Способ передачи тепла от пламени к обрабатываемой детали в газовой печи определяет качество продукции, энергоэффективность и диапазон технологических процессов, которые может выполнять печь. Три основных подхода — прямое нагревание, косвенное нагревание с муфельной печью и лучистое нагревание — каждый имеет свое место, и выбор неправильного подхода для конкретного применения приводит к проблемам с качеством, чрезмерным затратам энергии или и тому, и другому.
Компания MONTE INTELLIGENCE поставляет газовые печи всех трех конфигураций. В данной статье сравниваются конструкции по критериям, важным для процессов термообработки.
В печах прямого нагрева природный газ (или другой топливный газ) сжигается непосредственно в камере сгорания, а продукты сгорания — пламя и горячие дымовые газы — непосредственно контактируют с обрабатываемой деталью. Горелки подают тепло в камеру, горячие газы циркулируют вокруг обрабатываемой детали (за счет естественной конвекции или рециркуляции воздуха), а отработанные газы выходят через дымоход. Это самая простая и энергоэффективная конфигурация, поскольку между источником тепла и обрабатываемой деталью нет барьера — вся энергия сгорания используется для нагрева детали, за исключением теплоты сгорания, выделяемой дымовыми газами.
Ограничением прямого нагрева является то, что обрабатываемая деталь подвергается воздействию атмосферы сгорания. Продукты сгорания содержат диоксид углерода (CO2) и водяной пар (H2O), которые окисляются до стали при температурах термообработки. На поверхности стали, нагреваемой в печи прямого нагрева, образуется оксидная окалина (промышленная окалина). Для многих применений — предварительного нагрева при ковке, нормализации, снятия напряжений, отжига перед механической обработкой — это допустимо, поскольку окалина удаляется в процессе последующей обработки или не наносит вреда изделию.
Прямой нагрев неприемлем в тех случаях, когда качество поверхности имеет решающее значение. Цементация, карбонитрирование, светлая закалка и любые процессы, требующие определенного углеродного потенциала, не допускают неконтролируемой атмосферы продуктов сгорания. В таких случаях продукты сгорания должны быть отделены от обрабатываемого материала, что приводит к необходимости использования конфигураций с косвенным нагревом.
В печах с косвенным нагревом используется муфель — жаростойкая оболочка из сплава или керамики, отделяющая камеру сгорания от рабочей камеры. Горелки работают снаружи муфеля, нагревая его стенки, которые, в свою очередь, излучают тепло на обрабатываемую деталь. Внутри муфеля поддерживается контролируемая атмосфера — эндотермический газ, азотно-водородная смесь и т. д. — для защиты обрабатываемой детали. Продукты сгорания никогда не контактируют с деталью.
Муфель является определяющим компонентом этого типа печи. Для температур до 950°C муфель может быть изготовлен из жаростойкого сплава — обычно RA330, Incoloy 800HT или литого высоконикелевого сплава — со сроком службы 3-5 лет. Для более высоких температур, до 1150°C, используются муфели из карбида кремния, но они хрупкие и более дорогие. Муфель представляет собой значительную капитальную стоимость — обычно 15-25% от общей стоимости печи — и его последующая замена является существенными расходами на техническое обслуживание.
Энергетические потери в муфеле обусловлены падением температуры на стенках муфеля. Для нагрева рабочей камеры до 850°C температура в камере сгорания должна быть выше — обычно 950-1050°C — чтобы обеспечить движущую силу для теплопередачи через муфель. Более высокая температура в камере сгорания означает более высокую температуру дымовых газов и большие потери тепла, что снижает тепловую эффективность печи на 10-20% по сравнению с аналогичной печью прямого нагрева.
Лучистый трубчатый нагрев — это разновидность концепции косвенного нагрева, ставшей стандартной для непрерывных печей, включая печи с сетчатой лентой. Вместо одной большой муфельной печи используется несколько лучистых труб — герметичных труб из сплава, проходящих через камеру печи. Горелка зажигается внутри трубы, продукты сгорания проходят через трубу (часто с внутренней рециркуляцией для улучшения равномерности теплопередачи) и отводятся на противоположном конце. Внешняя поверхность трубы излучает тепло на обрабатываемую деталь.
Излучающие трубки обладают рядом преимуществ перед одиночным муфельным нагревом. Трубки можно располагать таким образом, чтобы обеспечить более равномерный нагрев — как правило, рядами над и под обрабатываемой поверхностью — чем в муфельном нагреве, который в основном осуществляется с боков и сверху. Отдельные трубки можно снимать и заменять, не открывая камеру печи, что сокращает время простоя на техническое обслуживание. Диаметр трубок достаточно мал (обычно 100-200 мм), что позволяет использовать трубки умеренной толщины (5-8 мм), обеспечивая при этом достаточную механическую прочность и коррозионную стойкость.
Наиболее распространенной конструкцией излучающей трубки является U-образная трубка: горелка зажигает пламя в одну из сторон U-образной трубки, продукты сгорания поступают к закрытому концу и возвращаются через другую сторону к отводу. Такая конструкция обеспечивает хорошую теплопередачу, поскольку высокотемпературное пламя находится в одной стороне, а более холодные отработанные газы — в другой, что обеспечивает более равномерную температуру поверхности трубки, чем в прямоточной конструкции. W-образные трубки и односторонние рекуперативные трубки (SER-трубки) используются в тех случаях, когда требуется более высокая теплоотдача на одну трубку.
Выбор материала трубы зависит от температуры печи. Для температур до 950 °C достаточный срок службы обеспечивают литые трубы из сплавов HK-40 (25% Cr, 20% Ni) или HP (25% Cr, 35% Ni). Для более высоких температур или для атмосфер, содержащих науглероживающие газы, которые могут вызывать пылеобразование металла, требуются трубы из сплавов с более высоким содержанием никеля или керамические трубы (карбид кремния). Срок службы труб в типичных условиях термообработки составляет от 2 до 5 лет, при этом основными причинами отказов являются ползучесть (в результате длительного воздействия высоких температур под собственным весом трубы), окисление (утонение стенки трубы со стороны сгорания) и науглероживание (поглощение углерода, которое делает трубу хрупкой).
Компания MONTE INTELLIGENCE рекомендует конфигурацию нагрева, исходя из температуры процесса, требований к атмосфере, объема производства и капитальных затрат. Для предварительного нагрева при ковке и нормализации наилучшее соотношение цены и качества обеспечивает прямой нагрев. Для термообработки в контролируемой атмосфере в зависимости от геометрии печи и рабочей температуры выбираются конструкции с излучающими трубами или муфельами.
Для получения рекомендаций по конфигурации газовой печи, адаптированной под ваш технологический процесс, свяжитесь с нами по адресу helenxu@cnlymonte.com.
