Научная статья на тему «Энергосберегающее печное оборудование нового поколения для термической обработки металлоизделий»

В печах, использующих теплоту уходящих газов для нагрева воздуха, расход газа уменьшается на 20–30 %. Количество используемой в печах химической теплоты газа зависит от температуры уходящих газов и коэффициента избытка воздуха [4].

Таблица 1.

Удельный расход газа (теплоты) для нагрева металла в некоторых печах

Газовое оборудование нагревательных и термических печей.

Нагревательные печи предназначены для нагрева металла перед ковкой, штамповкой или прокаткой.

Важнейшим требованием, предъявляемым к скоростным печам, является обеспечение равномерного и всестороннего нагрева. Последнее достигается интенсивным подводом теплоты не только за счет излучения газов и кладки, но и за счет больших скоростей продуктов сгорания, приводящих к увеличению конвективного теплообмена [7].

Печи безокислительного (малоокислительного) нагрева.

Для получения после нагрева или термообработки изделий чистой неокисленной поверхностью применяют печи безокислительного нагрева, резко сокращающие потери металла, переходящего в окалину, составляющие в обычных печах 2—5 % нагреваемого металла. Кроме того, отсутствие окалины исключает брак от вдавливания ее в поверхность металла при ковке, штамповке или прокате; повышает стойкость штампов и валков.

Рисунок 2. Печь толкательная безокислительного нагрева

Вакуумные электропечи сопротивления предназначены для дегазации, отжига, гомогенизации, закалки в светлокалящем масле сталей и сплавов, рафинирования (очистки от примесей) графитов, одно- и двухстадийного спекания нитридов, карбидов, боридов, а так же для их синтеза. Эти технологические процессы проводят в печах с нагревательными блоками из тугоплавких металлов (W, Mo, Ta, Nb) или из углеродистых материалов.Высокотемпературные вакуумные печи сопротивления для термообработки и спекания и перспективы развития.

Для средне- и высокотемпературных вакуумных печей (1300—2000°С) с нагревателями из тугоплавких металлов разработаны научные основы расчётов. Экспериментально определены сроки службы нагревателей и теплоизоляции из вольфрама, молибдена и ниобия, в том числе в условиях взаимодействия нагревателей с керамической теплоизоляцией из оксида алюминия + 0,5—45 %, оксида кремния или из диоксида циркония, стабилизированного оксидом кальция. Исследован уровень газовыделения из вольфрама и молибдена и сформулированы основные критерии создания сверхвысоковакуумных печей. Определены условия надёжности нагревателей и допустимое электрическое напряжение на них. Нагревательные блоки из тугоплавких металлов необходимо эксплуатировать в высоком вакууме или в нейтральных газах (аргон, гелий, иногда азот) только после их очистки.

Для таких же вакуумных печей (1300—2200°С) с нагревательными блоками из конструкционного графита созданы научные основы выбора наиболее эффективных углеродных материалов. Исследован комплекс свойств разных марок конструкционного графита, определяющий работоспособность печей: электросопротивление, теплопроводность, коэффициент линейного расширения, ползучесть, скорость испарения, коэффициент трения при температурах до 2500°С.

Характеристика УКМ

Нужна помощь в написании статьи?

Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Пишем статьи РИНЦ, ВАК, Scopus. Помогаем в публикации. Правки вносим бесплатно.

Подробнее

Углеродные композиционные материалы (УКМ) содержат в себе углеродный формирующий элемент в виде дискретных волокон, непрерывных нитей или жгутов, войлоков, лент, тканей с плоским и объемным плетением, объемных каркасных структур. Волокна располагаются неупорядоченно в одном, двух и трех направлениях.

Углеродная матрица объединяет в одно целое формирующие элементы в композите, что позволяет лучшим образом воспринять различные внешние нагрузки. Предопределяющими факторами при выборе материала матрицы являются состав, свойства и структура кокса. К количеству специальных свойств УКМ относится низкая пористость, низкий коэффициент термического расширения, сохранение стабильной структуры и свойств, а также размеров изделий при нагревах до 2000°С и охлаждении, высокие механические свойства, а также хорошая электропроводность. Основное применение композиционные материалы находят в агрегатах, которые работают при температурах свыше 1200°С.

Перечисленные преимущества УКМ позволяют успешно их применять в качестве тормозных дисков в авиационном производстве, соплах ракетных двигателей, защитных накладках крыльев космических челноков, пресс-формах, тиглях, роторах турбин, труб высокого давления, для подшипников скольжения, уплотнений и во многих других случаях. Особо надо отметить повышающийся интерес на использование композиционных материалов в электротехнике и печестроении.

Существует многочисленные области употребления углеродных материалов, благодаря тому, что УКМ обладает высокой биосовместимостью, устойчивостью к влиянию биологической среды, отсутствием токсичности. Кроме того эти материалы могут применяться в медицине, так как электропроводность УКМ близка к человеческой. В машиностроительной промышленности углеродный композиционный материал употребляется как неметаллический материал самосмазывающийся тяжело нагруженных подшипников скольжения в узлах трения. При нормальных условиях материал нейтрален к атмосферному влиянию и агрессивному воздействию кислот и щелочей.

Примерами углеродных композиционных материалов выступают: тепловые узлы и комплектующие элементы для печей, в которых проводится плавка, спекание, обжиг, выращивание монокристаллов, термостатирование.

Рисунок 3. Углеродистые композиционные материалы

Высокотемпературные вакуумные электропечи с нагревательными блоками УКМ.

В процессе изготовления и эксплуатации печей с нагревателями из графита были выявлены принципиальные недостатки — хрупкость и неоднородность его свойств. Поэтому предложено использовать для нагревательных блоков углеродистые и композиционные материалы (УКМ). Они отличаются высокой стойкостью против ударных нагрузок, и пригодны для изготовления нагревателей толщиной 1,5—10 мм, длиной до 1,5 м и шириной до 0,9 м. Кроме того, отдельные виды УКМ могут применяться для изготовления крепёжных изделий и силовых элементов печей. Поскольку удельное электросопротивление УКМ весьма велико, были разработаны технология и оборудование для получения нового композиционного материала, состоящего из УКМ с матрицей из карбида титана, который резко снижает электросопротивление. Показана принципиальная возможность получения листового материала длиной до 1,8 м и шириной до 0,9 м. Из этого материала были изготовлены нагреватели и токопроводы для печи, на которую получено свидетельство на полезную модель. Теплоизоляция блоков на основе УКМ состоит из твёрдых легковесных углеродистых композитов, что даёт возможность создать оптимальную конструкцию с учётом требований по дегазации при рабочей температуре 1600—2200°С.

В России и за рубежом изготавливаются различные высокотемпературные печи. Поэтому появилась необходимость разработать методику их сравнения с целью выявления наиболее экономичных и надёжных.

Э.Н. Мармер и С.А. Новожилов предложили критерий КМН, который закономерно связывает между собой три основные характеристики: температуру (t), полезный объём печи (V) и тепловые потери (PПОТ):

КМН = PПОТ/ t*V.

Этот критерий, рассчитанный для выпускаемых различными фирмами, в том числе ООО МЗЭТО, вакуумных печей, представлен в табл. 2, где так же отмечены сроки службы нагревательных блоков. Анализ полученных данных показывает, что значения КМН=0,8—1,0 кВт/(°С*м3) характеризует оптимальную величину условного качества печей и дают возможность сравнить их, устанавливая рейтинг. При КМН>1.0 следует рассмотреть необходимость модернизации печей, при КМН < 0.8 возможно упрощение конструкции.

Таблица 2.

Нужна помощь в написании статьи?

Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Пишем статьи РИНЦ, ВАК, Scopus. Помогаем в публикации. Правки вносим бесплатно.

Цена статьи

Технические характеристики высокотемпературных печей