Производство практически каждого промышленного изделия связано с плавлением, рафинированием, сушкой, варкой, выпечкой, активизацией химических реакций или другими операциями, требующими нагревания на определенной стадии изготовления этого изделия. Промышленные печи являются нагревательными устройствами, применяемыми для таких операций. Они часто очень схожи по конструкции, но имеют различные названия в зависимости от назначения в разных отраслях промышленности. Например, камерная печь, работающая на топливе или электроэнергии и применяемая для термической обработки стали, может использоваться для обжига или глазурования таких керамических изделий, как фарфор; в этом случае она будет называться обжиговой печью.

Некоторые виды обжиговых печей (т.е. горны) сконструированы только для обжига кирпича и не применяются в других отраслях промышленности. Вращающаяся обжиговая печь представляет собой длинный вращающийся цилиндр, в котором подача топлива производится с нижнего конца, а загрузка - с верхнего; эта печь применяется в нескольких отраслях промышленности и везде называется вращающейся обжиговой печью.

Для всех печей промышленного назначения характерно то, что они имеют камеру с регулируемым нагревом до определенной температуры.

Промышленные печи и горны, работающие при довольно высоких температурах, а также коксовые печи обычно имеют внутреннюю облицовку (футеровку) из жаропрочной керамики или других материалов, называемых огнеупорными. В печах, работающих при повышенных температурах, для лучшей теплоизоляции используют теплоизолирующие огнеупоры, в печах, у которых рабочая температура не слишком высока, применяют неогнеупорные теплоизоляционные материалы.

Огнеупорными называются изделия, способные противостоять нагреву, эрозии, абразивному износу и химическому воздействию. К ним относятся кирпич, керамика специальных профилей, гранулат, формованные пластмассовые изделия, применяемые как установочная арматура, материалы, которые при смешивании с водой могут заливаться в заданное место, подобно бетону, и прочие. Для кладки из огнеупоров используют специальные растворы и цементы.
Материалы, из которых изготовляют огнеупоры, выбирают в соответствии с их физическими и химическими свойствами. Например, современные процессы производства стали требуют применения основного шлака для адсорбирования примесей, удаляемых из расплавленного металла в процессе рафинирования. Такие печи должны иметь основную футеровку, чтобы исключить реакцию с основным шлаком, которая способна привести к быстрому разрушению футеровки.

Основными огнеупорами являются хромовые, хромомагнезитовые, магнезитохромовые, магнезитовые, доломитовые и глиноземные; их свойства определяются входящими в их состав оксидами хрома, магния, кальция и алюминия.

Кислым огнеупорным материалом является динас, основу которого составляет диоксид кремния. Многочисленные огнеупорные материалы изготовляют из огнеупорных глин (алюмосиликатов). Уголь и графит используют в качестве огнеупоров, когда нельзя применять другие огнеупоры.

Нагревание в печи происходит за счет сжигания топлива (твердого, жидкого или газообразного), виды которого приводятся ниже, в разделе «Обычные источники тепла». Источником тепла может быть электроэнергия, генерируемая нагревательными элементами или электрической дугой и в редких случаях электромагнитной индукцией, микроволновым и ИК-излучением. В табл. 1 дана классификация электрических печей по принципу нагревания со специальной ссылкой, касающейся их применения при производстве стали.

Перспективным в сталеплавильном производстве является кислородно-конверторный процесс; тепло, необходимое для получения стали из жидкого чугуна и стального лома в конверторе, выделяется при химических реакциях, происходящих при окислении углерода и примесей кислородом, подводимым к поверхности расплава; при этом исключена необходимость во внешнем источнике тепла (рис. 1).

Типы промышленных печей. Промышленные нагревательные устройства могут быть периодического или непрерывного действия. В нагревательных устройствах периодического действия партию материала помещают в печь и нагревают в течение определенного времени до необходимой температуры (должен быть равномерный нагрев); после этого материал либо извлекают из печи для дальнейшей обработки, либо, прекращая нагрев, охлаждают вместе с печью. Нагревательные устройства непрерывного действия оснащены транспортером, при помощи которого изделия загружают в печь, затем они проходят через нагревательную камеру и выводятся из нее.

Ниже перечислены некоторые основные операции, выполняемые в промышленных печах. Дистилляторы и другие виды нагревательных аппаратов, используемые в химической и нефтеперегонной промышленности, не упоминаются в данном подразделе, хотя многое из указанного ниже применимо также и к этим аппаратам.

Операции, выполняемые в печах:

а)    плавление и восстановление, плавление и/или рафинирование, термическая обработка (за исключением плавления) (рис. 2), пайка твердыми и мягкими припоями, нагрев для горячей обработки изделий, обогрев котлов и сжигание отходов и мусора;

б)    производство цемента, обжиг глины, производство керамических изделий (кирпич, черепица, огнеупоры и т.д.);

в)    сушка (удаление влаги) и вулканизация, выпечка, декорирование, сушка окрашенных изделий. 
 

Таблица 1. Классификация электрических печей по принципу нагревания

А. Электропечи сопротивления

1.    Косвенный нагрев. Ток пропускают через нагревательные элементы, имеющие большое сопротивление, которые выделяют тепло, нагревающее металл в печи за счет излучения и конвекции. Эти печи используют для термической обработки и поддержания температуры расплавленного металла, но не для плавки стали.

2.    Прямой нагрев. Ток от низковольтных трансформаторов пропускают через нагреваемую сталь. Применяют для нагревания стали при горячей обработке давлением; для плавки стали не используют.

3.    Индукционный нагрев. Ток в стали наводится с помощью переменного магнитного поля:

а)    низкочастотные индукционные печи. Используется принцип трансформатора. При этом металл, находящийся в печи, играет роль вторичной обмотки, а катушка с железным сердечником образует первичную обмотку;

б)    высокочастотные и среднечастотные индукционные печи. Ток высокой или средней частоты проходит через катушку, внутри которой помещен тигель с металлом.

Б. Дуговые электропечи

1.    Дуговые электропечи косвенного нагрева. Металл в печи нагревается электрической дугой, возникающей между двумя электродами при пропускании переменного электрического тока; электроды располагают над металлом. Печи могут быть стационарными, качающимися или вращающимися:

а)    однофазные печи:

-    вращающиеся печи с горизонтальными электродами;

-    печи специального назначения;

б)    двухфазные печи:

-    с прямой дугой; для производства стали не применяют;

-    с отклоненной дугой; для производства стали не применяют;

в)    трехфазные печи:

-    с прямой дугой; для производства стали не применяют;

-    с отраженной дугой; для производства стали не применяют.

2.    Дуговые электропечи прямого нагрева. Дуга образуется между электродами и металлом, находящимся в печи:

а)    дуговые электропечи постоянного тока. Принцип дуги постоянного тока используется в электродуговых печах с расходуемыми электродами;

б)    многодуговые электропечи переменного тока. Ток проходит от одного электрода через дугу к металлу в печи, затем через металл, а от него к другому электроду. Несмотря на возможность применения однофазного, двухфазного и трехфазного тока, для производства стали используют чаще всего трехфазный ток;

в)    дуговые электропечи переменного тока с одной дугой. Ток проходит от одного электрода через дугу и металл к электроду, расположенному в нижней части печи. Можно использовать однофазный, двухфазный и трехфазный ток.

3.    Комбинированные печи (печь сопротивления в сочетании с электродуговым прямым нагревом). Ток проходит от электрода через дугу к металлу в печи, через этот металл к подине и выводится из печи через токопроводящую подину. Металл в печи нагревается за счет температуры дуги и тепла, выделяемого огнеупорным материалом подины в результате его сопротивления прохождению электрического тока. В таких печах применяют двух- или трехфазный переменный ток.

Обычные источники тепла. К числу наиболее распространенных источников тепла относятся:

а) газообразное топливо-природный и искусственный газы (генераторный, водяной, карбюраторный, каменноугольный, нефтяной, переработанный природный, бутан и пропан);

б) сопутствующие газы-доменный, коксовый и нефтяной (получаемый при перегонке нефти);

в)  жидкое топливо-нефть, каменноугольная смола и пек;

г) твердое топливо-уголь (кусковой или пылевидный), полукокс, кокс, древесный уголь, бурый уголь и торф;

д) электроэнергия-электрическая дуга, элементы сопротивления, индукция, микроволны и ИК-излучение.

Уход за печами. Промышленные печи должны обладать достаточной прочностью. У высокотемпературных печей кирпичная кладка поддерживается стальной рамой, а в некоторых случаях печь имеет стальной кожух. Многие промышленные печи имеют тепловую изоляцию, которая обеспечивает сохранение тепла, защиту рабочей зоны вблизи печи от теплового излучения, а также предназначена для безопасности.

Все промышленные печи подвергают профилактическому осмотру через определенные периоды для выявления прогрессирующих разрушений, которые могут привести к аварийному выходу печи из строя.

Оборудование для транспортировки материалов (краны, транспортеры, толкатели, подовые ролики и т.д., а также их приводы) должно быть сконструировано таким образом, чтобы оно могло выдерживать требуемые нагрузки (а иногда и перегрузки-при аварийных ситуациях) при минимальном уходе, не считая регулярных проверок и профилактических мероприятий.

Средства автоматизации, которые регулируют подачу электроэнергии, топлива и воздуха с целью обеспечения заданной температуры, следует поддерживать в хорошем состоянии и проверять через небольшие промежутки времени.