/
Author: Долотов Г.П. Кондаков Е.А.
Tags: технология обработки без снятия стружки в целом: процессы, инструмент, оборудование и приспособления отдельные машиностроительные и металлообрабатывающие процессы и производства машиностроение теплотехника литейное производство промышленные печи учебник для техникумов
Year: 1978
Text
Г. П. Дол ото в, Е. А. Кондаков.
Печи
и сушила
литейного
производства
Г. П. ДОЛОТОВ, Е. А. КОНДАКОВ
ПЕЧИ И СУШИЛА
ЛИТЕЙНОГО
ПРОИЗВОДСТВА
Допущено Министерством высшего и среднего
специального образования СССР
в качестве учебника для учащихся техникумов
Москва
«МАШИНОСТРОЕНИЕ»
1978
ББК 34.61
Д64
УДК 621.74 + 621.783.2 + 621.742.52.06 (075.3)
Рецензенты: Московский машиностроительный техникум им.
Ф. Э. Дзержинского (канд. техн, наук Н. Д. Ти-
тов) и канд. техн, наук Ю. П. Филимонов
Долотов Г. П., Кондаков Е. А.
Д64 Печи и сушила литейного производства: Учебник для
техникумов. — М.: Машиностроение, 1978. — 192 с., ил.
40 к.
В учебнике изложены основы теории печной теплотехники. Даны расчеты
современного печного оборудования литейных цехов. Описаны конструкции пла-
вильных, нагревательных и сушильных печей, а также горелок, форсунок и реку-
ператоров, применяемых на этих печах. Приведенные примеры расчетов, графи-
ки, номограммы и таблицы могут быть использованы для курсового проектиро-
вания.
31204-617
------------74-79
038(01)-78
ББК 34.61
6П4.1
© Издательство «Машиностроение», Г978 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ
В литейных цехах машиностроительных заводов широко при-
меняют печное оборудование. В плавильных отделениях исполь-
зуют вагранки, дуговые электрические и высокочастотные печи
и т. д. В формовочных и стержневых отделениях устанавливают
сушила различных конструкций для сушки форм и стержней, в
смесеприготовительных — сушила для сушки песка и глины.
Часть отливок подвергают отжигу или нормализации в тер-
мических печах. Конструкции печей разнообразны. Различны и
протекающие в них процессы. Отметим, что конструкции боль-
шинства печного оборудования сравнительно просты, однако
процессы, протекающие в них, чрезвычайно сложны.
Действительно, при рассмотрении процесса нагрева металла
в печи необходимо учитывать законы теплового излучения, пе-
редачу теплоты теплопроводностью и конвекцией, электромаг-
нитную индукцию, движение газов в печном пространстве, вза-
имодействие печных газов с металлом и т. д.
При огромном разнообразии промышленных печей общими
для всех них являются процессы превращения какого-либо вида
энергии в тепловую и передачи теплоты нагреваемому материа-
лу. Процессу теплообмена должны быть подчинены: горение
топлива — превращение химической энергии в тепловую; прев-
ращение электрической энергии в тепловую (в электрических
печах), движение газов в рабочем пространстве печей и т. д.
Советские ученые и работники литейной промышленности
внесли достойный вклад в развитие печной теплотехники. Боль-
шие заслуги в этой области принадлежат Н. Н. Доброхотову,
Д. В. Будрину, М. А. Глинкову, Б. И. Китаеву. Применению тео-
рии подобия для исследования печей на моделях способствовали
работы М. В. Кирпичева, Л. С. Эйгенсона и М. А. Михеева.
В последние годы большую работу в области общей теории пе-
чей проводит В. А. Кривандин.
Конструкции промышленных печей совершенствуют в на-
правлении интенсификации процессов теплообмена при непре-
рывном повышении уровня их автоматизации и механизации.
781
3
Большое значение для освоения современных технологичес-
ких процессов нагрева и термообработки металла имеет внед-
рение в промышленность нагрева в контролируемых газовых
средах в электрических печах сопротивления и в пламенных пе-
чах с радиационными трубами.
Для печей, используемых на машиностроительных предприя-
тиях, создают механизмы новых конструкций (особенно для за-
грузки и выгрузки изделий). Разрабатывают новые типы прибо-
ров, комплекты автоматического регулирования и контроля ра-
боты печей.
Для сооружения печи используют специальные огнеупорные
материалы, с помощью которых ее рабочее пространство (где
происходят процессы при высоких температурах) отделяют от
окружающей среды.
Курс «Печи и сушила литейного производства» является ком-
плексной дисциплиной, включающей в себя теоретические осно-
вы печной теплотехники и описание различных печей.
РАЗДЕЛ I
ОСНОВЫ МЕХАНИКИ ПЕЧНЫХ ГАЗОВ
"\И ОСНОВЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ
.1__________________________________________
$
Глава I
ОСНОВЫ МЕХАНИКИ ПЕЧНЫХ ГАЗОВ
§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Передача теплоты от продуктов горения к нагревайШ^
предметам в топливных печах зависит от многих факторов, в
том числе от характера движения продуктов горения. Поэтому
организация движения газов является одним из условий успеш-
ной работы печи. Движение газов в печах, теплообменниках и
т. д. подчиняется законам газовой механики, по которым также
определяют сопротивления, оказываемые движущимся газам в
печах, каналах, трубопроводах, обусловливающие выбор тяго-
вых устройств (дымососов, вентиляторов, дымовых труб).
Движение газов в печах изучают с помощью законов движе-
ния жидкости. Известно, что объем жидкости в отличие от объ-
ема газа практически не зависит от давления и температуры.
Движение жидкости достаточно изучено. Если температура и
напор движущегося газа постоянны или изменяются незначи-
тельно, то движение газа подчиняется законам движения жид-
кости. Практика работы печей дает основание утверждать, что
напоры газов в нагреваемых печах изменяются очень незначи-
тельно и могут считаться постоянными. Температура газов по
объему печи изменяется значительно, но постепенно. Последнее
позволяет на участках печи небольшой длины не учитывать вли-
яния изменения температуры на объем газов. Следовательно, с
известном приближением для изучений движения газов в печах
можно применять законы движения ^несжимаемой жидкости.
В механике жидкостей широко используют представление об
идеальной и реальной жидкостях.
Идеальной называют условную жидкость, не имеющую внут-
реннего трения. Введение этого понятия значительно облегчает
математическое описание законов движения жидкости. Реальные
жидкости обладают внутренним трением, что значительно услож-
няет теоретическое и опытное изучение процессов их движения.
Практика показала, что можно использовать понятие идеальной
жидкости при рассмотрении движения реальной жидкости.
5
Зависимость объема и плотности газа от температуры описы-
вается законом Гей — Люссака: при постоянном давлении объ-
ем газа прямо пропорционален, а плотность обратно пропори]^,
налъна температуре. Следовательно,
1/, = И0(1 + а/); qz=-*2--, /
где Vt и — соответственно объем и плотность гаа^ При /(°C)
и давлении 101,3 кПа, м3 и кг/м3; yOj и. — объ§м и плотности
газа при температуре “?Ж1ении 101J кПа-a — коэффици-
ент объемного расшиа^ния.
Закон сохрашш^ массы для движущегося потока жидкости
выражается с;}йДуЮщим "образцм: количество и скорость газа,
протекающего через какой-нибудь канал, связаны с поперечным
сечением канала определенным соотношением.
CKOgg^h движения газа, м/с,
V
w=-
где V—расход (объем) протекающего газа, м3/с; F— попереч-
ное сечение канала, м2.
При установившемся движении газа по какому-то каналу
расход массы газа G, протекающего через любое сечение канала
будет одинаковым. Тогда
Qx = G2=О3=const,
но
G=IZq=Fwq,
поэтому
1Q1 = =Л^збз = const.
Если
61 = 62 = 63 = const,
то
. /?1W1 = /?2W2 = ^3^3 = const. (Г
Выражение (1) является решением уравнения сплошности
движения газа (жидкости).
Вязкость газов или внутреннее трение имеет большое значе-
ние при движении реальных газов. Это трение проявляется при
наличии движения соседних слоев газа относительно друг дру-
га. Каждая струя газа тормозится соседней струей, движущейся
более медленно, однако увлекается вперед быстрее движущейся
струей, в результате чего возникает касательное усилие. Силы
вязкости, с одной стороны, препятствуют движению, а с другой,
они являются передатчиками движения, например, с помощью
лопастного вентилятора.
6
Гидравлический диаметр. При прохождении газа через кана-
лы, имеющие сечение любой сложной формы, их диаметры вы-
ражают через так называемый гидравлический диаметр. Гидрав-
лическим диаметром (м) называют отношение учетверенной пло-
щади свободного сечения канала к его периметру:
#гидр £ »
где F— площадь сечения канала, м2; S — внутренний периметр
канала, м.
Для круглых труб </Гидр равен их внутреннему диаметру.
§ 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПОРОВ
Движущиеся газы обладают потенциальной и кинетической
энергией. Эту энергию выражают в механике газов напорами.
Различают четыре вида напоров: геометрический, статический
или пьезометрический, скоростной или динамический и потерян-
ный. Размерность напора Па.
Геометрический напор /ггеом возникает в результате разности
плотностей легкого газа и окружающего его тяжелого газа. Раз-
берем следующий пример.
Рис. 1. Возникновение гео-
метрического напора
Рис. 2. Измерение статического
и скоростного напоров
Сосуд (рис. 1) заполнен легким газом (рг<Рв). Высота со-
суда Н. Внизу сосуд открыт и сообщается с атмосферой. Прово-
дим две условные плоскости I—I и II—II. Сверху на сосуд в
плоскости I—I действует атмосферный напор Р\. В плоскости
II—II сверху вниз действует напор Р^ плюс напор столба газа
в сосуде. Снизу вверх на плоскость II—II действует напор Рг,
равный атмосферному Р} плюс напор окружающего столба воз-
духа высотой И. Разница напоров Р2 и Р^ будет геометрическим
напором в Па столба легкого газа высотой Н в плоскости II—II:
Агеом = Р1 + — Р\ — ^Qrg = Н (Q„ — Qr) g.
7
Из уравнения видно, что геометрический напор может быть
со знаком « + » и «—». Если плотности окружающего газа и га-
за в сосуде одинаковы, то геометрический напор равен нулю.
Геометрический напор можно измерить и определить расчетом.
Статический или пьезометрический напор /гст представляет
собой разность напоров газа, заключенного в сосуд, и окружаю-
щего воздуха. Он измеряется U-образным манометром, один ко-
нец которого находится под атмосферным напором, а другой —
подсоединен к сосуду перпендикулярно к потоку газа (рис. 2).
Скоростной или динамический напор hCK выражает кинети-
ческую энергию газового потока и зависит от скорости и плот-
ности газа:
W2t Wq
Лек =~ =—ео (1 — а*).
где wt и Wo — действительная и условная (при 0°С и 101,3 кПа)
скорости газовою потока.
Скоростной напор измеряют дифференциальным манометром,
одно колено которого расположено навстречу потоку газа (опре-
деляет суммарный напор hCT и Лск), а другое — перпендикулярно
к нему (определяет только /гст)- Разность уровней жидкости в
обоих коленах манометра составляет скоростной напор ЛСк-
Потерянный напор An0T при движении газа образуется в ре-
зультате трения газового потока о стенки канала и местных
сопротивлений (повороты, расширения, сужения и т. д.). На
преодоление сопротивлений расходуется кинетическая энергия
газа, выражаемая его скоростным напором. Определение поте-
рянного напора является практической задачей и рассмотрено
ниже.
§ 3. УРАВНЕНИЕ БЕРНУЛЛИ
Уравнение Бернулли является выражением закона сохране-
ния энергии применительно к движению идеального газа. Оно
Рис. 3. К уравнению Бернулли
может быть сформулирова-
но так: для любого сечения
трубопровода или канала,
по которому протекает иде-
альный газ при установив-
шемся движении, сумма ста-
тического, геометрического
и скоростного напоров яв-
ляется величиной постоян-
ной:
^геом ”F ^ст ^ск COnst.
Проиллюстрируем изложенное следующим примером. По тру-
бопроводу, расположенному горизонтально, движется идеальный
8
газ (рис. 3). Согласно уравнению Бернулли для идеального
газа
Агеом “И he г “Ь heK == Агеом Act “F Аск = COHSt
суммы геометрического, статического и скоростного напоров в
сечениях трубопровода /—I и II—II одинаковы.
При движении реального газа часть его энергии (скоростной
напор) затрачивается на преодоление сопротивления движению
и переходит в Апот, т. е. в соответствии с законом сохранения
энергии
Агеом ~Ь АСт Аск = АГеом “|“ Act “И Аск “|“ Аиот = COHSt. (z)
Это уравнение, выражающее закон сохранения энергии при-
менительно к движению реального газа, называют уравнением
напоров и применяют во многих случаях на практике. Прежде
чем перейти к рассмотрению этих случаев, определим АПот-
§ 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕРЯННОГО НАПОРА
Потери напора происходят в результате потерь энергии газо-
вого потока на трение Атр и местные сопротивления Ам.с. Уста-
новлено, что Атр и Ам.с пропорциональны скоростному напору.
Потери напора на трение в Па
Атр = ^-----— Qo(l+<x/),
“гидр *
где % — коэффициент трения; L — длина трубы, м; с?ГИдр —гид-
равлический диаметр канала, м.
Для практических расчетов X принимают равным:
для кирпичных каналов .... 0,05—0,06
для металлических труб .... 0,02—0,03
Потери напора на местные сопротивления в Па
wo
Лм.с=£-^-(?о(1+а/),
где g—коэффициент местного сопротивления, определяемый
опытным путем (см. приложение 1).
§ 5. ИСТЕЧЕНИЕ ГАЗОВ ЧЕРЕЗ ОТВЕРСТИЯ
Истечение газов через отверстия наблюдается при их выби-
вании из печи, работе горелок, форсунок и т. д.
Количество газа, истекающего через отверстие, зависит от
напора, под которым происходит истечение, площади и формы
поперечного сечения отверстия и может быть определено по
уравнению (2). Последнее после преобразования имеет вид
9
, W? и
^1(ев-ег)^+(/>г+Рв)+-^ег=^2(ев-ег)^+(^г-/3в)+
^2
Н Z Qr ”Г ^иот COnst,
где //i(qb—Qr), H2(qb—Qr) —избыточные геометрические напоры
в сечениях I и //; (Р/—Л>); (Рг"—Рв) — избыточные статичес-
кие напоры в сечениях I и II.
Рассмотрим истечение .несжимаемого газа через отверстие
Рис. 4. Истечение газа через отверстие с
острыми кромками
при постоянной температуре.
Отверстие с острыми
кромками. Представим себе,
что из сосуда неограниченно
больших размеров (напор
газа Р\) вытекает газ через
отверстие сечением F в газо-
вую среду с напором Р2. Тре-
буется определить скорость
истечения. Напишем уравне-
ние напоров для сечений I—
I и //—II (рис. 4). Темпера-
тура газа постоянна, поэто-
му ^геом = ^геом*
Потерями на трение в
данном случае можно пре-
небречь. При этом уравнение
напоров имеет вид
Р1
W?
г
е<-
Так как сосуд имеет неограниченно большие размеры, то Wi = 0.
Если Р2=Ло’ получим
™,2
P1=P0+-^~Qt.
Обозначим Pi—P^=h в Па, тогда скорость, м/с,
Сечение струи газа Р2 будет меньше сечения F вследствие ее
сжатия. Отношениеназывают коэффициентом сужения струи.
Оно различно и зависит от условий истечения. Для сосуда с тон-
кими стенками -^-=0,63.
F
ю
Определим расход газа в сечении //—II
V=w2F2,
но F2=-^- F, тогда расход газа, м3/с,
г «
V=-^-F 1/-^- .
F V е?
§ 6. ДВИЖЕНИЕ ГАЗОВ В ПЕЧАХ
Движение газов в печах по природе его возникновения мо-
жет быть свободным или вынужденным. Свободным называют
такое движение, которое вызвано разностью плотностей газов,
находящихся в печи. Вынужденным называют движение, вызван-
ное внешними факторами (дымовой трубой, вентилятором, го-
релкой, форсункой и т. д.). В большинстве современных печей
газы имеют вынужденное движение.
Движение газов в печах, трубопроводах, различных каналах
может быть ламинарным (слоистым) и турбулентным (вихре-
вым). Сказанное относится также и к жидкостям. При ламинар-
ном движении элементарные струйки газа (жидкости) протека-
ют параллельно друг другу, при турбулентном они движутся в
направлении основного потока вихреобразно, неупорядоченно.
При переходном режиме движение, газов имеет промежуточный
характер. Показателем характера движения газа (жидкости)
служит критерий Рейнольдса Re (о критериях подобия см. ниже),
который представляет собой безразмерный комплекс:
ДО^гидр
Re — ,
V
где v — коэффициент кинематической вязкости при температуре
в °C.
При Re2300 движение газа (жидкости) будет ламинарным,
а при Re^lOOOO— турбулентным. При Re = 23004-10000 движе-
ние будет переходным. Эти значения Re справедливы только при
И
движении газа (жидкости) по гладкому круглому трубопроводу.
На практике критерий может отличаться от указанного предела
и иногда весьма значительно. Однако в большинстве техничес-
ких расчетов движения газов и жидкостей в каналах использу-
ют именно приведенные значения Re.
Движение газов в печах отличается большой сложностью.
Неравномерность напоров в печи, вызванная разностью темпе-
ратур в печном объеме и влиянием газовых струй из форсунок
и горелок, приводит к перемещению газа из мест большего на-
Рис. в. Схема движения газов в терми-
ческой печи с подподовой топкой
пора в места с меньшим напором
или разрежением. Таким образом,
возникает циркуляция в печном
пространстве. Наряду с циркуля-
цией в печах большого объема
иногда образуются «мертвые»
зоны с очень малой скоростью
циркуляции. На рис. 5 изображе-
на схема движения газов в мето-
дической печи, а на рис. 6 —
в термической печи с подподовой
топкой. В термической печи с под-
подовой топкой интенсивно цирку-
лируют газы. Это объясняется
тем, что смесь топлива с возду-
хом вытекает из горелки или
форсунки с большой скоростью,
вследствие чего у корня факела
образуется разрежение, которое распространяется на канал А.
Продукты горения топлива проходят через топку Б и выходят
через канал В в рабочую камеру Г, часть из них уходит в дымо-
отводную систему, а часть засасывается опять в топку Б через
канал А.
Как отмечалось, при нормальной работе печей на поду под-
держивается давление, равное атмосферному, так как если дав-
ление в рабочей камере будет значительно выше или ниже
атмосферного, то произойдет выбивание газов из печи или под-
сос в нее холодного воздуха. Практически в печах вследствие
геометрического напора невозможно поддерживать давление,
равное атмосферному, по всей высоте рабочей камеры. Поэтому
стараются поддерживать атмосферное давление на уровне пода
печи с тем, чтобы предотвратить подсос холодного воздуха в
печь, так как это менее желательно, чем выбивание газов. Необ-
ходимое давление поддерживается регулированием тяги из печи.
На режим давления печи оказывают влияние расположение и
размеры дымоходов. Схема расположения дымоходов зависит от
назначения и конструкции печи. Размеры дымоходов выбирают
исходя из того, чтобы условная (при 0°С и 101,3 кПа) скорость
газов в них не превышала 1—2 м/с.
12
§ 7. УСТРОЙСТВА ДЛЯ СОЗДАНИЯ ТЯГИ В ПЕЧАХ
Естественную тягу создают с помощью дымовой трубы
(рис. 7), высота и площадь поперечного сечения которой зави-
сят от количества выбрасываемых газов и потерь напоров при
прохождении газов из печи до трубы через систему дымовых ка-
налов, шиберов и т. д.
Высоту дымовой трубы Н определяют по формуле
«.2 м.2
w02— w01 г/-. । \
--------Qo (1 + Си ср/ —
2
1.3SAnOT = H(Q?-Q?)g
Рис. 7. Схема дымовой
трубы
2
---^-Qo(l + a^)—
£ иср
где 1,3 — коэффициент увеличения
работы печи; 2/гПот—потери напора на пути газа от печи до тру-
бы, Па: Q«B, Qtr. Qor — плотности воздуха и
газа при t и 0°С и 101,3 Па, кг/м3; к>оГ,
и>02 — условные скорости газа в сечениях
1—1 и 2—2, м/с (w01= 1,24-2 и де®—2,5-г-
3, м/с); w0 ср — средняя условная скорость
газа в трубе, м/с; — средняя темпера-
тура газа по высоте трубы, °C; t2r—тем-
пература газа в сечении 2—2, °C; dCp—
средний диаметр трубы, м.
Выражение п (q«b — QtT)g характери-
зует тягу, создаваемую трубой за счет
геометрического напора. Три первых чле-
на правой части уравнения характеризу-
ют потери в самой трубе и на выходе га-
за в атмосферу.
2
Член Х.-^- —Qo (1 + a^cp) выра-
dfcp 2
жает потерю напора на трение в трубе;
2 2
член --------—Qo(l + a^P) — потерю напора на сужение трубы
(высокие трубы строят обычно конусными для обеспечения стро-
*^02
ительной прочности), а —Qo(1 + a^cP)— потерю напора на вы-
ход газа из трубы за счет внезапного расширения струи газа.
Для использования указанной формулы необходимо знать
температуру газов у устья трубы (сечение 2—2) и их среднюю
температуру в трубе. Для этого предварительно определяют вы-
соту труб по формуле
Я = (20--25)^у,
где dy — диаметр устья, который находят по скорости и коли-
честву газа.
2 ' '
knot в случае форсированной*
13
Используя найденную высоту и задавшись падением темпера-
туры газов на 1 м высоты (у кирпичных труб оно. составляет
1,5—1,6°С/м, у железных без футеровки 3—4°С/м высоты),
определяют /гг и /Срг. При этом для сечений 1—1 и 2—2 d0Cu =
= 1,5 dy (^осн — диаметр основания трубы, м; dy— диаметр
устья трубы, м).
Искусственная тяга может быть создана с помощью несколь-
ких систем, основными из которых являются отсасывание венти-
лятором и тяга косвенного действия. В качестве дымососов ис-
пользуют центробежные вентиляторы низкого давления. Венти-
ляторы, изготовленные из углеродистой стали успешно работа-
ют при температуре до 200—250° С. Для работы при температу-
ре до 400—600° С применяют специальные вентиляторы из угле-
родистой стали с водоохлаждаемыми подшипниками и валами.
Вентиляторы подбирают по номограммам или каталогам. При
этом за основной критерий принимают часовой расход газа и
сумму потерь давлений (обычно с запасом, равным 25%).
Тягу косвенного действия создают с помощью эжекторов.
Принцип действия эжектора (рис. 8) заключается в том, что
эжектирующий газ, выходя из сопла 1 с большой скоростью, за
счет вязкости и трения увлекает частицы эжектируемого газа 2,
при этом создается разряжение в области, прилегающей к эжек-
тору.
§ 8. ПОНЯТИЕ О ТЕОРИИ ПОДОБИЯ
Процессы передачи теплоты в общем виде описывают систе-
мой уравнений, не имеющей общего аналитического решения.
Поэтому для решения практических задач по теплопередаче ши-
роко используют эксперименты.
14
При постановке эксперимента обычно преследуют две цели:
изучение данного конкретного явления и распространение полу-
ченных результатов на целую группу явлений, родственных изу-
чаемому. Изучить конкретное явление и установить математи-
ческую зависимость, описывающую это явление, довольно просто.
Решить вторую задачу более сложно, но она представляет
практический интерес, так как позволяет моделировать опреде-
ленные группы явлений. Применительно к печной теплотехнике^
решив эту задачу можно, например, изучать работу крупногаба-
ритных печей сложных конструкций на маленьких водяных мо-
делях и т. д. Сложность второй задачи заключается в том, что
распространить результаты, полученные на отдельном опыте,
можно только на подобные между собой явления.
Термин подобия заимствован из геометрии. Зная условия
геометрического подобия, можно решить ряд практических за-
дач. Понятие подобия распространяется на любые физические
явления. Так, тепловое подобие — это подобие температур и
тепловых потоков; динамическое подобие — это подобие сил, вы-
зывающих подобные между собой движения (например, двух
подобных потоков газа). Но для того, чтобы использовать поня-
тие подобия, необходимо знать условия подобия рассматривае-
мых явлений.
Физические явления считаются подобными, если они одного
и того же рода, качественно одинаковы и описываются матема-
тическими уравнениями одинаковых форм и содержания. Кроме
того, должно быть соблюдено геометрическое подобие систем,
в которых протекают рассматриваемые явления. При рассмотре-
нии подобных между собой явлений можно сопоставлять только
однородные величины (температуру с температурой, скорость со
скоростью и т. д.) в сходственных точках пространства и в сход-
ственные моменты времени.
Таким образом, подобие двух физических явлений означает
подобие величин, характеризующих рассматриваемые явления.
Это означает, что в сходственных точках пространства и в сход-
ственные моменты времени любая величина, например темпера-
тура первого явления, пропорциональна однородной с ней темпе-
ратуре второго явления.
Коэффициент пропорциональности называют константой по-
добия. Переходя к сложным явлениям, отметим, что физические
величины и параметры (скорость, плотность, коэффициент вяз-
кости и т. д.) в различных точках потока могут быть различны-
ми, поэтому для подобия таких явлений необходимо подобие
физических величин и параметров во всем объеме систем, т. е.
подобие полей этих величин. Для теплового подобия двух пото-
ков газа необходимо, чтобы потоки были ограничены стенками
геометрически подобной конфигурации и чтобы во всем объеме
системы были подобны скорость, вязкость, температура и другие
физические величины, которые характеризуют явление.
15
Однако при подобии сложных физических явлений, которые
характеризуются большим числом величин, константы подобия
этих величин нельзя выбрать произвольно. Оказывается, что
кроме постоянства отношений однородных величин имеются еще
дополнительные условия. Сущность этих условий в том, что у
подобных явлений существует равенство особых величин, назы-
ваемых критериями подобия.
Критерий — это безразмерный комплекс, составленный из ве-
личин, характеризующих явление. Характерным свойством кри-
терия подобия является нулевая размерность.
У подобных явлений критерии подобия равны и, наоборот,
если критерии подобия явлений равны, то явления подобны.
Существует много различных критериев подобия. Критерий,
как правило, обозначают символами, которые состоят из началь-
ных букв фамилий крупных ученых, внесших большой вклад в
развитие соответствующей области науки. Практически ценность
теории подобия заключается в том, что она позволяет описывать
подобные явления математическими зависимостями не между
отдельными физическими величинами и параметрами, характе-
ризующими данное явление, а между критериями подобия, со-
ставленными из характерных для данных явлений величин. Это
намного упрощает решение математических уравнений. В даль-
нейшем при изучении теплопередачи будут широко использова-
ны математические уравнения в критериальной форме.
Глава II
ОСНОВЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ
§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Теплопередача — учение о процессах распространения тепло-
ты. Тепловая энергия передается от тел, имеющих более высо-
кую температуру, к телам с более низкой температурой.
Совокупность температур в данный момент времени для всех
точек пространства называют температурным полем. Темпера-
тура t является функцией координат х, у и z и времени т, т. е.
/=ср(х, у, z\ т).
Если температура зависит от времени, то температурное поле
называют нестационарным. Если температура не изменяется во
времени, то поле называют стационарным:
у, z).
Как видно, температура является функцией трех координат.
Такое поле называют трехмерным. Если температура является
функцией двух координат
У),
16
го температурное поле называют двумерным, и если температу-
ра является функцией одной координаты, поле одномерное:
t=<9(x).
. Геометрическое место точек, имеющих одинаковую темпера-
туру, образует изотермическую поверхность.
Предел отношения разности температур Л/ к расстоянию ме-
жду изотермами по нормали Дп в ° С/м называют температур-
ным градиентом:
«. ( Ы \ dt А ,
lim I— =— = grad/.
ди->0 \ Ап / dn
Его положительным направлением считается направление в
сторону возрастания температуры. По температурному градиен-
ту можно судить о том, насколько быстро изменяется темпера-
тура на данном отрезке пространства.
Тепловая энергия распространяется всегда только в сторону
областей с меньшей температурой. Количество переносимой теп-
лоты в Дж за 1 с называют тепловым потоком (Q). Тепловой
поток, отнесенный к единице поверхности (обычно к 1 м2), на-
зывают плотностью теплового потока (7).
По плотности теплового потока определяют, какое количест-
во теплоты в Дж передается через поверхность, равную 1 м2, за
1 с. Направление теплового потока противоположно направле-
нию температурного градиента. Теплообмен является сложным
процессом. Различают три способа передачи теплоты: теплопро-
водностью, конвекцией и тепловым излучением.
Теплопроводность — процесс распространения теплоты путем
непосредственного соприкосновения частиц тела.
Конвекция — процесс распространения теплоты путем пере-'
мещения частиц тела.
Тепловое излучение — процесс распространения теплоты в
виде электромагнитных волн.
В печах имеют место все три вида теплообмена, но в зависи-
мости от конструкции печи и ее температурного режима тот или
другой вид может быть преобладающим. Например, в печах с
температурой до 600° С основное количество теплоты к поверх-
ности нагреваемого тела передается за счет конвекции. В печах
с температурой 1200° С и выше основное количество теплоты к
поверхности нагреваемого тела передается излучением.
Теплота, поступающая на поверхность нагреваемого твердого
тела, распространяется в его внутренние части теплопровод-
ностью. Эта теплота расходуется на изменение теплосодержания
тела (в нагревательных печах), плавление (в плавильных печах)
и испарение влаги (в сушильцьтхустановк^х) --—г
; Тох. библиотека |
§ 2. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ
Как отмечалось, теплопроводность — это процесс распростра-
нения тепловой энергии путем непосредственного соприкоснове-
ния частиц тела. Теплопроводностью передается теплота в газах,
жидкостях и твердых телах.
Основной закон распространения теплоты теплопроводностью
имеет вид
q= — X grad
где q — количество теплоты в Дж, передаваемое через поверх-
ность, равную 1 м2, за 1 с, Вт/м2; X — теплопроводность,
Вт/(м-°С).
Рис. 9. Однослойная плоская
стенка
Рис. 10. Многослойная плоская
слюнка
Знак минус в правой части уравнения говорит о том, что на-
правление теплового потока и температурного градиента проти-
воположны. По коэффициенту теплопроводности можно устано-
вить количество теплоты, которое проходит в единицу времени
через единицу поверхности при падении температуры на 1°С на
единице длины.
Коэффициент теплопроводности X является физическим пара-
метром вещества и зависит от его свойств: структуры, объемной
массы, давления и температуры.
Для газов Х=0,0054-0,5 Вт/(м-°С), с повышением темпера-
туры увеличивается. Для жидкостей Х = 0,084-0,6 Вт/(м-°С), с
повышением температуры уменьшается; для теплоизоляционных
и огнеупорных материалов Х = 0,24-10 Вт/(м-°С), с повышением
температуры возрастает; для металлов Х=24-360 Вт/(м-°С), с
повышением температуры для большинства металлов уменьша-
ется (приложение 4).
18
Рассмотрим некоторые случаи передачи теплоты теплопро-
водностью для стационарного температурного поля.
Плоская однослойная стенка. Имеем стенку толщиной s из
материала с коэффициентом теплопроводности X. Температура
наружных поверхностей стенки t\ и /2. Температура изменяется
только в направлении оси х (рис. 9), т. е. плоские изотермичес-
кие поверхности расположены параллельно оси t. При стацио-
нарном температурном поле граничные условия можно записать
так: t = t\ при х=0; t=t2 при x = s и t\>t2.
Рассмотрим слой стенки между двумя изотермическими по-
верхностями с температурой t и t+At. Для этого слоя
а=—'к— или dt=——dx,
v dx X
После интегрирования выражения для dt получим
t = —4vx + C, (3)
где С — константа интегрирования.
Контакту С определяют из граничных условий: х=0, t=t\.
Подставляя эти значения в (3), получим
h=—2-о+с, С=Л.
При подстановке в (3) граничных условий (x=s, /=/2) и
и найденной константы интегрирования имеем
t2 == —s -Т-11.
X
Затем определим плотность теплового потока
я=~—(*2-Л)=— (Л-/2). (4;
Общее количество теплоты, переданное через плоскую стенку с
поверхностью F (м2) за 1 с,
Q=qF. (5)
Плоская многослойная стенка. Многослойной называют стен-
ку, состоящую из нескольких разнородных слоев. На печах, как
правило, применяют многослойные стенки. Например, первый
слой (со стороны рабочего пространства печи), состоит из шамо-
та, второй — из диатомита, третий — из асбестового картона и
четвертый слой — представляет стальной лист каркаса печи.
Рассмотрим стенку, состоящую из трех слоев (рис. 10). Ко-
эффициенты теплопроводности материалов каждого слоя раз-
личны и соответственно равны М, Хг, Хз, толщина слоев Si, s2, S3.
Температуры наружных поверхностей t\ и i\. Принимаем, что
слои плотно прилегают друг к другу и в месте контакта имеют
одинаковую температуру. Тепловой поток направлен от поверх-
ности с температурой Л к поверхности с температурой /4.
19
Плотность теплового потока в Вт/м* 2 * * * *:
через первый слой
?i=—(Л—*г);
51
через второй слой
Ч2 = ~ (4 “4)5
52
через третий слой
<7з= “~(4“4)-
5з
При стационарном тепловом поле плотность теплового пото-
ка через первый слой равна плотности теплового потока через
второй слой и соответственно третий слой, т. е.
41—Ч2—Чз—Ч-
Тогда изменение температуры в каждом слое
4“4=<7 ~ 5
Л-1
4“4=?“-;
Л2
4 “4—<7 ~ •
Аз
Складывая левые и правые части этих уравнений, получим
i 1 _„ ( 51 । $2 I 5з \
4—4—ч ~—п—г~ »
Ч
откуда плотность теплового потока в Вт/м2
-----!--------(Л-^4).
$1 $2 $3
Х1 Х2 Хз
Температура между слоями /2 и /3:
t2 = tx-q ;
А1
' 7 Х2
Если стенка состоит из п слоев, то
1
я—~ • (Л—А1+1)’
51 «2 «3 , . Sn
~ + ~ + - -г ... + —
Л1 Л2 Лз Кп
При нестационарном тепловом потоке, т. е. когда стенка про-
гревается или охлаждается, удельные тепловые потоки q\, q2, qs
не равны между собой.
20
Цилиндрическая стенка. Если стенка имеет цилиндрическую
форму, например стенка барабанной печи или вагранки, то внут-
ренняя ее поверхность меньше внешней. Распространение теп-
лоты теплопроводностью через такую стенку отличается от рас-
пространения теплоты через плоскую стенку.
Тепловой поток, проходящий через стенку дымовой трубы,
Вт,
Q = —
Di
где L — длина трубы, м; D\, D2 — внутренний и наружный диа-
метры трубы, м; Z], /2— температуры внутренней и наружной по-
верхностей трубы, ° С.
Тепловой поток через многослойную цилиндрическую стенку,
Вт,
Q
-'«4^
Х1
Ki Dn
(Л—^л+1)’
Нестационарная теплопроводность. При нестационарном тем-
пературном поле температура тела изменяется. Скорость измене-
ния (в м2/с) температуры тела характеризуется температуро-
проводностью
CQ ’
где с — теплоемкость тела; р— плотность тела.
Чем больше температуропроводность тела, тем с большей
скоростью изменяется его температура.
Изменение температуры тела при нестационарном темпера-
турном поле
d^t . dV . d2t \
dx'l difi dz^ j
Для однозначного решения уравнения необходимо задать
краевые условия, которые в данном случае слагаются из вре-
менных и граничных условий.
Краевые условия для дифференциального уравнения тепло-
проводности сводятся к заданию функции
/=ср(х, у, г),
характеризующей распределение температуры в нагреваемом те-
ле в какой-то характерный для процесса момент времени, на-
пример момент начала нагрева. Одновременно задают геомет-
рические размеры тела и его физические свойства.
Граничные краевые условия сводятся к заданию воздействия
окружающей среды на нагреваемое тело:
21
1) температуры поверхности тела в зависимости от времени
нагрева;
2) теплового потока, проходящего через поверхность тела;
3) температуры окружающей среды и условий теплообмена
этой среды с телом.
Рис. 11. Графики для расчета нагрева или охлаждения:
а—поверхности плиты; б—поверхности цилиндра
Дифференциальное уравнение теплопроводности решают с
помощью рядов Фурье (из-за громоздкости математических опе-
раций в учебнике не приводится). Здесь ограничимся рассмот-
рением конечных результатов решения уравнения для плиты и
цилиндра, когда заданы температура окружающей среды и усло-
вия теплообмена среды с телом.
22
Решение дифференциального уравнения теплопроводности в
общем виде устанавливает функциональную зависимость не-
скольких критериев между собой. Для поверхности тела сущест-
вует зависимость
0n=?(Bi; Fo),
где 0П — температурный критерий поверхности тела:
о ______________________ /печ — /к.п
П— t t ’
*печ — *н.п
/печ — температура печи, °C; £к.п— температура поверхности те-
ла в конце нагрева, °C; /нп — температура поверхности тела в
начале нагрева, °C; Fo — критерий Фурье:
Fo=— ;
«2
т — время нагрева, с; $ — расчетная толщина тела, м.
Рис. 12. Графики для расчета нагрева или охлаждения:
а—середины плиты; б—оси цилиндра
Графическая зависимость 0n=<p(Bi; Fo) для бесконечной
плиты и бесконечного цилиндра показана на рис. 11,а, б. По
этим графикам определяют температуру поверхности тела.
Для центра тела существует зависимость
Оц=ср (Bi; Fo).
В свою очередь температурный критерий центра тела
А___/печ ^к.ц
ц— f _ t
*печ — 1 н.ц
где /к.ц и /н.ц — температуры центра тела в конце и начале на-
грева, °C.
23
Графическая зависимость 0u=q?(Bi; Fo) для бесконечной
плиты и бесконечного цилиндра показана на рис. 12,а, б. По
этим графикам можно определять температуру центра тела.
§ 3. КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН
В газах и жидкостях теплота передается теплопроводностью
и конвекцией. Передача теплоты конвекцией связана с перено-
сом самой среды. При ламинарном режиме движения теплота
от потока к поверхности передастся теплопроводностью. При
турбулентном режиме движения частицы среды непрерывно пе-
ремещаются из центра потока к поверхности, что резко интенси-
фицирует передачу теплоты. При этом теплота от потока к по-
верхности передается теплопроводностью и конвекцией. Этот
процесс называют конвективным теплообменом или теплоот-
дачей.
Количество теплоты Q, переданное от газа или жидкости к
поверхности или, наоборот, от поверхности к газу или жидкости,
в Вт
Q = a(/1 — t2)F.
где a — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-°С); t\—12 — разность
температур, °C; F— поверхность теплообмена, м2.
По коэффициенту теплоотдачи можно судить об интенсивно-
сти теплообмена, т. е. о том, какое количество теплоты в Дж
передается через поверхность, равную 1 м2, за 1 с при разности
температур между газом и поверхностью ГС.
Коэффициент теплоотдачи зависит от формы, размера и тем-
пературы поверхности твердого тела и от скорости, температу-
ры, теплоемкости и теплопроводности движущегося газа. Коэф-
фициент теплоотдачи учитывает передачу теплоты конвекцией
и теплопроводностью.
Ниже рассмотрены некоторые закономерности конвективного
теплообмена для стационарного температурного поля.
Различают теплоотдачу при свободном и вынужденном дви-
жении газа. Примером свободного движения является движение
воздуха у наружной поверхности печи. Температура стенки печи
выше температуры воздуха, поэтому слои воздуха, соприкасаю-
щиеся с печью, нагреваются, их плотность уменьшается и они
поднимаются вверх. На их место поступают новые, более холод-
ные объемы, которые также нагреваются и поднимаются вверх.
Поэтому до тех пор, пока имеется разность температур стенки
печи и окружающего воздуха, воздух будет перемещаться.
Коэффициент теплоотдачи при свободном движении газа за-
висит от расположения поверхности в пространстве. Например,
свод печи охлаждается интенсивнее, чем под. Это объясняется
тем, что в первом случае условия для подхода холодного воздуха
и отхода горячего лучше, чем во втором случае.
24
В зависимости от расположения поверхности в пространстве
коэффициент теплоотдачи при свободном движении газа
а= tx —12,
где п — коэффициент, зависящий от расположения поверхности
(2,2 для вертикальной поверхности, 2,8 для горизонтальной по-
верхности, обращенной вверх, 1,4 для горизонтальной, обращен-
ной вниз); /1—/2— разность температур поверхности и газа.
При определении коэффициента теплоотдачи при вынужден-
ном движении широко применяют следующие критерии подобия:
критерий Нуссельта
Nu= . (б)
критерий Прандтля
Рг = —
а
где v — кинематическая вязкость газа, м2/с.
В практических расчетах теплопередачи искомой величиной
обычно является коэффициент теплоотдачи а, входящий в крите^
рий Нуссельта.
Критериальное уравнение
для стационарного вынужден-
ного движения имеет вид
Nu=<p(Re, Рг).
Теплоотдача при вынужден-
ном движении газа в основном
определяется условиями дви-
жения, а поэтому расчетные
формулы для ламинарного, пе-
реходного и турбулентного ре-
жимов различны.
Теплоотдача при движении
газа в трубах. Ламинарный
режим. Критерий Нуссельта
Рис. 13. Теплоотдача при переходном
режиме
I \-°,5
d J '
Nu=13,2(Re, Рг)0-?3
где I — длины трубы, м; d — диаметр трубы, м.
Переходной режим. Для определения критерия Нус-
сельта можно использовать данные опытов по исследованию теп-
лоотдачи при переходном режиме. На рис. 13 показана графи-
ческая зависимость Nu/Pr0-4 от критерия Рейнольдса.
Турбулентный р еж и м. Для прямых гладких труб ус-
тановлена следующая зависимость:
Nu = 0,021 Re0-8 Рг°>43.
25
Для воздуха Рг=0,7, поэтому
Nu=0,018 Re0-8. (7)
Теплоотдача при поперечном омывании пучка труб. Трубы
в пучке можно расположить по-разному. Наиболее распростра-
нено в промышленной практике коридорное и шахматное распо-
ложение (рис. 14).
При шахматном расположении труб наблюдается большая
турбулизация потока.
При коридорном расположении труб в пучке
Nu = 0,23 Re°-«sPr°-33,
При шахматном расположении труб в пучке
Nu = 0,41 Re0-60 Рг0-33.
В этих формулах в качестве определяющей температуры при-
нята средняя температура газа или жидкости, определяющей
скорости — скорость в самом узком сечении ряда труб и опреде-
ляющего размера — наружный диаметр трубы. Формулы спра-
ведливы при Re=2-1024-2-105.
Рис. 14. Схемы расположения труб в коридорном (а) и шахматном (б) пучках
Для воздуха указанные выше формулы при коридорном рас-
положении труб имеют вид
Nu=0,21 Re0’65,
при шахматном расположении труб
Nu=0,37 Re0’60.
Пример. По трубе диаметром d=60 мм протекает воздух со скоростью
ш=5 м/с. Определить коэффициент теплоотдачи а, если средняя температура
воздуха £в = 100°С. При /=100° С
Хв = 0,0319 Вт/(м-°С) (см. приложение 3);
vB = 23,2- 10~б м2/с (см. приложение 3).
26
Критерий Рейнольдса
wd 5*0.6 no no
Re = — = —— 1(p-- = 12 931; Re0-8 = 12 9310’8 = 1947.
Критерий Нуссельта по (7)
Nu = 0,18 Re0’8 = 0,018-1947 = 35.
По (6) находим
X 0,0319
ct = Nu — = 35,0------— = 18,6 Вт/(м2-°С).
d 0,06 4
§ 4. ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ
Передача теплоты излучением от одного тела к другому про-
исходит следующим образом. Часть тепловой энергии тела прев-
ращается в лучистую энергию и в виде электромагнитных коле-
баний с длиной волны ~ 0,4—40 мкм распространяется в прост-
ранстве со скоростью света. Встречая на своем пути твердые,
жидкие или газообразные тела, тепловые лучи частично погло-
щаются, частично отражаются и в некоторых случаях частично
проходят сквозь эти тела. Поглощенные лучи снова превраща-
ются в тепловую энергию.
Такое превращение энергии происходит непрерывно в систе-
ме с различной температурой всех тел и в системе с одинаковой
температурой тел. В последнем случае количество излучаемой
энергии равно поглощаемой, т. е. система находится в тепловом
равновесии.
Общее количество теплоты, излучаемое поверхностью F в
единицу времени, называют лучистым тепловым потоком Q в Вт.
Величину лучистого теплового потока, отнесенную к единице по-
верхности, называют плотностью лучистого теплового потока Е
или лучеиспускательной способностью (Вт/м2):
Е= — .
F
Допустим, что на тело падает лучистый поток Q, часть кото-
рого Qa поглощается телом, часть QR отражается и часть Qd
пропускается (рис. 15), т. е.
Q=Q4+Q/?+Qd-
Примем следующие обозначения:
Qa л
= А — коэффициент поглощения или поглощательная способность,
Qh
—q~=R— коэффициент отражения или отражательная способность;
Qd п .
= D — коэффициент пропускания или пропускательная способность.
Тогда
27
Если 4 = 1, то R=D = Q — это означает, что вся лучистая
энергия поглощается. Таким свойством обладает так называемое
абсолютно черное тело. Если /?=1, то 4 = 0 = 0, т. е. лучистая
энергия отражается. Таким свойством обладает зеркальное тело,
если отражение происходит согласно законам геометрической
оптики, и так называемое абсолют-
Рис. 15. Схема распределе-
ния лучистой энергии
но белое тело, если отражение диф-
фузное. Если 0=1, то Л=|/? = 0.
В этом случае вся лучистая энергия
полностью проходит сквозь тело. Та-
ким свойством облагает так назы-
ваемое абсолютно прозрачное тело.
Представление об абсолютно чер-
ном, зеркальном и прозрачном те-
лах является условным. Реальные
тела, встречающиеся в природе, од-
новременно отражают, поглощают и
пропускают лучистую энергию. Твер-
дые и жидкие тела лучистую энер-
гию практически не пропускают, т. е. 0 = 0, 4+^=1. Газооб-
разные тела, наоборот, хорошо пропускают лучистую энергию и
плохо поглощают ее.
Соотношения между характеристиками лучистого теплообме-
на установлены законами теплового излучения.
Закон Кирхгофа. Отношение лучеиспускательной способности
тела в Вт/м2 к его коэффициенту поглощения есть величина по-
стоянная для всех тел, имеющих одинаковую температуру, т. е.
^2 = £р
41 А<2, Ло
где Ео — лучеиспускательная способность абсолютно черного
тела; Дс— коэффициент поглощения абсолютно черного тела.
Так как для абсолютно черного тела 4о=1, то
^2 __ g
Л1 Л2
т. е. лучеиспускательная способность абсолютно черного тела
выше лучеиспускательной способности любого действительного
тела.
Закон Стефана — Больцмана. Лучеиспускательная способ-
ность абсолютно черного тела пропорциональна четвертой сте-
пени температуры в К:
где Со — коэффициент излучения абсолютно черного тела, рав-
ный 5,7 Вт/(м2-К4).
28
Тела, излучающие при данной температуре меньшее по срав-
нению с абсолютно черным телом количество энергии, называют
серыми.
Закон Стефана — Больцмана для серых тел
где С — коэффициент излучения данного тела.
Коэффициент излучения серого тела всегда меньше коэффи-
циента излучения абсолютно черного тела:
С=sCg,
где е — степень черноты тела, равная отношению коэффициента
излучения данного тела к коэффициенту излучения абсолютно
С
черного тела, т. е. е=-.
Со
Рис. 16. Схема лучистого теплообмена между телами в замкнутом про-
странстве
Теплообмен излучением между твердыми телами. Количество
теплоты, передаваемое излучением от одного тела к другому,
зависит от температуры этих тел, расположения их в простран-
стве, степени черноты, формы и т. д. Ниже рассмотрены некото-
рые случаи теплообмена между двумя твердыми телами.
Теплообмен между двумя бесконечно большими параллельны-
ми поверхностями
где Q1—2—тепловой поток от одной поверхности к другой поверх-
ности, Вт; ей — приведенная степень черноты системы; Т\ — тем-
пература более нагретого тела, К; Л — температура менее на-
гретого тела, К-
Для данного случая приведенная степень черноты
1
s"— ’
—I-——1
«1 62
где ei и ег — степени черноты поверхности указанных тел.
29
Теплообмен между двумя телами, из которых одно находится
внутри другого (рис. 16),
Q1-2 — 1
Л \4 / Г2 \41
100 / \ 100 ) J ’
где еи=
*1 ^2 \ е2 /
Излучение газов. Одно- и двухатомные газы (СО, Н2, О2, N2
и т. д.) практически не излучают и не поглощают лучистую
энергию. Эти газы принято называть лучепрозрачными. Трех-
атомные газы и газы большей атомарности (СО2, Н2О, СН4, SO2
и т. д.) обладают значительной лучеиспускательной и поглоща-
тельной способностью. В отличие от излучения твердых тел
газы могут излучать и поглощать лучистую энергию лишь в
определенных интервалах длин волн (полосах), расположенных
в различных частях спектра излучения. На рис. 17 показаны
спектры излучения газового тела (а) и поглощения (б), имею-
щие три полосы. Вне этих полос газовое тело не излучает и не
поглощает лучистую энергию.
Рис. 17. Спектры излучения (а) и
поглощения (б):
/—абсолютно черного тела: 2—серо-
го тела; 3—газового тела
В практических расчетах приходится учитывать излучение
газов СО2 и Н2О. Эти газы излучают и поглощают лучистую
энергию в интервале следующих длин волн в мкм:
2,36—3,02 1-я полоса СО2,
4,01—4,80 2-я полоса СО2,
12,5—16,5 3-я полоса СО2,
2,24—3,27 Н2О;
4,8—8,5 Н2О;
12—25 Н2О.
Большое значение для излучения газов имеет толщина газо-
вого слоя: с увеличением толщины излучение возрастает. Как и
при излучении твердых тел, при излучении газов важной рас-
четной характеристикой является степень черноты.
30
Степень черноты газа является функцией, зависящей от тем-
пературы газа и произведения его парциального давления на
эффективную длину лучей, т. е.
е=?(Л р$эф),
где t — температура газа, °C; р — парциальное давление газа;
Па; $Эф — средняя эффективная длина лучей, м;
*эф=0,9^;
V — объем, заполненный газом, м3; F — поверхность, омываемая
газом, м2.
Степень черноты газовой смеси, в которой содержатся СО2 и
Н2О,
er=sCOa4“eHao£,
где есоа—степень черноты СО2; ен2о— степень черноты Н2О;
g— поправочный коэффициент.
Плотность теплового потока в Вт/м2, передаваемого излуче-
нием от газа к окружающей поверхности,
Q=cr.«.M=
где ei и е2— степени черноты газа и поверхности; и Т2 — тем-
пература газа и поверхности.
Тепловой поток в Вт излучением от газа к нагреваемому ме-
таллу в печи
/ тг \4 / гм \41
А юо/ \ юо / J м’
где Сг.к.м — приведенный коэффициент излучения от газов на
металл с учетом роли кладки в лучистом теплообмене,
Вт/(м2-К); Тг — температура газа, К; Тм — температура метал-
ла, К.
Коэффициент Сг.к.м может быть рассчитан по формуле
В. Н. Тимофеева, выведенной при следующих допущениях: сте-
пень черноты и температура газов постоянны по всему объему
печи, температура внутренней поверхности кладки одинакова,
а потери теплоты через стенки печи компенсируются за счет
конвективного теплообмена внутри ее рабочего пространства:
р ___________________ 5,7ем(со4-1 — ег)
иг.к.м . ’
1 — ег
[ем—ег(1 —ем)]-----+ <>
£г
р
где <о=—— —степень развития кладки; ем и ег— степени
F м
черноты металла и газа при Тм и Тг.
Лучеиспускание газового и мазутного факелов зависит не
только от излучения трехатомных газов, но и от излучения со-
31
держащихся в них сажистых частиц (продуктов разложения
углеводородов, раскаленных частиц сажистого углерода).
Коэффициент теплоотдачи излучением. В неко-
торых случаях уравнение теплообмена излучением применяют в
преобразованном виде. Например, если обе части уравнения
Q—
разделить на разность температур, т. е.
получим
где /1—6=^1—Т2, так как Т=/ + 273°С.
Обозначив
e,lC° \юо/ \100/ ]
«л =------ — '--—
/ 1“ /2
получим, что тепловой поток в Вт
Q=«л (Л-Л) Л
где ал — коэффициент теплоотдачи излучением.
§ 5. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА
Движущийся горячий газ передает теплоту холодной поверх-
ности, с которой он соприкасается, лучеиспусканием, конвекцией
и теплопроводностью. Общий тепловой поток к поверхности ра-
вен сумме тепловых потоков излучением и теплоотдачей:
Qo6W=ал (Л - h) F + а (*1 - *2) F
ИЛИ
Qo6W=(ал+а) (Л - *2) F=а0бщ (*1 - 4г) Л
где аобщ='ал + а.
Теплопередача от одной газовой среды к другой через плос-
кую стенку. Имеем стенку (рис. 18) толщиной s с коэффициен-
том теплопроводности X. С одной стороны стенки находится го-
рячий газ с температурой Л, с другой — холодный воздух с тем-
пературой /4. Суммарный коэффициент теплоотдачи на горячей
стороне «ь на холодной аг- Температурное поле является стаци-
онарным.
32
Плотность теплового потока от горячего газа к стенке
- 91— ai(^i —^)>
где t2 — температура стенки, соприкасающейся с горячим газом.
Плотность теплового потока через стенку
92= —
S
где /3 — температура стенки, соприкасающейся с холодным воз-
духом.
Рис. 18. Суммарная теплопередача через
плоскую стенку
Плотность теплового потока от стенки к воздуху
03 = 02 (*3-*4)-
При стационарном тепловом потоке 91 = 92=9з=9-
Так как
то плотность теплового потока
— /4),
где К=---------------------коэффициент теплопередачи.
1 s 1
4- —- ----
G1 Л Д?
2 781
33
Глава III
' НАГРЕВ МЕТАЛЛА
§ 1. ОКИСЛЕНИЕ И ОБЕЗУГЛЕРОЖИВАНИЕ МЕТАЛЛА
При термообработке отливок поверхность металла взаимо-
действует с атмосферой печи. В зависимости от химического
состава металла и окружающей его атмосферы протекают раз-
личные процессы. Основными из них являются окисление, вос-
становление, науглероживание и обезуглероживание.
Рис. 19. Диаграмма равновесия окислов
железа со смесями СО и СО2
Рис. 20. Диаграмма равновесия окислов же-
леза со смесями Н2 и Н2О
Окисление и восстановление стали. В печах газами-окислите-
лями являются О2, СО2 и Н2О, а газами-восстановителями Н2
и СО.
Кислород взаимодействует с железом:
2Fe+O2=2FeO; 6FeO+O2=2Fe3O4; 4Fe3O4+O2=6Fe2O3.
Углекислый газ взаимодействует с железом:
3Fe+4СО2=Fe3O44-4CO; Fe+СО2=FeO+СО.
Направление протекания этих реакций зависит от состава
атмосферы печи и температуры. Если взять, например, атмосфе-
ру, состоящую только из двух газов СО и СО2, то в зависимости
от концентрации СО в этой атмосфере направление протекания
реакций при различной температуре можно определить по
рис. 19.
Водяной пар взаимодействует с железом:
Fe + Н2О=FeO+Н2; 3Fe+4Н2О=Fe3O4+4Н2.
34
Направление протекания реакций в зависимости от темпера-
туры и концентрации Н2 и Н2О в атмосфере, состоящей из их
смеси, можно определить по рис. 20.
Науглероживание и обезуглероживание стали. В печах в ка-
честве науглероживающих газов используют СН4 и СО.
Обезуглероживание вызывают газы СО2, Н2 и Н2О.
Науглероживание железа происходит по реакции
3Fe4-C=Fe3C.
Обезуглероживание стали происходит по реакциям
Fe3C+2И2=3Fe + СН4; Fe3C+СО2=3Fe + 2СО;
Fe3C+Н2О = 3Fe + СО + fi2-
Изменяя состав атмосферы печи, можно регулировать содер-
жание углерода в стальной или чугунной отливке.- Науглерожи-
вающие или обезуглероживающие свойства атмосферы печи за-
висят от ее углеродного потенциала. Содержание углерода в от-
ливке, нагретой в данной атмосфере при достаточной выдержке,
будет соответствовать величине углеродного потенциала атмос-
феры.
Рис. 21. Зависимость углеродно-
d потенциала атмосферы от со-
держания в ней СО2
Рис. 22. Зависимость углеродного по-
тенциала атмосферы от ее точки росы
Углеродный потенциал атмосферы печи регулируют измене-
нием концентрации в ней СО2 или Н2О. На рис. 21 дана зависи-
мость углеродного потенциала атмосферы от содержания в ней
СО2 при различных температурах.
2*
35
Количество НгО в атмосфере обычно определяют не в про-
центах, а по так называемой точке росы — температуре, при
которой водяные пары данной атмосферы конденсируются. На
рис. 22 показана зависимость углеродного потенциала атмосферы
от ее точки росы при различных температурах.
Следовательно, если известны химические составы стали или
чугуна и температура термообработки, то, подбирая соответст-
вующую атмосферу печи, можно обеспечить протекание необхо-
димых реакций и получить отливку с заданными технологичес-
кими и механическими свойствами.
§ 2. ОСНОВЫ РАЦИОНАЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ
НАГРЕВА МЕТАЛЛА
В плавильных печах металл нагревают до температуры, пре-
вышающей температуру его плавления. В термических печах
металл нагревают до температуры, при которой в металле про-
исходят необходимые структурные превращения. В плавильных
печах металл нагревают с максимальной скоростью, что повы-
шает производительность печи и уменьшает угар металла. При
нагреве металла в термических печах скорость нагрева зависит
от размеров отливки. Разность температур по сечению мелких
отливок при их нагреве незначительна, поэтому они быстро на-
греваются. При нагреве в крупных отливках из-за разности тем-
ператур по сечению могут возникнуть значительные напряжения
и, как следствие, образоваться трещины; кроме того, это может
вызвать их коробление. Поэтому крупные отливки следует на-
гревать с определенной скоростью. В соответствии с технологией
нагрева применяют одноступенчатый или многоступенчатый
нагрев.
При одноступенчатом нагреве весь объем печи имеет одина-
ковую температуру. При многоступенчатом нагреве в печи име-
ется несколько зон с различной температурой. В этом случае
нагреваемый металл вначале помещают в зону с низкой темпе-
ратурой, а затем после достаточной выдержки переносят в зону
с более высокой температурой.
Предварительный подогрев металла перед его загрузкой в
печь, например подогрев шихты перед загрузкой в индукцион-
ную печь, значительно улучшает экономические показатели
процесса.
При термообработке отливок необходимо следить за равно-
мерным нагревом садки, так как только в этом случае можно
обеспечить стабильность процесса. Температура нагрева метал-
ла в термических печах должна не превышать допустимую, ина-
че это приведет к ухудшению структуры металла. Нагрев ме-
талла до более высокой температуры интенсифицирует рост
зерна металла (перегрев) и снижает механические свойства от-
ливки.
36
Наиболее экономичным (с точки зрения расхода топлива)
является одноступенчатый нагрев с максимальной скоростью.
При многоступенчатом нагреве металла удельный расход топли-
ва возрастает. Различные режимы нагрева оценивают с эконо-
мической точки зрения не только с учетом стоимости топлива,
но и с учетом стоимости выпускаемой продукции.
§ 3. РАСЧЕТ НАГРЕВА МЕТАЛЛА
Продолжительность нагрева металла до заданной температу-
ры является важным параметром, определяющим габаритные
размеры печи. При расчете продолжительности нагрева учиты-
вают не только условия передачи теплоты от печного простран-
ства к поверхности нагреваемого металла, но и условия отвода
теплоты от поверхности в глубь металла.
Различают нагреваемые тела, имеющие значительный пере-
пад температур между поверхностью и центром (массивные
тела) и не имеющие значительного перепада температур (тон-
кие тела).
Разделение нагреваемых тел на массивные и тонкие являет-
ся условным. Отнесение данного тела к той или иной группе
обусловлено его геометрическими размерами, теплофизическими
свойствами и интенсивностью подвода теплоты из окружающего
пространства. Одна и та же деталь или отливка в зависимости
от условий нагрева может быть и тонким и массивным телом.
Мерой степени массивности нагреваемого тела служит кри-
терий БиО (Bi)
X ’
где аОбщ — суммарный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-°С);
s — расчетная толщина нагреваемого тела, м.
Критерий Bi <0,25 соответствует области тонких тел,
Bi0,5 — области массивных тел, 0,25<Bi<0,5 — переходной
области. При расчетах переходную область обычно рассматри-
вают как область массивных тел.
Расчетная толщина нагреваемого тела зависит от условий
нагрева металла. При одностороннем нагреве, напрцмер, плиты
металла, лежащей на поду печи, расчетная толщина равна тол-
щине плиты. При двустороннем нагреве, например, плиты ме-
талла, обогреваемой с двух сторон, расчетная толщина равна
половине толщины плиты. Прй нагреве цилиндрических тел, ле-
жащих на поду печи, расчетная толщина равна радиусу тела.
Расчет тонких тел проще расчета массивных тел, поэтому в
его начальной стадии необходимо определить критерий Bi.
37
Нагрев тонких тел. Продолжительность нагрева в с
х = In ^печ —
•^аобщ ^печ—
где G — масса тела, кг; с — теплоемкость тела, Дж/(кг-°С);
F — тепловоспринимающая поверхность тела, м2; /Печ— темпера-
тура печи, °C; /н и /к— начальная и конечная температуры те-
ла, °C.
Нагрев массивных тел. Расчет ведут в следующей последова-
тельности, определяя:
1) критерий Bi;
2) температурный критерий поверхности тела;
3) по графику критерий Фурье (Fo), при этом используют
график для температурного критерия поверхности тела;
4) температуру центра тела;
5) продолжительность нагрева тела.
РАЗДЕЛ II
ТОПЛИВО И ЕГО СЖИГАНИЕ
Глава IV
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
И РАСЧЕТЫ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА
§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Топливом называют горючие вещества, при сжигании кото-
рых выделяется теплота, используемая для промышленных или
бытовых целей.
В основу классификации топлива положено его агрегатное
состояние, происхождение и поведение при нагреве. По поведе-
нию при нагреве без доступа воздуха все виды топлива подраз-
деляют на теплоустойчивые и теплонеустойчивые. К теплоустой-
чивым относят кокс, газы СО, Н2 и т. д., т. е. вещества, химичес-
кий состав которых при нагреве не изменяется. К теплонеустой-
чивым относят дерево, СН4 и т. д., т. е. вещества, разлагающиеся
при нагреве.
Химический состав топлива. Топливо характеризуется хими-
ческим составом, теплотой сгорания, температурой горения и по-
ведением при нагреве. Изучение топлива начинается с изучения
его состава. Его основными горючими составляющими являются
углерод и водород, находящиеся в чистом виде либо в виде раз-
личных соединений.
Кроме них в состав топлива, как правило, входят сера, кис-
лород и азот. В большинстве топлив содержатся вода и зола,
которая представляет собой минеральные соединения. На вопрос,
какие химические соединения и в каких количествах образуют
данное топливо, отвечает полный его химический анализ. Одна-
ко из-за сложности некоторых соединений, входящих в составы
топлив, произвести их полный химический анализ очень трудно.
По степени приближения химических анализов топлив к их
полному хмическому анализу все 'существующие виДЪ1 топлива
подразделяют на две группы.
Группа 1 состоит из топлив, в которые входят вещества с
индивидуальными химическими свойствами: газообразные из
смеси газов, содержание которых сравнительно легко определить
(СО, Н2, СН4, СО2, Н2Оидр.).
В группу 2 входит топливо, состоящее из смеси различных
углеводородов сложного строения, содержание которых в смеси
39
трудно или невозможно определить (жидкое топливо и ископа-
емые угли).
Прежде чем перейти к изучению анализов топлива, рассмот-
рим его горючие и негорючие составляющие.
Горючие и негорючие составляющие (балласт) топлива.
Углерод является одной из важных составляющих топлива.
В зависимости от количества воздуха, подаваемого для сжи-
гания углерода, может быть образована двуокись углерода СОг
или окись углерода СО.
Углерод в СО2 или в СО горит по следующим реакциям:
С4“02=С024-34000 кДж/кг; С + “-О2=СО+10300 кДж/кг.
Водород — второй весьма важный элемент, входящий в
состав топлива, горит по реакции
Н2 + у О2=(Н2О)Ж +143 000 кДж/кг.
Индекс «ж» указывает, что вода, образующаяся при сжига-
нии водорода, конденсируется, выделяя теплоту. Так как из пе-
чей продукты горения удаляются, как правило, с температурой
выше 100° С и вода находится в парообразном состоянии, то теп-
лоты выделяется меньше и- водород горит по реакции
н2 + -Y °2=(Н2О)Л + 121020 кДж/кг.
Водород, связанный с кислородом в виде гидроксильных
групп и воды, в горении топлива не участвует.
Сера в топливе находится в виде различных соединений.
Так, в твердом топливе различают органическую серу, связан-
ную с элементами топлива в виде органических соединений, кол-
чеданную или пиритную, присутствующую в топливе в виде пи-
рита или колчедана FeS2, и сульфатную в виде солей серной
кислоты CaSO4.
Сульфатная сера в горении не участвует, так как связана в
топливе с кислородом. Органическая и колчеданная сера участ-
вуют в горении. Суммарное содержание органической, колчедан-
ной и сульфатной серы называют общей серой 50бщ. Сера явля-
ется нежелательной составляющей топлива, и ее содержание
регламентируют.
Сера горит по реакции
S + O2=SO2 + 9150 кДж/кг.
Окись углерода СО. Во многих промышленных газах
содержится окись углерода СО, которая при соединении с кисло-
родом сгорает по следующей реакции:
СО+-^-О2=СО2 4-12 700 кДж/м3.
40
Метан СН4 горит по реакции
СН4 + 202=-С02 + 2(Н20)л + 36 000 кДж/м3
и является одной из основных составляющих природных газов.
Сероводород H2S является нежелательной примесью в
газах, так как при его сжигании образуется сернистый газ SO2.
Кислород в твердом и жидком топливе находится в свя-
занном состоянии и в горении не участвует. Он является нежела-
тельной примесью, так как снижает теплоту сгорания топлива.
Азот, содержащийся в топливе, в горении не участвует и
является его балластом.
Влага W так же, как и азот, является балластом топлива и
в горении не участвует. Влага, как правило, присутствует во
всех видах топлива. При продолжительной сушке твердого топ-
лива на воздухе из него удаляется часть общей влаги. При этом
топливо характеризуется воздушно-сухим состоянием. Влагу,
механически удерживаемую топливом и теряемую при сушке
(без подогрева), называют внешней.
Влагу, находящуюся внутри твердого топлива (в порах) и
удаляемую при дополнительном его подогреве, называют внут-
ренней или гигроскопической.
Углекислый газ СО2 не горит и является балластом
топлива.
Сернистый газ SO2 разрушает нагреваемый металл и
печную арматуру. Он не горит и является балластом топлива.
Зола А. В твердом и жидком топливе присутствуют различ-
ные минеральные вещества, которые после его сгорания образу-
ют твердый остаток — золу. Минеральные вещества состоят в
основном из солей калия, натрия, кальция, магния, а также раз-
личных окислов, сульфидов и сульфатов. При любом составе
зола является балластом топлива, понижающим его калорий-
ность, и нежелательной составляющей, так как по мере его сго-
рания накапливается негорючий остаток, который необходимо
удалять.
Элементарный и технический анализы топлива. Элементар-
ный анализ твердого и жидкого топлива позволяет установить
содержание в нем (в % по массе) углерода С, водорода Н, кис-
лорода О, азота N, серы 50бщ, золы А и влаги W. При этом
C + H + O + N + S^ + A + W^lOOo/o.
Элементарный анализ твердого и жидкого топлива может
быть проведен с учетом различных масс топлива: органической,
горючей, сухой и рабочей. Горючая масса дает представление о
топливе как о горючем. Она равна массе рабочего топлива минус
содержащийся в нем негорючий балласт (золу и влагу). При этом
сера Sr входит в горючую массу в виде горючих органических и
сернистых соединений, а сера, входящая в состав негорючих со-
единений, так называемая негорючая сера, относится к золе А.
41
При элементарном анализе газообразного топлива определяют
его отдельные составляющие в объемных процентах.
При техническом анализе твердого топлива определяют теп-
лоту его сгорания, влажность, зольность, содержание серы, вы-
ход летучих и дают характеристику внешнего вида кокса. Влаж-
ность топлива определяют взвешиванием навески топлива до и
после сушки при 101° С, выход летучих — по разнице масс навес-
ки сухого топлива до и после ее сухой перегонки. Сухая перегон-
ка навески представляет собой разложение теплонестойких сос-
тавляющих топлива при нагреве его без доступа воздуха. При
этом топливо разлагается на газы и пары (летучие) и на твердый
остаток (кокс). Пары представляют собой смесь горючих и не-
горючих газов, паров, смол и воды.
Элементарный анализ топлива — трудоемкая операция. Тех-
нический анализ менее сложен, его выполняют при приемке и
сдаче каждой партии топлива.
Теплота сгорания топлива. Теплотой сгорания топлива назы-
вают количество теплоты, которое выделяется при полном сжи-
гании единицы массы или объема топлива. Говоря о теплоте
сгорания, необходимо различать высшую QB и низшую теплоту
сгорания QH. Продукты горения топлива содержат пары воды,
которые либо конденсируются, либо остаются в парообразном
состоянии. Высшая теплота сгорания топлива соответствует ус-
ловию охлаждения продуктов горения до 0°С и конденсации
водяного пара, которая сопровождается выделением скрытой
теплоты парообразования. Низшая теплота сгорания топлива
соответствует условию, при котором продукты горения имеют
высокую температуру, а вода остается в парообразном состоя-
нии. Теплота испарения 1 кг воды в теплотехнических расчетах
принимается равной 2500 кДж. Разница между QB и QH состав-
ляет около 2500 кДж/кг воды. В технике в большинстве случаев
используют низшую теплоту сгорания. Это объясняется тем, что
температура продуктов горения топлива, уходящих из различ-
ных нагревательных устройств, выше температуры конденсации
водяных паров. Формула пересчета QB на QH может быть исполь-
зована для любого вида топлива:
'Qb-Qh=25Wp + 233Hp кДж/кг,
где №₽ и №' — в % •
Связь теплоты сгорания топлива с его элементарным соста-
вом и расчет теплоты сгорания топлива по его составу. Теплота
сгорания связана с химическим составом топлива. Теплота сго-
рания любого топлива представляет собой сумму теплоты сгора-
ния элементов и соединений, составляющих данное топливо.
Поэтому для расчета теплоты сгорания необходимо знать хими-
ческий состав топлива и теплоту сгорания элементов и соедине-
ний, составляющих его.
42
Таблица 1
Теплота сгорания некоторых горючих газов
Газ Теплота сгорания, кДж/м3
О
Окись углерода СО 12 700 12 700
Водород Н2 12 770 10 760
Метан СН4 39 800 36 000
Этилен С2Н4 65 000 60 000
Этан С2Нв 70 000 64 000
Пропан С3Не 99 000 91000
Бутан С4Н10 129000 118 000
Пентан C5Hi2 159000 147000
В табл. 1 приведена теплота сгорания горючих газов. Для
всех видов твердого и жидкого топлива можно использовать
формулу Д. И. Менделеева
qp=339Cp+1030Hp-109(0p~Sp)-25Wp кДж/кг. (8)
Степень «р» указывает на то, что в формулу надо подстав-
лять содержание С, Н, О, S и W в пересчете на рабочую массу.
Эмпирические коэффициенты учитывают энергию связи между
элементами.
Теплоту сгорания газообразного топлива подсчитывают сум-
мированием тепловых эффектов реакций горения:
QH= 126СО+108H2 + 358CH44-590C2H4+234H2S кДж/м3, (9)
где СО, Н2, СН4, СгН4, H2S — содержание их в сухом газообраз-
ном топливе, об. %.
Теплоту сгорания топлива экспериментальным путем опре-
деляют в калориметрах. При этом теплота, выделяющаяся при
горении топлива, поглощается средой, свойства которой хорошо
изучены. Такой средой чаще всего является вода.
Условное топливо. Тепловые эквиваленты. В технике коли-
чество топлива принято измерять количеством условного топли-
ва. Условным считают топливо, теплота сгорания которого
29 300 кДж/кг. Приблизительно такую теплоту сгорания имеет
донецкий коксовый уголь. Реальное топливо переводят в услов-
ное с помощью теплового эквивалента. Тепловой эквивалент
представляет собой частное от деления теплоты сгорания реаль-
ного топлива на* теплоту сгорания условного топлива. Например,
если теплота сгорания данного топлива составляет
27 400 кДж/кг, то это соответствует 27 400:29 300=0,94 кг ус-
ловного топлива, т. е. в данном примере тепловой эквивалент
равен 0,94.
43
Поведение топлива при нагреве без доступа воздуха является
одной из важнейших характеристик топлива. Это объясняется
тем, что процесс горения топлива всегда связан с его нагревом.
Условия сжигания топлива выбирают в зависимости от поведе-
ния топлива при нагреве.
К теплоустойчивым горючшм веществам относят чистый уг-
• лерод (температура плавления выше 3000°С), водород и окись
углерода. Углеводородные топлива обладают ограниченной теп-
лоустойчивостью. К ним относятся, в частности, природный газ,
нефть и продукты ее переработки.
Представляет интерес поведение твердых топлив при нагреве
без доступа воздуха, так как это имеет большое значение для
процесса коксования каменных углей. По мере увеличения со-
держания углерода в топливе температура его термического раз-
ложения повышается. При нагревании угли претерпевают не
только химические, но и физические изменения. Это выражается
в том, что битумы, входящие в состав некоторых сортов угля,
при нагревании до температуры 400—700° С плавятся и перехо-
дят в пластическое состояние. При дальнейшем повышении тем-
пературы битумы опять переходят в твердое состояние. Угли,
содержащие плавящиеся битумы, называют спекающимися.
Угли, не содержащие битумов, плавящихся при нагреве, называ-
ют неспекающимися. На способности угле спекаться основано
получение металлургического кокса.
§ 2. ВИДЫ И СВОЙСТВА ТОПЛИВА
Твердое топливо. К естественным видам твердого топли-
ва относят дрова, торф, горючие сланцы, бурый уголь, каменные
угли и антрациты.
Бурый уголь занимает по происхождению промежуточное по-
ложение между торфом и каменным углем. Бурые угли отли-
чаются от каменных меньшим содержанием углерода и боль-
шим содержанием кислорода, обладают высокой золностыо.
Бурые угли широко используют и как местное топливо, и как
сырье для химической промышленности.
Каменные угли и антрациты характеризуются высоким содер-
жанием углерода. Они по составу, по выходу и характеру кокса
очень разнообразны. Угли подразделяют на классы в зависимос-
ти от их возраста. Так, угли Донецкого бассейна подразделяют
на длиннопламенные, газовые, паровично-жирные, коксовые, па-
ровично-спекающиеся и тощие (табл. 2).
Тощие угли занимают промежуточное положение между ка-
менными углями и антрацитами. Начиная с длиннопламенных, в
углях наблюдается повышенное содержание углерода и пони-
женное содержание кислорода и водорода, а также постепенное
уменьшение выхода летучих. Начиная с длиннопламенных, проч-
ность и плотность кокса постепенно повышаются. Максимальную
44
Таблица 2
Химический состав в % и теплота сгорания некоторых твердых и жидких топлив
Топливо Теплота сгорания, кДж/кг с₽ НР OP + NP SP АР WP Выход лету- чих из рабо- чей массы топлива, %
Каменные угли:
длиннопламенные 22 000 55-60 3,4- 4,1 10-14 3,5 13 12 30—37
газовые . . . . 26 000 63-67 4-4,6 8-11 3 13 8 28-35
коксовые . . . 24500— 27 300 67-71 3,5— 4,3 4,3- 5,1 2,4- 2,8 16,5— 23 3 14-28
паровично-спека- ющиеся . . . . 27 600— 27 700 73-74 3,75 3,75 1,9- 2,6 12—16 3 10-15
тощие 28 500- 29 700 76-79 3,4- 3,8 2,5- 4,7 1,9 11,5 3 8,5- 14
Антрациты . . . 27 200— 29300 86 1,8 1,8 1,5-2 3,5— 10 2-4,7 2-4
Каменноугольный кокс 25 100 80-85 0,4 1,5 0,5-2 8—12 2-5 1,5
Мазут 35 600— 39 800 80—87 11-13 0-0,5 0,4 0 0-10 1-
прочность и плотность имеет кокс, полученный из коксовых и
паровично-спекающихся углей. Из тощих углей получают по-
рошкообразный или слабоспекающийся кокс. Теплота сгорания
каменных углей в пересчете на рабочую массу повышается
(начиная от длиннопламенных) от 22 000 до 29 700 кДж/кг.
Антрациты по сравнению с каменными углями содержат на-
ибольшее количество углерода, по возрасту они являются наи-
более старыми. Антрациты отличаются от каменных углей боль-
шей плотностью, малой гигроскопичностью и высокой стойкостью
к окислению. При сухой перегонке они выделяют очень неболь-
шое количество летучих с остатком в виде неспекающегося
кокса. Каменные угли и антрациты применяют для отопления
котельных, печей и в качестве сырья для производства генера-
торного газа. Смеси коксующихся и некоксующихся углей ис-
пользуют для получения кокса.
К искусственному твердому топливу относят
кокс — продукт сухой перегонки при 900—1000° С коксующихся
каменных углей* в коксовых печах. Процесс коксования углей
состоит на следующих этапов:
разложения ряда сложных соединений при нагреве, входящих
в каменный уголь, сопровождающегося выделением различных
газообразных и конденсирующихся веществ;
45
перехода угля при определенной температуре в пластическое
состояние из-за наличия в нем плавящихся битумов;
отвердевания пластической массы при повышении темпера-
туры нагрева; получившийся при этом твердый остаток и явля-
ется коксом.
При повторном нагреве кокс не переходит в пластическое со-
стояние. Он обладает высокой механической прочностью и спо-
собностью противостоять истиранию, которое испытывает в до-
менных печах и вагранках.
Кокс получают в кусках, поверхность которых светло- или
темно-серого цвета. Средний состав и теплота сгорания кокса
приведены в табл. 2.
Различают кокс металлургический (доменный) с пористостью
45—50% и литейный (для плавки в вагранках) с пористостью
40%. Литейный кокс должен содержать не более 4% W₽, 10—
14% А и 1,7% Sc.
Одним из основных требований, предъявляемых к коксу,
является высокая механическая прочность. Механическую проч-
ность определяют в барабане диаметром 2 м и длиной 0,7 м,
частота вращения которого 10 об/мин. Боковая поверхность
барабана образована металлическими прутьями, расположенны-
ми с зазорами на расстоянии 25 мм друг от друга. В барабан
загружают 410 кг испытываемого кокса. Спустя 15 мин после
начала вращения барабана часть кокса высыпается из него.
Чем выше механическая прочность кокса, тем больше получае-
мый остаток, который называют барабанной пробой. Барабан-
ная проба кокса среднего качества 310—320 кг.
Одной из основных характеристик кокса является зависящая
от пористости реакционная способность, по которой можно су-
дить о способности кокса восстанавливать двуокись углерода:
C+CO2=2CO-Q.
Металлургический кокс является не только топливом, но и
восстановителем, поэтому он должен иметь значительную реак-
ционную способность. Литейный кокс является в основном толь-
ко источником тепла (плавка в вагранке), следовательно, его
реакционная способность должна быть ниже реакционной спо-
собности металлургического кокса.
Жидкое топливо имеет ряд преимуществ по сравнению с
твердым топливом: высокую теплоту сгорания, удобство исполь-
зования и транспортирования по трубопроводам. Естественным
видом жидкого топлива является нефть, представляющая собой
смесь различных углеводородов с незначительными включения-
ми кислородных, азотных и сернистых соединений. Добыча нефти
сопровождается выходом большого количества попутных газов,
содержащих в основном метан.
Нефть непосредственно не используют в качестве топлива
вследствие ценности продуктов ее переработки и низкой темпе-
46
ратуры вспышки. Для отопления печей и котельных применяют
мазут, представляющий собой остатки переработанной нефти.
Продуктами переработки нефти являются бензин (авиацион-
ный и автомобильный), лигроин, керосин. Указанные продукты
являются легкими фракциями, выход которых составляет 25—
30% от исходной нефти. Остаток, состоящий из тяжелых фрак-
ций, представляет собой мазут. Теплота сгорания мазута Qh=
= 35 6004-39 800 кДж/кг. Средний состав малосернистого мазу-
та приведен в табл. 2. В высокосернистых мазутах серы содер*
жится до 4%. Как отмечалось, мазут применяют для отопления
печей.
Газообразное топливо по происхождению подразделяют на:
естественное и искусственное. К естественному относят природ-
ный и нефтепромысловый газы. Наибольшее значение для нашей
промышленности имеет природный газ.
Газообразное топливо имеет ряд преимуществ перед другими
видами топлива. Это особенно относится к природному газу.
Себестоимость природного газа ниже, чем себестоимость кокса
и мазута. Кроме того, газообразное топливо полнее сгорает при
минимальном избытке воздуха, благодаря чему достигается бо-
лее высокий КПД печи. При сжигании газообразного топлива
упрощаются обслуживание печи, устройства для сжигания, об-
легчается автоматизация ее теплового режима, улучшаются
условия труда, снижаются расходы по эксплуатации печей и т. д.
К недостаткам следует отнести токсичность некоторых видов
газообразного топлива и взрывоопасность в смеси с воздухом.
Природный газ добывают во многих районах СССР. Основ-
ной его составляющей является метан. Теплота сгорания при-
родного газа QH составляет 35 200—38 200 кДж/м3.
К искусственным газообразным топливам относят коксоваль-
ный, доменный, генераторный газы. Коксовальный газ получают
в качестве побочного продукта при коксовании углей. Коксо-
вальный газ широко применяют в металлургии.
Доменный или колошниковый газ является побочным продук-
том доменного производства (на 1 кг чугуна образуется 3 м3
доменного газа). Доменный газ в смеси с коксовальным исполь-
зуют для отопления печей металлургических заводов.
§ 3. РАСЧЁТЫ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА
При расчете горения топлива определяют количество возду-
ха, необходимое, для сгорания единицы данного топлива, коли-
чество и состав 'продуктов горения, температуру горения.
Определение количества воздуха, необходимого для горения
топлива, количества и состава продуктов горения. Указанные
величины определяют на основании данных о составе топлива и
реакций горения элементов и составляющих веществ данного
47
топлива. Воздух состоит из 21 об. % О2 и 79 об. % N2 (79:21 =
= 3,762) или 23,3% О2 и 76,7% N2 по массе.
На примере реакции горения чистого углерода определим ко-
личество воздуха, необходимое для горения, и получающихся
продуктов горения.
Допустим, что сжигается 1 кг чистого углерода, тогда
С + О2 = СО2.
На 1 кг углерода требуется 32: 12 = 2,67 кг кислорода (12-
масса 1 кг-моля С, 32 —масса 1 кг-моля О2).
С этим количеством кислорода в реакцию горения войдет
2,67^=8,79 кг N2,
23,3 2
а масса воздуха, затраченного на горение,
2,67 + 8,79=11,46 кг.
44
При сжигании 1 кг углерода образуется — = 3,67 кг СО2.
Азот воздуха также перейдет в продукты горения, при этом их
масса равна
3,67 + 8,79=12,46 кг.
Количество воздуха в объемных единицах получают деле-
нием массы воздуха на его плотность (1,293 кг/м3).
Правильность приведенного расчета горения можно прове-
рить по материальному балансу горения.
Материальный баланс горения представляет собой частный
случаи закона сохранения массы вещества, по которому масса
веществ, вступающих в реакцию горения, должна быть равна
массе веществ, полученных в результате горения. В приведенном
примере для сжигания поступило
। 1 кг С
2,67 кг О2
+ 8,79 кг N2
Итого 12,46 кг
В результате сжигания получено
3,67 кг СО2
8,79 кг N2
Итого 12,46 кг
Следовательно, приход равен расходу, т. е. рассчитано пра-
вильно.
Рассчитаем количество воздуха и продуктов горения при го-
рении газообразных горючих веществ. Рассмотрим реакцию го-
рения СО:
co+-+o2=co2+q.
48
Так как объем 1 моля любого газа при нормальных условиях
составляет 22,4 м3, то можно считать, что для горения 1 м3 СО
необходимо 0,5 м3 кислорода, в результате чего получают 1 м3
СО2. С учетом азота воздуха, переходящего в продукты горения,
для горения 1 м3 СО требуется воздуха
0,5 + 0,5-3,76 = 2,38 м3;
количество продуктов горения составляет
1+0,5-3,76 = 2,88 м3.
Коэффициент расхода воздуха. Теоретическим рас-
ходом воздуха называют минимальное количество воздуха, полу-
ченное по расчету, которое необходимо для полного горения
единицы массы или объема данного топлива. Теоретический рас-
ход воздуха обозначают через Lq м3/кг или м3/м3. Практически
для сжигания топлива требуется количество воздуха, превыша-
ющее теоретическое. Практический расход воздуха для сжига-
ния единицы топлива обозначают через Ln. Коэффициентом рас-
хода воздуха п называют отношение
Коэффициент расхода воздуха при сжигании того или иного
вида топлива зависит от условий сжигания, которые, в свою оче-
редь, зависят от вида топлива, типа сжигающего устройства,
конструкции топки, назначения печи и т. д. Ниже приведены зна-
чения п для разных видов топлива:
Газообразное....................1,05—1,1
Мазут...........................1,1—1,25
Пылевидное......................1,2—1,25
Каменный уголь..................1,2—1,7
Температура горения топлива. При расчете горения топлива
различают несколько температур: максимально возможную или
калориметрическую, теоретическую и практическую.
Калориметрической температурой /к горения
называют температуру, которую имели бы продукты горения
при отсутствии потерь теплоты в окружающее пространство и
на диссоциацию. В этом случае подразумевают, что вся теплота,
выделяемая при горении, идет только на нагрев продуктов го-
рения. Калориметрическая температура является теоретической
расчетной величиной.
Теоретической-/т называют температуру, которую име-
ли бы продукты горения с учетом потерь теплоты на диссоциа-
цию молекул СО2 и Н2О, которая имеет место при высоких тем-
пературах по реакциям:
2СО2^Г2СО + О2-Q; 2//2O^2H2 + O2-Q.
Эта температура также является теоретической расчетной
величиной. Так как диссоциация наблюдается при довольно вы-
49
соких температурах, то часто этими потерями в практических
расчетах пренебрегают.
Практической температурой горения /Пр назы-
вают действительную температуру в топке или печи с учетом по-
терь на диссоциацию и теплообмен с окружающим пространст-
вом, она является осредненной величиной. Эту температуру опре-
деляют как долю от теоретической температуры, а в практике
расчета печей при незначительных потерях теплоты на диссоци-
ацию— как долю от калориметрической температуры:
Aip=
где г] — опытный пирометрический коэффициент, зависящий от
конструкции печи или топки (т) = 0,624-0,82).
Ниже приведены значения т] для некоторых печей:
Туннельная для отжига закрытой конструкции...........0,75—0,82
Проходная..............................................0,72—0,76
Садочная (камерная)....................................0,62—0,7
Как отмечалось, калориметрическую температуру горения
определяют из предположения, что вся теплота сгорания в
кДж/кг или кДж/м3 расходуется на нагрев продуктов горения.
Поэтому
Qh=4(^i+^2+...).
где vi, v2 и т. д. — составляющие продуктов горения единицы
топлива в единицах массы или объемных единицах (СО2; Н2О
и т. д.); С], с2 и т. д. — удельные теплоемкости продуктов горения
при /к, кДж/(кг-°С) или кДж/(м3-°К) (см. приложение 2):
__ _____Qh_______
к VjCi 4- V2c2 -Г .. •
В то же время сумма произведений
^1 + ^2с2 + ^з+---
представляет собой произведение объема Vn продуктов горения
единицы топлива на теплоемкость продуктов горения сд, тогда
/ Qh
Если топливо и воздух, подаваемые на горение, предвари-
тельно подогревают, то теплота, передаваемая продуктам горе-
ния, увеличивается, а следовательно, возрастает и их темпе-
ратура.
В этом случае
Qh -F Q-г.ф 4- Qb-Ф
*к = 77 ’
где Q-г.ф, Фв.ф — физическая теплота, вносимая подогретым топ-
ливом и воздухом, из расчета на единицу топлива:
Q-Г.ф ^Т^Г» Qb^ ^В^В’
50
ст и св — удельные теплоемкости топлива и воздуха при темпе-
ратуре подогрева; fT, tB — температуры подогрева топлива и воз-
духа, °C.
Определить сд затруднительно, так как удельная теплоем-
кость отдельных составляющих продуктов горения зависит от
температуры последних, которую необходимо вычислить.
Удельную теплоемкость продуктов горения, состоящих из
отдельных компонентов, определяют как сумму теплоемкостей
отдельных компонентов, умноженных на долю этих компонентов
в газообразном топливе. Так, средняя удельная теплоемкость в
кДж/(м3-°С) продуктов горения в об. %, состоящих из СОг, СО,
Н2, N2 при температуре Р С,
сд=0,01 (ссоаСО2 + £соСО -|- £наН2 +... £n2N2) ,
где Ссо2, ссо и т. д. — средние удельные теплоемкости от-
дельных составляющих при температуре 0—PC.
Для облегчения решения задачи по определению /к исполь-
зуют приближенный метод, сущность которого заключается в
том, что для продуктов горения определенного состава каждой
величине теплоемкости или теплосодержания 1 м3 продуктов
горения соответствует определенная температура. Ниже приве-
дена последовательность вычисления.
1. Определяют состав продуктов горения топлива, QH и объ-
ем продуктов горения единицы топлива Vn при заданном коэф-
фициенте расхода воздуха п.
2. Определяют действительное теплосодержание 1 м3 продук-
тов горения
3. По значению полученного теплосодержания продуктов го-
рения /д приблизительно определяют соответствующую ему тем-
пературу продуктов горения Л.
4. По температуре Р рассчитывают теплосодержание 1 м3
продуктов горения данного состава в кДж/м3
^Д1 = 0,01 (ссоаСО2% +ссоСО% -р • • • и т* (Ю)
Вычисленное таким образом теплосодержание, как правило,
отличается от действительного. После этого, задаваясь другой
температурой /2, вычисляют по той же формуле (10) соответст-
вующее ей теплосодержание /Д2. Температуру t2 следует выби-
рать исходя из того, чтобы она отличалась от температуры t\ на
100° С и чтобы действительное теплосодержание, определенное
по формуле
находилось между значениями 1д1 и /д2.
51
Расчет горения твердого и жидкого топлива
Таблица 3
Топливо Воздух Продукты горения
Состав- ляющие Масса, кг Молеку- лярная масса Количество, моли о, N, Всего СО» н,о so, 0» N, Всего
молц моли . м8 моли моли м3
с₽ HP sp ор Np WP С н S о N W 12 2 32 32 28 18 С кг Нкг “2“^Н(«) S кг 32 Ь<т> О кг “зР'0^) —r-N 28 ~ <«> —-W 18 (т) С(т) Н(т) и оГ Z II К СЧ о CN ю со (ш)гкт 1 нА— нЫН- ИО о о о II л и CN С(т) H(tn> S(m) — 5 z 11^ ? eo oT z 8 2Г Л и л ? е-Т Z + о + Л о сч X СЧ О о | 22,4^m) = 100V0 |
1 | > f to
S 100— А — ов и2(/и) 1ОО£о со?(Я1) H2O?m) so2\m) — N2(m) (ш) ЮО^о
Коэффициент п расхода воздуха моли П^2(т) ^т) 100£л ' С^2(т) H2Ok) ^2(/и] >(«-’) °2(m) Nm+nN2(m) уД ^(т)п 1001/я
% | 21 | 79 100 — со2 H2O so2 Ог 1 N2 100 —
Расчет горения газообразного топлива
Таблица 4
Топливо Воздух Продукты горения, мя
Состав- ляющие Содержа- ние, % Количе- ство, м3 о» n2 Всего СО, Н,0 soa Oe N, Всего
со2 со Н2 сн4 С2Н4 H2s • О2 н2о N2 со2 со Н2 сн4 с2н4 H2S О2 н2о n2 со2 со Н2 сн4 с2н4 H2S О2 н20 N2 7 со 2СН4 ЗС2Н4 f I1.S -02 св см Z Й II ю см о й (М со со 8 II ffi О) Z й + со см о й со2 со сн4 2С2Н4 Н2 2СН4 2С2Н4 H2S Н2О H2S — Чем z Й II 00 CM z Й + 'z о о II 4CM z й + я й + 4 О г Н + 4 СМ О и N
£100 100 2n2" 1ОО£о £сол £н2ол 5 so* — Sn* 1ООУо
Коэффициент п м3 п 5 о" пЮО£о= = 100£„ £со* 2н2од 2soj (n-i)2o“ N2+n 2 100Гл
расхода воздуха % 21 79 100 со2 H2OJ so2 O2 n2 100
5. По значениям температур t\ и /2 и теплосодержаний и
/Д2, соответствующих этим температурам, находят определяе-
мую /к путем интерполяции: разности температур (/2—соот-
ветствует разность теплосодержаний (/д2—1Д1); разности темпе-
ратур (/2—/к) будет соответствовать разность теплосодержаний
(^д2 ^действ) •
Составляем пропорцию:
(^2 — ^1) : (*д2““*д1);
(^2 4) * (^*д2 ^действ)’
откуда
j. _j. (zg2 Действ) (^2 ^1) .
/2-/1=Ю0°С;
/к=/2 — j 00
/ц2 — *д1
Расчет горения твердого и жидкого топлива начинают с оп-
ределения теплоты сгорания топлива по формуле (8). Для этой
цели определяют состав топлива на рабочую массу. Горение
твердого и жидкого топлива рассчитывают на 100 кг массы топ-
лива. Так как проценты массы топлива соответствуют объемным
количествам отдельных составляющих, то в 100 кг топлива со-
держится Ср кг углерода, Н₽ кг водорода и т. д.
Расчет количества воздуха, необходимого для горения, и со-
става продуктов горения дан в табл. 3.
Для проверки правильности проведенного расчета составля-
ют материальный баланс процесса горения.
Материальный баланс горения
Поступило в кг: топлива 100 воздуха Ог = п О2(т)'32 Получено продуктов горения в кг: СО2 = СО2 (/п)-44 H2O = H2\m)O(m).18
N2 = nN2B(nj).28 SO2 = SO2 (ш)-64 N2 = (N(OT) + «N2B (m)) 28
2прИХ КГ O2 = O2R(fn)(f-l)32 2д + A ^jpacx кг
Плотность продуктов горения, кг/м3,
Д 2расх
@0 =-------
100ИЛ
54
Расчет горения газообразного топлива. Теплоту сгорания оп-
ределяют по формуле (9). Состав топлива дают в об. % СО₽,
СО2р, Н2р, СН4р, CmHnP, H2Sp, ОгР, Н2Ор, 2 = 100%. Расчет при-
нято проводить на 100 м3 топлива. Так как проценты массы топ-
лива соответствуют объемным количествам отдельных составля-
ющих, можно считать, что в 100 м3 топлива содержится СО м3
окиси углерода, СО2м3 углекислоты и т. д. Схема и последова-
тельность расчета газообразного топлива даны в табл. 4.
Правильность расчета горения газа также проверяют состав-
лением материального баланса.
Материальный баланс горения
Поступило:
газа................100 молей
в том числе в кг:
СО2 = СО2м3«44
СО = СОм3-28
Н2 = Н2м3-2
СН4 = СН4м3-16
С2Н4 = С2Н4м3-28 и т. д.
Воздуха — ЮОЛп молей, в том
числе в кг:
О2 = Л 2°2м3’32
N2== л 2n2m3.28
.2прих =...................кг
Получено:
продуктов горения . . 100 молей
в том числе в кг:
СО2 = 2СО2м3*44
Н2О = 2н2Одм3.18
so2 = 2so2m3-64
О2 = (л- 1)У}0>3-32
N2 == (N2m3 4- л 2^)28
2расх =...................кг
Глава V
ОСНОВЫ ТЕОРИИ ГОРЕНИЯ
И УСТРОЙСТВА ДЛЯ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА
§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Процессы горения подразделяют на гомогенные, гетерогенные
и промежуточные. Гомогенное горение является характерным
для газового топлива. Гетерогенное горение свойственно горению
твердого топлива, оно происходит на поверхности. Примером
промежуточного процесса горения может служить горение жид-
кого топлива, при котором происходит его испарение и крекинг.
При этом образуется трехфазная система: газы, жидкость
(капли) и твердый остаток. Горение образовавшихся газов име-
55
ет гомогенный характер, а горение жидкости и твердого остат-
ка — гетерогенный.
Горение является совокупностью одновременно протекаю-
щих физических и химических процессов, влияющих на его ин-
тенсивность и характер. К этихм процессам в первую очередь
относятся: измельчение топлива; нагрев топлива до температу-
ры воспламенения; термическое разложение и частичная гази-
фикация топлива; смешение топлива с воздухом или кислородом,
необходимыми для горения; окисление горючих составляющих
топлива; удаление продуктов горения; теплообмен в зоне горе-
ния и с окружающей средой.
Основные реакции горения топлива в настоящее время хоро-
шо изучены. Эти реакции, как правило, протекают с большими
скоростями.
На скорость реакции горения влияют концентрации реагиру-
ющих веществ, интенсивность газообмена, температура, давле-
ние, величина поверхности соприкосновения топлива и воздуха,
присутствие катализаторов реакций горения и т. д.
В печах литейного производства топливо сжигают тремя ос-
новными методами, которые отличаются друг от друга способа-
ми образования топливно-воздушной смеси и аэродинамической
структурой потоков. Эти методы представляют собой факельное,
вихревое и слоевое горение.
Факельное горение имеет место при сжигании газообразного,
жидкого или твердого топлива, подаваемого в печное простран-
ство в смеси с воздухом. При сжигании газообразного топлива
возможна подача в печное или топочное пространство готовой
газовоздушной смеси. Факельное горение является основным
методом сжигания топлива в пламенных печах литейных цехов.
Вихревое горение эффективно применяют для сжигания дроб-
ленных сортов каменного угля. Вихревое движение позволяет
резко повысить интенсивность перемешивания топливно-воздуш-
ной смеси по сравнению с факельным горением и сжигать топ-
ливо в меньших топочных объемах. Вихревое горение до сих пор
является относительно новым методом сжигания топлива.
Слоевое горение является основным процессом сжигания твер-
дого топлива в шахтных печах, например в вагранках, и рас-
сматривается в главе, посвященной шахтным плавильным пе-
чам. Процессы и закономерности, имеющие место при горении
топлива, объясняются теорией горения, основные понятия о ко-
торой приведены ниже.
Тепловая теория горения возникла в конце прошлого столе-
тия. В дальнейшем она была развита акад. Н. Н. Семеновым.
Он же разработал цепную теорию горения.
Современная теория горения базируется на тепловой и цеп-
ной теориях горения с использованием учения о диффузии и хи-
мической кинетике.
56
§ 2. ТЕПЛОВАЯ ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ
Тепловая теория объясняет процесс горения с точки зрения
теплового состояния процесса. Воспламенение и горение топли-
ва зависят от процессов выделения и потерь теплоты. Воспла-
менение топлива наступает тогда, когда количество теплоты,
выделяющееся при окислении топлива, равно количеству тепло-
потерь во внешнюю среду или больше. Соответствующую этому
температуру называют температурой воспламенения топлива
(рис. 23). Изменение тепловыделения соответствует кривой 1, а
Рис. 23. Воспламенение топлива
согласно тепловой теории
Рис. 24. Горение топлива согласно
тепловой теории
изменение теплопотерь — кривой 2. В зоне I подготовки воспла-
менения топлива температура топлива постепенно возрастает,
но воспламенения не наступает, поскольку значительная часть
теплоты теряется во внешнюю среду. В точке а система перехо-
дит в тепловое равновесие, приход теплоты становится равным
расходу, в результате чего создаются условия для воспламене-
ния топлива в зоне II. Воспламенение представляет собой мгно-
венно протекающий процесс, который может произойти при под-
воде некоторого излишка теплоты, т. е. при зажигании или
самовоспламенении. В зависимости от конкретных условий кри-
вые 1 и 2 могут быть самых различных форм. Следовательно,
температура воспламенения не является физической или хими-
ческой константой, она только характеризует момент перехода
от медленного протекания реакций окисления топлива к быст-
рому.
Согласно тепловой теории процесс горения топлива, начав-
шийся в результате местного воспламенения, распространяется
в топливно-воздушной смеси за счет передачи теплоты теплопро-
водностью от нагретых продуктов горения.
Схема распространения горения в газовоздушной смеси со-
гласно тепловой теории показана на рис. 24. По вертикальной
57
оси отложены температуры, а по горизонтальной показано дви-
жение фронта горения в направлении, указанном стрелкой. На
рис. 24 тепловое состояние слоя газовоздушной смеси, прилега-
ющего к зоне горения, изображено сплошной линией. Линия АВ
в определенный отрезок времени представляет собой поверхность
горения газовоздушной смеси. Холодные слои смеси, располо-
женные слева от линии АВ, нагреваются от температуры То до
температуры воспламенения ТВОспл по кривой СВ за счет пере-
дачи им теплоты теплопроводностью от поверхности АВ. По
достижении температуры ТВОспл объем газовоздушной смеси,
прилегающий к поверхности АВ, воспламеняется. Температура
в этом объеме мгновенно поднимается до Т\. После того, как го-
рение смеси в рассматриваемом объеме закончилось, темпера-
тура в нем понижается до Тг. В последующий отрезок времени
цикл повторяется для поверхности А'В' очередного слоя газо-
воздушной смеси по графику, изображенному штриховой линией,
и т. д. Скорость перемещения фронта горения смеси называют
скоростью распространения пламени. Скорость распространения
пламени зависит от тепловых свойств газовой смеси. Она прямо
пропорциональна теплоте сгорания смеси и ее теплопроводности
и обратно пропорциональна теплоемкости. Большое влияние на
скорость распространения пламени оказывает избыток или не-
достаток воздуха в газовоздушной смеси, при этом скорость
распространения пламени снижается. В связи с этим существу-
ют так называемые пределы концентраций горючих газов, вне
которых газовоздушные смеси не воспламеняются.
Расширение пределов воспламенения наблюдается при повы-
шении концентрации кислорода в газовоздушной смеси, темпе-
ратуры и понижении давления. Добавка инертных газов к газо-
воздушным смесям снижает скорость распространения пламени.
Тепловая теория позволяет объяснить целый ряд закономернос-
тей, имеющих место при горении топлива, однако она не может
охватить все многообразие процесса горения. Поэтому была
разработана цепная теория горения, которая, дополняя теорию
горения, объясняет процесс горения с точки зрения кинетики
цепных реакций.
§ 3. ЦЕПНАЯ ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ
Изучение основных реакций горения показало, что действи-
тельный механизм этих реакций не соответствует простейшим
химическим уравнениям, которыми их описывают.
Цепная теория дает возможность более полно понимать про-
цесс горения. Согласно этой теории механизм большинства го-
могенных реакций (горение водорода, окиси углерода, метана
и др.) является цепным.
В цепных реакциях ведущую роль играют активные проме-
жуточные реакции, регенерируемые к концу каждого цикла.
58
В качестве активных частиц промежуточных продуктов, возбуж-
дающих цепное развитие, служат молекулы, которые обладают
повышенным запасом тепловой или химической энергии, типа
перекисей ц ненасыщенные молекулы в виде свободных атомов
О, Н и радикалов типа гидроксила ОН.
Доказательством важной роли активных частиц служат
результаты спектроскопических анализов, показавших, что кон-
центрация Н и ОН в пламени в несколько раз превышает кон-
центрацию, обусловленную термической диссоциацией водяного
пара при соответствующей температуре.
Рассмотрим процесс горения водорода. Подробное исследова-
ние процесса горения водорода показывает, что реакция 2Н2 +
+ О2=2Н2О является лишь суммарной реакцией, которая опи-
сывает конечный результат довольно сложной совокупности
многих реакций. Необходимым первоначальньш условием горе-
ния является процесс обычной термической диссоциации моле-
кулы водорода
Н2 + М=Н + Н + М,
где М — поверхность металла или огнеупора.
Затем идет последовательная цепь реакций с участиехм ато-
мов водорода, кислорода и радикалов:
Н + О2=ОН4-О
н2+о=он+н
2 (Н2 + ОН) = 2 (Н2О + Н)
Н 4- ЗН2 + О2 = 2Н2О + ЗН
§ 4. УСТРОЙСТВА ДЛЯ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА
Для сжигания газообразного топлива используют горелки.
Жидкое топливо сжигают с помощью форсунок.
Горелки. Горелки, применяемые на печах, можно подразде-
лить на горелки внешнего и внутреннего смешения.
В горелках внешнего смешения газ с воздухом перемешива-
ется вне горелки — в горелочном туннеле и рабочем простран-
стве печи.
Для горелок этого типа характерно наличие длинного факела.
Широко распространены в промышленности горелки типа «труба
в трубе». Одна из таких горелок показана на рис. 25. Эти го-
релки работают при давлении газа и воздуха 10—10 000 Па, что
обеспечивает широкие пределы регулирования. Обычно скорость
вылета смеси из носика горелки равна 20—40 м/с. Эти горелки
очень удобны при работе на горячем воздухе. Недостатком го-
релок этого типа является сложность автоматического поддер-
жания постоянного соотношения между газом и воздухом, так
как одновременно необходимо изменять расход и газа и воз-
духа.
59
Рис. 25. Горелка внешнего смещения
В горелках внутреннего смешения газ с воздухом перемеши-
вается в самой горелке. Из горелки в керамический горелочный
туннель поступает хорошо перемешанная газовоздушная смесь,
подготавливаемая в смесителях, из которых наибольшее приме-
нение нашли инжекционные смесители. Горелки с такими сме-
сителями называют инжек-
ционными. На рис. 26 пока-
зана прямая однопроводная
инжекционная горелка.
Принцип ее работы заклю-
чается в следующем. Газ
под необходимым давлением
вытекает из газового сопла 2
в цилиндрическую часть сме-
сителя 3. Через кольцевую
щель между газовым соплом
и смесителем в последний
подсасывается атмосфер-
ный воздух. Воздушная за-
движка /, находящаяся на
газовом сопле, не мешает
подсосу воздуха. Газ и воз-
дух при движении по цилин-
дрической части смесителя
перемешиваются, т. е. про-
исходит подготовка газовоз-
душной смеси.
В расширяющейся части
смесителя скорость движе-
ния смеси уменьшается, а ее
статическое давление увеличивается. Под этим давлением газо-
воздушная смесь поступает в носик 4, откуда через отверстие
вытекает в керамический туннель 5, где и происходит ее сгора-
ние. Воздушную задвижку 1 используют только при розжиге и
Рис. 26. Однопроводная инжекционная горелка
60
Рис.
27. Зависимость производительности го-
релки от диаметра газового сопла
гашении горелки. Производительность горелки регулируют кра-
ном, находящимся на газопроводе перед горелкой. При измене-
нии количества газа, вытекающего ч^рез газовое сопло, автома-
тически изменяется и количество воздуха, подсасываемого из ат-
мосферы в горелку. Коэффициент избытка воздуха при этом
остается неизменным.
Если газовоздушная смесь будет вытекать из горелки со ско-
ростью, меньшей, чем скорость распространения пламени, то
произойдет проскок пла-
мени, т. е. горение будет
происходить внутри го-
релки.
Если газовоздушная
смесь будет вытекать из
горелки со скоростью,
значительно превышаю-
щей скорость распрост-
ранения пламени, про-
изойдет его отрыв, т. е.
горение будет происхо-
дить на некотором рас-
стоянии от горелки или
горелка погаснет.
Для лучшего охлаж-
дения носик горелки вы-
полняют массивным. При
разогреве носика за счет
излучения печного про-
странства наблюдаются
проскоки пламени внутрь
горелки. На горелках
большой производитель-
ности носик обычно охлаждают водой.
Производительность горелки обусловлена диаметром газово-
го сопла (рис. 27). Для природного газа dH:dc=15. Из условий
стабильного горения Z)T = 2,5 JH, LT = 6rfH (см. рис. 26). Одно-
проводные инжекционные горелки могут работать при давлении
природного газа перед газовым соплом 80—600 кПа.
Применяют и двухпроводные инжекционные горелки. В этих
горелках эжектирующей средой является воздух, а эжектируе-
мой — газ. Давление газа перед горелкой поддерживают специ-
альным регулятором (близким к атмосферному). Воздух посту-
пает в горелку и подсасывает газ. Производительность горелки
регулируют расходом воздуха. Давление воздуха перед горел-
кой 0,2—200 кПа.
Для равномерного нагрева печного пространства применяют
панельные инжекционные горелки (рис. 28). Газовоздушная
смесь из смесителя 4 поступает в общую распределительную ка-
61
меру 3 и из нее через большое число отверстий по трубкам 2 в
туннели 1. Туннели равномерно расположены по всей поверхно-
сти, обращенной в рабочее пространство печи. В каждом тунне-
ле сгорает небольшое количество газа, поэтому при работе та-
кой горелки факел практически отсутствует.
Рис. 28. Панельная инжекционная горелка
Форсунки. Различают форсунки высокого и низкого давления.
В форсунках высокого давления мазут распыляется паром дав-
лением 300—1200 кПа или компрессорным воздухом давлением
300—700 кПа. В форсунках с распылением компрессорным воз-
духом количество последнего составляет примерно 10% коли-
чества воздуха, необходимого для горения. Остальной воздух
(90%) подается вентилятором или эжектируется. В паровых
форсунках воздух, необходимый для горения, подается вентиля-
тором. Форсунки такого типа используют для работы в длинных
топочных камерах. Для малогабаритных печей эти форсунки не
6
Рнс. 29. Форсунка низкого давления
62
пригодны, так как пламя ударяет в противоположную стенку
камеры, на которой образуются коксовые наросты, приводящие
к разрушению кладки.
В форсунках низкого давления мазут распыляется воздухом,
подаваемым вентилятором высокого давления. Почти весь воз-
дух, необходимый для горения топлива, подают через форсунку.
Это значительно улучшает условия распыления и смесеобразова-
ния. Факел получается коротким. Расход мазута до форсунки
регулируют вентилем, а воздух — шибером.
Ряс. 30. Типы радиационных труб:
а—прямая; б—петлеобразная; в—ту-
пиковая; г—кольцевая
Г ис. 31. Поперечный разрез проходной печи для
отжига чугуна
На рис. 29 показана форсунка низкого давления. По стрел-
кам А и Б подают воздух, а по стрелке В — мазут. Воздух, по-
ступающий по стрелке Л, называют первичным. Его расход не
изменяется при изменении расхода мазута, этим достигается
удовлетворительное распыление мазута при различной произво-
дительности форсунки. Воздух, поступающий по стрелке В пред-
назначен для регулирования общего расхода воздуха при полу-
чении необходимого факела.
Данная форсунка может быть при необходимости использо-
вана как горелка. Для перехода с мазута на газ необходимо
закрыть мазутный вентиль и подать по стрелке А вместо воздуха
газ.
Радиационные трубы. Для нагрева металла в среде защитно-
го газа применяют электрические и пламенные печи. В послед-
них не допускается попадание продуктов горения топлива в за-
щитную атмосферу, окружающую нагреваемый металл. Эти печи
должны иметь косвенный обогрев, достигаемый муфелировани-
ем нагреваемого металла или пламени.
Муфелирование металла имеет место в муфельных печах;
муфелирование пламени — в безмуфельных печах, обогреваемых
радиационными (радиантными) трубами.
63
Радиационные трубы изготовляют из жароупорной стали и
располагают в печи так же, как и электрические нагревательные
элементы: на стенах, поде и своде. Излучательная поверхность
радиационных труб 0,5—1 м2, они обеспечивают нагрев печи до
950° С.
Существует несколько типов радиационных труб (рис. 30).
Прямая труба. Для установки такой трубы в печи дол-
жны быть два отверстия. Прямую трубу применяют преимущест-
венно вертикального расположения.
Для равномерного прогрева трубы по длине воздух, необхо-
димый для горения, подается в горелку двумя потоками. Первич-
ный воздух (25—30%) смешивается с газом в горелке. Вторич-
ный воздух (70—75%) добавляется в радиационной трубе.
Петлеобразная труба. Для установки в печи такой
трубы необходимо одно отверстие. Трубу устанавливают пре-
имущественно в горизонтальном положении. На рис. 31 показан
поперечный разрез печи для отжига чугуна. Петлевые трубы
расположены по высоте в два ряда. Эжектор /, установленный
на выходном конце трубы, создает разряжение, под действием
которого в трубу засасывается воздух, необходимый для горения.
Природный газ из горелки 5 поступает в радиационную трубу и,
перемешиваясь с воздухом, сгорает. Нижняя труба 6 опирается
на столбики 7, верхняя труба 3 поддерживается подвеской 2 и
кронштейном 4.
РАЗДЕЛ III
МАТЕРИАЛЫ И ЭЛЕМЕНТЫ
КОНСТРУКЦИЙ ПЕЧЕЙ
Глава VI
ОГНЕУПОРНЫЕ И ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ
МАТЕРИАЛЫ
§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Современные печи литейного производства являются слож-
ными механизированными и автоматизированными комплекса-
ми, изготовляемыми из различных материалов. Для футеровки
рабочего пространства и отдельных элементов печей применяют
огнеупорные и теплоизоляционные материалы. Каркасы, наруж-
ные механизмы, печную арматуру изготовляют из углеродистой
стали и чугуна, нагревательные элементы, механизмы, располо-
женные в рабочем пространстве, детали теплообменников — из
жароупорных сталей и сплавов и керамики, индукторы индукци-
онных печей — из профилированных медных трубок и трансфор-
маторного железа и т. д. Наиболее ответственным элементом,
особенно для плавильных печей, является футеровка, выполняе-
мая из огнеупорных и теплоизоляционных материалов. Отдель-
ные части футеровки или всю футеровку можно изготовлять из
жароупорных бетонов или набивок.
Огнеупорными называют материалы, способные противо-
стоять продолжительному воздействию высоких температур
(свыше 1000°С), а также физико-химических процессов, проте-
кающих в печах. К огнеупорным изделиям предъявляют следую-
щие требования: высокая температура начала размягчения, спо-
собность противостоять резким колебаниям температуры,
сопротивляемость воздействию шлаков и газовой атмосферы
печи, необходимая механическая прочность, постоянство объема
в процессе эксплуатации, точные размеры, обеспечивающие вы-
сококачественную кладку футеровки, низкая стоимость.
Классификация огнеупорных материалов. Классифицируют
материалы по нескольким признакам.
По огнеупорности: огнеупорные материалы, выдержи-
вающие температуру 1580—1770° С, высокоогнеупорные 1770—
2000° С и высшей огнеупорности свыше 2000° С.
По химико-минералогическому составу: крем-
неземистые (SiO2)—динасовые; алюмосиликатные (А12О3 и
SiO2)—полукислые, шамотные и высокоглиноземистые; магне-
зиальные (MgO) — магнезитовые, доломитовые, тальковые и
3 781 6&
шпинельные; хромистые (Сг2О3)—хромитовые, хромомагнези-
товые и магнезитохромитовые (MgO и Сг2О3); цирконистые
(ZrO2 и SiO2)—цирконовые; углеродистые (С)—глинисто-гра-
фитовые и углеродистые (угольные); карбидные (SiC)—карбо-
рундовые (SiC); окисные — корундовые (А120з), цирконовые
(ZrO2), периклазовые (MgO) и др.
Изделия из огнеупорных материалов бывают простыми и
фасонными.
По способу изготовления и термообработке
огнеупорные изделия могут быть пиленными, т. е. выпиленные из
естественных горных пород; прессованными и литыми из жид-
кого раствора или из расплавленных масс. Прессованные изде-
лия могут быть обжиговыми и безобжиговыми. последние обжи-
гают в процессе нагрева печи.
Физические свойства огнеупорных материалов. Огнеупорные
материалы оценивают по их физическим и рабочим свойствам.
Под физическими свойствами понимают пористость и объемную
массу, газопроницаемость, удельную теплоемкость, теплопро-
водность, электропроводность, магнитную проницаемость, тер-
мическое расширение. Под рабочими свойствами понимают
свойства; характеризующие возможность использовать данный
материал в тех или иных конкретных условиях. К ним относят
огнеупорность, сопротивление деформации под нагрузкой при
высоких температурах, шлакоустойчивость, термостойкость, со-
противление истираню и удару, сопротивление воздействию печ-
ной атмосферы.
Пористость и объемная масс а. Эти свойства взаимо-
связанно чем выше пористость, тем ниже объемная масса и на-
оборот. Пористость выражают в процентах. Различают порис-
тость кажущуюся или открытую, при которой поры сообщаются
с атмосферой, пористость кажущуюся закрытую, при которой
поры расположены внутри изделия и не сообщаются с атмосфе-
рой, и пористость общую, равную сумме двух первых. Повы-
шенная пористость является причиной повышенной газопрони-
цаемости и пониженной шлакоустойчивости и механической
прочности.
Г азопроницаемость, находящуюся в прямой зависи-
мости от наличия открытых сквозных пор в изделии, определяют
коэффициентом газопроницаемости.
В печах, заполненных контролируемой газовой атмосферой и
работающих под давлением, необходимо применять огнеупорные
материалы с минимальной газопроницаемостью.
Удельная теплоемкость в кДж/(кг-°С) имеет осо-
бое значение для печей периодического действия: чем меньше
теплоемкость огнеупорных материалов, тем меньше потери теп-
лоты на разогрев футеровки до рабочей температуры.
Теплопроводность в Вт/(м-°С) зависит от природы
материала, его пористости, температуры и состояния. Зависи-
66
мость коэффициента теплопроводности от температуры описыва-
ется формулой
Х^ — Xq ~4~ bt,
где kt— в Вт/(м-°С); b — эмпирический коэффициент; t — тем-
пература, ° С.
Теплопроводность большинства огнеупорных материалов уве-
личивается с повышением температуры.
Электропроводность имеет большое значение для
футеровки электрических печей. Подавляющее большинство
огнеупорных материалов являются неэлектропроводными. Их
электросопротивление тем выше, чем меньше посторонних при-
месей в огнеупорном материале. Исключение составляют угле-
родистые графитовые и карборундовые изделия.
Магнитная проницаемость ц представляет собой
отношение абсолютной магнитной проницаемости материала к
магнитной проницаемости вакуума. Чистые огнеупорные матери-
алы являются диамагнитными, т. е. для них ц<1.
Термическое расширение при нагреве характеризу-
ется коэффициентом линейного расширения 0, который зависит
от природы материала и температуры. Для компенсации терми-
ческого расширения в кладке футеровки печи предусматривают
температурные швы, заполняемые по мере разогрева футеровки.
Рабочие свойства огнеупорных материалов. Огнеупор-
ность является свойством материала противостоять переходу
в пластичное или жидкотекучее состояние при высоких темпера-
турах. Огнеупорность определяют следующим образом. Из ис-
пытываемого материала изготовляют трехгранную усеченную
пирамиду высотой 30 мм со сторонами основания 8 мм и сторо-
нами верхнего сечения 2 мм. Пирамиду в вертикальном положе-
нии помещают на подставке в печь и нагревают. С повышением
температуры конус размягчается и наклоняется. Температуру,
при которой верхний конец конуса коснется подставки, называ-
ют огнеупорностью данного материала. Конус наклоняется пос-
тепенно, так как огнеупорные материалы представляют собой
многокомпонентную систему и при нагреве их отдельные компо-
ненты размягчаются и расплавляются последовательно, начиная
с легкоплавких. Таким образом, огнеупорность материала тем
выше, чем меньше в нем легкоплавких компонентов.
Сопротивление деформации под нагрузкой
при высоких температурах. Для испытания использу-
ют стандартные образцы диаметром 36 мм и высотой 50 мм.
Образец помещают в печь под нагрузкой на сжатие 0,2 МПа и
нагревают. Затем измеряют сжатие (усадку) образца. Темпера-
туру, соответствующую усадке образца 4%, называют темпера-
турой начала деформации (размягчения), а температуру, соот-
ветствующую 40% усадке, — температурой конца деформации
(размягчения). Температура начала деформации под нагрузкой.
3*
67
0,2 МПа является максимальной температурой, при которой при-
меняют данный огнеупорный.материал.
На рис. 32 показаны кривые деформации различных огне-
упорных материалов под нагрузкой при высоких температурах.
Из рисунка видно, что различные материалы ведут себя по-раз-
ному. На их сопротивление деформации влияют следующие
факторы:
а) наличие или отсутствие связанной кристаллической сет-
ки, например высокая температура начала деформации динаса
объясняется наличием сплошной кристаллической сетки кристал-
лов SiO2;
б) количество примесей — плавней; чем их больше, тем
меньше сопротивление деформации;
в) плотность огнеупора: чем она выше, тем больше сопро-
тивление деформации под нагрузкой.
Рис. 32. Кривые деформации огнеупоров под нагрузкой (сжа-
тием) при высоких температурах:
/—шамотных класса В; 2—полукислых; 3—шамотных класса А;
4— магнезитовых; 5—муллитовых; 6—динасовых
Ш л а к о у с т о й ч и в о с т ь — это способность огнеупорного
материала противостоять химическому и физическому воздейст-
вию шлака. Шлакоустойчивость в основном зависит от взаим-
ной химической активности и химического сродства данного
огнеупорного материала и компонентов шлака. Огнеупорные ма-
териалы и шлаки подразделяют на кислые, основные и нейтраль-
ные. Соответственно подбирают материал для футеровки: при
кислых шлаках — кислые огнеупорные материалы; при основ-
ных шлаках — основные огнеупорные материалы. Химическую
стойкость огнеупорных материалов подразделяют на плохую,
удовлетворительную, хорошую и отличную.
Шлакоустойчивость огнеупорного материала повышается,
если он не смачивается шлаком. Примером огнеупорных мате-
68
риалов, не смачиваемых шлаками, являются углеродистые. Вяз-
кость шлака также оказывает влияние на шлакоустойчивость
огнеупорного материала: чем ниже вязкость, тем ниже шлакоус-
тойчивость и, наоборот, чем выше плотность огнеупорного ма-
териала, тем при прочих равных условиях выше его шлакоустой-
чивость. Движущиеся жидкие шлаки кроме химического воздей-
ствия оказывают на огнеупорные материалы и физическое воз-
действие.
Термостойкость — это способность огнеупорного мате-
риала, не разрушаясь, противостоять резкому изменению темпе-
ратур. ТермостойкостГТшределяют методом, основанным на во-
дяных или воздушных теплосменах. При этом торцовую сторону
кирпича нагревают в электропечи до 850° С и выдерживают в
течение получаса. Затем кирпич помещают в холодную проточ-
ную воду или в струю воздуха. Этот цикл называют теплосменой.
Цикл повторяют до разрушения кирпича. Величина термостой-
кости зависит от природы материала и формы изделия. Термо-
стойкость тем выше, чем больше коэффициент’теплопроводности
и максимальное упругое удлинение и тем меньше, чем больше
коэффициент термического расширения, теплоемкость и объем-
ная масса.
Чем сложнее форма и больше габаритные размеры изделия,
тем ниже его термостойкость.
Сопротивление истиранию и удару. Это свойство
имеет значение для вагранок, тигельных индукционных печей и
т. д. Прочность огнеупорных материалов на истирание устанав-
ливают с помощью истиральных кругов. При испытании опре-
деляют, насколько меньше становится масса образца. Сопротив-
ление истиранию обусловлено твердостью основного огнеупорно-
го материала и материала, цементирующего отдельные зерна
кристаллов основного огнеупорного компонента. При низких тем-
пературах огнеупорные материалы имеют низкое сопротивление
на удар. При высоких температурах ударная нагрузка компен-
сируется размягченным слоем, который образуется на поверх-
ности огнеупора, обращенной в рабочее пространство печи.
Сопротивление воздействию печной атмос-
феры. Газовая атмосфера, заполняющая печное пространство,
может быть окислительной, восстановительной и нейтральной.
Окислительной атмосфере хорошо противостоят все огнеупор-
ные материалы, за исключением углеродистых.
Восстановительную атмосферу хорошо выдерживают огне-
упорные материалы, не содержащие большого количества окис-
лов железа. Окислы железа при 450—600° С являются катализа-
торами реакции разложения СО
2СО^СО2 + С.
Эта реакция приводит к выпадению в порах огнеупорных изде-
лий сажистого углерода и разрушению кладки.
69
В печах с контролируемой атмосферой применяют смеси га-
зов СО, Н2, СН4, Н2О, N2, в основном имеющие восстановитель-
ный характер. Этим газам также хорошо противостоят огнеупор-
ные материалы, содержащие минимальное количество окислов
железа.
В сушилах содержится повышенное количество водяных па-
ров, которым хорошо сопротивляются плотные огнеупорные из-
делия. Плавильная пыль при высоких температурах действует
аналогично шлакам.
Все огнеупорные материалы хорошо противостоят действию
нейтральной атмосферы.
§ 2. КРЕМНЕЗЕМИСТЫЕ ОГНЕУПОРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
К таким огнеупорным материалам относят природные мате-
риалы: жильный кварц, кварциты, песчаники, содержащие 96—
99% SiO2. Эти материалы применяют в природном виде и в виде
изготовленных из . них динасовых огнеупоров. Лучшими по ка-
честву являются цементные и кристаллические кварциты.
Цементные кварциты — это твердые породы, состоящие из зе-
рен кварцевого песка, связанных кварцевым цементом. Цемент
состоит из зерен вторичного кварца размером 0,001—0,003 мм.
Содержание цемента 15—80%.
Кристаллические кварциты — это породы, состоящие из
сплошной массы кварцевых зерен, не содержащих цемента или
содержащих его в очень небольших количествах. Кристалличес-
кие кварциты являются материалами для изготовления футеров-
ки тигельных индукционных печей, в лучших из них содержится
Таблица 5
Свойства кварцитов различный месторождений
Параметры Овручского Антоновского Первоураль- ского Тарасовского
Химический состав, °/о:
SiO2 97,5-98,2 99,21 98,18-99,10 96,4-99,0
А120з 0,46-1,71 0,24 0,15-0,70 —
Ре20з 0,1-0,57 0,11 0,14-0,42 0,12-0,59
СаО 0,06-0,50 0,10 0,08-0,50 0,19-0,76
MgO 0,09-0,21 0,05 — —
TiO2 0,09-0,10 — 0,1 —
R2O3 0,18—0,30 0,13 0,15 —
Огнеупорность, 0 С 1770 1750-1770 1770 1760
Плотность, г/см3 2,65-2,66 2,64 2,65-2,66 2,42-2,52
Пористость, % 0-1,1 2-3 0,15-0,30 2,4-13,5
70
98—99% SiO2. Наиболее ценными считают кварциты с плотной
структурой. Применяют кварциты месторождений: Овручского,
Антоновского, Первоуральского, Тарасовского. Свойства этих
кварцитов приведены в табл. 5.
Установлено, что SiO2 имеет восемь модификаций: кварцит
а и р, тридимит а, р и у, кристобалит а и р и кварцевое стекло.
Основу кварцитов, кварцевого песка и горного хрусталя со-
ставляет p-кварц. При нагревании одна модификация кремне-
зема SiO2 переходит в другую. Эти переходы происходят при
разных скоростях, иногда очень быстро, скачкообразно и сопро-
вождаются изменениями объема (достигают 16%), обусловлен-
ными изменением кристаллической решетки.
Для получения высококачественного кремнеземистого огне-
упорного материала большая часть SiO2 должна быть переведе-
на в модификацию тридимита. Он отличается очень низким
термическим расширением, высокими прочностью сростка крис-
таллов и шлакоустойчивостью.
Кварцитами в природном виде после соответствующей их
обработки футеруют печи. Так, из молотого кварцита изготов-
ляют тигли индукционных печей. Характеристика кварцита при-
ведена в табл. 5. Зерновой состав кварцита: 25—30%<0,1 мм;
20—25% 0,1—0,5 мм; 15—20% 0,5—1 мм; 25—30% 1—3,2 мм,
5% >3,2 мм. Влажность не более 0,3%.
Динасовый материал — это огнеупорный материал, содер-
жащий не менее 93% SiO2 (до 94%) и изготовленный из квар-
цевых пород на известковой или другой связке:
Огнеупорность, °C............................ 1690—1710
Температура начала деформации под нагрузкой
(не менее), °C................................. 11620—1690
Объемная масса, т/м3.........................1,8—2,0
предел прочности при сжатии (не менее), МПа 17—34
пористость (не более), %..................... 21—23
Динас хорошо противостоит действию кислых шлаков и име-
ет низкую стойкость по отношению к основным шлакам. Динас
обладает низкой термостойкостью, он выдерживает 1—2 водя-
ные теплосмепы. Поэтому футеровка из динаса хорошо работает
при высоких томпературах, если ее не охлаждают ниже 700—
800° С. Изделия из динаса характеризуются большим увеличе-
нием объема при нагревании, связанным с термическими расши-
рением изделия и модификационными изменениями SiO2.
Разработана технология получения высокоплотного динаса
(98% SiO2, пористость 14%), который отличается повышенной
шлакоустойчивостью. Динасом футеруют своды мартеновских
печей, где он подвергается воздействию высоких температур и
пыли. Брызги шлака и плавильная пыль взаимодействуют с
динасом свода. При этом образуются легкоплавкие силикаты,
снижающие стойкость свода. В этих условиях более устойчив
рысокоплотиый динасовый кирпич. Динасовым кирпичом также
71
футеруют своды электродуговых сталеплавильных печей. Он
находится примерно в тех же условиях, что и в сводах мартенов-
ских печей, но подвергается воздействию больших температур-
ных перепадов. В дуговых печах в период кипения и рафиниро-
вания температура достигает 1700—1800° С. Температура свода
около электродов выше, чем на периферии. Кроме того, дуговые
печи более продолжительное время по сравнению с мартеновски-
ми работают при повышенных температурах.
Для сводов электродуговых печей применяют электродинас,
по качеству приближающийся к высокоплотному.
Динасовые огнеупоры применяют также в бессемеровских
конвертерах.
§ 3. АЛЮМОСИЛИКАТНЫЕ ОГНЕУПОРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
К алюмосиликатным относят огнеупорные материалы из
А12О3, SiO2 и небольшого количества примесей FeO, CaO, Na2O
и т. д. Материалы, содержащие 30—45% А12О3, называют ша-
Коринд
Рис. 33. Диаграмма состояния системы А12О3—SiO2
мотными и 45% А12О3 и более — высокоглиноземистыми. В печах
литейного производства применяют шамотные и высокоглинозе-
мистые огнеупорные материалы. Для понимания процессов*полу-
чения и свойств шамотных и высокоглиноземистых огнеупоров
рассмотрим диаграмму состояния А12О3—SiO2. Диаграмма сос-
тояния системы из чистых окислов А12О3—SiO2 дает представле-
72
ние о фазовом составе и свойствах алюмосиликатных огнеупоров
в зависимости от соотношения в них окислов (рис. 33). Как вид-
но из диаграммы, окислы системы А120з—SiO2 имеют температу-
ру плавления: 2050°С для А12О3 и 1710° С для SiO2. Для смеси
окислов, содержащих 95% SiO2 и 5% А120з, образуется эвтекти-
ка при 1545°С; при 79% А12О3 и 21% SiO2 образуется вторая
эвтектика с температурой плавления 1870° С.
Для всех составов рассматриваемой системы, содержащих
5,5—72% А12О3, единственной твердой фазой, устойчивой до
1910° С, является муллит (3Al2O3-2SiO2). При содержании более
72% А12О3 устойчивыми твердыми фазами являются муллит и
корунд. При содержании 72—78% А12О3 и более муллит образу-
ет твердый раствор с корундом. По мере дальнейшего увеличе-
ния содержания А12О3 (79—100%) температура плавления воз-
растает, достигая 2050° С. По минералогическому (фазовому)
составу алюмосиликатные материалы подразделяются на ка-
олиновые Al2O3-2SiO2 (46% А12О3 и 54% SiO2), силиманитовые
Al2O3-SiO2 (63% А12О3 и 37% SiO2), муллитовые ЗА12Оз-25Ю2
(72% А12О3 и 28% SiO2), муллитокорундовые (>72% А12О3 и
<28% SiO2) и корундовые (98—100% А12О3).
Шамотные огнеупорные материалы. Шамотными называют
огнеупорные материалы с 30—45% А12О3, изготовленные из огне-
упорных глин в смеси с шамотом. Из всех огнеупорных материа-
лов их наиоблее широко применяют в промышленности. Сырьем
для производства шамотных огнеупорных материалов служат
огнеупорные глины, огнеупорной составляющей которых явля-
ется минерал каолинит Al2O3-2SiO2-2H2O.
Свойства и применение шамотных изделий.
Шамотные изделия стандартизованы по основным свойствам,
размерам и внешнему виду и подразделены на три класса А,
Б и В:
Огнеупорность, -СС........................................ 1580—1750
Температура начала деформации.............................
под нагрузкой, °C......................................... 1250—1400
Предел прочности при сжатии, МПа.........................19—50
Пористость изделий (не более), °/о:.......................
обычных.................................................30
многошамотных...........................................16
Термостойкость обычных изделий, водяные теплосмены . . . 10—15
Усадка при 1200—1400° С, °/о..............................0,7—1
Из характеристики шамотных огнеупорных материалов вид-
но, что они отличаются низкой температурой начала деформа-
ции под нагрузкой, заметной усадкой при высоких температурах,
значительной пористостью и удовлетворительной термостой-
костью.
Шамотные огнеупорные материалы имеют плохую химичес-
кую стойкость по отношению к основным и удовлетворительную
по отношению к кислым расплавленным шлакам. Эти материа-
лы ограниченно применяют в высокотемпературных плавильных
73
печах. Однако их дешевизна и возможность изготовления из
местного сырья привели к широкому применению шамотных
материалов в печестроении. Их используют во всех печах, где
температура не превышает 1300—1350° С и где они не контак-
тируют с расплавленными шлаками. Шамотными материалами
футеруют шахты вагранок, воздухоподогреватели для вагранок,
ковши для металла, нагревательные и термические печи, дымо-
ходы и дымовые трубы.
Высокоглиноземистые огнеупорные материалы содержат 46—
100% А12О3. С увеличением содержания А12О3 повышается ка-
чество огнеупорных изделий: огнеупорность, термостойкость, ме-
ханическая прочность, плотность и шлакоустойчивость. Как ука-
зывалось, эти материалы подразделяют на силиманитовые,
муллитовые, муллитокорундовые и корундовые.
Для производства силиманитовых и муллитовых материалов
в качестве исходного сырья применяют минералы силлиманито-
вой группы: кианит, андалузит, силлиманит. Все три минерала
имеют одинаковую формулу Al2O3-SiO2 и после обжига при со-
ответствующих температурах переходят в муллит 3Al2O3-2SiO2
Огнеупорные изделия имеют следующие свойства:
А120з, Vo...................................................63—78
Огнеупорность, °C........................................... 1850—1900
Температура начала деформации под нагрузкой, °C ... . 1620—1650
Предел прочности при сжатии, МПа............................ 33—200
Плотность, г/см3............................................2,67—2,7
Пористость, %...............................................16—20
Термостойкость, водяные теплосмены..........................50
Дополнительная усадка при 1500° С, %........................0,1
Муллитокорундовые и корундовые огнеупорные материалы
приготовляют из технической окиси алюминия в виде техничес-
кого глинозема и электрокорунда.
В технической окиси алюминия содержится 97—99,5% А12О3.
Окись алюминия находится в нескольких формах. Стабильной
формой окиси алюминия является корунд а-А12О3. Электроко-
рунд является аналогом корунда. Его получают из технического
глинозема в дуговых электропечах. Электрокорунд бывает двух
видов: белый с 98—99% А12О3 и нормальный с 91—93% А12О3.
Из нормального электрокорунда изготовляют муллитокорундо-
вые изделия, а из белого — корундовые. Основные свойства мул-
литокорундовых и корундовых изделий приведены в табл. 6.
Свойства и применение высокоглиноземис-
тых огнеупорных материалов. Высокоглиноземистые
материалы широко применяют в металлургии. Корундовые ма-
териалы отличаются высокой устойчивостью к жидким металлам
и шлакам. Растворимость корундовых материалов в мартенов-
ском шлаке в 5—10 раз меньше, чем обычных шамотных. Они
обладают высокой термостойкостью и механической прочностью.
Корундовыми огнеупорными изделиями футеруют индукционные
74
Таблица 6
Свойства муллитокорундовых и корундовых огнеупорных материалов
Параметр Муллитокорундовые, обожженные при темпера- туре, °C Корундовые
1450 1600 спеченные плавленные
Содержание А120з, % 75-90 75-90 92-99 92-99
Плотность, г/см3 2,9 3,1 2,9-3,4 3,7-3,9
Пористость, % 14 10 15-25 0,5-1,5
Огнеупорность, ° С 1850-1900 1850-1900 1900-1950 2000
Температура начала деформации под нагруз- кой, °C 1590 1610 1690 1800
Теплопроводность при 20—1000° С, Вт/(м°С) 2,3 3,5 2,9 4
Уменьшение (—) или увеличение (+) объема, Vo +0,5 -0,2 -(0,5-1,5) -0,1
канальные печи для выдержки и перегрева чугуна. Они имеют
следующие свойства:
А120з, Vo . . ............................................>90
SiO2 (не более), °/о.........................................8
Температура начала деформации под нагрузкой, °C ... . 1700
Предел прочности при сжатии, МПа.............................100
Пористость, Vo...............................................16
Высокоглиноземистые огнеупоры применяют для доменных
печей, кессонов мартеновских печей, для сводов высокотемпе-
ратурных нагревательных печей.
§ 4 МАГНЕЗИАЛЬНЫЕ ОГНЕУПОРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
К магнезиальным материалам относят магнезитовые, доломи-
товые, форстеритовые, и шпинельные. Главными окислами, из
которых они состоят, являются MgO и его соединения с SiO2 и
А12О3. Все перечисленные огнеупоры характеризуются высокой
огнеупорностью, повышенной плотностью, хорошей шлакоустой-
чивостью по отношению к основным шлакам и металлу.
75
Магнезитовые огнеупорные материалы. Магнезитовыми назы-
вают огнеупорные материалы, содержащие не менее 90% MgO
(переклаз). Магнезитовые огнеупоры применяют в виде обож-
женных отформованных изделий. Сырьем для производства
магнезитовых изделий в СССР является природный магнезит
(Саткинское месторождение на Урале). Природный магнезит
состоит почти полностью из MgCO3. При нагревании до 600—
700° С MgCO3 разлагается с образованием MgO:
MgCO3=MgO + CO2.
Свойства MgO зависят от температуры обжига. Исследова-
ния показали, что размеры кристаллов MgO, полученных при
700° С, 0,03—0,1 мкм, а после прокаливания при 1750° С 20—
50 мкм. Таким образом, при повышении температуры обжига
кристаллы MgO увеличиваются более чем в 1000 раз. При высо-
ких температурах отдельные мелкие кристаллики MgO спека-
ются (рекристаллизуются) в кристаллические сростки MgO
(периклаз). Периклаз — это единственная кристаллическая мо-
дификация MgO.
Особенность окиси магния заключается в том, что даже при
измельчении и обжиге при высоких температурах она реагирует
с водой, образуя Mg(OH)2. Этот процесс протекает тем быстрее,
чем выше степень измельчения окиси магния и ниже темпера-
тура обжига.
Магнезитовые материалы являются важнейшими из группы
магнезиальных. Изготовление магнезитовых материалов начи-
нается с обжига природного магнезита при 1500—1700° С для
получения спекшегося магнезита, представляющего собой срос-
шиеся кристаллы периклаза, сцементированные монтичелли-
том, шпинелями, магнезиоферритом. Спекшиеся куски дробят и
измельчают. Фракции порошка 0,8—10 мм используют в качест-
ве металлургического порошка для наварки подин, изготовле-
ния набивных масс и т. д. Металлургический порошок содержит
<85—88% MgO. При наварке магнезитовых подин обычно при-
меняют металлургический порошок с добавкой 10—15%
основного шлака, что увеличивает его спекаемость с основной
кладкой печи. Магнезитовый порошок, применяемый для произ-
водства изделий, содержит не менее 87—93% MgO и не более
2,5% СаО и 3,5% SiO2. Обычный магнезитовый кирпич имеет
низкую термостойкость. Ниже приведены свойства магнезито-
вых огнеупорных материалов.
MgO (не менее), %............................................90
Огнеупорность, °C..............................................>2000
Температура начала деформации под нагрузкой, °C ... . 1550—1630
Предел прочности при сжатии, МПа.........................44—57
Термостойкость, водяные теплосмены...........................1—2
Как видно, материалы обладают высокой огнеупорностью и
температурой начала деформации под нагрузкой. Кроме того,
76
они имеют хорошую химическую стойкость по отношению к ос-
новным и железистым шлакам и расплавленным металлам.
Качество магнезитовых изделий резко ухудшается при попада-
нии на их поверхности влаги. При нагревании магнезитовые из-
делия значительно расширяются. Магнезитовыми изделиями
футеруют плавильные печи, кладки ванн, своды и выпускные
отверстия. Периклаз (MgO) в виде порошка применяют для
футеровки индукционных канальных единиц плавильных печей.
При хранении и транспортировке огнеупоров необходимо исклю-
чать попадание на них воды. Кладку магнезитовых огнеупоров;
желательно проводить насухо или на обезвоженной смоле.
Доломитовые огнеупорные материалы. Доломитовыми назы-
вают материалы, состоящие из MgO и СаО. Доломитовые огне-
упорные материалы являются заменителями магнезитовых.
Сырьем для производства доломитовых материалов является
природный минерал доломит CaMg(CO3)2. В природном доло-
мите теоретически содержится 21,9% MgO и 30,4% СаО. Доло-
митовые материалы выпускают в виде порошка (металлургичес-
кий доломит) для наварки и заправки подин сталеплавильных
печей и в виде формованных изделий. Они хорошо противостоят
действию основных шлаков, отличаются хорошей термостой-
костью. Ниже дана характеристика доломитовых огнеупоров.
MgO, «/о.................................................. 30—40
СаО, %....................................................60—45
Огнеупорность, °C.........................................1800—2000
Температура начала деформации под нагрузкой, °C ... . 1550—1700
Предел прочности при сжатии, МПа..........................19—98
Термостойкость, водяные теплосмены........................20
Основным недостатком доломитовых материалов по сравне-
нию с магнезитовыми является пониженная влагошлакоустой-
чивость.
Форстеритовые огнеупорные материалы. Форстеритовыми на-
зывают огнеупоры, состоящие в основном из форстерита Mg2SiO4
и магнезиоферрита и содержащие до 15% Mg Fe2O4. В них дол-
жно быть не менее 54% MgO, отношение —= 0,94 -ь 1,33.
SiO2
Сырьем для производства форстеритовых материалов являются
широко распространенные в природе силикаты магния. В составе
исходного сырья содержится ~40% SiO2 и до 41—43% MgO.
На рис. 34 приведена диаграмма состояния MgO—SiO2.
К магнезиально-силикатным породам (предварительно обож-
женным или сырым) добавляют спекшийся магнезит. Количест-
во добавляемого магнезита (4—36%) обусловлено составом
исходного сырья. Из диаграммы системы MgO—SiO2 (рис. 34)
видно, что MgO образует с SiO2 два силиката: (MgO)2SiO2 или
Mg2SiO4, называемый форстеритом с 57,2% MgO и 42,8% SiO2
и MgOSiO2 или MgSiO3 с 40% MgO и 60% SiO2. Плотность фор-
стерита 3,2 г/см3, температура плавления 1890° С. MgSiO3 плавят
77
с выделением форстерита, плавление начинается при 1557°С
и заканчивается при 1577° С. Таким образом, MgSiO3 не явля-
ется огнеупорным материалом и переводится в форстерит по
реакции
MgSiQ3 + MgO=Mg2SiO4.
Для этой цели и добавляют магнезит. Реакция протекает в
твердой фазе при температуре около 1450° С. Однако практи-
чески для обеспечения хорошего спекания температуру обжига
повышают до 1600—1700° С. Форстеритовые огнеупорные мате-
риалы имеют следующую характеристику:
М&О, ю/о............................................; . . . 54
SiO2, %.....................................................35
Огнеупорность, °C...........................................1800
Температура начала деформации под нагрузкой, °C ... . 1580—1620
Предел прочности при сжатии, МПа............................20—30
Пористость, °/о.............................................22—28
Термостойкость, воздушные теплосмены ....................... 14—15
Форстеритовые материалы применяют обожженные и безоб-
жиговые. Они обладают хорошей устойчивостью к основным и
особенно железистым шлакам. Форстеритовые огнеупорные ма-
териалы полностью заменяют магнезитовые, особенно в условиях
воздействия окислов железа. Их применяют также для набивных
футеровок.
78
Шпинельные огнеупорные материалы в основном состоят из
минерала MgOAl2O3, называемого шпинелью. Шпинель MgOAl2O3
является огнеупорным соединением с температурой плавления
2035° С. Все другие соединения типа РОР2О3 (например,
FeOCr2O3, MgOCr2O3, СаОА12О3 и т. д.) называют шпинельными
или шпинелидами. Сырьем для их производства (на основе
MgOAl2O3) служит спекшийся магнезит и технический глинозем.
Шпинельные материалы имеют высокие огнеупорность
(1900° С) и температуру начала деформации под нагрузкой (до
1800°С), хорошую термостойкость и удовлетворительную стой-
кость к основным шлакам. Применяют для футеровки отдельных
элементов плавильных печей.
§ 5. ХРОМИСТЫЕ ОГНЕУПОРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
К хромистым огнеупорным материалам относят хромитовые,
хромомагнезитовые и магнезитохромитовые. Сырьем для их из-
готовления служит хромит и магнезит.
Минерал хромит FeOCr2O3 в чистом виде содержит 32,1%
FeO и 67,9% Сг2О3. Из хромита изготовляют небольшое коли-
чество огнеупорных изделий и применяют его сравнительно
редко.
Хромомагнезитовые и магнезитохромитовые огнеупорные ма-
териалы представляют собой материалы, изготовленные из сме-
си, состоящей из 30—70% магнезитового порошка и 70—30%
хромита. Обычно шихта для приготовления хромомагнезитовых
изделий содержит 40—50% магнезитового порошка. В процессе
обжига при 1560° С огнеупор спекается с образованием высоко-
температурных соединений типа шпинелей MgOAl2O3 и форсте-
рита Mg2SiO4.
Магнезитохромитовые изделия повышенной термостойкости
изготовляют из шихты, содержащей до 65% магнезитового по-
рошка и 35% хромита. Из такой шихты в результате обжига
при 1650—1700° С получают магнезитохромитовые и периклазо-
шпинельные изделия, имеющие повышенную термостойкость.
Магнезитохромитовые изделия обладают высокими огнеупор-
ностью (2300° С) и температурой начала деформации под на-
трузкой (до 1670°С) и повышенной термостойкостью. Магнези-
тохромитовыми изделиями успешно футеруют своды сталепла-
вильных печей, своды и поды нагревательных печей.
§ 6. УГЛЕРОДИСТЫЕ ОГНЕУПОРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Углеродистые огнеупорные материалы подразделяют на гра-
фитоглинистые и углеродистые (угольные). Сырьем для произ-
водства служат графит, антрацит, кокс, каменноугольная смола,
огнеупорная глина и кварцевый песок. Графит — природный ма-
териал, графит лучших месторождений содержит 70—97% С.
79
Температура плавления графита ~3800° С, температура начала
деформации под нагрузкой ~2000° С. Графит характеризуется
хорошей шлакоустойчивостью и теплопроводностью, но легкой
окисляемостью.
Графитоглинистые огнеупорные материалы изготовляют из
смеси 20—60% графита, 10—40% шамота или кварца, 30—40%
огнеупорной глины. Изделия из этих огнеупоров формуют из
пластичных или полусухих масс. Изделия во избежание окис-
ления углерода обжигают в керамических капсулах с засыпкой
коксовой мелочью. Температура обжига зависит от состава ших-
ты и назначения изделий. Так, тигли обжигают при 900—1000° С,
а разливочные пробки и стаканы при 1300—1350° С.
Графитоглинистые изделия характеризуются следующими
свойствами:
С, %.................................................. 20—25
Огнеупорность, °C............................................ >2000
Температура начала деформации под нагрузкой, °C ... . 1400—1600
Предел прочности при сжатии, МПа........................12—29
Пористость, °/о.............................................<28
Термостойкость, водяные теплосмены..........................До 45
Изделия имеют удовлетворительную шлакоустойчивость про-
тив основных и кислых шлаков и повышенную теплопровод-
ность. Графитоглинистые изделия широко применяют в литей-
ном производстве при плавке и разливке металла.
Углеродистые (угольные) огнеупорные материалы. Сырьем
для их приготовления служат каменноугольный кокс, термоан-
трацит, графит и смола. Огнеупорные материалы приготовляют
в виде набивных масс и фасонных изделий. Для изготовления
огнеупорных изделий кокс и антрацит, измельченные до кусков
размерами 1 —15 мм, перемешивают с 20—25% горячей смолы с
тем, чтобы каждое зерно кокса и антрацита было покрыто плен-
кой смолы. Изделия формуют и обжигают в муфелях с коксовой
засыпкой без доступа воздуха. Температура обжига 1400—
1450° С. Обжиг проводят для получения скоксовавшегося по мас-
се изделия.
Набивную массу для футеровки приготовляют так же, как и
для фасонных изделий. Набивную футеровку обжигают в процес-
се сушки, разогрева и работы печи.
Углеродистые изделия имеют следующую характеристику:
С, %.........................................................88—92
Огнеупорность, °C............................................>2500
Техмпература начала деформации под нагрузкой, °C ... . 1700
Предел прочности при сжатии, МПа..........................11—29
Пористость, %................................................30—35
Изделия из этих огнеупорных материалов отличаются высо-
кой тепло- и электропроводностью и постоянством объема. Они
обладают хорошей шлакоустойчивостью, но разрушаются при
соприкосновении с кислородом и кислородосодержащими соеди-
80
нениями, в том числе с железистыми шлаками, так как окислы
железа восстанавливаются углеродом изделий.
Углеродистыми изделиями футеруют горны и подины домен-
ных печей и печей для плавки алюминия. Из углеродистых ма-
териалов изготовляют электроды дуговых электропечей.
§ 7. КАРБИДНЫЕ ОГНЕУПОРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Карбидными называют огнеупорные материалы, состоящие
в основном из высокоогнеупорных карбидов. Огнеупорные мате-
риалы этой группы относят к огнеупорным материалам высшей
огнеупорности. Так, для ZrC температура плавления 3800° С,
2960°С для МО2С; 4150°С для ТаС; 3130°С для W2C и т. д. Как
правило, карбидные огнеупорные материалы применяют очень
ограниченно. Исключение составляют карборундовые материалы
из карбида кремния SiC.
Карборундовые огнеупорные изделия подразделяют на изде-
лия рекристаллизованные и на связке. Карборунд (карбид крем-
ния) получают из чистого кварцевого песка и измельченного
кокса в электропечах сопротивления при 2000—2200° С. Чистый
кристаллический карборунд состоит из 69,1—69,8% Si и 27,7—
30% С. Полученный карборунд хрупок и легко размельчается.
Карборунд при нагреве до 2300° С, не размягчаясь и не расплав-
ляясь, разлагается на Si и С. В присутствии кислорода интен-
сивно окисляется при 1700° С.
Рекристаллизованные карборундовые изделия изготовляют
из измельченного карборунда и небольшого количества времен-
ной связки, которая выгорает или разлагается при невысоких
температурах. Из полученной увлажненной массы формуют
изделия под давлением 50—100 МПа. Отформованные изделия
сушат и обжигают при 2300° С в коксовой засыпке. Во время
обжига карборунд рекристаллизуется, т. е. отдельные кристал-
лические зерна спекаются в сплошной кристаллический монолит.
Карборундовые изделия на связке изготовляют из измельчен-
ного карборунда на какой-нибудь минеральной связке (глине,
ферросилиции, кварците и др.). Массу, состоящую из измельчен-
ного карборунда и связки, формуют и обжигают. Качество кар-
борунда повышается при замене глинистой связки на кварц или
ферросилиций. При содержании в шихте более 85% SiC обжи-
гают без доступа воздуха в муфелях с кварцевой или коксовой
засыпкой. Температура обжига зависит от содержания в шихте
SiC: чем больше SiC, тем выше температура обжига. Карборун-
довые изделия характеризуются высокими огнеупорностью, ме-
ханической прочностью, теплопроводностью, электропровод-
ностью, хорошо противостоят воздействию металлов и шлаков.
Рекристаллизованные карборундовые изделия имеют более
высокие показатели, чем изделия на связке. Ниже дана усред-
неная характеристика карборундовых изделий.
81
С, °/о............_........................................50-92
Огнеупорность, °C........................................ 1820—2000
Температура начала деформации под нагрузкой, °C ... . 11650—1860
Предел прочности при сжатии, МПа.........................‘ . 39—58
Пористость, °/о . . . . ...................................11—26
Термостойкость, водяные теплосмены.........................50—100
Объемная масса, т/м3.......................................2,1—2,6
Из карборунда изготовляют изделия, которые должны иметь
высокую огнеупорность в сочетании с высокой механической
прочностью, теплопроводностью, электропроводностью. Карбо-
рундовые изделия выпускают в виде кирпичей, плит, труб,
электронагревателей, муфелей и т. д. Их стали применять в
качестве направляющих, по которым проталкивают поддоны в
печах для термообработки и для изготовления радиационных
труб.
§ 8. ЛЕГКОВЕСНЫЕ ОГНЕУПОРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Легковесные огнеупорные материалы характеризуются высо-
кими огнеупорностью и теплоизоляционными свойствами. Тепло-
изоляционные свойства обеспечиваются за счет высокой порис-
тости легковесных огнеупоров: чем меньше размеры пор и боль-
ше их число, тем выше теплоизоляционные свойства. Легко-
весные материалы выпускают в виде кирпича и фасонных изде-
лий. Они легко поддаются обработке резанием. В то же время
из-за достаточно высокой механической прочности их применяют
для кладки стен, футеровки заслонок и т. д. Замена обычных
огнеупорных материалов на легковесные уменьшает потери теп-
лоты через стены печей. В нашей стране выпускают шамотные,
динасовые, высокоглиноземистые и другие легковесные огнеупо-
ры. Температура применения их 1500—1550° С.
Например, для футеровки печей при температуре рабочего
пространства до 1100° С успешно используют высокоглиноземис-
тый огнеупорный легковес, разработанный отечественной огне-
упорной промышленностью. Изделия выпускают в виде кирпича
и фасонных изделий. Отличительной особеностью материала
является его высокая стойкость в науглероживающей газовой
среде. Изделия имеют следующую характеристику:
А120з (не менее), %..........................................53
Ре20з (не более), °/о........................................1,2
Огнеупорность (не ниже), °C..................................1750
Предел прочности при сжатии (не менее), МПа..................3
Плотность, г/см3.............................................I
Коэффициент теплопроводности при 600° С (не более),
Вт/(м °C).......................................................0,46
§ 9. ОГНЕУПОРНЫЕ БЕТОНЫ И РАСТВОРЫ
Огнеупорные бетоны. Их приготовляют из трех составляю-
ющих: цемента (портландцемента, глиноземистого), заполните-
ля и воды.
82
Глиноземистый цемент состоит из 45—55% А12О3, 35—48%
СаО; 7—8% SiO2 и до 5,5% остальных окислов. Такой цемент
используют для бетонов, работающих при температурах 900—
1300° С, для более высоких температур — высокоглиноземистый
цемент, содержащий до 60—70% А12О3. Заполнителями служат
огнеупорные материалы. При 900—1300° С используют шамот,
при 1300—1500° С — хромомагнезит. Для более огнеупорных бе-
тонов применяют высокоглиноземистые заполнители. Глинозе-
мистый цемент, реагируя с водой по реакции
2 (СаОА12О3) + ЮН2О=2СаОА12О37Н2О + А12О3ЗН2О,
затвердевает и связывает всю массу в единое целое. При нагре-
вании от 400 до 900° С прочность бетона снижается вследствие
процессов дегидратации. При 900—1000° С в бетоне образуется
жидкая фаза, способствующая процессу обжига и повышению
его прочности. В результате обжига между зернами огнеупор-
ного заполнителя образуются огнеупорные соединения CaOSiO2,
СаОА12О3 и другие, цементирующие всю массу бетона.
Получили распространение огнеупорные набивки, являющи-
еся разновидностью огнеупорного бетона. Набивки широко при-
меняют для футеровки индукционных плавильных тигельных пе-
чей и с отъемными индукционными единицами. Заполнителями
являются различные огнеупорные вещества: MgO (периклаз),
SiO2Al2O3 (корунд), муллит (3Al2O32SiO2); муллитокорунд и т. п.
В качестве связующих служат глиноземистый цемент, огнеу-
порная глина и др. Набивные элементы футеровки приобретают
необходимые качества после сушки и обжига, как правило, не-
посредственно в печи. Для придания необходимой пластичности
при набивке иногда применяют органические связующие или
жидкое стекло. В табл. 7 приведены огнеупорные набивки для
футеровки отдельных элементов индукционных плавильных пе-
1:ей с отъемными канальными единицами. Тигли индукционных
печей набивают кварцитами, характеристика которых дана вы-
ше. Для набивки применяют и основные огнеупорные материа-
лы. Для горячего ремонта футеровок печей используют торкре-
тирование. Огнеупорные массы в пластичном состоянии в смеси
с плавнями с пЪмощью торкретмашин наносят на горячую по-
верхность футеровки и спекают с ней, образуя монолит. Таким
способом проводят горячий ремонт мартеновских, электродуго-
вых, индукционных плавильных и других печей.
Огнеупорными растворами заполняют швы между отдельны-
ми кирпичами или фасонными изделиями. Химический состав и
свойства растворов должны быть как можно более схожими с
составом и свойствами материала кирпичей. При разогреве печи
массу растворов сушат и обжигают, образуя твердый черепок,
спекшийся с поверхностью кирпича. При этом кладка печи об-
разует сплошной спекшийся монолит. Выпускают готовые сос-
тавы растворов, называющиеся мертелями. Мертели выпускают
83
Таблица 7
Огнеупорные набивки для индукционных плавильных печей
с отъемными единицами
Месю применения Состав наб'ивки, %
Индукционная отъем- ная единица и сливной канал Порошок из корунда: не менее 95 А120з, не бо- лее 0,5 Ре20з, 2,5—3,5 TiO2
Индукционная отъем- ная единица Порошок из периклаза: 97,6 MgO, 0,2 Ре20з, 0,4 SiO±, 0,1 А120з, 0,7 Сг20з, 1 СаО
Сифон для заливки металла Смесь из корунда, шамота и глины: не менее 76,0 А120з, не более 0,8 Ре20з, 2—3 TiO2
Мундштук для присое- динения отъемной еди- ницы Порошок из корунда с добавкой фосфорнокис- лого аммония: не менее 89 А120з, не более 0,5 Ре20з, 2,5—3,5 TiO2, 2,6—3,3 Р2О5
Сифон для заливки ме- талла Набивная масса с добавкой ортофосфорной кис- лоты: не менее 78 А120з, не более 1,2 Ре20з, 2,5— ЗР2О5, при нагреве до 1600° С не имеет усадки
или изготовляют на месте для каждого вида огнеупоров. Мер-
тель приготовляют из порошка соответствующего огнеупора и
связки, которой чаще всего бывает огнеупорная глина. Например,
мертель для шамотной кладки состоит из 60% шамотного поро-
шка и 40% молотой огнеупорной глины, растворенной водой до
консистенции густой сметаны. Применяют растворы, твердеющие
при низких температурах и называемые воздушно-твердеющими
растворами. В их состав входит жидкое стекло. Они повышают
прочность и газоплотность кладки.
При футеровке печи стремятся к получению шва минимальной
толщины. Это особенно важно для плавильных печей, где тол-
щину шва тщательно контролируют. Соответствующие требова-
ния предъявляют и к мертелям. Например, для кладки корундо-
вых огнеупоров в индукционной канальной печи для выдержки
чугуна применяют муллитокорундовый тонкого помола мертель
со следующей характеристикой:
А120з (не менее), °/о ...................................77
Ре20з (не более), °/о......................................1,6
Потери при прокаливании, ..................................1,2—1,9
Содержание в сухом мертеле (сверх 100°/о), %:
Na2COs (жидкое стекло).................................. 0,12—0,18
сульфитно-спиртовая барда................................0,07—0,13
Зерновой состав, °/о:
для 0,09—0,5 мм . . ..............................30—40
<0,09 мм.................................................60—70
84
§ 10. ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Любую печь футеруют из материалов двух видов — огнеупор-
ных и теплоизоляционных. Огнеупорные материалы хорошо про-
тивостоят воздействию высоких температур, металлов, шлаков
и т. д., но, как правило, имеют высокий коэффициент теплопро-
водности. Теплоизоляционные материалы имеют низкую тепло-
проводность, но не выдерживают воздействия высоких темпера-
тур, металла, шлаков и т. д. Температура применения теплоизо-
ляционных материалов не превышает 900° С. Футеровку печи
конструируют таким образом, чтобы первый слой — рабочее
пространство было выложено огнеупорными материалами, а
второй — теплоизоляционными материалами. Часто теплоизоля-
ционные материалы наносят и на наружные стены каркасов пе-
чей, сушил, топок и т. д. Эти материалы применяют в виде фор-
мованных изделий, засыпок, мастик. Их подразделяют на естест-
венные и искусственные. К естественным относят диатомит, пер-
лит, асбест и др., к искусственным — диатомитовый кирпич, ас-
боцемент, совелит, шлаковую и стеклянную вату, известково-
кремнеземистые плиты и др.
Диатомит — это природный материал, представляющий со-
бой остатки панцирных микроорганизмов. В естественного виде
применяют в виде засыпок и обмазок. Служит исходным мате-
риалом для производства диатомитового кирпича. Диатомито-
вый кирпич изготовляют формовкой диатомитового порошка с
глиной с последующим обжигом. Кирпич выпускают трех марок:
«500», «600», и «700» (цифры соответствуют плотности). Исполь-
зуют до температуры 900° С для кладки наружного слоя изоля-
ции стен и сводов. Предел его прочности на сжатие 0,6—1 МПа
и зависит от плотности. В зависимости от плотности и темпера-
туры коэффициент теплопроводности 0,12—0,6 Вт/(м-°С).
Перлиты являются новым видом ценного природного сырья.
Это кислая вулканическая порода, в основном состоящая из
стекла. Имеет следующий химический состав: 70—75% SiO2;
10—15% А12О3, 6—9% щелочей, 0,5—2,2% окислов железа; 0,5—
5% воды, которая находится в различной степени связанности.
При нагревании до 1000—1200° С перлит переходит в пластичес-
кое, вязкое состояние и быстро вспучивается, увеличиваясь в
объеме в 10—15 раз. На основе вспученного перлитового песка
изготовляют теплоизоляционные изделия, пригодные для служ-
бы при температуре до 900° С.
Асбест — природный минерал волокнистого строения, приме-
няемый в виде листового картона, шнура и засыпки. Асбестовый
картон изготовляют из 80% асбеста и 20% огнеупорной глины.
Толщина листа 1—6 мм. Асбестовый шнур и асбестовое полотно
получают из длинноволокнистых сортов асбеста.
Асбоцемент приготовляют из смеси асбеста и портландцемен-
та. Обладает удовлетворительной прочностью, хорошо обраба-
85
тывается резанием. Наряду с теплоизоляционными свойствами
он обладает и электроизоляционными. Все асбестовые материа-
лы применяют до 450° С.
Совелит изготовляют из смеси доломита и асбеста. Применя-
ют до 500° С для наружной изоляции в виде плит, засыпок и
мастик.
Шлаковая вата представляет собой рыхлый материал из ха-
отически расположенных нитей металлургического шлака. Шла-
ковую вату получают раздувкой струи шлака струей пара или
сжатого воздуха. Вследствие высокой пористости и минерально-
го состава шлаковая вата имеет теплоизолирующие свойства и
достаточно высокую огнеупорность. Ее применяют в исходном
виде, а также в виде изделий: войлока, плит и т. д. — до темпе-
ратуры 600° С.
Стеклянную вату получают вытягиванием из расплавленного
стекла.
Известково-кремнеземистые плиты изготовляют из извести,
кремнеземистого материала и асбеста приготовлением из этих
компонентов тонкодисперсной гидромассы, заливки ее в формы,
запарки и сушки в автоклавах. Температура применения изделий
до 600° С. Характеристики описанных теплоизоляционных мате-
риалов приведены в приложении 5.
§ 11. МЕТАЛЛЫ, СПЛАВЫ И СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Металлы и сплавы. При сооружении печей и сушил применя-
ют различные металлы и сплавы. Печные конструкции, находя-
щиеся в зоне действия и высоких температур и агрессивных сред,
изготовляют из специальных металлов и сплавов. Обычный
стальной прокат разных марок применяют до температур 300—
350° С. Из него получают каркасы печей и сушил, различные
механизмы, расположенные вне рабочего пространства печи.
Так, каркасы индукционных канальных печей изготовляют из
низкоуглеродистой стали с 0,12—0,2% С, 0,05% Si, 0,4—0,7%
Мп. Эта сталь хорошо сваривается и не теряет механических
свойств в течение продолжительного времени при воздействии
повышенных температур.
Обод, по которому бочкообразный каркас печи перекатыва-
ется по роликам, выполняют из стали с 0,02% С, 0,05% Si, 1 —
1,6% Мп.
Магнитопроводы индукционных печей получают из листовой
электротехнической стали ЭЗЗО, содержащей 2,8—3,5% Si, тол-
щина листа 0,35. При напряженности магнитного поля 10—
300 А/см магнитная индукция 17 000—20 000 Гс, удельные поте-
ри 0,6—1,9 Вт на 1 кг стали, сталь холоднокатаная текстуриро-
ванная. Катушки индукторов индукционных печей набирают из
профилированных трубок, изготовленных из меди Ml, внутри
которых протекает охлаждающая вода.
86
Горелочные и форсуночные устройства, как правило, выпол-
няют из обычной стали и чугуна. При температуре выше 350—
500° С применяют жароупорные металлы и сплавы.
Жароупорными называют стали и сплавы, сохраняющие до-
статочную механическую прочность и окалиностойкость при
высоких температурах. Жароупорные стали и сплавы содержат
значительное количество хрома и никеля, а также добавки алю-
миния, титана, вольфрама и т. д. Эти стали промышленность
выпускает в виде проката: листа, труб, штанг и т. д. Кроме того,
применяют литые детали из жароупорных сплавов.
Из жароупорных сплавов изготовляют поддоны, направляю-
щие, конвейерные ленты, муфели, детали загрузочных, разгру-
зочных механизмов и отъемных индукционных канальных еди-
ниц и т. д. Например, водоохлаждаемые рубашки отъемных
индукционных канальных единиц сваривают из горячекатаного
листа.
Жароупорные металлы и сплавы должны хорошо сваривать-
ся и обрабатываться резанием, а также обладать стабильностью
структуры в процессе эксплуатации. В приложении 6 приведены
стали и сплавы, применяемые при сооружении печей и сушил.
Металлы и сплавы для нагревательных эле-
ментов сопротивления. Нагревательные элементы сопро-
тивления изготовляют из жаростойких сплавов и металлов с
высокими температурой плавления, жаростойкостью, удельным
электрическим сопротивлением, достаточно высокой механичес-
кой прочностью, обеспечивающей отсутствие деформации нагре-
вателя при высоких температурах. Нагревательные элементы
должны противостоять воздействию печных атмосфер. Они так-
же должны быть пластичными, хорошо свариваться и не терять
этих свойств после многократных нагревов до рабочей темпера-
туры, чтобы их можно было ремонтировать в процессе эксплуа-
тации.
Сплавы для изготовления нагревательных элементов сопротив-
ления по их химическому составу делят на никельхромые (ни-
хромы), никельхромовые, легированные алюминием, хромонике-
левые на основе железа и железохромоалюминиевые. Их приго-
товляют в виде проволоки и ленты.
Нихромы представляют собой сплавы никеля и хрома. Ни-
хромы наиболее распространены, их применяют в печах до
1100° С. Они пластичны, хорошо свариваются после многократ-
ных нагревов, противостоят воздействию эндо- и экзо-газа, но
науглероживаются и разрушаются в цементирующей газовой
атмосфере. Железохромоалюминиевые сплавы применяют при
температурах до 1200—1300° С. В их состав кроме хрома и ни-
келя входит 3,5—5,8% А1. Нагреватели из них изностойки при
1200—1300° С, но с течением времени становятся хрупкими,
вследствие чего их ремонт в процессе эксплуатации невозможен.
Характеристика некоторых сплавов для изготовления нагрева-
87
тельных элементов сопротивления дана в табл. 8. Из сплава,
состоящего из 20% Сг и 80% Ni, отливают секции желобчатых
нагревателей, а затем сваривают друг с другом. В вакуумных
печах для нагревательных элементов сопротивления и теплоизо-
ляционных экранов используют вольфрам (температура плав-
ления 3380°С), молибден (2610°С), тантал (2996°С), ниобий
(2468° С) и др.
Таблица 8
Сплавы для элементов сопротивления
Сплав Температура применения, °C Удельное элек)ричсс- кое сопро- тивление при 0°С, 10“6-0м-м Химический состав, %
Сг N1 А1 Т1
Нихром 1100 1,27 ±0,09 19-23 Осталь- ное 0,4-1,1 2-2,9
1000 1,11 ±0,05 15-18 55-61 0,2 0,4
Нихром с алюминием 1200 1,34 26-29 Осталь- ное 2,6-3,5 —
1,21 15-18 56—61 3,2-4 —
Железохромалюмини- евый 1300 1,42 26-28 0,6 5-5,8 —
1200 1,35+0,05 21,5-23,5 0,6 4,5-5,2 —
Железохромникелевый 1000 0,92 24—27 17-20 — —
Строительные материалы — строительный кирпич, бетон,
железобетон используют для сооружения фундаментов дымохо-
дов, дымовых труб, вспомогательных площадок печей.
Глава VII
УТИЛИЗАЦИЯ ТЕПЛОТЫ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ
§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
При сжигании в печи твердого, жидкого или газообразного
топлива большое количество теплоты теряется с дымовыми га-
зами. Количество теплоты в Дж, теряемое с дымовыми газами
при полном сгорании топлива,
88
где сд — удельная теплоемкость дымовых газов, Дж/(м3-°С);
/д — температура дымовых газов, °C; 1/д— объем дымовых га-
зов, м3/с.
Из этой зависимости видно, что уменьшить потери теплоты
с дымовыми газами можно уменьшением их объема и снижени-
ем температуры. Объем дымовых газов можно уменьшить сжи-
ганием топлива с минимально допустимым коэффициентом рас-
хода воздуха и сокращением избыточного количества воздуха,
подсасываемого в рабочее пространство печи. Объем дымовых
газов может быть также уменьшен при обогащении кислородом
воздуха, подаваемого для горения.
Температуру газов, уходящих из печи, можно снизить ис-
пользованием их теплоты для предварительного подогрева на-
греваемого металла, нагрева воздуха, подаваемого для горения,
и топлива. При использовании теплоты дымовых газов для
подогрева воздуха улучшается не только коэффициент использо-
вания топлива, но и условия его сжигания. Появляется возмож-
ность получить в печи температуру, которая выше температуры
в случае использования холодного воздуха, что особенно важно
при применении топлива с низкой калориметрической темпера-
турой горения.
Воздух подогревается дымовыми газами в рекуператорах и
регенераторах.
§ 2. РЕКУПЕРАТОРЫ
Рекуператором называют теплообменный аппарат для пере-
дачи теплоты от одного газа к другому через разделительную
стенку при стационарном тепловом режиме. С точки зрения вза-
имного движения газов в рекуператоре (в дальнейшем один газ
будем называть воздухом, а другой — дымовыми газами) воз-
Рис. 35. Изменение температуры воздуха и дымовых газов в рекупера-
торе:
о—прямоток; б—противоток: /—дымовые газы; 2—стенка; 3—воздух
89
можны три основные схемы: прямоток, когда воздух и дымовые
газы перемещаются в одном направлении: противоток, когда
воздух и дымовые газы перемещаются в противоположных на-
правлениях, и перекрестный ток, когда воздух и дымовые газы
перемещаются по отношению друг к другу под углом 90°. На
практике встречаются и другие более сложные схемы, представ-
ляющие собой комбинацию из нескольких элементарных схем.
Рассмотрим отдельно основные схемы.
Прямоток. На рис. 35,а показано изменение температуры
воздуха, дымовых газов и стенки по длине рекуператора L. При
прямотоке воздух никогда не может быть нагрет выше конечной
температуры дымовых газов.
Противоток. Изменение температуры при противотоке пока-
зано на рис. 35,6. При противотоке воздух может быть нагрет
выше конечной температуры дымовых газов.
При противотоке можно получить более высокий КПД реку-
ператора, чем при прямотоке. Стенка рекуператора находится
в наиболее тяжелых условиях при противотоке и наиболее бла-
гоприятных при прямотоке.
Тепловой расчет рекуператора. Основой расчета является
расчет теплопередачи между воздухом и дымовыми газами.
Количество переданной теплоты от дымовых газов к воздуху в
Дж за 1 с
QB=/CFA/cp,
где К— коэффициент теплопередачи рекуператора, Вт/(м2-°С);
F — поверхность нагрева рекуператора, м2; Л/Ср — средняя лога-
рифмическая разность температур между дымовыми газами и
воздухом в объеме рекуператора, °C.
Из этого уравнения могут быть получены два уравнения для
определения поверхности рекуператора в м2 (что обычно и тре-
буется при расчете рекуператора) или коэффициента теплопере-
дачи в Вт/(м2-°С) (по данным испытания рекуператора):
Qb . __ Qb
Коэффициент теплопередачи. При расчете рекуператора наи-
более сложной и трудоемкой задачей является определение коэф-
фициента теплопередачи.
Теплопередача в рекуператоре определяется тремя процес-
сами:
передачей теплоты от дымовых газов к стенке рекуператора;
передачей теплоты через стенку рекуператора;
передачей теплоты от стенки к воздуху.
Теплоотдача от дымовых газов происходит лучеиспусканием
и конвекцией. Так как интенсивность теплоотдачи характеризу-
ется коэффициентом теплоотдачи, то
(хд = ад -|- ад,
90
где ад — коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стенке
рекуператора, Вт/(м2-°С); адк — коэффициент теплоотдачи от
дымовых газов к стенке конвекцией и теплопроводностью,
Вт/(м2-°С); адл— коэффициент теплоотдачи от дымовых газов
к стенке лучеиспусканием, Вт/(м2-°С).
Передача теплоты через стенку зависит от ее теплового со-
противления
*=Т’
где $ — толщина стенки, м.
Теплоотдача от стенки к воздуху происходит только за счет
конвекции и теплопроводности
к
ав=ав.
Коэффициент теплопередачи
Для металлических рекуператов
можно пренебречь, тогда
s
— незначительно
X
и им
«в + <4
Поверхность нагрева. Наиболее правильно в расчете прини-
мать поверхность, проходящую через середину толщины разде-
лительной стенки.
Средняя логарифмическая разность температур
£ ____
С₽—In Д£н/Д£к ’
где Д/н и Д/к — разность температур между дымовыми газами и
воздухом и в начале и в конце рекуператора, ° С;
При прямотоке
Д/и=/;-й; Д/к=£-£
При противотоке
4=^-/в.
Теплота, необходимая на нагрев воздуха за 1 с, Дж,
<2в=^ик-Ф<\»
где Vb — объем воздуха, нагреваемого в рекуператоре, м3/с; св —
удельная теплоемкость воздуха при температуре /вк, Дж/ (м3 • °C).
Объем воздуха определяют при расчете горения топлива в
печи. С учетом потерь воздуха на пути от рекуператора до печи
расчетный объем воздуха необходимо увеличить на 10—15%.
91
* Температура стенки рекуператора. Для того чтобы правильно
выбрать материал для изготовления рекуператора и тем самым
обеспечить надежную работу установки, необходимо определить
максимальную температуру стенки в местах возможного пере-
грева. Для металлических рекуператоров можно пренебречь
тепловым сопротивлением стенки, тогда
Аэродинамический расчет рекуператора. Установка на печи
рекуператора изменяет аэродинамическую характеристику воз-
духоподводящей системы и системы удаления дымовых газов.
Для правильного выбора вентилятора или воздуходувки для
подачи в печь воздуха с необходимыми параметрами (количест-
во и давление) и дымососа для удаления дымовых газов опре-
деляют потерю давления в рекуперативной установке по воздуш-
ному и газовым трактам.
Общее сопротивление тракта, Па,
^пот ^тр + ^м.с 4“ Лгеом»
где 2Лтр — суммарная потеря давления за счет сопротивления
трения, Па; 2йм.с— суммарная потеря давления вследствие
местных сопротивлений, Па; йГеом — геометрическое давле-
ние, Па.
Конструкции рекуператоров. Рекуператоры изготовляют из
металла и керамических материалов. Керамические рекуперато-
ры имеют низкий коэффициент теплопередачи, равный 3—
5 Вт/(м2-°С), громоздки и негазоплотны. Металлические реку-
ператоры обеспечивают лучшую теплопередачу по сравнению с
керамическими. Коэффициент теплопередачи металлического
рекуператора 10—25 Вт/(м2-°С). Рекуператоры изготовляют из
чугуна и углеродистой стали при подогреве воздуха до 300°С
и жаропрочных сплавов — при подогреве до 700° С.
На рис. 36 показана схема щелевого радиационного рекупе-
ратора, установленного в вертикальном дымоходе. Рекуператор
работает по схеме прямотока и состоит из двух цилиндров (на-
ружного и внутреннего), изготовленных из листовой стали.
В верхней части рекуператора расположен коллектор, в который
поступает холодный воздух. Из коллектора воздух направляется
по кольцевой щели в нижний коллектор, а из него в воздухопро-
вод горячего воздуха.
Дымовые газы движутся в рекуператоре с небольшой ско-
ростью так, что теплота от дымовых газов передается к стенке
в основном за счет излучения. Рекуператоры такого типа при-
меняют при температуре дымовых газов 1000—1500° С. Темпера-
тура подогрева воздуха 600—700° С.
92 ’
На рис. 37 показан рекуператор для подогрева ваграночного
дутья. Рекуператор работает по схеме противотока. Воздух дви-
жется по гладким сталь-
ным трубам 3 из коллек-
тора 2 холодного воздуха
в коллектор 7 горячего
воздуха. Горячие газы
движутся снаружи труб
из топки 1 вверх и, прой-
дя разделительную стен-
ку 4, поворачивают вниз
к коллектору 6, откуда
отсасываются дымосо-
Рис. 37. Рекуператор для подогрева
ваграночного дутья
Рнс. 36. Схема щелевого радиацион-
ного 'рекуператора
сом. При нагревании рекуператора трубы удлиняются и оттяги-
ваются вверх коромыслом 5. В рекуператоре 88 теплопередаю-
щих труб, которые расположены по окружности. Теплопередаю-
щая поверхность труб 200 м2, количество нагреваемого воздуха
12 000 м3/ч, температура воздуха после рекуператора 400° С.
§ 3. РЕГЕНЕРАТОРЫ
Регенератор — это камера, заполненная огнеупорным кирпи-
чом, сложенным в виде решетки. В отличие от рекуператоров,
работающих при стационарном процессе, регенератор работает
при нестационарном процессе.
Генератор работает по следующей схеме. Горячие газы по-
ступают в холодный регенератор и, проходя через него, в тече-
ние некоторого времени нагревают огнеупорную насадку до
высокой температуры. После этого подача горячих газов в реге-
93
нератор прекращается, и через раскаленную насадку поступает
холодный воздух. Температура воздуха, выходящего из регене-
ратора, в начальный момент довольно высокая, а затем
по мере охлаждения огнеупорной насадки понижается. Через
некоторое время цикл повторяется, т. е. в регенератор вновь
направляют горячие газы. Для непрерывного получения горяче-
го воздуха устанавливают два регенератора, работающих попе-
ременно: в одном горячие газы нагревают огнеупорную насадку,
в другом в это время нагревается воздух.
В литейных цехах регенераторы используют для подогрева
воздуха на мартеновских печах (см. рис. 62). В современных
литейных цехах машиностроительных заводов регенераторы
из-за громоздкости не применяют.
РАЗДЕЛ IV
ПЕЧИ И СУШИЛА, ПРИМЕНЯЕМЫЕ
В ЛИТЕЙНЫХ ЦЕХАХ
Глава VIII
КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ ПЕЧЕЙ
§ 1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПЕЧЕЙ
Разнообразие промышленных печей, используемых в литей-
ном производстве, вызывает необходимость их подразделения
на основные группы. Это необходимо для последовательного
описания печей и изучения их работы. Главными этапами полу-
чения готовых изделий в литейном производстве являются рас-
плавление металла и его разливка по формам и затем в ряде
случаев термообработка отливок. Для получения высококачест-
венных литейных форм их обязательно сушат.
Исходя из этого различают печи для получения расплавлен-
ного металла (плавильные), для нагрева отливок с целью их
последующей термообработки (нагревательные) и для сушки
литейных форм (сушила). Во всех этих печах протекают про-
цессы превращения какого-либо вида энергии в тепловую и за-
тем передачи этой теплоты к расплавляемому, нагреваемому или
сушимому материалу.
По способу генерации теплоты все печи подразделяют на
топливные, где теплота выделяется за счет горения топлива, и
на электрические, где электроэнергия преобразуется в теплоту
электрической дугой, нагревательными элементами сопротивле-
ния или индукцией.
По условиям теплообмена печи могут быть подразделены на
печи с теплопередачей преимущественно излучением и конвек-
цией. К первьЕм относят высокотемпературные печи, в которых
доля конвективного теплообмена невелика. К печам с преиму-
щественно конвективной теплопередачей в рабочем пространстве
относят в основном низкотемпературные печи, в которых излуче-
ние не играет существенной роли, например сушила.
Работа печей характеризуется тепловой мощностью, тепло-
вой нагрузкой, температурным и тепловым режимами.
Тепловая мощность выражается в кВт, это наибольшее ко-
личество теплоты, которое можно подать в печь.
Тепловая нагрузка — это количество теплоты, которое факти-
чески подается в печь.
95
Температурный режим — это изменение температуры печи во
времени.
Тепловой режим — это изменение тепловой нагрузки во вре-
мени.
По тепловому режиму печи подразделяют на печи, работаю-
щие по камерному режиму, и на печи, работающие по методи-
ческому режиму.
Печи, работающие по камерному режиму, подразделяют в
свою очередь на печи непрерывного действия и на печи периоди-
ческого действия.
В печах непрерывного действия изделия загружают и выгру-
жают непрерывно. Если в печи находится большое число изде-
лий, удаление и загрузка одного изделия практически не изме-
няет ее теплового режима, т. е. температура печного пространст-
ва остается постоянной на протяжении всего времени работы
печи.
В печах периодического действия температурный режим пе-
чи изменяется с течением времени. К ним можно отнести печь
с выкатным подом. После завершения термообработки под с от-
ливками выкатывается из печи. Температура печи значительно
снижается. После загрузки новой партии отливок температура
рабочей камеры печи вновь повышается и так далее.
В печах, работающих по методическому режиму, температу-
ра изменяется по длине печи или во времени. К этим печам
относят, например, туннельную печь для отжига чугуна. Темпе-
ратура по длине печи изменяется. Температурный ее режим за-
висит от требований, предъявляемых технологией.
Основными характеристиками работы печи являются ее КПД
и коэффициент использования топлива (КИТ), а также произво-
дительность печи.
КПД — это отношение полезно затраченной теплоты к полно-
му количеству теплоты, поданному в печь (включая теплоту с
подогретым воздухом и т. д.). КИТ — это отношение полезно
затраченной теплоты к количеству теплоты, выделяемому топ-
ливом при его сгорании.
Производительность печи — это количество выплавленного
металла для плавильной печи, перегретого металла для миксе-
ров и раздаточных печей, термообработанного металла для тер-
мических печей и высушенного материала для сушил.
Производительность печи связана с тепловой ее работой: чем
больше разность температур между печью и металлом, тем
быстрее нагревается металл. Производительность печи зависит
от ее габаритных размеров и времени технологического процес-
са. В нагревательных печах, в которых металл необходимо на-
греть лишь до заданной температуры, производительность всег-
да выше, чем в печах, в которых металл после нагрева требует-
ся определенное время выдерживать.
96
§ 2. ТЕПЛОВАЯ РАБОТА ПЕЧЕЙ
Тепловой баланс печей является важной характеристикой их
тепловой работы. Тепловой баланс является выражением закона
сохранения энергии применительно к промышленной печи и поз-
воляет найти необходимый расход топлива, электроэнергии и
провести теплотехнический анализ работы печи.
Тепловой баланс состоит из двух частей: прихода и расхода
теплоты.
Его составляют либо на один час работы (печи непрерывного
действия), либо на период (печи периодического действия).
Рассмотрим тепловой баланс пламенной печи непрерывного
действия.
Приходная часть. Состоит из следующих статей.
1. Химическая теплота горения топлива, Вт,
Qxhm=QSs>
где QHp — низшая теплота сгорания топлива, Дж/кг или Дм/м3;
В — расход топлива, кг/с или м3/с.
2. Физическая теплота, вносимая подогретым воздухом, Вт»
^физ.в=^в^в^"1^» *
где св — средняя удельная темплоемкость воздуха, Дж/(м3-°С)
при tB; iB — температура воздуха, °C; Ln — количество воздуха,
необходимое для горения топлива, м3/кг или м3/м3.
3. Физическая теплота, вносимая подогретым топливом, Вт,
Ффиз.т ==
где ст — средняя * удельная теплоемкость топлива при
Дж/(м3-°С) или Дж/(кг°С); tT — температура топлива, °C.
4. Химическая теплота окисления металла, Вт,
Qxhm.m Qm^m»
где 2 — знак, указывающий на необходимость учета всех окис-
ленных элементов металла; QM — тепловой эффект окисления
каждого элемента металла, кДж/кг; qM— количество каждого
окисленного элемента металла, кг/с.
Расходная часть. Состоит из следующих статей.
1. Теплота, необходимая для нагрева и плавления материа-
лов (полезная теплота), Вт,
QnO4=^M (^М ^м)
где см — средняя удельная теплоемкость материала в интервале
^мк—/мн, Дж/(кг-°С); /мк, /мн —средние по массе конечная и на-
чальная температуры материала, °C; П — производительность
печи, кг/с.
2. Теплота, уносимая шлаками, Вт,
QlHfl == Cuduijfl шл»
4
781
97
где сШл — удельная теплоемкость шлака при /Шл, Дж/(кг-°С);
/шл— температура шлака, °C; дШл — количество шлака, кг/с.
3. Теплота, затрачиваемая на разложение известняка, Вт,
QH3=1620BH3,
где Виз — количество разложенного известняка, кг/с.
4. Физическая теплота продуктов горения топлива, Вт,
Qyx = ^уд/ух^л^,
где Су.х — удельная теплоемкость продуктов горения при /ух,
Дж/(м3-°С); /ух — температура продуктов горения, °C; Vn — ко-
личество продуктов горения, образующихся при сжигании едини-
цы топлива, м3/кг или м3/м3.
5. Химическая теплота продуктов горения топлива, Вт,
QxHM.T=(126CO+ 108Н2) VnB,
где СО, Н2 — содержание окиси углерода и водорода в продук-
тах горения топлива, об. %.
6. Потери теплоты теплопроводностью через кладку, Вт,
Фкл = KF (/„еч А>)»
где К — коэффициент теплопередачи от печного пространства в
окружающий воздух через стенку, Вт/(м2-°С); F — наружная
поверхность кладки, м2; /в— температура окружающего возду-
ха, °C.
7. Потери теплоты излучением через открытые окна и от-
верстия, Вт,
Q^=Co (—У
^ИЗЛ V юо /
где F— площадь открытого окна; м2; Ф — коэффициент диаф-
рагмирования, зависящий от толщины стен и конфигурации окна
(0,5—0,8); т — доля времени, в течение которого открыто окно
(при постоянно открытом окне т=1).
8. Теплота, затрачиваемая на нагревание транспортирующих
устройств, Вт,
Qrp = ^тр (/тр /тр) £?тр>
где стр— средняя удельная теплоемкость транспортирующих уст-
ройств в интервале температур /трк—/трн, Дж/(кг-°С); /трк,
/трн— конечная и начальная температуры транспортирующих
устройств, °C; GTP — масса транспортирующих устройств, прохо-
дящих через печное пространство в единицу времени, кг/с.
9. Потери теплоты с охлаждающей водой, Вт,
Qboa ^вод (/вод /вод) ^вод’
где Свод — удельная теплоемкость воды в интервале температур
/вод — /вод, Дж/(кг-°С); /£од, /вод —конечная и начальная тем-
пературы воды, °C; Увод —расход охлаждающей воды, кг/с.
98
10. Потери теплоты на нагрев контролируемой атмосферы,
Вт,
Qa == (А;еч ^а) ^а»
где са— удельная теплоемкость контролируемой атмосферы в
интервале температур /Печ—ta Дж/(м3-°С); ta— температура
контролируемой атмосферы перед печью, °C; Va— расход кон-
тролируемой атмосферы, м3/с.
11. Неучтенные потери. Их обычно принимают равными 10—
15% от суммы всех потерь теплоты,:
Фнеучт=(0’1 0»15)QpacX«
Используя тепловой баланс, можно рассчитать расход топли-
ва для вновь проектируемой печи, приравняв расходную и при-
ходную части баланса.
Тепловой баланс электрических печей составляют по анало-
гии с тепловым балансом пламенных печей. В приходной части
баланса электрической печи вместо теплоты, вносимой топливом
и воздухом, будет теплота, подаваемая из электросети, а в рас-
ходной части будет отсутствовать расход теплоты с продуктами:
горения топлива. Тепловой баланс печи периодического дейст-
вия приведен в гл. XI.
Глава IX
ИНДУКЦИОННЫЕ ПЛАВИЛЬНЫЕ ПЕЧИ
§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Индукционные плавильные печи имеют индуктор-катушку,
подключаемую к сети переменного тока. При протекании по ка-
тушке переменного тока в окружающем ее пространстве возни-
кает переменное электромагнитное поле. При воздействии пере-
менного поля на металлические тела последние нагреваются.
Скорость нагрева зависит от параметров электромагнитного по-
ля и теплофизических свойств нагреваемого металла.
Как известно, переменное электромагнитное поле представ-
ляет собой комбинацию переменного магнитного поля и пере-
менного электрического поля.
Магнитное поле. Основной физической характеристикой каж-
дой точки магнитного поля является магнитная индукция В.
Магнитная индукция — векторная величина, характеризующая
силовое воздействие магнитного поля на проводник с электри-
ческим током. Единицей магнитной индукции является тесла
Т=Вб/м2.
Характеристикой магнитного поля служит также напряжен-
ность магнитного поля Н (в А/м), которая не зависит от магнит-
ных свойств вещества, в котором создается поле. Магнитная ин-
4*
99
дукция и напряженность поля связаны между собой следующим
соотношением:
B = ^QHt
где ц— магнитная проницаемость вещества; ц0 — абсолютная
магнитная проницаемость вакуума, равная 125-10~8 Ом-с/м.
Количество энергии, передаваемое магнитным полем, связано
с магнитным потоком. Магнитным потоком Ф называют поток
вектора магнитной индукции через площадку, перпендикуляр-
ную вектору магнитной индукции. Единицей магнитного потока
является вебер (вб).
В
Рис. 38. Напряженность магнитного поля вокруг прямолинейно-
го проводника
В однородном магнитном поле магнитный поток равен произ-
ведению магнитной индукции на величину площадки:
Ф=ВЗ.
Магнитное поле прямолинейного проводни-
ка. Вокруг прямолинейного проводника при протекании по нему
переменного электрического тока возникает изменяющееся во
времени (по величине и направлению) магнитное поле. Сило-
вые линии этого поля представляют собой концентрические
окружности, центр которых расположен на оси проводника.
Поля с замкнутыми силовыми линиями называют вихревы-
ми, следовательно, магнитное поле вокруг прямолинейного про-
водника с током есть вихревое поле. Наиболее плотно силовые
линии магнитного поля расположены около проводника. Здесь
магнитное поле имеет наибольшую напряженность.
По мере удаления от поверхности напряженность магнитно-
го поля уменьшается. На рис. 38 показана графическая зави-
симость напряженности магнитного поля от расстояния от оси
100
проводника. Напряженность магнитного поля в пространстве
вокруг проводника
Я=-2_,
2 л/?
где I — ток в проводнике, A; R — расстояние от оси проводни-
ка, м.
Магнитное поле кругового проводника. При
значительном расстоянии между двумя прямолинейными про-
водниками их магнитные поля практически не взаимодействуют
между собой. Однако если расстояние между проводниками ма-
ло, их магнитные поля влияют друг на друга. Если векторы маг-
нитной индукции полей имеют одинаковое направление, то вза-
имодействие полей приводит к увеличению магнитной индукции
суммарного поля. Если направление векторов противоположно,
то результатом взаимодействия полей будет уменьшение магнит-
ной индукции поля.
На рис. 39 показаны круговой проводник, по которому течет
ток, и некоторые из линий магнитной индукции двух полей, об-
разованных диаметрально противоположными участками про-
водника.
Силовые линии внутри проводника, т. е. в охваченном им про-
странстве, имеют одинаковое направление. В результате этого
магнитное поле внутри усиливается.
101
Силовые линии снаружи проводника, т. е. во внешнем прост-
ранстве, имеют противоположное направление. Поэтому напря-
женность магнитного поля снаружи значительно меньше чем
внутри.
Магнитное поле катушки. Магнитное поле, создава-
емое электрическим током, проходящим по виткам катушки,
можно представить себе как результат сложения полей; образо-
ванных отдельными круговыми проводниками, расположенными
близко друг от друга.
Применяя индуктор в виде катушки с большим числом вит-
ков, можно создать очень сильное магнитное поле, способное
довести металл до расплавления. В катушке, имеющей несколь-
ко витков, создается магнитное поле более равномерное, чем в
круговом или прямолинейном проводнике. Если длина катушки
превосходит ее диаметр в четыре раза, то в ней создается равно-
мерное магнитное поле.
Напряженность магнитного поля внутри катушки
н=™-,
I
где / — ток в катушке, A; W— число витков катушки; I — длина
катушки, м.
Электрическое поле. Магнитное поле может превратиться в
электрическое поле. Изменение магнитного поля всегда сопро-
вождается появлением электрического поля. Силовые линии
электрического поля расположены в плоскости, перпендикуляр-
ной силовым линиям магнитного поля. Силовые линии электри-
ческого поля замкнутые, т. е. возникающее электрическое поле
является вихревым. Такое поле вызывает в теле движение элект-
ронов по замкнутым траекториям и приводит к возникновению
электродвижущей силы.
Согласно закону электромагнитной индукции, во всех случа-
ях, когда магнитный поток, проходящий сквозь поверхность*
ограниченную контуром, изменяется во времени, в этом конту-
ре индуктируется электродвижущая сила. Закон справедлив
для любого замкнутого контура, образованного и в проводнике,
и в диэлектрике. В общем случае этот контур может быть и во-
ображаемым контуром, расположенным частично в проводящей
среде и частично в диэлектрике. В контуре, расположенном в
проводящей среде, электродвижущая сила вызывает электричес-
кий ток. ЭДС индукции не зависит от рода вещества тела и его
физического состояния, а зависит от величины магнитного пото-
ка и скорости его изменения.
Величина наведенного в теле электрического напряжения, В
47=4,44/Ф,
где f — частота тока, питающего индуктор; Гц.
Таким образом, если в переменное магнитное поле поместить
предмет, в нем возникнет вихревое электрическое поле. Возни-
102
кающий электрический ток называют вихревым или током Фуко,
по имени открывшего его ученого.
Вихревые токи нагревают тело. Массивные тела имеют не-
большое электрическое сопротивление, поэтому вихревые токи
в них могут быть большими.
Нагрев вихревым током. Переменный ток в отличие от посто-
янного распределяется по сечению проводника неравномерно.
Наибольшая плотность тока, например у цилиндрического про-
водника, будет у поверхности, а наименьшая — на оси. Чем
больше частота тока, диаметр проводника, его проводимость и
магнитная проницаемость, тем более неравномерно распределя-
ется ток по сечению. При очень высоких частотах практически
весь ток проходит только по поверхности проводника.
Проводник нагревается в том месте, где проходит ток. При
высокой частоте в первую очередь нагревается поверхность,
а сердцевина тела практически не нагревается. Помещая тело
в переменное магнитное поле, получим максимальную напря-
женность магнитного поля на его поверхости, а минимальную в
сердцевине.
В технических расчетах используют термин «глубина проник-
новения тока». Под глубиной проникновения понимают поверх-
ностный слой нагреваемого тела, в котором выделяется основное
количество теплоты.
Глубина проникновения тока, м,
4-=503 '
где q — удельное электрическое сопротивление нагреваемого
тела, Ом«м; р— относительная магнитная проницаемость нагре-
ваемого тела; f — частота тока, питающего индуктор, Гц.
Таблица 9
___________Глубина проникновения тока в некоторые металлы
Металл 6 °C Q, Ом.м«Юв и Дэ в мм «при частоте тока, Гц
50 500 2500 10 000
Медь 20 2 1 10 3,2 1,4 0,7
1200 21 1 33 10,3 4,6 2,3
20 13-25 40 5 1,6 0,7 0,4
Сталь и чугун 800 110 1 75 2,3 10,5 5,2
1500 125 1 80 2,5 11,2 5,6
Алюминий 20 3 1 12 3,9 1,7 0,9 2,5
800 24 1 35 11,0 4,9
В табл. 9 приведена глубина проникновения тока при раз-
личной его частоте для некоторых черных и цветных металлов
в зависимости от их температуры и агрегатного состояния.
В поверхностном слое нагреваемого тела, глубина которого
равна глубине проникновения, выделяется 86,5% всей индуци-
рованной теплоты. Остальная часть теплоты, равная 13,5%, вы-
деляется в более глубинных слоях тела.
§ 2. ИНДУКЦИОННЫЕ ТИГЕЛЬНЫЕ ПЕЧИ
В индукционных тигельных печах (их еще называют печами
без железного сердечника) в литейном производстве выплавля-
ют различные металлы и сплавы (сталь, чугун, медь, бронзу,
алюминий и т. д.).
Принцип действия тигельной печи состоит в том, что расплав-
ляемый металл помещают в пространство, пронизываемое пере-
менным магнитным потоком. Под действием возникающей ЭДС
в металле течет ток, металл нагревается и плавится.
Индуктор тигельной печи имеет форму катушки. Внутри ин-
дуктора расположен тигель из огнеупорного материала. Внут-
реннее пространство тигля заполняется расплавленным метал-
лом. Тигель защищает индуктор от воздействия жидкого метал-
ла. Толщина стенки тигля, т. е. расстояние между индуктором и
жидким металлом, влияет на электрические параметры печи:
чем толще стенка, тем большее количество магнитных силовых
линий, пронизывающих катушку, не участвует в нагреве метал-
ла и тем, следовательно, меньше cos <р печи.
Из-за наличия тигля печи имеют небольшой cos <р. Для того,
чтобы не загружать электрическую сеть большой реактивной
мощностью, параллельно индуктору подключают конденсаторы.
Число подключаемых конденсаторов по ходу плавки изменяется,
так как меняется в процессе нагрева электрическое сопротивле-
ние шихты, а в некоторых случаях и ее магнитные свойства.
По контуру, включающему индуктор и конденсаторную бата-
рею, проходит ток большой величины. Поэтому для соединения
индуктора с конденсаторной батареей используют шины и ка-
бель большого сечения.
Магнитный поток, создаваемый индуктором, проходит по зам-
кнутым линиям внутри его и снаружи. В зависимости от спосо-
ба проведения магнитного потока с* внешней стороны индуктора
разливают открытую, экранированную и закрытую конструкции
печей.
Открытая конструкция. Магнитный поток с внешней стороны
индуктора проходит по воздуху. Силовые линии магнитного поля
пронизывают пространство, окружающее индуктор. Конструк-
тивные элементы печи, например детали ее каркаса, должны
быть неметаллическими или их следует располагать на таком
расстоянии от индуктора, чтобы магнитное поле не оказывало
104
на них влияния. Вблизи с индуктором используют элементы
конструкции из дерева или асбоцемента. Элементы из немаг-
нитных металлов применяют на достаточно большом расстоянии
от индуктора. Элементы из углеродистой стали также должны
быть удалены на большое расстояние от индуктора (не менее
одного его диаметра). Открытой конструкции обычно строят
печи небольших габаритных размеров.
Экранированная конструкция. Магнитный поток с внешней
стороны индуктора отделяется от стальных конструкций экра-
ном из меди. Медь имеет небольшое электрическое сопротивле-
ние, а так как выделение мощности в теле, помещенном в элект-
ромагнитное поле, зависит от его сопротивления, то в медном
экране энергия поля поглощается в меньшем количестве. Сталь-
ные конструкции при наличии экрана могут быть расположены
ближе к индуктору, что уменьшает габаритные размеры печи.
Закрытая конструкция. Магнитный поток с внешней стороны
индуктора проходит по радиально расположенным пакетам
трансформаторной стали — магнитопроводам. Магнитная прони-
цаемость трансформаторной стали во много раз больше магнит-
ной проницаемости воздуха, поэтому практически весь магнит-
ный поток проходит по магнитопроводам. Магнитопроводы целе-
сообразно располагать как можно ближе к индуктору. Это умень-
шает размеры печи и увеличивает жесткость индуктора.
Число магнитопроводов и их размеры определяют в зависи-
мости от мощности печи, частоты питающего тока, характернее
тики трансформаторной стали и т. д. Закрытую конструкцию
широко применяют в печах большой емкости.
Большое значение для работы индукционной печи имеет час-
тота питающего тока. Каждому значению емкости печи и элект-
рическому сопротивлению шихты соответствует определенная
частота тока.
Стоимость индукционной печи зависит от применяемой час-
тоты тока. При работе на токе промышленной частоты (50 Гц)
в комплект печи входит только конденсаторная батарея большой
емкости. При работе на токе повышенной частоты кроме конден-
саторной батареи, правда меньшей емкости, в комплект печи
входит преобразователь частоты.
При выборе частоты тока учитывают, что внутренний диаметр
тигля должен быть больше или равен 3,5 глубины проникнове-
ния тока в шихту. В табл. 10 приведены ориентировочные соот-
ношения между емкостью тигля в пределах индуктора и часто-
той тока для некоторых металлов.
На рис. 40 показана установка двух индукционных печей 1
и <?, работающих на промышленной частоте. В печах выплавля-
ют чугун из металлолома. Каждая печь имеет емкость 31 т, про-
изводительность 14 т/ч и мощность 7100 кВт. Печи подключены
к трехфазной сети переменного тока напряжением 10 000 В. Ра-
бочее напряжение на индукторе устанавливают переключением
105
Таблица 10
Рекомендуемая частота тока для тигельных печей
Внутренний диаметр.тигля, мм Емкость печи, м3 Масса расплавленного металла, т Частота тока,. Гц
Сталь, чугун Алюминий Медь
300 0,036 0,25 0,09 0,31 500—2000
350 0,056 0,4 0,13 0,45 500-2000
425 0,09 0,63 0,23 0,75 500—2000
500 0,14 1 0,36 1,2 50-1000
575 0,225 1,6 0,56 1,9 50-500
675 0,36 2,5 0,9 3,1 50-500
775 0,56 4 1,3 4,5 50-500
900 0,9 6,3 2,3 7,5 50-500
975 1,4 10 3,5 12 50-500
1250 2,225 16 5,6 19 50-500
1500 3,6 75 9 31 50—500
трансформатора 7. Трансформатор имеет десять ступеней. Мак-
симальное напряжение на индукторе 2430 В, минимальное 415 В.
Конденсаторная батарея мощностью 19 800 квар включена
параллельно индуктору постоянно, конденсаторная фатарея
мощностью 26 280 квар включается отдельными группами в за-
висимсти от cos ср. Однофазная печь подключена к трехфазной
сети с использованием симметрирующего устройства, состоящего
из дросселя 11 и конденсаторной батареи мощностью 5040 квар.
Наличие симметрирующего устройства обеспечивает равномер-
ную нагрузку по всем трем фазам питающей сети. Конденсато-
ры 8 и 9 расположены в двух блоках.
Гидростанция 5 предназначена для поворота печи 3 при раз-
ливке металла. Система водоподготовки предназначена для
охлаждения индуктора печи водой постоянной температуры; она
состоит из теплообменника 6 и насоса 4.
Электрическая часть является общей для обеих печей, поэ-
тому одна печь работает, а другая — находится в резерве или на
ремонте.
Индукционные тигельные печи состоят из следующих основ-
ных частей: индуктора, магнитопроводов, каркаса, футеровки и
механизма наклона печи.
Индуктор представляет собой цилиндрическую катушку из
медной трубки. Индуктор изготовляют из меди потому, что ек>
поглощается меньше энергии электромагнитного поля, чем
сталью и другими металлами. Профиль медной трубки разнооб-
разен: круглый, квадратный, прямоугольный. Толщину стенки
106
медной трубки выбирают в зависимости от частоты питающего
тока. Исходя из необходимости обеспечения минимальных по-
терь энергии в трубке толщина ее стенки должна быть на 30%
больше глубины проникновения тока. Размер отверстия в трубке
обусловлен расходом охлаждающей ее воды. Поперечное сече-
ние трубки зависит от тока, протекающего по индуктору.
Рис. 40. Установка двух индукционных тигельных печей в цехе:
/—печь № 1: 2—пульт наклона печи; 3—печь № 2; 4—насос; 5—гидро-
станция; 6—теплообменник; 7—трансформатор; 8, 9—конденсаторы; /О—
крышка печи; //—дроссель; 12—пульт управления печати; 13—шино-
провод; 14— кабель: /5—положение печи при сливе металла; 16—прия-
мок; 17—каркас печи; 18—гидроцилиндр для наклона печи
Для подвода и отвода воды и электроэнергии индуктор имеет
припаянные штуцера. Между витками индуктора устанавливают
электроизоляционные прокладки. Индуктор покрывают слоем
107
эпоксидной смолы, что обеспечивает надежную электрическую
изоляцию одного витка от другого.
На рис. 41 показана индукционная единица, подготовленная
к монтажу в индукционную тигельную печь промышленной час-
тоты емкостью 31 т для плавки чугуна. Индуктор 2 показан в
собранном виде с верхней и нижней водоохлаждаемыми катуш-
ками (12 и /), верхним и нижним кольцами (11 и 3) и натяж-
ным устройством.
Рис. 41. Индукционная
единица тигельной печи:
1, 4— концы нижней ка-
тушки; 2, /3—концы ин-
дуктора; 3—нижнее коль-
цо; 5—гайка; б—пружина;
7—асбест; 8—штанга; 9—
изоляция индуктора; 10—
прокладка между индук-
тором и катушкой; И—
верхнее кольцо; 12, 14—
концы верхней катушки
Индуктор имеет 23 витка и изготовлен из трубки квадратной
формы 63X63 мм со стенкой толщиной 13 мм. Наружная по-
верхность индуктора обклеена листовым асбестом 7 толщиной
10 мм. Натяг индуктора осуществляется штангами 8, гайками 5
и тарельчатыми пружинами 6. Штанги (12 шт.) равномерно рас-
положены по наружной окружности индуктора.
108
В печах промышленной частоты верхний уровень индуктора
устанавливают ниже уровня металла, вследствие чего уменьша-
ется мениск на поверхности ванны и исключается выброс метал-
ла из тигля из-за электродинамической циркуляции.
Охлаждающие кольца и катушки предотвращают перегрев
той части футеровки печи, около которой нет индуктора.
Рис. 42. Поперечный разрез индукционной тигельной печи:
/—электровыводы; 2, 4—асбест; 3—трубка индуктора; 5 8—изоляторы; 6—магнито-
провод; 7—прижимной винт; 9—футеровка печи; /0—балка каркаса печи
Кроме показанной на рис. 41 конструкции крепления индук-
тора, применяют и другие, в которых каждый виток индуктора
прикрепляют к вертикальным стойкам латунными шпильками.
Стойки изготовляют из асбоцемента или из твердых пород де-
рева.
Магнитопровод. Во избежание нагрева металлических частей
печи полями рассеяния вокруг индуктора устанавливают внеш-
ний магнитопровод из листовой трансформаторной стали. Маг-
нитопровод состоит из отдельных пакетов, расположенных рав-
номерно по периметру индуктора. На печах промышленной час-
тоты магнитопроводы изготовляют из стали толщиной 0,5 мм, а
на печах повышенной частоты — из стали толщиной 0,35 мм.
Длина пакетов магнитопровода больше высоты индуктора. Паке-
ты прикрепляют к каркасу печи болтами и устанавливают
вплотную к индутору, что обеспечивает жесткость конструкции
и минимальное рассеяние магнитного потока. Расположение па-
кетов магнитопровода по периметру печи показано на рис. 42.
Каркас. Каркасы печей небольшой емкости выполняют из
дерева и асбоцемента, а также из немагнитных металлов. Кар-
касы печей большой емкости должны иметь большую жесткость
109
и прочность, поэтому их изготовляют из профильной стали, т. е.
швеллера, уголка, балки. На рис. 42 хорошо видны вертикаль-
ные ребра жесткости каркаса. Каркас воспринимает все нагруз-
ки, возникающие при расширении печи (при ее нагреве) и ее
наклоне при сливе металла и шлака.
Футеровка. Условия работы индукционной печи предъявляют
определенные требования к ее футеровке. Футеровка должна
Рис. 43. Футеровка индукционной тигельной печи
выдерживать механиче-
ское воздействие жидкого
металла, что трудно дос-
тигнуть для печей емко-
стью более 10 т вследст-
вие их частого наклона.
Футеровка со стороны
жидкого металла должна
иметь плотную спекшую-
ся поверхность, через ко-
торую он не сможет про-
сачиться. Со стороны ин-
дуктора футеровка долж-
на быть неспекшейся. Это
предупреждает образова-
ние в ней сквозных тре-
щин. Наличие неспекше-
гося слоя исключает про-
никновение жидкого ме-
талла к индуктору. Стой-
кость футеровки опреде-
ляет срок службы печи
до очередного ремонта.
В зависимости от метал-
лургического процесса применяют кислые или основные огне-
упорные материалы. Футеровка печи состоит из подины 1, тигля
2, крышки 3 и верхнего кольца 4 (рис. 43). Как правило, при
изготовлении футеровки печи применяют огнеупорные массы и
для подины — фасонные огнеупорные изделия.
Индукционные тигельные печи для плавки чугуна футеруют
сухой кварцитовой массой. Вначале выполняют подину печи,
затем на внутреннюю поверхность индуктора наносят слой гус-
той кварцитной обмазки толщиной 10 мм, который после затвер-
девания обклеивают листовым асбестом толщиной 10 мм. Футе-
ровку тигля изготовляют методом набивки послойно. Высота
каждого слоя в зависимости от емкости печи 70—300 мм. Перед
набивкой на подину печи устанавливают металлический шаблон
и в пространство между индуктором и шаблоном засыпают пор-
цию огнеупорной массы. Массу уплотняют электротрамбовками.
После набивки первого слоя верхнюю его поверхность разрыхля-
ют и в пространство между индуктором и шаблоном засыпают
110
Dp
Рис. 44. К расчету размеров индук-
ционной тигельной печи
следующую порцию массы. Второй слой набивают аналогично
первому. Из условия высококачественной набивки высота шаб-
лона должна быть не более 500—600 мм, поэтому для печей
большой емкости применяют несколько шаблонов, устанавлива-
емых последовательно друг на друга по мере набивки тигля.
После набивки шаблоны остаются в печи и расплавляются при
ее нагреве.
Крышку печи изготовляют набивкой из огнеупорной массы
или из фасонных огнеупорных изделий.
Футеровку печи сушат, плавно повышая температуру, что
исключает отслаивание футеровки. Печь нагревается включе-
нием индуктора в электрическую
сеть. Предварительно в печь заг-
ружают несколько стальных или
чугунных блоков, которые нагре-
ваясь вихревыми токами, разо-
гревают футеровку печи. Обычно
время нагрева до 1000° С не пре-
вышает 10 ч. Затем в печь до вы-
соты сливного носка заливают
жидкий металл и переключают
ее на более высокую ступень нап-
ряжения. Футеровка печи спекает-
ся при рабочей температуре в те-
чение 1 ч. Температура спекания
чугуна 1500° С.
Механизм наклона. При раз-
ливке металла каркас печи с ин-
дуктором и футеровкой в сборе
необходимо наклонять на 95—
100°. Индукционные печи неболь-
шой емкости имеют ручные механизмы наклона (лебедки). Боль-
шие печи имеют, как правило, механизм наклона с гидравличе-
ским приводом. Печь наклоняют гидравлическим цилиндром,,
соединенным с помощью шарниров с рамой печи, установленной
на фундаменте, и ее каркасом. Гидравлический цилиндр гибки-
ми шлангами соединен с насосной станцией; давление, создавае-
мое в нем, достигает 20 МН. Из противопожарных соображений
в гидравлических системах вместо масла целесообразнее приме-
нять негорючую жидкость.
Расчет индукционной тигельной печи. Исходные данные для
расчета печи: назначение, режим работы, производительность,
свойства расплавляемого металла, напряжение и частота питаю-
щего тока.
1. Полезная емкость тигля, т,
а=(Л+г2)/7,
где Т\ и Тг— продолжительность плавки, а также загрузки и раз-
ливки печи, ч; П — производительность печи, т/ч.
111
2. Объем жидкого металла в печи, м3,
у =—,
" Ум
где ум — плотность жидкого металла, т/м3.
3. Внутренний диаметр тигля (рис. 44), м,
где В — коэффициент, зависящий от емкости печи: 1,5—2 до 1 т;
1,35—1,5 для 1—3 т и 1 —1,35 для >3 т.
4. Высота металла в тигле, м,
/tM=Bd-Q,
5. Толщина стенки тигля, мм: (0,25—0,30) do до 0,5 т; (0,15—
0,25) do для 0,5—3 т и (0,1—0,15) d0 для >3 т.
6. Толщина S2 изоляционного слоя из асбеста между тиглем
и индуктором, м: 0,005 до 3 т; 0,005—0,01 для 3—15 т и 0,01—
0,015 для > 15 т.
7. Внутренний диаметр индуктора, м,
do+2 ($! -|- $2).
8. Полезная тепловая мощность, выделяющаяся в садке, кВт,
р — п/ п
где IFTeop — теоретический удельный расход энергии, кВт-ч/т,
(табл.11).
Таблица 11
Теоретический удельный расход энергии на расплавление и перегрев металла
Металл Температура, •С Плотность, т/м8 Расход энергии, кВт»ч/т
Расплавление и перегрев Перегрев на 1*С
Алюминий 20 800 2,7 2,5 200 0,298
Медь 20 1200 8,9 8,3 215 0,158
20 7,8
Сталь и чугун 800 7,8
1500 7,2 355 0,23
112
9. Активная мощность печи, кВт,
Г) Р пол
'а — »
‘Игерм
где т|Терм — термический КПД печи, равный 0,7--0,9.
10. Минимальная частота питающего тока, Гц,
/1ПИ=25.10в-^-,
где qm — удельное электрическое сопротивление садки, Ом-м;
|хм — относительная магнитная проницаемость садки; dc — диа-
метр садки, м (для жидкого металла dc=do, для металлолома
dc — средний размер куска металла).
11. Высота индуктора, м,
Аи=(0,7-ь 1,3)ЛМ.
Для печей повышенной частоты
высота индуктора больше вы-
соты металла в тигле, для пе-
чей промышленной частоты она
меньше высоты металла в
тигле.
12. Глубина проникновения
тока в садку, м,
Дэ = 503 1/
V Им/
где f — частота тока питающе-
го индуктор, Гц.
13. Напряженность магнит-
ного поля в индукторе, А/м,
Рис. 45. Поправочные коэффициенты ак-
тивной и реактивной мощности для сади
а
ks
6,2«/()Лм У
где ks — коэффициент, учитывающий самоиндукцию и взаимоин-
дукцию между индуктором и садкой и равный 0,85—0,95; А„ —
поравочный коэффициент активной мощности, учитывающий
кривизну металлической садки в тигле и зависящий от отноше-
ния диаметра садки к глубине проникновения тока в нее, т. е.
do/Дэ (рис. 45).
14. Реактивная мощность садки, квар,
Рр с=6,2- V ЫЧ?ЪЛ
где /?м — поправочный коэффициент реактивной мощности
(рис. 45).
15. Реактивная мощность в зазоре между садкой и индукто-
ром, квар,
Р9 3=6,2- 1О-9#у</ойм[(-^2- 1
1Л /
113
16. Толщина стенки индуктора, мм.
Из условий минимальных потерь активной мощности в индук-
торе
5тр=1,3-103Дэ.
Рис. 46. Поправочные коэффициенты ак-
тивной и реактивной мощности для индук-
тора
Рис. 47. К расчету шага витка индук-
тора:
/—тигель; 2—асбест; 3—кварцитовая об-
мазка; 4—индуктор; 5—межвитковая
изоляция
17. Потери активной мощности в индукторе, кВт,
Л.„=6,2.10-б№/?вЛи ,
*з.и
где ри — удельное электрическое сопротивление материала ин-
дуктора, Ом-м; |ли — относительная магнитная проницаемость
материала индуктора; Ли — поправочный коэффициент активной
мощности, учитывающий кривизну индуктора; определяют по
сплошным линиям для разных (рис. 46); k3M — коэффи-
Дэ.И
циент заполнения индуктора, равный 0,7—0,9.
18. Реактивная мощность в индукторе, квар,
Рр=6,2- 10-б^РЛ ,
*з.и
где /?и — поправочный коэффициент реактивной мощности, учи-
тывающий кривизну индуктора; определяют по штриховым ли-
ниям для разных (рис. 46).
Дэ.и
114 А
19. Общая активная мощность. кВт,
Р = Р Ц-Р .
л о .а —1 а I 1 а.и*
20. Общая реактивная мощность, квар,
Л>.р ~ ^Р.с + Л>-з + ^Р.И-
21. Полная мощность системы индуктор — садка, кВ-А,
p^/pL+p2^.
22. Ток в индукторе, А
/ = Ю3-^ ,
где Ua — напряжение на индукторе, В.
23. Число витков в индукторе
I ’
24. Шаг витка индуктора (рис. 47), м,
W
25. Высота трубки индуктора, м,
Атр=т£зи.
26. Толщина изоляции между витками, м,
^изол == ^тр •
27. Напряжение тока между витками индуктора, В,
f/B = —.
» у
28. Напряжение на 1 см изоляции между витками, В,
f/1;0=10-2
^иэол
допускается не более 200 В на 1 см.
115
29. Ширина трубки индуктора.
Размер трубки в поперечном сечении определяют из условия,
при котором плотность тока должна быть не более 20 А/мм2.
30. Естественный угол cos <р печи
Ро а
COS ср = —.
Р о
31. Емкость конденсаторной батареи, мкФ,
Л>.рЮ9
где UK — напряжение на конденсаторе, В.
Мощность конденсаторной батареи Рс в квар должна быть
равна общей реактивной мощности, т. е. Рс=Р0.р- Тогда контур
индуктор — конденсаторная батарея рассчитывают на полную
мощность системы Ро, а подводящую электрическую линию —
только на общую активную мощность Ра.а.
32. Общее сечение магнитопроводов, м2,
п =______________________________
мг 4,44/Ю
где В — индукция в магнитопроводе, Вб/м2, при частоте 50 Гц
(0,6-1).
33. Сечение одного магнитопровода, см2,
<7мг=10*-^,
^мг
где WMr— число пакетов магнитопровода вокруг индуктора.
Пример. Рассчитать индукционную тигельную печь для выплавки чугуна
по следующим данным: производительность печи 14 т/ч, продолжительность
плавки 2 ч, а загрузки и разливки 0,2 ч, шихта — стальной и чугунный лом
размером 0,1—0,3 м, напряжение питающего тока 10 000 В, частота питающе-
го тока 50 Гц.
1. Полезная емкость тигля
а = (?! + Г2)П = (2 4- 0,2) 14 = 31 т.
2. Объем жидкого металла в печи
G 31
где ум — плотность жидкого металла, равная 7,2 т/м3 (см. табл. 11).
3. Внутренний диаметр тигля
4,3
1.3
= 1,61 м,
где В = 1,3.
4. Высота металла в тигле
ЛМ = В4О=: 1,3-1,61 =2,1 м.
5 Толщина стенки тигля
S1 = 0, Uo = 0,1 • 1,61 =0,161 м.
116
6. Толщина изоляционного слоя из асбеста между тиглем и индуктором
$2==0,01 м.
7. Внутренний диаметр индуктора
DB = dQ 4- 2 ($! + s2) = 1,61 + 2 (0,161 + 0,01) = 1,952 м.
С учетом слоя обмазки из кварцитовой массы толщиной 10 мм на внутренней
поверхности индуктора принимаем Z)B = 1,97.
8. Полезная тепловая мощность, выделяющаяся в садке. Теоретический
расход энергии для чугуна 355 кВт • ч/т (см. табл. 11)
РПол = VFTeOp/7 = 355 • 14 = 4970 кВт.
9. Активная мощность печи.
Термический КПД печи 0,85:
Р
а
Р пол
“Птерм
4970
0,85
= 5847 кВт.
10. Минимальная частота питающего тока. Выполним расчет для трех
характерных условий: тигель заполнен твердой шихтой, обладающей и не об-
ладающей магнитными свойствами, и жидким металлом.
А. Тигель заполнен твердой шихтой с температурой 20° С. Принимаем
удельное электрическое сопротивление чугуна 20 • 10~8 Ом • м, относительная
магнитная проницаемость 40 (см. табл. 9), средний размер куска металла
0,2 м:
9м 20- 10-8
/т,п=25-106^Г=25-1064Т^=ЗГц-
Б. Тигель заполнен твердой шихтой с температурой 800° С. Удельное
электрическое сопротивление чугуна ПО Ю-8 Ом м, относительная магнит-
ная проницаемость 1 (см. табл. 9):
Ом 110-10-8
/т1п =25-106--^-^ 25-106 = 688 Гц.
Им/ 1-0,22
В. Тигель заполнен жидким металлом с температурой 1500° С. Удельное
электрическое сопротивление чугуна 125 Ю“8 Ом • м (см. табл. 11), относи-
тельная магнитная проницаемость 1, диаметр садки равен внутреннему диа-
метру тигля:
/min = 25-106 = 25-106 1^5'1°Т8.= 12 Гц.
Нм/ 1-1,612
С учетом полученных результатов примем частоту тока 50 Гц, но печь дол-
жна работать на режиме с «болотом» (с металлом, постоянно находящимся в
печи), т. е. в ней должен постоянно находиться жидкий металл, в который
добавляют металлолом. Величина «болота» примерно 60—65’Vo общей емкости
печи.
11. Высота индуктора.
При промышленной частоте тока индуктор находится ниже уровня ме-
талла. Примем высоту индуктора на 15°/о меньше высоты металла в тигле т. е.
Аи 0,85; Ам = 0,85-2,1 = 1,8 м.
12. Глубина проникновения тока в садку
Дэ = 503 1/ — 503 1/”= 0,08 м.
Г Нм/ ' Ь50
117
13. Напряженность магнитного поля в индукторе. Так как do:Aa=l,6l:
: 0,08=20, то Л м = 0,97 (см. рис. 47), &в=0,9, тогда
н = Ю3 =
ks 6,2^оАм тЛомР.м/Ям
103 ЛГ 5847
“ 0,9 V 6,2-1,61-2,1 /125-10-8.1.50 0,97 ~2119 А/м>
14. Реактивная мощность садки при /?м = 1 (см. рис. 47)
Рр.с =6,2-lO-6//2doftM/g^7 Ям*2 = 6,2.10-6(211986)2Х
X 1,61-2,1 >/ 125-10-8-1-50 1-0,92 = 6028 квар.
15. Реактивная мощность в зазоре между садкой и индуктором
Г fDB \2 1
Рр.з = 6,2-10-9/72fdohM — - 1 = 6,2-10-9 (211 986)2 х
1Л<*о ' J
Г 1.97\2 Т
X 50-1,612.2,1 I — 1 = 37703 квар.
16. Толщина стенки трубки индуктора при глубине проникновения тока
для медного индуктора 10 мм (см. табл. 11)
STP = 1,ЗДэ.и = 1,3-10 = 13 мм.
17. Потери активной мощности в индукторе. Удельное электрическое со-
противление медного индуктора qh = 2-10“8 Ом • м (см. табл. 11). Так как
Du : Дэ.и= 1,97 : 0,013=152, т. е. больше 14, a 2STp : Дэ.н=2 • 13 : 10=2,6, то
(см. рис. 46) Ди = 0,95. Принимаем &3.и=0,8, тогда
Ра.н = 6,2- 10-б/72£)вЛн — = 6,2-10-6 (211 986)2 X
*з.и
_________0,95
XI,97-1,8/2.10-8-50-^-= 1173 кВт.
18. Реактивная мощность в индукторе при /?и=0,8 (см. рис. 46)
Ррм = 6,2- 10-6/72ОвЛи /см+7 = 6,2-10-6 (211 986)2Х
*3.и
г________0,8
XI,97-1,8 /2-10-8.50 = 988 квар.
19. Общая активная мощность
ро.а = Ра + Ра.и = 5847 4- 1172 = 7020 кВт.
20. Общая реактивная мощность
Р0.р == Рр.с “Ь Рр.з 4- Рр.и = 6028 4“ 37 703 4“ 988 = 44 719 квар.
21. Полная мощность системы индуктор — садка
Ро = Ур1.л + Р1.р = 770202 + 44 7192 = 45 267 кВ - А.
22. Ток в индукторе.
Печь подключают к трансформатору с максимальным напряжением 2430 В,
плавности регулирования достигают переключением на различные ступени
(10 ступеней):
PQ 45 267
7=103—^ = 103——— = 18 628 А.
ии 2430
113
23. Число витков в индукторе
Hh„ 211986 1,8
№ =------ ------------
= 20,5.
18 628
Принимаем №=21.
24.
25.
Шаг витка индуктора
Аи
и = —
№
Высота трубки индуктора
1,8
— = 0,086 м.
Лтр = и&з.и = 0,086 • 0,8 = 0,07 м.
Толщина изоляции между витками
Аизол = и — Лтр = 0,086 — 0,07 = 0,016 м.
Напряжение тока между витками индуктора
UK 2430
£/„ = -^- = — = 116 В.
в W 21
Напряжение на 1 см изоляции между витками
j^ = 10-2jil=72(5.
Аизол 0,016
_ Ширина трубки индуктора.
Принимаем трубку квадратного сечения 70X70 мм со стенкой толщиной
16 мм. Площадь сечения трубки для электрического тока 3456 мм2. Плотность
тока 18 628 : 3456=5,4 А, что допустимо.
30. Естественный угол cos (р печи
7020
cos v = — = 0,16.
т Ро 45 267
31. Емкость конденсаторной батареи.
Напряжение на конденсаторе принимаем равным напряжению высшей ступе-
ни трасформатора, т. е. 2430 В, тогда
• 109 44 719-109
26.
27.
28.
29.
С71;0=Ю-2
о.р
о.а
С 2nfUl 2-3.14-50.24302 24 П8‘
32. Общее сечение магнитопроводов.
Индукция в магнитопроводе 1 Вб/м2, тогда
Ци 2430
Омг =-------------------------= 0,5 см2.
4,44/lTB 4,44 -50- 21-1
33. Сечение одного магнитопровода.
Общее число магнитопроводов (см. рис. 44) принимаем 24, тогда
Омг 0,5
q*r = = 104 = 208 см2.
™ мг
Принимаем поперечное сечение магнитопровода 160X130 мм.
§ 3. ИНДУКЦИОННЫЕ КАНАЛЬНЫЕ ПЕЧИ
Канальные печи или, как их называют, печи с железным сер-
дечником используют в литейном производстве, в основном в
качестве миксеров и раздаточных печей для черных и цветных
119
Пространство в огнеупорном
сплавов. При производстве ковкого чугуна канальные печи при-
меняют для перегрева до 1550° С чугуна, выплавленного в ваг-
ранках. Канальные печи используют также для плавки цинка,
меди и их сплавов.
Принцип действия канальной печи состоит в том, что пере-
менный магнитный поток Ф пронизывает замкнутый контур,
представляющий собой кольцо
из жидкого металла, и индук-
тирует в этом кольце ЭДС.
Электрический ток 12 проходит
по жидкому металлу, разогре-
вая его. Переменный магнит-
ный поток создается первич-
ной катушкой, в которой течет
ток Ц и которую подключают
к сети переменного тока про-
мышленной частоты (50 Гц),
напряжение U{. Для усиления
магнитного потока, создаваемо-
го катушкой, применяют замк-
нутый магнитопровод из тран-
сформаторной стали с ц=
= 15004-2000 (рис. 48).
Кольцо жидкого металла
окружено со всех сторон огне-
упорным материалом, заклю-
ченным в стальной корпус,
материале, которое заполняет-
ся жидким металлом, имеет
форму изогнутого канала. Наличие канала является характер-
ной особенностью печей этого типа. Рабочее пространство печи
соединено с каналом двумя отверстиями, поэтому при ее запол-
нении жидким металлом образуется замкнутый контур. Если в
печи нет металла или его недостаточно для образования замкну-
того контура, то она работать не может. В этом случае при пода-
че напряжения на первичную катушку в канале, являющемся
вторичной катушкой, создаются вихревое электрическое поле и
соответствующая ЭДС. Однако из-за того, что в канале нет ме-
талла, его электрическое сопротивление велико и ток в нем не
протекает. При разомкнутом вторичном контуре в первичной ка-
тушке протекает ток небольшой силы, необходимый для намаг-
ничивания магнитопровода и называемый током холостого хода.
ЭДС, создаваемая в канале, в W раз меньше напряжения,
подводимого к первичной катушке (№ — число витков катуш-
ки). Сила тока, протекающего по каналу при определенной
ЭДС, зависит от полного сопротивления канала, равного геомет*
рической сумме активного и реактивного сопротивлений канала.
120
Методика определения активного и реактивного (индуктивного)
сопротивлений канала приведена в конце § 3.
При протекании тока вокруг канала создается магнитное
поле. Чем больше мощность этого поля, тем больше реактивная
мощность печи и тем меньше cos <р. Направление магнитного по-
тока поля канала противоположно направлению магнитного по-
тока магнитопровода. Для уменьшения размагничивающего
влияния магнитного потока канала на магнитный поток магни-
топровода канал располагают вокруг той части магнитопровода,
на которой находится первичная катушка. Расстояние от канала
до катушки выбирают минимальным для уменьшения магнитно-
го поля канала.
Рис. 49. Индукционная канальная печь для перегрева чугуна
Температура металла в канале на 100—150° С выше темпера-
туры металла в ванне печи, поэтому горячий металл из канала
поднимается в ванну, а из нее в канал поступает более холод-
ный металл. Жидкий металл в печи движется и вследствие воз-
действия магнитного поля. Электродинамические силы стремят-
ся сжать и вытолкнуть металл из канала. Чем больше индуци-
рованный ток, тем большая электродинамическая сила воздейст-
вует на металл. При небольшом уровне металла в ванне может
произойти его сжатие, при этом столб металла в канале разры-
вается, а металл из него выталкивается. Печь отключается из-за
разрыва электрического контура, создаваемого жидким метал-
лом в канале.
В канальных печах всегда должно находиться определенное
количество жидкого металла. Это количество определяют исходя
из того, чтобы масса столба жидкого металла над каналом пре-
вышала электродинамическую силу, выталкивающую металл из
канала.
На рис. 49 показана индукционная канальная печь для пере-
грева чугуна. Емкость: общая печи 57 т, полезная 45 т, болота
121
12 т. Печь представляет собой горизонтально расположенный
цилиндр с наружным диаметром 3000 мм и внутренним 1910 мм.
Длина печи, т. е. расстояние между торцовыми стенками,
4500 мм. Печь, имеющая две съемные индукционные единицы
мощностью 1100 кВт каждая, вращается на катках. Металл за-
ливают через сифонный желоб, исключающий попадание шлака
в рабочий объем печи. Металл выдают из печи через другой
сифонный желоб, расположенный на противоположной торцовой
стене. Шлак периодически удаляют из печи через рабочее окно.
Электроэнергию к индукционным единицам подают по гибким
водоохлаждаемым кабелям.
В канальных печах могут быть ванны различных форм. Ме-
талл выдают из печи поворотом или наклоном ванны., а в неко-
торых случаях созданием избыточного давления газа над уров-
нем металла в ванне. Для этого печь выполняют герметичной
и в нее подают воздух или инертный газ. Под давлением газа
уровень металла в ванне снижается и нужное его количество вы-
текает из печи по сифонному желобу.
Индукционная канальная печь состоит из следующих основ-
ных узлов: каркаса, футеровки, индукционных единиц, механиз-
ма наклона и электрооборудования.
Каркас печи должен быть достаточно прочным и жестким.
Его изготовляют из низкоуглеродистой стали (0,1% С) толщи-
ной 30—70 мм. В нижей части каркаса имеются окна с фланца-
ми, к которым присоединяют индукционные единицы.
Футеровка. Продолжительность работы печи до очередного
ремонта зависит практически только от состояния ее футеровки.
В зависимости от назначения печи для этой цели применяют
различные огнеупорные материалы. Печь на рис. 49 футерована
огнеупорами нескольких марок. Внутренний слой футеровки,
соприкасающийся с жидким металлом, находится в наиболее
тяжелых условиях: подвержен большим механическим нагруз-
кам и химическим и тепловым воздействиям. Внутренний слой
футеровки печи должен иметь высокую огнеупорность, шлакоус-
тойчивость и термостойкость. Внутренний слой выполнен из
фасонных изделий высокой прочности на сжатие и минимальной
пористости. Для обеспечения кладки с минимальной толщиной
шва фасонные изделия должны иметь гладкие поверхности и
точные размеры.
Фасонные изделия для внутреннего слоя изготовляют из вы-
сокоглиноземистого огнеупора с 90% AI2O3. Для следующего
слоя футеровки применяют огнеупор с 60% AI2O3, для третьего
слоя — обычный шамотный огнеупор, для теплоизоляционного
слоя — асбестовые плиты, укладываемые по всей внутренней по-
верхности каркаса печи. Отдельные элементы футеровки печи
выполнены из огнеупорной массы набивкой (трамбовкой), зали-
вочный и сливной желоба — из огнеупорной массы МКЭ-78. Мас-
су приготовляют из титанистого электрокорунда и высокоглино-
122
земистого шамота: не менее 78% AI2O3 и не более 1,2% F2O3.
Связующим является ортофосфорная кислота. Температура при-
менения до 1600° С.
Индукционные единицы. Каждая единица состоит из сталь-
ного корпуса, футеровки, магнитопровода и первичной катушки.
Корпус единицы не должен образовывать замкнутый контур
вокруг магнитопровода, иначе i ~
ревой ток. Из этих сооб-
ражений корпус выполня-
ют разъемным и отдель-
ные его части изолируют
друг от друга прокладка-
ми.
Индукционную едини-
цу футеруют из огнеупор-
ного бетона или набивной
массы. Огнеупорный бе-
в нем будет индуцироваться вих-
5
400 6 7 8
тон применяют при слож-
ном профиле индукцион-
ной единицы или когда
набивкой не удается дос-
тигнуть нужного уплотне-
ния массы по всему объ-
ему. Огнеупорным бето-
ном заливают полностью
собранную индукционную
единицу. Бетон по всему
объему единицы уплотня-
ют электрическими виб-
2320
Рис. 50. Индукционная единица канальной печи:
/—вентилятор для охлаждения катушки; 2—маг-
нитопровод; 3—штырь; 4—канал; 5—футеровка;
6—экран; 7—катушка; 8—корпус; 9—рама; 70-
вывод
раторами.
Магнитопровод индук-
ционной единицы собира-
ют из отдельных пластин
трансформаторной стали
толщиной 0,5 мм. Для
уменьшения потерь от вихревых токов отдельные пластины изо-
лированы друг от друга. Размеры поперечного сечения стержня
магнитопровода , т. е. той его части, на которую надевают пер-
вичную катушку, обеспечивают минимальный зазор между маг-
нитопроводом и катушкой. После сборки магнитопровода его
стягивают болтами или шпильками. Стяжные планки, шпильки,
болты изолируют от пластин магнитопровода электрокартоном
для предотвращения образования короткозамкнутых витков вок-
руг магнитопровода.
На рис. 50 показана съемная индукционная единица, присо-
единяемая к каркасу печи с помощью болтов. Данная индукци-
онная единица имеет две катушки и два магнитопровода. Вокруг
каждой катушки имеется свой канал, заполняемый жидким ме-
123
таллом. Участки каналов между катушками соединены в общий
канал большого сечения с расширяющимся входом и выходом.
Катушки присоединяют к сети с помощью шин. Каждая из ка-
тушек отделена от футеровки водоохлаждаемым экраном из не-
магнитной стали. К корпусу индукционной единицы приварены
два штыря, используемые при транспортировке и монтаже еди-
ницы.
Механизм наклона печи. В зависимости от типа речи приме-
няют или гидравлический привод, включающий насосную стан-
цию и гидроцилиндр, или электромеханический привод, состоя-
щий из электродвигателя, редуктора и цепной передачи. В обоих
случаях механизм обеспечивает плавный наклон печи.
Электрооборудование печи. В комплект печной установки
входит трансформатор, конденсаторная батарея, щиты управле-
ния и питающие кабели. Трансформатор печи подключают к
сети с напряжением 6—10 кВ. На вторичной стороне трансфор-
матора предусмотрено до 10 ступеней напряжения для регули-
рования мощности печи. Техническая характеристика некоторых
индукционных канальных печей дана в табл. 12.
Расчет индукционной канальной печи. Исходные данные для
расчета печи: назначение, режим работы, производительность,
Таблица 12
Индукционные канальные печи
Печь Емкость, т Мощность, кВт Производи- тельность, т/ч Примечание
ИЛК-1 1 250 1,25 Для плавки меди и сплавов
И лк-1,6 ИЛК-2,5 1,6 2,5 750 750 3,75 3,5 на медной основе (латуней, бронз)
ИЛК-6 6 1350 6,7
ИЛК-12 12 2000 10
ИЛКМ-2,5 2,5 250 6,8 В качестве миксеров для ме-
ИЛКМ-6 6 155 7,65 ди и сплавов на медной осно- ве
ИЦК-25 25 200/500 2—5 Для плавки цинка
ИЦК-40 40 850 8,5
ИАК-0,4 0,4 125 0,25 Для плавки алюминия и его
ИАК-1 1 250 0,52 сплавов
ИАК-6 6 750 1,1
ИАК-16 16 1500 1,7
124
температура перегрева, свойства расплавляемого металла, на-
пряжение и частота питающего тока.
1. Полезная тепловая мощность, передаваемая жидкому ме-
таллу,
^пол
где 9теор—теоретический удельный расход энергии на перегрев ме-
талла на 1°С, кВт-ч/т (см. табл. 11); Д/ —температура перегре-
ва металла, °C.
2. Активная мощность печи, кВт,
Р Р пол
'а ’
^терм
где т]терм — термический КПД печи, равный 0,85—0,95.
3. Активная мощность индукционной единицы, кВт,
Р
р . ____jl
'а.инд »
где N— число индукционных единиц на печи.
4. Глубина проникновения тока в жидкий металл, м,
5. Форма поперечного сечения канала.
Поперечное сечение канала может быть круглым, эллипсо-
идальным и прямоугольным с закругленными углами, причем
большая ось эллипса или прямоугольника расположена парал-
лельно оси первичной катушки. Размер канала в плоскости, пер-
пендикулярной оси катушки, называют шириной канала Ьк, а в
плоскости, параллельной оси катушки, — высотой канала hK.
Ширина канала при плавке чугуна 60—120 мм. Высота канала в
1,5—3 раза больше его ширины.
6. Сечение магнитопровода, см2,
s 0.3 /№,
' В Jif cos <р
где Т — отношение массы стали магнитопровода к массе меди
первичной катушки: 5—25 при воздушном принудительном
охлаждении катушки, 0,9—1,3 при водяном; В — магнитная ин-
дукция в магнитопроводе, Т; ji—допустимая плотность тока в
катушке, А/мм2:<4 при воздушном охлаждении и 20 при водя-
ном; cos <р — коэффициент мощности индукционной единицы
(для предварительных расчетов 0,6—0,75 для чугуна и 0,4—0,5
для алюминия).
7. Диаметр сердечника магнитопровода, мм,
^мг= —]/—,
где k<i — коэффициент заполнения окружности сердечником
(0,78—0,88).
125
8. Наружный диаметр первичной катушки, мм,
^кат = ^мг 4“
где «кат — толщина катушки, зависящая от числа рядов намотки
и равная 20—50 мм.
9. Внутренний диаметр канала, мм,
^к.в—^кат 4“ 2$1 + 2^2»
где «1 — толщина футеровки между каналом и катушкой, мм:
70—120 при плавке алюминия, 135—180 чугуна, 65—70 сплавов
на медной основе и цинка; «2 — зазор между катушкой и футе-
ровкой, равный 10—15 мм.
10. Средний диаметр канала
^к.ср ^к.в 4” &К"
11. Длина канала. Построив по полученным данным эскиз
индукционной единицы, находим длину канала. Под длиной кана-
ла подразумевается длина замкнутого контура, проходящего как
по самому каналу, так и по ванне печи.
12. Активное сопротивление канала, Ом,
Я=ео^.
•Эк
13. Индуктивность канала определяют как сумму внешней
и внутренней индуктивностей отдельных его участков. Внешнюю
индуктивность определяют для пространства, заключенного ме-
жду каналом и первичной катушкой. Внешняя индуктивность
какого-либо участка канала, Г,
4вн=24-11п?-1-10-7,
«2
где /к-i — длина данного участка канала, м; /?1 — расстояние от
оси канала до катушки или противоположного участка канала,
м; — расстояние от оси канала до поверхности канала, т. е.
/?2==/,к/2.
Внутреннюю индуктивность определяют для пространства,
занимаемого самим каналом, Г,
4в=—4-ю-7-
К»Н 2 К
14. Индуктивное сопротивление канала, Ом,
*д = 2л/£к.
15. Полное сопротивление канала
Z=V
16. Активное напряжение в канале, В,
^аж = 1/Л^а.инд^’
126
17. Угол cos w канала
R
COS ср = .
Y z
18. Полное напряжение в канале, B,
и -- Ua-K
COS
19. Полная мощность индукционной единицы, кВ-А. Пре-
небрегая потерями в первичной катушке и магнитопроводе,
р ____^а.инд
'инд
COS
20. Реактивная мощность индукционной единицы, квар,
р ______________________1Л р2 ___р2
* р.инд — г ' инд 'а.инд*
21. Полная мощность печи, кВ-А,
P=NP .
1 1 v 'инд
22. Реактивная мощность печи, квар
р —NP
~р 'р.инд*
23. Число витков первичной катушки
ик
где Ui — напряжение, подаваемое на первичную катушку и за-
висящее от выбранного типа трансформатора, В.
24. Ток в первичной катушке, А,
/ ________________________ ^*инд
1 и,
25. Поперечное сечение витка первичной катушки, мм2,
е ___________________________21_
^ВИТ . »
J1
где /1 — допустимая плотность тока в катушке.
26. Ширина витка катушки, мм,
^вит 1 >^Дэ.кат»
где Аэ.кат — глубина проникновения тока в катушку, мм.
27. Высота витка катушки
А ___ ^вит
ЯВИТ А
‘'вит
28. Длина первичной катушки
1 __(^вит + ^изол) W
кат” k
где Лизол — толщина изоляции между витками; Лсл — число слоев
витков в катушке.
127
Пример. Рассчитать индукционную канальную печь для перегрева чугуна:
назначение печи — перегрев жидкого чугуна;
температура перегрева 100° С;
производительность печи 40 т/ч;
температура чугуна, заливаемого в печь, 1400°С;
напряжение питающей сети 6000 В;
частота питающей сети 50 Гц.
1. Полезная тепловая мощность, передаваемая жидкому металлу:
дгтеор = 0,23 кВт-ч/т (см. табл. 11),
Рпол = ^теорД//7 = 0,23-100.40 = 920 кВт.
2. Активная мощность печи. Принимаем т)Терм=0.85, тогда
рй
^пол
Фгерм
920
— = 1082 кВт.
0,85
3. Активная мощность индукционной единицы. Принимаем, что на i
установлены две единицы, тогда
Льинд = = 541 кВт.
4. Глубина проникновения тока в жидкий металл
i/lF 1 /125-10-8
Дэ = 503 — = 503 I/--------------= 0,076 м.
' И/ f 1-50
5. Форма поперечного сечения канала. Примем канал прямоугольной фор-
мы, ширина которого равна глубине проникновения тока в жидкий металл,
а высота в 1.5 раза больше его ширины, т. е. &к = Дэ=76 мм, Лк = 1,5 Ьк =
= 114 мм. Радиус закруглений в углах канала примем 20 мм, тогда площадь
поперечного сечения канала
$к = bKhK — 0,86г2 = 0,076 - 0,114 — 0,86-0,022 = 0,00832 м2.
6. Сечение магнитопровода. Принимаем ф = 10, В = 1,5 Т, /1 = 2 А/мм2,
cos ф=0,75, тогда
ЛЛ1/ ^аиня^-105 Л 1/ 541-10-105
5Мг = 0,3 1/ —2:255-----= 0,3 I/ ' ,------ = 655 см2.
' B/i/cos<p “ 1,5-2-50-0,75
7. Диаметр сердечника магнитопровода. Принимая £d=0,85, получим
Ю Ю 1/Т655
дГмг = — |/ ----— = —- |/ ----------= 340 мм.
“г kd V я 0,85 ' 3,14
8. Наружный диаметр первичной катушки. Принимаем толщину катушки
35 мм, тогда
^кат = + 2$кат = 340 4- 2-35 = 410 мм.
9. Внутренний диаметр канала. Принимая толщину футеровки 135 мм и
зазор между катушкой и футеровкой 15 мм, получим
^к.вн = ^кат “Ь 2$i -р 2s2 = 410 4“ 2-135 4” 2-15 = 710 мм.
10. Средний диаметр канала
^кСр = ^к.вн + = 710 4- 76 = 786 мм.
11. Длина канала. Вначале делаем эскиз канала (рис. 51). Длину канала
определяем по длине его средней линии. По длине каиал состоит из четы-
рех участков: одного криволинейного длиной 1234 мм, двух вертикальных
каждый длиной 393 мм и одного горизонтального длиной 786 мм, т. е.
1К = 1234 4- 2-393 4- 786 = 2806 мм.
128
12. Активное сопротивление канала
R = Ол — = 125• 10-8 -,8—- = 4,22-10—< Ом.
vo SK 0,00832
13. Индуктивность канала. Для принятой формы канала (см. рис. 51)
внешняя индуктивность его отдельных участков различна (рис. 52).
Внешняя индуктивность криволинейного участка /?1 = 188 мм, 7?2=38 мм,
/к_1 = 1234 мм (рис. 52, поз. /), тогда
п 0 188
£(к-1) = 2/к—1 In-1- 10-7 = 2-1,234 ln-i— 10-7 = 3,95-10-7 Г.
* ж/вн /(о 0,0оо
Рис. 51. К расчету размеров индукционной
единицы канальной печи
Найдем внешнюю индуктивность вертикального участка длиной 205 мм
(рис. 52, поз. 2 и 5). На этом участке Ri изменяется от 188 до 393 мм. При-
мем /?1= (188+393) : 2=290,5 мм, #2=38 мм, /к_2=205 мм, тогда
£(к-2) =2/к-21п^-10-7 = 2-0,205 10-7 = 0,83-10-7 Г.
1 'вн Л<2 0,038
Определим внешнюю индуктивность вертикального участка длиной 150 мм.
Примем /?1=748 мм, /?2=0,038 мм, /к_з=150 мм (рис. 52, поз. 3 и 4), тогда
Z(K_3) =24-3^ ю-7 = 2-0,15 In10-7 = 0,9-10-7 Г.
вн /^2 v, UOo
Найдем внешнюю индуктивность горизонтального участка (рис. 52, поз. 5)
На этом участке Ri изменяется от 188 до 728 мм. Примем Ri = (188+728) : 2—
=458 мм, /?2=0,038 мм, /к_4=7Ю мм, тогда
= 2/к-4 1п 7Г 10-7 = 2 • 0,71 ,п 7Г77; 1°-7 = ЗД • 10-7 г.
Овв Я2 0,038
5 781
129
Учиих ?.->> гее участки канала, внешняя его индуктивность
£к-вн = £<к-1)вн + 2£С‘-2)вк + 2£(к-3)вн + £(к-4)вН =
= 3,95-10-7 + 2-0,83.10-7 + 2-0,9-10-7 + 3,5-10-7= 10,91-10-7 Г.
Внутренняя индуктивность канала
ZK.B = 10-7 = -^-2,805-10-7 = 1,4.10-7 Г.
Индуктивность канала
= £к.вн 4- Дс.в = 10,93-10-7 4- 1,4.10-7 12,31.1С-? Г.
14. Индуктивное сопротивление канала
= 2л/1К = 2 • 3,14 • 50 • 12,3 • 10-7 = 3,87.10-4 Ом.
15. Полное сопротивление канала
Z = К/?2 + х1 = у (4,22-10-4)2 + (3,87-10-4)2 = 5,73-10-4 Ом.
16. Активное напряжение в канале
иа.к = / Ра.инДЛ = у 541000-4,22-10-4 = 15,1 В.
17. Cos Л канала
R. 4,32-10-4
cos ф = — =----------= 0.74.
Т Z 5,37-10-4
18. Полное напряжение в канале
£ЛК 15,1
67к = -^ = г4т = 20,5 В.
cost 0,74
19. Полная мощность индукционной единицы
541
^инд ~ — п _. = 731 кВ • А.
cosf 0,74
20. Реактивная мощность индукционной единицы
а.инд
Л-.ННЛ = - Р1ннд = 1312 - 5412 = 492 квар.
Й0
21. Полная мощность печи
Р = NP^ = 2-731 = 1462 кВ-А.
22. Реактивная мощность печи
Рр = АРр.инд = 2-492 = 984 квар.
23. Число витков первичной катушки.
Выбираем трансформатор со следующей характеристикой: первичное напря-
жение 6000 В, вторичное напряжение (И ступеней) 333, 469, 575, 666, 742»
802, 863, 939, 999. 1045 и 1090 В. Принимаем, что мощность индукционной
единицы будет 541 кВт при подключении ко вторичной ступени напряжением
939 В. При этих условиях
™ 339
П7=^=^=45*8витков-
Принимаем №=46 витков.
24. Ток в первичной катушке
/1=^=-Д^=778 А.
их 939
25. Поперечное сечение витка первичной катушки. Принимаем, что до*
пустимая плотность тока в катушке 2 А/мм2, тогда
I 778
•^вит "7 = о .= 389 мм^.
/1 2
26. Ширина витка катушки.
Наименьшая ширина витка из меди (Дэ.кат = Ю мм, см. табл. 9)
^вит ~~ ЪЗАэ.кат :=“ 10 =— 13 ММ.
Принимаем байт = 16 мм.
27. Высота витка катушки
Авнт = = 24,3 мм.
*ВИТ
28. Длина первичной катушки.
Для уменьшения длины катушки принимаем навивку в два слоя и толщину
изоляции 1,5 мм, тогда
/ (^вит + ^иэол) 1F __ (24,3 + 1,5)46
•кат — ь — п = 559 мм.
«ел z
§ 4. ИНДУКЦИОННЫЕ ВАКУУМНЫЕ ПЕЧИ
Плавка в вакууме предохраняет нагреваемый и расплав-
ляемый металл от взаимодействия с воздухом. Вакуумирование
рабочего пространства печи значительно улучшает механические
и литейные свойства высоколегированных сталей специальных
сплавов, склонных из-за наличия в них легкоокисляющихся эле-
ментов к окислению и образованию большого количества окис-
ных плен.
При вакуумной плавке концентрация примесей в жидком
металле понижается в результате протекания следующих про-
цессов:
дегазации, если концентрация газов, растворенных в металле»
зависит от внешнего давления;
5*
131
химических реакций, протекающих с образованием газооб-
разных продуктов, равновесие которых зависит от внешнего
давления.
В вакууме плавят в индукционных тигельных печах. Вакуум-
ная установка имеет герметичную камеру, в которую устанавли-
вают тигельную печь и литейную форму. Вакуумные индукцион-
ные печи, как правило, являются печами периодического дейст-
вия. В печь шихту загружают при открытой камере, при этом она
заполняется воздухом. Вакуума в печи достигают после закры-
Рис. 53. Индукционная вакуумная печь
тия загрузочного от-
верстия камеры и
включения откачива-
ющих насосов. По
мере нагрева ших-
ты, и особенно при
ее расплавлении,
различные газы уда-
ляются. Готовый ме-
талл разливают при
закрытой камере,
т. е. под вакуумом.
Конструкция пе-
чи предусматривает
возможность накло-
на тигля и слива ме-
талла в одну или не-
сколько форм, на-
ходящихся в камере,
камеру открывают и
После затвердевания металла в форме
печь подготовляют к следующей плавке.
Вакуумные индукционные печи оборудуют технологическими
приспособлениями, например, для осаживания шихты в процессе
ведения плавки, скачивания шлака и очистки тигля. Вспомога-
тельные приспособления обычно устанавливают на крышках, а
рядом монтируют смотровые окна. В процессе вакуумной плав-
ки в расплавленный металл вводят присадки и отбирают пробы
жидкого металла. Эти операции выполняют с помощью соответ-
ствующих устройств.
Футеровка вакуумных индукционных печей должна удовлет-
ворять следующим дополнительным требованиям: минимальные
газовыделения, отсутствие легко диссоциирующих соединений.
Тигель изготовляют методом набивки. В качестве исходных
огнеупорных материалов используют электроплавленные окиси
алюминия, магния и циркония.
Индукторы вакуумных печей имеют изоляционное покрытие
для изоляции витков друг от друга в условиях вакуума, когда
из-за интенсивной ионизации газового промежутка между вит-
ками его электрическое сопротивление резко снижается.
132
На рис. 53 показана индукционная вакуумная печь. Печь со-
стоит из неподвижной и подвижной частей. Неподвижная часть
6 — герметичный кожух, в котором расположен стол 8 и форма
7. Подвижная часть печи 2 — сферическая стенка установлена
на тележке 1. На внешней стороне стенки имеется механизм
наклона тигля, соединенный цепью 4 с тиглем 5. К стенке при-
варен кронштейн 3 для установки тигля.
Последовательность работы печи: загрузка шихты в тигель,
когда печь раскрыта, и установка формы. После соединения час-
тей печи включают вакуумные насосы. На индуктор подается
напряжение. По окончании плавки готовый металл выливают в
форму. Печь раскрывают, форму извлекают, и цикл повторяется.
В табл. 13 приведены некоторые вакуумные индукционные печи.
Таблица 13
Вакуумные индукционные печи полунепрерывного действия
для выплавки стали
~[Парамётры ИСВ-0,16-НИ ИСВ-0,6-НИ ИСВ-1,0-НИ ИСВ-2,Б-НИ
Номинальная емкость,
г 0,16 0,6 1 2,5
Частота тока, пер/с 2400 1000 1000 1000
Мощность, кВт . . . 200 500 1000 1500
Продолжительность, ч:
расплавления . . . 1 1,4 1,2 2,1
рабочего цикла . . 2 2,5 3 4
Габаритные размеры печи, мм:
длина 9800 12500 17 500 17500
ширина 8000 11500 13 850 13 850
высота 5800 9 200 12 200 12 200
Глава X
ДУГОВЫЕ ПЛАВИЛЬНЫЕ
И ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ПЕЧИ
§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
В дуговых электрических печах электрическая энергия прев-
ращается в тепловую в электрическом разряде, протекающем в
газовой фазе или вакууме. В таком разряде или дуге можно вы-
делить большое количество энергии и, следовательно, получить
высокую температуру (более 3000°С).
133
Газовая среда обычно является хорошим изолятором и не
проводит электрический ток. Ионизация газа приводит к появ-
лению заряженных частиц — электронов и ионов. В этих усло-
виях газ проводит электрический ток. Чем выше напряжение на
электродах, тем больше электрический ток.
Дуговые печи можно подразделить на следующие виды: пря-
мого и косвенного действия и электронно-лучевые.
Дуговые печи прямого действия. Электрическая дуга возни-
кает между электродом и расплавленным металлом. Это обеспе-
чивает быстрый нагрев металла и, следовательно, выскую про-
изводительность. Печи этого типа — трехфазные, большой мощ-
ности; применяют для плавки черных металлов. Для плавки
цветных металлов из-за интенсивного их испарения эти печи не
применяют. Рабочее пространство печи может быть заполнено
воздухом или быть под вакуумом.
Дуговые печи косвенного действия. Электрическая дуга воз-
никает между электродами, а расплавляемый металл находится
от дуги на некотором расстоянии.
Угар и испарение металла в этих печах намного меньше, чем
в печах прямого действия. Печи косвенного действия использу-
ют преимущественно для плавки цветных металлов.
Электронно-лучевые печи. В печах этого типа мощный пучок
электронов, попадая на металл, нагревает и расплавляет его.
Электронно-лучевые печи применяют для получения слитков осо-
бочистых сталей и сплавов специального назначения.
§ 2. ДУГОВЫЕ ПЕЧИ ДЛЯ ПЛАВКИ ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ
В литейном производстве электродуговые печи используют
для выплавки стали из металлического лома и для перегрева
жидкого чугуна, получаемого в вагранках.
Электрический режим работы дуговой печи зависит от режи-
ма процесса плавки. При расплавлении металлического лома
печь работает на максимальной мощности. При доводке жидкого
металла до нужного химического состава мощность печи срав-
нительно невелика.
Регулировать режим печи можно, изменяя напряжение на
электродах или длину дуги, т. е. силу тока дуги. В первом слу-
чае переключают трансформатор с одной ступени на другую, во
втором — опускают или поднимают электроды с помощью авто-
матической системы.
Печь подключают к трехфазной сети промышленной частоты
напряжением 6000 кВ. Рабочее напряжение на электродах регу-
лируют переключением трансформатора.
Для малых печей предусматривают 2—4 ступени напряжения
трансформатора; для крупных печей — до 25 ступеней, что поз-
воляет для каждого режима плавки подбирать оптимальное на-
пряжение. Печные трансформаторы устанавливают на минималь-
134
Рис. 54. Дуговая электрическая печь для черных металлов:
/—электрод: 2—колонны; 3—проводники тока; 4—каретки; 5—электрододержатель; 5—
уплотняющее кольцо; 7—тросы; механизм перемещения кареток; Р—кожух печи;
10—набивной под; //—летка; 12—опорные рейки; 13—секторы; 14—гайки; 15—свод; 16—
рабочая площадка: /7—дверка; 18—шпиндель; 19—электродвигатель механизма нак-
лона печи
ном расстоянии от печи с тем, чтобы уменьшить потери электро-
энергии.
В цепь высокого напряжения включают дроссель (реактор),
который ограничивает силу тока при коротком замыкании элект-
родов на металл.
На рис. 54 изображена дуговая электрическая печь емкостью
3 т. Печь состоит из следующих основных узлов: стального ко-
жуха (каркаса), механизма наклона, футеровки (под, стены и
свод), электродов и механизма перемещения электродов.
Кожух печи может быть цилиндрической или конической фор-
мы, слегка расширяющейся кверху. Кожух сваривают из листо-
вой стали толщиной 12—20 мм. Днище кожуха может быть
плоским, коническим или сферическим. В кожухе вырезают от-
верстия для загрузочного окна и металлической летки. Кожух
печи несет на себе всю тяжесть футеровки и расплавляемого ме-
талла и испытывает термические напряжения, поэтому он дол-
жен быть большой прочности.
Механизм наклона печи. Для слива металла из печи ее необ-
ходимо наклонять в сторону сливного носка на 40—45°; для ска-
чивания шлака — на 10—15° в сторону рабочего окна. Печь надо
наклонять с определенной скоростью с помощью специального
механизма, находящегося с боку от нее или под ней.
При боковом механизме наклона кожух печи опирается на
литую постель, установленную на фундаменте, двумя литыми
сегментами, жестко соединенными с кожухом. На сегментах и
литой постели выполнены зубцы, надежно фиксирующие печь.
Печь наклоняют при вращении винта, который ввинчен в гайку,
шарнирно закрепленную на одном из сегментов. Для наклона
печи используют также гидропривод.
Футеровка печи. Подина состоит из нескольких слоев. Пер-
вый слой, соприкасающийся с жидким металлом и шлаком,—
набивной из огнеупорного порошка. При кислом процессе исполь-
зуют набивку из кварцевого песка, при основном — набивку из
магнезитового порошка. Второй слой подины при кислом про-
цессе выполняют из динаса, а при основном — из магнезита. По-
следующие слои — из шамота, диатомита и асбеста.
Стены печей делают многослойными. Первый слой в зависи-
мости от процесса выкладывают из динасового или магнезитово-
го кирпича, второй — из шамотного кирпича, третий — из диато-
митового порошка, который, являясь теплоизоляцией, одновре-
менно компенсирует расширение огнеупоров при нагреве печи и
тем самым предохраняет ее кожух от разрушения.
Вместо огнеупорных кирпичей иногда применяют набивные
блоки, изготовленные из кварцевого песка или магнезитового
порошка. Свод изготовляют с помощью специального шаблона
из электродинасового нормального и фасонного кирпича.
Электроды. Электрический ток подается внутрь рабочего про-
странства печи по угольным или графитированным электродам.
136
Угольные электроды изготовляют из антрацита и кокса, а гра-
фитированные— из искусственного графита. Угольные электро-
ды по сравнению с графитированными имеют меньшую механи-
ческую прочность и более низкую электропроводность. Поэтому
угольные электроды обычно применяют лишь на малых печах
емкостью до 3 т.
Электроды имеют круглое сечение и длину 1000—1800 мм.
В торцах электродов сделаны отверстия с резьбой. По мере обго-
рания нижней части электрода, находящейся в печи, его нара-
щивают. Для этого в верхнюю часть работающего электрода
ввинчивают с помощью соединительного ниппеля новый
электрод.
Механизация загрузки печи. В печи емкостью 1,5 и 3 т метал-
лолом загружат вручную. При загрузке печей большей емкости
лрименяют специальные механизмы. Наиболее распространен
метод загрузки сверху. При загрузке шихты свод печи вместе с
электродами поднимают вверх и поворачивают на 80—100°.
Открытую печь загружают с помощью специальных загрузочных
корзин. По окончании загрузки печи свод возращают в исходное
положение.
Расчет дуговой печи. Определяем мощность трансформатора,
кВ-А,
р И^тео1Д -
т) cos f ’
где IFTeop — удельный расход электроэнергии на расплавление,
кВт>ч/т; П — производительность печи, т/ч; т) — КПД печи, рав-
ный 0,5—0,7; cos <р — коэффициент мощности печной установки,
равный 0,8—0,9.
Вторичное напряжение выбирают с учетом мощности транс-
форматора, габаритных размеров печи, ее емкости и т. д. Для
печей небольшой емкости вторичное напряжение 225—300 В, для
печей средней емкости 300—400 В и для печей большой емкости
до 600 В.
1. Сила тока в электроде печи, А,
где (7гл — линейное напряжение, В.
2. Диаметр электрода, м,
г лу
где j — допустимая плотность тока в электроде, А/м2,
/=(15-8-25) 101
I
137
3. Полная высота ванны (угол наклона 45°) до порога рабо-
чего окна, м,
Я = Д(?0.25,
где А — коэффициент для основных печей, равный 0,31—0,345, и
для кислых печей 0,38; G — масса стали в печи, т.
4. Диаметр ванны на уровне порога рабочего окна, м,
=0,89// -J- V— - — ,
1 1 г qh 4
где р — плотность жидкого металла, т/м3.
5. Диаметр плавильного пространства на уровне верхнего
края откоса, м,
А=^1 + 2Д//,
где ДЯ= (0,144-0,15) Н для печей емкостью до 20 т и (0,124-
0,13)// для печей большей емкости.
6. Высота плавильного пространства печи, м,
//1=(0,5ч-0,6)01.
7. Толщина футеровки пода, м,
s=0,5^G.
8. Толщина «о огнеупорного слоя стен 0,23 м для печей 0,5—
1,5 т; 0,30 м для 3—10 т; 0,35—0,40 м для 15,0—40 т. Толщина
sT теплоизоляционного слоя стен 0,1 м для печей емкостью 0,5—
1,5 т; 0,10—0,15 м для 3—10 т; 0,15—0,2 м для 15—40 т.
9. Диаметр кожуха печи, м,
Дсож=А + 2($о + «т)-
Пример расчета дуговой печи. Рассчитать дуговую печь для выплавки
стали (кислый процесс). Емкость печи 5 т стали, производительность 5 т/ч.
1. Мощность трансформатора при т]=0,6; cos ф=0,9
^теор^7 355 • 5
Р =--------= — -- -- = 3200 кВ.А.
T)cos<? 0,6 «0,9
2. Сила тока в электроде печи при вторичном напряжении 250 В
Р 3200
/2л = ЮЗ = 103 — = 7400 А.
у <iu 2л о2ои
3. Диаметр электрода при допустимой плотности тока в электроде
20 • 104 * * А/м2 ________________________
^эл
!л
4 7400
------------= 0,21 м.
3,14 20-104
4. Полная высота ванны печи
Н = АО0-2® = 0,38-50-2® = 0,57 м.
5. Диаметр ванны на уровне порога рабочего окна
1 /' 20 77Г Ч / Го 0Д72
rfl = 0,89// + ]/—- —= 0,89.0,57+
138
6. Диаметр плавильного пространства на уровне верхнего края откосов
при ДЯ=0,15
D\ = d\ 4“ 2ДА/ = 2 4- 2*0,15 = 2,3 м,
7. Высота плавильного пространства печи при /Л=0,6 Di=0,6 • 2,3= 1,38 м*
8. Толщина футеровки пода
s = 0,4 ^G = 0,4 у'б = 0,52 м.
9. Диаметр кожуха печи при толщине огнеупорного слоя стены so=O,3 м
и толщине теплоизоляционного слоя sT=0,15 м
^кож = 4- 2 ($0 4“ $т) = 2,3 4~ 2 (0,3 4~ 0,15) = 3,2 м.
§ 3. ДУГОВЫЕ ПЕЧИ ДЛЯ ПЛАВКИ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
Медь и медные сплавы плавят в дуговых печах косвенного
действия. Печи этого типа (рис. 55) —однофазные с двумя гори*
зонтально расположенными электродами. Кожух печи из стали
Рис. 55. Дуговая электрическая печь для цветных металлов:
/—механизм качания печи: 2—привод перемещения электрода; 3-нкорпус печи; 4—уп-
лотняющее кольцо: 5—электродержатель; 6—электрод; 7—ручной механизм пере-
мещения электрода; 8—футеровка
имеет форму барабана. Футеровка печи состоит из двух слоев:
из шамота толщиной 120—140 мм и теплоизоляционного слоя из
диатомита и асбеста толщиной 60—80 мм. Кожух печи установ-
лен на приводных роликах и может поворачиваться (качаться)
на некоторый угол в разные стороны.
139
Рабочее пространство печи имеет форму цилиндра, диаметр
которого должен быть таким, чтобы при заполнении печи метал-
лом расстояние от него до электродов было не менее 125 мм.
В этом случае исключается переброска дуги на металл.
Печь имеет два электрода: один перемещается с помощью
электродвигателя, другой — вручную. В месте прохода электро-
дов в печи находятся водоохлаждаемые электрододержатели.
На дуговых печах косвенного действия применяют только-
графитированные электроды, так как менее прочные и более
тяжелые угольные электроды в горизонтальном положении ра-
ботать не могут.
§ 4. ДУГОВЫЕ ВАКУУМНЫЕ ПЕЧИ
В дуговых вакуумных печах с расходуемым электродом пла-
вят жаропрочные сплавы на железной и никелевой основах, кор-
розионно-стойкие (нержавеющие) и шарикоподшипниковые ста-
стали, тугоплавкие и специальные сплавы. Плавка происходит
при рабочем вакууме 10~2—10~3 тор. Длина дуги в печи поддер-
живается автоматически. Стальные расходуемые электроды из-
готовляют прокаткой, ковкой или отливкой.
Рис. 56. Дуговая вакуумная
печь
Рис. 57. Схема электронно-лучевой печи:
/—катод; 2—магнитные линзы; 3^-система откло-
нения пучка; 4—водоохлаждаемый кристаллиза-
тор; 5—подвижной подон; 6—рабочее пространство
печи; 7—расплавляемый слиток; 8—промежуточ-
ные камеры электронной пушки
Принципиальная схема дуговой вакуумной печи с расходуе-
мым электродом показана на рис. 56. При плавке расходуемый
электрод 3 опускается до водоохлаждаемого поддона 1, при
этом зажигается дуга и по мере расплавления электрода нара-
щивается слиток на поддоне. Газы, выделяющиеся при расплав-
лении расходуемого электрода, откачивают из камеры 4 вакуум-
140
ными насосами. Отсутствие футеровки обеспечивает получение
особо чистых сплавов. После расплавления расходуемого элек-
трода плавку прекращают, печь останавливают и из кристалли-
затора 2 вынимают полученный слиток.
Кристаллизатор интенсивно охлаждается при пропускании
через него воды. Внутреннюю его часть, соприкасающуюся с
жидким металлом, выполняют из меди. При плавке длина дуги
20—30 мм.
§ 5. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ПЕЧИ
В печах этого типа источником теплоты является энергия
электронного луча, который представляет собой поток электро-
нов, эмитированных катодом и ускоренных в электрическом поле
высокого напряжения.
Кинетическая энергия электронов при попадании их на рас-
плавляемый металл превращается в тепловую энергию. Металл
за счет выделяющейся теплоты нагревается до температуры
плавления, плавится и значительно перегревается. Принципи-
альная схема электронно-лучевой вакуумной печи показана на
рис. 57.
Переплавляемый металл в виде штанг загружают в печь, в
которой они последовательно расплавляются. Подача штанг под
электронный пучок, фокусировка и отключение пучка с помощью
электромагнитных систем автоматические. Подобные печи имеют
электронные пушки мощностью до 1700 кВт. Вакуум в плавиль-
ном пространстве регулируют в зависимости от свойств расплав-
ляемого материала в пределах 10-2—10~5 тор. При электронно-
лучевой плавке резко снижается содержание в металле газов,
неметаллических включений и нежелательных микропримесей
цветных металлов.
В электронно-лучевых вакуумных печах выплавляют качест-
венные жаропрочные, жароупорные, штамповые, низкоуглеро-
дистые стали, а также молибден, вольфрам, ниобий и т. д.
Глава XI
ВАГРАНКИ
§ 1. КОНСТРУКЦИЯ ВАГРАНКИ
Вагранка — плавильная печь шахтного типа. На рис. 58 изоб-
ражена вагранка с копильником. Вертикальный цилиндрический
кожух Р, изготовленный из листовой стали толщиной 8—12 мм,
установлен на подовой плите 18. Внутри кожух футерован огне-
упорным материалом 10 толщиной 250—300 мм. Подовая плита
установлена на четырех колоннах 19. В центре подовой плиты
имеется круглое отверстие для удаления остатков плавки. От-
141
верстие закрыто двумя полукруглыми дверцами 20, подвешен-
ными на петлях. Специальный затвор предотвращает раскрытие
дверок. Иногда дверцы подпирают снизу стойкой 21. В кожухе
вагранки вырезают отверстия для загрузочного окна 12, рабоче-
го окна 15, фурм 7, соединительной летки 6.
Часть кожуха от загрузоч-
ного окна до подовой плиты на-
зывают шахтой 13. Часть ко-
жуха, расположенную выше
загрузочного окна, называют
Рис. 58. Вагранка с копильником
Рис. 59. Искрогаситель:
/—водопровод; 2—верхний коллектор
орошения; 3—корпус искрогасителя; 4—
нижний коллектор орошения; 5—слив-
ной патрубок; б—водоохлаждаемый
зонт; 7—труба подачи воды в зонт: 8—
коллектор зонта; 9—труба вагранки;
10—сливная труба
трубой 11. Ниже загрузочного
окна (на 0,8—1,2 м) шахту
выкладывают не огнеупорны-
ми, а чугунными пустотелыми
блоками, которые хорошо про-
тивостоят ударам загружаемого металла. Под 17 набивают че-
рез рабочее окно, которое перед началом плавки плотно закры-
вают дверцей 16. Копильник 4 предназначен для сбора необхо-
димого количества чугуна. Копильник, как и вагранка, имеет
кожух и футеровку. Жидкий металл из вагранки поступает в ко-
пильник через летку 6. Металл из копильника выпускают через
летку 2 по желобу 1; шлак — через шлаковую летку 3. Съемный
свод 5 герметичен. Воздух вначале поступает в фурменный пояс
142
8 и затем по патрубкам — к фурмам. Шиберы 15, установленные
на патрубках позволяют регулировать расход воздуха на фурмы.
На верхней части дымовой трубы, выходящей из здания, уста-
навливают искрогаситель (рис. 59) для улавливания раскален-
ных частиц и пыли, выбрасываемых из вагранки.
Огнеупорный материал для вагранки подбирают в зависи-
мости от состава шлаков: при кислых — шамот, при основных —
магнезит. Применяют фасонные изделия и набивные массы.
В СССР вагранки стандартизованны.
§ 2. РАБОТА ВАГРАНКИ
Перед началом работы в вагранку через загрузочное окно
загружают кокс, который разжигают дровами или природным
газом. Кокса загружают столько, чтобы его уровень был выше
оси фурм на 700—1500 мм. Получаемый столб кокса называют
холостой колошей. На холостую колошу загружают первую ме-
таллическую колошу; на нее — первую рабочую коксовую коло-
шу, на которую загружают в порядке чередования металличес-
кие и рабочие коксовые колоши до заполнения шахты вагранки.
На каждую металлическую колошу (начиная с третьей) загру-
жают флюс (известняк, основной мартеновский шлак и другие
материалы) для образования шлаков. Ошлаковывается зола
кокса, футеровка, пригар с литников. По окончании загрузки
включается дутьевой вентилятор. Воздух поступает через фурмы
в холостую коксовую колошу. Начинается интенсивный процесс
горения с выделением большого количества теплоты. Первая
чугунная колоша, расположенная непосредственно на раскален-
ном коксе, начинает плавиться. Капли и струйки жидкого ме-
талла стекают по кускам и между ними к подине. Сюда же сте-
кают и образовавшиеся шлаки. Через соединительную летку
металл и шлак поступают в копильник. Когда уровень металла
достигнет необходимой высоты, открывают чугунную летку и
металл выпускают из копильника. Шлак выпускают через шла-
ковую летку по мере его накопления.
К моменту расплавления первой металлической колоши уро-
вень холостой колоши снижается. Для выхода из вагранки чугу-
на с постоянными температурой и химическим составом высота
рабочей коксовой колоши должна быть равна высоте, на кото-
рую уменьшилась холостая колоша. Таким образом, каждая
последующая металлическая колоша плавится на одной и той же
высоте. Колоши движутся непрерывно.
Для поддержания постоянной высоты столба материалов в
шахту загружают металл, кокс и флюс. В вагранке горячие га-
зы, образующиеся при горении кокса, поднимаются вверх, а ма-
териалы перемещаются вниз (принцип противотока). Вследствие
этого происходит интенсивный теплообмен между газами и ма-
териалами, загружаемыми в печь. Металлическая колоша, опус-
। 143
каясь по шахте, постепенно нагревается до температуры плав-
ления и плавится.
Горячие газы при движении вверх, встречаясь со все более
холодными металлическими колошами, охлаждаются. Исполь-
зование теплоты газов повышает КПД вагранки. В вагранке
расходуется 10—15% кокса от массы металлозавалки.
§ 3. ГОРЕНИЕ КОКСА В ВАГРАНКЕ
Кокс в вагранке горит в холостой колоше. Воздух, поступаю-
щий через фурмы, встречается с раскаленными кусками кокса,
в результате чего интенсивно протекают реакции взаимодейст-
вия углерода кокса с кислородом воздуха. Исследования горения
слоев кокса показывают, что в первом слое расходуется около
50% всего кислорода, содержащегося в воздухе. В последующих
двух — трех слоях расходуется остальной кислород. Слой, в ко-
тором полностью усваивается кислород воздуха, называется
кислородной зоной.
Непосредственно над кислородной зоной расположена восста-
новительная зона. Основным процессом в этой зоне является
взаимодействие углекислого газа с углеродом кокса. В резуль-
тате протекания реакции
С+СО2=2СО- Q
содержание СО2 постепенно уменьшается, а СО возрастает. Ког-
да газы, поднимающиеся вверх, охладятся до 900—1000° С, взаи-
модействие газов с коксом практически прекратится.
§ 4. ВАГРАНКИ НА ГОРЯЧЕМ ДУТЬЕ
При подаче в вагранку подогретого воздуха температура
выплавляемого чугуна повышается и тем в большей степени, чем
выше температура воздуха.
Подача в вагранку воздуха повышает температуру в холос-
той колоше. Возрастает температура газов, проходящих через
холостую колошу, и температура кусков кокса в холостой коло-
ше. Процесс прогрева и плавления шихты интенсифицируют по
мере повышения подогрева дутья. В этих условиях капли чугу-
на оторвавшиеся от кусков металла, при прохождении холостой
колоши успевают перегреться до более высокой температуры,
чем при холодном дутье.
В тех случаях, когда не требуется повышение температуры
жидкого металла, уменьшают высоту холостой колоши с тем,
чтобы уменьшить продолжительность пребывания капли в зоне
высоких температур. Это может быть достигнуто снижением рас-
хода кокса на рабочую колошу.
Применение горячего дутья положительно сказывается на
металлургических процессах, протекающих в вагранке: умень-
144
шается угар элементов и газонасыщенность металла, снижается
брак литья. Существует большое число различных конструкций
вагранок, работающих на горячем дутье. Все эти вагранки мо-
гут быть подразделены на следующие три группы в зависимости
от источника теплоты, идущей на нагрев воздуха:
с подогревом воздуха за счет теплоты ваграночных газов,
закончивших теплообмен с шихтой;
с подогревом воздуха за счет теплоты ваграночных газов,
не закончивших теплообмена с шихтой;
с подогревом воздуха за счет теплоты дополнительного топ-
лива, сжигаемого в воздухоподогревателе.
Лучшие показатели работы обеспечивают независимый подо-
грев воздуха. Однако он требует дополнительного расхода топ-
лива, и поэтому во многих случаях используют теплоту ваграноч-
ных газов. Ваграночные газы целесобразно отбирать из вагран-
ки после того, как они закончат теплообмен с шихтой.
При применении горячего дутья в ваграночных газах увели-
чивается доля мелких фракций пыли. Ваграночные газы от пыли
очищают с помощью электрофильтров, тканевых фильтров, инер-
ционных пылеуловителей, мокрых пылеуловителей (скрубберов,
ротоклонов и скоростных турбулентных аппаратов).
§ 5. ВАГРАНКИ С ОХЛАЖДАЕМЫМ ПЛАВИЛЬНЫМ ПОЯСОМ
Через несколько часов после начала плавки футеровка в зоне
высоких температур выгорает и на водоохлаждаемой поверх-
ности кожуха остается только слой гарнисажа толщиной 10—
15 мм. Футеровка в плавильном поясе разрушается под действи-
ем высокой температуры, химического и механического взаимо-
действия со шлаком и металлом. Для обеспечения безостановоч-
ной работы плавильный пояс охлаждают водой. Наиболее рас-
пространено поливное охлаждение.
К кожуху вагранки выше зоны плавления закрепляют коль-
цевой желоб или трубку с отверстиями, через которые вода
стекает по кожуху в сборный желоб, расположенный ниже фурм.
В таких установках вода течет тонкой пленкой по поверхности
кожуха вагранки. Количество поступающей воды регулируют
с таким расчетом, чтобы температура воды в сборном желобе
была не выше 45—50° С. При большей высоте водоохлаждаемого
участка одного подающего кольцевого желоба может быть не-
достаточно, так как бывает срыв водяной пленки с поверхности
кожуха. В этом случае устанавливают второй подающий кольце-
вой желоб и на кожухе не остается мест, не охлаждаемых водой.
Наряду с охлаждением плавильного пояса на некоторых ва-
гранках применяют охлаждение фурм. Фурмы изготовляют
сменными, что позволяет в случае необходимости заменять их
без остановки печи. Для лучшего охлаждения фурмы изготов-
ляют из меди. Для отдаления области высоких температур от
145
кожуха вагранки фурмы вдвигают внутрь ее. На рис. 60 показа-
на такая вагранка с вдвинутыми водоохлаждаемыми фурмами и
поливным внешним охлаждением плавильного пояса. Поливное
охлаждение кожуха вагранки осуществляют с помощью четырех
кольцевых труб 3 с отверстиями, равномерно расположенными
Рис. 60. Водоохлаждаемая вагранка
'Рис. 61. Сифонный шлакоотделитель
по окружности. Вагранка имеет футеровку только ниже фурм.
Футеровка набивная из графитовой массы. Чугун и шлак из
вагранки стекает в выносной шлакоотделитель 4. Ваграночные
газы отбираются из шахты в рекуператор через отверстия 2, рас-
положенные ниже загрузочного окна 1. Сифонный шлакоотдели-
тель вагранки показан на рис. 61. Чугун и шлак поступают из
вагранки по каналу 1. Внутреннее пространство шлакоотдели-
теля закрыто сверху герметичной крышкой 4. В шлакоотделите-
ле поддерживается избыточное давление, под действием которого
чугун по каналу 9 попадает на желоб 7. Шлак 11 расположен
над уровнем чугуна и избыточным давлением выдавливается че-
рез отверстие 10 на желоб 5. Состояние канала 1 можно контро-
лировать через отверстие 6, закрываемое крышкой. Полный слив
металла и шлака из шлакоотделителя происходит при открытом
отверстии 8. Вода, охлаждающая плавильный пояс й фурмы 2,
стекает в кольцевой желоб 3. Ниже приведены характеристики
некоторых вагранок для плавки серого чугуна при температуре
дутья 20 и 400° С.
146
20° С 400° С
Внутренний диаметр плавильного пояса, мм . . 2300 2300
Полезная высота вагранки, мм................... 5100 5100
Число:
рядов фурм........................................ 1 1
фурм в ряду.................................. 8 8
Диаметр, мм:
фурмы......................................... 200 200
металлической летки.......................... 30 40
Производительность вагранки, т/ч.......... 16—18 25—27
Расход кокса, °/о.............................. 15 12
Расход воды на охлаждение вагранки. м3/ч . . 50 100
§ 6. КОКСОГАЗОВЫЕ ВАГРАНКИ
В. коксогазовых вагранках топливом является кокс и природ-
ный газ. Природный газ сжигают в туннелях, расположенных
по окружности вагранки над фурмами.
Природный газ должен полностью сжигаться с тем, чтобы
в шахту вагранки поступали только продукты полного горения.
Высоту расположения горелок над фурмами выбирают исхо-
дя из того, чтобы продукты горения выходили ниже верхнего
уровня холостой колоши шахты вагранки на 250—300 мм. Таким
образом, если в коксогазовой вагранке выплавляют серый чугун,
а высота холостой колоши, например, 1200 мм, то ось горелок
должна быть выше оси фурм на 900—950 мм. Если в коксогазо-
вой вагранке выплавляют белый чугун, а высота холостой ко-
лоши, например, 600 мм, то ось горелок должна быть выше оси
фурм на 300—350 мм. Газ сжигают в двухпроводных горелках
внутреннего смешения.
Состав колошниковых газов коксогазовой вагранки отлича-
ется от состава колошниковых газов коксовой вагранки. В ко-
лошниковых газах коксогазовой вагранки содержатся продукты
горения природного газа. Взаимодействие водяных паров с кок-
сом приводит к появлению свободного водорода, что необходимо
учитывать при определении полноты горения топлива.
При переводе коксовой вагранки на коксогазовый обогрев
расход кокса снижается, что дает экономический эффект.
§ 7. РАСЧЕТ ВАГРАНКИ
Материальный баланс вагранки. Для анализа влияния от-
дельных факторов (качества кокса, нагрева дутья, температуры
колошниковых газов и т. д.) на удельный расход кокса и себе-
стоимость жидкого чугуна составляют тепловой баланс ва-
гранки.
Для составления теплового баланса предварительно делают
материальный баланс. В материальном балансе устанавливают
расход всех материалов и их составных частей, подвергающихся
в ходе ваграночного процесса различным превращениям, при ко-
147
торых выделяется или поглощается теплота в вагранке, а также
количество и состав продуктов горения.
Баланс обычно составляют на 100 кг шихты, что дает воз-
можность сопоставить работу различных вагранок сравнением
их балансов. Рассмотрим порядок составления материального
баланса вагранки на 100 кг шихты.
Статьи прихода.
1. Шихта. Как говорилось, эту статью принимают равной
100 кг.
2. Кокс. Его расход определяют по результатам испытаний
(для действующей вагранки) или задаются им при проектировав
нии вагранки.
3. Известняк. Его расход определяют так же, как и расход
кокса.
4. Расход дутьевого воздуха определяют на действующей
вагранке непосредственным измерением расхода воздуха в воз-
духопроводе перед вагранкой или расчетным путем по количест-
ву азота в колошниковых газах. Для вновь проектируемой ва-
гранки расход воздуха определяют расчетом горения кокса и
окисления элементов.
5. Разгар футеровки и пригар с литником. Для действующей
вагранки составляющие этой статьи находят по разности рас-
ходной и приходной частей баланса.
Статьи р асхода.
1. Выплавленный металл. На действующей вагранке опреде-
ляют взвешиванием выплавленного металла в ковше или по за-
литым деталям. Для вновь проектируемых вагранок задаются
величиной угара таких элементов, как кремний, марганец, желе-
зо, и величиной пригара для таких элементов, как углерод и
сера.
2. Ваграночные газы. Их количество для действующей ва-
гранки определяют по расходу кокса и известняка и химическо-
му составу колошниковых газов.
По расходу кокса и известняка находят количество углеро-
да в кг, перешедшее в ваграночные газы (на 100 кг шихты):
Мп
Сг == Дс9с + из ~ >
^со,
где Вк— расход кокса, кг; qc— содержание углерода в 1 кг кок-
са, кг; Виз — расход известняка, кг; qM3— содержание СО2 в 1 кг
известняка, кг; Мс — атомная масса углерода; Л4&о2—молеку-
лярная масса СО2.
По химическому составу колошниковых газов определяют со-
держание углерода в 1 м3 колошникового газа, кг/с3:
СО + СО2 А1с
г [100 22,4*
148
где СО — содержание окиси углерода в колошниковом газе, %;
СО2 — содержание углекислого газа в колошниковом газе, %;
22,4 — объем 1 кмоля.
Общее количество колошниковых газов на 100 кг шихты, м3г
Для вновь проектируемой вагранки количество ваграночных
газов определяют расчетом горения кокса и разложения извест-
няка.
3. Шлак. Для действующей вагранки количество шлака опре-
деляют непосредственным измерением; для вновь проектируемой
вагранки эту величину находят исходя из окисления элементов,
разгара футеровки, количества известняка, золы кокса и др.
На основании данных материального баланса составляют
тепловой баланс.
Тепловой баланс вагранки. Рассмотрим порядок составления
теплового баланса вагранки на 100 кг шихты.
Приходная часть
1. Теплота сгорания углерода кокса при сгорании в СО2г
кДж,
Qc=£k?cQc.
2. Теплота с воздухом, кДж,
Qb=^b,
где св — удельная теплоемкость воздуха при /в, кДж/(м3-°С);
t3 — температура воздуха, °C; VB— объем воздуха, подаваемого
в вагранку, м3.
3. Теплота, выделяемая при окислении кремния, кДж,
Qsl = 29400<zsl,
где 29 400 — коэффициент, показывающий величину теплового
эффекта реакции горения кремния; <?si — количество кремния
металла, соединяющегося с кислородом, кг.
4. Теплота, выделяемая при окислении марганца, кДж,
Qmd = 6900^мп>
где 9мп — количество марганца в металле, соединившемся с кис-
лородом, кг.
5. Теплота, выделяемая при окислении железа, кДж,
QFe = 4990^Fe,
где ^Fe — количество железа в металле, соединившемся с кисло-
родом, кг.
6. Теплота, выделяемая при шлакообразовании, кДж,
Зшл=258<7шл.
149
Расходная часть
1. Расход теплоты на расплавление и перегрев металла,
кДж,
QM [^т.м^пл И- ^ж.м (^м ~^пл)]>
где qK — количество жидкого металла, полученное из 100 кг ших-
ты, кг; ст.м — удельная теплоемкость металла в твердом состоя-
нии, кДж/(кг«°C) (0,75 для серого чугуна); сПл — скрытая теп-
лота плавления металла, кДж/кг (210 для серого чугуна);
Сж.м — удельная теплоемкость металла в жидком состоянии,
кДж/(кг-°С) (0,88 для серого чугуна); — температура метал-
ла на желобе вагранки, °C; tnjt— температура плавления ме-
талла, ° С.
2. Расход теплоты на расплавление и перегрев шлака, кДж,
<?шл=9шл(1.13/шл + 272),
где ^шл — количество жидкого шлака, кг; /шл — температура
шлака, °C.
3. Расход теплоты на разложение известняка, кДж,
(?из = 1620^из,
где </из — количество известняка, кг.
4. Расход теплоты на испарение влаги, кДж,
0ВЛ=2500?ВЛ,
где (?вл — количество влаги, кг.
5. Расход теплоты на разложение влаги, кДж,
Свл= 13 500^вл.
6. Физическая теплота ваграночных газов, кДж,
Qyx = С ух^ух^ух»
где СуХ — удельная теплоемкость газов при /ух, кДж/(м3-°С);
/Ух — температура ваграночных газов при их выходе из шихты,
°C; Vyx — объем ваграночных газов, м3.
7. Расход теплоты с охлаждающей водой, кДж,
QbOX '---------------^ВОД ( ^ВОД Аюд) 1^ВОД’
где Свод — удельная теплоемкость воды, кДж/(кг-° С) I ^ВОД -
температура воды после вагранки, °C; /ВОд —температура воды
перед вагранкой, °C; Увод— расход воды, кг.
8. Расход теплоты за счет содержания в ваграночных газах
окиси углерода (химическая теплота), кДж,
Qx=QgoCO Vyx,
где Qco — теплота сгорания окиси углерода, кДж/м3; СО — со-
держание окиси углерода в ваграночных газах, об. %.
9. Аккумуляция теплоты кладкой и потери теплоты через
нее. Эту статью баланса обычно определяют по разности при-
ходной и расходной частей баланса.
150
Расчет размеров вагранки. Основные размеры вагранок рас-
считывают по эмипирическим формулам, в которых отражен
опыт их эксплуатации.
Определяем диаметр вагранки, м,
' Ч
где G — заданная производительность вагранки, т/ч; q — удель-
ная производительность вагранки, равная 6—10 т/(м2*ч).
Определяем полезную высоту вагранки, т. е. расстояние от
оси основного ряда фурм до порога загрузочного окна, м,
//o=4,25/D.
Общая высота вагранки (без трубы), м,
яобш=Яо+/Л+/Л,
где Н\ — расстояние от оси основного ряда фурм до пода, м;
Н2 — расстояние от пода до пола цеха, м.
Величина Н зависит от типа выплавляемого чугуна и произ-
водительности вагранки; Н\ колеблется от 100 (для ковкого чу-
гуна) до 600 мм (для серого чугуна); Н2 принимают исходя из
условий проведения ремонта. Для малых вагранок Н2=\ м,
для больших Н2—2 м.
Диаметр металлической летки, мм
<ZMJI=1,1 V——.
м,л v 3600QW
где t/м.л — диаметр цилиндрической части металлической летки,
мм; р — плотность чугуна, т/м3; w — скорость истечения чугуна
(0,5—1), м/с.
Диаметр шлаковой летки принимают большим диаметра ме-
таллической летки на 30—50 мм.
Суммарное сечение фурм основного ряда, м2,
Л=(0,1н-0,3)Л
где F — сечение вагранки в свету, м2.
У многорядной вагранки сечение второго и третьего рядов
фурм принимают 0,025 F.
Для того, чтобы из газов выпадала пыль, необходимо умень-
шить скорость их движения до 1 м/с, при этом сечение искрога-
сителя в горизонтальной плоскости, м2,
F^kV^1-^,
и в 60
где k — коэффициент, учитывающий увеличение объема газов за
счет подсоса воздуха через загрузочное окно (2-г-З); VB=60-r-
151
100 — удельный расход воздуха, подаваемого в вагранку,
м3/(м2-мин); F—сечение вагранки, м2; а—коэффициент объем-
ного расширения; tr — температура газов в искрогасителе, °C.
Диаметр воздухопроводов, м,
где w3 скорость воздуха в воздухопроводе 15 м/с.
Кожух вагранки, подовая плита, колонны и днище рассчи-
тывают обычным путем. Кожух и колонны рассчитывают на
продольный изгиб, а подовую плиту и днище — на поперечный
изгиб. Колонны воспринимают всю нагрузку от кожуха, футе-
ровки, шихты, искрогасителя, включая ветровую нагрузку.
Пример расчета вагранки. Рассчитать основные размеры вагранки для
выплавки серого чугуна производительностью 20 т/ч с одним рядом фурм.
1. Диаметр вагранки в свету при удельной производительности 8 т/(м2ч)
тЛё -|/’2О’
D = 1,1 I/ — = 1,1 1/ — = 1,77 м.
г q г 8
2. Полезная высота вагранки
Яо = 4,25 /D = 4,25 /TJ7 = 5,6 м.
3. Общая высота вагранки без трубы при /Л = 0,5 м, Н2=2 м
Н общ = ^0”1"^1_Ь^2== 3,6 Ч* 0,5 2,0 = 8,1 м.
4. Диаметр металлической летки при скорости металла 1 м/с
I /“0“ п / 20
dM л = 1.1 I/ — = 1.1 I/ ------------= 0.3 м.
мл ъ Т qW Г 7,2-3600.1
Диаметр шлаковой летки принимаем 60 мм.
5. Сечение вагранки в свету
„ л£2 3,14-1,772 п
F =------= ------!— = 2,5 м2.
4 4
6. Суммарное сечение фурм при fi=0,15 F
Л =0,15-2,5 = 0,38 м2.
7. Сечение искрогасителя при удельном расходе воздуха 80 м3/ (м2 • мин),
температуре газов в искрогасителе 350° С и увеличении объема газов за счет
прдсоса воздуха через загрузочное окно в 2 раза
i 350
F - tv‘F Чг - 2'80'ад -15 Л
8. Диаметр воздуховодов при скорости воздуха 15 м/с
D. = 1,1
1 / 80-2,5
V 60-15 “
0,5 и.
152
Глава XII
ПЛАМЕННЫЕ ПЛАВИЛЬНЫЕ ПЕЧИ
И КОНВЕРТЕРЫ
§ 1. МАРТЕНОВСКИЕ ПЕЧИ
В фасонносталелитейных цехах, изготовляющих крупногаба-
ритные отливки для машиностроительных заводов, применяют
мартеновские печи емкостью до 50 т. В мартеновской печи из
шихты, состоящей из стального и чугунного лома, выплавляют
сталь. Чугун, подаваемый в мартеновскую печь, может быть в
твердом и жидком состоянии.
Рис. 62. Мартеновская печь
Рабочее пространство печи представляет собой ванну, над
которой сжигают топливо, а в самой ванне расплавляют и пере-
гревают металл. Твердые элементы шихты, постепенно расплав-
ляясь, погружаются в жидкий металл ванны, поверхность кото-
рой покрыта слоем шлака.
Для перегрева металла через слой шлака, имеющего незна-
чительную теплопроводность, необходима большая разность
температур между металлом и факелом. При температуре стали
1600° С температура факела обычно достигает 1800—1900° С.
Для достижения такой температуры факела необходим подогрев
воздуха, расходуемого для сжигания топлива. В качестве возду-
хоподогревателей применяют регенераторы, устанавливаемые
под печью. При использовании топлива с низкой теплотой сгора-
ния воздух и топливо подогревают.
153
Схема мартеновской печи показана на рис. 62. Шихту загру-
жают в печь через рабочие окна 4, расположенные в передней
ее стенке. В торцах печи имеются головки 2, которые служат
для подачи топлива и воздуха в рабочее пространство 1 и для
отвода из него продуктов горения: через одну головку подают
топливо и воздух, через другую — отводят продукты горения.
Чтобы частицы шлака и плавильной пыли не попали в регенера-
тор 3 и не забили насадку, между головкой и регенератором
установлена камера-шлаковик.
Рабочее пространство — это часть печи, работающая в наи-
более тяжелых условиях. Для кладки ее применяют огнеупоры,
обладающие высокой огнеупорностью, хорошей механической
прочностью при высокой температуре (до 1800° С) и устойчи-
востью против механического и физико-химического воздействия
материалов плавки.
Выбор огнеупорного материала для футеровки ванны обус-
ловлен технологией процесса плавки. При кислом процессе фу-
теровку пода и нижнюю часть стен выполняют из динасового
кирпича, а набивку из кварцевого песка при основном процессе—
из магнезитового огнеупора, а набивку — из магнезитового по-
рошка. Верхнюю часть стен и свод печи независимо от техноло-
гии процесса плавки изготовляют из термостойкого хромомагне-
зитового огнеупора. В табл. 14 приведена техническая характе-
ристика некоторых печей небольшой емкости. При уменьшении
глубины ванны (хотя время плавления и перегрева металла
уменьшаются) повышается окисление металла. При недостаточ-
ной высоте свода над зеркалом ванны он быстро разрушается
от воздействия факела. При слишком высоком расположении
свода увеличиваются габаритные размеры печи и ухудшаются
условия прогрева ванны, так как уменьшается настильность
факела.
Таблица 14
Мартеновские печи небольшой емкости
Параметры Емкость, т
5 25 50
Площадь пода, м2 6,5 18,7 29
Размеры ванны, м:
длина 3,8 6,7 8,65
ширина 1,7 2,8 3,35
глубина 0,35 0,48 0,6
Высота свода, м 1,45 1,9 2,05
Удельный расход теплоты, МДж/кг . . . 3,5 2 1,65
Производительность (скрап-процесс), т/ч . 1,5-2 5-6 7-8
154
Мартеновская печь работает периодически. Продолжитель-
ность отдельной плавки складывается из продолжительности
заправки, завалки, прогрева металла, плавления и доводки его
химического состава.
Печь заправляют после каждой плавки, так как кладку по-
дины необходимо ремонтировать на горячей печи. Все дефекты,
образующиеся при завалке печи твердой шихтой, а также фи-
зико-химические дефекты (разъедание и рамывание кладки)
должны быть сразу устранены. Только при этом условии воз-
можна продолжительная работа печи без капитального ремонта.
Количество топлива, подаваемого в печь (так называемая
тепловая нагрузка печи), изменяется по ходу плавки. Макси-
мальной тепловой нагрузке соответствуют периоды завалки и
прогрева металла. В эти периоды за счет наличия в ванне холод-
ного (нерасплавленного) металла можно увеличить количество
сжигаемого топлива, так как низкая температура и большая
поверхность шихты позволяют использовать мощный факел, не
опасаясь перегрева и разрушения свода.
По мере расплавления и доводки металла повышаются темпе-
ратура его и температура кладки. В этот период для облегчения
условий работы свода уменьшают тепловую нагрузку печи. Для
уменьшения продолжительности плавления и доводки металла
большое значение имеет так называемый направленный тепло-
обмен, при котором значительную часть теплоты ванна получает
не от кладки (свода и стен), а непосредственно от факела. Для
этого топливо сжигают таким образом, чтобы часть факела с
наибольшей температурой и излучательной способностью нахо-
дилась в наибольшей близости от поверхности ванны. Указанно-
го достигают за счет соответствующих скоростей выхода топлива
и воздуха и формы головок.
Удельный расход теплоты для мартеновских печей зависит
от емкости ванны: чем больше емкость, тем меньше удельные
потери теплоты и удельный расход теплоты на плавку.
§ 2. ПЕЧИ ДЛЯ ПЛАВКИ АЛЮМИНИЯ
В машиностроении алюминий и его сплавы плавят в пламен-
ных печах, обогреваемых природным газом. Печи имеют емкость
до 25 т жидкого металла. В пламенных печах расплавляют ших-
ту, состоящую из чушкового металла, отходов собственного про-
изводства (возврата) и покупного лома.
На рис. 63 показана пламенная печь для плавки алюминие-
вых сплавов. Рабочее пространство печи 3 обогревается горел-
кой внешнего смешения 7, расположенной над уровнем жидко-
го металла. Обогрев печи происходит таким образом, что про-
дукты горения передают теплоту преимущественно своду и сте-
нам, которые затем излучением греют жидкий металл. Продук-
ты горения из рабочего пространства печи отсасываются по ды-
155
моходу 8. Отверстие в печи для выхода продуктов горения рас-
положено между горелкой и уровнем жидкого металла.
Продукты горения движутся в рабочем пространстве печи
по петлеобразной линии, причем ближе к металлу расположен
обратный участок петли, что исключает пережег алюминия.
Температура в печи контролируется термопарой, опускаемой
через отверстие 6 в своде.
4 5 6
Рис. 63. Пламенная печь для выплавки алюминиевых сплавов
Чистые шихтовые материалы загружают через окно 5, закры-
ваемое заслонкой, которая поднимается механизмом 4. Для
уменьшения количества шлака в ванне печи загрязненные ших-
товые материалы загружают в «карман» 1, отделенный от рабо-
чего пространства печи стенкой 2.
По мере расплавления шихты в кармане образующийся шлак
снимается скребком, а жидкий металл перетекает в основную
ванну печи. Готовый металл сливают через летку 9, закрывае-
мую графитовой пробкой. При необходимости на печи может
быть установлено приспособление для сифонной откачки жидко-
го металла.
Ниже дана техническая характеристика пламенной плавиль-
ной печи. -
Емкость, т.........................25
Температура в печи, °C.............900
Производительность, т/ч............3
Расход природного газа, м3/ч . . . 600
Площадь пода, м2...................12
Габаритные размеры печи, мм:
ширина............................ 4700
длина........................... 8000
высота........................... 4400
156
§ 3. КОНВЕРТЕРЫ
Конвертеры применяют в сталелитейных цехах, а также для
получения низкоуглеродистого чугуна. В конвертерном произ-
водстве топливом является сам жидкий металл. При окислении
кремния и марганца теплота выделяется в количестве, достаточ-
ном для перегрева жидкого металла на 300—400° С.
При конвертерном процессе элементы жидкого металла окис-
ляются кислородом, подаваемым через фурму. При подаче кис-
лорода вначале окисляется железо,
а затем в результате взаимодействия
окислов железа с кремнием, марган-
цем и углеродом окисляются кремний,
марганец и углерод. Окислы кремния
и марганца переходят в шлак, а окис-
лы углерода удаляются из конвертера
в газообразном состоянии. Кислород
подают до получения металла необхо-
димого химического состава и темпера-
туры.
На рис. 64 показан конвертер на
кислородном дутье емкостью 3 т. Объ-
ем конвертера зависит от количества
заливаемого жидкого металла: 1 —
1,1 м3 на 1 т. Кислород подают через
фурму с отверстием диаметром 14 мм,
которую изготовляют из высокоглино-
земистого огнеупора, содержащего не
менее 85% АГ2О3 и имеющего кажу-
щуюся пористость не более 17%. Раз-
гар фурмы 4—5 мм на Гт выплавляе-
мого металла. Фурму и окружающую
Рис. 64. Конвертер:
/—засыпка; 2—шамот; 3—ди-
нас; 4—фурма
кладку ремонтируют через 35—40 пла-
вок, конвертер капитально ремонтиру-
ют через 75 плавок.
Давление кислорода обычно
1 МН/м2, расход кислорода 15—18 м3/мин, уровень металла над
местом ввода кислорода 100—150 мм. Конвертер можно накло-
нять для выпуска из него готового металла.
Глава XIII
НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ ПЕЧИ
§ 1. КОНСТРУКЦИИ ПЕЧЕЙ
Нагревательные печи в литейном производстве используют
для термообработки уотливок, нагрева отливок перед заваркой
трещин, прокалки форм перед заливкой металла и т. д.
157
Печи классифицируют по двум основным признакам: техно-
логическому назначению и способу перемещения изделий через
печь. По способу перемещения изделий печи подразделяют на
толкательные, конвейерные, с роликовым подом и т. д.
На рис. 65 схематично показаны способы перемещения изде-
лий в печи.
Кроме того, печи подразделяют по тепловому режиму на
камерные и методические, а также непрерывного и периодичес-
кого действия. В зависимости от способа обогрева печи могут
быть пламенными или электрическими. Как правило, в литейном
производстве применяют печи непрерывного действия толкатель-
ного типа.
Рис. 65. Способы перемещения изделий в печи:
а—с выкатным подом; б—шахтной;в—камерной с ручной или механизированной за-
грузкой и выгрузкой: г—элеваторной; д—конвейерной; е—толкательной
Толкатели, применяемые для перемещения изделий через
печи, могут быть пневматическими, электромеханическими и гид-
равлическими. Пневматические толкатели работают за счет энер-
гии сжатого воздуха и отличаются простотой конструкции и об-
служивания. Их широко применяют в печестроении для неболь-
ших толкательных печей. К недостаткам этих толкателей следует
отнести их малую мощность из-за невысокого давления сжатого
воздуха (не более 7—8 бар).
В электромеханических толкателях приводом служит элект-
родвигатель, редуктор и система механических передач. Толка-
тели такого типа широко распространены на различных печах.
Гидравлические толкатели имеют ряд преимуществ по срав-
нению с пневматическим и электромеханическим. Они более
компактны, так как работают при давлении масла до 600 кПа.
В системе гидропривода можно регулировать скорость хода тол-
кателя. Работа гидравлических толкателей отличается плав-
ностью хода, отсутствием рывков. Привод гидравлических толка-
телей состоит из маслонапорной установки, щита управления
и системы маслопроводов. Недостатком гидравлических толка-
телей является сложность их гидропривода.
158
Рис. 66. Печь непрерывного действия для отжига чугуна
Ниже рассмотрены конструкции некоторых печей, применя-
емых в литейных цехах.
Чугун отжигают в высокопроизводительных механизирован-
ных и автоматизированных печах непрерывного действия
(рис. 66). Поддоны с отливками проталкиваются через печь по
направляющим из жароупорной стали с помощью толкателя 1
и на стороне разгрузки фиксируются механизмом 7. Печь рабо-
тает с контролируемой атмосферой и отапливается газом, сжи-
гаемым в радиационных трубах 5 и 11, расположенных сверху
и снизу поддонов. Загружают и выгружают поддоны платфор-
мами 12 и 9 с подъемниками 2 и 6. Поддоны с отливками подают
на загрузочную платформу 12 механизмом 13, который одновре-
менно является накопителем поддонов, предназначенных к за-
грузке в печь. Печь имеет несколько температурных зон и рабо-
тает по методическому режиму. Для промежуточного
подстуживания отливок в процессе термообработки используют
радиационные трубы 4, через которые продувается холодный
воздух. Эти трубы расположены в зоне постуживания, ограни-
ченной перегородками 3. После выгрузки из печи поддоны
механизмом 10 передаются в камеру воздушного охлаждения 8,
Рис. 67. Конвейерная печь светлого отжига
Получило распространение литье по выплавляемым моделям.
Получаемые таким образом отливки проходят термообработку в
печах с защитными атмосферами, предотвращающими их окис-
ление. На рис. 67 изображена конвейерная печь светлого отжига
отливок. Рабочая камера печи 5 и охладительные коридоры 7
и 8 заполнены эндогазом. Таким образом, отливки, загружаемые
на конвейерную ленту 2 и выходящие с противоположного кон-
ца, имеют светлую серебристую поверхность, свободную от ока-
лины. В печи есть электрические нагревательные элементы со-
противления, размещаемые на ее боковых стенках. После рабочей
камеры печи детали транспортируются через холодильный кори-
дор, в двойных стенках которого циркулирует вода. Детали
остывают до нормальной температуры в защитной атмосфере
эндогаза. Конвейерная лента — сетчатая из нихромовой прово-
160
локи. Привод 1 конвейера расположен на загрузочном конце
печи. Натяжные механизмы 9 и 11 расположены на стороне вы-
грузки. Обратная ветвь конвейера движется по роликам 12.
К приводному барабану лента прижимается механизмом 13, что
предотвращает пробуксовывание конвейерной ленты. Для нор-
мального процесса термообработки необходимо, чтобы все печ-
Рис. 68. Печь с выкатным подом
ное пространство было заполнено эндогазом. Для экономии эндо-
газа и повышения безопасности работы печь приподнята, а концы
загрузочного тамбура 4 и секции водоохлаждаемого коридора 8
опущены. Эндогаз в печь подается через ввод 6. Эндогаз, выхо-
дящий через загрузочную щель, имеет высокую температуру и в
присутствии кислорода воздуха сгорает, а продукты его горения
удаляются через зонт 3. Эндогаз, выходящий через разгрузочную
щель, предварительно прошедший через охладительный коридор,
не горит из-за низкой его температуры. Его специально поджи-
гают на выходе из коридора. Продукты его горения удаляются
с помощью зонта 10. Совершенно недопустимо попадание возду-
ха в охладительный коридор, так как это приведет к образова-
6 781
161
нию взрывоопасной смеси и к хлопку с выбросом пламени из
печи. Количество подаваемого в печь эндогаза должна быть
достаточным для создания в печи положительного давления и
предотвращения попадания в печное пространство атмосферного
воздуха.
Рис. 69. Колпаковая печь
Для отжига крупных отливок и при мелкосерийном производ-
стве часто применяют печи периодического действия с выкатным
подом. Одна из таких печей изображена на рис. 68. Под 6 этой
печи выкатывается на катках по рельсам к месту загрузки и раз-
грузки. При этом заслонка 3 поднимается и опускается с по-
мощью приводного механизма 4. Обогрев печи комбинирован-
ный— газовый и электрический. На печи установлены панель-
ные газовые горелки 2 на стенах печи и на заслонке 3. Панель-
ные горелки обеспечивают равномерный нагрев отливок без
местных перегревов. Подина обогревается электрическими на-
гревателями сопротивления 5, уложенными в ее кладке. Наличие
нижнего подогрева уменьшает разницу температур между вер-
хом и низом садки и обеспечивает хорошее качество термообра-
ботки. Применение электрических нагревателей для обогрева
подины вместо газовых горелок упрощает конструкцию печи и
увеличивает полезный объем камеры нагрева. Продукты сгора-
ния газа через окна 1, расположенные равномерно в стенах печи,
и каналы 7 удаляются дымовым боровом к дымовой трубе или
дымососу.
Чугун отжигают в защитной атмосфере также в колпаковых
печах периодического действия (рис. 69). Отливки укладывают
на стационарный стенд 8, закрывают жароупорным муфелем 4.
Сверху мостовым краном устанавливают футерованный колпак
162
3. Колпак центрируют с помощью неподвижно установленных
четырех направляющих 2 и втулок 1, смонтированных на съем-
ном колпаке 3. Отливки нагревают с помощью газовых горелок
5, установленных на колпаке. Продукты горения газа омывают
муфель 4 и разогревают его, футеровка колпака раскаляется и
также передает теплоту муфелю излучением. Теплота от стенок
Рис. 70. Элеваторная печь
муфеля к отливкам также передается излучением. Продукты
горения удаляются из пространства печи через каналы 10, рас-
положенные в основании стенда, и дымососом 11 выбрасывают-
ся в атмосферу. В пространство пбд муфель, где расположены
отливки, подается защитный газ по патрубку 7. Место стыкова-
ния колпака и стенда уплотняется песочными затворами 6 и 9.
Таким же образом уплотняется зазор между стендом и муфе-
лем 4. Цеховой газопровод подключается к газопроводу колпака
после его установки на стенд с помощью гибкого шланга. Обыч-
но один колпак обслуживает несколько стендов.
Элеваторная печь для отжига чугуна показана на рис. 70.
Отливки загружают на тележку 8, которую закатывают под печь
6* 163
2. С помощью гидравлического подъемника 10 и платформы 9
тележка с отливками поднимается в верхнее положение и фикси-
руется там упорами 7. Подъемник опускается в исходное поло-
жение. После этого включаются электрические нагреватели со-
противления 3 и 5, расположенные на стенах печи и на тележке.
Для предохранения нагревателей тележки они перекрыты литы-
ми жароупорными плитами 4. Предусмотрено применение кон-
тролируемой атмосферы. Для этой цели печь герметизирована.
Уплотнение между тележкой и печью достигается с помощью
Рис. 71. Универсальная камерная печь
песочного затвора 6. Для ускорения процесса охлаждения име-
ется водяной холодильник 1 с циркуляционным вентилятором.
Во время охлаждения садки в контролируемой атмосфере без
доступа воздуха газы из печи с помощью вентилятора проходят
через холодильник, отдавая свою теплоту воде, и охлажденные
подаются в печь. Охлажденные газы, проходя через садку, отби-
рают теплоту у отливок, нагреваются, проходят через холодиль-
ник и т. д. При этом продолжительность охлаждения деталей в
контролируемой атмосфере значительно сокращается. Холодиль-
ник представляет собой трубчатый теплообменник. По трубам
проходит холодная вода, а в межтрубном пространстве — газ из
печи.
На рис. 71 показана универсальная камерная печь для тер-
мообработки небольших партий отливок в контролируемой газо-
вой среде или без нее. Печь объединена с тамбуром <8 и зака-
164
лочным баком 3. Камера нагрева имеет герметичный стальной
каркас, огнеупорную кладку, заслонку 9, механизм загрузки и
выгрузки деталей, вентилятор для перемешивания атмосферы
печи 12 и радиационные трубы 13 для обогрева печи.
Отливки на поддоне перемещаются по жароупорным литым
направляющим 18. Заслонка поднимается и опускается с по-
мощью звездочки 10. Привод механизма загрузки и разгрузки
расположен на задней стенке печи. При вращении звездочки 16
перемещается цепь, на конце которой закреплен толкатель-за-
хват 15, имеющий возможность перемещаться из камеры нагрева
в тамбур. Обратная ветвь цепи расположена под камерой на-
грева в герметичном кожухе 17. Интенсивная циркуляция газов
в камере нагрева обеспечивает равномерный прогрев отливок.
В камере нагрева расположены четыре газовых петлеобразных
радиационных трубы.
Закалочный бак расположен непосредственно перед камерой
нагрева. Бак имеет подъемный стол с двумя платформами 1 и 2.
При нижнем положении стола платформа 1 с деталями нахо-
дится в закалочном баке, при верхнем положении стола плат-
форма 2 — в верхней части тамбура. Закалочный бак оборудо-
ван теплообменником для охлаждения закалочной среды и элект-
рическими нагревателями для подогрева. Температуру закалоч-
ной среды регулируют. Загрузочное окно тамбура перекрыто
заслонкой 6. В заслонке имеется отверстие 5, через которое вы-
ходит контролируемая атмосфера. При подъеме заслонки из
коллектора 4 поступает газовоздушная смесь и, воспламеняясь,
образует плоский факел, перекрывающий загрузочное окно там-
бура. Таким образом, обеспечивается сгорание выходящего из
печи газа и исключается попадание в тамбур воздуха из окру-
жающего пространства. Продукты горения газа удаляются зон-
том 7. Контролируемая атмосфера поступает в камеру нагрева
через ввод 11. Температуру в камере нагрева определяют тер-
мопарой 14.
Порядок работы печи следующий. Поддон с отливками уста-
навливают на загрузочный столик перед тамбуром. Поднимает-
ся заслонка тамбура, загорается газовая завеса и поддон затал-
кивается на платформу стола закалочного бака. Заслонка там-
бура опускается, факел газовой завесы гаснет. Поднимается
заслонка камеры нагрева, включается привод механизма загруз-
ки и цепь выходит из печи в тамбур. При движении цепи назад
поддон толкателем-захватом переталкивается в камеру нагрева,
заслонка опускается и начинается процесс нагрева отливок.
После этого поддон передается в тамбур и охлаждается в нем,
в газовой среде или опускается в закалочный бак.
Универсальные камерные печи с радиационными трубами из
хромоникелевой стали применяют до 950° С, а с керамическими
радиационными трубами — до 1200° С.
165
§ 2. РАСЧЕТ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
ПЕЧЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ
Для определения габаритных размеров нагревателя необхо-
димо знать его допустимую удельную поверхностную мощность
в Вт/см2. Эта величина зивисит от факторов, определяющих ус-
ловия теплообмена нагревателя в печи: температуры и степени
черноты нагреваемого материала и нагревателя, расположения
последнего и т. д.
Так, для нихромовых нагревателей рекомедуют следующую
удельную поверхностную мощность в Вт/см2:1,5 — при темпера-
туре печи до 900° С, 1—при 1000° С, 0,7 — при 1100° С.
Размеры круглых нагревателей
3/"4qP2* 1 3 / ЮРУ2
d" i / , -L — и i •
у n2V2w 10 у 4rtQw2
где d — диаметр проволоки, м; q — удельное сопротивление на-
гревателя, 10_6-Ом-м, Р — мощность фазы, кВт; V — фазовое
напряжение, В; L — длина нагревателя для одной фазы, м.
Для ленточных нагревателей при отношении сторон ленты
b
—=т
а
а=10 1/ ------,
У 2т (т 4- 1) V%w
а длина ленточного нагревателя
_ 1 з Г ХЪРУЪт
10 4 (т 4- 1) QZ02
где а — в м.
Расчетные данные относятся к одной фазе. Нагревательные
элементы могут быть соединены последовательно, параллельно,
звездой и треугольником.
Другой метод расчета нагревателей заключается в том, что,
задаваясь размером поперечного сечения нагревателя, опреде-
ляют L и w для этого сечения. Если при этом w значительно
отличается от допустимой (особенно в сторону увеличения), то
нагреватель еще раз рассчитывают, изменяя его поперчное сече-
ние или расчетное напряжение.
§ 3. УСТАНОВКИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАЩИТНЫХ АТМОСФЕР
Защитные атмосферы для печей литейного производства в
основном создают на основе природного газа путем неполного
его сжигания в специальных установках. В результате получают
защитный газ, содержащий окись углерода и водород и облада-
ющий восстановительными свойствами. На рис. 72 показан сос-
166
тав продуктов неполного горения метана (основной составляю-
щей природного газа) в зависимости от коэффициента расхода
воздуха п: при уменьше-
нии п количество СО и Н2
в получаемом газе возра-
стает. При сжигании при-
родного газа с п, близ-
ким к единице, реакция
горения идет с выделени-
ем теплоты и называется
экзотермической. Соот-
ветственно получаемый
газ называется экзогазом.
При п, близком к 0,25,
реакция горения идет с
поглощением теплоты, и
называется эндотермиче-
ской, а получаемый газ —
эндогазом.
Эндогаз с 20% СО,
40% Н2 поступает непо-
Рис. 72. Состав продуктов горения метана
в зависимости от коэффициента расхода
воздуха
средственно в печь, экзо-
газ с большим количест-
вом СО2 и НгО предва-
рительно очищают от этих
компонентов. Эндогаз и экзогаз с повышенным количеством СО
и Н2 являются горючими и в смеси с воздухом взрывоопасными
газами. Рассмотрим конструкции эндо- и экзогазовых установок,
применяемых в литейных цехах.
Эндогазовые установки. Принцип их работы заключается в
приготовлении смеси природного газа и воздуха с и=0,25, нагре-
вании этой смеси до 1050° С и охлаждений образовавшихся про-
дуктов неполного горения до 20—30° С. Схема эндогазовой ус-
тановки показана на рис. 73.
Природный газ поступает из цехового газопровода через
расходомер 1 и регулятор нулевого давления 2 в смеситель 3.
Воздух, необходимый для получения эндогаза, засасывается
газодувкой 11 из цеха через расходомер 4 и фильтр 5. В смеси-
теле природный газ и воздух смешиваются в заданной пропор-
ции. Конструкция смесителя обеспечивает автоматическое со-
хранение заданной пропорции газ — воздух на различных режи-
мах работы установки. Из газодувки газовоздушная смесь под
давлением 20 кПа подается в реторту 8 генератора 6. Генератор
может иметь электрический или газовый нагрев. Температура
в генераторе поддерживается 1050° С. Реторта изготовлена из
хромоникелевой стали и заполнена катализатором 9.
Газовоздушная смесь, поступая в реторту, соприкасается
с катализатором, в результате чего смесь нагревается до необ-
167
ходимой температуры и происходит взаимодействие метана с
кислородом воздуха. Горячий эндогаз по выходе из реторты
охлаждают в холодильнике 7, в который непрерывно поступает
холодная вода, охлаждающая эндогаз до 20—30° С. Эндогаз ох-
лаждают, чтобы предупредить протекание реакции 2СО=СО2+
+ С. Эта реакция протекает при 650° С, в результате чего ухуд-
шается состав эндогаза и в трубопроводах выпадает сажа.
Рис. 73. Эндогазовая установка
В качестве катализатора используют кусочки высокоглино-
зема А120г, пропитанные солями никеля. В процессе работы
установки окислы никеля восстанавливаются и металлический
никель оказывает каталитическое воздействие на реакции обра-
зования СО и Н2. В эндогазовых установках применяют катали-
затор ГИАП-8.
На случай воспламенения газовоздушной смеси на участке
от газодувки до реторты и предупреждения распространения
пламени в газодувку и смеситель на трубопроводе перед ретор-
той установлен пламегасительный клапан 10. В пламегаситель-
ном клапане имеются обойма из гофрированной медной полосы,
препятствующая распространению пламени, и биметаллические
пластинки. При разогреве биметаллических пластинок до 90° С
срабатывает клапан, перекрывающий трубопровод и останавли-
вающий газосмесительную машину.
Если в природном газе содержатся сернистые соединения, то
перед подачей природного газа в эндогазовую установку его
необходимо очистить от серы. В противном случае сернистые
соединения выводят из строя катализатор, реакции в реторте
протекают не полностью и в выходящем из реторты газе будут
168
содержаться СН4, СО2, Н2О и О2. Для очистки от серы природ-
ный газ нагревают до 350° С в присутствии катализатора
ГИАП-10.
Экзогазовые установки. В зависимости от необходимого со-
става защитного газа в промышленности применяют два типа
экзогазовых установок — для получения богатого и бедного эк-
зогаза.
Установки для получения богатого экзогаза состоят из систе-
мы подготовки газовоздушной смеси, камеры сгорания и системы
для очистки продуктов горения от водяных паров.
Рис. 74. Экзогазовая установка
Система подготовки газовоздушной смеси аналогична систе-
ме эндогазовой установки. Камера сгорания выполнена в виде
обычной топки для сжигания газообразного топлива.
Система очистки от НгО состоит изпредварительного охла-
дителя,.размещенного рядом с камерой сгорания, и дополнитель-
ной холодильной установки.
Схема подобной экзогазовой установки изображена на рис. 74.
Последовательность получения богатого экзогаза следующая.
Газодувка 10 через пламягаситель 9 подает в горелку 4 газовоз-
душную смесь с п=0,55. Поступая в камеру сгорания 5, смесь
воспламеняется и по выходе из камеры сгорания в продуктах
неполного горения содержится около 4% СОг, 13% НгО, 12% СО,
16% Н2 и остальное Ыг- Данный состав из-за высокого содер-
жания Н2О (>10 г/м3) практически не пригоден для термообра-
ботки. Избавиться от водяных паров проще всего методом
охлаждения газа. При охлаждении водяные пары конденсируют-
ся и удаляются из газа в виде жидкости. Чем сильнее охлажда-
ется газ, тем больше из него выводится влаги и тем суше стано-
вится экзогаз.
169
После прохождения предварительного охладителя 5, газ
охлаждается до 20—30° С. Сконденсировавшаяся влага удаля-
ется через конденсатоотводчик 8. После предварительного охла-
дителя в экзогазе содержится ~30 г/м3 влаги. За счет уменьше-
ния содержания влаги концентрация остальных составляющих
экзогаза увеличивается.
Для более полной осушки экзогаза его пропускают через
дополнительную охладительную установку 7, в которой в ка-
честве охладителя используют фреон. Дополнительное охлаж-
дение экзогаза до 3—5° С снижает содержание влаги в экзогазе
до 5—6 г/м3. Окончательный состав экзогаза, направляемого в
печь, следующий: 5%СО2, 1%Н2О, 14%СО, 18%Н2, стальное N.
Исходный природный газ подается через расходомер 1 и кла-
пан 2, а воздух, засасываемый из атмосферы, проходит через
фильтр 11 и расходомер 3.
Глава XIV
СУШИЛА
§ 1. ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СУШИЛЬНОГО ПРОЦЕССА
Тепловой процесс, в котором происходит освобождение мате-
риала от содержащейся в нем влаги путем испарения, называют
сушкой. При сушке материала (или каких-либо изделий) проте-
кают три основных процесса:
испарение влаги с поверхности, сопровождаемое поглощени-
ем теплоты;
перемещение пара, образующегося на поверхности, в окру-
жающую среду;
перемещение влаги внутри материала от центральных слоев
к поверхности испарения.
Интенсивность процесса испарения влаги с поверхности за-
висит от разности парциальных давлений пара на поверхности
и окружающей среды: чем больше разность, тем интенсивнее
испарение. Количество влаги, испаряющейся с поверхности»
кг/(м2-с),
= ? (Рпар Ргаз)»
где р — коэффициент испарения, кг/(кН-с); рПар — парциальное
давление водяных паров на поверхности испарения, Па; рГаз —
парциальное давление водяных паров окружающей среды (су-
шильного агента-газа), Па.
Коэффициент испарения р зависит от многих факторов, в ос-
новном от характера и скорости движения сушильного агента:
Р увеличивается при переходе от ламинарного движения сушиль-
ного агента к турбулентному. Движение сушильного агента в
170
сушиле может быть естественным и искусственным. Искуствен-
ное, вынужденное движение сушильного агента в сушилах осу-
ществляют с помощью специальных вентиляторов или других
устройств. При искусственном режиме сушки характер движе-
ния сушильного агента, как правило, турбулентный. Скорость
сушки в сушилах с искусственным режимом значительно больше,
чем скорость сушки в сушилах с естественным режимом, поэто-
му в литейных цехах используют сушила с искусственным дви-
жением сушильного агента. Так как испарение сопровождается
поглощением теплоты, то его интенсивность также зависит от
величины теплового потока, направленного на поверхность испа-
рения материала.
Благодаря испарению влаги с поверхности концентрация
влаги на ней уменьшается. При этом создается разность кон-
центраций влаги на поверхности и в центральных слоях матери-
ала, что обусливает непрерывное движение влаги от центра к
поверхности испарения.
Как говорилось, интенсивность сушки зависит от величины
теплового потока.
Теплота к нагреваемому материалу может передаваться тре-
мя способами: конвекцией, излучением и теплопроводностью.
Соответственно по способу передачи теплоты сушку подразделя-
ют на три вида.
Конвективная сушка — теплота от сушильного агента пере-
дается за счет конвекции (с помощью горячего воздуха, продук-
тов горения топлива и т. д.) к поверхности нагреваемого мате-
риала.
Радиационная сушка — теплота к поверхности материала пе-
редается за счет излучения от нагретых поверхностей.
Контактная сушка — теплота передается за счет соприкосно-
вения поверхности материала с нагретой поверхностью.
Существует комбинированный радцационно-конвективный
вид сушки. Применяют и электрические способы сушки: ТВЧ и
контактную электросушку. Сущность сушки диэлектриков ТВЧ
заключается в том, что материал нагревается при колебаниях
ТВЧ. При контактной электросушке по изделию пропускается
электроток. Благодаря сопротивлению, оказываемому изделием
при прохождении электротока, в нем выделяется теплота. Вла-
га внутри материала перемещается только при наличии разности
влажностей или температур. Соответственно, влага перемеща-
ется за счет влагопроводности и термовлагопроводности.
Влагопроводностью называют процесс перемещения
влаги за счет разности влажностей (концентраций) внутри ма-
териала. Термовлагопроводностью называют процесс
перемещения влаги за счет разности температур внутри матери-
ала. За счет влагопроводности влага по порам материала пере-
мещается от мест с большей влажностью к местам с меньшей
влажностью или к границе испарения. На границе испарения
171
влажность уменьшается, пары переходят к сушильному агенту
или в окружающую среду.
При нагреве материала в нем возникает разность температур,
в результате чего появляется разность давлений в его капилля-
рах. В этом случае перемещение влаги направлено от мест,
более нагретых, к местам, менее нагретым. Когда материал на-
гревается с поверхности, влага за счет влагопроводности пере-
мещается к его поверхности, при этом термовлагопроводность
препятствует перемещению влаги. Наоборот, при электросушке
температура центра всегда выше температуры поверхности, на
которой теплота расходуется на испарение в окружающую сре-
ду. При этом термовлагопроводность способствует перемещению
влаги к поверхности и увеличивает скорость сушки.
В общем случае интенсивность сушки, кг/(м2-с),
, /Ди л AM
т= — feQo I--±8 — ,
\ Дп Дп J
где k—коэффициент влагопроводности, м2/с; q0— плотность аб-
солютно сухого материала, кг/м3; — —градиент влажности;
Дп
—-----градиент температуры; б — коэффициент термовлагопро-
Дп
водности, кг влаги/(кг сух. мат-М-°С).
Из приведенной формулы видно, что термовлагопроводность
может способствовать и тормозить процесс сушки. Коэффициен-
ты k и б зависят от свойств материала, его температуры, влаж-
ности и изменяются в процессе сушки. Влияние термовлагопро-
водности на процесс сушки незначительно.
§ 2. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ СУШИЛ
В литейном производстве наиболее часто применяют конвек-
тивную сушку. В качестве сушильного агента используют нагре-
тый воздух, продукты горения топлива (дымовые газы) или смесь
воздуха с дымовыми газами. Стержни и формы сушат в боль-
шинстве случаев дымовыми газами, дерево для моделей, как
правило, — нагретым воздухом.
Тепловой расчет процесса сушки при заданном температур-
ном режиме сводится к определению расхода сушильного агента
и расхода теплоты на сушку данного материала.
Сушка воздухом. В процессе сушки воздух омывает влажный
материал, передает ему теплоту и насыщается влагой. Таким
образом, температура воздуха понижается, а влажность увели-
чивается. При этом влажность материала уменьшается, а его
сухая масса остается постоянной. Воздух, применяемый для
сушки, состоит из смеси сухого воздуха и паров воды. По содер-
жанию паров воды в воздухе определяют его влажность.
172
Различают абсолютную и относительную влажность и влаго*
содержание воздуха. Абсолютная влажность воздуха (в кг/м3)?
характеризуется массой водяного пара, содержащегося в 1 м5*
влажного воздуха. Абсолютная влажность насыщенного воздуха
зависит от температуры. Ту температуру, при которой наступает
полное насыщение воздуха парами воды, называют температурой
точки росы.
Относительная влажность воздуха выражается отношением
массы водяного пара рПар, содержащегося в 1 м3 влажного воз-
духа, к массе водяного пара рНас, соответствующей полному
насыщению влажного воздуха при одной и той же температуре.
Относительная влажность воздуха характеризует степень насы*
щения его парами воды. Относительная влажность, %,
?=^±юо.
/^нас
Относительная влажность может быть также определена как
отношение действительного парциального давления водяных па-
ров во влажном воздухе рПар в Па к парциальному давлению
водяных паров в воздухе, насыщенном парами, рНас в Па при
одной и той же температуре.
Влагосодержание влажного воздуха характеризуется
массой водяного пара, содержащегося в 1 м3 влажного воздуха
(смеси сухого воздуха и пара), отнесенного к массе 1 м3 сухого
воздуха. Влагосодержание обозначают буквой d и выражают в
кг на 1 кг сухого воздуха (кг/кг с. в.):
, ^пар
где Gnap — количество водяного пара в воздухе, кг; GC.B—масса
сухого воздуха, кг.
Влагосодержание влажного воздуха зависит от парциального
давления водяного пара, содержащегося в нем, и не зависит от
температуры:
д?=0,622 — Рпар ,
В Рпар
где В — барометрическое давление, Па (в расчетах принимают
98,1—постоянная величина для средней полосы СССР).
Из формулы для относительной влажности
п ___ УРнас
Лшр 100 ’
тогда
</=0,622<р----------кг/кг с. в.
98,1 - Рпар
173
Зная количество влаги, которое нужно испарить из материа-
ла за 1 с (<7вл, кг/с), а также начальное и конечное влагосодер-
жание воздуха dH и rfK, можно определить количество воздуха
6В, необходимое для сушки:
О =——кг с. в./с.
dK - da
Количество влаги, которое необходимо удалить из материала
в процессе сушки, зависит от начальной и конечной влажности
материала. Количество влаги в кг/с, удаляемое из материалов,
определяют по одной из двух приведенных ниже формул в за-
висимости от исходных данных:
п (ЦН ----- #к) .
л ВЛ « л л
100 —
п ^вл (^н — Цк)
Чвл “ 100 - ик ’
где GM, Овл — часовая производительность сушила по сухому и
влажному материалам; uH, wK— относительная влажность мате-
риала до и после сушки.
Относительная влажность материала представляет собой от-
ношение массы влаги V, содержащейся в материале, к массе
сырого материала Овл, %•
и = — 100.
^ВЛ
Отношение массы влаги, содержащейся в материале, к массе
абсолютно сухого материала Gc дает абсолютную влажность, %,
100.
ос
Одну влажность материала пересчитывают на другую по
формуле, %,
и=_«а100_
100+ «а ’
В тепловых расчетах сушил в качестве одного из основных
параметров используют теплосодержание влажного воздуха, от-
несенное к 1 кг абсолютно сухого воздуха. Для теплотехничес-
ких расчетов теплосодержание влажного воздуха в кДж/кг с. в.
/вл = 1.005/+d (2490 + 1,97/).
Первый член представляет собой удельное теплосодержание
сухого воздуха, а второй — водяного пара, содержащегося во
влажном воздухе. Из приведенной формулы видно, что теплосо-
держание влажного воздуха зависит от его температуры и вла-
госодержания. _
Понятие об t—d-диаграмме. Расчет процесса сушки анали-
тическим путем труден и громоздок, поэтому широко используют
•174
графический метод расчета с помощью i—d диаграммы, которая
была впервые опубликована П. И. Рамзиным в 1918. Диаграмма
была построена для влажного воздуха. Ее используют для рас-
чета сушки дымовыми газами, разбавленными воздухом.
На рис. 75 приведена схема i—d-диаграммы для влажного
воздуха, на которой все данные рассчитаны на 1 кг содержаще-
гося в нем сухого воздуха. По оси абсцисс диаграммы отложено
влагосодержание d, а по оси ординат — теплосодержание / воз-
духа. Диаграмма построена для барометрического давления,
равного 98,1 Па.
Рис. 75. Схема Z—d диаграммы
Из рис. 75 видно, что линии постоянного влагосодержания
расположены по вертикали, а линии постоянного теплосодержа-
ния— по отношению к вертикали под углом 135°. Пучок кривых
соответствует одинаковым значениям относительной влажности.
Линии одинаковых температур направлены под углом менее 90°*
к вертикали. Линия насыщения ф=100% разделяет диаграмму
на верхнюю область влажного ненасыщенного воздуха и ниж-
нюю область перенасыщенного воздуха, в котором влага может
находиться в капельном состоянии. Одновременно с этим линия
ф=1ОО°/о показывает максимально возможное насыщение возду-
ха влагой при данной температуре. На диаграмме размещены
линии, соответствующие параметрам влажного воздуха: if d, ф, t.
Для определения параметров сушильного агента по диаграм-
ме должны быть заданы два из них, остальные определяют по
диаграмме.
175
Расчет процесса сушки воздухом по I—d-диаграмме. При
расчете задаются следующими параметрами: температурой tB
и влажностью ф. По этим параметрам находят на диаграмме
исходную точку А (рис. 76). Влагосодержание и теплосодержа-
ние воздуха в точке А соответственно .равны di и /в. Воздух, вво-
димый в сушило, подогревают тем или иным способом до более
высокой температуры; в рассматриваемом случае, например, до
температуры tH. Процесс нагрева воздуха от tB до /н на диаграм-
ме показан линией АВ. Воздух, подогретый до fH в точке В, име-
ет параметры, равные dH и tH. Причем dH=di, т. е. влагосодер-
жание воздуха при нагреве по изменяется.
Различают действительный и теоретический (идеальный)
процессы сушки. При действительном процессе сушки теплота
воздуха, подаваемого в сушило, расходуется на испарение вла-
ги материала, на нагрев материала, тары, транспортных меха-
низмов и восполнение потерь теплоты в окружающую среду. При
теоретическом процессе сушки считается, что теплота воздуха
расходуется только на испарение влаги материала.
Рассмотрим теоретический процесс сушки. В случае вообра-
жаемого теоретического процесса температура воздуха, подавае-
мого в сушило, снижается, влажность увеличивается. Однако
теплосодержание воздуха остается постоянным. Это объясняется
тем, что теплота, затраченная на испарение влаги материала,
возвращается воздуху с водяными парами, обладающими скры-
той теплотой парообразования; поэтому теоретический процесс
сушки на I—d-диаграмме (см. рис. 75) изображается прямой,
направленной по линии i — постоянная. Конечными параметра-
ми теоретического процесса сушки в точке С будут tK и d2.
Расход воздуха при теоретическом процессе, кг с. в./с,
О = —3*2—
'“'теор , . •
«2 — “н
При действительном процессе сушки часть теплоты, вносимой
воздухом, необратимо теряется, вследствие чего процесс проте-
кает с уменьшением теплосодержания воздуха.
Для того чтобы найти изменение теплосодержания воздуха,
необходимо вычислить количество теплоты qn07, затрачиваемой
на прогрев материала, тары и т. д. После определения «/пот на-
ходят потерю теплосодержания воздуха, Дж/кг с. в.,
; _ ^пот
*по*г
^теор
Величину Zdot откладывают вниз от точки С и таким образом
получают точку D. Действительный процесс сушки происходит
по линии BD и заканчивается в точке Е, которая соответствует
конечным параметрам воздуха. Расход воздуха на действитель-
ный процесс сушки, кг с. в.,
9ал .
176
Для перевода количества воздуха из массовых в объемные
единицы можно использовать формулу (в м3/с)
V»=VG»
где V — объем влажного воздуха, приходящийся на 1 кг сухого
воздуха.
Потери теплоты в сушилах «/пот определяют по формулам,
приведенным в расчетах теплового баланса печей. Для сушила
непрерывного действия тепловые потери, Вт,
^пот ==^м “Ь^тр “Ь^окр "I" ^ух
где 9м — расход теплоты на нагрев материала; qTp— расход теп-
лоты на нагрев транспортных устройств; q0Kp— потери теплоты
через стенки сушила в окружающую среду; «/ух— потери тепло-
ты с уходящими газами; </Выб— потери теплоты за счет выбива-
ния теплоносителя и подсоса холодного воздуха.
§ 3. КОНСТРУКЦИИ СУШИЛ
В литейном производстве применяют сушила разнообразных
конструкций. Подавляющее большинство из них отапливаются
газом и имеют принудительный характер движения сушильного
агента и конвективный характер сушки. В газовых сушилах су-
шильным агентом является смесь нагретых продуктов горения
газа и воздуха. Процесс сушки интенсифицируют многократной
циркуляцией сушильного агента в сушиле.
Рис. 77. Камерное газовое сушило для индукторов
177
Сушила можно подразделить на две группы: периодического
и непрерывного действия.
Сушила периодического действия применяют в единичном
производстве. Их тепловой режим аналогичен тепловому режи-
му печей периодического действия.
На рис. 77 показано камерное газовое сушило периодическо-
го действия для индукторов канальных печей. Сушило снабжено
съемным колпаком 5,
стенки которого имеют
слой теплоизоляции. Газ
подводится к инжекцион-
ному смесителю 1, в кото-
ром он смешивается с
воздухом. Газовоздушная
смесь подается в коллек-
тор 2 с отверстиями, на-
правленными вверх. Вы-
ходя из коллектора, газо-
воздушная смесь загора-
ется. Нагретые продукты
горения поступают в су-
шильную камеру 4 через
распределительную стен-
ку 3 с отверстиями и вы-
ходят через отверстия 6.
Жидкий металл разли-
вают в разливочные ков-
ши различных емкостей и
конструкций. Перед упо-
треблением ковши долж-
ны быть высушены.
На рис. 78 показана
установка для сушки ков-
шей малой емкости. Ковш
Рис. 78. Установка для сушки ковшей 7 ПОСЛ6 футерОВКИ С ПО-
МОЩЬЮ тельфера уста-
навливают напротив ин-
жекционной горелки 4. Горелку закрепляют на стенде 3 и раз-
жигают с помощью газового запальника 2, к которому газ под-
водится гибким шлангом 10. Подача газа к горелке регулирует-
ся краном 5. Продукты горения газа отсасываются вытяжным
коробом 8. Манометр 9 служит для измерения давления газа.
При неработающей установке краны 5 и 7 закрыты, а кран 6 на
продувочном газопроводе на свечу открыт. Газ, просочившийся
через неплотности крана 7, выбрасывается в атмосферу через
продувочный газопровод. Футеровку ковша сушат и прокалива-
ют до 900—1000° С.
178
Сушила непрерывного действия подразделяют в зависимости
от способа перемещения материала на барабанные, конвейерные
и т. д. Широко распространены в литейном производстве кон-
вейерные сушила для сушки стержней.
Сыпучие материалы (песок и глину) сушат в барабанных
сушилах, а также в сушилах с сушкой в кипящем слое.
Горизонтальные конвейерные сушила имеют
горизонтально расположенную рабочую камеру. Изделия в нем
перемещаются конвейером с подвесными грузовыми этажерками
и сушатся нагретыми продуктами горения топлива. Продукты
горения равномерно подают и отводят по длине сушила, что
обеспечивает необходимый режим сушки. Иногда конвейер внут-
ри сушила совершает 2—4 оборота.
На рис. 79 показано одноходовое конвейерное горизонтальное
газовое сушило для подсушки стержней после окраски. Темпе-
ратура в сушиле 200—250° С. Изделия перемещаются через су-
шило по конвейеру с электромеханическим приводом 1 и меха-
низмом натяга 10. Сушильная камера 3 представляет собой го-
ризонтальный коридор, собранный из металлических панелей,
который заполнен шлаковой ватой.
Газ сжигают в выносной топке 5 с помощью инжекционной
горелки 4. Рециркуляцию газов в сушиле осуществляют водоох-
лаждаемым вентилятором 6, расположенным вместе с топкой
на площадке 7. Циркулирующие газы движутся по системе коро-
бов 8. Избыток газов выбрасывается в атмосферу через патруб-
ки 2 и 9. Горячие газы, многократно омывая изделия, передают
им свою теплоту конвекцией. Конвейер сушила загружают со
стороны привода 1.
179
Газовое сушило для сушки песка в кипящем слое показано
на рис. 80. Газ с помощью двухпроводной горелки 9 сжигают
в топке 8. Для снижения температуры продуктов горения газа
в топку через сопла вдувают воздух. Смесь продуктов горения
и воздуха подают под жароупорную подину 4 с равномерно рас-
пределенными соплами для прохода газов в сушильную каме-
ру 5; сырой песок — в сушильную камеру 5 по трубопроводу 7.
навстречу поднимающемуся горячему газовому потоку. Так как
газовый поток движется с большой скоростью, то песок не падает
на подину 4, а находится во взвешенном состоянии в камере 5.
Таким образом, создается кипящий слой.
Рис. 80. Сушило с кипящим слоем
Процесс теплообмена между газовым потоком и взвешенны-
ми в нем песчинками протекает очень интенсивно. Продолжи-
тельность сушки песка в кипящем слое намного меньше продол-
жительности сушки в обычных сушилах. Песок в сушильную ка-
меру подают непрерывно. Сухой песок из сушильной камеры
удаляют через отверстие 3 по трубопроводу 2. Газы, уходящие
из сушильной камеры, по трубопроводу 6 направляются на
очистку от пыли. Песок, провалившийся в топку через отверстия
180
сопел подины, удаляют через люк 1. Газ к горелке подают по
газопроводу 12. Установку снабжают воздухом от вентилятора
И. Соотношение газа и воздуха, поступающих в горелку, под-
держивают постоянным с помощью регулятора соотношения 10,
Глава XV
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
ПРИ ОБСЛУЖИВАНИИ ПЕЧЕЙ И СУШИЛ
Печные агрегаты и сушила обогревают электротоком или
газом. Наибольшую взрывоопасность представляют печи и суши-
ла, отапливаемые газом, особенно, если в качестве защитных
атмосфер используют горючие и токсичные газы, например
СО; СН4.
§ 1. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТЕ
НА ГАЗОВЫХ ПЕЧАХ И СУШИЛАХ
Рассмотрим природный газ и некоторые другие газы с точки
зрения их взрывоопасности.
Природный газ и продукты его неполного горения ядовиты
и в смеси с воздухом образуют горючую, а иногда и взрывоопас-
ную смесь. Подобным образом ведут себя и другие горючие газы.
Эти особенности газового топлива обусловливают правила тех-
ники безопасности при работе на оборудовании с газовым обо-
гревом.
Газовое топливо, продукты неполного горения и контролируе-
мые атмосферы часто не имеют запаха, цвета и способны про-
никать через мельчайшие неплотности и даже через фильтры
противогазов.
В составе рассматриваемых газов могут быть окись углерода,
сернистые соединения, двуокись углерода, метан, ацетилен, этан,
этилен, аммиак, окислы азота и т. д. Эти газы обладают отрав-
ляющими свойствами. По отравляющим свойствам газы подраз-
деляют на три следующие группы:
удушающие газы, которые прекращают доступ кислорода в
организм или химически воздействуют на организм;
раздражающие газы, которые вызывают раздражение и оте-
ки слизистых тканей;
наркотики, которые не воздействуют на легкие, но, поступая в
кровь, вредно действуют на кровообращение.
Окись углерода СО является самой распространенной и на-
иболее опасной составляющей газа. Окись углерода содержится
в газообразном топливе, во всех продуктах неполного горения
углеродосодержащего топлива в эндо- и экзогазе, не имеет запа-
ха, цвета и раздражающих свойств, которые могли бы указать
на ее наличие в атмосфере цеха.
181
Чаще отравление происходит от окиси углерода. Содержание
в воздухе 1 % СО может привести к смертельному исходу через
1—2 мин вследствие того, что она в 200—300 раз быстрее соеди-
няется с гемоглобином крови, чем кислород воздуха, необходи-
мый для жизнедеятельности организма.
Сернистые соединения (сероводород, сернистый газ и т. д.)
вызывают сильное раздражение слизистой оболочки и дыхатель-
ных путей, легко обнаруживаются по запаху. При больших кон-
центрациях в воздухе вызывают отравление.
Двуокись углерода СО2 в 1,5 раза тяжелее воздуха. Спо-
собна скапливаться на дне колодцев, в приямках и боровах пе-
чей. При наличии кислорода СО2 действует как наркотик, при
отсутствии кислорода — как удушающий газ. При острых отрав-
лениях наблюдается головная боль, шум в ушах, сердцебиение и
обмороки.
Метан, ацетилен, этан и этилен является составными частями
газового топлива. Все эти газы действуют как наркотики. При
небольших концентрациях они воздействуют медленно.
Аммиак — газ с сильным запахом. Раздражает верхние дыха-
тельные пути. В больших концентрациях возбуждающе дей-
ствует на нервную систему, раздражает носоглотку, бронхи, вы-
зывает отек легких. Аммиак может вызвать помутнение рогови-
цы глаз и слепоту. Хроническое отравление аммиаком приводит
к расстройству пищеварения, бронхиальным катарам и глухоте.
Окислы азота могут образоваться во время эксплуатации
цианистых ванн. Все окислы азота вредны, так как вызывают
тяжелые отравления через органы дыхания. Поэтому основное
внимание следует уделять газоплотности аппаратуры и трубо-
проводов и вентиляции помещений.
Основные положения техники безопасности при работе на
газовых печах и требования, предъявляемые в связи с этим к их
конструкции и эксплуатации, изложены в Правилах безопасно-
сти в газовом хозяйстве, утвержденных Госгортехнадзором
СССР.
На печах должны быть установлены приборы для замера
давления газа и дутьевого воздуха у горелок и разряжения в
печном пространстве или в дымоотводящем борове. При падении
давления газа или воздуха ниже допустимой нормы или при по-
вышении давления газа или воздуха выше допустимого предела
горелку необходимо погасить во избежание ее затухания. В слу-
чае затухания горелки несгоревший газ в смеси с воздухом про-
никает в печное пространство, вследствие чего может образовать-
ся взрывоопасная смесь. Регулярный отвод продуктов горения
газа является необходимым условием для нормального протека-
ния процесса сгорания газа. Продукты горения газа, как прави-
ло, удаляются из печного пространства за счет разрежения, соз-
даваемого в дымоотводящих боровах или непосредственно в печ-
ном пространстве. При исчезновении разрежения в печном про-
182
странстве или в дымоотводящих боровах процесс сгорания газа
нарушается с возможным затуханием горелки и образованием
взрывоопасной газовоздушной смеси в пространстве печи.
Горелки должны пройти государственные испытания для про-
верки их основных показателей (производительности, оптималь-
ного давления газа и воздуха, коэффициента инжекции, преде-
ла регулирования, полноты сжигания газа). Если горелки рабо-
тают на готовой газовоздушной смеси, то перед ними должны
быть установлены огнепре-
градители, предотвращаю-
щие проскок пламени в тру-
бопровод с газовоздушной
смесью.
В качестве огнепрегради-
теля можно применять об-
ратный клапан (рис. 81). Об-
ратный клапан предотвра-
щает движение газовоздуш-
ной смеси в направлении,
обратном заданному. Так,
если воспламенение газо-
воздушной смеси в трубо-
бопроводе сопровождается
Рис. 81. Обратный клапан
взрывом, то взрывная вол-
на, двигаясь по трубопрово-
ду в обратном направлении,
может разрушить устройство для смешения газа и воздуха. Для
отсечки трубопровода, расположенного до него, и предназначен
обратный клапан.
При нормальных условиях поток газовоздушной смеси отки-
дывает легкую подвижную заслонку в положение 1. При взрыве
газовоздушной смеси взрывная волна распространяется не толь-
ко по ее ходу, но и в обратном направлении, прижимает заслон-
ку в положение 2, отсекая трубопровод до клапана.
При работе горелок на дутьевом воздухе предусматривается
автоматическое прекращение подачи в случае падения давления
этого воздуха ниже допустимого предела.
На агрегатах и сушилах с дымососами предусматривается
автоматическое отключение подачи газа при остановке дымо-
сосов.
Предусматривается отключение подачи газа при снижении
и повышении его давления против нормы. В противном случае
горелка или ряд горелок могут погаснуть, а газовоздушная
смесь может заполнить печное пространство, что приведет к
взрыву. По условиям техники безопасности на печах устанавли-
вают взрывные клапаны. Их устанавливают таким образом,
чтобы при срабатывании обеспечивалась безопасность обслужи-
вающего персонала.
183
К каждому газовому агрегату прикладывают инструкцию по
эксплуатации и схему газопроводов агрегата с указанием всего
газового оборудования. Инструкцию вывешивают у агрегата.
До розжига горелок проверяют давление газа в газопроводе
перед печью, а при подаче воздуха от дутьевых устройств —
давление воздуха. Кроме того, проверяют наличие разряжения
в печном пространстве и при необходимости регулируют разря-
жение.
Запорное устройство на газопроводе перед горелкой можно
открыть только после поднесения к горелке зажженного запаль-
ника, факела или другого средства, воспламеняющего газ.
При зажигании горелки к ней должно подаваться минималь-
ное количество воздуха, обеспечивающее полное сгорание газа
и исключающее отрыв пламени горелки.
Для предварительной вентиляции печного пространства дуть-
евые вентиляторы подачи воздуха включают до зажигания го-
релок. Если при зажигании или в процессе регулирования горел-
ки происходит отрыв, проскок или затухание пламени, то перед
повторным зажиганием после устранения неисправностей печное
пространство необходимо проветрить.
При розжиге и регулировании работы горелок надо медленно
и плавно изменять подачу газа и воздуха к горелке. Запрещено
оставлять без надзора работающие газовые печи, а также экс-
плуатировать их при наличии неисправностей и при отсутствии
тяги. При прекращении подачи газа надо немедленно перекрыть
отключающее устройство на вводе газопровода и у агрегата.
При продолжительной остановке печей газопроводы должны
быть отключены, заглушка установлена после запорного устрой-
ства, а продувочные свечи после отключения газопровода оста-
ваться в открытом положении.
§ 2. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТЕ
НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЕЧАХ
Требования техники безопасности к конструкциям электри-
ческих печей и к их установке сведены в Правила устройств
электроустановок. Из них применительно к печам следует отме-
тить следующие положения.
Все каркасы печей и щиты должны быть заземлены. Аппа-
раты и приборы на печах должны быть расположены таким об-
разом, чтобы обеспечивалось безопасное их обслуживание и воз-
никающие при эксплуатации аппаратов искры или электричес-
кие дуги не причинили бы вреда обслуживающему персоналу, не
вызвали короткого замыкания. Расстояние между электрически-
ми выводами на печах, шинами, а также между ними и неизоли-
рованными металлическими частями должно быть не менее
20 мм по поверхности изоляции и 12 мм по воздуху. Расстояние
от неизолированных частей, находящихся под напряжением, до
184
ограждения должно быть не менее 100 мм при сетках и 50 мм
при сплошных съемных ограждениях.
Электрические аппараты (пускатели, контакторы и т. д.)
и пирометрические приборы рекомендуется устанавливать на
раздельных щитах.
Не допускается прокладка в одной трубе проводов пиромет-
рических цепей с проводами силовых цепей.
Для контроля за работой электрических печей мощностью
100 кВт и более рекомендуется устанавливать по одному ампер-
метру на каждую зону. Для электрических печей с керамически-
ми нагревателями амперметры устанавливают на каждую фазу.
Необходимо исключить случайное прикосновение обслужива-
ющего персонала к нагревательным элементам, находящимся
под напряжением более 36 В. Для этого применяют блокировки,
отключающие электрические печи от сети при открывании их
окон.
Перечисленные требования относятся к печам, работающим
при напряжении до 1000 В. К печам, работающим при напряже-
нии более 1000 В, предъявляют более жесткие требования, так-
же оговариваемые Правилами устройств электроустановок.
В печах с принудительной циркуляцией рабочей атмосферы,
в которых не исключен выброс горячего газа через открытый
проем, должна быть блокировка, отключающая питание элект-
родвигателей печных вентиляторов, которые обеспечивают цир-
куляцию печной атмосферы, перед открытием заслонки или
крышки.
Требования к индукционным электрическим печам. Сопро-
тивление изоляции индуктора относительно корпуса печи опре-
деляют из расчета 1000 Ом на 1 В номинального напряжения
индуктора. Сопротивление изоляции между отдельными частями
кожуха печи с проложенными между ними изоляционными про-
кладками, а также между всеми стяжными болтами и кожухом
должно быть не менее 0,5 МОм. Изоляцию индуктора относи-
тельно корпуса следует испытывать под напряжением в течение
1 мин, которое равно двойному номинальному напряжению при
рабочем напряжении на индукторе до 1000 В и 1,3 номинального
напряжения при рабочем напряжении более 1000 В.
Существует опасность биологического воздействия на орга-
низм человека электрического и магнитного полей. До частоты
100 кГц такое явление практически отсутствует, при 100 кГц —
30 МГц его воздействие возрастает с увеличением частоты.
Степень воздействия зависит также от его продолжительности
и расстояния рабочего места от источника электромагнитного
поля. Меры предосторожности сводятся к экранированию и уда-
лению источника поля от рабочего места. Действие электромаг-
нитного поля на рабочем месте не должно превышать установ-
ленного соответствующими нормами.
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА £ МЕСТНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
Место сопротивления Эскиз г» Ft К какой скорости отнесен £
Канал, внезапное су- 0,1 0,47
жение 0,2 0,42
0,3 0,38
0,4 0,34
I 0,5 0,29
_1 L. W2
0,6 0,24
М 1 /у 0,7 0,18
0,8 0,13
к 0,9 0,06
Канал, внезапное рас- 0,1 -0,81
ширение 0,2 0,64
0,3 0,50
Ч &
0,4 0,36
0 5 0,25
Wi
0,6 0,16
I /у 0,7 0,09
0,8 0,04
0,9 0,01
186
Продолжение
Место сопротивления Эскиз Fa Ft 5 К какой скорости отнесен £
Диффузор в прямом Величу ну ё'изТ № 2 умножают на
канале коэффициент К
Угол раскры-
V4 t тия диф- фузора, градусы к
П Н / 5 0,082 W1
/ 10 0,167
h । \ 1 / 15 0,275
1 i 20 0,425
1 У 25 0,625
30 0,80
35 0,93
40 1
45 1
Приложение 2
СРЕДНЯЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ ГАЗОВ И ТЕПЛОСОДЕРЖАНИЕ
ПРОДУКТОВ ГОРЕНИЯ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ
Темпера- тура, °C Средняя удельная теплоемкость, кДж/(м8«°К) Теплосо- держание (среднее), КДж/М8
СО а н,о Воздух N. оа На со О, сн4 с2н4
0 1,61 1,49 1,30 1,30 1,31 1,28 1,30 1,74 1,54 1,87 —
100 1,74 1,50 1,30 1,30 1,31 1,29 1,30 1,82 1,62 2,11 —
200 1,80 1,52 1,31 1,31 1,34 1,30 1,31 1,90 1,75 2,33 284
300 1,88 1,54 1,32 1,31 1,36 1,30 1,32 1,96 1,89 2,53 —
400 1,94 1,56 1,33 1,32 1,38 1,30 1,33 2,03 2,01 2,72 582
500 2,01 1,58 1,34 1,34 1,40 1,31 1,34 2,08 2,13 2,89 —
600 2,06 1,61 1,36 1,35 1,42 1,31 1,36 2,12 2,25 3,05 890
700 2,11 1,63 1,37 1,36 1,44 1,31 1,37 2,16 2,36 3,19 —
800 2,15 1,66 1,39 1,37 1,45 1,32 1,39 2,19 2,46 3,35 1210
900 2,19 1,69 1,40 1,39 1,47 1,32 1,40 2,22 1 2,55 3,45 —
187
Продолжение
Темпера- тура, °C Средняя удельная теплоемкость, кДж/(м8.°К) Теплосо- держание (среднее), кДж/м8
СОа нао Воздух Na о2 на со оа сн4 сан4
1000 2,22 1,72 1,41 1,40 1,48 1,33 1,42 2,24 2,65 3,56 1500
1100 2,25 1,74 1,42 1,41 1,49 1,34 1,43 2,27
1200 2,28 1,77 1,44 1,42 1,50 1,34 1,44 2,29 — 1870
1300 2,30 1,79 1,44 1,43 1,52 1,35 1,45 2,30
1400 2,33 1,81 1,45 1,44 1,52 1,36 1,46 2,32 — — 2230
1500 2,35 1,84 1,47 1,45 1,53 1,37 1,47 2,33 —
1600 2,37 1,86 1,47 1,46 1,54 1,37 1,47 2,34 — 2580
1700 2,38 1,88 1,48 1,47 1,55 1,38 1,48 2,36 — —
1800 2,40 1,90 1,49 1,48 1,56 1,39 1,49 2,37 — — 2950
1900 2,42 1,93 1,49 1,48 1,57 1,40 1,50 2,37 —
2000 2,43 1,94 1,50 1,49 1,58 1,42 1,51 2,39 — 3320
2100 2,44 1,96 1,50 1,49 1,58 1,42 1,51 2,39
2200 2,45 1,98 1,51 1,50 1,59 1,42 1,52 2,40
2300 2,47 2,00 1,52 1,51 1,59 1,43 1,52 2,41 —
2400 2,47 2,01 1,52 1,52 1,60 1,44 1,53 2,42 — —
2500 2,48 2,03 1,53 1,52 1,60 1,44 1,53 2,42 — —
2600 2,49 2,05 1,53 1,52 1,61 1,45 1,54 2,43 — —
2700 2,50 2,06 1,54 1,53 1,62 1,46 1,54 2,43 — — —
Приложение 3
КИНЕМАТИЧЕСКАЯ ВЯЗКОСТЬ И ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ВОЗДУХА
И ДЫМОВЫХ ГАЗОВ
Температура, °C Кинематическая вязкость при р=98,1 кПа, 10в«мв/с Теплопроводность, 10«.Вт/(м*вС)
воздуха дымовых газов воздуха дымовых газов
0 13,3 12,2 2,48 2,28
100 23,2 21,5 3,19 3,13
200 34,9 32,8 3,83 4,01
300 48,3 45,8 4,45 4,84
400 63,1 60,4 5,05 5,70
500 79,2 76,3 5,63 6,60
600 96,8 93,6 6,19 7,42
700 115,1 112,1 6,72 8,27
800 134,7 131,8 7,23 9,15
900 155,2 152,5 7,72 10,01
1000 176,7 174,3 8,20 10,90
1100 199,2 197,2 8,64 11,75
1200 222,7 221,0 9,08 12,62
188
Приложение 4
УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ И ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ
СТАЛЕЙ И ЧУГУНОВ
Темпера- тура, *С Теплоемкость, Дж/(кг«*С)] Теплопроводность, Вт/(м»®С)
Сталь 20 Сталь Х18Н9В Чугун Сталь 20 Сталь Х18Н9В Чугун
0 480 500 537 51,9 15,9 53,2
100 486 511 544 51,1 16,3 50,6
200 502 523 551 48,5 17,2 48,6
300 519 532 558 44,4 18,4 46,5
400 540 540 656 42,7 20,1 45,1
500 561 553 586 39,3 21,7
600 590 569 607 35,6 23,8
700 628 578 640 31,9 25,6
800 703 586 691 25,9 26,7
900 703 595 712 26,4 26,7 —
1000 695 599 720 27,7 28,0 —
1100 691 603 731 28,5 28,8
1200 687 607 907 29,8 29,7 —
Приложение 5
ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
И ИЗДЕЛИЙ
Наименование Объемная масса, кг/м8 Максимальная температура при- менения, °C Допустимый пре- дел прочности на сжатие, МПа Средняя удельная теплоемкость, кДж/(кг.°С) Т еплопрово дность, Вт/(м-вС)
Диатомитовая засыпка Диатомитовый кирпич: 600 900 — 0,85 0,7
«500» 500 900 0,59 0,92 0,116+0,000151
«600» 600 900 0,79 0,92 0,151+0,00031
«700» «Перлиталь»: 700 900 0,98 0,92 0,174+0,00031
«200» 200 900 0,25 — 0,116 при 300° С
«225» 225 900 3,0 — 0,118 при 300°С
«250» 250 900 3,5 — 0,120 при 300° С
Листовой асбест 1000 450 — — 0,157+0,00021
Совелитовые плиты 400 500 — — 0,079 + 0,00011
Шлаковая вата 200 600 — — 0,079 + 0,00011
Стеклянная вата 150 400 — — Ю,07
Известково-кремнеземи- стые плиты 250 600 — — 0,075 при 100° С
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие........................................................ 3
Раздел I
Основы механики печных газов и основы теплопередачи
Глава I. Основы механики печных газов............................... 5
§ 1. Общие сведения............................................. 5
§ 2 Определение напоров........................................ 7
§ 3. Уравнение Бернулли......................................... 8
§ 4. Определение потерянного напора............................. 9
§*5. Истечение газов через отверстия ........................... 9
§ 6. Движение газов в печах.................................... 11
§ 7. Устройства для создания тяги в печах...................... 13
§ 8. Понятие о теории подобия.................................. 14
Глава 11. Основы теплопередачи..................................... 16
§ 1. Общие сведения............................................ 16
§ 2. Теплопроводность.......................................... 18
§ 3. Конвективный теплообмен................................... 24
§ 4. Теплообмен излучением................................... 27
§ 5. Теплопередача............................................. 32
Глава III. Нагрев металла.......................................... 34
§ 1. Окисление и обезуглероживание металла..................... 34
§ 2. Основы рациональной технологии нагрева металла .... 36
§ 3. Расчет нагрева металла.................................... 37
Раздел II
Топливо и его сжигание
Глава IV. Общая характеристика и расчеты горения топлива .... 39
§ 1. Общие сведения............................................ 39
2. Виды и свойства топлива................................... 44
3. Расчеты горения топлива................................... 47
Глава V. Основы теории горения и устройства для сжигания топлива 55
§ 1. Общие сведения............................................ 55
§ 2. Тепловая теория горения .................................. 57
§ 3. Цепная теория горения..................................... 58
§ 4. Устройства для сжигания топлива........................... 59
190
Раздел III
Материалы и элементы конструкций печей
Глава VL Огнеупорные и теплоизоляционные материалы................. 65
§ 1. Общие сведения............................................ 65
§ 2. Кремнеземистые огнеупорные материалы...................... 70
§ 3. Алюмосиликатные огнеупорные материалы..................... 72
§ 4. Магнезиальные огнеупорные материалы....................... 75
§ 5. Хромистые огнеупорные материалы........................... 79
§ 6. Углеродистые огнеупорные материалы........................ 79
§ 7. Карбидные огнеупорные материалы........................... 81
§ 8. Легковесные огнеупорные материалы....................... 82
§ 9. Огнеупорные бетоны и растворы............................. 82
§ 10. Теплоизоляционные материалы.............................. 85
§ 11. Металлы, сплавы и строительные материалы................. 86
Глава VII. Утилизация теплоты дымовых газов........................ 88
§ 1. Общие сведения........................................... 88
§ 2. Рекуператоры.............................................. 89
§ 3. Регенераторы.............................................. 93
Раздел IV
Печи и сушила, применяемые в литейных цехах
Глава VIII. Классификация и общая характеристика тепловой работы
печей.............................................................. 95
§ 1. Классификация печей...................................... 95
§ 2. Тепловая работа печей.................................... 97
Глава IX. Индукционные плавильные печи............................ 99
§ 1. Общие сведения........................................... 99
§ 2. Индукционные тигельные печи..............................104
§ 3. Индукционные канальные печи............................. 119
§ 4. Индукционные вакуумные печи............................. 131
Глава X. Дуговые плавильные и электронно-лучевые печи . . ... . 133
§ 1. Общие сведения........................................... 133
§ 2. Дуговые печи для плавки черных металлов.................. 134
§ 3. Дуговые печи для плавки цветных металлов............. . 139
§ 4. Дуговые вакуумные печи................................... 140
§ 5. Электронно-лучевые печи................................. 141
Г лава XI. Вагранки.............................................. 141
§ 1. Конструкция вагранки................................... 141
§ 2. Работа вагранки........................................ 143
§ 3. Горение кокса в вагранке .............................. 144
§ 4. Вагранки на горячем дутье............................ 144
§ 5. Вагранки с охлаждаемым плавильным поясом............... 145
§ 6. Коксогазовые вагранки.................................. 147
§ 7. Расчет вагранки........................................ 147
Глава XII. Пламенные плавильные печи и конвертеры ...... 153
§ 1. Мартеновские печи....................................... 153
§ 2. Печи для плавки алюминия............................... 155
§ 3. Конвертеры.............................................. 157
Г лава XIII. Нагревательные печи.................................. 157
§ 1. Конструкции печей........................................ 157
191
§ 2. Расчет нагревательных элементов печей сопротивления . , . 166
§ 3. Установки для получения защитных атмосфер............... 166
Глава XIV. Сушила............................................... 170
§ 1. Теплотехнические основы сушильного процесса............. 170
§ 2. Тепловой расчет сушил................................... 172
§ 3. Конструкции сушил....................................... 177
Глава XV. Техника безопасности при обслуживании печей и сушил . 181
§ 1. Техника безопасности при работе на газовых печах и сушилах 181
§ 2. Техника безопасности при работе на электрических печах . . 184
Приложения...........................................: : , , 186
ИБ № 1375
Георгий Петрович Долотов
Евгений Александрович Кондаков
ПЕЧИ И СУШИЛА ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Редактор издательства Ю. Л. Маркиз
Технический редактор Т. С. Старых Корректор А. М. Усачева
Переплет художника Е. Н. Волкова
Сдано в набор 16.06.78.
Формат 60 X 90*/ie
Печать высокая.
Тираж 10 000 экз.
Подписано в печать 31.10.78. - Т-18063.
Бумага типографская № 2. Гарнитура литературная.
Усл. печ. л. 12,0. Уч.-изд. л. 11,45.
Заказ 781. Цена 40 к.
Издательство «Машиностроение*, 107885, Москва, 1-й Басманный пер., 3
Московская типография № 8 Союзполиграфпрома
при Государственном комитете СССР
по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. Хохловский пер., 7.