Электротермические процессы и установки. Учебное пособие по теоретическому курсу. Учебное пособие по теоретическому курсу Под ред. В. Н. Тимофеева, Е. А. Головенко, Е. В
 Скачать 7.73 Mb.
|
|
1.2.4 Жаропрочные материалы Ряд деталей печей, находящихся в рабочем пространстве, т. е. в зоне высоких температур, испытывает большие механические нагрузки. Это подовые плиты, тигли, муфели, различные экраны, загрузочно-разгрузочные устройства, транспортирующие устройства, крепления нагревателей и т. д. К материалам, из которых изготовляются эти детали, предъявляются определенные требования: 1.Достаточная жаростойкость (окалиностойкость). Под жаростойкостью понимается способность материалов сопротивляться коррозионному воздействию газов при высоких температурах; 2. Достаточная жаропрочность. Жаропрочность характеризуется сопротивлением ползучести, определяющейся пределом ползучести σ n , т. е. тем напряжением, которое вызывает заданную деформацию за срок службы детали при рабочей температуре, и длительной прочностью, определяющейся пределом длительной прочности σ дn , т. е. напряжением, при котором в результате ползучести материал разрушается за определенное время при данной температуре; 3. Достаточная технологичность. Материал должен волочиться, кататься, свариваться, подвергаться механической обработке; 4. Достаточная дешевизна и недефицитность. В зависимости от свойств стали и сплавы, применяемые в печестроении, подразделяют на следующие группы: 5. Коррозионностойкие (нержавеющие), к которым относятся стали 55 и сплавы, обладающие стойкостью против электрохимической коррозии (атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной, солевой, морской и др.); 6 Окалиностойкие (жаростойкие), к которым относятся стали и сплавы, обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах выше 550°С, работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии; 7. Жаропрочные, к которым относятся стали и сплавы, работающие в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной окалиностойкостью. Самыми распространенными в электропечестроении являются хро- моникелевые стали и сплавы. Эти металлы имеют высокие жаростойкость и жаропрочность, хорошо обрабатываются. До 800°С целесообразно применять стали с содержанием хрома около 18 %, а никеля 9-10 %. Это стали 08Х18Н10, 12Х18Н9, 17Х18Н9 и 12Х18Н9Т, которые отличаются друг от друга содержанием углерода, а также титана. Для 1000 - 1100°С применяются стали 20Х23Н18, 20Х25Н20С2. На эти же температуры имеются литейные стали 40Х24Н12СЛ и 20Х25Н19С2Л. Для 1100 - 1200°С применяются высоколегированные сплавы ХН77ТЮ, ХН60Ю, ХН70Ю и Х28Н48В5Л. Теплопроводность хромоникелевых сталей и сплавов ниже, чем хромистых и углеродистых сталей: она, так же как теплоемкость, зависит от температуры. Эти стали и сплавы хорошо свариваются и обрабатываются. Они нашли широкое применение при изготовлении деталей печей, работающих при высоких температурах и механических нагрузках. Недостатком их в сравнении с хромистыми сталями является большой температурный коэффициент линейного расширения, т. е. склонность к короблению, а также значительно большая стоимость. Наряду с жаропрочными сталями и сплавами некоторое применение нашли более дешевые жаропрочные чугуны с содержанием хрома до 10 %, никеля - до 20 % и кремния 2 - 3 %.. Эти чугуны могут работать до 800°С, не коробясь. Увеличение в составе чугуна хрома до 25 —30 % дает возможность работать до 1000°С в ненагруженном со стоянии. Кроме того, имеются хромоалюминиевые чугуны, которые можно, например, использовать при изготовлении подовых плит, работающих до 900°С. 56 Для увеличения жаростойкости сталей используется их алитирование, т. е. насыщение поверхности алюминием, что позволяет применять простые и малолегированные стали при достаточно высоких температурах в деталях, имеющих малые нагрузки. В высокотемпературных печах с окислительной атмосферой при 1000 — 1350°С применяются карборундовые детали. Карборунд имеет доста- точную теплопроводность, близкую к теплопроводности стали, но значительно меньшую прочность. Из карборунда изготовляют на пример, подовые плиты, направляющие толкательных печей. В высокотемпературных вакуумных печах и в печах с контролируемыми атмосферами для изготовления жаропрочных деталей применяются графит, молибден, вольфрам. Из этих материалов делают экраны, различные крепежные детали. 1.2.5 Материалы для нагревательных элементов электропечей сопротивления Нагревательные элементы имеют самую высокую температуру в печи и, как правило, предопределяют работоспособность установки в целом. К этим материалам предъявляются следующие требования: 1. Достаточная жаростойкость (окалиностойкость). 2. Достаточная жаропрочность - механическая прочность при высоких температурах, необходимая для того, чтобы нагреватели могли поддерживать сами себя. 3. Большое удельное электрическое сопротивление. Чем меньше удельное электрическое сопротивление, тем больше длина нагревателя и меньше его поперечное сечение. Сечение нагревателя должно быть достаточно большим для обеспечения необходимого срока службы. Длинный нагреватель не всегда возможно разместить в печи. Таким образом, желательно, чтобы материалы нагревательных элементов имели высокое значение удельного электрического сопротивления. 4. Малый температурный коэффициент сопротивления. Данное требование должно выполняться для того, чтобы мощность, выделяемая нагревателями в горячем и холодном состояниях, была одинаковой или отличалась незначительно. Если температурный коэффициент сопротивления велик, для включения печи в холодном состоянии приходится использовать трансформаторы, дающие в начальный момент пониженное напряжение. 5. Постоянство электрических свойств. Некоторые материалы, например карборунд, с течением времени стареют, т. е. увеличивают 57 электрическое сопротивление, что усложняет условия их эксплуатации. Требуются трансформаторы с большим количеством ступеней и диапазоном напряжений. 6. Обрабатываемость. Металлические материалы должны обладать пластичностью и свариваемостью, чтобы из них можно было изготовить проволоку, ленту, а из последних - сложные по конфигурации нагревательные элементы. Неметаллические нагреватели прессуются или формуются, с тем чтобы нагреватель представлял собой готовое изделие. Основными материалами для нагревательных элементов являются сплавы на основе железа, никеля, хрома и алюминия. Это, в первую очередь, — хромоникелевые, а также железохромоалюми-ниевые сплавы. Свойства и характеристики этих сплавов представлены в [22]. Двойные сплавы состоят из никеля и хрома (хромоникелевые сплавы), тройные - из никеля, хрома и железа (железохромоникелевые сплавы). Тройные сплавы - дальнейшее развитие хромоникелевых сталей, так как Х23Н18, Х15Н60-Н применяются примерно до 1000°С. Двойные сплавы - это, например, Х20Н80-Н. Они образуют на поверхности защитную пленку из окиси хрома. Температура плавления этой пленки выше, чем самого сплава; пленка не растрескивается при нагреве и охлаждении. Эти сплавы имеют хорошие механические свойства как при низких, так и при высоких температурах, они крипоустойчивы, пластичны, хорошо обрабатываются, свариваются. Хромоникелевые сплавы имеют удовлетворительные электротехнические свойства, не стареют, немагнитны. Основной их недостаток — высокая стоимость и дефицитность, в первую очередь никеля. Поэтому были созданы желе зохромоалюминиевые сплавы, содержащие железо, хром и до 5 % алюминия. Эти сплавы могут быть более жаростойкими, чем хромоникелевые, т. е. могут работать до 1400°С (например, сплав Х23Ю5Т). Однако эти сплавы достаточно хрупки и непрочны, особенно после пребывания при температуре, большей 1000°С. Поэтому после работы нагревателя в печи его нельзя вынуть и отре- монтировать. Данные сплавы магнитны, могут ржаветь во влажной атмосфере при нормальной температуре. Они имеют низкое сопротивление ползучести, что должно быть учтено при конструировании из них нагревателей. Недостатком этих сплавов является также их взаимодействие с шамотной футеровкой и окислами железа. В местах соприкосновения этих сплавов с футеровкой при температуре эксплуатации выше 1000°С футеровка должна быть выполнена из высокоглиноземистого кирпича или покрыта' специальной высокоглиноземистой обмазкой. Во время эксплуатации эти нагреватели существенно удлиняются, что также должно 58 быть учтено при конструировании, т. е. необходимо предусматривать возможность их удлинения. Представителями этих сплавов являются Х15Ю5 (температура применения - около 800°С); Х23Ю5 (1200°С); Х27Ю5Т (1300°С) и Х23Ю5Т (1400°С). В последнее время разработаны сплавы типа Х15Н60Ю3 и Х27Н70ЮЗ, т. е. с добавлением 3 % алюминия, что значительно улучшило жаростойкость сплава, а наличие никеля практически исключило имеющиеся у железохромо-алюминиевых сплавов недостатки. Сплавы Х15Н60ЮЗ, Х27Н60ЮЗ не взаимодействуют с шамотом и окислами железа, достаточно хорошо обрабатываются, механически прочны, нехрупки. В высокотемпературных печах используются неметаллические нагреватели: карборундовые и из дисилицида молибдена. Для печей с защитной атмосферой и вакуумных используются угольные и графитовые нагреватели. Нагреватели в этом случае выполняются в виде стержней, труб и пластин. В высокотемпературных вакуумных печах и печах с защитной атмосферой применяются нагреватели из молибдена и вольфрама. Нагреватели из молибдена в вакууме могут работать до 1700°С, а в защитной атмосфере - до 2200°С. Температура применения в вакууме ниже, что объясняется испарением молибдена. Нагреватели из вольфрама могут работать до 3000°С. В отдельных случаях применяются нагреватели из ниобия и тантала. Нагревательные элементы большинства промышленных печей выполняются либо из ленты, либо из проволоки (рис. 1.30 – 1.34). Обычно для изготовления нагревателей промышленных печей применяется проволока диаметром от 3 до 7 мм. Однако для печей с рабочей температурой 1000° С и выше следует брать проволоку диаметром менее 5 мм. Соотношения между шагом спирали и ее диаметром и диаметром проволоки выбирают таким образом, чтобы облегчить размещение нагревателей в печи, обеспечить достаточную их жесткость и в то же время не затруднить чересчур теплоотдачу от них к изделиям. Чем больше диаметр спирали и чем гуще ее шаг, тем легче разместить в печи нагреватели, но с увеличением диаметра уменьшается прочность спирали, увеличивается склонность ее витков лечь друг на друга. С другой стороны, с увеличением густоты намотки увеличивается экрани- рующее действие обращенной к изделиям части ее витков на остальные и, следовательно, ухудшается использование ее поверхности. Практика установила вполне определенные, рекомендуемые соотношения между диаметром проволоки, шагом и диаметром спирали для проволоки от 3 до 7 мм диаметром. Эти соотношения следующие: h ≥2 d и 59 D = (6 ÷8) d для нихрома и D = (4 ÷ 6) d - для менее прочных железохромоалюминиевых сплавов. Здесь T - шаг спирали, D – диаметр спирали, d — диаметр проволоки. Для более тонких проволок отношение диаметров спирали и проволоки, а также шаг спирали обычно берутся больше. Значительно распространены спиральные нагреватели на керамических трубках. Такие нагреватели с точки зрения излучения и размещения мощности на стенках печи практически почти эквивалентны свободно излучающим спиралям и, наоборот, они существенно эффективнее, чем спирали в пазах и полочках. а б Рис. 1.30. Эскизы проволочных и ленточных нагревателей с обозначением основных а – проволочный зигзагообразный; б – то же ленточный; в – спиральный Конструкция проволочных спиральных нагревателей на керамических трубках является универсальной и с точки зрения применения материалов, и по расположению нагревателей в камере печи. Отношение внутреннего диаметра спирали к наружному диаметру трубки у таких нагревателей может быть принято равным примерно 1,1−1,2, расстояние между осями трубок 1,5 − 2 диаметра спирали. Обычно для изготовления нагревателей промышленных печей применяется проволока диаметром от 3 до 7 мм. 60 Однако для печей с рабочей температурой 1000° С и выше следует брать проволоку диаметром менее 5 мм. Соотношения между шагом спирали и ее диаметром и диаметром проволоки выбирают таким образом, чтобы облегчить размещение нагревателей в печи, обеспечить достаточную их жесткость и в то же время не затруднить чересчур теплоотдачу от них к изделиям. Чем больше диаметр спирали и чем гуще ее шаг, тем легче разместить в печи нагреватели, но с увеличением диаметра уменьшается прочность спирали, увеличивается склонность ее витков лечь друг на друга. С другой стороны, с увеличением густоты намотки увеличивается экранирующее действие обращенной к изделиям части ее витков на остальные и, следовательно, ухудшается использование ее поверхности. Рис. 1.31 – Конструкции ленточных нагревателей: а - ленточные зигзагообразные нагреватели на боковой стенке на металлических крючках; б - ленточный зигзагообразный нагреватель в поду; в - то же в своде; г - то же на керамических полочках; д - выемной высокотемпературный рамочный элемент; е - низкотемпературный рамочный элемент; ж - нагреватель «плоская волна» на керамических трубках; з - ленточный зигзагообразный нагреватель на выемных крючках; и - условное обозначение размеров ленточного зигзагообразного нагревателя Практика установила вполне определенные, рекомендуемые соотношения между диаметром проволоки, шагом и диаметром спирали для проволоки от 3 до 7 мм диаметром. Эти соотношения следующие: h≥2d и 61 D = (6 ÷8)d для нихрома и D = (4 ÷ 6) d - для менее прочных железохромоалюминиевых сплавов. Здесь T - шаг спирали, D - диаметр спирали, d - диаметр проволоки. Для более тонких проволок отношение диаметров спирали и проволоки, а также шаг спирали обычно берутся больше. Значительно распространены спиральные нагреватели на керамических трубках. Такие нагреватели с точки зрения излучения и размещения мощности на стенках печи практически почти эквивалентны свободно излучающим спиралям и, наоборот, они существенно эффективнее, чем спирали в пазах и полочках. Конструкция проволочных спиральных нагревателей на керамических трубках является универсальной и с точки зрения применения материалов, и по расположению нагревателей в камере печи. Отношение внутреннего диаметра спирали к наружному диаметру трубки у таких нагревателей может быть принято равным примерно 1,1 −1,2, расстояние между осями трубок 1,5 − 2 диаметра спирали. Ленточные нагреватели выполняются в виде зигзагов различных размеров и крепятся на металлических (из жароупорной стали или нихрома) или керамических крючках. Рис. 1.32– . Конструкции проволочных спиральных нагревателей на керамических трубках: 62 а - сводовые нагреватели; б - трубки на боковых стенках, крепление на жароупорных подвесках; в - то же в пазах керамических столбиков; г - трубки в поду Чем гуще ленточные зигзагообразные нагреватели, тем более длинный нагреватель можно разместить в печи, но тем больше взаимоэкранирование витков, тем хуже используется поверхность ленты. Поэтому установились принятые размеры ленточных зигзагообразных нагревателей, обеспечивающие достаточную их прочность и малое взаимоэкранирование. Наиболее употребительное отношение ширины ленты к ее толщине равно 10. Для температур на нагревателе до 1000° С в промышленных печах применяют ленту размером не менее 1 х 10 мм, при более высоких температурах -не менее 2 х 20 мм. Рис. 1.33 – Проволочные нагреватели: а - проволочный зигзагообразный нагреватель на боковой стенке на металлических крючках; б - проволочный зигзагообразный нагреватель в поду; в - то же в своде; г - то же на керамических полочках; д - проволочная спираль на выступающих кирпичах боковой стены с привязкой к крючкам; е - проволочная спираль в сводовых камнях и в пазах пода; ж - проволочная спираль на керамических полочках; з - проволочная спираль на керамической трубке; и - вывод проволочного нагревателя; к - условное обозначение размеров проволочного нагревателя 63 Рис. 1.34 -- Эскизы карборундовых нагревателей а – целый нагреватель; б – составной нагреватель Рис. 1.35 – Эскизы нагревателей из дисилицида молибдена а - с прямыми выводами; б - с выводами, отогнутыми под углом 90º В ЭПС с номинальной температурой 1350°С применяются карборундовые нагреватели (SiC) (рис. 1.34), а в ЭПС с номинальной температурой 1700°С - нагреватели, изготовленные из дисилицида молибдена (MoSi2) (рис. 1.35) и хромит лантана (рис. 1.36). Рис. 1.36 – Электронагреватель хромитлантановый спиральный Обозначение в марках стали и сплавов. Две первые цифры марки указывают содержание углерода в сотых долях процента. Буквы за цифрами означают: С - кремний, Х - хром, Н - никель, Ю - алюминий, Т - титан, Г - марганец, М - молибден, К - кобальт, В - вольфрам, Ц - цирконий, Р - бор, А - азот. 64 Цифры, стоящие после букв, указывают примерное содержание леги- рующего элемента в процентах. Отсутствие цифр указывает, что содержание этого элемента не превышает 1,5 %. В конце буква А означает высококачественная (ый), Н - для нагревательного элемента, Л - литая (ой). 65 1.3 Рациональная эксплуатация электрических печей сопротивления. Стоимость процессов нагрева или плавления материалов или изделий в электрических печах сопротивления во многих производствах является весьма существенной составляющей стоимости выпускаемой продукции. Печи сопротивления являются крупным потребителем электроэнергии, а на многих заводах даже одним из основных, поэтому организация рациональной эксплуатации таких печей имеет существенное значение. Снижение себестоимости проводимых в электрических печах процессов нагрева может быть осуществлено в первую очередь в результате: а) повышения производительности печи; б) повышения надежности работы печей, снижения количества и длительности простоев, вызванных авариями печей; в) снижения удельного расхода электроэнергии. Ввиду того, что проводимые в электрических печах процессы являются весьма энергоемкими, главным путем уменьшения себестоимости процесса нагрева является снижение удельного расхода электроэнергии, и способы, позволяющие его достигнуть, являются основными для повышения эффективности работы электропечей сопротивления. Однако отделить их от двух других путей, указанных выше, очень трудно, так как все они тесно связаны друг с другом. Так, повышение производительности печи приводит к экономии электроэнергии; повышение стойкости и срока службы нагревателей приводит как к повышению надежности работы печи, так и к увеличению производительности труда и снижению удельного расхода энергии (за счет уменьшения числа простоев на ремонт); автоматизация температурного режима печи опять-таки приводит как к сокращению эксплуатационного персонала (обслуживание каждой бригадой большего числа печей), так и к повышению надежности работы и к экономии энергии. Поэтому представляется целесообразным совместное рассмотрение всех этих путей, ведущих к рациональной эксплуатации электрических печей сопротивления. Для этой цели необходимо рассмотреть следующие мероприятия: 1) обеспечение надежности работы электротермического оборудования; 2) повышение производительности печей; 3) уменьшение тепловых потерь печей; 4) уменьшение потерь на аккумуляцию тепла; 5) использование тепла нагретых изделий и тары. Надежность работы всякой электрической печи сопротивления определяется главным образом стойкостью ее нагревательных элементов и жароупорных деталей. Правильный расчет нагревательных элементов и 66 правильная их эксплуатация, в первую очередь работа их при рекомендуемых, а не максимально допустимых температурах, и правильный выбор их сечений обеспечат устойчивую работу нагревателей в течение нескольких лет. Аналогично этому правильный выбор марки стали, соответствующей по своим свойствам условиям работы жароупорных деталей, позволит также обеспечить длительную надежную работу печи. Например, жароупорные муфели имеют срок службы, в несколько раз больший по сравнению с муфелями из углеродистой стали. При высоких температурах следует всегда при этом предпочесть литые детали, имеющие большую стойкость. Например, в конвейерных печах на 850-900ºC срок службы литых звеньев конвейера составляет 2-3 года против 6 мес. Для штампованных звеньев при увеличенной лишь на 50-100% массе. Производительность электрических печей сопротивления очень сильно влияет на их к.п.д. и удельный расход энергии. Потребляемая электропечью из сети энергия расходуется на полезное тепла (нагрев изделий) и на тепловые потери. Полезно используемое тепло пропорционально производительности печи, тогда как тепловые потери последней в большей своей части являются постоянными (мощность холостого хода). При снижении производительности печи ее тепловые потери распределяются на меньшее количество изделий и ее к.п.д. падает, а удельный расход энергии возрастает. В табл. 1.8 даны к.п.д. и удельный расход энергии (в процентах к расходу энергии при номинальной нагрузке) в зависимости от производительности печи для случаев, когда мощность постоянных тепловых потерь составляет 25 и 50% мощности печи. Увеличение производительности электропечи сопротивления возможно лишь тогда, когда она обладает известным запасом мощности. Наличие такого запаса может быть проверено сравнением фактической производительности печи с максимально возможной. В течение периода нагрева мощность печи не остается постоянной, так как в конце процесса вступает в действие терморегулятор и снижает ее среднюю мощность. Для процессов, не требующих длительной выдержки, таких как закалка, нормализация, отпуск, нагрев под штамповку и ковку, этот процесс регулирования начинается обычно после того, как прошло 2/3 периода нагрева, причем постепенно средняя мощность печи снижается от номинального значения до значения мощности холостого хода. Поэтому средняя мощность печи за цикл может быть приравнена примерно 85% ее максимального значения. Это же значение средней мощности может быть сохранено и для методических многозонных печей. Часть средней мощности печи пойдет на нагрев изделий, а часть – на покрытие тепловых потерь. Поэтому максимальная часовая производительность печи, кг/ч, может быть определена из следующего выражения 67 ; 85 , 0 В Р P g пот печи макс − = (1.1) здесь Р печи – паспортная мощность печи, может быть проверена по показанию ваттметра или амперметра и вольтметра; Р пот –мощность тепловых потерь печи, берется из ее паспорта или определяется опытным путем по показаниям счетчика при опыте холостого хода печи как Р пот =W сч /τ; В – теоретический расход энергии, кВт·ч/кг, необходимый для нагрева изделий до температуры, требуемой технологическим процессом. При наличии жароупорной тары (поддоны, муфели, горшки и тому подобное) ее теплосодержание, отнесенное к 1 кг массы изделий, включается в значение B. Минимальный удельный расход энергии, кВт·ч/кг, может быть определен делением часового расхода энергии на часовую производительность печи: 85 , 0 85 , 0 85 , 0 пот печи печи макс печи мин Р Р В Р g Р А − = = (1.2) Таблица 1.8 Влияние производительности печи на ее энергетические показатели Показатель Производительность печи, % 5 0 7 5 1 00 1 50 2 00 Тепловые потери печи 25% Коэффициент полезного действия 0 ,6 0 ,69 0 ,75 0 ,83 0 ,875 Удельный расход энергии, %. 1 25 1 08,3 1 00 9 1,6 8 7,5 Тепловые потери печи 50% Коэффициент полезного действия 0 ,33 0 ,43 0 ,5 0 ,6 0 ,67 Удельный расход энергии, %. 1 50 1 16,5 1 00 8 3 7 5 |