Размеры печи

Иногда вместо определения основных размеров печи подбирают типовые размеры печи по каталогам или предложениям заводов-изготовителей. Расчет размеров печи должен производиться по рекомендованной методике, учитывающей теорию работы печей. 5. Составление материального и теплового баланса печи. Составление окончательных материального и теплового баланса печи имеет целью проверить все проделанные ранее расчеты. 6. Расчет газоотводящей системы. Расчет газоотводящей системы печи состоит из выбора схемы обработки газов и расчетов пылеулавливающих устройств, приборов для утилизации тепла отходящих газов, газоходов и боровов, дымовой трубы или дымососной установки. Расчет дымовой трубы или дымососной установки должен производиться на основании полного расчета механики газов по всей газоходной системе 7. Расчет деталей печи и вспомогательного оборудования. Расчет деталей печи содержит в себе расчет приборов для сжигания топлива, расчет крепления печи, трубопроводов, короткой сети, электрических нагревателей, фурм и т. п. Расчет вспомогательного оборудования состоит из выбора воздуходувок, трансформаторов, загрузочных устройств и транспортного оборудования. 8. Конструктивные расчеты и соображения. Конструктивные расчеты и соображения состоят из подбора огнеупорных материалов для кладки всех элементов печи, определения размеров кладки стен и свода, определения конструкции и размеров фундамента печи, решения вопросов компоновки печи и ее обслуживающих устройств в цехе. Данный раздел рекомендуется выполнять параллельно с чертежами печи. 9. Составление схемы контроля и автоматизации. Этот раздел включает в себя выбор параметров работы печи, подлежащих контролю и автоматическому регулированию, подбор и расчет аппаратуры для контроля и автоматизации и ее размещение у печи. 10. Составление спецификации оборудования. Составляется список оборудования, подлежащего изготовлению на специализированных заводах. К такому оборудованию относятся: дымососы, воздуходувки, трансформаторы, горелки и форсунки, приборы контроля и автоматизации и т. д. 11. Технико-экономические расчеты. Технико-экономические расчеты состоят из сметы на сооружение печи, калькуляции себестоимости переработки сырья в печи, экономического обоснования отдельных технических решений и технико-экономических показателей. 12. Перечень использованной литературы и материалов. В перечне указывается вся использованная при расчете литература, проектные материалы, заводские данные и т. п. Чертежи печей выполняются с соблюдением всех правил и стандартов машиностроительного черчения. На одном-двух листах чертежной бумаги стандартного размера изображается общий вид печи в трех основных проекциях: вид сверху, сббку и с торца. Каждая проекция имеет полный или частичный разрез по наиболее важной плоскости. Если печь имеет сложную конфигурацию, даются дополнительные проекции и разрезы. На всех разрезах показывается футеровка печи и разновидность огнеупоров. Кроме общих видов, в техническом проекте делается еще 1—2 листа важнейших деталей печи, как-то: наиболее сложных и ответственных узлов кладки, загрузочных и выпускных отверстий, горелок, подвески электродов, деталей электрических нагревателей и т. п. Расчет печей цветной металлургии и определение их производительности и основных размеров может осуществляться по двум принципиально отличным один от другого, методам — эмпирическому и теоретическому. Эмпирический метод основан на использовании статистических данных заводской практики по удельной производительности и размерам печей. Расчет печи по этому методу сводится к принятию той или иной величины удельной производительности и определению по заданной суточной и принятой удельной производительности рабочей площади печи. Вычисленную таким образом рабочую площадь печи разверстывают на соответствующие линейные размеры рабочего пространства с учетом размеров существующих заводских печей. Таким образом, эмпирический метод по существу своему сводится к копированию имеющейся заводской практики, без глубокого анализа и учета закономерностей протекающих в печи процессов и особенностей перерабатываемого сырья. Основной недостаток эмпирического метода — это присущий ему консерватизм, ограничивающий работу проектировщика печи данным этапом развития печной техники и задерживающий прогрессивное развитие размеров и конструкций печей. Особенно ярко неполноценность этого метода обнаруживается в случае необходимости расчета нового типа печи, не имеющегося в заводской практике. В этом случае эмпирический метод становится совершенно бессильным и не может оказать проектанту никакой помощи. Теоретический метод основан на использовании основных положений теории работы печей и количественных закономерностей процессов, протекающих в печах. В этом методе обязательно учитываются все важнейшие физико-химические свойства перерабатываемого сырья и главные условия развития и протекания процесса горения топлива, движения газов, движения материалов и продуктов, теплообмена и физико-химических превращений сырья. Основные рабочие размеры печей определяв ются здесь по формулам, выведенным на основании учета количественных закономерностей перечисленных выше процессов. Формулы эти по существу своему представляют математическое описание закономерностей протекания процессов в реальных условиях данной металлургической печи. Очевидно, что совершенство теоретического метода расчета печей непосредственно связано с совершенством и глубиной развития теории работы печей и прямо отражает степень познания существа печных процессов. Чем в меньшей степени развита рациональная теория работы печей, тем меньшее значение при проектировании печей имеет теоретический метод их расчета. Слабое развитие теоретического метода расчета печей, связанное с пробелами в теории их работы, — главный недостаток этого метода. Вместе с тем совершенно очевидно, что по своему существу теоретический метод является подлинно научным, который может пролить свет на дальнейшее прогрессивное развитие печной техники. Поэтому всемерное развитие и совершенствование теоретического метода расчета печей является главной и неотложной задачей металлургии и науки о печах. В настоящее время при проектировании металлургических печей широко применяется эмпирический метод. В цветной металлургии эмпирический метод еще господствует в расчетах большого числа различных типов печей. Это объясняется тем, что теоретический метод расчета для печей цветной металлургии только начинает разрабатываться и для ряда печей цветной металлургии до настоящего времени просто отсутствовал. По мере развития теории печей и разработки теоретического метода расчета печей цветной металлургии эмпирический метод будет иметь все меньшее значение и постепенно заменится теоретичен ским, которому принадлежит будущее. Расчеты печей со временем будут доведены до такой же степени совершенства и будут в такой же степени базироваться на теории, как и расчеты строительных конструкций и машин. При расчете печей по теоретическому методу используются все ранее выведенные в предыдущих разделах общие формулы. Кроме этих формул применяются и специальные формулы, полученные путем математических преобразований и комбинаций общих формул.

Типы разновидностей печей

Большинство современных крупных литейных цехов для плавки цветных сплавов оборудовано индукционными печами с железным сердечником, в которых производятся сплавы из тяжелых и легких цветных металлов. Индукционные печи по сравнению со всеми другими литейными печами имеют значительные преимущества. Они обеспечивают высокое качество и полную однородность сплавов, малые потери металлов, большую производительность, небольшой расход электроэнергии, высокую чистоту и культуру литейных цехов.

 

На рис. 274 показана конструкция отечественной индукционной печи типа ИЛО-0,6 (индукционная, латунная, однофазная емкостью 0,6 т). Аналогичные печи, выпускаемые зарубежными

 

фирмами, известны под названием «Аякс». Печи подобной конструкции выпускаются емкостью 0,3; 0,6; 1,2 и 2,0 т. Печь состоит из цилиндрической или овальной шахты, подового камня с нагревательными каналами и магнитопровода (сердечника) с первичными катушками. Шахта печи состоит из железного кожуха, теплоизолирующей прослойки и огнеупорной футеровки. Внизу кожуха имеется поддон, связанный с кожухом поясом из углового железа. Под шахтьи выкладывается огнеупорным кирпичом. Для соединения шахты с подовым камнем в поддоне имеется прямоугольный вырез. Верх шахты закрывается железной крышкой с отверстием для загрузки. Сбоку в верхней части шахты имеется отверстие и носок для разливки сплава. Подовый камень с 1—3 каналами набивают кварцевой, корундовой, шамотовой или магнезитовой набивной массой и в нем делают 1 — 3 круглых горизонтальных отверстия для установки магнитопро-водов с надетыми на них первичными однослойными катушками. Верхнюю, входящую в вырез поддона часть подового камня для лучшего соединения с шахтой немного срезают. Подовый камень набивают в специальном бронзовом, медном или из немагнитной стали каркасе, состоящем из двух половин. Эти половиньи соединяют болтами и крепят к каркасу печи, к которому прикреплен и кожух шахты. Магнитопровод печи пред ставляет собранный из листовой трансформаторной стали сердечник броневого или стержневого типа. Сбоку каркаса устанавливают кронштейны с отверстиями для оси поворота печи во время разливки сплава. Ось поворота проходит около разливочного носка печи, что обеспечивает постоянное положение струи металла независимо от наклона печи. Футеровку подового камня для плавки бронз и латуней делают из сухой кварцевой массы следующего состава: 96% дробленого кварца; 2% буры; 1,5% оконного стекла и 0,5% глины. Для плавки никелевых сплавов камень набивают магнезитовой массой: 96,5% плавленого магнезита; 3% буры и 0,5% оконного стекла. Шихта загружается через отверстие в верхней крышке и после ее расплавления сплав разливается через носок при наклоне печи. Печь типа ИЛО весьма широко распространена в литейных цехах для плавки меди, латуней, бронзы, никеля, мельхиора и других цветных сплавов. Для каждой разновидности сплава рассчитывают размеры нагревательных каналов.

 

Индукционные печи с железным сердечником, применяемые для плавки алюминиевых сплавов, несколько отличаются по своей конструкции. Дело в том, что при плавке алюминия образующаяся на поверхности ванны окись алюминия осаждается в каналах печи, вызывая изменение их электрического сопротивления и нарушение циркуляции металла. Для свободной очист-» ки от осадка окиси каналы в печах для плавки алюминия де-

 

лают прямыми увеличенного сечения и оборудуют отверстиями с пробками, позволяющими периодически открывать каналы и прочищать их. Вследствие уменьшения плотности тока в каналах и увеличения толщины металла в шахте перемешивание металла в печи уменьшается, чем ослабляется осаждение окиси в каналах.

 

Индукционные печи с железным сердечником, применяемые для плавки катодного цинка, имеют емкость ванны 20 т. Они оборудуются шестью самостоятельными однофазными печными трансформаторами с горизонтальным расположением нагревательных каналов.

 

Тепловые и электрические показатели работы индукционных печей с железным сердечником значительно улучшаются при устройстве двух и трех нагревательных каналов и при переходе на двух- и трехфазные печи с соответственным увеличением числа магнитопроводов и первичных катушек.

 

Характеристика индукционных печей с железным сердечником, применяемых в литейном производстве, приведена в табл. 66.

 

Кроме индукционных печей с железным сердечником, для плавки цветныос и благородных металлов и сплавов применяются индукционные печи без железного сердечника.

 

На рис. 275 показана индукционная печь без сердечника, приспособленная для работы под вакуумом. Сама индукционная печь состоит из индуктора (катушки), каркаса, футеровки (тигля), токо-и водоподводящих устройств и опрокидывающего механизма.

 

Индуктор печи представляет спираль, согнутую из медной круглой или овальной трубки, внутри которой циркулирует охлаждающая вода. Индуктор обычно делается в виде однослойной катушки, хотя в некоторых случаях он может иметь и несколько слоев. Толщина стенок трубки индуктора обычно в 1,5— 2,0 раза больше глубины проникновения тока ib медь, определяемой по расчету, схема которого дана в гл. 9.

 

Витки индуктора наматываются с зазором 2—4 мм и крепятся медными болтами к текстолитовой стойке. С помощью этих стоек индуктор укрепляется в каркасе печи.

 

Каркас печи имеет цилиндрическую или прямоугольную форму и изготовляется из асбоцементных плит, связанных металлическими уголками из немагнитных сплавов.

 

Футеровка выполняется из огнеупорных материалов, выбираемых в зависимости от температуры плавления и свойств получаемого металла или сплава. Применяется кварцитовая, магнезитовая, вьисокоглиноземистая, циркониевая и графитовая футеровка. Футеровка чаще всего производится набивкой соответствующей огнеупорной массы в шаблон из листового железа, имеющий форму тигля. Набитый тигель сушат и обжигают, включая индуктор. Вследствие высокой электропроводности цветных металлов и сплавов электрический к. п. д. печей при прямом -нагреве металлов индуктируемым током оказывается невысоким. Поэтому в ряде случаев цветные и благородные металлы плавят в графитовом тигле, который разогревается индуктируемым током и передает тепло металлу от стенок. Общий к. п. д. печей при этом возрастает, несмотря на некоторое понижение их теплового к. п. д.

 

Как видно из приведенного о-писания, конструкция индукционных печей без железного сердечника чрезвычайно проста. Более сложным и дорогим является их электрооборудование, схема и состав которого были описаны в гл. 9.

 

Для защиты сплавов от окисления и насыщения газами и получения качественных отливок индукционные печи без сердечника могут помещаться в герметические кожухи, в которых поддерживается глубокий вакуум (до 0,1 мм рт. ст.). Отдельные части этого кожуха охлаждаются водой для защиты от излучения из печи (рис. 275). В том же кожухе вместе с печью помещается и изложница, в которую готовый расплав переливается при соответствующем наклоне всей установки. После затвердевания отливок открывают крышки герметической камеры и про изводят новую загрузку. В настоящее время индукционные печи без сердечника строят емкостью до 18 т при мощности до 4400 кет.

 

Для плавки относительно легкоплавких металлов и сплавов алюминия и магния применяются электрические печи сопро тивления.

 

На рис. 276 показана тигельная электрическая печь сопро тивления, применяемая в небольших литейных для плавки алюминиевых и магниевых сплавов. Эта печь состоит из чугунногс тигля, помещенного в камеру с нихромовыми нагревателями, размещенными на полках шамотной футеровки камеры. Тигель закрывается сверху крышкой, через отверстие в которой про

 

пускается термопара. Температура на нагревателях достигает 850—1000°. Емкость таких печей 25—150 сг, расход энергии 650—850 квт-чт. Угар металлов не превышает 2%.

 

На рис. 277 приведена ванная электрическая печь сопротивления для плавки алюминия типа САН (сопротивления, алюминиевая, наклоняющаяся). Печь состоит из ванны, по торцам которой имеются две камеры для загрузки слитков алюминия. На своде печи располагаются нихромовые нагреватели, расположенные в пазах сводовых кирпичей. Печь футерована шамотным кирпичом. Слитки алюминия загружаются через два окна,

 

расположенные на торцах печи. Слитки расплавляются на поду камер плавления, расположенных значительно выше ванны печи. Расплавленный алюминий стекает в ванну-сборник, рас-

 

положенную посередине печи. Металл разливают через сливной желоб при наклоне печи с помощью моторного привода. Характеристика печей типа САН дана в табл. 67.

 

Для плавки относительно тугоплавких цветных металлов и сплавов — никеля, кобальта и меди применяются дуговые печи.

 

Для плавки меди, бронзы, катодного никеля и других цветных металлов часто применяются барабанные печи с независимой дугой типа ДМ (дуговая, медная). Печь (рис. 278) представляет собой горизонтально расположенный футерованный огнеупорами барабан, вращающийся на четырех опорных роликах. По оси барабана расположены два графитовых электрода, между концами которых горит дуга. Металл загружается в печь через отверстие в барабане, служащее одновременно и для разливки жидкого металла. После расплавления части металла включается механизм качания печи, который периодически поворачивает барабан на определенный угол в обе стороны. Для медных сплавов печи ДМ футеруются шамотом, для никелевых сплавов — магнезитом. Заполнение печи металлом должно быть таким, чтобы поверхность ванны отстояла от электродов на расстоянии не менее 75—100 мм. Графитовые электроды зажимаются в бронзовые литые электрододержате-ли, охлаждаемые водой. Электрододержатели установлены, в направляющих, вдоль которых они перемещаются вручную или с помощью электромотора, управляемого автоматическим регулятором горения дуги. Характеристика печей ДМ дана в табл. 68.

 

В крупных литейных и рафинировочных цехах для плавки катодной меди и выплавки никеля из закиси применяются трех-электродные круглые поворотные дуговые печи с зависимой дугой большой мощности.\

 

Металлы и сплавы нагревают перед их прокаткой, прессованием, волочением, ковкой и штамповкой с целью повышения пластичности и ковкости и облегчения процессов механической обработки.

 

Нагрев металлов и сплавов производится также с целью термической обработки готовых изделий, позволяющей получить требуемую кристаллическую структуру, снять наклеп, улучшить качество поверхности и т. п. Нагрев металлов является Еесьма важным переделом на всех машиностроительньих и обрабатывающих металлы заводах.

 

Нагрев цветных металлов и сплавов имеет свои особенности, отличающие его от нагрева черных металлов и сплавов. Большинство цветных металлов и их сплавов имеет весьма высокие коэффициенты температуропроводности а, м2час: алюминий — 328, медь — 412, латунь — 95, никель — 50, значительно превышающие коэффициент температуропроводности стали, равный з среднем 45. При ограниченной толщине и вследствие высокого коэффициента температуропроводности слитков и изделий из цветных металлов они в подавляющем большинстве могут быть отнесены к категории тонких изделий, для которых можно пренебрегать перепадами температуры по толщине нагреваемого изделия. Вследствие этого нагрев большинства цветных металлов и сплавов может вестись значительно быстрее, чем чердак металлов, без опасения возникновения внутренних напряжений и деформаций в результате разности температуры поверхности и середины изделия.

 

 Допуская более быстрый нагрев, цветные металлы и сплавы предъявляют весьма жесткие требования к особой точности регулирования температуры их нагрева и газовой атмосферы

 

турного режима не более чем на 5—10°. При нагреве латуни должно исключаться соприкосновение с острым пламенем и местные перегревы слитков и изделий, вызывающие выгорание цинка. При нагреве меди следует остерегаться насыщения ее водородом, вызывающим «водородную болезнь» меди, в результате которой появляется пузырчатость изделий. Вследствие особой чувствительности цветных металлов и сплавов к колебаниям температуры и к составу газовой атмосферы печей должна быть обеспечена точность регулирования температуры в печи и (возможность создания защитной атмосферы рабочего пространства.

 

Максимальная температура нагрева цветных металлов и сплавов обьгчно не превышает 800—900°, что значительно уступает максимальной температуре нагрева черных металлов, достигающей 1100—1280°. Эта особенность позволяет для нагрева цветных металлов широко применять электрические печи сопротивления с металлическими нагревателями, обеспечивающие высокую точность регулирования температуры и легко регулируемую газовую атмосферу рабочего пространства.

 

Для нагрева цветных металлов и сплавов применяются следующие разновидности нагревательных печей: 1) методические,

 

2) камерные, 3) печи-ванны