Теплоизоляционные материалы.

Теплоизоляционные материалы работают в ЭПС в более лёгких условиях, чем огнеупоры. Они применяются в виде кирпичей, плит, фасонных изделий, в виде засыпки (порошок, вата), мастики, картона, матрацев, матов.

Диатомит – это скопление скелетов мельчайших водорослей – диатомей, состоящих из кремнекислоты и пронизанных мельчайшими порами. Он имеет среднюю плотность и низкую теплопроводность. Диатомитовая засыпка представляет собой подсушенный и помолотый диатомит с размерами зёрн не свыше 5 мм и средней плотностью 250 – 600 кг/м³.

Пенодиатомитовые кирпичи получают со средней плотностью 550 кг/м³, и со значительной прочностью, применяют до 850 °С.

Асбестит – распушенный асбест со средней плотностью 250 – 800 кг/м³, с рабочей температурой до 600 °С, применим как теплоизляционная засыпка.

Асбозурит – 70% диатомита, 30% асбеста; новоасбозурит - 70% диатомита, 15% шиферных отходов, 15% асбеста; асбозонолит - 70% диатомита, 15% асбеста и 15% обожжённой слюды – зонолита. Все они имеют среднюю плотность 500 – 700 кг/м³; диатомит – основной теплоизоляционный материал, асбест и слюда – армирующие вещества, повышающие прочность и вязкость.

Асбомагнезиальные массы – высокоэффективные теплоизоляционные материалы. Совелит - 85% смеси двойной углекислой соли кальция и магния и 15% распущенного асбеста. Вулканит - 60% диатомита, 20% извести – пушонки, 15% асбеста и 5% асбестовых отходов. Оргизоль - 50% диатомита, 20% извести, 15% зонолита, 15% асбеста. Все они применимы до 600 °С.

Стеклянная и минеральная ваты применяются в виде засыпки с рабочей температурой до 450 – 500 °С.

Шлаковая и минеральная ваты – первая с рабочей температурой до 650 °С, а вторая – до 1700 °С, изготовленная из муллита.

Зонолит – обожжённый вермикулит, имеющий среднюю плотность 120 – 250 кг/м³ с рабочей температурой до 1100 °С.

Свойства основных теплоизоляционных материалов см. табл. П 5-3, [8].

Жароупорные материалы.

Электропечное производство предъявляет к жароупорам следующие требования:

1. Достаточная жаростойкость.

2. Достаточная жаропрочность.

3. Достаточная крипоустойчивость (ползучесть)

4. Достаточная обрабатываемость.

5. Дешевизна и недефицитность.

В электропечестроении применяются две группы сталей:

а) Хромистые – для ненагруженных конструкций;

б) Хромоникелевые – для нагруженных конструкций.

Хромистые стали – 1Х13 и 1Х13Л с содержанием хрома12 – 14 %; Х25 и Х25Т – хрома от 23 до 30%. Теплопроводность у них меньше, чем у углеродистых сталей; удельное электрическое сопротивление намного больше. Хромистые стали применяются там, где малая механическая нагрузка и требуется лишь сопротивляемость окислению.

Хромоникелевые стали – самые распространённые в электропечестроении, так как с высокой жаростойкостью и механической прочностью и крипоустойчивостью они хорошо обрабатываются.

Для ЭПС с рабочей температурой до 800 °С применяются стали:

ОХ18Н9, 1Х18Н9, 2Х18Н9 и 1Х18Н9Т. Все они (кроме 1Х18Н9Т) в интервале температур 600-900 °С отличаются хрупкостью и склонностью к интеркристаллической коррозии, добавка титана устраняет эти недостатки.

В ЭПС с рабочей температурой 1000-1100 °С применяют высоколегированные стали: Х23Н18, Х25Н20С2 и 4Х18Н25С2; с рабочей температурой до 1100-1200 °С: ХН77ТЮ, ХН60Ю, ХН70Ю.

Теплопроводность и теплоёмкость этих сталей такая же как у ОХ18Н9 и т.п.

Материалы для нагревательных элементов в ЭПС.

Нагревательные элементы работают в зоне высоких температур, но, кроме того, к ним предъявляются особые требования к электрическим свойствам:

1. Жаростойкость, неокисляемость под действием кислорода воздуха в условиях высоких температур.

2. Достаточная жаропрочность – механическая прочность при высоких температурах.

3. Большое удельное электрическое сопротивление.

4. Малый температурный коэффициент сопротивления.

5. Постоянство электрических свойств.

6. Постоянство размеров.

7. Обрабатываемость – лента, проволка.

Основными материалами для нагревательных элементов являются сплавы никеля, хрома и железа, которые называются «нихромы». Эти сплавы можно подразделить на две основные группы – двойные сплавы и тройные сплавы.

К первой группе относятся сплавы, состоящие из никеля и хрома (содержание железа 0,5 – 3,0 %). Вторя – охватывает собой сплавы, содержащие, помимо никеля и хрома, также и железо.

Двойные сплавы имеют наилучшие электрические и хорошие механические свойства, а также прекрасной жаростойкостью, т.е. могут работать до 1100 °С.

Добавление в железо ухудшает его обрабатываемость и увеличивает удельное сопротивление, но ухудшает его температурный коэффициент сопротивления и снижает жаростойкость. В тех случаях, когда рабочая температура не превосходит 1000 °С, желательно использовать тройной сплав, так как он дешевле и содержит меньше дефицитного никеля.

Примером двойного нихрома является сплав Х20Н80 и аналогичный сплав с добавлением титана – Х20Н80Т, однако, он несколько менее жаростоек. Тройные нихромы выпускаются с содержанием хрома 15 – 18 и никеля 55 – 61 % (Х15Н60)

Дефицитность и дороговизна нихрома привели к поискам других сплавов, более дешёвых и доступных. В настоящее время выпущены два сплава ОХ23Ю5А с рабочей температурой 1200 °С и ОХ27Ю5А с рабочей температурой 1300 °С. Это высокохромистые сплавы, модифицированные небольшим количеством цезия и бария, существенно повысившими их пластичность и несколько крипоустойчивость. До 1000 °С (ОХ23Ю5А) и до 1100 °С (ОХ27Ю5А) они сохраняют достаточную прочность для изготовления из них нагревателей в конструкциях, принятых для нихрома, при более высоких температурах могут применяться лишь в разгруженных от механических усилий конструкциях. Сплаы удовлетворительно свариваются, изготовление нагревателей из них может осуществляться в холодном состоянии. Однако, повышенная хрупкость после нагрева, склонность к росту и короблению, а также к ползучести у них сохранилась.

Сплав ХН70Ю является промежуточным, так как в нём содержится и алюминий, и никель. Он может быть применён в качестве нагревателей ЭПС с рабочей температурой до 1100 °С. Меньшее содержание алюминия, присутствие никеля и модифицированию его хрупкость, склонность к ползучести и к старению намного меньше, чем у ОХ23Ю5А и ОХ27Ю5А сплавов, в то же время он более окалиностоек и намного дешевле двойных нихромов.

Основные характеристики материалов для нагревательных элементов приведенв в табл. П 7-1, [8].

Типы электрических печей сопротивления.

Классификация ЭПС.

ЭПС по способу выделения тепла можно подразделить на две группы: косвенного и прямого действия. К первой – относятся подавляющее количество всех печей сопротивления, ко второй – лишь несколько типов печей. Кроме того, ЭПС могут быть подразделены на низко-, средне- и высокотемпературные печи. И, наконец, они могут подразделяться на печи периодического и непрерывного действия, первые – это садочные, а вторые – методические печи.

В садочных печах изделия загружаются в камеру печи и постепенно нагреваются в ней, оставаясь неподвижными. В каждый момент времени температуры всех точек печной камеры остаются примерно одинаковыми, меняясь, однако, во времени.

В методических печах изделия загружаются с одного края печи и, перемещаясь постепенно по её длине, прогреваются и выдаются с другого её конца, нагретыми до заданной температуры. В таких печах температура изменяется по длине печи, от загрузочного конца к разгрузочному, но температуры отдельных точек остаются неизменными во времени. Это печи большой производительности и обеспечивают идентичность режима термообработки. Поэтому их применяют в массовых и крупносерийных производствах.

Среднетемпературные печи.

К этим печам могут быть отнесены печи от 600-700 до 1250 °С. В этом диапазоне температур теплопередача излучением является доминирующей, верхняя граница определяется возможностью применения металлических нагревателей.

Среднетемпературные печи чрезвычайно разнообразны. В дальнейшем рассмотрим лишь типы печей, являющиеся наиболее характерными и представляющие основные направления современного печестроения.

А. Печи периодического действия. (рис 3.1)

Рис.3-1.Типы электропечей сопротивления периодического действия:

а – камерная; б – шахтная; в – камерная с выдвижным подом; г – колпаковая; д - элеваторная

 

1) Камерная печь – это простейшая и в то же время универсальная печь.

Она состоит из прямоугольной камеры с огнеупорной футеровкой и теплоизоляцией, прикрытой сводом и помещённой в металлический кожух. Печь загружается и выгружается через отверстие в передней стенке, прикрываемое дверцей. Нагреватели располагаются в поду и на боковых стенках печи, реже на своде. Подовые нагреватели перекрываются жароупорными плитами, на которые и укладываются изделия. Камерные печи с металлическими нагревателями изготавливаются самых различных величин, с мощностью от 8 до 165 кВт и с рабочей температурой печи до 1250 °С. Потери холостого хода (тепловые потери) камерных серийных печей составляют от 25 до 40% их номинальной мощности. КПД этих печей весьма низкое, так как они работают большей частью одну или две смены с частыми простоями и недогрузом.

2) Шахтные печи – вторая распространённая группа печей периодического действия. Они выполняются в виде круглых, квадратных или прямоугольных шахт, открытых сверху и перекрываемых крышкой (рис 4.11, [8]). Нагреватели обычно устанавливаются по боковым стенкам. Специальные жароупорные направляющие защищают нагреватели от повреждения опускаемых или вынимаемых изделиями. Шахтные печи могут выпускаться глубиной до 10 метров и более для обработки валов и труб с несколькими тепловыми зонами для обеспечения равномерного нагрева по высоте. Загрузка и выгрузка изделий может быть механизирована (установленными кран-балкой, тельфером или мостовым краном цеха). Их легко можно герметизировать, благодаря их большой компактности и лучшему уплотнению крышки, у них гораздо меньше теплопотери, чем у камерных ЭПС. Шахтные печи выпускаются мощностью от 25 до 229 кВт с рабочей температурой печи 700-1000 °С.

 

При проведении отжига стальных изделий время остывания изделий в 2-3 раза превосходит время нагрева. Для ликвидации этого недостатка изделие остывает до определённой температуры в самой печи, а затем переносится в специальные теплоизоляционные колодцы.

В России кроме этих двух основных типов садочных печей выпускаются печи периодического действия такие как: камерные с выдвижным подом, колпаковые, элеваторные.

Б. Методические печи. (рис. 3.2)

Рис.3-2.Типы электропечей сопротивления непрерывного действия:

а – конвейерная со встроенным горизонтальным конвейером; б – конвейерная с вынесенным горизонтальным конвейером; в – конвейерная с вертикальным конвейером; г – толкательная; д – с пульсирующим подом; е – карусельная; ж – с шагающим подом; з – барабанная; и – протяжная; к – рольганговая; л - туннельная

В тех случаях, когда имеется вполне установившийся технологический процесс термообработки в цехе большой производительности, предпочтительнее применение ЭПС непрерывного действия. Обычно эти печи выполняются из нескольких тепловых зон (чаще из трёх), причём последняя (четвёртая) является зоной выдержки, длина которой зависит от длительности периода выдержки. Конструкции методических печей различаются в основном в зависимости от применения того или иного механизма для перемещения нагреваемых изделий внутри печи.

1) Конвейерные печи имеют вместо подины конвейер – бесконечное полотно, натянутое между двумя валами, один из которых является ведущим и приводится во вращение специальным приводом (рис. 4-15, [8]). Детали укладываются на конвейер вручную или специальным питателем и продвигаются на нём от загрузочного конца печи к разгрузочному.

Полотно конвейера выполняется плетённым из нихрома сетки (для лёгких деталей) либо из штампованных пластин и соединяющих их прутков, либо из штампованных или литых цепных звеньев. В последнем случае ведущий вал конвейера выполняется зубчатым и играет роль звёздочек, зубья которых заходят между звеньями цепи. Недостатком является: весьма тяжёлые условия для работы особых валов конвейера, находящихся в зоне высокой температуры, трудоёмкость их ремонта и неудобство в загрузке деталей на раскалённую поверхность конвейера. Конвейер сильно вытягивается в работе, поэтому привод его размещают у разгрузочного окна, тогда у загрузочного размещают натяжную станцию, натягивающую конвейер при помощи грузов. Конвейер ЭПС работает при нагреве деталей до 900 °С, так как при более высоких температурах работа частей конвейера становится ненадёжной.

2) Рольганговые печи. В паду таких печей установлено много жароупорных роликов, близко расположенных друг от друга. Все ролики проходят через стенки печи и приводятся во вращение общим наружным приводом. При вращении роликов детали, положенные на них, передвигаются вдоль печи. Схему таких печей и других, выпускаемых в России, см. рис. 1.2, [10]

Детали ЭПС.

ЭПС состоят из следующих основных деталей.

1) Футеровка печи, состоящая из огнеупорной и теплоизоляционной части. Футеровка – весьма существенная часть всякой ЭПС, которая должна быть хорошо сконструирована, правильно и тщательно выполнена, чтобы могла обеспечить минимальные тепловые потери. Температура наружной части кожуха не должна превышать 60 °С и желательно, чтобы она была ограничена значением в 40 °С.

ЭПС с рабочей температурой до 1000 °С должна иметь двухслойную футеровку (огнеупор и теплоизоляция), сводящую аккумуляцию тепла кладкой до минимума, поэтому внутренний огнеупорный слой должен быть возможно тоньше (в небольших печах – 65-113 мм, в крупных - 114-125 мм) и желательно изготовлен из более лёгких пористых огнеупоров. Из этих соображений и теплоизоляцию необходимо выполнять более лёгкой, в виде засыпки, но это не всегда возможно. Наиболее рациональная футеровка для температур до 1000 °С это огнеупор в виде легковеса, а между ним и каркасом укладывают диатомитовые кирпичи либо сплошными рядами, либо столбиком в перемежку с засыпкой.

Кладку выполняют весьма тщательно, вперевязку, притирая кирпичи друг к другу на растворе из огнеупорной глины с шамотом. Толщина швов не должна превышать 2-2,5 мм, с выполнением термических швов в стенке через каждые 1,5-2,0 м из расчёта 10 мм на один метр длины кладки, которые должны быть смещены относительно друг друга.

2) Все ЭПС снабжены каркасом и почти все – сплошным металлическим кожухом. Наличие такого кожуха герметизирует печь, повышает её прочность, предотвращает загрязнение цеха. Внешний каркас печи с огнеупорной кладкой, нагревается мало, и его части работают в обычных условиях, как всякая механическая конструкция.

3) Жароупорные детали в ЭПС служат в основном для поддержания или перемещения нагреваемых изделий.

В камерных печах – это подовые плиты из жароупоров, выполненных литыми для меньшего коробления. Окалина стальных изделий в нагретом состоянии электропроводна и при падении на нагреватели закорачивает их витки. В толкательных печах изделия перемещаются вдоль печи по направляющим подовым брусьях или на поддонах. Подовые брусья имеют форму рельсов, балок и круглых прутков.

4) Нагревательные элементы ЭПС выполняются либо из ленты, либо из проволок (рис. 3.3)

Рис.3-3.Эскизы проволочных и ленточных нагревателей с обозначением геометрических размеров:

а – проволочный зигзагообразный нагреватель; б – ленточный зигзагообразный нагреватель;

в – спиральный нагреватель

Конструкции закрепления проволочных нагревателей могут быть самыми разными: проволочная спираль на выступающих кирпичах стен; в пазах пода; на керамической трубке; проволочный зигзаг на металлических крючках на стенке, в поду, на керамических полочках и т. д. (см. рис. 4-50 [8])

Обычно для изготовления нагревателей применятся проволока диаметром от 3 до 7 мм. Однако для ЭПС с рабочей температурой 1000 °С и выше проволоку берут диаметром не менее 5 мм. Соотношение между n-шагом спирали, D-её диаметром, d-диаметром проволоки выбирают исходя из облегчения размещения нагревателей в печи, обеспечивая достаточную жёсткость и облегчая теплопередачу от нагревателей к изделиям. Практика установила, что эти соотношения следующие: и - для нихрома и D = (4-6)d – для железохромоалюминиевых сплавов. Отношение спирали к трубки при расположении спирали на керамической трубке равно / = 1.1 1.2, расстояние между осями трубок – 1.5-2.0 диаметра спирали.

Ленточные нагреватели выполняются в виде зигзагов и располагаются: на металлических крючках (на стенке), в поду, на керамических полочках. Металлические крючки вмазываются в кладку стен. Нижнюю часть зигзага предохраняют от замыкания установкой шамотные керамические втулки, надетые на штыри. Чем гуще зигзагообразные нагреватели, тем будет длиннее его длина, поэтому приняты размеры нагревателей, обеспечивающие достаточную прочность и малое взаимоэкранирование. Размеры нагревателя: a – толщина, b – ширина ленты, h - шаг зигзага, r - радиус закругления ленты. Принятые соотношения:

b/a = 5-20 (наиболее применимы 10); h 1.8b и r 3a.

В промышленных печах применяют ленту: до 1000 °С 1 10 мм, выше 1000 °С - 2 20 мм. Высота зигзага В (без радиусов закругления) колеблется в пределах от 150 до 400-600 мм, однако через каждые 200 мм свой ряд разделителей, т.е. при 200-400 мм – один ряд, а при 400-600 – два ряда разделителей. В поду и на своде В ограничен 250 мм. Для железохромоалюминиевых сплавов в вертикальном исполнении зигзага В = 250 мм, а горизонтальном – 150 мм.

Ленточные зигзаги навивают обычно вручную: спираль – на токарном станке на гладкую оправку вплотную, причём оправку берут диаметром на 1-3 мм меньше расчётного. Зигзагообразные нагреватели на специальных станках.

Тепловой расчёт ЭПС.