. "самозащитной атмосферы") для непосредственного нагрева металла позволяет добиться отсутствия окисления или меньшего окисления. Такой тип нагрева называется открытопламенным или открытопламенным неокислительным нагревом и успешно применяется в печах с вращающимся подом и камерных печах.

Общая структура нагревательной печи в соответствии с распределением температуры в печи, длина печи по направлению секции предварительного нагрева, секции нагрева и секции равномерного нагрева. В секции предварительного нагрева температура печи ниже, но также и в конце подачи сырья, ее роль заключается в использовании тепла печного газа, чтобы улучшить тепловую эффективность печи. Секция нагрева является основной секцией нагрева, температура печного газа выше, чтобы облегчить реализацию быстрого нагрева. Секция равномерного нагрева расположена в разгрузочной части, разница температур между печным газом и температурой металлического материала очень мала, чтобы обеспечить равномерную температуру секции заготовки, выходящей из печи.

Рис. 1 Структура и принцип работы вакуумной нагревательной печи

Типы нагревательных печей и их характеристики

В настоящее время более распространена классификация, основанная на форме и технологическом использовании нагревательной печи, которая подразделяется на печи непрерывного нагрева и камерные нагревательные печи. Каждая категория далее подразделяется на конкретные типы.

Печь непрерывного нагрева

Большинство нагревательных печей непрерывного действия используются для нагрева металлических заготовок перед прокаткой, а некоторые - для ковки и термообработки. Главной особенностью является то, что заготовка в печи в соответствии с ритмом прокатки непрерывно движется, печной газ в печи также имеет непрерывный поток. В целом по сечению размер шихты, вид и выход остаются неизменными, температура всех частей печи и температура металлического материала в печи не меняется со временем, а меняется только по длине печи.

Рис. 2 Печь непрерывного нагрева штабелированных саггаров

К нагревательным печам непрерывного действия относятся толкательные, ступенчатые, ротационные, камерные печи. Среди них при обсуждении печей непрерывного нагрева часто особо упоминаются печи толкательного типа.

1. Печь непрерывного нагрева толкательного типа

Печь непрерывного нагрева толкательного типа работает за счет толкания сталелитейной машины для выполнения задачи транспортировки материалов в печь с непрерывным нагревом печи. Заготовки скользят по дну печи или по горкам, поддерживаемым водоохлаждаемыми трубами; в последнем случае заготовки могут нагреваться с обеих сторон. Водяные трубы на дне печи обычно покрыты изоляционным материалом, чтобы минимизировать потери тепла. Чтобы свести к минимуму водоохлаждаемую горку, вызванную "черными метками" нижней части заготовки, поддерживаемыми огнеупорной кладкой стены, такую печь называют "печью с водяным охлаждением".

2. Печь со ступенчатым непрерывным нагревом

Ступенчатая печь непрерывного нагрева перемещает заготовки материала пошагово, опираясь на дно печи или водоохлаждаемые металлические балки. Это движение включает в себя шаги вперед, вниз и назад для продвижения заготовок через печь. Существует два основных типа таких печей:

• Печь со ступенчатым дном: Имеет фиксированное дно и ступенчатое дно.
• Печь со ступенчатой балкой: Имеет фиксированную балку и ступенчатую балку.

По сравнению с печью толкательного типа, она имеет следующие преимущества: 1) гибкая транспортировка материала, при необходимости весь материал печи может быть выгружен из печи; 2) заготовки на дне печи или в балках с интервалами могут быть быстрее и равномернее нагреты; 3) устранены дефекты свода и прилипания печи толкающего типа, и, таким образом, длина печи не подвержена ограничениям, связанным с этими факторами.

3. Отопительная печь с поворотным дном

Нагревательная печь с поворотным дном имеет неподвижный корпус печи с вращающимся дном. Заготовки материала, помещенные на вращающееся дно, перемещаются от входа к выходу при вращении дна. В зависимости от формы дна эти печи можно разделить на:

• Кольцевая печь: обычно используется на металлургических заводах.
• Дискообразная печь

Кольцевая печь с вращающимся подом имеет производительность около 75 тонн в час. Этот тип печи подходит для нагрева материалов, которые невозможно транспортировать с помощью толкающего или ступенчатого методов, таких как круглые заготовки, заготовки для колес и дисков, заготовки для штамповки и различные другие типы и длины заготовок.

Однако одним из недостатков является низкий коэффициент использования площади дна печи, при этом производительность на единицу площади обычно составляет около 350-400 кг/м² в час.

4. Печь быстрого нагрева камерного типа

Печь быстрого нагрева камерного типа состоит из нескольких нагревательных камер, расположенных в линию. Каждая камера разделена перегрузочными камерами, оснащенными роликами для заготовок. Заготовки, как одинарные, так и двойные, проходят через эти нагревательные камеры и помещения, получая тепло в течение всего процесса. Каждая нагревательная камера и соседняя с ней камера образуют "секцию печи", поэтому печь также называют секционной.

Печи этого типа нагреваются быстро, с небольшим окислением и обезуглероживанием, и подходят для нагрева круглых заготовок и стальных труб. Совмещаясь с планетарной мельницей, может использоваться для нагрева сляба непрерывного литья; также может быть локализован нагрев определенной стали.

Недостатком является низкая производственная мощность единицы длины печи, тепловая эффективность печи низкая.

Камерные нагревательные печи

Камерные нагревательные печи используются для нагрева металлических заготовок или слитков перед ковкой. Нагрев материала не перемещается, печь не сегментирована, а требование равномерной температуры везде, для нагрева крупных слитков используется циклическая система температур (т.е. температура в печи делится на период предварительного нагрева по времени, период нагрева, период равномерного нагрева и т.д.).

Рис. 3 Вид большой печи для камерного нагрева

Существует два вида камерных нагревательных печей: печи комнатного типа с фиксированным дном и печи с автоподогревом.

1. Камерная печь с фиксированным дном

Площадь дна печи обычно составляет 1 ~ 10 м 2. Зарядка больше вручную или простыми машинами; отопление больших заготовок камерной печи, есть также специально оборудованные зарядкой машины. Топливо для угля, тяжелой нефти или газа. Некоторые печи в стенке печи открывают зазор, и заготовки из зазора попадают в печь отопления, называются "шовные печи", часто используются в небольших кусках отопления или длинных заготовок в конце или местного отопления. При таком типе печи производительность единицы площади дна обычно составляет от 300 до 400 кг / (м 2 - час), а расход тепла на тонну стали составляет около (1,0 ~ 1,5) × 106 ккал.

2. Печь с автомобильным днищем

Используется при весе от более десяти тонн до нескольких сотен тонн крупных слитков в ковке перед нагревом, печь типа для помещения, или туннельного типа. Отопление объектов, размещенных на тележке, загрузка и выгрузка за пределами печи, с помощью крана мастерской или других тяговых устройств, чтобы вытащить тележку в или вытащил из печи, большой слиток отопления требования печи распределение температуры является равномерным, поэтому вагона дно типа печи часто используется для децентрализованного отопления и децентрализованного дымоудаления (горелка и выход дымовых газов рассеивается расположение в печи боковых стен).

Другие факторы классификации

Отопительные печи также могут быть классифицированы по различным факторам, помимо основных непрерывных и камерных типов. К таким классификациям относятся:

1. Конструкция печи: Основана на внешней форме печи, включая печи коробчатого типа, печи с наклонным верхом, цилиндрические печи и вертикальные печи.

2. Технологическое использование: основано на конкретном промышленном применении, включая атмосферные печи, декомпрессионные печи, каталитические печи, печи для коксования, печи для производства водорода и печи для производства асфальта.

3. Метод передачи тепла: Основан на способе передачи тепла, включая чисто радиационные печи, чисто конвекционные печи и конвекционно-радиационные печи.

4. Методы нагрева: По используемому методу нагрева, включая печи с односторонним излучением и печи с двусторонним излучением.

5. Форма горения и подача воздуха: По способу сгорания и подачи воздуха, включая печи с нижним подводом, печи с боковым подводом, печи с принудительной подачей воздуха и печи с естественной подачей воздуха.

6. Используемое топливо: По типу используемого топлива, включая масляные горелки, газовые горелки и двухтопливные горелки.

7: Специальные типы: По специальному назначению или рабочей среде, включая печи для нагрева лифта, печи для термообработки, вакуумные печи и атмосферные печи.

Заключение

Нагревательные печи незаменимы в отраслях, требующих точного контроля температуры, таких как кристаллизация и различные перерабатывающие производства. Понимание основных принципов, типов и характеристик нагревательных печей может помочь в выборе подходящего оборудования для конкретных задач. Независимо от того, используются ли печи непрерывного или камерного нагрева, выбор печи влияет на эффективность и качество процесса нагрева. Для получения подробных рекомендаций и экспертной оценки специалисты-консультанты, такие как сотрудники Stanford Advanced Materials (SAM), могут оказать ценную помощь в принятии обоснованных решений.

Ссылки:

[1] R. R. Gilman, Czochralski and Floating Zone Crystal Growth of Modern Materials, Springer, 2012.

[2] Г. Мюллер, "Справочник по выращиванию кристаллов: Bulk Crystal Growth", Elsevier, 2014.

[3] Guo Qin-Min, Qin Zhi-Hui. Развитие и применение технологии осаждения из паровой фазы в атомном производстве. Acta Phys. Sin., 2021, 70(2): 028101. doi: 10.7498/aps.70.20201436

[4] R. F. C. Farrow, "Molecular Beam Epitaxy: Применение к ключевым материалам", Noyes Publications, 1995.

[5] Л. Л. Чанг и К. Плуг, "Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры", Springer, 2013.

[6] Лех Павловски, "Наука и техника термического напыления покрытий", John Wiley & Sons, 2008.

[7] Роберт К. Такер-младший, "Технология термического напыления", ASM Handbook, Volume 5A, ASM International, 2013.

[8] Герд В. Беккер, "Промышленные печи: Оборудование для термообработки", Wiley-VCH, 2014.