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.
|
|
2 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕЧИ СОПРОТИВЛЕНИЯ 2.1 Область применения и классификация. Основные параметры и режимы работы В блоке электротермического оборудования передачи тепловой энергии по методу сопротивления группа электрические печи сопротивления 86 достаточно распространена. Классификация электрических печей сопротивления (ЭПС) представлена на блок-схемах (рис. 2.1, 2.2, 2.3). Рис. 2.1. Классификация электрических печей сопротивления Рис. 2.2. Классификация электрических печей сопротивления 87 Рис. 2.3. Классификация электрических печей сопротивления 2.1.1. Основные виды ЭПС периодического действия Основные виды ЭПС периодического действия, являющиеся наиболее распространенными, показаны на рис. 2.4, 2.5. В ЭПС периодического действия изделия загружаются в рабочее пространство и нагреваются в нем, не перемещаясь. Температуры различных точек рабочего пространства в ЭПС периодического действия в каждый момент времени одинаковы или имеют определенные значения, однако могут изменяться во времени. Широкое распространение электропечей периодического действия (садочных электропечей) обусловлено сравнительной простотой их конструкции, относительно невысокой стоимостью и постоянно увеличивающимся объемом проведения общепромышленных процессов термической обработки в условиях мелкосерийного производства, ремонтно- восстановительных, инструментальных участков. 88 Рис. 2.4. Основные виды электрических печей сопротивления (наиболее распространенные) Рис. 4.5. Схема печей периодического действия: а - камерная с загрузкой через окно; б - камерная с выдвижным подом; в - шахтная; г - элеваторная; д - колпаковая; 1 - каркас печи с футеровкой; 2 - нагреваемые тела (загрузка); 3 - дверца; 4 - загрузочный проем (окно); 5 - выдвижной под; 6 - рельс; 7 - крышка; 8 - опускающийся под; 9 - механизм опускания; 10 - стенд; 11 - съемный колпак Стрелкой показано направление движения загрузки при подаче ее в рабочее пространство печи 89 В отличие от электропечей непрерывного действия электропечи периодического действия предназначаются для обработки часто меняющейся номенклатуры изделий в условиях, когда одна и та же печь нередко применяется для различных видов термообработки, отличающихся уровнем и режимом изменения температуры, продолжительностью процесса, составом атмосферы и другими параметрами. Конструктивное выполнение электропечей общепромышленного назначения имеет целью применение их для наиболее распространенных видов термической обработки, в частности обработки металлов и сплавов. Виды термообработки сталей и цветных металлов определяются типом фазовых и структурных превращений в металле; в их классификации учитывается собственно термическая и химико-термическая обработка. К термической относятся отжиг, закалка, старение, отпуск. При химико- термической обработке изменяется химический состав поверхностного слоя деталей, что обеспечивает необходимое изменение свойств. Цементация, нитроцементация, азотирование, борирование – наиболее распространенные виды химико-термической обработки металлов. Кроме того, электропечи данной группы используются для сушки, обжига керамики, пайки и других технологических процессов. Диапазоны параметров общепромышленных печей – номинальная температура от 250 до 1500°С; размеры и масса обрабатываемых садок соответственно от 300 мм до 3 м и от 80 кг до 10т – отличают общепромышленные электропечи, с одной стороны, от лабораторных и других специальных электропечей, с другой стороны, от крупногабаритных садочных электропечей, предназначенных для многотоннажных изделий (например, в металлургической промышленности или тяжелом машиностроении); атмосфера в рабочем объеме печи – воздушная или специальная контролируемая, в том числе защитная. В промышленных ЭПС могут осуществляться три группы процессов, связанных с нагреванием металла, при проведении которых целесообразно применение контролируемых атмосфер: термическая обработка изделий, химико-термическая обработка изделий и специальные технологические процессы. При термической обработке посредством нагрева до определенной температуры и последующего охлаждения производят желаемое изменение строения металла с целью получения нужных свойств. При высокой температуре происходит взаимодействие поверхности металла с атмосферой электропечи и, в первую очередь, окисление. При обработке сталей одновременно происходит обезуглероживание поверхности. Интенсивность 90 этих двух процессов зависит от температуры, состава обрабатываемой стали и состава атмосферы печи. Отдельные составляющие контролируемых атмосфер по-разному воздействуют на сталь. Так, H 2 обезуглероживает поверхность стальных изделий, СО 2 окисляет ее, H 2 O и O 2 окисляют и обезуглероживают, а CO и CH 4 науглероживают. Зная законы взаимодействия этих газов между собой и с поверхностью обрабатываемого металла, можно подобрать при заданной температуре термической обработки такой состав атмосферы, при котором реакции «окисление - восстановление» и «обезуглероживание - науглероживание» протекают с одинаковой скоростью в обе стороны, т.е. практически не изменяют состав металла. В этом случае атмосфера нейтральна - она не воздействует на поверхность металла и не изменяет ее (такие атмосферы называют обычно защитными). При химико-термической обработке производят поверхностное насыщение стали соответствующим элементом (углеродом, азотом, бором и др.) путем его диффузии из внешней среды при высокой температуре. Химико-термическая обработка заключается в нагреве изделия до заданной температуры в среде, легко выделяющей диффундирующий элемент в атомарном состоянии, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении. В отличие от термической химико-термическая обработка меняет не только структуру, но и химический состав поверхностных слоев металла, что позволяет в более широких пределах изменять его свойства. Наиболее широкое распространение в промышленности нашли три вида химико-термической обработки: цементация, азотирование и нитроцементация. Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Целью цементации является получение твердой и износостойкой поверхности, что достигается обогащением поверхностного слоя углеродом до концентрации 0,8 −1,0% и последующей закалкой с низким отпуском. Цементации обычно подвергаются низкоуглеродистые стали с содержание углерода 0,10−0,20%. Азотированием называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом при нагреве ее в аммиаке. Азотирование повышает твердость поверхностного слоя, его износостойкость и сопротивление коррозии в таких средах, как влажная атмосфера, вода, пар и т.д., а также при температурах до 600 − 650° С. Азотирование проводят в атмосфере аммиака, который при нагреве диссоциирует. Степень диссоциации (отношение числа распавшихся молекул к общему их числу) 91 составляет 15 − 20% при 500 − 520° С и возрастает до 40 − 50% при 600 − 650° С. Азотированию подвергают среднеуглеродистые легированные стали. Нитроцементация - процесс совместного насыщения поверхности стали углеродом и азотом с целью повышения твердости и износостойкости изделий. Нитроцементации обычно подвергают стали с содержанием углерода 0,2−0,4%. Специальными технологическими процессами, при проведении которых используются контролируемые атмосферы, являются пайка и спекание черных и цветных металлов. Наиболее распространенными из садочных электропечей являются камерные и шахтные электропечи на номинальные температуры примерно от 600 до 1000° С с объемами рабочего пространства 0,1 – 0,3 м 3 . Они составляют более половины парка электропечей периодического действия (ЭПДД) общепромышленного назначения. В связи с расширением видов обрабатываемых изделий и технологий термообработки номенклатура конструкций общепромышленных ЭППД постоянно пополняется. Области применения общепромышленных ЭППД для различных технологий по печам разных типов представлены в табл. 2.1. Обычно парк ЭППД термического участка включает ряд электропечей различных типов. При необходимости использования нескольких однородных печей одинакового назначения следует произвести технико- экономическую оценку целесообразности применения для данного случая электропечи непрерывного действия с подсчетом эксплуатационных затрат по термообработке. Электрические печи сопротивления состоят из следующих основных частей [18, 19, 23]: 1. Футеровка печи, состоящая из огнеупорной и теплоизоляционной части; 2. Каркас печи; 3. Жароупорные детали для поддержания или перемещения нагреваемых изделий в печи; 4. Нагревательные элементы и их крепление. Как указывалось ранее, один из наиболее распространенных видов общепромышленных электропечей периодического действия - камерные электропечи (рис. 2.6, 2.7), что объясняется тем, что они разнообразны по конструкции и назначению, удобны в использовании, просты в обслуживании. Выпускают более двух десятков типоразмеров камерных общепромышленных печей с большим диапазоном размеров рабочего пространства на номинальные рабочие температуры от 300 до 1500° С. 92 Камерные печи - агрегаты и комплексы - применяются в мелко- и среднесерийном производстве, обычно имеющем широкую номенклатуру деталей, обрабатываемых сравнительно небольшими партиями, что требует более или менее частого изменения температурного и газового режимов. Камерные ЭПС, как правило, немеханизированы. Для этих печей характерны высокий удельный расход электроэнергии и высокий расход контролируемого газа. Камерные электропечи являются простейшими по конструкции и вместе с тем наиболее универсальными. Рабочее пространство электропечи представляет собой горизонтальную камеру, ограниченную футеровкой, состоящей из огнеупорного и теплоизоляционного слоев. Таблица 2.1 Применение общепромышленных ЭППД Электропечи Технологические процессы Камерные с металлическими нагревателями: низкотемпературные Отпуск, сушка, старение среднетемпературные Отпуск, отжиг, закалка, цементация, нитроцементация, пайка, спекание, нагрев под пластическую деформацию металла с неметаллическими нагревателями Отжиг, закалка, нагрев под ковку, об- жиг керамики, спекание Шахтные безмуфельные Отпуск, старение, отжиг, закалка Шахтные муфельные С выдвижным Цементация, нитроцементация, азоти- рование низкотемпературные Отпуск, старение, сушка среднетемпературные Отжиг, обжиг Колпаковые Отпуск, отжиг, спекание, обжиг Элеваторные Отжиг, спекание 93 Электропечь имеет внешний металлический кожух, выполненный из листовой или профильной стали. Нагреваемые изделия загружаются и выгружаются через отверстие в передней стенке ЭПС; имеется футерованная дверца, закрывающая загрузочное отверстие. Нагревательные элементы могут быть расположены на поду, своде, боковых стенках, реже на задней торцовой стенке и дверце. Делается это для увеличения равномерности температуры в рабочем пространстве. Для размещения изделий, как правило, имеется подовая плита, выпол- ненная из жароупорного металла или карборунда. Электропечи небольших размеров устанавливаются на ножках, большие - непосредственно на полу. Дверцы камерных ЭПС, как правило, выполняются подъемными с ручным или ножным приводом у небольших ЭПС и электромеханическим приводом у крупных. Рис. 2.6. Камерная электропечь на 1260°: 1 - спиральные проволочные нагреватели на керамических трубках; 2 - обмуровка дверцы; 3 - смотровые отверстия; 4 - обрамление дверного проема; 5 - под; 6 - рукоятки винтовых прижимов дверцы в закрытом положении; 7 - керамические фасонные опоры трубок с нагревателями; 8 - упор-ограничитель хода дверцы В ряде камерных ЭПС для увеличения скорости нагрева и улучшения равномерности температур в рабочем пространстве применяются 94 вентиляторы. В нагревательных ЭПС печные вентиляторы применяют до температуры 750°С, в печах для химико-термической обработки - до 1000°С. Камерные электропечи включаются непосредственно в электрическую сеть на напряжение 220 и 380 В или через понижающие трансформаторы. Электропечи с нагревательными элементами из карборунда (рис. 2.8) комплектуются многоступенчатыми понижающими трансформаторами, что позволяет при старении нагревателей, когда повышается их сопротивление, соответственно повышать напряжение и тем самым сохранять необходимую мощность ЭПС. Электропечи с нагревателями из дисилицида молибдена (рис. 2.9, 2.10) должны комплектоваться понижающими трансформаторами, имеющими большой диапазон изменения коэффициента трансформации, в связи с большим различием удельного электрического сопротивления дисилицида молибдена в горячем и в холодном состояниях. Рис. 2.7. Камерная электропечь: 1 - рабочая камера; 2 - огнеупорный слой футеровки; 3 - теплоизоляционный слой футеровки; 4 - кожух; 5 - нагревательные элементы; 6 - футерованная дверца; 7 - подовая плита В конструкциях камерных ЭПС, предназначенных для работы с контролируемой атмосферой, предусматривается «пламенная завеса», принцип действия которой заключается в том, что в расположенную под входным отверстием трубу, имеющую по длине ряд отверстий или прорезь, подается горючий газ. Этот газ, сгорая, своим пламенем отсекает рабочее пространство печи от атмосферы помещения, в котором находится ЭПС. При открывании дверцы количество горючего газа, подаваемое в трубку, увеличивается. Основные конструктивные решения общих для всех камерных электропечей узлов - теплоизоляции (футеровки), нагревателей, дверцы, 95 системы регулирования температуры и атмосферы - определяются главным образом уровнем номинальной температуры печи, а также спецификой, связанной с назначением печи. Определенным недостатком камерных ЭПС являются трудности их герметизации из-за наличия вертикальных щелей между дверцей и обрамлением отверстия в передней торцевой стенке. Шахтные электропечи являются второй по распространенности группой ЭПС периодического действия. Печи этого типа сравнительно небольших размеров рабочего пространства (диаметром примерно от 600 до 1000 мм) используются для тех же целей, что и камерные электропечи широкого назначения -для термической обработки различных изделий и деталей во многих отраслях промышленности. Рис. 2.8. Электропечь с карборундовыми нагревателями: 1 - свод печи; 2 - карборундовые нагреватели; 3 – под печи Рис. 2.9. Внешний вид камерной высокотемпературной печи с нагревателями из дисилицида молибдена 96 Рис. 2.10. Общий вид камерной высокотемпературной печи с нагревателями из дисилицида молибдена: 1- токоподвод; 2 - защитный кожух выводов; 3 - асбестовое уплотнение; 4 - кожух; 5 - нагреватель; 6 - термоизоляция; 7 - огнеупорный слой; 8 - карборундовая подовая плита; 9 - теплоизоляция; 10-экран; 11- кронштейн дверцы; 12 - ручка дверцы; 13 – дверца Печи этого типа сравнительно небольших размеров рабочего пространства (диаметром примерно от 600 до 1000 мм) используются для тех же целей, что и камерные электропечи широкого назначения -для термической обработки различных изделий и деталей во многих отраслях промышленности. Шахтные печи незаменимы при термообработке длинномерных изделий, например валов, штанг, труб, инструмента типа протяжек и другого, обрабатываемых в вертикальном положении. Эти ЭПС, так же как и камерные, просты по конструкции и достаточно универсальны (рис. 2.11, 2.12). Шахтные печи представляют собой футерованную шахту цилиндрической формы. Для вертикальных топливных печей отношение высоты рабочего пространства к диаметру принимается не менее трех. Нагреваемые изделия загружают и выгружают через отверстие вверху шахты. 97 Рис. 2.11 Шахтная электропечь: 1 - нагреватели; 2 огнеупорная кладка; 3 теплоизоляция; 4 крышка печи; 5 вывод нагревателя; 6 - термопара Рис. 2.12. Шахтная электропечь: 1 - механизм подъема и поворота крышки; 2 - крышка; 3 - вентилятор; 4 - футеровка; 5 - направляющие; 6 - экран; 7 - нагреватели; 8 - песочный затвор К недостаткам шахтных печей можно отнести неравномерный нагрев по высоте печи (особенно изделий большой длины). Шахтные ЭПС менее универсальны, чем камерные, но в ряде случаев имеют перед ними преимущества. Колпаковые электропечи (рис. 2.13) представляют собой переносную цилиндрическую или прямоугольную камеру (колпак), открытую снизу, и несколько неподвижных зафутерованных стендов. Количество стендов на один колпак определяется соотношением времени охлаждения и времени нагрева изделий. Так, если они равны, то на один колпак требуется два стенда. 98 Рис. 2.13. Электрическая колпаковая печь: 1 - колпак; 2 - крючки с нагревателями; 3 - муфель На рис. 2.13 показана колпаковая электропечь. Колпак 1 цилиндрической формы футерован нормальным шамотным и диатомитовым кирпичом. На крючках 2 повешены нагреватели из сплавов Х20Н80. Муфель 3 двойной газонепроницаемый сделан из листовой стали. Х23Н18. В муфель вводится защитный газ, состоящий на 0,5 % СО 2 ;, 2 % Н 2 и остальное N 2 Расход газа 2,5 м3 . Масса садки 25 т. Рабочая температура 900°С. Мощность печи 380 кВт. Изделия при помощи цеховых кранов загружают на стенд, после чего также краном над изделиями на стенд устанавливают вначале жароупорный муфель, а за ним основной колпак, выполненный из металлического каркаса с огнеупорным и теплоизоляционным слоями футеровки. Нагреватели располагаются на боковых стенках колпака и на стенде; реже для ускорения нагрева изделий, например бухт проволоки и лент, устанавливается вертикальный внутренний нагреватель. Электрическое напряжение подводится к стенду, а от него разъемными контактами – к нагревателям колпака. К недостаткам шахтных печей можно отнести неравномерный нагрев по высоте печи (особенно изделий большой длины). Шахтные ЭПС менее универсальны, чем камерные, но в ряде случаев имеют перед ними преимущества. 99 Элеваторные электропечи (рис. 2.14) представляют собой прямо- угольную камеру, открытую снизу и установленную неподвижно на колоннах на определенной высоте над уровнем пола цеха. Рис. 2.14. Элеваторная электропечь: 1 — кожух; 2 — футеровка; 3 — боковые нагреватели; 4 — торцовые нагреватели; 5 — платформа с рельсовым путем; 6 — платформа плунжера; 7 — плунжер; 8 — подовые нагреватели; 9 — футеровка тележки; 10 — песочный затвор; 11 — тележка Ниже электропечи расположен подъемный под, движение которого вверх осуществляется гидравлическим или электромеханическим приводом. В случае применения гидравлического привода требуется сооружение глубокого приямка под печью для плунжера. Поэтому при большом рабочем ходе применяется электромеханический привод. Подъемный под представляет собой тележку на катках, имеющую футеровку с огнеупорным и теплоизоляционным слоями. Вне ЭПС на тележку загружают изделия, тележка подъезжает под электропечь и поднимается к камере печи, после чего осуществляется нагрев загрузки. 'По окончании нагрева тележка с загрузкой опускается, откатывается из-под электропечи, и происходит охлаждение загрузки. При отжиге отливок из ковкого чугуна, например, не требуется медленное охлаждение и его можно производить на воздухе. В этом случае целесообразно для каждой ЭПС иметь две тележки. Недостатком элеваторных электропечей является их конструктивная сложность и требование большой высоты цеха. 100 Камерные электропечи с выдвижным подом (рис. 2.15) применяют для термообработки тяжелых сварных, литых и кованых изделий. Рис. 2.15. Общий вид электропечи на 1260° С с выдвижным подом В основном эти ЭПС используют там, где не требуется контролируемая атмосфера. Электропечи состоят из камеры без дна и, как правило, без передней стенки и передвигающейся на катках по рельсам тележки, на которой расположены подина и передняя стенка. На тележку вне ЭПС загружают изделия, после чего тележка с за- грузкой подъезжает под камеру, где происходит нагрев загрузки. Электропитание нагревателей тележки осуществляется гибкими кабелями или «ножевыми» разъемными контактами. При выкатке выдвижного пода из-под камеры нагретые стенки камеры излучают теплоту на фундамент, в связи с чем фундамент должен быть выложен огнеупорным кирпичом или изготовлен из жароупорного бетона. Если охлаждение загрузки возможно вне ЭПС, то целесообразно применять две выкатные тележки на одну камеру. В то время как происходит нагрев загрузки на одной тележке, другая загрузка остывает на другой тележке, там же происходят разгрузка и погрузка изделий. В этом случае потери теплоты резко сокращаются в сравнении с режимом, когда загрузка остывает вместе с печью. Электропечи с выдвижным подом экономичны для термообработки крупных заготовок. Мощность этих печей достигает 5000 кВт. 101 Эти электропечи просты по конструкции, надежны в эксплуатации, достаточно универсальны по применению. Недостатком камерных ЭПС с выдвижным подом является невысокая равномерность нагрева, а также повышенный удельный расход электроэнергии из-за трудности герметизации ЭПС и потерь аккуму- лированной выдвижным подом теплоты. |