Основные типы печей сопротивления косвенного нагрева периодического действия.

Печь сопротивления представляет собой футерованную камеру. Тепло выделяется в нагревателе, после чего отдается нагреваемому изделию.

Электрические печи сопротивления по способу превращения электрической энергии в тепловую разделяются на печи косвенного действия и установки прямого нагрева.

Рис. 2.16. Классификация электрических печей сопротивления по способу превращения электрической энергии в тепловую.

Печи сопротивления косвенного нагрева разделяются по температурному режиму на низко-, средне- и высокотемпературные.

Рис. 2.17. Классификация ЭПС по температурному режиму.

У первых верхняя температурная граница лежит в пределах 600–650°С и процессы теплообмена идут с значительной или даже преобладающей ролью конвекции. Низкотемпературные печи часто называют конвекционными печами.

Среднетемпературные печи имеют верхнюю температурную границу 1200–1250 °С, определяемую возможностью применения для нагревательных элементов специальных сплавов сопротивления.

Технологические применения этих печей весьма обширны: процессы закалки, нормализации, отжига, термохимическая обработка черных металлов, нагрев под обработку давлением черных и цветных металлов и т. п.

Названные группы печей отличаются как конструктивно, так и механизмом передачи тепла от нагревателя к изделию. Таким образом, в низкотемпературных печах основным механизмом передачи тепла является конвекция, т.е. в таких печах тепло передается потоком циркулирующего воздуха. Для интенсификации процесса теплопередачи низкотемпературные печи обычно снабжают вентилятором и нагреватель иногда размещается в отдельной камере. Эта камера связана с основной камерой каналами для циркуляции воздуха. В средне и высоко температурных печах основное тепло от нагревателя к изделию передается излучением. Т.о., в данных печах установка вентилятора не нужна, но необходимо наличие оптической связи между нагревателем и изделием, т.е. они должны быть размещены в общей камере.

Другие конструктивные отличия связаны с устройством футеровки и материалом нагревательных элементов. В низкотемпературных печах футеровка содержит только теплоизоляционный слой, а жесткость футеровки обеспечивается двумя связанными между собой внешними и внутренними каркасами.

В среднетемпературных печах в футеровке появляется огнеупорный слой, выполненный их легковеса. Этот слой имеет механическую связь с внешним каркасом печи, в связи с чем надобность во внутреннем каркасе отпадает.

В высокотемпературных печах огнеупорный слой выполнен из шамота. Между огнеупорным слоем и слоем теплоизоляции вводится дополнительный слой легковеса для снижения температуры теплоизоляции до допустимой.

В низко- и среднетемпературных печах используются металлические нагреватели из фехраля и константана при t° до 800 °С и нихрома до 100 °С.

В высокотемпературных печах обычно используют неметаллические нагреватели (карборундовые, графитовые, угольные). Такие нагреватели могут значительно изменять свое сопротивление при нагреве и в процессе эксплуатации. Кроме того, для надежной работы такие нагреватели должны разогреваться постепенно при малой мощности (иначе они растрескаются).

Учет этих специфических особенностей приводит к необходимости применять в высокотемпературных печах те или иные средства регулирования подводимого напряжения (автотрансформатор, регулируемый трансформатор).

Для многих технологических процессов требуются вакуум или инертные газы в рабочем пространстве печи, поэтому в ряде случаев печи сопротивления выполняют вакуумными, газонаполненными или вакуумно-компрессионными.

По технологическому назначению печи сопротивления косвенного нагрева можно разделить на три группы:

1) термические печи для различных видов термической и термохимической обработки черных и цветных металлов, стекла, керамики, металлокерамики, пластмасс и других материалов;

2) плавильные печи для плавки легкоплавких цветных металлов и химически активных тугоплавких металлов и сплавов;

Рис. 2.18. Классификация ЭПС по технологическому назначению.

Такой способ принят в печах периодического действия (садочные печи). Есть два вида садочных печей – камерные и шахтные.

Для печи периодического действия (садочной) характерно неизменное положение нагреваемого тела (садки) в течение всего времени пребывания в печи. Цикл работы печи включает загрузку, тепловую обработку по заданному режиму и выгрузку. Печь может работать круглосуточно (тогда циклы непрерывно следуют друг за другом) или с перерывами – в одну или две смены.

По второму способу камерные печи сопротивления создают несколько температурных зон в соответствии с требуемым графиком обработки изделия. Обрабатываемое изделие перемещается с заданной скоростью от загрузочного окна к разгрузочному. При такой организации процесса возможно движение изделий непрерывным потоком. Это печи непрерывного действия (методические).

Эти печи используют в условиях серийного производства, автоматизация технологического процесса предполагает обеспечение:

1. Автоматического перемещения изделия с заданной скоростью внутри печи.

2. Автоматическую подачу необработанных изделий и уборки обработанных.

3. Автоматическая стабилизация t° в температурных зонах печи.

Печи непрерывного действия особенно удобны для работы в поточных технологических линиях с металлообрабатывающими станками и другими агрегатами и устройствами.

Рис. 2.19. Классификация ЭПС по характеру работы.

Типы и конструкции печей сопротивления косвенного нагрева периодического действия

Рис. 2.20. Основные виды электрических печей сопротивления периодического действия.

Рис. 2.21. Схема печей периодического действия:
а – камерная с загрузкой через окно; б – камерная с выдвижным подом; в – шахтная; г – элеваторная; д – колпаковая.
1 – каркас печи с футеровкой; 2 – нагреваемые тела (загрузка; 3 – дверца; 4 – загрузочный проём (окно); 5 – выдвижной под; 6 – рельс; 7 – крышка; 8 – опускающийся под; 9 – механизм опускания; 10 – стенд; 11 – съёмный колпак.

Электропечи сопротивления периодического действия разнообразны по конструкции, их применяют в индивидуальном или мелкосерийном производстве. Из них наиболее широко распространены колпаковые, элеваторные, камерные и шахтные печи.

Камерная электропечь – печь периодического действия с камерой нагрева, загрузка и разгрузка садки которой производятся в горизонтальном направлении. Камерная печь состоит из прямоугольной камеры 2 с огнеупорной футеровкой и теплоизоляцией, перекрытой сводом 8 и помещенной в металлический кожух.

Печь загружается и выгружается через закрываемое дверцей отверстие в передней части.

В поду камерной печи обычно имеется жароупорная плита, на которой расположены нагреватели 4. В печах до 1000 К теплообмен обеспечивается за счет излучения или вынужденной конвекции, обеспечиваемой замкнутой циркуляцией печной атмосферы.

Рис. 2.22. Камерная электропечь: 1 – рабочая камера; 2 – огнеупорный слой футеровки; 3 – теплоизоляционный слой футеровки; 4 – кожух; 5 – нагревательные элементы; 6 – футерованная дверца; 7 – подовая плита.

Шахтная печь представляет собой круглую, квадратную или прямоугольную шахту. Корпус печи заглублен в землю и перекрывается сверху крышкой с затвором и электроприводом. Нагревательные элементы в ней установлены обычно по боковым стенкам.

Колпаковая печь – печь периодического действия с открытым снизу подъемным нагревательным колпаком и неподвижным стендом. Нагреваемые детали (садка) 5 с помощью подъемно-транспортных устройств помещаются на стенд 1. Поверх них сначала устанавливается жаропрочный колпак – муфель 3, а затем основной колпак 2 камеры печи, выполненной из металлического каркаса с огнеупорной футеровкой. Нагревательные элементы 4 расположены по боковым стенкам колпака и в кладке стенда. Питание нагревательных элементов осуществляется с помощью гибких кабелей и штепсельных разъемов.

По окончании нагрева электропитание колпака отключается и он переносится на соседний стенд, где уже установлена очередная загрузка для нагрева. Остывание садки происходит на стенде под жароупорным муфелем, что обеспечивает необходимую скорость остывания.

В колпаковых печах при каждом цикле теряется лишь теплота, запасенная в муфеле и кладке стенда, что составляет 10–15 % от теплоты, запасенной в кладке колпака.

Мощность колпаковых печей достигает нескольких сотен киловатт. Благодаря тому что колпак и муфель могут быть герметизированы, нагрев и остывание садки можно проводить в защитной атмосфере.

Рис. 2.25. Колпаковая электропечь.

1 – каркас колпака; 2 – футеровка колпака; 3 – каркас стенда; 4 – футеровка стенда; 5,6 – нагреватели колпака; 7 – нагреватели стенда; 8 – муфель; 9 – газопровод; 10 – гибкий токопровод; 11 – термопара; 12 – коробка выводов; 13 – подовая плита; 14 – электрический разъёмный контакт.

Элеваторная электропечь – печь периодического действия с открытой снизу неподвижной камерой нагрева 2 и с опускающимся подом 6. Она представляет собой цилиндрическую или прямоугольную камеру, установленную на колоннах на высоте 3–4 м над уровнем пола цеха.

Под печи поднимается и опускается гидравлическим или электромеханическим подъемником, который установлен под камерой нагрева. Нагреваемые изделия – садку 5 нагружают на тележку, затем с помощью лебедки продвигают под печь и поднимают подъемником 7, вдвигая в камеру. По окончании технологического процесса под опускается и изделие снимается.

В низкотемпературных печах нагреватели 4 расположены на стенках. В высокотемпературных печах нагреватели расположены на стенках и в поду.

Элеваторные печи служат для отжига, эмалирования, цементации, обжига керамических изделий, спекания и металлизации деталей.

Печи комплектуются многоступенчатыми трансформаторами.

Рис. 2.26. Элеваторная электропечь:

1 – кожух; 2 – футеровка; 3 – боковые нагреватели; 4 – торцовые нагреватели; 5 – платформа с рельсовым путём; 6 – платформа плунжера; 7 – плунжер; 8 – подовые нагреватели; 9 – футеровка тележки; 10 – песочный затвор; 11 – тележка.

Электрические печи-ванны применяются для термической обработки ответственных длинномерных и тонкостенных металлических изделий в индивидуальном и мелкосерийном производстве. Нагрев в них осуществляется жидкими теплоносителями (маслом, щелочами, расплавами солей).

Электрическая печь-ванна имеет вид шахтной печи со встроенной в рабочее пространство ванной или тиглем. Электропечи-ванны бывают: с внешним обогревом, в ко­торых нагреватели расположены на внутренней поверх­ности огнеупорной кладки; с внутренним обогревом труб­чатыми погруженными в теплоноситель электронагрева­телями; с внутренним обогревом электродными группами (однофазными и трехфазными) — в этом случае ток протекает в теплоносителе между электродами.

Особенно широко распространены электродные соля­ные ванны; в них одновременно обеспечивается быстрый, равномерный и безокислительный нагрев изделий. Под­бором состава солей можно также проводить и термохимическую обработку (цементацию, азотирование, борирование и т. п.). На рис. 2.27. изображена серийная элек­тродная ванна на рабочую температуру до 1300° С.

Ванна прямоугольной формы выложена огнеупорным шамотным кирпичом в промежуточном металлическом кожухе-тигле, вместе с которым она может легко извле­каться из печи и заменяться новой. Промежуточный ко­жух служит также для предохранения тепловой изоля­ции от проникновения

Рис. 2.27. Электродная соляная ванна.

1 – токопровод; 2 – зонд; 3 – электродная группа; 4 – перегородка; 5 – футеровка; 6 – внутренний кожух; 7 – пирометр; 8 – наружный кожух.

расплавленных солей. В ванне вдоль одной из сторон помещены три цилиндрических стальных электрода, к которым через электрододержатели и шинопровод подведено напряжение от вторичных обмоток понижающего трансформатора, устанавливаемо­го непосредственно около печи. Трансформаторы ванн имеют переключатели ступеней напряжения, позволяю­щие регулировать подводимое к электродам напряжение в пределах от 6 до 18 В.

Электродные соляные ванны предназначаются для безокислительного нагрева изделий до температуры, не превышающей 1300° С, и применяются главным образом для термообработки режущего и ударного инструмента.