Устройство и принцип работы туннельной печи

Где применяется

На данный момент можно встретить печи различных моделей, но принцип работы у них всегда одинаков. Основное их отличие заключается в виде топлива. Они могут работать на нефтепродуктах, угле, газе и электроэнергии (более современные электрические печи). Печи применяются для:

• обжига кирпича;
• обжига изделий из керамики;
• производства хлеба и выпечки;
• целей металлургической промышленности.

Обычно печи работают без перерыва (круглосуточно), это позволяет снизить расходы на их прогрев. Электрические печи достаточно затратны, но при работе в несколько смен (чаще всего в три) они быстро окупаются. Режимы обжига могут различаться в зависимости от двух основных факторов:

• обжигаемого изделия (вид, форма, размер);
• вида теплоносителя.

Интенсивность обжига и его качество напрямую связано с видом садки кирпича-сырца на вагонетки. Вагонетки перемещаются по всей длине тоннеля, и из-за перепадов температур подвержены износу, это наверно единственный минус печи. Режим обжига выбирается от типа изделия, механизации процесса, размеров канала и конечно топлива. Дома туннельную печь ставить невыгодно, она занимает много места, при редком использовании не экономична, а без процессов механизации отдельных этапов качество обжига будет далеко от идеала.

Обжиг в туннельных электрических печах происходит при температуре до 1400 градусов. Процесс загрузки производится на плитках – шамотных или ферритовых. Чтобы устранить налипание глины, плитки обрабатывают порошковым глиноземом. В некоторых случаях ферритовые плитки обжигают, это необходимо при процессе высокой укладки рядов. Каждый ряд покрывается порошковым глиноземом, чтобы изделия не склеивались и не деформировались.

Преимущества перед другими видами плавильных печей

Индукционные печи – не единственное изобретение, используемое для плавления металлов.

Есть ещё знаменитые мартены, домны и другие виды. Однако рассматриваемая нами печь имеет перед всеми остальными ряд неоспоримых преимуществ.

Печи, работающие на принципе индукции, могут быть довольно компактными, и их размещение не доставит никаких трудностей.

Высокая скорость плавки. Если другие печи для плавки металла требуют несколько часов только на разогрев, индукционная справляется с этим в несколько раз быстрее.

Коэффициент полезного действия лишь немного не достигает отметки в 100 %.

По чистоте расплава индукционная печь уверенно занимает первое место. В других устройствах приготовленная к расплаву заготовка непосредственно соприкасается с нагревательным элементом, что зачастую приводит к загрязнению. Токи Фуко нагревают заготовку изнутри, воздействуя на молекулярную структуру металла, и побочных элементов в неё не попадает.

Последнее преимущество просто необходимо в ювелирном деле, где частота материала повышает его ценность и уникальность.

Индукционные печи используют при плавке металлов принципиально иной метод нагрева. Благодаря этому, усовершенствовалась и технология плавки, расширились возможности переплавления металлов из лома.

Работа индукционных печей построена на принципе выделения тепла металлом при прохождении через него электрического тока. Таким образом, нагрев происходит не за счет тепловых волн, достигающих металла, а за счет превращения металлической массы в самостоятельный источник выделения тепла.

Для создания электромагнитного поля в печи используется индуктор. В связи с этим применяемый принцип плавки обозначается как индукционный нагрев. Индуктор входит в конструкцию плавильного агрегата.

Обязательное условие эффективной работы печи – продуманная система охлаждения. К печи необходимо одновременно подвести и электроснабжение для нагрева металлов, и воду для охлаждения самого индуктора.

При использовании индукционных печей значительно повышается удобство и качество плавки металлов. Под воздействием электромагнитного потока в расплавленной массе металла усиливается циркуляция.

Это способствует повышению однородности полученного в результате плавки металла.

Кроме того, плавильные печи, использующие принцип индукционного нагрева, дают на выходе металл с более высокими показателями и по чистоте, и по однородности.

Повышение качества металла дополняется снижением себестоимости всего процесса плавки. Достигается это за счет экономии электроэнергии, затрачиваемой на весь процесс переплавки металлов.

Высокий коэффициент полезного действия работы печей подобного типа — еще одно дополнительное условие, приводящее к снижению производственных затрат.

В настоящий момент в промышленности чаще используются индукционные печи высокой частоты.

Однако, среднечастотные печи также имеют свои преимущества. Они позволяют снизить расходы электроэнергии почти в два раза.

Индукционные печи среднего нагрева отличаются сжатым временным циклом плавки (от 40 до 45 минут). Это достигается за счет того, что значительно повышен предел допустимой мощности в таких печах.

При использовании печей этого типа расширяются и возможности усовершенствовать технологию плавки металлов. Например, для производства чугуна можно использовать отходы других производств (кузнечного, токарно-фрезерного, прокатного).

Полученный состав чугуна близок к идеальному. Это достигается за счет того, что печи средней частоты дают возможность активнее управлять химическим составом расплавляемого металла.

В целом преимущества использования индукционной переплавки металла повышаются за счет использования разных типов агрегатов.

Индукционные печи средней частоты создают дополнительные преимущества для использования этого метода плавки.

В настоящее время на российских предприятиях используется порядка 23 % индукционных печей. Еще 76 % приходится на газовые вагранки.

Широкомасштабное внедрение на производствах оборудования для индукционной плавки позволит значительно повысить эффективность всего процесса и его производительность, отразится на качестве получаемого металла.

Принцип работы печи

Цилиндрическая емкость в виде барабана имеет небольшой наклон относительно горизонтали – это исходное положение, из которого начинается движение. Но перед включением полость конструкции заполняется рабочим материалом. Подача заготовки осуществляется через верхний патрубок барабана. Далее оператор закрывает конструкцию и включает электродвигатель. В процессе работы вращающаяся печь циклично опускает вниз перемешиваемое вещество, обдавая массу горячими газами. Допуск термических потоков может производиться через выносную топку, но в классических моделях генерация газа осуществляется внутри барабана. Во втором случае может задействоваться горелка Бунзена, формирующая языки пламени через трубы печной форсунки. Для таких задач требуется дополнительный источник топлива в виде масла, газа, измельченного угля или щепы.

Разновидности

Известно несколько видов печей для термической обработки металла:

1. Индукционные. Чаще применяются для плавки цветных металлов. Скорость нагрева зависит от частоты переменного тока.
2. Муфельные. Классические печи, для нагрева которых применяются любой из доступных способов. Камера сгорания отделяется от расплавляемого металла с помощью муфелей. Они нагреваются и передают тепло плавящемуся материалу.
3. Вакуумные. Конструкции с герметичным корпусом. Применяются для плавки металлов, которые окисляются от кислорода при термической обработке. Готовая продукция имеет повышенные технические характеристики.
4. Климатические. Лабораторное оборудование, применяющееся для проведения разных экспериментов. С помощью таких установок можно воспроизвести воздействие разных факторов окружающей среды.

Муфельная печь (Фото: Instagram / sirius_kiln)

Преимущества и недостатки

Чтобы решить, нужна ли трубная печь на определенном производстве, следует ознакомиться с плюсами и минусами оборудования.

Плюсы печи:

1. Малые габариты.
2. Небольшое количество тепловых потерь.

Каждая печь имеет не только положительные стороны, но и некоторые недостатки.

Минусы:

1. Несколько или одну трубу нет возможности отключить при аварийном состоянии агрегата. Для этого потребуется обесточивать весь аппарат.
2. Расчеты трубчатой печи показывают, что происходит не экономичное использование полученной температуры в двух камерах.
3. Трубы змеевика забиваются из-за попадания сгораемых продуктов, что используются в процессе. Из-за этого происходит увеличенный расход топлива.

Принципы выбора

При выборе печи для металла нужно учитывать:

1. Какие изменения технических характеристик должны произойти с металлическими заготовками.
2. Какой тип топлива или энергоноситель доступен для применения. Например, если нет возможности собрать, подключить электрическую печь, можно сделать классический горн на дровах или газу.
3. Какие материалы будут обрабатываться.
4. Габариты, масса оборудования.

Промышленное оборудование (Фото: Instagram / kgtmakc)

Преимущества и недостатки

Положительные стороны:

1. Высокий КПД.
2. Прочность, надежность, долговечность.
3. Быстрый нагрев.
4. Удобная система управления. С их помощью можно выставить точный температурный режим.
5. Наличие эффективной системы охлаждения.

Отрицательные стороны:

1. Печки быстро остывают.
2. Материал оборудования прогорает под воздействием высоких температур.

Производители и цены

Производители печей для плавки металлов:

• «PRO-Станки»;
• «РОСИндуктор»;
• «Индуктор».

Цена компактной индукционной печи для мастерской — 60 000 рублей. Стоимость промышленного оборудования — 500 000 рублей.

Назначение доменной печи и принцип работы

Производство чугуна в доменной печи является важной отраслью деятельности черной металлургии.

Эта работа требует не только необходимости использования спецоборудования, но и тщательного следования определенных технологиям.

Выплавка производится в доменной печи из пустых пород и рудного вещества.

В роли рудного вещества может выступать красный, бурый, шпатовый, магнитный железняк или марганцевые руды.

Восстановление железа — один из основных этапов производства чугуна.

В результате этого процесса железо обретает твердость. Далее его опускают в распар, который способствует растворению углерода в железе. Таким образом, происходит образование чугуна. Именно в горячей части печи начинает плавиться сам чугун, медленно стекая в нижнюю часть.

Принцип работы доменной печи зависит от вида этого громоздкого приспособления.

Существуют печи коксовые и древесноугольные.

Первые работают на коксе, вторые, соответственно – на древесном угле.

Шахтная печь рассчитана на непрерывный принцип действия. Форма данного оборудования представляет собой два конуса, сложенных широкими сторонами основаниями. Между этими конусами расположена часть печи, обладающая цилиндрической формой – распар.

Принцип работы доменной печи выражается в несколько физико-химических операциях. Наличие этих операций определяется температурной областью самой печи и загруженностью материала.

https://youtube.com/watch?v=jdh0OXhKJXg

В целом, можно выделить такие процессы:

• процесс разложения известняка, в результате которого образуется угольный ангидрид и окись кальция;
• восстановление железа и прочих элементов;
• науглероживание железа;
• металлоплавление;
• возникновение и плавление шлака;
• сгорание топлива и прочие.

Воздухонагреватель доменной печи — аппарат, в котором происходит предварительный нагрев воздуха. Затем этот воздух подается в печь.

Раннее оборудование для выплавки чугуна не имело такого элемента, как воздухонагреватель. Разработка устройства позволила намного уменьшить затраты топлива.

Принцип работы доменной печи основан на сложных физико-химических процессах.

Выделяют такие операции:

• сгорание топлива;
• восстановление железа;
• разложение известняка на окись кальция и угольный ангидрид;
• насыщение железа углеродом;
• плавка металла;
• плавление шлака и др.

В самом общем смысле доменная плавка – это производство чугуна из железорудного сырья.

Главные материалы, с помощью которых возможна выплавка чугуна:

• топливо – кокс;
• железная руда – сырьё, из которого выплавляют чугун;
• флюс – спецдобавки из песка, известняка и некоторых других материалов.

В печи шихта попадает в виде мелкопородных сплавленных кусков – окатышей или агломератов. В качестве рудного вещества могут выступать марганцевые руды или различные вариации железняка. Сырьё засыпают в колошник слоями, чередуя с пластами флюса и кокса.

Шлак всплывает на поверхности раскалённого чугуна. Примеси сливают до того, как жидкий металл застынет.

Подача сырья, как и работа печи, должна быть непрерывной. Постоянство процесса обеспечивают специальные транспортёры. Попадая через описанные элементы в горн, шихта проходит через ряд технологических процессов.

Сгорающий кокс даёт требуемую температуру, которая не должна опускаться ниже 2000 градусов. Горение способствует соединению кислорода и каменного угля. Параллельно образуется углекислый газ. Под влиянием высокой температуры последний становится оксидом углерода. Благодаря этому восстанавливается железо.

Чугун становится таковым после того, как железо пройдёт через расплавленный кокс. Чтобы результат стал возможным, железо должно насытиться углеродом. К чугунам относят сплавы, в составе которых на долю углерода приходится 2-5%.

После того, как готовый металл накопился в горне, его выпускают через летки. Через верхнее отверстие сначала выпускают шлак, а после – через нижнее – чугун. Последний сливается по каналам в ковши и отправляется на последующую обработку.

Виды и назначение

По своему строению и функциональному назначению печи туннельного типа очень сильно различаются. Существуют громоздкие кирпичные конструкции для обжига кирпича, вращающиеся клинкерные цементные печи, выполненные в виде огромной металлической трубы.

Также есть компактные стальные печи для кондитерских и хлебобулочных изделий, мощные энергоемкие установки для термической обработки стали, а также небольшие агрегаты для керамических изделий и глиняной посуды.

Обжиг кирпича и цемента

Свое наибольшее применение нагревательные установки туннельного типа получили в производстве строительных материалов – кирпича и цемента. Клинкерная вращающаяся печь для производства цемента представляет собой огромные трубы, длиной до 230 метров, открытые с торцов и вращающиеся со скоростью 1 – 1.5 оборота в минуту. Печь устанавливается под небольшим наклоном к горизонту в 3 – 4 градуса. В таком устройстве выделяют 6 зон, таких как:

• Сектор подсушки сырья (испаритель влаги).
• Сектор нагрева.
• Участок декарбонизации.
• Участок спекания.
• Зона экзотермии.
• Зона охлаждения сырья.

Процесс спекания цемента протекает после загрузки в приподнятую часть сырья, а с нижней части подается топливо в виде смеси воздуха и горючего. Готовый продукт ссыпается в специальное холодильное устройство.

Туннельные печи для обжига кирпича представляют собой галерею с вагонеткой, ручной тележкой или конвейерной лентой. Стены и свод такого агрегата выложены из огнеупорного шамотного кирпича. Снизу или сверху поступает нагретый воздух, а в противоход ему происходит газо- и дымоудаление.

Количество подаваемого тепла и отводимого остывшего воздуха регулируется  с помощью системы специальных шиберов или заслонок. Сырой кирпич сначала подогревается, потом происходит его обжиг, а затем охлаждение. Температура при обжиге кирпичных изделий внутри основной камеры установки может достигать 900 градусов Цельсия. После этого тележка с кирпичами отправляется в сушильную камеру, которая работает на выходящих их печи нагретых газах. Она конструктивно совмещена с печью.

Обжиг керамических изделий

Для изготовления изделий из керамики применяются устройства, похожие на кирпичные туннельные печи. Размер таких конструкций меньше, что обусловлено небольшими объемами выпуска керамической и глиняной продукции. Сам принцип функционирования таких печей многим повторяет процесс обжига и сушки кирпича.

В металлургической промышленности

В термической обработке сталей и сплавов туннельные печи применяют для отжига и нагревания металлических деталей перед другими процессами нанесения покрытий. Также в подобных агрегатах происходит закалка изоляторов для нужд электротехнического производства.

Производство хлебобулочных изделий

В хлебобулочном производстве применяют металлические туннельные печки, выполненные в форме вытянутого короба и снабженные конвейерной подачей выпекаемого продукта. Внутри такого агрегата находятся горелка, пароувлажнитель, конвейерная лента, система вытяжки, а также механизмы регулировки подачи тепла в разные отсеки печи.

Размеры их составляют от 10 до 25 метров, используются они на хлебозаводах, в домашних мини-пекарнях применять такие установки экономически невыгодно. Работают они на природном газу или электрической энергии, как наиболее безопасных для пищевой промышленности видах топлива. Гораздо реже применяются мазутные установки.

Выпечка кондитерских изделий

Кондитерские туннельные установки практически полностью аналогичны хлебобулочным печкам, с той разницей, что они обладают меньшими габаритами и более точными температурными режимами выпечки. В кондитерских изделиях используются различные кремы, что требует точной настройки температуры внутри печи, а также меньшего времени их обработки.

В чем преимущества?

Индукционная плита имеет ряд достоинств, которые выгодно отличают ее от конкурентов.

Из основных:

• Максимальный КПД, обусловленный началом нагрева посуды сразу после включения, а это экономит электричество;
• Надежная защита от «неправильной» посуды. Конфорка не включится, если на плите оказалась сковорода или кастрюля с не магнитным днищем;
• Автоматическое отключение при снятии посуды;
• Удерживание заданной температуры на определенном уровне. Это обусловлено тем, что на контролирующий датчик не воздействует высокая температура металлических изделий;
• Стабильная мощность, которая не зависит от напряжения бытовой сети;
• Широкий выбор программ, что позволяет готовить блюда различной сложности;
• Прогрев индукционной поверхности производится только от посуды, поэтому вероятность получения ожогов предельно низка;
• Отсутствие неприятных запахов;
• Легкость обслуживания. Большинство современных моделей имеет стеклянную поверхность, обработка которой не составляет труда.Снаружи посуда не пригорает из-за отсутствия действия открытого огня и горячих поверхностей.

Из недостатков стоит выделить большую мощностью, что создает дополнительную нагрузку на проводку, наличие электромагнитного излучения и возможность применения только специальной посуды.

Кроме того, если одновременно включить все конфорки, они не будут выдавать полную мощность.

Принцип работы сталеплавильных электродуговых агрегатов

Основной функцией дуговых печей является выделение тепла дуге, за счет высокого скопления электроэнергии. Благодаря этому выполняется плавка металла со значительной скоростью нагрева.

Гореть дуга может как в парах перерабатываемого материала, так и в обычной атмосфере. Самыми востребованными в промышленной сфере являются электродуговые сталеплавильные печи. Для производства стали расходуется вторичное сырье – лом. Процесс его расплавки состоит из нескольких этапов:

• подымается свод;
• загружается в печь шихта с помощью специального крана;
• свод закрепляется на место;
• подается электрическое питание на электроды;
• электропроводники касаются загруженного в агрегат лома;
• образуется межфазное замыкание;
• срабатывает автоматический подъем держателей с электродами;
• происходит загорание электрической дуги.

Таким образом, начинается работа печи, которая происходит при высокой температуре мощности. Состоит она из таких основных стадий:

1. Расплавление металлического лома. Накаленная шихта покрывается защитной пленкой, которая преграждает к материалу доступ вредных газов. При этом осуществляется впитывание различных плохо влияющих на качество металла веществ.
2. Процесс окисления. Происходит корректировка вредных элементов. В это время повышается температура в агрегате. Ее значение становится на 120 градусов выше установленного для плавки металла предела. Фосфор и сера должны занимать в общем составе не более 0,15 процентов. Также осуществляется контроль уровня водорода и азота.
3. Восстановление. С материала устраняются элементы серы, и состав металла доводится до нормативных показателей.

Процесс работы печного устройства во многом зависит от его конструктивных и функциональных особенностей.

Основные показатели работы трубчатых печей

Главные показатели — это производительность, полезная тепловая нагрузка, а также КПД.

Производительность высчитывают по тепловым и материальным балансам установки. Это число может колебаться согласно расчетов трубчатой печи — от 50 до 15 тыс. т/сут.

Полезная тепловая нагрузка высчитывается из теплоты, которая была затрачена при нагревании и испарении выбранного продукта, а также на перегрев водяного пара, если в печи установлен пароперегреватель.

Имеется несколько разновидностей КПД:

1. Топливный — это отношение всего поглощенного тепла к количеству тепла, что было получено исключительно при горении топлива, не учитывая физическое тепло, и которое попадает через воздух, водяной пар и топливо.
2. Термический — это отношение общего количества получаемого поглощаемого тепла к количеству тепла, что была выделена при горении топливного материала, учитывая теплоемкость топлива, воздуха, а также распыляющей среды. Расчеты трубчатой печи показывают, что топливный КПД не должен опускаться ниже 90%. Величина его будет напрямую зависеть от сгорания топлива, а также потерь тепла через корпус.

Преимущества и недостатки

Преимущества использования тоннельной печи в сравнении с тупиковым типом устройства для выпечки:

• масса;
• тепловая инерционность;
• уровень производительности.

Недостатки использования тоннельной печи в сравнении с тупиковым типом устройства:

• высокие затраты энергии;
• амортизационные отчисления;
• высокие затраты на ремонт.

Преимущества использования тоннельной печи для хлеба следующие:

• поточность производственного процесса (массовое производство хлеба и других кондитерских изделий);
• механизация тестовых заготовок;
• автоматизация выгрузки готовой продукции;
• максимально благоприятное распределение теплоты за счет воздействия нескольких точек тепла;
• контроль за уровнем влажности и теплом автоматический;
• можно наблюдать за протекающим процессом, обеспечивая дополнительный контроль.

Реактивные печи, чертежи изделий

Печки-ракеты подразделяются на переносные и стационарные. Первые устройства меньше по размерам и имеют более простую конструкцию. Она напоминает перевёрнутую букву «Г». В нижнюю перекладину закладывается топливо. Благодаря вертикальной форме основной части возникает естественная тяга.

Фото 1. Чертёж и готовый вариант металлической печи-ракеты с указанием размеров, вид слева и сверху.

По мере повышения температуры устройство работает всё эффективнее. Его мощности хватает, чтобы быстро нагреть воду для приготовления еды на нескольких человек. Чтобы дрова не прогорели слишком быстро, нужно регулировать тягу в печи. Для этого прикрывают или закрывают полностью топливную дверцу.

Переносные реактивные печи выпускаются серийно. Наиболее популярны модели «Робинзон» и «Огниво». Благодаря простоте конструкции их можно сделать самостоятельно.

Стационарные устройства устроены несколько сложнее. В колпаке воздуховодные каналы сделаны таким образом, что нагретый воздух сперва поднимается вверх. Передавая тепло внутренним стенкам, он постепенно опускается вниз. Затем проходит в дымоход, расположенный в нижней части.

Фото 2. Чертёж ракетной печи, изготовленной из кирпича и металлической бочки. Стрелками показаны части устройства.

Такая печь довольно экономичная в использовании, так как в ней происходит сжигание не только дров, но и пиролизных газов. Дымоходный канал печи иногда не выводят из помещения сразу, а проводят внутри лежанки, сделанной из кирпича и/или глины. Такая лежанка нагревает помещение до комфортной температуры. Сама же конструкция изготавливается из труб большого диаметра, бочки или кирпича.

Важно! Устройство нуждается в предварительном прогреве перед топкой. Сначала зажигают бумагу, газету или ещё что-то быстро воспламеняющееся. И только в прогревшуюся топку укладываются дрова

И только в прогревшуюся топку укладываются дрова.

Печь-ракета длительного горения из кирпича

Поскольку кирпич аккумулирует тепло, такие устройства хорошо подходят для обогрева помещений. С учётом длительности горения, одной закладки топлива хватает на 6—8 часов поддержания комфортной температуры.

Иногда печь делается полностью кирпичной. Только фурнитура (дверцы) потребуется стальная или чугунная. В других случаях внешняя часть печного колпака делается из бочки или широкой трубы.

Внимание! Кирпичная печь требует отдельного фундамента, не связанного с тем, который строится для самого здания. Желательно планировать его расположение до начала строительства

Устройство из трубы с водяным контуром, схема

Конструкция печи сваривается из железных труб разных диаметров.

Если предполагается отапливать небольшое помещение, колпак печи можно сделать из отработанного газового баллона.

В доме более внушительных размеров для этих целей подойдёт железная бочка.

Если на дымоходе печи установить водяной контур, то можно получить котёл длительного горения, который будет хорошо отапливать помещение.

Водяной контур обычно изготавливается из газовых баллонов.

«Робинзон»

Это простая и надёжная походная печь. Она способна довольно быстро (за 10 минут) вскипятить литр воды. При этом подкладывать дрова не потребуется.

Конструкция была разработана ещё в прошлом веке, но благодаря своим достоинствам используется до сих пор. «Робинзон» выпускается серийно, но его несложно собрать и самостоятельно.

«Огниво»

Такая печь похожа на предыдущий вариант. Но топочная камера в ней короче и расположена под более тупым углом по отношению к дымоходу. Такая печка напоминает по форме перевёрнутую букву «Г».

Тигельные печи с транзисторным преобразователем

Применяют для ограниченного веса цветных металлов. Они мобильные, имеют небольшой вес и с легкостью переставляются с места на место. В комплектацию печи входит высоковольтный транзисторный преобразователь универсального действия. Позволяет подобрать мощность, рекомендуемую для подключения в сети, а соответственно ей тип преобразователя, который необходим в этом случае с изменением параметров веса сплава.Транзисторная индукционная печь широко применяется для металлургической обработки. С ее помощью нагревают детали в кузнечном деле, закаляют металлические предметы. Тигли в транзисторных печах выполняют из керамики или графита, первые предназначены плавить ферромагнитные металлы, такие как чугун или сталь. Графит устанавливается для плавления латуни, меди, серебра, бронзы и золота. На них плавят стекло и кремний. Алюминий хорошо плавится посредством чугунных или стальных тиглей.