Начинът, по който газовата пещ предава топлината от пламъка към работното натоварване, определя качеството на продукта, енергийната ефективност и обхвата на процесите, които пещта може да извършва. Трите основни подхода – директно нагряване, индиректно нагряване с муфел и лъчиста тръба – имат своето място и изборът на грешен за приложението води до проблеми с качеството, прекомерни разходи за енергия или и двете.
MONTE INTELLIGENCE доставя газови пещи и в трите конфигурации. Тази статия сравнява конструкциите по критерии, които са важни за операциите по термична обработка.
Пещите с директно горене изгарят природен газ (или друг горивен газ) директно в пещната камера, а продуктите от горенето - пламъкът и горещите димни газове - влизат в директен контакт с работното натоварване. Горелките се запалват в камерата, горещите газове циркулират около работното натоварване (задвижвани от естествена конвекция или рециркулационни вентилатори), а отработените газове излизат през комин. Това е най-простата и енергийно ефективна конфигурация, тъй като няма бариера между източника на топлина и работното натоварване - цялата енергия от горенето е налична за нагряване на работното натоварване, с изключение на осезаемата топлина, отвеждана в димните газове.
Ограничението на директното нагряване е, че работното натоварване е изложено на горивната атмосфера. Продуктите от горенето съдържат въглероден диоксид (CO2) и водна пара (H2O) - и двете от които се окисляват до стомана при температури на термична обработка. Стоманата, нагрята в пещ с директно нагряване, ще развие оксиден слой (окалина) на повърхността си. За много приложения - предварително нагряване на коване, нормализиране, облекчаване на напрежението, отгряване преди машинна обработка - това е приемливо, защото слой ще бъде отстранен при последваща обработка или не е вредно за продукта.
Директното нагряване не е приемливо, когато качеството на повърхността е от решаващо значение. Карбуризацията, нитрирането на повърхността, блестящото закаляване и всеки процес, изискващ специфичен въглероден потенциал, не може да толерира неконтролираната атмосфера от продукти на горенето. За тези приложения продуктите на горенето трябва да бъдат отделени от работното натоварване, което води до конфигурации с непряко нагряване.
Пещите с индиректно нагряване използват муфел - топлоустойчива сплав или керамична обвивка, която разделя горивната камера от работната камера. Горелките горят извън муфела, нагрявайки стената на муфела, която от своя страна излъчва топлина към работното натоварване вътре. Вътре в муфела се поддържа контролирана атмосфера - ендотермичен газ, азот-водород и др. - за защита на работното натоварване. Продуктите от горенето никога не влизат в контакт с работното натоварване.
Муфелът е определящият компонент на този тип пещ. За температури до около 950°C, муфелът може да бъде изработен от топлоустойчива сплав — обикновено RA330, Incoloy 800HT или лята високоникелова сплав — с проектен живот от 3-5 години. За по-високи температури, до 1150°C, се използват силициево-карбидни муфели, но те са крехки и по-скъпи. Муфелът представлява значителен капиталов разход — обикновено 15-25% от общата цена на пещта — и евентуалната му подмяна е основен разход за поддръжка.
Енергийният недостатък на муфела е спадът на температурата по стената на муфела. За да се загрее работната камера до 850°C, температурата в горивната камера трябва да е по-висока — обикновено 950-1050°C — за да се осигури движещата сила за топлопренос през муфела. По-високата температура в горивната камера означава по-висока температура на димните газове и по-големи топлинни загуби, което намалява топлинната ефективност на пещта с 10-20% в сравнение с еквивалентна пещ с директно нагряване.
Лъчистото тръбно отопление е вариант на концепцията за индиректно нагряване, която се е превърнала в стандарт за непрекъснати пещи, включително пещи с мрежеста лента. Вместо един голям муфел, пещта използва множество лъчисти тръби - запечатани легирани тръби, които преминават през камерата на пещта. Горелката гори вътре в тръбата, продуктите от горенето преминават през тръбата (често с вътрешна рециркулация за подобряване на равномерността на топлопреминаването) и се изпускат в противоположния край. Външната повърхност на тръбата излъчва топлина към работното натоварване.
Лъчистите тръби предлагат няколко предимства пред единична муфелна система. Тръбите могат да бъдат разположени така, че да осигуряват по-равномерно нагряване - обикновено в редове над и под работното натоварване - в сравнение с муфелна система, която нагрява предимно отстрани и отгоре. Отделните тръби могат да бъдат отстранени и подменени без отваряне на пещната камера, което намалява времето за престой поради поддръжка. Диаметърът на тръбата е достатъчно малък (обикновено 100-200 мм), така че дебелината на стената може да бъде умерена (5-8 мм), като същевременно осигурява адекватна механична якост и устойчивост на корозия.
Най-разпространеният дизайн на радиантната тръба е U-образната: горелката гори в единия крак на U-образната тръба, горивните газове се придвижват до затворения край и се връщат през другия крак към изпускателната система. Тази конструкция осигурява добър топлопренос, тъй като високотемпературният пламък е в единия крак, а по-хладните изгорели газове - в другия, което води до по-равномерна температура на повърхността на тръбата, отколкото при директна конструкция. W-образните тръби и едностранните рекуперативни тръби (SER тръби) се използват за приложения, изискващи по-високо отделяне на топлина на тръба.
Изборът на материал за тръбите зависи от температурата на пещта. За температури до 950°C, тръбите от лята сплав HK-40 (25% Cr, 20% Ni) или HP (25% Cr, 35% Ni) осигуряват адекватен експлоатационен живот. За по-високи температури или за атмосфери, съдържащи карбуризиращи газове, които могат да причинят метален прах, са необходими сплави с по-високо съдържание на никел или керамични тръби (силициев карбид). Животът на тръбите при типична термична обработка варира от 2 до 5 години, като режимите на повреда включват пълзене (от дългосрочно излагане на висока температура под собственото тегло на тръбата), окисляване (изтъняване на стената на тръбата от страната на горенето) и карбуризация (абсорбция на въглерод, която прави тръбата крехка).
MONTE INTELLIGENCE препоръчва конфигурацията за нагряване въз основа на температурата на процеса, изискванията за атмосферата, обема на производство и капиталовия бюджет. За приложения за предварително нагряване и нормализиране на коване, директното нагряване осигурява най-доброто съотношение цена-качество. За термична обработка в контролирана атмосфера, конструкциите с лъчиста тръба или муфел се определят въз основа на геометрията на пещта и работната температура.
За препоръки относно конфигурацията на газова пещ, специфични за вашия процес, се свържете с helenxu@cnlymonte.com.
