Широко распространенными газопотребляющими агрегатами являются промышленные печи.

Широко распространенными газопотребляющими агрегатами являются промышленные печи. Применение газа (взамен других видов топлива) в промышленных печах при рациональной организации его сжигания дает значительный экономический эффект, определяющийся как более низкими затратами на топливную составляющую в себестоимости продукции, так и улучшением технико-экономических показателей самих агрегатов. Широкое использование газа открывает возможности для создания высокоэффективных автоматизированных печей новых типов: безокислительного и скоростного нагрева, с кипящим слоем, рециркуляционных и др.

Печи химико-термической обработки классифицируются по следующим основным признакам:

    по технологическому назначению — плавильные, нагревательные, термические, обжиговые, сушильные и т.д.;
    по источнику тепловой энергии — пламенные, электрические;
    по режиму работы — периодического и непрерывного действия;
    по конструкции рабочей камеры — камерные, проходные, с выдвижным и с вращающимся подами, методические, шахтные и туннельные;
    по способу использования теплоты уходящих продуктов сгорания — рекуперативные, регенеративные.


При организации сжигания газового топлива в печах особое внимание необходимо уделять правильному теплообмену в рабочей камере печи. По условиям теплообмена промышленные печи можно разделить на три группы:

    Высокотемпературные печи (температура в рабочей камере — выше 1000°С). Теплопередача осуществляется в основном излучением; топливо сжигается в рабочем пространстве печи;
    Среднетемпературные печи (температура в рабочей камере — 650–1000°С). В этих печах теплопередача осуществляется, как излучением, так и конвекцией, газовое топливо сжигается в отдельных камерах, чаще отделенных от рабочего пространства печи.
    Низкотемпературные печи (температура в paбочей камере — до 650°С). Теплопередача осуществляется в основном конвекцией. Газовое топливо сжигается в отдельной топочной камере, а теплоноситель, образуемый смешением высокотемпературных продуктов сгорания с воздухом или рециркулятором необходимой температуры, подается в рабочее пространство печи.


В высоко- и среднетемпературных печах теплообмен совершается главным образом за счет излучения пламен и раскаленных трехатомных газов (СО2 и Н2О) к нагреваемым изделиям и к кладке. Роль кладки как вторичного излучателя особенно ощутима при теплопрозрачных продуктах сгорания, образующихся при кинетическом сжигании газа (например, при применении инжекционных горелок среднего давления, работающих с коэффициентом избытка первичного воздуха ?1>1,0).

Интенсивность теплообмена в низкотемпературных печах, где основное значение имеет передача теплоты конвекцией, достигается путем циркуляции газов, которая одновременно приводит к выравниванию температуры в печах и равномерному прогреву находящихся в них изделий.

Расход газа в печах зависит от их конструкции, эксплуатационного состояния, режима работы, производительности и температуры уходящих газов. Расход газа (теплоты) на 1 кг металла, нагреваемого в печах без рекуператоров, приведен в табл. 9.31.

В печах, использующих теплоту уходящих газов для нагрева воздуха, расход газа уменьшается на 20–30% . Количество используемой в печах химической теплоты газа зависит от температуры уходящих газов и коэффициента избытка воздуха (табл. 9.32) Приведенные в таблице данные указывают на необходимость работы с минимальным коэффициентом избытка воздуха и использования теплоты уходящих газов, в особенности для высокотемпературных печей.

Газовое оборудование нагревательных и термических печей. Нагревательные печи предназначены для нагрева металла перед ковкой, штамповкой или прокаткой. При нагреве черных металлов температура в печах в зависимости от марки стали достигает 1250–1400, в отдельных случаях — 1500°С, при нагреве цветных металлов — 500–950°С. Рабочее пространство нагревательных печей выложено шамотным или высокоглиноземистым кирпичом. В печах с температурой выше 1400°С свод выполнен из динасового кирпича.

Термические печи предназначены для нагрева металла перед последующей технологической обработкой. Термическая обработка металлов улучшает их структуру и придает свойства, необходимые для определенных конкретных условий: прочность, твердость, износоустойчивость, вязкость и т.п. Термическая обработка включает в себя ряд операций: нагрев до определенной температуры, выдержку при ней в течение заданного времени и охлаждение с заданной скоростью. Наиболее распространенные операции термической обработки — отжиг, нормализация, закалка, отпуск и цементация.

Для термической обработки применяются камерные, проходные, вертикальные, муфельные и ванные печи. Выбор типа горелок и их числа определяются типом и размером печи, технологией нагрева и т. п. Применение газа позволяет внедрять прогрессивные методы ускоренного и скоростного нагрева металла. Сталь обладает большими возможностями для проведения скоростного нагрева, при котором значительно уменьшаются окисление и разуглероживание стали, а структура и механические свойства улучшаются. В основу этого метода положен принцип транспортирования изделий через печь в течение строго заданного времени, так как температура в печи значительно превышает температуру нагрева металла и достигает 1500–1600°С.

Важнейшим требованием, предъявляемым к скоростным печам, является обеспечение равномерного и всестороннего нагрева. Последнее достигается интенсивным подводом теплоты не только за счет излучения газов и кладки, но и за счет больших скоростей продуктов сгорания, приводящих к увеличению конвективного теплообмена. Тепловые напряжения в печах скоростного нагрева достигают нескольких десятков и даже сотен тысяч киловатт на 1 м3, продолжительность нагрева сокращается в 3–5 раз, а угар металла снижается на 0,3–0,5%.

Печи безокислительного (малоокислительного) нагрева. Для получения после нагрева или термообработки изделий чистой неокисленной поверхностью применяют печи безокислительного нагрева, резко сокращающие потери металла, переходящего в окалину, составляющие в обычных печах 2–5% нагреваемого металла. Кроме того, отсутствие окалины исключает брак от вдавливания ее в поверхность металла при ковке, штамповке или прокате; повышает стойкость штампов и валков. Нагрев заготовок без образования окалины позволяет применять точную штамповку с минимальными допусками, что дает значительную экономию металла и уменьшает затраты на механическую обработку деталей. Для нагрева изделий до 900–1000°С, главным образом для термообработки, а также для газовой цементации, применяют муфельные печи или печи с радиационными трубами.

Для предотвращения угара металла применяется безокислительный нагрев заготовок и изделий в специальных газовых печах. Газ в нагревательных камерах сжигают с большим недостатком воздуха, в результате чeгo в продуктах неполного сгорания появляется значительное количество оксида углерода и водород, которые не окисляют, а при определенных условиях даже восстанавливают окисленный нагретый металл.

Печь безокислительного нагрева состоит из двух камер и рекуператора для нагрева воздуха. Предварительный разогрев печи осуществляется при сжигании газа с ? = 1,05–1,10. После разогрева печи нижняя рабочая камера переводится на горячий воздух с ? = 0,5, а в верхнюю камеру подается холодный воздух для дожигания продуктов неполного сгорания из нижней камеры. Образовавшиеся в верхней камере продукты завершенного сгорания поступают в рекуператор, где отдают теплоту проходящему через него воздуху, и отводятся в атмосферу. Передача теплоты заготовкам или изделиям в рабочей камере происходит от факела, продуктов неполного сгорания газа и излучения свода, отделяющего нижнюю камеру от верхней.

Если требуется полностью устранить окисление или обезуглероживание поверхности металла или необходима ее цементация, изделия нагревают в пламенных муфельных или радиационных печах. Рабочее пространство таких печей полностью изолируется от продуктов сгорания газа и заполняется специальными газами необходимого химического состава. Изделия помещают в муфели, заполняемые нужной газовой средой. Нагрев муфелей снаружи осуществляется пламенем горелок и продуктами сгорания газа. В радиационных печах изделия, находящиеся в камерах, заполненных газовой средой, нагревают за счет излучения труб, в которых сжигают газ. Радиационные трубы применяют в безмуфельных печах при термической или химико-термической обработке металла в специальной атмосфере. Наиболее часто с помощью радиационных труб обогревают протяжные и проходные печи для светлой термической обработки полосовой стали, прутков, труб и пр. По мере создания сталей с высокой жаростойкостью (до 1300°С) можно ожидать значительного расширения области применении радиационных труб для безокислительного нагрева металла под ковку и штамповку, для высокотемпературного подогрева воздуха и пр.