Статьи
//Прокалочные печи
Печи для прокалки — неформализованное и не корректное в технологическом аспекте обозначение большого спектра печей и печных (нагревательных) агрегатов различного целевого назначения и разной конструкции, появлению которого мы обязаны практическому отсутствию четкой классификации печей.
De facto термин «прокалка» в России и странах постсоветского пространства используется, как условное обозначение термических процессов упорядочения кристаллической структуры нефтяных коксов и/или удаления поверхностной и кристаллизационной влаги, летучих соединений из материала/изделий, иногда сопровождающегося рекристаллизацией, но при отсутствии фазовых переходов. Термин не имеет перевода в технических/политехнических иностранных словарях, а зачастую выдаваемый за «прокалку» формализованный английский термин Calcination (кальцинация, сжигание извести — от лат. Calcinare) в российской терминологии ни что иное, как обжиг, для которого определены технологии (в зависимости от материала) и типовые конструкции обжиговых печей.
На текущий момент под печами для прокалки (или прокалочными печами) подразумеваются промышленные и специальные печи для термической обработки (термические в разных производствах — для закалки, нормализации, отжига, отпуска, цементации, азотирования и т. д.), печи для обжига материалов и изделий (керамики и клинкера, флотационного серного колчедана и извести, алюминиевых концентратов и минерального сырья), нагревательные печи для удаления поверхностной и кристаллизационной влаги (сушила по классификации Бельского В.И.), лабораторные нагревательные печи и т. д.
Т. е. практически все современные печи и агрегаты исключая целевые нагревательные прокатные/кузнечные печи, используемые для повышения пластичности материала перед его обработкой давлением, печи для перегонки нефти, специфические печи химической промышленности, а также плавильные печи, где происходит фазовый переход материалов из твердого состояния в жидкое.
Конструктивные и теплоэнергетические особенности печей для прокалки.
Впечатляющий спектр применения печей для прокалки в аспекте их позиционирования производителями и продающими компаниями определяет чрезвычайно большое количество конструкций печей и агрегатов, причем традиционные формы рабочего пространства печей для прокалки (
печи камерные, печи камерные с выкатным подом, многокамерные, карусельные, барабанные, кольцевые, шахтные печи, печи проходные туннельные и т. д.) в совокупности с устройствами механизации/автоматизации загрузки/выгрузки и технологии процессов обусловили появление различных модификаций печей и агрегатов.
Так, концепция камерных печей с неподвижным подом сегодня включает печи для отжига с переносной камерой и двумя (или более) неподвижными подами, закалочные печи исполняются с подъемной камерой, расположенной в непосредственной близи от печи закалочной ванной, а зачастую с камерой, в которой процесс нагрева и закалки происходит в рабочем пространстве печи.
Предлагаемые методические печи сопротивления (электрические), по сути, противоречат самой концепции методических печей, где нагреваемый материал/изделие и тепловой поток двигаются навстречу друг другу, что реально выполнимо только в пламенных печах, а в шахтных печах для закалки, как правило используемых для нагрева длинномеров с целью экономии пространства цеха, загрузка может осуществляться снизу в подвешенную на опорах камеру.
Вместе с тем, печи для прокалки имеют одно общее свойство — подавляющее их большинство изготавливается на заводах производителей в виде готовых изделий на металлокаркасе или узлов, собираемых на объекте, причем и пламенные (в основном газовые или жидкотопливные) и электрические печи (сопротивления, индуктивные, дуговые, диэлектрические, электронные, плазменные), позиционируемые, как прокалочные не имеют формализованного по верхнему пределу температурного режима.
прокалочные печи
//Можно классифицировать следующим образом:
- по виду топлива: газовые и электрические
- по способу теплообмена высокотемпературными с превалирующим теплообменом излучением и низкотемпературными с большей долей теплообмена конвекцией в зависимости от их целевого назначения;
Важно: Теплопередача конвекцией зависит от первой степени разности температур между нагревающей средой и нагреваемым материалом, в то время, как теплопередача излучением — от четвертой степени разности температур. Практически превалирование излучение над конвекцией начинается с температур 800–900 градусов Цельсия, хотя на соотношение долей конвекции и излучения в теплообмене влияют химический состав и физические свойства нагревающей среды, степень черноты нагревающей поверхности/объема (факела пламени горелок, атмосферы в рабочей камере, стенок, свода, пода рабочей камеры, механизмов подачи заготовок/материала/изделий и т. д.).
- по режиму работы периодического и непрерывного действия;
- по форме и пространственному расположению рабочего пространства камерными и проходными, туннельными, камерными с выкатным подом, шахтными, карусельными и т. д.;
- по способу нагрева — прямого и косвенного нагрева, при котором нагреваемое изделие/материал и нагревающая среда (дымовые газы, нагревательные элементы) не контактируют друг с другом;
Справка: В пламенных печах косвенного нагрева нагревающие газы из горелок/форсунок уходят в систему теплообменных труб, передающих тепло нагреваемому материалу/изделию конвекцией и излучением в долях, определяемых температурой стенок теплообменной системы. Среди электрических печей для прокалки печами косвенного нагрева являются только печи сопротивления. - по способу использования излишков тепла регенеративными и рекуперативными;
- по нагревательной среде рабочего пространства окислительными, восстановительными, безокислительными и вакуумными.
Важно: Вне зависимости от способа установки все печи для прокалки, как и плавильные, нагревательные, химические и т. д. печи имеют металлический каркас, отчасти нивелирующий негативы теплового расширения и риски разрушения теплоизолирующего покрытия рабочего пространства с интегрированными в него нагревательными/нагревающими устройствами/элементами (индукторами и ТЭНами электрических печей, горелками и форсунками пламенных печей и т. д.). Этот демпфирующий тепловые и механические нагрузки каркас может собираться «по кладке» рабочего пространства или же быть основой для теплоизолирующего покрытия, укладываемого/настилаемого изнутри металлического корпуса нагревательной камеры. Металлические корпуса печей для прокалки могут быть разными по форме и исполнению — квадратными и прямоугольными, цилиндрическими, шаровидными, овальнымии т. д.с жесткой рамной конструкцией и гибкими связями, с арочным (распорным), монолитным со стенами и плоским (подвесным) сводом.
В пламенных печах для прокалки тепло отходящих газов используется для нагрева первичного/вторичного воздуха, подаваемого в топливные горелки, подогрева топливной смеси (рекуператоры и регенераторы) и/или нагрева пара/воды для собственных нужд производства в котлах-утилизаторах. В подавляющем большинстве конструкций электрических печей для прокалки полезная тепловая энергия безвозвратно уходит при загрузке/выгрузке, через теплоизоляцию корпуса и по тепловым мостам, формируемым загрузочными механизмами.
Основной задачей разработчиков конструкций печей для прокалки является максимально возможное повышение КПД печи за счет повышения эффективности теплообмена и снижения объемов тепловых потерь.
Важно: Различают коэффициент полезного действия рабочего пространства печи (отношение полезной тепловой энергии ко всей тепловой энергии, вводимой в рабочее пространство), технологический КПД (отношение полезной тепловой энергии в технологическом процесе к общей тепловой энергии, затрачиваемой на выполнение технологического процесса) и энергетический КПД, определяемый отношением тепловой энергии, использованной печью/агрегатом, в том числе энергии, которая аккумулируется/преобразуется в регенераторах, рекуператорах и котлах-утилизаторах, к всей затраченной энергии (электрической, тепловой). КПД печей непрерывного действия, как правило, больше КПД печей периодического действия, КПД электрических печей выше КПД пламенных печей и т. д. В целом печи для прокалки могут иметь КПД от 8–10% до 75%, хотя некоторые производители искусственно завышают эту величину до 85–90% с целью увеличения продаж.
В пламенных печах эффективность и полноту сгорания топлива (жидкого или газового) повышают:
- подогревом топлива используемого для горения воздуха, что позволяет снизить порог потенциальной энергии компонентов топливной смеси, определяющий возможность самопроизвольного протекания окислительных реакций;
Важно: В любых топливных печах подача воздуха для горения строго дозированная, а его нагрев контролируется, причем в ряде случаев при избытке воздуха его не подогревают, чтобы исключить неконтролируемое повышение температуры горения и, как следствие потребность еще в больших объемах подаваемого воздуха. - искусственным повышением степени черноты факела горелок для увеличения доли излучения в теплообмене; формированием турбулентного потока нагревающих газов и нагревательной атмосферы в рабочем пространстве, что повышает интенсивность теплообмена;
- преднагревом теплоизолирующей кладки, которая становится активным участником теплообмена с нагреваемым материалом/изделием;
- повышением давления в рабочем пространстве, что позволяет снизить температуру технологического процесса.
Эффективность электрических печей для прокалки (в основном сопротивления) повышают варьированием давления/температуры, использованием теплоизолирующих материалов за нагревающими элементами с большой отражающей способностью или отражающим покрытием, снижением тепловых потерь при загрузке/выгрузке и т. д.
Огнеупорные материалы печей для прокалки.
Для теплоизоляции рабочих пространств печей для прокалки используют огнеупорные материалы различного химического состава, теплотехнических и механических свойств, определяя приемлемость того или иного материала не по показателю огнеупорности (температуре начала размягчения материала под действием собственной массы), а по температуре начала деформации материала под нагрузкой 2 кгс/мм2. К дополнительным характеристикам, определяющим преимущества/недостатки огнеупорного материала относятся:
- гомогенность и дисперсность микро- и макроструктуры, влияющие на трещиностойкость, механические свойства, пористость, шлакоустойчивость;
- термическая стойкость, определяющая стойкость к нарушению целостности при колебаниях температуры; коэффициент линейного температурного расширения, характеризующий постоянство объема;
- шлакоустойчивость — способность противостоять окислительному воздействию шлаков и нагревающих газов; теплоемкость, характеризующая объемы тепловой энергии, необходимой для разогрева кладки;
- теплопроводность, ответственная за равномерное распределение температур в слое теплоизолятора;
- электропроводность, которая становится весомым критерием при высоких температурах в рабочем пространстве печи;
- технологичность, определяющая не только трудоемкость работ по кладке, расход материала, но и общий объем пустот/несплошностей и проблемных мест, заполняемых или не заполненных огнестойкими растворами/бетонами.