Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Печи литейных цехов. Характеристика, анализ, классификация: Учебное пособие

Голосов: 6

Проанализированы и изложены основные технологические, энергетические, экологические и иные задачи, которые поставлены современным производством отливок перед печными агрегатами, как технологическим оборудованием тепловой обработки материалов. Представлены классификация и основные конструктивно-технологические схемы современных печей литейного производства. Изложены основные вопросы тепло- и массообмена в печах при их тепловой работе. Учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности "Машины и технология литейного производства" направления подготовки дипломированных специалистов "Машиностроительные технологии и оборудование".

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
              В.Н. МОРГУНОВ



     ПЕЧИ ЛИТЕЙНЫХ ЦЕХОВ

Характеристика, анализ, классификация

          (Учебное пособие)




             Пенза 2009




              1


       УДК 621.745.4.5(075.8)



                                Рецензенты:
                 Ученый совет Пензенского научного центра;
                 Главный металлург ОАО «Пензадизельмаш»
                               А.С. Белоусов

       Моргунов В.Н. Печи литейных цехов. Характеристика, анализ,
классификация.: Учеб. пособие. – Пенза: Изд-во пенз. гос. ун-та, 2009 -
с.179.
       Проанализированы и изложены основные технологические, энерге-
тические, экологические и иные задачи, которые поставлены современным
производством отливок перед печными агрегатами, как технологическим
оборудованием тепловой обработки материалов. Представлены классифи-
кация и основные конструктивно-технологические схемы современных пе-
чей литейного производства. Изложены основные вопросы тепло- и массо-
обмена в печах при их тепловой работе.
       Учебное пособие предназначено для студентов высших учебных
заведений, обучающихся по специальности «Машины и технология литей-
ного производства» направления подготовки дипломированных специали-
стов «Машиностроительные технологии и оборудование».




                                ПРЕДИСЛОВИЕ




                                   2


        Многие процессы производства отливок связаны с тепловой обра-
боткой материалов, производимой в печах. Например, при производстве
литейных форм требуется определенная тепловая обработка формовочных
материалов, стержней, форм и т.п. Для придания отливкам определенных
свойств их могут подвергать термической обработке. Производство литей-
ных сплавов для отливок вообще невозможно без плавильных печей. Из-
вестно, что, в настоящее время, затраты на производство литейных сплавов
в себестоимости произведенных отливок составляют более 50% от общих
затрат на изготовление литья. Поэтому в литейном производстве широко
внедряются высокоэффективные плавильные агрегаты и технологические
методы плавки в них сплавов, которые позволяют не только улучшить экс-
плуатационные свойства литых деталей, но и повысить экономичность их
производства за счет снижения материало- и энергоемкости.
        Экономику литейного производства осложнило значительное по-
вышение цен на шихтовые материалы, электроэнергию, кокс, природный
газ. Это привело литейщиков к необходимости изменения традиционных
технологий и оборудования производства сплавов для изготовления кон-
курентно-способных отливок по качеству и экономичности их производст-
ва. Для обеспечения современных технологических процессов тепловой
обработки, производимых в печах, необходимо знать:
        - основные положения и законы нагрева различных материалов, в
т.ч. и при изменении их агрегатного состояния;
        - основные технологические и энергетические задачи, которые
должны решаться в печах литейных цехов;
        - основные характеристики современных печей, их параметры и
технологические возможности;
        - основы тепловой работы печей и зависимость их конструктивно-
технологических схем от задач, поставленных перед ними;
        - конструкции современных печей и основных их систем, узлов и
оборудования; основные материалы, применяемые для строительства, ре-
монта и эксплуатации печей;
        - основные положения, требования и правила эксплуатации печно-
го хозяйства.
        Изучением данных вопросов занимается дисциплина «Печи литей-
ных цехов», которая основывается на знаниях таких областей науки, как
термодинамика, теплотехника, газодинамика, пирометаллургия.
        В области освещения конструкций и методик расчета металлурги-
ческих печей издано достаточно много научно-технической и учебной ли-
тературы. Материал в них обширен, но разобщен. Многие конструктивно-
технологические схемы печей, описанные в изданной литературе, устаре-
ли.




                                   3


      Настоящее учебное пособие является существенным дополнением
для изучения дисциплины «Печи литейных цехов». Во первых, в пособии
достаточно подробно анализируются основные технологические, энерге-
тические и иные задачи печей с представлением современных требований
к основным ее узлам, элементам и материалам. Во вторых, в пособии
представлен подробный анализ основных характеристик и параметров пе-
чей во взаимосвязи с их технологическими и энергетическими задачами. В
третьих, приводится достаточно подробная классификация печей по ос-
новным классификационным признакам с анализом их задач и конструк-
тивных особенностей. В четвертых, в пособии представлены материалы
анализа конструктивно-технологических решений сушильных нагрева-
тельных и плавильных печей во взаимосвязи с основными тепловыми и
температурными параметрами технологических процессов сушки, нагрева
или плавки материалов.




                                  4


       1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И АНАЛИЗ РАБОТЫ
                   ПЕЧНОГО ХОЗЯЙСТВА

       Тепловая обработка материалов требует специального теплового
агрегата, который называется печью. Основным назначением любой печи
является создание определенных тепловых и температурных условий, ко-
торые должны обеспечить выполнение заданного технологического про-
цесса тепловой обработки материала. Кроме полного удовлетворения тре-
бований технологии печь должна обеспечивать:
       - высокую производительность при минимальном расходе теплоты
и минимальных потерях металла (материала) при нагреве;
       - минимальный расход материалов и времени для постройки и ре-
монта при минимальных капитальных затратах;
       - возможность автоматизации работы;
       - благоприятные условия труда.
       Для выполнения своего назначения любая печь должна решать оп-
ределенные технологические и энергетические задачи. Постановка этих
задач исходит из заданного технологического процесса тепловой обработ-
ки материала. Рассмотрим основные задачи, которые должна решать печь
при своей работе.

                   1.1.   ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ

        Постановка технологических задач, которые должна выполнять
печь, зависит от вида тепловой обработки материала. Так для сушильных
печей основной технологической задачей является не сам по себе нагрев
материала, а удаление из него влаги и других летучих соединений (иногда
обеспечение полимеризации связующих в песчаных литейных формах и
стержнях). Нагрев материалов в данном случае необходим для осуществ-
ления этих процессов или ускорения их. Для решения технологической за-
дачи тепловой сушки в сушильных печах существенную роль приобретают
печные газы.
        Основной технологической задачей термических печей является
обеспечение ими требуемых техпроцессом термообработки изменений в
структуре сплава отливок, с целью получения заданных механических или
иных свойств сплава в отливках. Решение этой задачи возможно только
при нагреве отливок с заданной температурной скоростью до четко опре-
деленных конечных температур (температурный график нагрева). Часто
решение данной задачи связано с наведением специальных атмосфер в пе-




                                   5


чи (химически – активных, нейтральных, безокислительных и т.п.), или с
введением в нее специальных твердых или газообразных реагентов.
        Главной технологической задачей плавильных печей является про-
изводство жидкого сплава определенных температуры и химического со-
става. Для решения этой задачи одного переплава шихты в жидкое состоя-
ние недостаточно. При производстве сплавов плавильные печи должны
обеспечивать решение ряда металлургических задач (окисления, раскисле-
ния, легирования, рафинирования, модифицирования, наведения шлаков,
перемешивания расплава, температурной выдержки и пр.). Для производ-
ства высококачественных литейных сплавов в плавильных печах создают-
ся специальные печные атмосферы (нейтральные, безокислительные, ваку-
ум и пр.).
        Любая технологическая задача, решаемая в печи, обязательно со-
провождается передвижением обрабатываемого материала или изделия
(загрузка, передвижение в печи выгрузка и т.п.). Поэтому все печи должны
быть оборудованы специальными устройствами и механизмами, обеспечи-
вающими передвижение материала по зонам печи, а также механизмами
передвижения рабочих дверей, крышек, сводов и других узлов печи, от-
крывающих или закрывающих ее рабочее пространство.
        Решение технологических задач всегда сопровождается присутст-
вием каких-то печных газов или вакуумом. Поэтому конструкция печи
должна иметь устройства и механизмы для наведения, передвижения, ути-
лизации и удаления печных газов.
        Решение технологических задач в печах часто связано с образова-
нием различных побочных продуктов (например, шлаков при плавке спла-
вов или отработанных реагентов при термообработке). В связи с этим лю-
бая конструкция печи должна иметь устройства для удаления и утилизации
данных побочных продуктов.

             1.2.   ОСНОВНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ

       Для решения определенных технологических задач печь должна
выполнить определенный комплекс энергетических задач. Несомненно,
что постановка энергетических задач вытекает из технологических задач
тепловой обработки, которые в свою очередь определяются параметрами
нагрева материала (например, температурным графиком нагрева). Поэто-
му, для выявления основных энергетических задач, вначале рассмотрим
основные параметры нагрева материала.




                                   6


       1.2.1. Параметры нагрева материала

       При любом технологическом процессе тепловой обработки основ-
ными параметрами нагрева материала являются:
       - конечная температура нагрева;
       - температурная скорость нагрева до конечной температуры;
       - время выдержки при конечных температурах нагрева;
       - количество теплоты для обеспечения заданного нагрева;
       - температурная скорость охлаждения после выдержки до заданной
температуры.

                        Конечная температура нагрева

       Любая тепловая обработка материала связана с его нагревом от на-
чальной температуры (Тн) до заданной конечной температуры (Тк). Значе-
ние конечной температуры зависит, главным образом, от цели (технологи-
ческой задачи) процесса нагрева материала (сушки, нагрева, плавки и т.п.).
       При термообработке конечная температура нагрева назначается в
соответствии с видом термообработки по значениям критических темпе-
ратур изменения структуры или свойств сплава в отливке (они характерны
только для этого типа сплава). Например, для осуществления полного от-
жига стальных отливок необходимо их нагревать до конечной температу-
ры, равной на 30-50К выше критической точки окончания образования ау-
стенита (точки АС3), что составляет 1223-1323К (950-10500С).
       При плавке конечная температура нагрева (перегрева) определяется
прежде всего температурой плавления сплава, а затем уже характером вне-
печной обработки жидкого сплава, условиями его заливки в литейную
форму и конструктивной сложностью изготовляемой отливки (габаритны-
ми размерами, массой, толщиной стенки и т.д.). Например, температура
выпуска ЧПГ из печей, в зависимости от вида литья, находится в пределах
1583-1653К (1310-13800С), а температура выпуска нелегированных сталей
из печей – 1793-1823К (1520-15500С).
       При сушке материалов конечная температура нагрева определяется
критическими температурами необратимых физико-химических процес-
сов, происходящих в материале или в каких-то его компонентах. Напри-
мер, конечная температура сушки формовочного песка находится в преде-
лах 773-873К (500-6000), стержней и форм на органических водных свя-
зующих – в пределах 423-453К (150-1800), а на глинистых связующих – в
пределах 723-773К (450-5000).




                                    7


                      Температурная скорость нагрева

        Скорость нагрева материала, или температурная скорость нагрева
( ∂Т / ∂τ ; град/с) в основном определяется следующими тремя факторами:
        - поставленной технологической задачей нагрева (сушка, термооб-
работка, плавка и т.п.);
        - теплофизическими характеристиками материала (теплоемкостью,
теплопроводностью, температуропроводностью и т.п.);
        - размерными и количественными характеристиками материала или
изделия (массой, габаритными размерами, толщиной стенок и т.п.).

       Часто скорость нагрева является основополагающим параметром
тепловой обработки материала. Поэтому необходимо более подробно рас-
смотреть вопрос выбора данного параметра.
       Если исходить из экономических соображений выбора температур-
ной скорости нагрева материала, то ее значение должно быть максимально
возможным. Т.к. в этом случае сокращается время тепловой обработки и
повышается тепловое к.п.д. Именно такой нагрев применяется в основном
при плавке шихты в печах, т.к. скорость нагрева и плавления шихты не
оказывает значительного влияния на физико-химические свойства конеч-
ного изделия – отливки.
       Для обеспечения максимально допустимой скорости нагрева необ-
ходимо создать в печи такие тепловые условия, при которых возникал бы
                                        [
максимально возможный тепловой поток Q пов
                                            (max)
                                                    ]
                                                  к поверхности обраба-
тываемого материала. Такие тепловые условия в печи могут возникать:
        - при создании максимально возможной разности температур (∆Т)
между теплоносителем и нагреваемым материалом (т.е. создании макси-
мального градиента температур);
        - при создании интенсивного движения теплоносителя (печных га-
зов) в рабочем пространстве топливных печей, что увеличивает тепловой
поток к нагреваемому материалу за счет конвективной составляющей теп-
лообмена.
        Однако, во многих случаях, очень высокая скорость нагрева может
вызвать опасность перегрева поверхности материала (особенно массивно-
го) и даже его разрушения под действием температурных напряжений. Это
говорит о том, что скорость нагрева материала в каждом конкретном слу-
чае должна иметь вполне определенное значение.




                                   8


       Критерием оценки правильного выбора значения температурной
скорости нагрева может служить температурная равномерность нагре-
ва материала. Показателем температурной равномерности нагрева являет-
ся скорость изменения разности температур поверхности и центральной
части нагреваемого материала (∆Т = Тпов. – Тц) во времени:

                  ∂ (∆Т )           ∂ (∆Т )      ∂ (∆Т )
                         〉 0;               = 0;         〈 0;                       (1.1)
                    ∂τ                ∂τ           ∂τ

       В случае когда ∆Т не изменяется во времени (∆Т- const) нагрев
считается равномерным.
       Равномерность или неравномерность нагрева всегда связана с со-
вместным решением внутренней и внешней задач нагрева.
       Решение внешней задачи нагрева обеспечивается определенным
количеством теплового потока (Qпов) от теплоносителя к поверхности ма-
териала. Например, если принять, что теплоотдача в основном осуществ-
ляется по закону Ньютона-Рихмана, то тогда значение внешнего теплового
потока можно определить по следующему уравнению:

                 Qпов. = α ∑ ⋅ (Т Т − Т пов. ) ⋅ F , (Вт)                           (1.2)


где   α ∑ - суммарный коэффициент теплоотдачи (                   Вт
                                                                         );
                                                                м ⋅ град
                                                                  2


F – тепловопринимающая поверхность материала (м2);
ТТ; Тпов. – температуры теплоносителя и поверхности материала соответ-
ственно (К).

       Решение внутренней задачи нагрева обеспечивается определенным
тепловым потоком от поверхности внутрь материала. Решение этой задачи
зависит от свойств материала (геометрических, теплофизических и т.п.).
При этом внутренний тепловой поток к центру изделий можно определить
по следующей формуле:

                                2λ
                    Qц =             (Т           − Т ц ) ⋅ F , (Вт)                (1.3)
                                δ
                                          пов .



                                                                        Вт
где λ – коэффициент теплопроводности материала (                               );
                                                                      м ⋅ град




                                                  9


δ – расчетная толщина материала (м);
Тпов.; Тц – температуры поверхности и центра материала (К);
F – тепловоспринимающая поверхность материала (м2).

        Здесь следует отметить, что при нагреве жидких материалов реше-
ние внутренней задачи ускоряется за счет перемешивания, т.е. внутренний
теплоперенос начинает осуществляться не только за счет теплопроводно-
сти, но и за счет конвекции.
        Равномерность нагрева материала будет соблюдаться только при
равенстве внешнего и внутреннего тепловых потоков:

                                   Qпов. = Qц.                    (1.4)

       В случае, когда Qпов. > Qц , нагрев внешней поверхности материа-
ла будет осуществляться быстрее, чем его центральная часть, т.е.:

                             ∂ (∆Т )
                                     〉 0;                         (1.5)
                               ∂τ

       Чем выше скорость роста ∆Т, тем выше перегрев поверхности ма-
териала, тем вероятнее возникновение недопустимых термических напря-
жений. Поэтому скорость нагрева должна быть ограничена каким-то пре-
дельно допустимым значением.
       Во многих случаях, особенно при термообработке отливок, ско-
рость нагрева определяется скоростью заданного изменения структуры
сплава, скоростью диффузии и т.п. Поэтому скорость нагрева, особенно
при термообработке, назначается специальным температурным графиком
нагрева материала.
       В качестве примера, на рис. 1.1 представлен температурный график
нагрева отливок различной толщины из стали марки 40ГЛ для проведения
специального вида термообработки – отжига.




                                      10



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика