Расчет и конструирование нагревательных устройств

А. Г. Ксенофонтов 

Расчет 

и конструирование 

нагревательных 

устройств 

Допущено Учебно-методическим объединением вузов 
по университетскому политехническому образованию 

в качестве учебника для студентов 

высших учебных заведений, обучающихся по направлениям 
150200 «Машиностроительные технологии и оборудование» 

и 150400 «Технологические машины и оборудование» 

2-е издание, исправленное

Москва 2014

УДК 621.78.04 (075.8)
ББК 31.391
К86

Рецензенты:
кафедра материаловедения и технологии конструкционных материалов
МГИУ (заведующий кафедрой д-р техн. наук, проф. А.Д. Шляпин);
кафедра материаловедения и технологии новых материалов МГУПИ
(заведующий кафедрой канд. техн. наук, доц. Д.К. Фигуровский)

Ксенофонтов А. Г.
К86
Расчет и конструирование нагревательных устройств : учеб. для
вузов / А. Г. Ксенофонтов. – 2-е изд., испр. – М. : Изд-во МГТУ
им. Н. Э. Баумана, 2014. – 503, [1] с.  : ил.

ISBN 978-5-7038-3808-2

Изложены устройства различных печей, применяемых в машиностроительном производстве для термической и химико-термической обработки изделий.
Рассмотрен порядок расчета и проектирования печей, включая алгоритмы
решения ряда технологических и конструкторских задач. Описаны специфические узлы и детали печей, а также материалы, используемые при создании
термического оборудования. Приведены методы, способы и установки непечного нагрева. Освещены вопросы эксплуатации печей, рассмотрены опасные
и вредные для окружающей среды факторы, влияние которых может быть
минимизировано еще на стадии проектирования нового оборудования термических цехов.
Для студентов технических вузов, обучающихся по специальностям «Машины и технологии литейного производства», «Машины и технология обработки металлов давлением», «Металлургические машины и оборудование»,
«Материаловедение в машиностроении». Может быть полезен инженерам-технологам, работникам служб главных металлурга, механика и энергетика при
решении цеховых задач.

УДК 621.78.04 (075.8)
ББК 31.391

© Ксенофонтов А.Г., 2012
© Ксенофонтов А.Г., 2014,
с изменениями
© Оформление.
Издательство МГТУ
ISBN 978-5-7038-3808-2
им. Н.Э. Баумана, 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .    8

Введение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.
СПОСОБЫ ТЕПЛОГЕНЕРАЦИИ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.1. Теплогенерация за счет электроэнергии  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.1.1. Теплогенерация в рабочем теле при приложении к нему
разности потенциалов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.1.2. Теплогенерация в рабочем теле, находящемся в переменном электромагнитном поле  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.2. Теплогенерация за счет горения топлива  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.2.1. Химический состав топлива  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.2.2. Теплотворная способность топлива  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.2.3. Расчет процесса горения  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.2.4. Расчет потерь теплоты вследствие химической неполноты
сгорания  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.2.5. Краткие сведения о некоторых видах топлива  . . . . . . . . . . . . 36
Вопросы для самопроверки  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Дополнительная литература  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2.
ОСНОВЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.1. Общие понятия и определения  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.2. Теплопроводность  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.2.1. Коэффициент теплопроводности  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.2.2. Дифференциальное уравнение теплопроводности  . . . . . . . . 48
2.2.3. Передача теплоты теплопроводностью при стационарном
режиме  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.2.4. Теплопроводность при нестационарном режиме  . . . . . . . . . 53
2.3. Конвективный теплообмен  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.3.1. Основные понятия и определения  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.3.2. Дифференциальные уравнения конвективного теплопереноса  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.3.3. Применение теории подобия при изучении процессов теплоотдачи  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.4. Тепловое излучение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
2.4.1. Основные понятия и определения  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
2.4.2. Основные законы лучистого теплообмена  . . . . . . . . . . . . . . . 82
2.4.3. Теплообмен излучением системы тел в прозрачной среде  . . . 87
2.4.4. Использование экранов для защиты от излучения  . . . . . . . . 91
2.5. Сложный теплообмен  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Вопросы для самопроверки  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Дополнительная литература  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

3.
ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ТЕРМИЧЕСКИХ  ПЕЧЕЙ  . . . . . . . . . . . . . . 96
3.1. Требования, предъявляемые к термическим печам  . . . . . . . . . . . . 96
3.2. Классификация термических печей  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.2.1. Классификация по виду энергоносителя  . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.2.2. Классификация по температуре  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.2.3. Классификация по конструктивному признаку  . . . . . . . . . . . 101
3.2.4. Классификация по использованию различных технологических сред  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.3. Маркировка термических печей  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.4. Печи периодического действия немеханизированные  . . . . . . . . . . 106
3.4.1. Камерные печи с неподвижным подом  . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.4.2. Шахтные печи  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
3.4.3. Печи-ванны  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
3.5. Печи периодического действия механизированные  . . . . . . . . . . . . 127
3.5.1. Камерные печи с выдвижным подом  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
3.5.2. Элеваторные печи  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.5.3. Колпаковые печи  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
3.5.4. Печи с передвижной камерой нагрева  . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
3.5.5. Печи с вращающейся ретортой  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
3.5.6. Механизированные печи-ванны  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
3.6. Печи непрерывного действия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
3.6.1. Конвейерные печи  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
3.6.2. Печи с подвесным конвейером  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
3.6.3. Толкательные печи  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
3.6.4. Туннельные печи  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
3.6.5. Печи с наклонным подом  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
3.6.6. Рольганговые печи  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
3.6.7. Печи с шагающим подом  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
3.6.8. Печи с пульсирующим подом  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
3.6.9. Карусельные печи  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
3.6.10.Барабанные печи  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
3.6.11.Протяжные печи  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
3.6.12.Башенная печь  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
3.7. Вакуумные печи  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
3.8. Рециркуляционные нагревательные установки типа ПАП  . . . . . . . 187
Вопросы для самопроверки  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
Дополнительная литература  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191

4.
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПЕЧЕЙ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
4.1. Порядок расчета и проектирования печей  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
4.2. Выбор типа печи  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
4.3. Обоснование выбора топлива и расчет процесса горения
топлива  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
4.4. Определение основных размеров печи  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
4.5. Составление эскиза печи  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
4.6. Определение стоимости печи и нагрева  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209

Оглавление

4.7. Окончательное оформление проекта . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
4.8. Расчет капитальных вложений и эксплуатационных расходов  . . . . 212
4.9. Определение экономически эффективного варианта  . . . . . . . . . . . 216
Вопросы для самопроверки  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
Дополнительная литература  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217

5. НАГРЕВ И ОХЛАЖДЕНИЕ  САДКИ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
5.1. Цикл обработки садки  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
5.2. Теплотехнические характеристики садки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
5.3. Определение тепловой массивности садки  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
5.4. Продолжительность нагрева теплотехнически тонкой садки
в печи периодического действия  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
5.5. Продолжительность нагрева теплотехнически массивной садки
в печи периодического действия  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
5.6. Особенности нагрева изделий в печах непрерывного действия  . . . . . 235
5.7. Скоростной нагрев в печах  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
5.8. Продолжительность охлаждения садки, находящейся в печи  . . . . . . . 240
Вопросы для самопроверки  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
Дополнительная литература  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244

6. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ПЕЧИ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
6.1. Статьи прихода теплоты в тепловом балансе топливной печи  . . . . 246
6.2. Статьи расхода теплоты в тепловом балансе топливной печи  . . . . 247
6.3. Особенности расчета теплового баланса электрических печей  . . . . 268
6.4. Расчет теплового баланса печей-ванн  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
Вопросы для самопроверки  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
Дополнительная литература  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272

7.
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ УЗЛОВ И ДЕТАЛЕЙ ТЕРМИЧЕСКИХ
ПЕЧЕЙ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
7.1. Огнеупорные материалы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
7.1.1. Классификация огнеупорных материалов  . . . . . . . . . . . . . . . 274
7.1.2. Свойства огнеупоров  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
7.1.3. Физико-химические свойства системы SiO2 – Al2O3  . . . . . . . . . . 283
7.1.4. Характеристика и область применения огнеупоров  . . . . . . . 285
7.1.5. Огнеупорные растворы, массы, обмазки и бетоны  . . . . . . . 298
7.1.6. Выбор огнеупоров для промышленных печей  . . . . . . . . . . . 300
7.2. Теплоизоляционные материалы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
7.3. Футеровочные материалы для термических печей с контролируемой атмосферой  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
7.4. Металлические материалы для нагревательных элементов . . . . . . . 305
7.5. Неметаллические материалы для нагревательных элементов  . . . . . 306
7.5.1. Карбид кремния  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
7.5.2. Дисилицид молибдена  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
7.6. Тугоплавкие металлы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
7.7. Другие металлы и сплавы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
7.8. Прочие материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312

Оглавление

Вопросы для самопроверки  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
Дополнительная литература  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315

8.
КОНСТРУКЦИИ И РАСЧЕТ УЗЛОВ И ДЕТАЛЕЙ ПЕЧЕЙ  . . . 316
8.1. Нагреватели электропечей  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
8.1.1. Размещение металлических нагревателей  . . . . . . . . . . . . . . . . 318
8.1.2. Неметаллические нагреватели  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
8.1.3. Металлические нагреватели закрытого типа  . . . . . . . . . . . . . 325
8.1.4. Расчет нагревательных элементов электропечей  . . . . . . . . . . 328
8.1.5. Расчет нагревателей из дисилицида молибдена  . . . . . . . . . . . 343
8.1.6. Расчет карборундовых нагревателей  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
8.1.7. Нагреватели для вакуумных печей  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
8.1.8. Расчет электродов печей-ванн  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
8.1.9. Расчет закрытых нагревателей печей-ванн с внутренним
обогревом  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
8.2. Топливосжигающие устройства топливных печей  . . . . . . . . . . . . . . 355
8.2.1. Форсунки  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
8.2.2. Горелки  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
8.2.3. Радиационные трубы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
8.3. Печные механизмы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
8.3.1. Механизмы подъема и опускания дверец печей  . . . . . . . . . . 365
8.3.2. Механизмы подъема и отката крышек шахтных печей  . . . . . 368
8.3.3. Транспортирующие механизмы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
8.4. Огнеупорная кладка, детали и арматура печей  . . . . . . . . . . . . . . . . 386
8.4.1. Фундаменты печей  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
8.4.2. Металлические каркасы печей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
8.4.3. Кладка печей  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
8.4.4. Окна, проемы, отверстия  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
8.4.5. Жароупорные детали  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
8.5. Электрооборудование  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
8.6. Тип вентилятора и его выбор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
8.7. Газопроводы и воздухопроводы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
8.8. Выбор и расчет песочных затворов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405
8.9. Особенности конструкций деталей и узлов печей с искусственной
атмосферой  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
8.10. Особенности конструкций деталей и узлов вакуумных печей  . . . 409
8.11. Тепловая изоляция вакуумных электропечей сопротивления  . . . . 410
Вопросы для самопроверки  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
Дополнительная литература  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413

9.
МЕТОДЫ НЕПЕЧНОГО НАГРЕВА ДЕТАЛЕЙ  . . . . . . . . . . . . . . . 415
9.1. Индукционный нагрев  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417
9.1.1. Установки для нагрева токами высокой частоты  . . . . . . . . . . 421
9.1.2. Закалочные трансформаторы и конденсаторные батареи  . . . . 424
9.1.3. Индукторы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
9.1.4. Станки и приспособления для закалки ТВЧ  . . . . . . . . . . . . . . 430

Оглавление

9.1.5. Установки для нагрева токами низкой частоты  . . . . . . . . . . . 433
9.1.6. Расчет мощности установки и продолжительности нагрева  . . 435
9.1.7. Расчет цилиндрического индуктора  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
9.2. Непосредственный электронагрев  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443
9.2.1. Установки для непосредственного электронагрева  . . . . . . . . 444
9.2.2. Расчет установки  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446
9.3. Контактный электронагрев и расчет его параметров  . . . . . . . . . . . 449
9.4. Нагрев в электролитах  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453
9.5. Нагрев пламенем  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457
9.6. Нагрев в кипящем слое  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
9.7. Нагрев в тлеющем разряде  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464
9.8. Нагрев низкотемпературной плазмой  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
9.9. Электронно-лучевой нагрев  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470
9.10. Лазерный нагрев  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473
Вопросы для самопроверки  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476
Дополнительная литература  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477

10. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ПЕЧЕЙ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
10.1. Подготовка к пуску печи  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
10.2. Пуск печи  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482
10.3. Техническое обслуживание работающей печи  . . . . . . . . . . . . . . . . 483
10.3.1. Особенности обслуживания вакуумных печей  . . . . . . . . . . 485
10.3.2. Особенности обслуживания печей-ванн  . . . . . . . . . . . . . . . 486
10.4. Остановка печей  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487
10.5. Ремонт печи  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488
10.6. Техника безопасности и гигиена труда при работе нагревательного оборудования  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489
10.7. Опасные и вредные производственные факторы, действующие
на окружающую среду при работе нагревательных устройств  . . . 493
Вопросы для самопроверки  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494
Дополнительная литература  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494

ЛИТЕРАТУРА  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497

Оглавление

Моей любимой,
моей единственной

ПРЕДИСЛОВИЕ

Данный учебник написан с учетом многолетнего опыта преподавания автором дисциплины «Расчет и конструирование нагревательных
устройств» для студентов, обучающихся в МГТУ им. Н.Э. Баумана
по специальности 150501 «Материаловедение в машиностроении».
В программе проектно-конструкторской профилирующей подготовки данный курс является первым. Он дает сведения о термическом
оборудовании, современных методах и средствах нагрева обрабатываемых изделий и направлен на формирование профессиональ-
ных навыков специалиста. Цель курса – обучить студентов принципам практического использования знаний, приобретенных при
изучении теоретических, технологических и конструкторских общеинженерных и специальных дисциплин, для освоения методов
создания, реконструкции и технического перевооружения нагревательного оборудования в термических подразделениях машиностроительных предприятий.
Положения и методы, излагаемые в курсе, служат основой для
освоения последующих дисциплин специальности, применяются при
выполнении курсовых и дипломного проектов, а также в практической инженерной деятельности по окончании обучения.
Предыдущий учебник, полностью соответствующий программе
такого курса (Рустем С.Л. Оборудование и проектирование термических цехов), вышел в свет в 1962 г. Другие, более поздние издания, несмотря на их высокое качество, охватывают только отдельные разделы курса. Именно этим обстоятельством объясняется
необходимость создания данной книги, содержание которой базируется на практике чтения лекций, проведения семинарских и лабораторных занятий, консультирования студентов по выполнению курсовых и дипломных проектов в МГТУ им. Н.Э. Баумана, а также на
опыте работы в промышленности автора данного учебника и его
коллег.
В главе 1 описаны способы получения теплоты в термических
печах за счет использования электроэнергии и сжигания топлива;
большое внимание уделено расчетам процессов горения.

Основы теплопередачи (глава 2) изложены с позиции подготовки студентов к решению вопросов, возникающих при проектировании и ремонте печей, при организации технологических процессов
термической обработки, а также при реализации технологических
задач в термических цехах машиностроительных предприятий.
В главе 3 рассмотрены основные виды термических печей – от
простейших камерных и шахтных до вакуумных и печей аэродинамического подогрева; причем упор сделан на печь как инструмент
инженера-термиста, подбираемый или создаваемый для осуществления требуемого режима термообработки конкретного изделия.
Содержание данной главы обновлено по сравнению с существующими учебными изданиями.
В главе 4 приведена методика расчета печей, включающая все
этапы их создания – от разработки технического задания до определения цены печи и экономического эффекта от применения нового
оборудования. В таком виде и объеме данный материал излагается
в учебнике впервые.
Отдельные главы посвящены этапам проектирования нагревательных устройств, вызывающим наибольшие сложности у студентов. Глава 5, в которой рассмотрены вопросы нагрева и охлаждения
садки, завершается определением продолжительности цикла обработки садки и производительности печи. В главе 6 показан тепловой
расчет печи, в результате которого находят требуемый расход топлива для топливной печи и установленную мощность – для электрической. Специфические материалы для узлов деталей печей, прежде всего огнеупорные и теплоизоляционные, описаны в 7-й главе.
Конструкции и расчеты тех узлов и деталей печей, с которыми
студент еще не встречался на предыдущих этапах обучения, приведены в главе 8.
С развитием автоматизации производства широко используются вычислительная техника и системы управления оборудованием
и производством, что характерно и для процессов термической
обработки. Поэтому материал глав 5–8, в отличие от предшествующих учебников, дополнен не только новыми сведениями, но и алгоритмами решения наиболее трудоемких задач, в том числе в графическом виде. Автор надеется, что это облегчит студентам
понимание и использование на практике излагаемого в книге, а также окажет им существенную помощь и при изучении дисциплины,
и в дальнейшей профессиональной деятельности.
В главе 9 представлены такие методы непечного нагрева деталей, как индукционный, непосредственный, контактный и др., в том

Предисловие

числе нагрев в кипящем слое, в тлеющем разряде, низкотемпературной плазмой, электронно-лучевой, лазерный и пр. Также описаны
установки для осуществления этих методов.
В заключительной 10-й главе рассмотрены вопросы эксплуатации печей, ранее не включавшиеся в учебники по данной дисциплине: подготовка к пуску, пуск, остановка, ремонты печей. Внимание
будущих конструкторов обращено на такие вопросы техники безопасности, гигиены труда, воздействия на окружающую среду опасных и вредных производственных факторов при работе нагревательных устройств, которые могут быть решены уже на стадии
проектирования нового термического оборудования.
В программе учебной дисциплины не предусмотрено освещение
нюансов конструкции или работы конкретной печи. Кроме того, в рамках одного учебника, и так достаточно объемного, невозможно
изложить всю справочную информацию, требующуюся при расчетах и проектировании реальных нагревательных устройств. Поэтому автор счел целесообразным снабдить каждую главу списком
дополнительной литературы, которая может быть полезной и студенту, и инженеру в решении производственных задач на практике.
Учебник предназначен для студентов высших технических учебных заведений, обучающихся по конструкторским и технологическим специальностям в области литейного и металлургического производства, обработки металлов давлением, материаловедения
в машиностроении; может быть полезен инженерам-технологам, работникам служб главных металлурга, механика и энергетика при
решении цеховых задач.
Особую благодарность автор выражает кандидату технических
наук, доценту Александру Александровичу Мандрику, добровольно
взявшему на себя труд редактора на начальном и, наверное, самом
трудном этапе работы над рукописью.
Автор признателен своим первым придирчивым критикам –
коллегам по кафедре «Материаловедение» МГТУ им. Н.Э. Баумана доктору технических наук, профессору Людмиле Васильевне
Тарасенко, кандидату технических наук, доценту Равелу Сатртдиновичу Фахуртдинову и инженеру Дине Ильгизовне Гимадеевой,
оказавших неоценимую помощь в работе над книгой, а также доктору технических наук, профессору Николаю Михайловичу Рыжову
за присущую ему жесткость и бескомпромиссность в обсуждении
ряда вопросов.
За конструктивную и доброжелательную критику автор выражает глубокую благодарность рецензентам учебника – доктору тех
Предисловие

нических наук, профессору Анатолию Дмитриевичу Шляпину, кандидату технических наук, доценту Александру Михайловичу Рябышеву (Московский государственный индустриальный университет)
и доктору химических наук, профессору Александру Ивановичу Крашенинникову, а также кандидату технических наук, доценту Дмитрию Константиновичу Фигуровскому (Московский государственный
университет приборостроения и информатики).
При подготовке рукописи многое привнесли и студенты кафедры, общение с которыми заставляет постоянно думать и искать.
Немалую помощь они оказали в технической работе над книгой.
И, конечно, автор глубоко признателен всем, кто вложил свой
труд в улучшение книги на заключительном этапе ее создания –
коллективу Издательства МГТУ им. Н.Э. Баумана и прежде всего
редактору Елене Олеговне Егоровой за ценные советы, существенно повысившие качество учебника.
Автор благодарит всех, кто поддерживал его и помогал в работе над книгой и по забывчивости автора не упомянут персонально.
Критические замечания можно направлять по адресу: 105005,
Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5. МГТУ им. Н.Э. Баумана, кафедра
«Материаловедение».

Предисловие

ВВЕДЕНИЕ

Любой процесс термической обработки в общем случае состоит из трех стадий: I – нагрев до требуемой температуры T; II –
изотермическая выдержка в течение заданного времени τ; III –
охлаждение с заданной скоростью. В обобщенном виде график
изменения температуры изделия, подвергающегося термической обработке,
представлен на рис. В1. Поэтому основным оборудованием термических цехов
являются различные нагревательные
устройства, в первую очередь печи, в которых и происходит изменение температуры обрабатываемого изделия.
Печь – тепловое устройство, предназначенное для получения теплоты
и передачи ее нагреваемому материалу или изделию. О месте этого оборудования в жизнедеятельности человека говорит тот факт, что из общего
количества топлива, потребляемого
промышленностью, примерно половина расходуется на отопление различных печей.
Длительное время сооружение промышленных печей было искусством (а применительно к бытовым – во многом остается таковым и до сего дня). Основы печной теплотехники были заложены
в XVIII в. М.В. Ломоносовым, который в своем труде «Начала
металлургии» описал принципы работы самодувных печей.
Большая заслуга в области печной теплотехники и конструирования печей принадлежит В.Е. Грум-Гржимайло, который создал
теорию печей, применив законы гидравлики к движению газов в печах (1905–1912). Однако печи, построенные на принципах гидравлической теории, имели малые скорости движения газов и нагревались очень медленно.

Рис. В1. Зависимость температуры от времени в ходе
процесса термической обработки

Важную роль в интенсификации работы нагревательных печей
и разработке новой теории печей сыграли труды (1923–1930)
Н.Н. Доброхотова, впервые указавшего на тесную взаимосвязь
теплопередачи с движением газов. Советская школа М.В. Кирпичева создала новый метод исследования теплообмена на моделях.
Это значительно упростило анализ работы печей и помогло разработать наиболее эффективные конструкции. В настоящее время
методы моделирования и подобия широко применяются при расчетах нагрева и охлаждения тел и в других разделах теплотехники.
В области исследования процессов теплопередачи большую
работу по расчету теплопередачи излучением в рабочем пространстве печей провели советские ученые Б.В. Старк, В.Н. Тимофеев,
Г.П. Поляк, И.М. Рафалович и др. Академик М.А. Михеев обобщил исследования в области теплопередачи соприкосновением –
конвекцией. В области теории распространения теплоты теплопроводностью следует отметить работы советских (Г.П. Иванцов,
Н.Ю. Тайц, И.Д. Семеникин и др.) и немецких (Г. Гребер, А. Шак
и др.) ученых, послужившие основой для расчета нагрева слитков
и заготовок в печах.
Существующая в настоящее время общая теория печей изучает горение (тепловыделение), теплопередачу и движение газов. Частные теории печей соединяют положения общей теории печей с технологическим процессом, для которого предназначена печь.
В создании конструкций электрических печей и нагревательных
устройств приоритет принадлежит русским ученым и инженерам.
В.В. Петров открыл световое и тепловое действие электрического
тока (1802), положив начало изучению электрического нагрева.
В 1906–1907 гг. А.Н. Лодыгин разработал ряд конструкций электропечей для переплавки и термообработки металлов. В 1913–1914 гг.
на Путиловском заводе инженером А.Н. Королевым была построена промышленная электропечь для нагрева под закалку артиллерийских снарядов.
В 1930–1935 гг. советскими учеными разработаны принципиально новые методы нагрева с использованием теплового действия
электрического тока: способ контактного электронагрева (Н.В. Гевелинг); индукционный нагрев токами высокой частоты (В.П. Вологдин); контактный способ нагрева в электролитах (И.З. Ясногородский, 1938 г.).
После Второй мировой войны появились новые методы электрического нагрева: в кипящем (псевдоожиженном) слое, в тлеющем разряде, лазерный, плазменный, электронным пучком и др.

Введение

Для массового производства потребовалось создание механизированных и автоматизированных печных агрегатов. Стали широко
применять защитные атмосферы для получения светлой закалки
и светлого отжига, а также вакуум.
Печная теплотехника развивается на основе многих наук. Горение топлива и взаимодействие печных газов с нагреваемым металлом относятся к физико-химическим процессам. Для расчетов процессов теплопередачи и нагрева металла требуются глубокие знания
физики, термодинамики и математики. Конструирование печных
механизмов невозможно без изучения теоретической механики и сопротивления материалов. Не зная электротехники, нельзя понять
теоретические основы процессов электронагрева металла. И уж,
конечно, невозможно создавать оборудование для термообработки,
не овладев теорией и технологией термической и химико-термической обработки металлов.
Проектирование печей ведется в таких организациях, как Институт «Стальпроект», ОАО «Гипромез», ВНИПИ Теплопроект.
Проектирование электротермического оборудования осуществляют специализированные институты: ЗАО «ВНИИЭТО» и ФГУП
«ВНИИТВЧ». Исследованием тепловой работы печей и процессов, происходящих в них, занимаются ОАО «ВНИИМТ» и другие
организации.

Введение

1. СПОСОБЫ ТЕПЛОГЕНЕРАЦИИ

В термических нагревательных устройствах используют два
способа теплогенерации (получение теплоты из других видов энергии): за счет электроэнергии и за счет горения топлива, т. е. использования химической энергии топлива. При выборе способа получения теплоты необходимо сопоставлять преимущества и недостатки
применения электроэнергии и топлива.

1.1. Теплогенерация за счет электроэнергии

Область науки, рассматривающая вопросы превращения электрической энергии в тепловую, называется электротермией. Электротермические установки (ЭТУ) используются в черной и цветной
металлургии, в литейном производстве, при обработке металлов
давлением, в процессах термической обработки, пайки, резки, сварки металлов и неметаллов, сушки и клейки дерева и пластмасс, для
стерилизации пищевых продуктов, получения особо чистых полупроводников, выращивания кристаллов и т. д. Столь широкое применение ЭТУ свидетельствует о большом значении электротермических процессов в деятельности различных предприятий.
Однако электроэнергия является одним из самых дорогих видов
энергии, поэтому ее применение должно быть обоснованно и учитывать все преимущества перед химической энергией топлива, к которым относятся:

возможность получения более высоких температур;

обеспечение более высокой производительности ЭТУ благодаря большей скорость нагрева;

несложное регулирование и поддержание температуры в ЭТУ;

возможность полной автоматизации ЭТУ и создания автоматических линий;

отсутствие влияния источника нагрева на атмосферу рабочего пространства и, следовательно, возможность проводить нагрев
в любой атмосфере, в жидкой среде или вакууме;