§ 110 Нагревательные устройства

Нагревательные устройства, в которых осуществляют нагрев металла для обработки давлением, в основном разделяются на нагревательные печи и электронагревательные устройства.

Печи в свою очередь разделяются на пламенные, в которых тепло полу­чается за счет сжигания топлива, и электрические, где источником разогрева является электрическая энергия. Электронагревательные устройства отли­чаются от электрических печей тем, что при их помощи тепло возникает не­посредственно в самой нагреваемой заготовке.

Наибольшее распространение для нагрева металлов под обработку давле­нием имеют пока пламенные печи, отличающиеся максимальной универсаль­ностью и позволяющие в зависимости от размера печи нагревать как самые мелкие заготовки, так и слитки весом, например, 300 кг.

Теория рабочего процесса пламенных печей является весьма сложной и многогранной. Однако в настоящее время в результате работ русских ученых она достигла высокой степени совершенства. Основа этой теории была зало­жена одним из крупнейших русских металлургов проф. В. Е. Грум-Гржи-майло, создавшим свою гидравлическую теорию движения пламени (1908 г.) на основе высказываний М. В. Ломоносова в его труде « О вольном движении воздуха, в рудниках примеченном».

Типы и конструкции современных пламенных нагревательных печей весьма разнообразны. Металл при нагревании непосредственно соприкасается, с горящим топливом (в угольных горнах) или с факелом пламени (в нефтя­ных и газовых горнах).

Печи могут работать на твердом, в том числе и пылевидном, жидком и газообразном топливе. Наиболее совершенными в смысле подач и распре­деления топлива, возможностей регулирования и минимальных потерь от физической (провал, унос) и химической неполноты горения являются печи на жидком и газообразном топливе. Однако, учитывая нецелесообразность непосредственного сжигания жидкого топлива в печах ввиду его ценности как продукта для последующей переработки, в настоящее время широко внедряют газовые печи.

Сжигание твердого кускового топлива осуществляется на колосниковых решетках различных типов.

Если кусковой каменный уголь подвергнуть размолу, то получится пыле­видное топливо, которое по удобству сжигания приближается к жидкому. Однако пылевидное топливо в нагревательных печах имеет ограниченное применение как вследствие необходимости специальных размольных уста­новок, так и ввиду уноса золы и угольного шлака в нагревательное про­странство печей.

Сжигание жидкого топлива осуществляется при помощи форсунок, которые распыляют топливо и обеспечивают хорошее смешение его с воз­духом.

Для сжигания газа применяют газовые горелки, которые служат для подачи необходимых для отопления печи газа и воздуха и их смешения.

Нагреваемый металл располагают на поду рабочего пространства печи (нагревательной камеры). По характеру распределения температур в.рабо­чем пространстве печи для нагрева металла могут быть разделены на две большие_ группы, а именно: печи с одинаковой температурой по всему рабочему пространству (так называемые камерные печи) и печи, у которых температура в рабочем пространстве повышается в направлении от места за­грузки заготовок к месту их выдачи (так называемые методические печи ).

С хема простой камерной печи на твердом топливе представлена на фиг. 111. В камерных печах загруженный металл остается до тех пор, пока он долж­ным образом не прогреется, после чего его вынимают, преимущественно че­рез то же садочное окно 4, через которое он был загружен в печь.

При нагреве крупных заготовок и

слитков с целью уменьшения темпера-

турных напряжений температура печи при

/ — топка с колосниковой решеткой; 2 — на­-

гревательная камера; 3 — порог, отделяющий

нагревательную камеру оттопки; 4 — садоч­-

ное окно; 5 — газовые каналы, отводящие

продукты сгорания; 6 — дымовая камера;

7 — боров

Фиг. 111. Схема камерной печи на твердом топливе:

Фиг. 112. Схема печи с выдвижным подом.

ниже необходимой конечной, температуры нагрева. Затем температуру постепенно повышают, увеличивая количество по даваемого топлива.

Для механизации загрузки в камерную печь крупных заготовок и слитков применяют посадочные или загрузочные машины различных типов. Кроме того, для облегчения загрузки и вы­грузки больших слитков применяют печи с выдвижным подом (фиг. 112). Разновидностью камерных печей являются нагревательные колодцы, применяемые для нагрева под прокатку крупных слитков, поступающих неостывшими непосредственно из сталелитейного цеха. Нагре­вательные колодцы загружают сверху, и слитки в них располагают верти­кально. Отапливают нагревательные колодцы преимущественно газовым топливом.

Садочные окна камерных печей снабжают заслонками (дверцами), ко­торые поднимаются и опускаются при помощи рычажного механизма вруч­ную или же имеют механизированный подъем и опускание. Если надо нагре­вать только концы прутков, то садочному окну придают форму щели (щелевые печи) или же ряда круглых отверстий (очковые печи).

Как видно из изложенного, в камерных печах нагреваемый металл непре­рывно соприкасается с продуктами сгорания топлива. Если же в рабочей камере установить ящик из огнеупорного материала (муфель), в который загружать металл, то последний не будет соприкасаться с продуктами горе­ния. Такие печи называют муфельными. Они бывают необходимы при нагревавши некоторых специальных сплавов.

В методических печах (фиг. ИЗ) рабочее пространство имеет вытянутую форму и разделяется на две различные по величине части: большую, так называемую подогревательную камеру /, и меньшую 2 — со стороны топоч­ных устройств, называемую нагревательной или сварочной камерой. Заго­товки поступают с торца в подогревательную камеру и подвигаются по поду печи, постепенно нагреваясь, и, наконец, попадают в нагревательную ка­меру, где окончательно нагреваются до требуемой температуры. Выдача производится в окна 3 на торце или в боковых стенках нагревательной ка­меры.

Методические печи широко применяют в прокатном производстве, а также в крупносерийном кузнечно-штамповочном производстве.

Продвижение нагреваемых заготовок по поду методической печи осуще­ствляют либо при помощи механического толкателя, либо сам под печи

Фиг. 113. Методическая печь.

выполняют (конвейерные печи) подвижным в форме конвейера. Конвейер­ные печи применяют главным образом в тех случаях, когда не требуется высокой температуры нагрева, как, например, при нагреве стальных поко­вок под правку, нагреве рессорных листов подгибку и т. п.

Особо следует упомянуть о печах с вращающимся подом (карусельных) (фиг. 114), которые представляют собой как бы свернутую в кольцо конвейерную методическую печь.

Помимо удобства загрузки и выемки заготовок, такие печи обеспечи­вают возможность регулировать в широких пределах желаемый режим нагрева металла путем изменения скорости вращения пода / и подачи топ­лива в форсунки 2 (или горелки), расположенные по окружности печи. Кару­сельные печи могут работать аналогично камерным, т. е. иметь одинаковую температуру по всему рабочему пространству, и как методические, т. е. с температурой рабочего пространства, повышающейся от места посадки 3 к месту выдачи 4 нагретых заготовок.

Газы, отходящие от рабочего пространства пламенной печи, имеют вы­сокую температуру и несут значительное количество тепла. В так называемых «простых» печах это тепло не используется, что влечет за собой низкий к. п. д. печи. Более совершенными являются печи регенеративные и рекуперативные.

Регенеративные нагревательные печи снабжают регенераторами, при по­мощи которых за счет тепла отходящих газов подогревают воздух и газ (в газовых печах), поступающие в печь. Принцип действия и конструкция регенераторов у пламенных нагревательных печей такие же, как и у мартенов­ских печей, для плавки стали.

В рекуперативных печах осуществляют только подогрев воздуха, посту­пающего для горения.

В отличие от регенераторов в рекуператорах потоки, как отходящих га­зов, так и нагреваемого воздуха непрерывны и каждый поток течет по своим каналам. Газы нагревают стенки рекуператора с одной стороны, воздух же отнимает тепло с другой стороны стенок (фиг. 115). Рекуператоры бывают керамические, дающие более высокую температуру нагрева, но громоздкие и дорогие, и металлические, более удобные и компактные, но с меньшей до­пустимой температурой подогрева воздуха (от 200 до 350° в зависимости от конструкции). Основной потерей тепла пламенных нагревательных

Фиг. 114 Печь с вращающимся подом.

Фиг. 115. Ребристый вертикальный рекуператор. . конструкции М. А. Касенкова и В. Е. Хари тонова

печах является потеря с отходящими газами. Чем ниже температура по­следних, т. е. чем больше используется тепло продуктов сгорания, тем выше к. п. д. печи и тем меньше расход топлива. Поэтому при прочих равных условиях к.п.д. методических печей выше, чем камерных, а применение рекуператоров и регенераторов повышает к.п.д. и тех, и других. Так, в методических регенеративных печах к. п. д. может быть доведен до ~40%, а в простых камерных печах он обычно не превы­шает 10%.

Электрические печи применяют для нагрева под обработку давлением в основном цветных сплавов, имеющих относительно небольшую по сравнению со сталью температуру начала ковки (алюминиевые, магниевые и другие сплавы).

Электрические печи, применяемые при обработке давлением, относятся к категории печей сопротивления. В этих печах устанавливают нагреватель­ные элементы сопротивления, выделяющие тепло при пропускании электри­ческого тока.

В электрических печах легко поддерживать с большой точностью опре­деленную температуру и изменять ее; рабочее пространство здесь свободно от продуктов горения, какие-либо воздухопроводы и топливопроводы отсут­ствуют; условия работы в этих печах значительно лучше. Однако для нагрева стали под обработку давлением они практически малопригодны вследствие малой стойкости нагревательных элементов при требуемой для нагрева стали температуре. В электронагревательных устройствах нагрев осуще­ствляют путем возбуждения тепла непосредственно в нагреваемой заготовке, а не за счет теплопередачи из рабочего пространства нагретой печи. Электро­нагрев осуществляют двумя основными способами: индукционным и так называемым контактным.

Индукционный на гр е в осуществляют путем 'закладывания заготовки в нагревательный индуктор — соленоид, по которому пропускается переменный ток. Заготовка, находясь в поле соленоида, нагревается под действием магнитного гистерезиса (до потери его магнитных свойств) и вихревых токов.

Индукционный нагрев имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с нагревом в пламенных печах и является передовым методом нагрева.

Преимущества его следующие: высокая скорость, в несколько раз пре­вышающая скорость нагрева в пламенных печах, почти полное отсутствие окалины, возможность повышения температуры начала ковки без появле­ния перегрева, удобство автоматизации подачи и выдачи заготовок, улуч­шение условий труда.

Индукционный нагрев заготовок диаметром 20—150 мм осуществляют токами повышенной частоты (8000—10 000 гц). Для более крупных заготовок применяют ток промышленной частоты (50 гц).

Расход электроэнергии при индукционном нагреве составляет около 400— 500 квт-ч на 1 т нагретого металла.

Так называемый контактный электронагрев осуществ­ляют путем зажима заготовки в контактах и пропускания через нее электри­ческого тока большой силы. Выделение тепла происходит в результате оми­ческого сопротивления самой нагреваемой заготовки. Этот вид нагрева удо­бен для длинных заготовок мелких профилей (до ~70 мм). Для таких за­готовок контактный нагрев оказывается экономичнее индукционного как по расходу электроэнергии (325—350 кВт-Ч на 1 т нагретого металла), так и по капитальным затратам.