Что получают с помощью нагревания в разных печах
Онлайн-конференция
«Современная профориентация педагогов
и родителей, перспективы рынка труда
и особенности личности подростка»
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Прочитай текст, выполни задания:
Для чего нам нужен каменный уголь
Из Детской Энциклопедии
Каменный уголь имеет очень большое значение в народном хозяйстве. Это важнейший источник энергии. Он используется, как топливо для паровозов, пароходов, котлов на электрических станциях, котельных и т. д. Есть сорта каменного угля, которые почти не содержат вредных, посторонних примесей. Если нагреть такой уголь без доступа воздуха — он превращается в кокс. Кокс бывает блестящего, серебристого светло-серого и матово-темно-серого цвета и содержит множество мелких пустот от выделившегося во время нагревания газа. Кокс необходим для выплавки чугуна из железной руды. Его смешивают с железной рудой и помещают в доменные печи, где смесь поджигают. Кокс начинает гореть и отнимает у руды содержащийся в ней кислород. Руда превращается в чугун.
Многие сорта угля при нагреве без доступа воздуха не дают кокса, но зато образуют много горючего газа. До того как был проведен природный газ, газ для промышленных предприятий, лабораторий и жилых домов получали из каменного угля. И сейчас некоторые города снабжаются газом, вырабатываемым из угля.
При нагреве без доступа воздуха из некоторых сортов угля получают, кроме горючего газа, жидкие продукты коксования: керосин, бензин и другие вещества. Подобные угли могут для ряда отраслей промышленности заменить нефть.
Из зольных углей получают газ прямо под землей, не вынимая уголь на поверхность. Для этого в слоях земной коры, покрывающих угольные пласты, просверливают отверстия — буровые скважины. Глубина их достигает нередко нескольких сотен метров. Через скважины нагнетают воздух, а затем поджигают уголь, который начинает под землей медленно тлеть. При этом через скважины на поверхность поднимается горючий газ, выделяющийся из угля. Этот газ используется промышленностью и для бытовых целей. Такой способ добычи газа называется подземной газификацией угля.
Каменный уголь дает ценное сырье химической промышленности. Из угля получают анилиновые краски (для окраски тканей), лаки, лекарства, сахарин, каучук, удобрения, взрывчатые вещества, духи и многое другое.
1. Отметь знаком «+» признак, по которому ты определяешь, что относится к объектам рукотворного мира.
2. Укажи цифрами последовательность событий, как из зольных углей получают газ не вынимая его на поверхность.
ð Горючий газ поднимается на поверхность.
ð Через скважины нагнетают воздух.
ð Из угля выделяется газ.
ð Просверливают отверстия в слоях земной коры.
3. Продолжи предложения.
Кокс необходим для________________________________________.
4. Что получают из каменного угля? Отметь знаком «+».
5. На уроках окружающего мира дети изучали полезные ископаемые. Рома сказал, что бензин изготавливают из угля, а Ваня сказал, что бензин получают из нефти. Подчеркни правильное высказывание.
6. Подготовь план сообщения « Для чего нам нужен каменный уголь»
Литература: Детская энциклопедия для среднего и старшего возраста. Ред. Благой Д. Д., Варсанофьева В. А. и др. В 10 томах (т.2 «Земная кора и недра Земли. Мир небесных тел». 1959 г. ). 6000 c. 1958—1962 гг. 300 тыс. экз. М.: Изд-во Академии педагогических наук РСФСР.
Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.
10 процессов, которые были бы невозможны без нагревания
Многие физические и химические процессы были бы просто невозможны, если бы человек несколько тысяч лет назад не понял, что можно нагревать предметы, вещества и воздух. С появлением огня расширился ареал обитания, люди стали появляться на северных территориях, а способность готовить и отапливать помещения сделали жизнь лучше и комфортнее. Сегодня процесс используется в быту, промышленности и развлечениях. Человек берет за основу те биохимические и геологические процессы, которые связаны с нагреванием, и создает инновационные технологии в электронике, промышленности и быту. Совместно c брендом IQOS сделали подборку технологий и процессов, которые невозможны без принципа нагревания и контроля температуры.
Читайте «Хайтек» в
Древняя история нагревания
Человеку еще на ранних стадиях эволюции было проще жить в регионах с тропическим и экваториальным климатом. Главный фактор, облегчающий жизнь в таких климатических зонах, — температура. Там, где тепло, проще добывать себе пищу, легче выращивать сельскохозяйственные культуры, да и просто выживать, так как не требуется строительство монументальных жилищ, защищающих от низких температур и непогоды. Научившись добывать огонь, человек стал больше уделять времени и сил приготовлению пищи, а его ареал обитания существенно расширился. Человеческие поселения стали появляться все севернее, а жизнь там, несмотря на более суровый климат, становилась более приемлемой для выживания. Возможность использовать огонь позволила человеку не только готовить пищу, но и отапливать свое жилище, защищать свое тело во время зимних сезонов или даже в условиях вечной мерзлоты. Сегодня только в северных регионах проживают 21 млн россиян.
Одним из факторов, позволивших человечеству стать превалирующим видом на Земле, стало понимание, что тела, жидкости и газ вокруг нас можно нагревать, а тепло позволяет делать жизнь комфортнее, полноценнее и легче. Конечно, первобытный человек не сразу освоил технику использования огня (тем более не с точки зрения сжигания, а именно нагревания). Первые доказательства использования людьми огня для приготовления пищи и обогрева были найдены в Восточной Африке: в Чесованьи возле озера Баринго, Кооби-Фора и Ологесалирие в Кении.
Так, доказательства в Чесованьи представляют собой осколки красной глины, возраст которой составляет 1,42 млн лет. Судя по твердости, они были нагреты до 400°C. В Кении найдены свидетельства использования огня Homo erectus с возрастом примерно 1,5 млн лет, с красными отложениями, которые могут образоваться лишь при температуре 200–400 °C.
Что такое нагревание?
Нагревание — это естественный или искусственный физический процесс повышения температуры. Это может происходить за счет внутренней энергии или подведения энергии извне. Для последнего используется нагревательный элемент. Конструкции могут быть самыми разными: от костра до ядерного реактора.
Помимо различий в источниках энергии, сам процесс нагревания может происходить как снаружи, так и изнутри. К последним примерам относятся: тепло, вырабатываемое в ядре Земли, благодаря энергии, которую переносят потоки магмы; растворы во время электролиза или, к слову, современные системы нагревания табака. С нагреванием снаружи все просто — это классический огонь, отопление, СВЧ.
Нагревание происходит за счет увеличения скорости движения или колебаний молекул и атомов, из которых состоит тело. В разных телах этот процесс происходит по-разному. Если речь идет о газах, то их молекулы хаотично движутся с большими скоростями (это могут быть сотни метров в секунду) по всему объему, заполненному газом. Во время своего движения молекулы сталкиваются и отскакивают друг от друга, меняя при этом скорость и направление движения. В случае с жидкостями молекулы в них колеблются около равновесных положений, поскольку расположены очень близко друг к другу, и сравнительно редко могут перескакивать из одного положения в другое. В твердых телах частицы колеблются около положения равновесия. Нагревание во всех перечисленных случаях приводит к тому, что скорость частиц увеличивается. Поэтому хаотичное движение частиц принято в физике называть тепловым. А само нагревание тела зависит от его теплоемкости и теплопроводности.
Теплоемкость — количество теплоты, поглощаемой или выделяемой телом в процессе нагревания (остывания) на 1 К (Кельвин).
Теплопроводность — способность тел проводить теплоту от более нагретых частей тела к менее нагретым частям путем хаотического движения частиц (атомов, молекул, электронов). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества.
Нагревание сегодня применяется в самых различных областях человеческой жизни: от бытового использования в приготовлении пищи и отопления до научных экспериментов и транспортировки. Да и сама природа использует этот процесс: тает лед, изменяется климат, растет температура воды в Мировом океане, меняется флора и фауна, образуются химические вещества и породы.
Кипячение
Кипячение — самый распространенный способ нагрева воды, применяемый исключительно человеком. Речь идет не только о приготовлении еды, для которого необходим кипяток. Кипячение также позволяет уничтожить большинство паразитов, обитающих в воде, произвести обеззараживание продуктов, а также очистить вещи, предметы от жировых загрязнений.
Процесс кипячения состоит из трех стадий: на первой в воде появляются пузырьки воздуха, которые проскакивают со дна емкости, на второй — пузырьки начинают стремительно подниматься к поверхности, происходит помутнение, напоминающее бегущую из родника воду. На третьей стадии начинается бурление воды, поверхности достигают большие пузыри, а вода может разбрызгиваться.
Процесс кипячения сопровождается выделением пара. Кроме того, при кипячении оседают коллоидные частицы грязи, а вода смягчается, так как в осадок выпадают соли, а концентрация легколетучих компонентов и свободного хлора уменьшается.
Но при длительном кипячении возрастает концентрация нелетучих веществ. Нагрев воды до состояния кипятка не может уничтожить тяжёлые металлы, пестициды, гербициды, нитраты, фенолы и нефтепродукты. Есть микробы, способные выжить в кипящей воде довольно длительное время — минуты и даже часы. Прионы не деактивируются даже при кипячении в течение 18 минут при температуре 134°C в герметичном паровом автоклаве.
Термическая обработка пищи
Тепловая обработка применяется в кулинарии разных народов и культур для большого числа продуктов. Как правило, у такой обработки три цели: размягчение, улучшение вкуса или внешнего вида, а также обеззараживание, особенно если речь идет о мясной продукции.
Кроме варки, которая может проходить не только с процессом кипячения, но и на пару, а также при пониженной температуре, к этому же виду обработки относят готовку в вакууме — су-вид, когда продукты варят в вакуумной упаковке. Помимо этого существует способ варки в автоклаве, где готовка происходит под избыточным давлением при температуре 110–130°C.
Еще один вид термической обработки — жаренье, второй по распространенности способ готовки. Продукт прилегает к посуде, поверхность которой смазана тонким слоем горячего жира. Если речь идет о мучных изделиях и особой категории блюд, то используют выпекание в варочном шкафу или духовке. А мясные и рыбные продукты часто коптят с помощью горячего и холодного дыма.
Для поддержания температуры перед раздачей или во время перевозки используется особый вид обработки — термостатирование. А для эффектной подачи используют краткосрочное воспламенение готового блюда, это называется фламбированием.
Отопление
Об этом способе нагревания воздуха знают жители многих стран — без отопления пережить продолжительный зимний сезон практически невозможно. На территории России средняя температура воздуха в этот период составляет −19,7°С. Водяное отопление — это самый популярный и дешевый способ, но сегодня есть и другие варианты, позволяющие обогревать жилище современного человека. Причем в их задачу входит не только обогрев помещения для возмещения теплопотерь, но и поддержание температуры.
В зависимости от преобладающего способа теплопередачи отопление помещений может быть конвективным и лучистым. Под конвективным понимается вид отопления, при котором тепло распространяется благодаря перемешиванию объемов горячего и холодного воздуха. К недостаткам конвективного отопления относится большой перепад температур в помещении (высокая температура воздуха наверху и низкая внизу) и невозможность вентиляции помещения без потерь тепловой энергии. Лучистый способ подразумевает наличие специальных приборов, которые устанавливаются под пол или над обогреваемой зоной либо монтируются прямо в стены.
По источнику тепла отопление может быть самое разнообразное: от печного и парового до жидкотопливного и инфракрасного.
Системам отопления уже много сотен лет. Первым средством обогрева считают костер. А отопительным устройством — гипокауст, древний «теплый пол», который использовали римляне. Нагревалась поверхность каменного пола с помощью газа, который выходил из печей и скапливался в полостях под полом.
Ядро Земли
Самый крупный в мире «обогреватель» находится в самом сердце нашей планеты — в ядре Земли. Центральная и наиболее глубокая часть планеты находится под мантией и, предположительно, состоит из железо-никелевого сплава с примесью других сидерофильных элементов. Глубина залегания — 2 900 км. Ядро разделяется на твердое внутреннее ядро радиусом около 1 300 км и жидкое внешнее ядро толщиной около 2 200 км. Температура на поверхности твердого ядра Земли достигает 6 230 ± 500 K (5 960 ± 500 °C).
От земного ядра поднимаются колоссальные восходящие тепловые потоки магмы — плюмы. У поверхности мантии они растекаются в стороны, вызывая дрейф континентов, а остыв, опускаются в глубину. Но у ядра есть свои источники нагрева: распад долгоживущих радиоактивных элементов и трение между ядром и внешними слоями Земли, вращение которых постепенно тормозят приливы. И все же ядро остывает и от этого постепенно кристаллизуется: диаметр внутреннего твердого ядра увеличивается на несколько сантиметров в столетие.
Нагревание в химии
Увеличение температуры используют в химической отрасли для ускорения массообменных и химических процессов, температурные условия протекания которых зависят от теплоносителя и способа нагрева: водяным паром, горячими жидкостями, точечными газами, электрическим током и излучением.
Самым наиболее частым методом в органическом синтезе является кипячение и нагревание. Согласно правилу Вант Гоффа, при нагревании на 10°С скорость химических реакций возрастает в 2–4 раза. Химические реакции в органической химии (в отличие от неорганической) идут довольно медленно. Поэтому нагревание существенно ускоряет работу химиков.
Но органические соединения довольно не стабильны и при сильном воздействии осмоляются. Поэтому в ряде случаев реакции проводят не при нагревании, а при охлаждении.
Водяные бани применяют только в тех случаях, когда требуется нагревание до температуры не выше 100°С. Песочные бани используются для осторожного воздействия до высокой температуры или для осторожного прокаливания. Температура песочной бани 200–300°С. Нагревание до высоких температур осуществляют в муфельных печах. Прокаливание проводят в тиглях, которые обычно закрывают крышками.
Нагрев электрическим током также используется в химической отрасли, в первую очередь, для экономии средств. Прямой нагрев воды и водных растворов переменным электрическим током при электрическом напряжении, меньшем напряжения разложения жидкостей, показывает, что при малых удельных мощностях генерируемая тепловая энергия превышает затраченную электрическую, вводимую в нагреваемую жидкость.
Индукционный нагрев
Индукционный нагрев — это нагревание материалов электрическими токами, которые индуцируются переменным магнитным полем. Такой нагрев изделий из проводящих материалов — проводников — происходит с помощью магнитного поля индукторов. Система «индуктор-заготовка» представляет собой бессердечниковый трансформатор, в котором индуктор является первичной обмоткой. Заготовка является вторичной обмоткой, замкнутой накоротко. А магнитный поток между обмотками замыкается по воздуху.
На высокой частоте вихревые токи вытесняются образованным ими же магнитным полем в тонкие поверхностные слои заготовки (скин-эффект), в результате чего их плотность резко возрастает, и заготовка разогревается. Индуктор и сам сильно нагревается во время работы, так как сам поглощает собственное излучение. К тому же он поглощает тепловое излучение от раскалённой заготовки. Делают индукторы из медных трубок, охлаждаемых водой. Вода подаётся отсасыванием — этим обеспечивается безопасность в случае прожога или иной разгерметизации индуктора.
Такой способ применяется в самых разных промышленных сферах: от сверхчистой бесконтактной плавки до ювелирного дела и обеззараживания медицинских инструментов.
Диэлектрический нагрев (СВЧ)
Для нагрева диэлектрических материалов используется переменное электрическое поле или электромагнитная волна — речь о популярных СВЧ-печах, или микроволновках. ТВЧ-нагрев (с токами высокой частоты) создается в конденсаторах, а СВЧ (сверхвысокочастотное излучение) — в волноводах и объемных резонаторах. При этом способе нагревание тел вызывается потерями на дипольную поляризацию диэлектриков.
Из недостатков такого способа — его неоднородность. При СВЧ-методе происходит лишь поверхностный нагрев, который зависит от теплопроводности материала.
При использовании электромагнитных СВЧ-волн нагрев вызывается молекулярным дипольным вращением в диэлектрике — типичной дипольной молекулой является молекула воды. Метод наиболее широко применяется для разморозки и нагрева при приготовлении пищи. Поскольку вода в пищевых продуктах содержит большое количество солей, которые диссоциируют на ионы, служащие носителями электрических зарядов и также реагирующие на переменное электромагнитное поле, нагрев продуктов обусловлен как переориентацией полярных молекул-диполей, так и смещением ионов.
Нагревание табака
Нагревание табака, а не его горение стало фундаментальным отличием альтернативных бездымных продуктов, которые разрабатываются в научно-исследовательском центре компании «Филип Моррис Интернэшнл» (ФМИ). Компания сделала ставку на прорывные технологии, науку и инновации. В Центре работают более 430 ученых и инженеров разных специальностей, которые уже более 10 лет применяют весь свой опыт и знания в целях создания будущего без сигаретного дыма. Компания проводит поэтапную и всестороннюю научную оценку своих инновационных бездымных продуктов, основанную на практиках, применяемых в фармацевтической отрасли, следуя международным стандартам качества, принципам надлежащей лабораторной практики (GLP) и надлежащей клинической практики (GCP). IQOS прошел все стадии тщательной научной оценки, включая 18 доклинических и 10 клинических исследований, в ходе которых было подтверждено, что при использовании IQOS выделяется на 95% меньше вредных веществ по сравнению с сигаретами.*
Важно: это не означает снижение риска на 95%. Использование IQOS не исключает риски для здоровья.
* «на 95% меньше вредных веществ» означает среднее снижение уровней вредных веществ (без учета никотина) в аэрозоле IQOS в сравнении с дымом эталонной сигареты, используемой в исследовании (3R4F).
В IQOS используется технология HeatControl™, которая устроена следующим образом: керамический элемент в форме лезвия нагревает табак изнутри до температуры, не превышающей 350°С. Такой температурный режим исключает горение, а значит, не образуется дыма и пепла, нет риска прожечь одежду, обивку в салоне автомобиля, мебель или обжечь кого-то.
Уникальность технологии заключается в том, что нагревание происходит изнутри, а не снаружи, и элемент соприкасается непосредственно с табаком, не поджигая его, а бережно нагревая. Кроме того, благодаря инновационным технологиям температура нагрева во время работы устройства IQOS контролируется и поддерживается на необходимом уровне автоматически. Дорожки из золота и платины, нанесенные на нагревательный элемент, вместе образуют термопару, которая измеряет и передает данные о температуре в блок управления, расположенном в держателе устройства.
Во всех без иключения моделях IQOS – от классической 2.4 Plus до новейшей и самой элегантной IQOS 3 DUOS – используется запатентованная технология разработанная в Швейцарии. При создании IQOS ученым и технологическим экспертам удалось исключить процесс горения, заменив его на нагревание, поэтому IQOS обладает рядом преимуществ по сравнению с продолжением курения сигарет. Сегодня уже более 11 миллионов совершеннолетних пользователей по всему миру сделали свой выбор в пользу IQOS*.
*Данные на основе внутренней финансовой отчетности ФМИ, опросов совершеннолетних пользователей IQOS и анализа рынка на [октябрь 2020 года]. Учитывались совершеннолетние пользователи IQOS, которые полностью прекратили курить сигареты, и для которых потребление табачных стиков ФМИ составило не менее 70% от всего табака нагреваемого в течение последних 7 дней на момент опроса.
Плазменная обработка
Если совместить теплофизические и электрохимические процессы на поверхности анода, связанные с локальным вскипанием жидкости, то получится явление, которое называют электролитно-плазменной обработкой. Другое название — анодный электролитный нагрев.
Впервые явление свечения и нагрева электродов заметили сразу несколько ученых в XIX веке — Артур Венельт, Александр Вальтер и Георг Симон Ом. Они доказали, что в результате теплового воздействия тока на электрод со сравнительно малой поверхностью вокруг него происходит локальное вскипание раствора с образованием парового слоя и размыканием электрической цепи. Имеющаяся в цепи индуктивность способствует появлению э.д.с. и пробою парогазового слоя со световыми явлениями.
Сегодня этот метод нагрева широко используется для скоростного упрочнения поверхностей деталей — например, цементации, азотирования, борирования, нитроцементации и/или закалки в рабочем электролите. А электролитно-плазменная обработка стали увеличивает ее поверхностную твердость, износостойкость, коррозионную устойчивость.
Лазерный нагрев
Лазерная обработка материалов используется повсеместно, в том числе и для получения нанотрубок из графена. В зависимости от интенсивности и длительности воздействия лазерного излучения можно нагревать материал без видимого разрушения, расплавлять его, испарять и даже вымывать продукты разрушения.
Расчеты показывают, что скорость нагрева при лазерном облучении материалов очень высока — до 10–10°С/с. За короткое время поверхностные слои успевают нагреться до высоких температур, расплавиться и перегреться. В перегретом металле примеси успевают раствориться.
Лазерный нагрев так же, как и газоразрядный, используется для концентрации энергии на поверхности графита. Эта энергия используется для термического распыления графита. При лазерном распылении получают практически только многослойные нанотрубки — с числом слоев от 4 до 24 и длиной до 300 нм. При этом графитовый образец — мишень, на которую фокусируется лазерное излучение, — помещают в печь для дополнительного нагрева.
А группа физиков-теоретиков одного из лондонских колледжей даже придумала новый метод, который может позволить лазерам нагревать определенные материалы до температур солнечного ядра и выше, правда, всего за 20 квадриллионных секунды.
Человек в своих технологических достижениях всегда вдохновлялся природой: начиная от применения огня для приготовления пищи и заканчивая современными атомными реакторами, в основе работы которых лежат те же самые процессы, что и в выработке тепла из ядра Земли. Умение нагревать позволило человечеству стать доминирующим видом на планете, расширить ареал своего обитания даже на самые суровые климатические зоны, ускорить химические реакции, создать суперпрочные материалы и, наконец, сделать жизнь комфортнее и технологичнее.
Что получают с помощью нагревания в разных печах
Что получают с помощью нагревания в разных печах
На сегодняшний момент промышленные печи находят широкое распространение почти во всех отраслях промышленности. В черной металлургии в доменных печах получают чугун, в конвекторах – сталь, в прокатных цехах в печах нагревают металл перед прокаткой и термообработкой после прокатки; в цветной металлургии металл получают и перерабатывают также в печах. Печи применяются в кузнечных и термических цехах машиностроительных заводов для нагрева металла перед ковкой и штамповкой, для его термообработки, в литейный цехах – для плавки металла и сушки литейных форм и стержней; в керамической промышленности и промышленности строительных материалов – для обжига огнеупоров и керамики, обжига цементного клинкера и извести, получения заполнителей бетона; для варки стекла; в нефтеперерабатывающей промышленности – для перегонки нефти; в химической промышленности – для получения соды, аммиака, фосфатных удобрений и т.п. [3].
Существует большое количество типов промышленных печей, которые могут подразделяться по технологическому назначению, по источнику тепловой энергии, по конфигурации рабочего пространства, по способу использования тепла отходящих дымовых газов и пр. В [3] приводится следующая классификация:
а) по технологическому назначению промышленные печи подразделяются на:
— плавильные, служащие для плавки материалов;
— нагревательные, служащие для нагрева металла перед обработкой давлением;
— термические, служащие для нагрева материалов с целью их термической обработки;
— обжиговые, служащие для обжига материалов;
— сушила, служащие для удаления влаги из материала или высушивания окрашенных изделий;
— печи, служащие для получения из одного продукта другого путём его перегонки;
— печи химической промышленности, служащие для нагрева материалов с целью проведения химических процессов;
б) по источнику тепловой энергии печи можно классифицировать на:
— пламенные, в которых тепловая энергия получается путём сжигания топлива;
— электрические, в которых нагрев происходит за счёт электроэнергии.
в) по способу использования тепла отходящих дымовых газов:
— рекуперативные, в которых тепло отходящих газов используется для подогрева воздуха или воздуха и газа в рекуператорах;
— регенеративные, в которых для тех же целей вместо рекуператоров применяются регенераторы;
— печи без использования тепла отходящих газов.
Принципиальным для нас является классификация по использованию тепловой энергии печи, точнее по использованию вторичного тепла дымовых газов. По сути промышленная печь – это котёл (здесь не принципиально, водогрейный, паровой или энергетический), где вместо воды происходит нагрев либо заготовки, либо какого-либо материала, который в процессе термической обработки меняет свою температуру, свой химический состав или свойства. Если вспомнить тепловой баланс парового котла, то самые большие потери тепловой энергии происходят с дымовыми газами. С точки зрения анализа вторичного тепла промышленных печей нас будут в первую очередь интересовать пламенные печи, в которых тепловая энергия получается путём сжигания органического топлива, в большинстве случаев природного газа. Поскольку сжигание органического топлива сопровождается образованием дымовых газов, то в промышленных печах, так же как и в котельных агрегатах, основные потери тепловой энергии, а, следовательно, вторичного тепла, происходит именно с дымовыми газами.
В зависимости от мощностей промышленных печей они могут оснащаться рекуператорами тепловой энергии дымовых газов. Как правило температура дымовых газов после промышленных печей может достигать 500 °С и выше. Это в первую очередь связано с температурой нагрева заготовок или материала. Если конечная температура заготовки, например, для целей термообработки должна составлять 630 °С, то сложно использовать всю располагаемую теплоту, которая была получена при сжигании органического топлива и следовательно температура уходящих дымовых газов из печи будет на аналогичном температурном уровне. В каких-то случаях часть тепловой энергии дымовых газов направляется на подогрев первичного воздуха, идущего на горение, через рекуператор. Однако температура этого воздуха часто ограничивается термическими свойствами горелочных устройств. Несмотря на применение рекуператоров и регенераторов тепловой энергии на промышленных печах, температура дымовых газов после них может также достигать уровня в 300 – 400 °С и выше. Достаточно часто встречаются такие ситуации, когда к дымовым газам промышленных печей уже после рекуператора подмешивается воздух из окружающего пространства, чтобы предотвратить термическое разрушение лопаток дымососа.
часть текста отсутствует
В электрических печах нагрев происходит при помощи электрической энергии и, следовательно, там отсутствует горение и, как следствие, дымовые газы. Основные тепловые потери – это потери тепловой энергии через обмуровку печи. Если в электрической печи применяется нагрев какого-либо материала, который при термической обработке выделяет жидкие или газообразные вещества, то в печи предусмотрен их отвод. Однако говорить о какой-либо значимой величие вторичного тепла в электрических печах не приходится. Как правило, электрические печи применяются для более тонкой «настройки» температурного уровня нагрева материала, где разброс температуры нагрева в несколько градусов может влиять на термические процессы и, следовательно, на свойства материала после обработки. Как бы там не было газовые печи являются более экономичными по сравнению с электрическими печами.
Как было показано выше, существует большое количество типов и разновидностей промышленных печей и разбирать здесь каждый тип просто не предоставляется возможным, тем более что большинство печей, с точки зрения технологии нагрева материала, будь то для последующей его механической обработки или нагрев с точки зрения термообработки являются в первом приближении одинаковыми. Исключения могут составлять, к примеру, печи обжига или стекловаренные печи, также рассмотренные ниже.
часть текста отсутствует
Для дальнейшего исследования разделим все печи, которые были исследованы автором на три группы.
К первой группе отнесём промышленные печи, которые служат для нагрева материала перед его обработкой, а также термические печи, основная задача которых заключается в термообработке уже готовых изделий и материалов. К этим печам можно отнести, к примеру, кузнечные печи кузнечно-прессового или кузнечно-штамповочного цеха. Печи нагревают исходную заготовку, после чего происходит её обработка, к примеру, горячая штамповка. Основная задача этих печей заключается в нагреве заготовок до определённой температуры перед их обработкой. Кузнечно-прессовые и кузнечно-штамповочные цеха относятся к группе основных цехов и имеют существенное значение в производственном процессе, так как здесь закладываются основы прочности и долговечности машин. После соответствующих операций происходит термообработка поковок в печах термообработки. Печи термообработки могут также располагаться непосредственно в цеху, где располагаются печи нагрева заготовок, могут также располагаться и в другом цеху. Термическая обработка также важна, так как ей достигается устранение крупно-зернистой структуры при нагреве и штамповке, снятию внутренних напряжений, облегчению механической обработки, получением механических свойств, заданных техническими условиями на поковку. Термической обработкой в кузнечном цехе являются: нормализация, отжиг и закалка с последующим отпуском и все операции по нагреву заготовок происходят в нагревательных печах. Размер печей для нагрева и термической обработки и, следовательно, её тепловая мощность зависит от размера нагреваемой заготовки.
Помимо вышеописанных типов печей предполагается также исследовать такие типы печей, как вертикальная безмуфельная печь, газовую роликовую печь, методическую печь, а также кольцевую печь. Эти типы промышленных печей менее распространены, чем вышеуказанные нагревательные печи или печи термообработки, но их мощность, как правило, на порядок больше и они представляют особый интерес с точки зрения потенциала использования вторичного тепла дымовых газов.
Ко второй группе предполагается отнести печи обжига клинкера предприятий по производству цемента. Стоит упомянуть, что существует два способа производства цемента: по «сухому» и по «мокрому» способу. Преимущества сухого способа заключается в более низких удельных затратах исходного органического топлива (в России в подавляющем большинстве – это природный газ) на производства основного материала цемента – клинкера, однако мокрый способ позволяет получить более однородную структуру шлама из которого в печах обжига получается клинкер.
часть текста отсутствует
На сегодняшний момент число цементных предприятий в России, работающих по мокрому способу производства цемента больше, чем по сухому. Это связано с тем, что стоимость строительства предприятия, работающего по мокрому способу была дешевле, чем по сухому. Однако в условиях удорожания топливно-энергетических ресурсов крупные корпорации осуществляют проекты по модернизации существующих цементных предприятий, работающих по мокрому способу производства цемента на технологию производства цемента по сухому способу. Данная модернизация не снимает проблему образования вторичной тепловой энергии уносимой как с дымовыми газами клинкерной печи, так и образующейся при охлаждении клинкера в колосниковых холодильниках при его подачи транспортёром на объединенный склад. В Европе существует множество проектов по утилизации вторичного тепла дымовых газов клинкерных печей с последующей выработкой электрической энергии на основе ORC-цикла. Ниже будет приведено описание этой технологии, а также приведены соответствующие экономические расчеты.
В третью группу промышленных печей отнесём стекловаренные печи, которые являются основным технологическим комплексом предприятий по производству стекла, также достаточно распространённых на территории России. Несмотря на применение в стекловаренных печах регенераторов тепловой энергии дымовых газов и нагрева им воздуха, идущего на горение, температура дымовых газов остаётся на достаточно высоком уровне, что способствует уносу с дымовыми газами в атмосферу большого количества тепловой энергии.
В последнее время, особенно на вновь вводимых предприятиях по производству стека уже в проекте заложены системы утилизации вторичного тепла дымовых газов стекловаренных печей, основная задача которых – это нагрев воды для использования его в целях отопления и горячего водоснабжения на предприятии.
Что получают с помощью нагревания в разных печах
Содержание
Одной из важнейших операций, проводимых в химических лабораториях, является нагревание и как один из видов его — прокаливание.
Электронагревательные приборы
Из электронагревательных приборов наибольшим распространением пользуются плиты, сушильные шкафы и т. д.
Электрические плиты бывают различного размера, круглые или прямоугольные, с открытым и закрытым сопротивлением (спиралью). Пластинка, закрывающая спираль плиты, может быть металлической, асбестовой или талько-шамотной.
Если у электронагревательного прибора три штеккера, то его включают в сеть при помощи специального электрошнура с вилкой и тремя гильзами. На одной из гильз имеется отметка «0» или черная полоса, или же гильза имеет отличающийся от остальных цвет, например коричневый. У такого прибора возможны три степени нагревания:
1. Для того, чтобы получить минимальное нагревание, гильзу с отметкой ставят на средний штеккер, а одну из остальных — на левый штеккер.
2. Для достижения среднего нагревания гильзу с отметкой ставят на правый штеккер, а одну из остальных — на левый или средний штеккер.
3. Для достижения максимального нагревания гильзу с отметкой ставят па правый штеккер, а две другие — на остальные штеккеры.
Муфельные печи
Электрические муфельные печи применяют при прокаливании, плавке и в других случаях, когда необходим нагрев до высокой температуры.
Печь представляет собой муфель из шамота или другого огнеупорного материала с намотанной на нем нагревательной проволокой, помещенный в металлический корпус.
Пространство между стенками корпуса и муфелем заполнено теплоизоляционным материалом. Печи имеют автоматический регулятор. При отсутствии регулятора к печи можно присоединить терморегулятор, например биметаллический.
В муфельных печах обычно можно достичь 1000—1200 °С, а в муфельных печах специального назначения — и выше. Муфельные печи имеют в задней стенке отверстие для введения термопары, что позволяет проверять температуру в любом месте муфельной печи.
Под печь нужно класть толстый лист асбеста, или асбоцементную плиту, или шамотные кирпичи. Во время работы, когда муфельная печь загружена, дверка должна быть закрыта.
Муфельные печи очень удобны для прокаливания тиглей, в особенности платиновых.
О температуре в муфельной печи можно судить (конечно, приближенно) по цвету нагретого муфеля:
начало красного каления 520 °C
темно-красное каление 700 °C
вишнево-красное каление 850 °C
ярко-красное каление 950 °C
желтое каление 1100 °C
ослепительно белое каление 1500 °C
При работе с электрическими приборами нужно помнить следующее:
1. Включать прибор можно только в ту сеть, вольтаж которой соответствует вольтажу прибора.
2. Не греть приборы без надобности.
3. Не обливать приборы кислотами или растворами солей, щелочей и т. д.
4. Ставить электронагревательные приборы не на деревянную поверхность стола, а только на теплоизоляционный слой (асбест, шамот и др.).
5. Следить за чистотой приборов; перед включением печей убедиться — нет ли внутри посторонних предметов.
6. Включать печи можно, только когда ручка реостата находится в нулевом положении.
Ручку реостата нужно передвигать не сразу после включения в сеть, а через некоторое время, когда печь немного обогреется, причем увеличивать накал нужно также постепенно.
Прокаливание
Прокаливанием называют операцию нагревания твердых веществ до высокой температуры с целью:
а) освобождения от летучих примесей;
б) достижения постоянной массы;
в) проведения реакций, протекающих при высоких температурах;
г) озоления после предварительного сжигания органических веществ.
Нагревание до высокой температуры проводят в печах. Очень часто в лабораториях приходится прокаливать такие вещества, как СаСl2×6Н2O, Na2SO4×10Н2O и др., с целью обезвоживания.
Если приходится что-либо прокаливать в фарфоровом тигле, то тигель нагревают постепенно. Во избежание потерь при прокаливании тигли обычно закрывают крышками. Если в таком тигле приходится что-либо озолять, то сначала при слабом нагревании сжигают вещество в открытом тигле и уже после этого закрывают тигель крышкой.
Если фарфоровый тигель после работы загрязнен внутри, то для очистки в него наливают концентрированную азотную кислоту или дымящую соляную кислоту и осторожно нагревают. Если ни азотная, ни соляная кислоты не удаляют загрязнение, то берут смесь их в пропорции:
Иногда загрязненные тигли обрабатывают или концентрированным раствором KHSO4 при нагревании, или плавлением этой соли в тигле с последующей промывкой его водой. Бывают, однако, случаи, когда все указанные приемы не помогают; такой не поддающийся очистке тигель рекомендуется применять для каких-нибудь неответственных работ.
Общие меры предосторожности
При работе с нагревательными приборами нужно принимать меры предосторожности во избежание несчастных случаев и пожара.
Кроме приведенных выше правил, следует обратить внимание еще на некоторые моменты.
Во избежание ожогов при нагревании и прокаливании никогда не следует брать голыми руками нагретые колбы, стаканы, чашки и пр.; необходимо или обвернуть их полотенцем, или же надеть на пальцы по куску толстостенной резиновой трубки, разрезанной по длине.
Для того, чтобы брать чашки, можно сделать из толстой проволоки прихватку, напоминающую обыкновенный сковородник.
При нагревании или при прокаливании веществ, которые могут разбрызгиваться, обязательно следует надевать предохранительные очки для защиты глаз.
Что получают с помощью нагревания в разных печах
Производство практически каждого промышленного изделия связано с плавлением, рафинированием, сушкой, варкой, выпечкой, активизацией химических реакций или другими операциями, требующими нагревания на определенной стадии изготовления этого изделия. Промышленные печи являются нагревательными устройствами, применяемыми для таких операций. Они часто очень схожи по конструкции, но имеют различные названия в зависимости от назначения в разных отраслях промышленности. Например, камерная печь, работающая на топливе или электроэнергии и применяемая для термической обработки стали, может использоваться для обжига или глазурования таких керамических изделий, как фарфор; в этом случае она будет называться обжиговой печью.
Для всех печей промышленного назначения характерно то, что они имеют камеру с регулируемым нагревом до определенной температуры.
Промышленные печи и горны, работающие при довольно высоких температурах, а также коксовые печи обычно имеют внутреннюю облицовку (футеровку) из жаропрочной керамики или других материалов, называемых огнеупорными. В печах, работающих при повышенных температурах, для лучшей теплоизоляции используют теплоизолирующие огнеупоры, в печах, у которых рабочая температура не слишком высока, применяют неогнеупорные теплоизоляционные материалы.
Огнеупорными называются изделия, способные противостоять нагреву, эрозии, абразивному износу и химическому воздействию. К ним относятся кирпич, керамика специальных профилей, гранулат, формованные пластмассовые изделия, применяемые как установочная арматура, материалы, которые при смешивании с водой могут заливаться в заданное место, подобно бетону, и прочие. Для кладки из огнеупоров используют специальные растворы и цементы.
Материалы, из которых изготовляют огнеупоры, выбирают в соответствии с их физическими и химическими свойствами. Например, современные процессы производства стали требуют применения основного шлака для адсорбирования примесей, удаляемых из расплавленного металла в процессе рафинирования. Такие печи должны иметь основную футеровку, чтобы исключить реакцию с основным шлаком, которая способна привести к быстрому разрушению футеровки.
Основными огнеупорами являются хромовые, хромомагнезитовые, магнезитохромовые, магнезитовые, доломитовые и глиноземные; их свойства определяются входящими в их состав оксидами хрома, магния, кальция и алюминия.
Кислым огнеупорным материалом является динас, основу которого составляет диоксид кремния. Многочисленные огнеупорные материалы изготовляют из огнеупорных глин (алюмосиликатов). Уголь и графит используют в качестве огнеупоров, когда нельзя применять другие огнеупоры.
Нагревание в печи происходит за счет сжигания топлива (твердого, жидкого или газообразного), виды которого приводятся ниже, в разделе «Обычные источники тепла». Источником тепла может быть электроэнергия, генерируемая нагревательными элементами или электрической дугой и в редких случаях электромагнитной индукцией, микроволновым и ИК-излучением. В табл. 1 дана классификация электрических печей по принципу нагревания со специальной ссылкой, касающейся их применения при производстве стали.
Перспективным в сталеплавильном производстве является кислородно-конверторный процесс; тепло, необходимое для получения стали из жидкого чугуна и стального лома в конверторе, выделяется при химических реакциях, происходящих при окислении углерода и примесей кислородом, подводимым к поверхности расплава; при этом исключена необходимость во внешнем источнике тепла (рис. 1).
Типы промышленных печей. Промышленные нагревательные устройства могут быть периодического или непрерывного действия. В нагревательных устройствах периодического действия партию материала помещают в печь и нагревают в течение определенного времени до необходимой температуры (должен быть равномерный нагрев); после этого материал либо извлекают из печи для дальнейшей обработки, либо, прекращая нагрев, охлаждают вместе с печью. Нагревательные устройства непрерывного действия оснащены транспортером, при помощи которого изделия загружают в печь, затем они проходят через нагревательную камеру и выводятся из нее.
Ниже перечислены некоторые основные операции, выполняемые в промышленных печах. Дистилляторы и другие виды нагревательных аппаратов, используемые в химической и нефтеперегонной промышленности, не упоминаются в данном подразделе, хотя многое из указанного ниже применимо также и к этим аппаратам.
Операции, выполняемые в печах:
а) плавление и восстановление, плавление и/или рафинирование, термическая обработка (за исключением плавления) (рис. 2), пайка твердыми и мягкими припоями, нагрев для горячей обработки изделий, обогрев котлов и сжигание отходов и мусора;
б) производство цемента, обжиг глины, производство керамических изделий (кирпич, черепица, огнеупоры и т.д.);
в) сушка (удаление влаги) и вулканизация, выпечка, декорирование, сушка окрашенных изделий.
Таблица 1. Классификация электрических печей по принципу нагревания
А. Электропечи сопротивления
1. Косвенный нагрев. Ток пропускают через нагревательные элементы, имеющие большое сопротивление, которые выделяют тепло, нагревающее металл в печи за счет излучения и конвекции. Эти печи используют для термической обработки и поддержания температуры расплавленного металла, но не для плавки стали.
2. Прямой нагрев. Ток от низковольтных трансформаторов пропускают через нагреваемую сталь. Применяют для нагревания стали при горячей обработке давлением; для плавки стали не используют.
3. Индукционный нагрев. Ток в стали наводится с помощью переменного магнитного поля:
а) низкочастотные индукционные печи. Используется принцип трансформатора. При этом металл, находящийся в печи, играет роль вторичной обмотки, а катушка с железным сердечником образует первичную обмотку;
б) высокочастотные и среднечастотные индукционные печи. Ток высокой или средней частоты проходит через катушку, внутри которой помещен тигель с металлом.
Б. Дуговые электропечи
1. Дуговые электропечи косвенного нагрева. Металл в печи нагревается электрической дугой, возникающей между двумя электродами при пропускании переменного электрического тока; электроды располагают над металлом. Печи могут быть стационарными, качающимися или вращающимися:
— вращающиеся печи с горизонтальными электродами;
— печи специального назначения;
— с прямой дугой; для производства стали не применяют;
— с отклоненной дугой; для производства стали не применяют;
— с прямой дугой; для производства стали не применяют;
— с отраженной дугой; для производства стали не применяют.
2. Дуговые электропечи прямого нагрева. Дуга образуется между электродами и металлом, находящимся в печи:
а) дуговые электропечи постоянного тока. Принцип дуги постоянного тока используется в электродуговых печах с расходуемыми электродами;
б) многодуговые электропечи переменного тока. Ток проходит от одного электрода через дугу к металлу в печи, затем через металл, а от него к другому электроду. Несмотря на возможность применения однофазного, двухфазного и трехфазного тока, для производства стали используют чаще всего трехфазный ток;
в) дуговые электропечи переменного тока с одной дугой. Ток проходит от одного электрода через дугу и металл к электроду, расположенному в нижней части печи. Можно использовать однофазный, двухфазный и трехфазный ток.
3. Комбинированные печи (печь сопротивления в сочетании с электродуговым прямым нагревом). Ток проходит от электрода через дугу к металлу в печи, через этот металл к подине и выводится из печи через токопроводящую подину. Металл в печи нагревается за счет температуры дуги и тепла, выделяемого огнеупорным материалом подины в результате его сопротивления прохождению электрического тока. В таких печах применяют двух- или трехфазный переменный ток.
Обычные источники тепла. К числу наиболее распространенных источников тепла относятся:
а) газообразное топливо-природный и искусственный газы (генераторный, водяной, карбюраторный, каменноугольный, нефтяной, переработанный природный, бутан и пропан);
б) сопутствующие газы-доменный, коксовый и нефтяной (получаемый при перегонке нефти);
в) жидкое топливо-нефть, каменноугольная смола и пек;
г) твердое топливо-уголь (кусковой или пылевидный), полукокс, кокс, древесный уголь, бурый уголь и торф;
д) электроэнергия-электрическая дуга, элементы сопротивления, индукция, микроволны и ИК-излучение.
Уход за печами. Промышленные печи должны обладать достаточной прочностью. У высокотемпературных печей кирпичная кладка поддерживается стальной рамой, а в некоторых случаях печь имеет стальной кожух. Многие промышленные печи имеют тепловую изоляцию, которая обеспечивает сохранение тепла, защиту рабочей зоны вблизи печи от теплового излучения, а также предназначена для безопасности.
Все промышленные печи подвергают профилактическому осмотру через определенные периоды для выявления прогрессирующих разрушений, которые могут привести к аварийному выходу печи из строя.
Оборудование для транспортировки материалов (краны, транспортеры, толкатели, подовые ролики и т.д., а также их приводы) должно быть сконструировано таким образом, чтобы оно могло выдерживать требуемые нагрузки (а иногда и перегрузки-при аварийных ситуациях) при минимальном уходе, не считая регулярных проверок и профилактических мероприятий.
Средства автоматизации, которые регулируют подачу электроэнергии, топлива и воздуха с целью обеспечения заданной температуры, следует поддерживать в хорошем состоянии и проверять через небольшие промежутки времени.
Печи для нагрева металла
Наиболее совершенными в отношении регулирования и получения минимальных потерь от физической и химической неполноты горения являются печи, работающие на газообразном топливе. Распыление жидкого топлива и его сжигание осуществляется при помощи форсунок, которые обеспечивают хорошее смешение топлива с воздухом. Для сжигания газообразного топлива применяются газовые горелки. Сжигание пылевидного топлива производят в специальных устройствах, в которых угольная пыль с помощью шнека и воздуха подается к горелке.
Высокая температура в рабочей камере печи (1400 — 1500°С) достигается применением высококаллорийного топлива и подогретого воздуха в рекуператорах. Горелки или форсунки в этих печах располагаются как над нагреваемыми заготовками, так и под ними ( рис. 108, б ). В камерных печах при нагреве крупных заготовок для облегчения загрузки и выгрузки применяют различные загрузочные механизирующие устройства, машины, а также печи с выдвижным подом и со съемным сводом.
Для уменьшения отхода на окалину применяются печи с использованием нейтральных или защитных атмосфер, доставляющие которых не вступают в реакцию с нагреваемым металлом.
Разновидностью камерных печей являются нагревательные колодцы, которые находят применение в прокатных цехах для нагрева слитков, часто поступающих из сталелитейных цехов в горячем состоянии. Слитки в колодцы загружаются сверху и устанавливаются вертикально. Использование тепла горячих слитков обеспечивает экономию топлива.
Для нагрева концов штанги и прутков при работе на горизонтально-ковочных машинах применяются щелевые печи, загрузочным окнам которых придают вид щели.
Муфельные печи имеют муфель, герметически закрывающийся ящик, который загружают металлом, а нагревание осуществляется без доступа воздуха и газов. Такой способ нагрева применяется для нагрева специальных сплавов без образования окалины.
Методические печи имеют вытянутую форму. Температура в этих печах понижается в направлении движения пламени к загрузочному окну. Наиболее нагретые заготовки омываются наиболее горячим пламенем. В методических печах достигается непрерывная выдача нагретых заготовок, методичный (постепенный) нагрев и лучшее использование тепла образовавшихся при сгорании топлива газов. Чем печь длиннее, тем полнее теплоиспользование. При выходе из печи отходящие газы имеют более низкие температуры, чем в камерных печах, поэтому они экономичнее камерных.
Методические печи широко применяются в прокатном производстве и в крупносерийном кузнечно-штамповочном производстве. Переходной конструкцией от камерной печи к методической является полуметодическая печь, которая отличается от методической меньшей длиной. В них так же, как и в методических печах нагреваются заготовки, форма которых удобна для проталкивания через печь. Полуметодические печи обслуживают штамповочное оборудование высокой производительности.
Полуметодическая печь с толкателем ( рис. 109, а ) предназначена для нагрева мелких заготовок для штамповки. Печь механизирована: имеет магазинную коробку для непрерывного питания печи заготовками. Коробка периодически (через 1—1,5 час) заполняется заготовками. Из магазинной коробки заготовки снизу по одной выталкиваются в печь вначале в подогревательную камеру А, а затем продвигается в нагревательную камеру Б, где нагреваются до заданной температуры. Такие печи можно обеспечить механизмом подачи заготовок к обрабатываемой машине (рис. 109, б). В этом случае заготовка по мере, продвижения по поду печи достигает отверстия 1, проваливается на заслонку 3, которая под тяжестью заготовки или посредством пневматического цилиндра 4 открывается, и заготовка падает на транспортер 2, который все заготовки из-под печи подает к штамповочной машине. Продукты горения из печи ( рис. 109, а ) по каналу уходят в рекуператор, где они подогревают воздух, предназначенный для горения в печи топлива.
Рис. 109. Полуметодическая печь с толкателем и транспортером для подачи заготовок к кузнечной машине.
Для нагрева заготовок применяют печи с вращающимся подом (карусельные). Они бывают кольцевого типа и тарельчатые. Печь кольцевого типа представляет собой как бы свернутую в кольцо конвейерную печь. Эти печи позволяют в широких пределах регулировать желаемый режим нагрева металла путем изменения скорости вращения пода, расположения горелок и подачи топлива. Нагрев металла в этих печах протекает быстрее и равномернее, так как заготовки на поду печи укладываются на некотором расстоянии одна от другой. Угар металла при нагреве в этих печах будет меньше, чем в печах с толкателем на поду, в которых заготовки укладываются вплотную друг к другу и требуется большое время нагрева, и, кроме того, при продвижении заготовок в печи сбивается окалина и происходит повторное ее образование.
Более совершенными считаются печи, использующие тепло отходящих газов, так называемые, регенеративные и рекуперативные.
Регенеративные печи с помощью регенераторов используют тепло отходящих газов на подогрев воздуха и газа (в газовых печах), поступающих в печь. Принцип действия и устройство регенераторов у нагревательных пламенных печей такие же, как у мартеновских плавильных печей, применяемых для плавки стали, рассмотренных в главе II раздела II.
В рекуперативных печах осуществляют только подогрев воздуха, поступающего в печь для горения. Поток отходящих газов и нагреваемого воздуха в рекуператорах непрерывны, каждый поток течет по своим каналам. Газы нагревают стенки рекуператора с одной стороны, а воздух отнимает тепло с другой.
Применение рекуператоров и регенераторов повышает к. п. д. всех печей. В методических регенеративных печах к. п. д. может быть доведен до
Электрические печи сопротивления ( рис. 110 ) применяют чаще всего для нагрева цветных металлов и сплавов, реже — для нагрева стали, так как температурный интервал штамповки, например алюминия, находится в пределах 475 — 400°С.
В электрических печах можно поддерживать и изменять температуру с большой точностью. Рабочее пространство этих печей свободно от продуктов горения, угар металла получается минимальным. Электропечи улучшают условия работы обслуживающего персонала. На рис. 110 показана электропечь камерного типа. Печь имеет загрузочное окно 1, спираль 2, рабочее пространство 3. Стрелками изображена циркуляция воздуха.
Печи и нагревательные устройства
Слитки или заготовки при обработке давлением нагревают в горнах, нагревательных печах и при помощи электронагревательных устройств. Простейшим нагревательным устройством является горн. Горны бывают стационарными и переносными. При нагреве в горнах металл непосредственно соприкасается с горящим топливом, в качестве которого используют древесный и каменный уголь и кокс. Для интенсификации горения в горн подается вентилятором воздух.
Нагревательные печи разделяются на пламенные, в которых тепло образуется в результате сжигания топлива, и электрические, в которых источником нагрева является электроэнергия. Электронагревательные устройства отличаются от печей тем, что при их помощи образуется тепло в нагреваемой заготовке.
В настоящее время наиболее распространены пламенные печи, имеющие большую универсальность. В зависимости от величины пламенных печей в них можно нагревать разнообразные по размерам заготовки и слитки (весом до 300 г). Такие печи могут работать на твердом (кусковом или пылевидном), жидком и газообразном топливе. В пламенных печах нагреваемый металл не соприкасается непосредственно с топливом, а омывается потоками продуктов горения.
Сжигание твердого кускового топлива производится в угольных топках на колосниковых решетках. Схема устройства простой пламенной печи приведена на рис. 128.
Пылевидное топливо сжигается при помощи горелок, в которые одновременно с топливом подается воздух от вентилятора. Сжигание жидкого топлива осуществляется с помощью форсунок, распыляющих топливо и смешивающих его с воздухом. Сжигание газа производят при помощи газовых горелок.
По характеру нагрева, способу загрузки и выгрузки нагреваемого металла печи делятся на камерные, колодцевые, методические и полуметодические.
В камерных печах температура во всех зонах камеры нагрева поддерживается одинаковой. Загрузка и выгрузка слитков или заготовок производится через садочные окна. Схема камерной печи, работающей на твердом топливе, представлена на рис. 129. В колодцевых печах преимущественно нагревают слитки для проката.
В методических печах (рис. 130) в различных зонах ее рабочего пространства поддерживается различная температура — обычно более низкая в загрузочной камере и более высокая в разгрузочной. Загрузка производится с одного конца печи. Методические печи имеют большую длину, чем камерные. Перемещение заготовок в печи от места загрузки к месту выгрузки осуществляется с помощью механических толкателей, установленных у загрузочных окон. Нагрев заготовок или слитков в таких печах осуществляется методически, по заданному режиму. Разновидностью методических печей являются печи с вращающимся подом. Загрузка и выгрузка заготовок при пользовании этими печами более удобна. Имеется большая возможность для установления необходимого режима нагрева металла. Это достигается регулированием скорости вращения пода и подачи топлива в форсунки или горелки, установленные по окружности печи.
Для повышения теплового к. п. д. за счет тепла отходящих газов пламенные печи снабжаются рекуператорами или регенераторами.
В рекуператорах осуществляется подогрев воздуха, поступающего для горения. Через рекуператор потоки газа, отходящие из рабочего пространства печи, и потоки воздуха, подаваемого вентилятором, проходят непрерывно, каждый по своим каналам. Через стенки каналов происходит теплообмен. Рекуператоры бывают керамические и металлические. Воздух в рекуператорах подогревается до 200—350° С и выше.
В регенераторах воздух и газ, поступающие в печь, подогреваются за счет тепла отходящих газов. Принцип действия и конструкция регенераторов пламенных печей такие же, как и у мартеновских печей. В пламенных рекуперативных и регенеративных печах методического действия получают к. п. д. до 40,%, а в печах без подогрева воздуха он обычно не превышает 10%.
Производительность пламенных печей зависит от площади и напряженности пода печи. Напряженность исчисляется количеством металла, приходящегося на 1 м2 пода и нагретого до температуры обработки давлением в течение 1 часа. В камерных печах напряженность составляет 550—600 кг/час*м2, в методческих — до 400 кг/час*м2.
K основным недостаткам пламенных печей относятся обезуглероживание и высокий поверхностный угар металла. Угар составляет при нагреве слитков 1,5—2,0%, а при нагреве сортового проката 3—4% от веса нагреваемого металла в течение каждого нагрева.
Для нагрева металла при обработке давлением также применяют электрические печи сопротивления. В этих печах внутри рабочего пространства, на стенках и своде установлены элементы с высоким электросопротивлением, выделяющие тепло при пропускании через них электрического тока. В печах можно поддерживать температуру с малым колебанием (в пределах ±5°). Рабочее пространство печей свободно от от продуктов окисления. Нагревательные элементы электрических печей сопротивления имеют малую стойкость при высоких температурах, необходимых для нагрева стальных заготовок. Поэтому широкое применение они получили для нагрева заготовок из цветных сплавов, имеющих более низкую температуру начала ковки по сравнению со сталью.
Электронагревательные устройства делятся на контактные электронагреватели и индукционные. В контактном электронагревателе заготовка зажимается между контактами и нагревается при пропускании через нее электрического тока большой силы. Выделение тепла происходит в результате омического сопротивления заготовки. Такой нагрев экономически себя оправдывает для длинных заготовок, имеющих малые сечения (до 50 мм2).
Нагрев заготовки в индукционном нагревателе осуществляется за счет переменного магнитного поля, возникающего при пропускании по индуктору (рис. 131) нагревателя переменного тока высокой частоты (1000—10000 периодов). Чем меньше сечение заготовок, тем больше должна быть частота тока. При нагреве заготовок диаметром 160—200 мм и выше применим ток промышленной частоты (50 периодов). Индуктор изготовляют из медной трубки, по которой во время работы пропускают воду для охлаждения.