Системы сжигания в топочных печах с опорной тележкой: излучающие трубки, горелки и рециркуляция.
Печь с подом на тележке — это сосуд для термообработки, а не камера сгорания. Сгорание происходит внутри излучающих труб или за огнеупорными стенками, а тепло достигает заготовки за счет излучения, конвекции или их комбинации. Выбор системы сгорания определяет атмосферу в печи, равномерность температуры, энергоэффективность и стоимость технического обслуживания. Неправильный выбор системы приведет к неудачной термообработке — обезуглероживанию, образованию окалины, неравномерной твердости. Правильный выбор обеспечит надежную работу печи на протяжении десятилетий.
Вот как на самом деле работает система сгорания.
Начните с излучающей трубки.
Излучающая трубка представляет собой герметичную металлическую или керамическую трубку, внутри которой происходит процесс сгорания. Горелка зажигается внутри трубки, горячие продукты сгорания проходят через трубку, и трубка излучает тепло в камеру печи. Заготовка никогда не соприкасается с продуктами сгорания напрямую. Атмосфера в камере печи регулируется отдельно — обычно путем подачи защитного газа, такого как азот, или путем поддержания небольшого избыточного давления для предотвращения попадания воздуха.
Излучающие трубки изготавливаются из трех основных материалов.
Литые сплавы труб — обычно HK40 (25% Cr, 20% Ni, остальное Fe) или HU (18% Cr, 38% Ni, остальное Fe) — выдерживают температуру до 1050 градусов Цельсия в условиях непрерывной эксплуатации. Они тяжелые, дорогие и имеют ограниченный срок службы (обычно от 5 до 10 лет в исправно работающей печи). Литые сплавы труб являются основным материалом в термообработке.
Керамические трубы — обычно из карбида кремния (SiC) или оксида алюминия — выдерживают более высокие температуры (до 1250 °C для SiC, 1400 °C для некоторых марок оксида алюминия). Они легче и обладают большей теплоэффективностью, чем литые сплавы, но более хрупкие и дорогие. Керамические трубы используются в высокотемпературных печах (выше 1050 °C) и в тех областях применения, где вес трубы имеет значение (большие трубы, потолочный монтаж).
Металлические трубы — как правило, из сплава Inconel 600 или 601 — используются в печах с более низкими температурами (ниже 950 градусов Цельсия) или в тех случаях, когда труба прямая, а условия эксплуатации щадящие. Металлические трубы — самый дешевый вариант, но они имеют самый короткий срок службы при высоких температурах.
Геометрия труб зависит от компоновки печи.
Прямые трубы — обычно длиной от 1,5 до 3 метров и диаметром от 100 до 200 мм — представляют собой простейшую конструкцию. Горелка зажигается с одного конца, отработанный газ выходит с другого, а труба излучает тепло по всей своей длине. Прямые трубы подходят для небольших и средних печей.
U-образные или W-образные трубы — обычно длиной от 2 до 4 метров, с одним или двумя изгибами — позволяют увеличить длину трубы при меньших габаритах. Горелка зажигается с одного конца, отработанный газ выходит с того же конца, а труба загибается сама на себя. U-образные трубы распространены в больших печах.
Вторым важным параметром является конструкция горелки.
Атмосферные горелки — самый простой и дешевый вариант — смешивают воздух и газ непосредственно в горелке и подают их в трубу. Воздух поступает от воздуходувки низкого давления. В качестве газа обычно используется природный газ или пропан. Атмосферные горелки просты, надежны и легки в обслуживании. Однако они также наименее эффективны — их тепловая эффективность по трубе обычно составляет от 50 до 60 процентов — и производят наибольшее количество оксидов азота (NOx).
Современные горелки повышенной мощности используют вентилятор с принудительной тягой или систему подачи газа под избыточным давлением для прокачки воздуха и газа через горелку с большей скоростью. Эффективность таких горелок составляет от 70 до 85 процентов, и они производят меньше оксидов азота. Пламя более стабильное, диапазон регулирования мощности (диапазон режимов работы) шире, а управление более точное.
Рекуперативные горелки — более совершенная конструкция — предварительно нагревают воздух для сгорания, используя тепло, выделяемое дымовыми газами. Металлический или керамический теплообменник внутри корпуса горелки передает тепло от выхлопных газов к поступающему воздуху. Воздух для сгорания может быть предварительно нагрет до 400–600 градусов Цельсия, что снижает расход топлива на 20–30 процентов. Рекуперативные горелки дороже, чем мощные горелки, но экономия топлива окупается за 1–3 года при высокой интенсивности использования печи.
Регенеративные горелки — наиболее передовая конструкция — используют два слоя горелки, которые поочередно работают в режиме горения и отвода воздуха. Каждый слой оснащен керамическим регенератором, который поглощает тепло от отработанных газов и передает его поступающему воздуху. Воздух для горения может быть предварительно нагрет до 800–1000 градусов Цельсия, что позволяет сэкономить топливо на 40–50 процентов. Регенеративные горелки являются наиболее эффективным вариантом, но они также являются самыми дорогими и требуют наибольшего технического обслуживания. Они используются на больших печах непрерывного действия (толкательных, с шагающей балкой, вращающихся подах), но редко на печах с тележками, поскольку цикл горения слишком короткий, чтобы окупить затраты на регенератор.
Коэффициент регулирования мощности имеет значение для пакетной обработки.
В печи с подом на тележке во время нагрева работает широкий диапазон скоростей обжига. Горелка работает с высокой скоростью во время нагрева (для доведения шихты из холодного состояния до рабочей температуры), а затем снижает скорость во время выдержки (для поддержания температуры). Коэффициент регулирования скорости горелки — это отношение максимальной скорости обжига к минимальной. Стандартным является коэффициент 10:1. Коэффициент 20:1 или 30:1 лучше, особенно для толстых профилей, требующих длительной выдержки при низкой скорости обжига.
Недостаточно гибкая регулировка мощности заставляет оператора включать и выключать горелку на низкой мощности, что приводит к колебаниям температуры, увеличивает износ горелки и приводит к потерям энергии. Хорошая регулировка мощности позволяет горелке плавно работать во всем диапазоне рабочих режимов.
Система рециркуляции является третьей по значимости системой.
В печи с подвижным подом необходима равномерная температура по всей камере. Излучающие трубки нагревают газ у стенок и потолка, но газ в центре камеры, где находится заготовка, может быть на 30–50 градусов Цельсия холоднее, чем у трубок. Рециркуляционные вентиляторы или форсунки смешивают горячий газ из верхней части камеры с более холодным газом в центре, выравнивая температуру.
Конструкции систем рециркуляции различаются. В некоторых печах используется один большой вентилятор на задней стенке, который забирает горячий газ сверху и направляет его вниз через центр. В других используются несколько меньших вентиляторов, распределенных по камере. В третьих используются высокоскоростные струи (без вентилятора), которые затягивают окружающий газ за счет эффекта Вентури. Выбор зависит от размера печи, размера заготовки и требований к равномерности температуры.
Типичные требования к равномерности температуры для печи термообработки составляют плюс-минус 10 градусов Цельсия. Более жесткие требования (плюс-минус 5 градусов) достижимы при хорошей конструкции системы рециркуляции. Более свободные требования (плюс-минус 20 градусов) распространены в печах низкого класса и могут вызывать колебания параметров термообработки.
Контроль атмосферы — это последняя переменная.
В печи с подвижным подом для снятия напряжений или отжига обычно используется слегка окислительная атмосфера — достаточная утечка воздуха, чтобы предотвратить поглощение заготовкой углерода или водорода, но не настолько сильная, чтобы образование окалины на поверхности стало проблемой. Атмосфера регулируется путем поддержания небольшого избыточного давления в печи (обычно от 0,5 до 2 мбар) и подачи небольшого количества воздуха через контролируемый вход.
Для процессов, требующих защитной атмосферы (светлый отжиг, пайка, цементация), печь герметично закрывается, и в нее подается инертный газ (азот или аргон) для вытеснения воздуха. Некоторые печи имеют полноценную муфельную камеру — внутреннюю камеру, отделенную от секции излучающей трубки, — благодаря чему продукты сгорания и защитная атмосфера полностью изолированы. Муфельные печи дороже, но позволяют точно контролировать атмосферу.
Автор: команда инженеров по термообработке компании MONTE INTELLIGENCE. По вопросам аудита и модернизации систем сгорания обращайтесь по адресу helenxu@cnlymonte.com.
