Индукционная нагревательная установка
Технология нагрева и нагревательное оборудование

Тигельная индукционная печь состоит из индуктора, представляющего собой соленоид, выполненный из медной водоохлаждаемой трубки, и тигля, который в зависимости от свойств расплава изготовляется из керамических материалов, а в специальных случаях – из графита, стали и др. В тигельных индукционных печах выплавляют сталь, чугун, драгоценные металлы, медь, алюминий, магний. Печи изготовляют с ёмкостью тигля от нескольких килограммов до нескольких сотен тонн. Они выполняются: открытыми, вакуумными, газонаполненными и компрессионными; питание печей осуществляется токами низкой, средней и высокой частоты.

Схемы индукционных плавильных печей

а – тигельная, б – канальная

1 – индуктор; 2 – расплавленный металл; 3 – тигель; 4 – магнитный сердечник; 5 – подовый камень с каналом тепловыделения

Основные узлы канальной индукционной печи: плавильная ванна и так называемая индукционная единица, в которую входят подовый камень, магнитный сердечник и индуктор. Отличие канальных печей от тигельных состоит в том, что преобразование электромагнитной энергии в тепловую происходит в канале тепловыделения, который должен быть постоянно заполнен электропроводящим телом. Для первичного пуска канальных индукционных печей в канал заливают расплавленный металл или вставляют шаблон из материала, который будет плавиться в печи. При завершении плавки металл из печи сливают не полностью, оставляя так называемое «болото», которое обеспечивает заполнение канала тепловыделения для последующего пуска. Для облегчения замены подового камня индукционные единицы современных печей изготовляют отъёмными.

Технология нагрева и нагревательное оборудование
Индукционный нагрев. Индукционный нагрев металла. Индукционный нагрев схема.

В канальных индукционных печах выплавляют цветные металлы и их сплавы, чугун. Ёмкость плавильных ванн печей может быть от нескольких сотен килограммов до сотен тонн; питание печей осуществляется током промышленной частоты.

Для плавки в индукционных печах характерны: относительно холодный шлак, так как тепло выделяется в расплавленном металле; большая производительность процесса; интенсивное перемешивание и высокое качество переплавляемого металла. Индукционные печи применяют для переплава и рафинирования металлов, а также в качестве миксеров (копильников) для хранения и перегрева жидкого металла перед разливкой.

Технология нагрева и нагревательное оборудование

Муфель электрической муфельной печи ПМ-8

Классификация муфельных печей

Муфельные печи подразделяются по температурному рабочему диапазону на следующие типы:

• Умеренные температуры: 100°С—500°С;
• Средние температуры: 400°С—900°С;
• Высокие температуры: 900°С—1400°С;
• Сверхвысокие температуры: 1400°С—1650°С (2000°С).

По типу нагрева:

• Электрические муфельные печи;
• Газовые муфельные печи.

По защитному режиму обработки:

• Воздушные: нагрев в воздушной среде (общее назначение);
• С защитной газовой атмосферой: нагрев в специальной газовой среде (водород, аргон, гелий, азот, восстановительные газы, азотирующие газы и др.);
• Вакуумные: нагрев в вакууме.

По конструкции:

• Вертикальной загрузки (горшковые);
• Колпаковые (с отделением от пода);
• Горизонтальной загрузки (простые);
• Трубчатые (поверка термопар).

Технология нагрева и нагревательное оборудование

Материалы для муфельных печей

Материалы предназначенные для производства муфельных печей:

• Конструкционные стали: мягкие стали общего назначения для конструкции теплоизолирующих кожухов, опор, дверц и др.
• Огнеупорные материалы: высокоглиноземистые огнеупорные муфели, электроизоляция, дверцы, вспененные огнеупорные засыпки для теплоизоляции печей и др.

Материалы для электрических печных нагревателей:

• Сплавы типа: нихром, фехраль в виде проволоки, ленты и стержней;
• Вольфрам: проволока, лента и стержни;
• Молибден: проволока, лента и стержни;
• Тантал: проволока, лента и стержни;
• Платина и платиновые сплавы: проволока, лента, стержни;
• Хромит лантана: стержни, трубки и профили;
• Хромит иттрия: стержни, трубки и профили;
• Хромит скандия: стержни, трубки и профили.

Слитки загружают в нагревательный колодец и выдают их из нагревательного колодца краном с клещевым захватом. В нагревательном колодце слитки находятся в вертикальном положении. Благодаря этому исключается опасность смещения усадочной раковины при поступлении в колодец слитков с незастывшей сердцевиной, а также обеспечивается быстрый нагрев металла, так как тепло подводится через всю поверхность слитка. Несколько нагревательных колодцев объединяют в группу с общими строительными сооружениями и помещением щита управления.

Нагревательные колодцы – камерные печи периодического действия, характеризующиеся переменным во времени тепловым и температурным режимами. Колодцы отапливают, как правило, доменным или коксо-доменным газом; на ряде заводов применяют природно-доменный газ. Оптимальная тепловая мощность нагревательного колодца 200-300 Мдж/т садки (нагреваемых слитков).

Нагревательные колодцы классифицируют по конструктивным признакам:

• регенеративные;
• рекуперативные (с отоплением из центра пола или одной верхней горелкой);
• электрические.

Рабочее пространство регенеративных нагревательных колодцев имеет размеры (3-55)´2,2 м и глубину 3 м. К торцам рабочего пространства примыкают регенераторы для подогрева газа и воздуха. Основные недостатки нагревательных колодцев такого типа – несовершенство системы сжигания топлива и трудность автоматизации процесса нагрева. В новых цехах регенеративные нагревательные колодцы не строятся.

Рабочее пространство рекуперативных нагревательных колодцев с отоплением из центра пода имеет форму квадрата со стороной 4,5-5 м, глубиной около 3 м. Слитки устанавливают у стен. Горелка расположена в середине пода и направлена вертикально вверх. К рабочей камере с двух сторон примыкают камеры рекуператоров для подогрева воздуха. Основное преимущество рекуперативных нагревательных колодцев с отоплением из центра пода – высокое качество нагрева металла. Управление тепловым режимом поддаётся автоматизации. Недостаток нагревательных колодцев этого типа – потери воздуха в рекуператорах. Такими колодцами оснащены многие станы, сооруженные в СССР в 50-х гг. 20 в. Рекуперативные нагревательные колодцы с одной верхней горелкой имеют рабочее пространство длиной 6-10 м, шириной 2,5-3,5 м и глубиной 3,5-4,5 м. Колодец отапливается горелкой, расположенной горизонтально в верхней части одной из торцовых стен рабочего пространства. Продукты сгорания отводятся через окна в нижней части той же стены, к которой примыкает рекуператор для подогрева воздуха. Благодаря тому, что подогретый воздух подаётся к горелке инжектором, исключаются потери воздуха в рекуператоре. Достоинство нагревательных колодцев этого типа – высокая степень использования площади цеха. Такими колодцами оснащены обжимные станы, построенные в СССР в 60-х гг.

Для нагрева слитков качественной стали в ряде случаев применяют электрические нагревательные колодцы. Нагревательными элементами в таких колодцах служат карборундовые желоба, заполненные нефтяным коксиком в качестве материала сопротивления. Желоба установлены вдоль рабочего пространства по всей длине. Электрические нагревательные колодцы бывают сдвоенные (с разделительной стенкой), с двухсторонним обогревом, с тремя нагревателями и с одним нагревателем в середине. В нагревательных колодцах такого типа окисление металла при нагреве не превышает 0,2-0,3% (вместо 1% в других нагревательных колодцах). Подавая в рабочее пространство небольшие количества газа или мазута, можно создать в колодцах науглероживающую среду. Электрические нагревательные колодцы экономически эффективны при нагреве горячих слитков.

Колпаковые печи классифицируют по назначению:

• для обработки рулонов ленты;
• для обработки листов;
• для обработки прутков.

Наиболее распространены колпаковые печи для отжига рулонов холоднокатаной стальной ленты — одностопные и многостопные.

В многостопных колпаковых печах на прямоугольный стенд под нагревательным колпаком устанавливают 3—8 стоп, каждая из которых защищена от действия продуктов сгорания или горячего воздуха своим муфелем. В стопе 3—5 рулонов общей массой до 180 т, высота стопы 3—5 м. Колпак обогревают газом или электрическими нагревателями сопротивления. По окончании нагрева изделий колпак переносят краном на другой стенд, а на первом — изделия охлаждают под муфелем. Теплообмен под муфелем интенсифицируют принудительной циркуляцией газа контролируемого состава. Охлаждение ускоряют, поливая муфель водой или обдувая холодным воздухом.

При обработке в колпаковой печи распушённых рулонов ленты с зазорами между витками циркулирующий через зазоры газ омывает всю поверхность ленты, что позволяет ускорить её нагрев и охлаждение, а также проводить термохимическую обработку.

Вертикальные печи разделяются на печи садочного режима с периодической загрузкой изделий и печи непрерывного действия.

Печи первого типа (из которых наиболее распространены шахтные печи) работают с обычным окислительным нагревом (без муфеля) или с применением защитных атмосфер, предохраняющих изделия от окисления (муфельные). Шахтные печи применяются для закалки и отпуска орудийных стволов, валов, роторов турбин и других длинномерных изделий.

Изделия нагреваются газом или электричеством. Для ускорения нагрева предусматривается интенсивная циркуляция продуктов сжигания газа или защитной атмосферы. Циркуляция защитной атмосферы в печах обеспечивается вентиляторами. Высота печей достигает 30 м, диаметр рабочего пространства 3-4 м.

Вертикальные печи непрерывного действия (через печь непрерывно движется полоса, подвергающаяся термообработке) подразделяются на однопроходные и многопроходные. В однопроходных вертикальных печах полоса подвергается термообработке за один проход, двигаясь сверху вниз или снизу вверх (например, печи для светлой закалки нержавеющей полосы в водороде – см. рисунок).

Вертикальная печь

1 – камера нагрева полосы в водороде; 2 – камера струйной закалки полосы водородом; 3 – уплотняющие затворы; 4 – движущаяся полоса; 5 – электронагреватели

В многопроходных печах полоса подвергается термообработке, совершая последовательно до 40 вертикальных проходов вверх и вниз (непрерывный отжиг жести). В вертикальных печах этого типа обрабатывают холоднокатаные полосы различного назначения (жесть, трансформаторная, динамная, нержавеющая и другие стали). Наиболее часто в них производят безокислительный отжиг с сохранением светлой поверхности полосы или в сочетании с химико-термической обработкой (обезуглероживание трансформаторной стали). Нагрев металла производится газом, сжигаемым в радиационных трубах, или электричеством. С целью сокращения длины полосы в печи или высоты печи применяют струйное охлаждение полосы защитным газом (азотом) или водородом.

В печах непрерывного действия с обычным окислительным нагревом полосы применяются панельные излучающие горелки, ускоряющие нагрев. Печи устанавливаются в агрегатах непрерывного отжига (см. Отжиг второго рода) полосы, включающих также оборудование для очистки полосы, размотки и смотки полосы в рулон и т. д. Высота этих печей до 20-30 м, длина полосы в печи до 800 м, скорость движения полосы до 10 м/сек. Агрегаты полностью механизированы и процессы в них автоматизированы с помощью управляющих вычислительных машин.

Вертикальные печи непрерывного действия широко применяются в чёрной металлургии при производстве холоднокатаных полос и листов.

Камерные печи классифицируют по конструкции:

• вертикальная печь;
• колпаковая печь;
• нагревательный колодец;
• печь с выдвижным подом;
• ямная печь.

Если в камерной печи одновременно находятся несколько изделий, а загружают и выдают их по одному, то температура печи постоянна. При сложных режимах обработки, когда изделия необходимо нагревать (или охлаждать) с определённой скоростью, температуру печи соответственно изменяют.

Камерные печи отапливают газом или жидким топливом. Термические камерные печи, работающие с атмосферой контролируемого состава, обогревают электрическими нагревателями сопротивления или радиантными трубами. Часто электрический обогрев целесообразен для обеспечения точности режима термической обработки и при нагреве без атмосферы контролируемого состава.

Камерная печь с неподвижным подом

1 – рабочее пространство; 2 – окно для загрузки и выдачи изделий; 3 – горелка; 4 – рекуператор

Наиболее широко распространены камерные печи с неподвижным подом, применяемые в кузнечных цехах. Рабочее пространство этих печей (рисунок) выполняют в форме параллелепипеда длиной 0,6..2 м, шириной 0,6..1,5 м и высотой до 1 м. Производительность печей – 70..600 кг/ч, расход тепла – 5000..7000 кдж/кг.

Заготовки проходят последовательно 3 теплотехнические зоны: методическую (зону предварительного подогрева), сварочную (зону нагрева) и томильную (зону выравнивания температур в заготовке). Сварочная зона может состоять из нескольких последовательных зон отопления с дополнительным подводом топлива в каждую зону. Для заготовок небольшого сечения томильная зона не обязательна.

Методические печи классифицируют по числу зон отопления (2-, 3-, 4-, 5-зонные), по способу транспортирования нагреваемых заготовок (толкательные и с подвижными балками), по конструктивным особенностям (с нижним обогревом, с наклонным подом и т.д.).

Методические печи отапливают газообразным или жидким топливом с помощью горелок или форсунок, которые устанавливают главным образом на торцевых стенах сварочной и томильной зон; реже горелки располагают на боковых стенах и своде. В методических печах поддерживают неизменную во времени и переменную по длине печи температуру. В сварочной и томильной зонах температура почти постоянна, а в методической — падает к началу печи.

Толкательные методические печи для нагрева заготовок толщиной до 120 мм делают с наклонным подом, для нагрева более крупных заготовок — с горизонтальным подом. При нагреве заготовок толщиной свыше 120 мм применяют нижний обогрев, в результате чего заготовки нагреваются с двух сторон.

Перспективны методические печи с подвижными балками (так называемая печь с шагающим подом). В таких печах между заготовками имеется зазор, и они обогреваются с трёх или четырёх сторон, благодаря чему нагрев протекает быстрее и равномернее, уменьшается окисление и обезуглероживание металла. Методические печи с подвижными балками — высокомеханизированный агрегат; при ремонтах и остановках печь легко может быть освобождена от заготовок. При эксплуатации таких печей исключены трудоёмкие ручные операции по очистке пода. Методические печи обычно имеют рекуператоры для нагрева воздуха или воздуха и газа, а также котлы-утилизаторы. Основные характеристики методических печей приведены в таблице.

Характеристики методических печей

Печь сходной конструкции – Карусельная печь

Кольцевые печи отапливают газом или жидким топливом. При наружном диаметре печи 10—12 м горелки или форсунки устанавливают только на наружной стене, а при большем — на наружной и на внутренней стенах.

Кольцевая печь схема

1 — кольцевой вращающийся под; 2 — нагреваемое изделие; 3 — окно загрузки; 4 — окно выдачи; 5 — опорный ролик; 6 — привод вращения пода; 7 — горелка; 8 — дымопровод для отвода продуктов сгорания из печи в боров; 9 — разделительная перегородка

Первая кольцевая печь разработана в 1925 советским изобретателем Н. Д. Булиным. Кольцевая печь состоит из вращающегося пода и неподвижного кольцевого канала, перекрытого сводом. Кольцевые щели между вращающимся подом и неподвижной частью печи уплотняют водяными затворами. Изделия загружают в печь и выдают из неё через окна при помощи специальных загрузочно-разгрузочных машин (напольных или крановых). Рабочее пространство печи между окнами разделено жаростойкой перегородкой. В кольцевых печах небольшого размера загружают и выдают изделия через одно окно. Под печей вращается на опорных роликах с помощью электрического привода. Наружный диаметр кольцевой печи 10—30 м, а ширина пода 1,5—6 м, производительность до 75 т/ч. Теплотехнические зоны и температурный режим крупной кольцевой печи такие же, как и у методической печи. Небольшие кольцевые печи работают с постоянной температурой по всему объёму печи.

По конструкции карусельная печь подобна кольцевой печи и отличается от неё только формой вращающегося пода и рабочего пространства. Загружают и выдают изделия в карусельной печи через одно окно, обычно вручную. Наружный диаметр карусельной печи — до 5 м, производительность — до 5 т/ч. Карусельные печи отапливают газовым или жидким топливом с помощью горелок или форсунок, установленных на стене печи.

Карусельная печь схема

1 — дисковый вращающийся под; 2 — нагреваемое изделие; 3 — окно загрузки и выдачи; 4 — опорный ролик; 5 — механизм вращения пода; 6 — горелка; 7 — дымопровод для отвода продуктов сгорания

Печи безокислительного нагрева бывают периодического действия (камерные) и непрерывно действующие (методические, карусельные). Камерные печи безокислительного нагрева периодического действия подразделяются на рекуперативные (рисунок 1), в которых сжигание газа в камере нагрева осуществляется воздухом, подогретым до 600—800°С, не обогащенным или обогащенным кислородом; рекуперативные с передачей тепла через промежуточный свод и регенеративные (рисунок 2). К непрерывно действующим печам относится методическая печь для безокислительного нагрева металла.

Рисунок 1 – Рекуперативная камерная печь

1 — горелки; 2 — подвод газа; 3 — подвод подогретой кислородно-воздушной смеси; 4 — подвод холодного воздуха; 5 — рекуператор; 6 — отвод продуктов горения; 7 — подвод холодной кислородно-воздушной смеси; 8 — подвод подогретого вторичного воздуха; 9 — рабочая камера

Рисунок 2 – Регенеративная камерная печь

1 — эксгаустер; 2 — вентилятор; 3 — регенератор металлический; 4 — горелки

Эксгаустер – отсасывающий вентилятор, применяемый в шахтах и заводских помещениях для удаления испорченного воздуха, пыли, вредных газов и т.п., а также для создания тяги в печах или создания вакуума в чем-либо.