Металлургическая теплотехника

 
 
 
 
 
И. Е. Илларионов,   В. Ф. Пестриков  , И. А. Стрельников 
 
 
 
 
 
 
 
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ  
ТЕПЛОТЕХНИКА 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
1 

 
УДК 669:621.1 
ББК 31.31+34.3 
И44 
 
 
 
Рецензенты: 
канд. техн. наук, доц. В. А. Мишин (ЧПИ(ф) МГМУ); 
канд. техн. наук, доц. В. А. Тарасов 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Илларионов, И. Е.  
И44  
Металлургическая теплотехника : учебное пособие / И. Е. Илларионов, В. Ф. Пестриков , И. А. Стрельников. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 176 с. : ил., табл.  
ISBN 978-5-9729-2009-9 
 
Рассматриваются конструкции и принципы действия основных  
литейно-металлургических и термических печей, тепловая работа печей 
при горении топлива, механика печных газов, оборудование для сжигания топлива и утилизации теплоты, теплостойкие и теплоизоляционные 
материалы. 
Для студентов I–IV курсов, обучающихся по направлению бакалавриата «Металлургия» и «Машиностроение», и магистрантов. 
 
УДК 669:621.1 
ББК 31.31+34.3 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-2009-9 © Илларионов И. Е.,  Пестриков В. Ф. , Стрельников И. А., 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Предисловие ................................................................................... 6 
Глава 1. Печи черной и цветной металлургии  
в литейно-металлургических и машиностроительных  
производствах 
................................................................................. 7 
1.1. Основные понятия металлургической теплотехники ........... 7 
1.2. Основные элементы и зоны печей .......................................... 7 
1.3. Основные показатели работы печей ....................................... 9 
1.4. Классификация печей по принципу получения теплоты 
.... 13 
1.5. Классификация по технологическому принципу ................ 15 
1.6. Топливные печи 
...................................................................... 16 
1.7. Характеристика теплообменных процессов  
в пламенных печах ........................................................................ 18 
1.7.1. Мартеновский процесс ..................................................... 19 
1.7.2. Газовые отжиговые печи 
.................................................. 22 
1.8. Печи металлургии с полной или частичной  
теплогенерацией за счет выгорания примесей металла 
............. 25 
1.9. Электрические печи ............................................................... 29 
1.9.1. Дуговые плавильные печи ............................................... 32 
1.9.2. Индукционные тигельные плавильные печи 
.................. 36 
1.10. Нагревательные и термические электрические печи ........ 39 
1.10.1. Электрические печи для термообработки .................... 41 
1.10.2. Особенности тепловой работы печей  
сопротивления ............................................................................. 42 
1.10.3. Буквенно-цифровое обозначение электрических  
печей 
............................................................................................. 43 
Глава 2. Принципы расчета рациональных режимов  
и продолжительности нагрева и расплавления металла 
..... 45 
2.1.Тепловые зоны проходных нагревательных печей .............. 45 
2.2. Внешний и внутренний теплообмен при нагреве  
твердых материалов в печах-теплообменниках ......................... 47 
2.3. Специфика теплообмена при фазовых превращениях  
в материалах 
................................................................................... 54 
2.4. Порядок расчета нагрева металла в печах ........................... 56 
2.4.1. Прогреваемая толщина металла ...................................... 57 
2.4.2. Принципы и методика расчета нагрева металла 
............ 60 
3 

 
2.4.3. Нагрев тонких тел ............................................................. 62 
2.4.4. Нагрев массивных тел ...................................................... 63 
 
Глава 3. Топливо и теория горения ......................................... 65 
3.1. Классификация топлива. Состав топлива  ........................... 65 
3.2. Состав твердого и жидкого топлива ..................................... 69 
3.3. Состав газообразного топлива .............................................. 71 
3.4. Удельная теплота сгорания топлива 
..................................... 72 
3.5. Энергетическое топливо и процессы горения ..................... 76 
3.6. Свойства жидкого и газообразного топлива 
........................ 78 
3.6.1. Основные свойства топочных мазутов ........................... 78 
3.6.2. Свойства газообразного топлива ..................................... 80 
3.7. Общая характеристика процессов горения .......................... 81 
3.7.1. Тепловая теория горения 
.................................................. 84 
3.7.2. Цепная теория ................................................................... 85 
3.7.3. Характеристики пламени ................................................. 87 
3.8. Расчеты горения топлива ....................................................... 91 
3.8.1. Определение расхода кислорода (воздуха)  
для горения твердого или жидкого топлива 
............................. 92 
3.8.2. Определение расхода кислорода (воздуха)  
для горения газообразного топлива .......................................... 94 
3.9. Определение объема и состава газообразных продуктов  
сгорания 
.......................................................................................... 95 
3.9.1. Определение объема и состава газообразных  
продуктов при горении твердого и жидкого топлива ............. 95 
3.9.2. Определение объема и состава газообразных  
продуктов при горении газообразного топлива ....................... 96 
3.9.3. Материальный баланс горения топлива ......................... 98 
3.10. Температура горения топлива ............................................. 99 
3.11. Тепловой баланс и расход топлива ................................... 101 
3.11.1. Статьи приходной части теплового баланса .............. 102 
3.11.2. Статьи расходной части теплового баланса ............... 103 
 
Глава 4. Статика и динамика газов ....................................... 107 
4.1. Понятие о механике газов. Законы движения газов  
и жидкостей 
.................................................................................. 107 
4.2. Определение давлений 
......................................................... 109 
4.3. Уравнение Бернулли ............................................................ 110 
4 

 
4.4. Дросселирование газов ........................................................ 111 
4.5. Эжектирование газа 
.............................................................. 116 
 
Глава 5. Общие сведения о топливосжигающих  
устройствах, их классификация ............................................. 118 
5.1. Устройства для сжигания газа (горелки) 
............................ 118 
5.2. Устройства для сжигания жидкого топлива (форсунки) 
..... 121 
5.3. Устройства для сжигания твердого топлива 
...................... 122 
 
Глава 6. Утилизация теплоты отходящих газов ................. 124 
6.1. Методы утилизации теплоты .............................................. 124 
6.1.1. Утилизация теплоты отходящих дымовых газов  
с возвратом части их теплоты в печь ...................................... 124 
6.1.2. Утилизация теплоты отходящих дымовых газов  
без возврата ее в печь ............................................................... 125 
6.1.3. Утилизация конвертерных газов ................................... 126 
6.2. Теплоутилизационные устройства 
...................................... 128 
6.2.1. Регенеративные теплообменники 
.................................. 128 
6.2.2. Рекуперативные теплообменники ................................. 130 
 
Глава 7. Огнеупорные и теплоизоляционные  
материалы, строительные элементы печей ......................... 136 
7.1. Классификация и общие свойства огнеупоров 
.................. 136 
7.2. Физические свойства огнеупоров ....................................... 139 
7.3. Рабочие свойства огнеупорных материалов ...................... 143 
7.4. Огнеупорные материалы, применяемые в металлургии ..... 147 
7.5. Теплоизоляционные материалы 
.......................................... 151 
7.6. Неформованные материалы 
................................................. 156 
7.7. Металлические материалы .................................................. 158 
7.8. Нагреватели сопротивления ................................................ 159 
Контрольные вопросы 
.............................................................. 162 
Тестовые задания ...................................................................... 164 
Список рекомендуемой литературы 
...................................... 172 
 
 
 
 
 
5 

 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Изучение процессов нагрева и расплавления металлов и 
сплавов в плавильных печах, сушки компонентов присадок и 
флюсов в сушильных установках, гидродинамических режимов 
движения расплавленных металлов и сплавов, механики движения газов по вентиляционным системам, стойкости конструкционных материалов литейного оборудования, конструкционных 
расчетов тепловых балансов и тепловых потоков в плавильных 
печах и литейных формах предшествует изучению такой важной 
для бакалавра и магистранта дисциплины, как термическая обработка, и прохождению производственной и преддипломной 
практик.  
В учебном пособии, состоящем из семи глав, рассмотрены: 
механика движения жидкостей и газов в печах, тепловые процессы в производстве и обработке металлов и сплавов в печах; 
топливо и его горение; огнеупорные и теплоизоляционные материалы; конструкции печей, используемых в основных переделах черной и цветной металлургии. 
Для лучшего освоения дисциплины студент должен ответить на контрольные вопросы и выполнить тестовые задания. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
6 

 
Глава 1 
 
ПЕЧИ ЧЕРНОЙ И ЦВЕТНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ  
В ЛИТЕЙНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ  
И МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВАХ 
 
1.1. Основные понятия металлургической 
теплотехники 
 
Металлургическая теплотехника изучает общие вопросы 
тепловой работы печей различного назначения и конструкций: 
энергетическую сущность работы печей, многообразие технологических процессов, совершающихся в печах. 
Теоретическим фундаментом общей теории является физика 
(главным образом тепловая), физическая химия, термодинамика, 
механика жидкости и газов и учение о тепло- и массообмене. 
Общая теория печей исходит из того, что исключительное 
многообразие печей по типам, размерам и назначению может 
быть, учитывая энергетическую сущность их работы, заменено 
весьма ограниченным числом типовых моделей, рассматривая 
которые возможно установить основные особенности конструкции и эксплуатации. 
Оборудование, в котором рабочим видом энергии является 
теплота, называется теплотехнологическим оборудованием. Печи различных конструкций и назначения являются наиболее 
важным видом теплотехнологического оборудования. 
Тепловые агрегаты – важнейшая составляющая оборудования современных литейно-металлургических и машиностроительных предприятий. Производство огнеупорных и строительных материалов, чугуна, стали, проката, а также функционирование литейных, кузнечных, термических цехов машиностроительных заводов невозможно без использования современных 
металлургических печей. 
 
1.2. Основные элементы и зоны печей 
 
Печь – огражденное от окружающего пространства тепловое 
технологическое оборудование, в котором происходит генерация 
7 

 
теплоты из того или иного первичного вида энергии и передача 
теплоты материалу, подвергаемому тепловой обработке в технологических целях (плавлению, нагреву, сушке, обжигу и т. д.). 
В печах протекает комплекс явлений, сопровождающих получение теплоты, ее преобразование и использование для осуществления технологического процесса. Совокупность этих явлений получило название тепловой работы печей. Элементы печей: 
1) рабочее пространство, представляющее собой камеру 
той или иной конфигурации, огражденную огнеупорной футеровкой; 
2) устройства, обеспечивающие генерацию тепловой энергии (топки, горелки, форсунки, электронагреватели и т. д.); 
3) устройства для удаления продуктов сгорания (дымовые 
каналы, отсечные клапаны, дымовые трубы и др.); 
4) устройства для использования теплоты отходящих газов (регенераторы, рекуператоры, котлы-утилизаторы и др.); 
5) механическое оборудование (устройства загрузки, транспортировки и выгрузки материала, открытия и закрытия рабочих окон и т. д.). 
Печь как тепловой агрегат состоит из двух зон: зоны технологического процесса (ЗТП) (основная) и зоны генерации теплоты (ЗГТ) (вспомогательная). 
Зона генерации теплоты предназначена для создания определенных энергетических условий в зоне технологического процесса. 
Осуществление технологического процесса будет возможно, если в ЗТП возникает необходимое количество теплоты. 
Эффективность протекания процессов в ЗТП зависит от 
равномерности распределения в ней тепловой энергии. Процессы, обеспечивающие возникновение теплоты в ЗТП, называются 
определяющими. А процессы, от которых зависит распределение 
теплоты в ЗТП, называются определяемыми. 
Характер определяющих и определяемых процессов может 
быть различным; это могут быть как процессы переноса теплоты или электроэнергии, так и процессы переноса массы, неразрывно связанные с возникновением и переносом теплоты. 
Когда возникновение теплоты в ЗТП зависит от передачи 
теплоты из зоны ее генерации, этот процесс и является опреде8 

 
ляющим, а печи, работающие по такому режиму, называются 
печами-теплообменниками. 
Если теплота возникает непосредственно в ЗТП, печи с таким режимом работы называются печами-теплогенераторами. 
Таким образом, печами-теплообменниками называют печи, 
в которых генерация теплоты из первичного вида энергии осуществляется в отдельной зоне (зоне генерации теплоты) и ход 
процесса определяется передачей теплоты в зону технологического процесса. 
Печами-теплогенераторами называют печи, в которых теплота генерируется непосредственно в зоне технологического 
процесса. 
Существуют также смешанные режимы тепловой работы 
печей, при таком режиме возникновение теплоты в ЗТП определяется в различных пропорциях генерации теплоты в этой зоне, 
и процессами переноса теплоты. 
 
1.3. Основные показатели работы печей 
 
Температурный и тепловой режимы, коэффициент полезного теплоиспользования и производительность – наиболее 
важные показатели, характеризующие работу печи. 
Температура печи – важный теплотехнический показатель 
ее работы. В топливных печах в состоянии взаимного теплообмена находятся пламя (раскаленные газы), металл, кладка, которые имеют различную температуру. Температура всей печи не 
определяется каким-то одним из этих значений температуры, а 
имеет усредненное значение, применительно к которому обычно 
и используют термин «температура печи». 
Температура зависит от следующих факторов: 
– температура горения топлива; 
– характер потребления теплоты; 
– тепловые потери, свойственные печи данной конструкции. 
Ориентировочно определить действительное значение температуры печи Тд можно по приближенному соотношению 
 
 
Тд = ȘТк,  
(1.1) 
9 

 
где Тк – калориметрическая температура горения топлива;  
Ș – пирометрический коэффициент, зависящий от конструкции 
печи и изменяющийся обычно в пределах 0,65–0,80. 
Температура печи зависит прежде всего от ее назначения и 
может изменяться во времени и пространстве печи. 
Изменение температуры печи во времени называется температурным режимом печи. 
Печи, температура которых не изменяется со временем, 
называются печами постоянного действия (например, методические печи). Печи с переменной во времени температурой – 
печами периодического действия (печи с выкатным подом). 
Изменение температуры в пространстве и по длине печи 
также может иметь различный характер. Нагревательные печи, в 
которых температура по всему пространству приблизительно 
одинакова, называют камерными. Печи с изменяющейся по 
длине температурой называются методическими. 
Работа печи определяется количеством теплоты, поступившей в нее. Количество теплоты, которую подают в печь в каждый данный момент времени, называют тепловой нагрузкой. То 
наибольшее количество теплоты, которое печь может нормально (без недожога топлива в рабочем пространстве) усвоить, 
называют тепловой мощностью. 
Тепловой режим печи представляет собой изменение тепловой нагрузки во времени. 
Тепловой режим теснейшим образом связан с температурным режимом. Печи периодического действия, работающие с 
переменной во времени температурой, имеют переменную во 
времени тепловую нагрузку, тогда как печи постоянного действия работают при неизменной тепловой нагрузке. 
В зависимости от характера технологического процесса и 
условий его осуществления (периодический или непрерывный) 
возможны различные сочетания температурного и теплового 
режимов: 
1. Практически постоянные во времени температурный и 
тепловой режимы (Tп(IJ) = const; Qт.м(IJ) = const) – печи непрерывного действия, например методические нагревательные печи 
в установившемся режиме. 
10