Индустриални пещи

Индустриалните пещи са затворени съоръжения, предназначени да осигурят топлинна енергия за редица форми на термична обработка. Пещите, използвани като реактори, и топилните пещи изискват много високи температури и могат да създават ерозивни или корозивни условия. За процесите на формоване като коване, щамповане, валцуване, пресоване, огъване, екструдиране и т.н., също са необходими високи температури, за да се постигне изменение на кристалните структури. Такива процеси са например дисперсионното втвърдяване, отгряването, закаляването, синтероването и др. Индустриалните процеси, при които се използват ниски температури, включват сушене, нанасяне на покрития, полимеризация и др.

Индустриалните пещи се класифицират спрямо използвания източник на топлина, целта на нагряване на материала, характера на топлообмена, метода на горене, експлоатационния режим и типа на възстановяване на топлинната енергия.

Топлинни източници

Топлинната енергия се генерира в индустриалните пещи, за да се повиши температурата до ниво над необходимото за провеждане на конкретния процес или чрез изгаряне на гориво, или чрез преобразуване на електрическа енергия в топлина. Най-широко се използват пещите на гориво. Електрическите се използват, когато предлагат предимства, които невинаги могат да бъдат измерени спрямо цената на горивото.

Характерът на горивото може да бъде предпоставка за различна конструкция на индустриалните пещи, но това не е проблем при съвременните съоръжения и горелки, освен ако не става въпрос за твърди горива. Свързани с това основи за класификация на пещите могат да бъдат позицията на горивната зона и начините за насочване на продуктите към нея.

Електрическите пещи за индустриални цели могат да работят на принципа на съпротивително или индукционно нагряване. Пещите със съпротивителното нагряване често са свързани с най-високите разходи за електроенергия и могат да се нуждаят от вентилатори, които да осигурят равномерното температурно разпределение, което обикновено се постига при горенето в пещи на гориво. За съпротивителните елементи в електрическите индустриални пещи се използват различни материали – най-често Ni-Cr сплав под формата на навита лента/тел или лети зигзагообразни решетки (предимно за конвекция). Други материали за съпротивителните елементи са стопено стъкло, графит, силициев карбид и др. В някои случаи е възможно подгряваният товар също да се използва като съпротивителен елемент.

При индукционното налягане електрически ток преминава през намотка, която обгражда предвидения за нагряване детайл. Честотата на тока зависи от масата на нагрявания детайл. Индукционните намотки обикновено са с водно охлаждане, за да не се стигне до прегряване. Въпреки че за индукционното нагряване се използва по-малко електроенергия в сравнение със съпротивителното нагряване, част от ползите се губят поради разходите за водно охлаждане и свързаната с него загуба на топлина. Технологията на индукционно нагряване лесно може да бъде адаптирана за нагряване на определена зона от всеки детайл, както и за масово производство.

Сравнително нови разработки в областта са използването на плазмена дъга, лазери, радиочестотното, микровълновото и електромагнитното нагряване, както и прилагането на тези технологии в комбинация с изгарянето на гориво.

Топлообмен

При повечето индустриални пещи нагряваните материали не трябва да влизат в контакт с пламъка и продуктите на горенето, тъй като съществува риск от влошаване на качеството на продукцията. В такива случаи материалите се нагряват или в затворен муфел, или посредством излъчвателни тръби, които капсулират пламъка и продуктите на горенето.

Муфелът може да бъде изработен от стоманена сплав или керамика с висока температурна устойчивост. Съвременните пещи с излъчвателни тръби за материали, които се нуждаят от специална атмосфера при нагряване, се конструират с газонепропусклив корпус, обграждащ огнеупорната облицовка. Това позволява цялата пещ да бъде запълнена с предварително подготвена газова смес. Топлината се осигурява чрез тръбни излъчватели или електросъпротивителни елементи.

Метод на горене

Според този параметър пещите се делят на такива с директно горене, горно запалване, долно запалване и нагряване с тръбни излъчватели. Методът на директното горене се смята за най-разпространен, особено за приложения, изискващи температури над 650°C, за което допринасят и непрекъснатите подобрения по отношение на конструкцията и управлението на газовите и маслените горелки. При пещите с горно запалване горелките са разположени на покрива на пещта и са подредени по начин, гарантиращ постигане на най-доброто температурно разпределение. Пещите с долно запалване са отлично решение за приложения, при които температурата варира от 400 до 1000°C, тъй като нагряваният продукт е защитен от изгарящото гориво. Температурата и атмосферата могат да бъдат строго следени и контролирани, но трябва да се има предвид, че стойността на максималната температура се ограничава от устойчивостта на огнеупорните материали.

Днес много пещи се проектират за експлоатация със специална защитна атмосфера и включват тръбни излъчватели, чрез които се избягва всякакъв контакт с горивните газове. Тези тръби, обикновено изработени от топлоустойчиви стоманени сплави, могат да бъдат разположени хоризонтално над и под нагрявания материал или вертикално по страничните стени на индустриалната пещ.

Възстановяване на топлината

Повечето технологии за възстановяване на топлинната енергия са насочени към оползотворяване на отпадната топлина от димните газове. Форми на възстановяване на топлинната енергия могат да бъдат предварително подгряване на горивния въздух, горивото или товара, както и рекуперативни и регенеративни котли, както и такива, работещи с отпадна топлина.

Предварителното подгряване на горивния въздух се осъществява чрез рекуператори и регенератори. Рекуператорите представляват топлообменници, чрез които топлината от горещите димни газове се отдава на студения горивен въздух. Регенераторите са съоръжения, които временно съхраняват топлината от димните газове в огнеупорни материали или метал със значителна топлопоглъщаща повърхност. Топлопоглъщащите елементи влизат в контакт с постъпващия поток от студен горивен въздух, отдавайки съхраняваната в тях топлинна енергия.

В миналото регенеративните индустриални пещи са били под формата на много мащабни структури, включващи както самата пещ, така и регенератор, който в много случаи е с по-големи размери от пещния участък. Днес регенерацията се осъществява предимно чрез цялостни модули от регенератори и горелки, работещи по двойки.

Поддръжка

В случай че индустриалните пещи работят правилно, е нормално те да са обект на износване, като възможностите за ограничаването му не са много. С регулярна поддръжка и предприемане на превантивни мерки обаче пещта може да продължи да функционира нормално и ефективно. Благодарение на това времето за престой с цел основен ремонт се свежда до минимум, а производителността се подобрява.

Причините за изпълняване на програма за превантивна поддръжка на една индустриална пещ са много, като се започне с потенциала да се идентифицират неизправности преди да се превърнали в предпоставка за основен ремонт или продължително спиране на оборудването. Разходите за основен ремонт или цялостна подмяна на оборудването са високи, но превантивната поддръжка може да предотврати влошаването на състоянието на пещта. Рутинната поддръжка, която може да включва инспекция на електронните системи и лагерите, изпитвания за течове и др., дава възможност да не се допусне възникването на по-сериозни проблеми.

Програмата за регулярна превантивна поддръжка е разумна инвестиция, тъй като в рамките на експлоатационния живот на индустриалната пещ тя ще спомогне за финансови спестявания не само от ремонт, но и от загуба на продукция при спиране на оборудването. Нормалната работа на индустриалните пещи осигурява постоянство в качеството на крайните продукти и минимизира необходимостта от преработка на детайлите. При експлоатация на пещта с възможно най-висока ефективност могат да се реализират и енергийни спестявания.

Най-често изпълняваните услуги по превантивна поддръжка на индустриални пещи включват рутинни инспекции на всички износващи се компоненти, като облицовката, филтрите, лагерите и горивната система. Други елементи на превантивната поддръжка могат да бъдат тестове за течове, калибриране, изпитвания за безопасност. Тези дейности ще гарантират не само безпроблемното функциониране на системата, но и безопасността на персонала.

Често се смята, че когато една пещ не работи ефективно, се налага подмяна на горивната система. В много случаи обаче проблемът се крие в недобро калибриране на оборудването и съоръженията могат да заработят отново на пълен капацитет след обслужване в продължение на няколко дни. Сред признаците, че една индустриална пещ се нуждае от техническа поддръжка са: понижение на ефективността и увеличена консумация на гориво; спад в производителността; чести неизправности на горелките; течове на газ или въздух; загуба на налягане или свръхналягане в пещта; наличие на студени зони или загуби на топлина; анормални вибрации на двигатели.

Случва се индустриални пещи да работят с остарели системи за предварително смесване и с изолация с влошено качество, което е изключително опасно за персонала. В такива ситуации е необходимо да се прибегне към техническо обслужване, в рамките на което да се извърши оценка на статуса на съоръжението. Някои от индикаторите, че една индустриална пещ се нуждае от обновяване на горивната система или системата за управление са липса на съответствие със стандартите за безопасност, нужда от внедряване или подобряване на системата за събиране на данни, необходимост от увеличаване на капацитета на съоръжението с цел ускоряване на процеса. Изолацията на индустриалните пещи следва да бъде подменена при наличие на повредени участъци или загуби на топлина, както и при признаци, че поради непрекъснат режим на експлоатация изолацията може да се разпадне изцяло.

За разлика от предходните два разгледани случая, необходимостта от цялостна подмяна на индустриалната пещ обикновено се оказва по-очевидна за операторите.

Сред факторите, индикиращи нужда от подмяна, са: разходите за обновяване или ремонт са подобни на тези за закупуване на нова пещ; системата е толкова остаряла, че подмяната й би донесла огромни оперативни подобрения; изолационната система не може да бъде подменена, без да се предприемат и други модификации в пещта; при авария, след която пещта не може да бъде ремонтирана или поправянето й е възможно, но е прекалено скъпо. Подмяна на пещта е необходима и когато техническите й спецификации вече не отговарят на изискванията на продукта и всяко обновяване с цел постигане на съответствие с новите параметри е физически невъзможно. Пример за това може да е изискване за по-високи температури при смяна на крайния продукт.