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