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.
|
|
2.1.2 Основные виды ЭПС непрерывного действия Основные виды ЭПС периодического действия, являющиеся наиболее распространенными, показаны на рис.2.16. Рис. 2.16. Основные виды электрических печей сопротивления (наиболее распространенные В ЭПС непрерывного действия изделия загружаются в печь и, не- прерывно или периодически перемещаясь по длине электропечи, нагре- ваются и выходят с другого конца нагретыми до определенной температуры. Температуры различных точек рабочего пространства в ЭПС непрерывного действия могут быть различными или одинаковыми, однако они не изменяются во времени. Электропечи сопротивления непрерывного действия целесообразно применять в тех случаях, когда имеется установившийся технологический процесс термообработки и требуется провести термообработку большого количества идентичных изделий, т.е. в массовых и крупносерийных производствах. Методические печи должны быть снабжены тем или иным приспособлением для перемещения деталей. Эти печи сложнее печей 102 периодического действия, но зато имеют значительно большую производительность при тех же габаритах и обеспечивают идентичность режима термообработки. Эти ЭПС могут входить в состав единого, полностью меха- низированного агрегата. Например, объединяют закалочную и отпускную ЭПС вместе с закалочным баком, моечной машиной, сушильной ЭПС. В таком агрегате изделие вначале нагревается в закалочной ЭПС, затем поступает в закалочный бак, откуда попадает в моечную машину, где смывается закалочная жидкость (масло), высушивается в сушильной ЭПС и попадает в отпускную ЭПС. Входящие в агрегат установки должны иметь одинаковую произ- водительность, так как производительность агрегата в целом определяется той входящей в его состав установкой, которая имеет самую малую производительность. Такие автоматизированные агрегаты могут входить в состав поточных и автоматических линий. Электропечь непрерывного действия, как правило, имеет несколько тепловых зон с самостоятельным регулированием температуры, что дает возможность создавать различные температурные режимы. Длина зоны обычно равна 1,5 – 2 м, а в тех случаях, когда не требуется обеспечивать заданный график нагрева, длина зоны может быть увеличена до 2,5 – 3 м, и наоборот, когда необходимо точно выдержать заданную кривую нагрева изделий, длину зоны следует уменьшить до 0,8 – 1,2 м. В случае необходимости ЭПС непрерывного действия могут ком- плектоваться камерами охлаждения. Эти печи могут работать с контро- лируемыми атмосферами. При этом с загрузочной и разгрузочной сторон устанавливают так называемые шлюзовые камеры или со стороны разгрузки устанавливается специальный разгрузочный лоток, входящий в рабочую среду закалочного бака, тем самым образуя гидравлический затвор. Электропечь непрерывного действия с рабочей температурой до 700°С часто оборудуют вентиляторами. Нагреватели в электропечах устанавливают на своде, поду и боковых (реже торцевых) стенках. В основном конструкции ЭПС непрерывного действия определяются механизмом перемещения изделий по электропечи. Конвейерные электропечи (рис. 2.17) [18 - 20] являются наиболее распространенным типом ЭПС непрерывного действия. Они применяются в основном для термообработки мелких и средних по габаритам и массе изделий крупносерийного и массового производства, например колец подшипников. 103 Рис. 2.17. Горизонтальная конвейерная электропечь с рабочей температурой 700°С: 1 – загрузочное приспособление; 2 – форкамера со шторками; 3 – конвейерная лента; 4 – кожух; 5 – лоток; 6 – вентилятор; 7 – боковые нагреватели; 8 – подовые нагреватели; 9 – футеровка; 10 – торцовые нагреватели; 11 – привод конвейера Для перемещения изделий внутри рабочего пространства ЭПС применяется конвейер, натянутый между двумя валами, один из которых является ведущим, а другой – ведомым. Для вращения ведущего вала применяется электропривод. Конвейер может быть полностью, вместе с обоими валами, расположен в камере ЭПС. Недостатками в этом случае являются тяжелые условия работы обоих валов конвейера, находящихся в зоне высоких температур, неудобство ремонта из-за плохой доступности, а также трудность загрузки изделий на горячий конвейер. Кроме того, в подобных конструкциях, как правило, валы охлаждаются водой, что приводит к значительным тепловым потерям. Для нагрева и мелких, и крупных изделий до 1150°С могут быть использованы толкательные электропечи (рис. 2.18). На поду в этих ЭПС установлены жароупорные направляющие в виде труб, рельсов или роликового пода, вдоль которых перемещаются поддоны с нагреваемыми изделиями. Расположенный на загрузочном торце печи толкатель вдвигает в электропечь с загрузочного стола очередной поддон с изделиями, и так как поддоны расположены вплотную друг к другу, то приходят в движение все ранее загруженные в печь поддоны. 104 Рис. 2.18. Толкательная электропечь с камерой охлаждения: 1 - толкатель; 2 - дверца с механизмом подъема; 3 - вентилятор; 4 - кожух; 5 - футеровка; 6 - таскатель; 7 - камера охлаждения; 8 - нагреватели; 9 - рельсовый путь После подхода к разгрузочному концу ЭПС поддон либо сам скатывается по наклонному рольгангу, либо захватывается таскателем и направляется им на разгрузочный стол. Основными преимуществами толкательных ЭПС являются достаточно хорошая герметичность, относительная простота, отсутствие транспортирующих механизмов в зоне высоких температур. Недостатком этих ЭПС является наличие массивных поддонов, что ограничивает длину электропечей до 10 – 12 м из-за невозможности перемещения поезда поддонов большей длины. Кроме того, на нагрев поддонов затрачивается до 25 % полезной теплоты. Рольганговые электропечи, передвижение изделий в которых осу- ществляется рольганговым подом (рис. 2.19), являются наиболее уни- версальными среди ЭПС непрерывного действия. В рольганговых печах могут быть обработаны изделия, разнообразные по форме и массе. Уве- личение длины электропечи не сказывается на надежности ее работы. Для перемещения по электропечи изделия загружаются непосредственно на рольганг или в специальные жароупорные поддоны, которые помещаются на рольганг. Рольганговые ЭПС могут комплектоваться загрузочным столом или загрузочным механизмом, камерой загрузки, камерой охлаждения, закалочным баком, разгрузочным столом или разгрузочным механизмом, разгрузочной камерой, кантователем, транспортером возврата поддонов. 105 Рис. 2.19. Рольганговая электропечь: 1 - футеровка; 2 - нагреватель; 3 - рольганг; 4 - кожух; 5 - привод рольганга; 6 - камера охлаждения; 7 - система водоохлаждения; 8 - дверца В карусельных электропечах (рис. 2.20) транспортирующим узлом служит под, выполненный в виде кольца. Под вращается, перемещая изделия в печном пространстве. Карусельные ЭПС используются для низкотемпературного отпуска (до 250°С) стальных изделий, для закалки (до 850°С) мелких стальных изделий, для нагрева под закалку перед штамповкой (до 1150°С) и для нагрева (до 1250°С) под прокатку в металлургии. Эти ЭПС возможно применять на температуры до 1300°С при значительных массах загрузки благодаря тому, что механизмы находятся вне зоны высоких температур. Подина, так же как и рабочая камера может быть керамической и практически не иметь металлических деталей, ограничивающих температуру применения. В карусельных ЭПС можно нагревать изделия сложной конфигурации без поддонов, что не всегда возможно в других печах непрерывного действия. 106 Карусельные ЭПС сравнительно легко могут быть приспособлены для работы с защитной атмосферой. В этом случае оконные проемы оборудуются пламенными завесами и шторками. Недостатком этого вида ЭПС являются определенные трудности, связанные с механизацией загрузки и выгрузки обрабатываемых изделий, так как загрузочный и разгрузочный проемы находятся рядом. По этой же причине эти ЭПС неудобно использовать в поточных линиях Барабанные электропечи (рис. 2.21) предназначены в основном для обработки изделий с максимальным размером до 80 мм, а также для нагрева порошкообразных материалов. Рис. 2.21. Барабанная электропечь с контролируемой атмосферой 1 – механизм загрузки; 2 – загрузочный патрубок; 3 – нагреватели; 4 – кожух; 5 – крышка; 6- муфель; 7 – футеровка; 8 – привод муфеля; 9 – закалочный бак Перемещение нагреваемых изделий или порошка через электропечь осуществляется во вращающемся барабане-муфеле. Внутри муфеля находятся непрерывные ребра, расположенные по винтовой линии с определенным шагом по всей длине. В этом случае при каждом обороте муфеля обрабатываемые изделия перемещаются на один виток. Возможен барабан и без ребер для передвижения изделий. В этом случае необходимо расположить барабан наклонно под углом 1 – 5° в сторону разгрузки. 107 Преимущества барабанных ЭПС в сравнении с другими ЭПС не- прерывного действия состоят в том, что они имеют сравнительно высокие технико-экономические показатели из-за отсутствия затрат теплоты на нагрев вспомогательных транспортных средств; легко встраиваются в автоматические и поточные линии; не требуют каких-либо дополнительных транспортных приспособлений; легко герметизируются и тем самым приспособлены для использования их с контролируемыми атмосферами; в этих ЭПС обеспечивается высокое качество термообработки, так как благодаря непрерывному перемешиванию все детали находятся в одинаковых температурных условиях. Недостатками этих ЭПС являются сравнительно низкая произво- дительность, обусловленная невозможностью обеспечения полного за- полнения барабана, а также ограниченная длина барабана. Кроме того, в этих ЭПС имеется повышенный расход дорогих дефицитных жароупорных сталей. Нагреваемые в барабанных ЭПС изделия не должны быть тонко- стенными и сложной формы, так как при транспортировке изделий через печь на них могут появиться забоины и вмятины. Эти ЭПС наиболее целесообразно применять в условиях массового и крупносерийного производства, например при термообработке шариков, роликов, гаек, колец, осей и т.д. Максимальная рабочая температура барабанных ЭПC 1000°С, на ограничена работоспособностью металлического муфеля. Протяжные электропечи (рис. 2.22) предназначены для нагрева проволоки, ленты, тонкого листа, труб большой протяженности. В процессе обработки нагреваемый металл непрерывно протягивается через печь с помощью размоточно-намоточных механизмов. Преимуществом протяжных ЭПС является высокая равномерность нагрева и как следствие этого – высокое качество обработки в сравнении с нагревом в бухтах или рулонах. Недостатком этих ЭПС является их сравнительно большая длина. Протяжные ЭПС бывают горизонтальные и вертикальные. В целях получения более высокой производительности электропечей и сокращения их длины ЭПС делаются многорядными, т. е. через одну печную камеру протягивается одновременно несколько рядов проволоки, ленты или труб. Для увеличения рядности ЭПС выполняются многоэтажными – с печными камерами, расположенными одна над другой. Кроме того, используется также многократное прохождение проволоки или ленты (многоходность) через одну или несколько рядом стоящих ЭПС. 108 Рис. 2.22. Протяжная электропечь для термообработки проволоки: 1 — ролики; 2 — футеровка; 3 — муфель; 4 — нагреватели; 5 — крышка; 6 — кожух электропечи с ручьевым подом Кроме термообработки проволоки, ленты и других изделий из черных и цветных металлов протяжные ЭПС нашли весьма широкое применение для сушки и полимеризации лаков или пластмасс. Ручьевые электропечи (рис. 2.23) предназначаются в основном для закалки стальных изделий массового производства, например колец подшипников, втулок, звеньев траков. Рис 2.23. Схема электропечи с ручьевым подом Основным преимуществом ручьевых ЭПС является отсутствие затрат теплоты на нагрев вспомогательных транспортирующих устройств; возможность поштучной механизированной выдачи изделий из печи, что позволяет согласовать работу ЭПС с подачей на закалочные прессы. Вследствие простой конструкции эти ЭПС весьма надежны в эксплуатации. 109 Недостатками ручьевых ЭПС являются возможность использования их только для изделий цилиндрической формы с размерами, соответствующими размерам ручья подовой плиты, а также трудности в освобождении печной камеры от обрабатываемых изделий при прекращении подачи их к ЭПС или остановках в работе. Как правило, освобождение производится специальными балластными деталями. Изделия в этих ЭПС располагаются в ручьях (желобах) подовой плиты и передвигаются (перекатываются) в них через рабочее пространство под действием толкающего механизма. Туннельные электропечи. Главным преимуществом туннельных ЭПС (рис. 2.24) является то, что их металлоконструкции (ходовая часть тележек и рельсы) отделены футеровкой тележки от рабочей камеры печи (зоны наибольших температур). Кроме того, эти ЭПС могут иметь весьма большую производительность. Рис. 2.24. Схема туннельной электропечи Недостатком этих ЭПС является наличие футерованных тележек, которые обладают большой массой и, следовательно, требуют больших затрат на их нагрев; для возврата тележек требуются специальные ме- ханизмы и площади. Кроме того, частые нагревы и охлаждения тележек приводят к растрескиванию их футеровки и преждевременному выходу из строя. Туннельные ЭПС бывают однорядными и многорядными. Приме- няются они в основном в огнеупорной промышленности для обжига керамики до 1300°С, хотя в отдельных случаях используются для сушки при температуре до 300°С сварочных электродов. Для улучшения технико-экономических показателей этих ЭПС используется рекуперация теплоты. Так, в трехрядных ЭПС в крайних рядах загрузки перемещаются в направлении, противоположном движению в центральном ряду. Начальная стадия нагрева загрузки происходит в крайних рядах, конечная – в центральном. В этом случае часть теплоты от изделий, находящихся в центральном ряду, передается изделиям, находящимся в крайних рядах. 110 2.2. Тепловые и электрические расчеты электрических печей сопротивления 2.2.1 Тепловой расчет электрических печей сопротивления 2.2.1.1 Определение времени нагрева и остывания изделий в печах периодического действия Время, проводимое изделием в печи, в общем случае состоит из времени его нагрева до заданной температуры, времени выдержки при этой температуре и времени остывания. Во многих случаях изделие остывает вне печи, и это время, следовательно, не входит в цикл ее работы, время выдержки также иногда отсутствует или сводится к минимуму — к времени, необходимому для выравнивания температур в изделиях. Температурный режим, а следовательно, и время нагрева, выдержки и остывания изделий, определяется технологическим процессом и, таким образом, должно быть задано конструктору печи технологами на основе имеющегося опыта нагрева аналогичных деталей в уже эксплуатирующихся печах. Часто, однако, эти данные являются весьма ориентировочными и требуют проверки; кроме того, иногда технологи ограничиваются тем, что задают лишь время выдержки и максимальные допустимые скорости нагрева и остывания изделий. В электрических печах сопротивления косвенного действия, так же как и в пламенных, нагрев изделий происходит от поверхности внутрь. Если этот процесс идет слишком быстро, то перепад между температурами на поверхности изделия и внутри устанавливается чересчур большой, что вызывает значительные термические напряжения в материале и может, привести к его растрескиванию. При остывании отжигаемых изделий также необходимо, чтобы не было больших перепадов температур между внутренними и наружными частями изделий, и, кроме того, следует обеспечить нужное время для проходящих в материале при отжиге процессов. Именно исходя из этих соображений, технологи и дают максимально допустимые скорости нагрева и остывания изделий. Задача конструктора печи заключается в том, чтобы выбрать оптимальные скорости нагрева и остывания, которые не превосходили бы заданные максимально до- пустимые скорости, обеспечивали бы заданную производительность печи и в то же время обусловливали приемлемые мощности и размеры печей. Поэтому при проектировании электрических печей часто приходится уделять внимание и вопросу определения времени нагрева и остывания изделий. Время нагрева определяется по-разному для тонких и массивных изделий. Теплотехнически тонким будем называть изделие, скорость нагрева которого практически не отличается от скорости нагрева изделия из 111 материала с бесконечно большой теплопроводностью, у которого внутренний перепад температур всегда близок к нулю; изделия, при расчете которых нельзя пренебречь внутренним перепадом температур, будем называть теплотехнически массивными. Степень массивности тела зависит не только от его толщины, но и от его теплопроводности (чем больше коэффициент теплопроводности, тем меньше сопротивление распространению теплового потока внутри тела, тем меньше внутренние перепады температур), и от коэффициента теплоотдачи на его поверхности (от значения последнего зависит наружный перепад температур), а следовательно, и от температуры печи, определяющей собой коэффициент теплоотдачи. С учетом этого степень массивности тела может быть охарактеризована числом Био, выражающим собой отношение внутреннего термического сопротивления к внешнему При малых значениях числа Био наружный перепад температур намного больше внутреннего, изделие ведет себя как тонкое, при больших, наоборот, превалирует внутренний перепад и изделие ведет себя как массивное. Как показал Г. П. Иванцов, при значении числа Био Bi=2 наступает равенство обоих перепадов, наружного и внутреннего, однако и при существенно меньших значениях Bi пренебречь внутренним сопротивлением тела при расчете времени нагрева нельзя. При Bi<<0,25 мы имеем дело с практически тонкими изделиями, при Bi>0,5 — область массивных изделий, наконец, интервал 0,25 |