Печь может быть определена как устройство, в котором происходит образование тепла из какого-либо вида энергии и передача его нагреваемому материалу. Нагрев материала преследует различные технологические цели: плавление, термическую обработку, нагрев перед обработкой давлением, сушку и т. д., но во всех случаях главными процессами, определяющими конструкцию и работу печей различного технологического назначения, являются: превращение энергии в тепло и передача тепла материалу. Исключительно большое многообразие применяющихся в промышленности печей вызывает необходимость их классификации. В основу классификации должен быть положен процесс или признак, наиболее существенно определяющий работу конструкцию печи.

Проф. М. А. Глинковым сформулированы основные положения общей теории тепловой работы печей, в соответствии с которой все печи разделяются на две основные группы: печи-теплогенераторы и печи-теплообменники.

В печах-теплогенераторах выделение тепла происходит в самом нагреваемом или расплавляемом материале за счет протекающих в нем экзотермических химических реакций или за счет подвода к нему электрической энергии. К ним относятся конвертеры, индукционные печи и те печи сопротивления, в которых тепло выделяется в самом изделии при протекании по нему электрического тока. Внешний теплообмен, т. е. теплообмен с окружающей средой, не играет в этих печах существенной роли.

В печах-теплообменниках тепло, выделяющееся в печи, передается обрабатываемому материалу. В зависимости от способа передачи тепла режимы работы печей-теплообменников разделяются и рассматриваются по признаку теплообмена в рабочем пространстве. Теплообмен является главным процессом, общим для всей этой группы печей и определяющим их производительность.

Внешний теплообмен, т. е. передача тепла к поверхности материала, осуществляется либо излучением (что соответствует радиационному режиму работы), либо конвекцией (конвективный режим работы печей). Особое место занимают печи, в которых происходит нагрев и плавление сыпучих материалов (вагранка) и где разделить передачу тепла излучением и конвекцией невозможно. Теплообмен в таких печах выделяется в самостоятельный режим, называемый слоевым. Как уже упоминалось, все подвергаемые нагреву тела могут быть разделены на тонкие и массивные, причем мерой тепловой массивности тела, определяющей величину перепада температур по его сечению, служит величина критерия Био. Установлено, однако, что определяющую роль при нагреве тонких и массивных тел играет внешний теплообмен, что позволяет все возможные режимы работы печей разделить на три группы.

Подобное деление не исключает рассмотрения печей со смешанным режимом; существуют печи, в которых тепло частично подводится к обрабатываемому материалу извне (т. е. из рабочего пространства), а частично выделяется в нем самом. В таких печах сочетаются черты печей-теплообменников и печей-теплогенераторов. В большей части печей-теплообменников теплообмен излучением сопровождается передачей тепла за счет конвекции, причем доля конвективного теплообмена может быть сравнительно велика, особенно при вынужденном движении газов. Соответственно в печах с конвективным режимом работы в общей передаче тепла всегда имеет место некоторая доля лучистого теплообмена.

Однако в подавляющем большинстве случаев можно выделить преобладающий процесс: либо процесс тепловыделения, либо процесс теплообмена, в котором доминирует тот или иной вид передачи тепла. Это позволяет осуществить приведенное выше разделение печей на печи-теплогенераторы и печи-теплообменники, а в печах-теплообменниках выделить преобладающий способ передачи тепла и соответственно установить режим тепловой работы.

Такое разделение является научно обоснованным, так как оно проводится по главным признакам, характеризующим работу печей. Принятое разделение печей позволяет осуществить анализ их тепловой работы, установить основные принципы расчета и наметить пути повышения производительности.

Классификацию многочисленных конструкций печей целесообразно проводить по тому признаку, от которого она (конструкция) зависят в наибольшей мере. Таким признаком является способ выделения тепла в рабочем пространстве печи (или в отдельном отопительном устройстве). Исходя из этого, различают две большие группы печей: топливные и электрические.

В топливных печах химическая энергия топлива (твердого, жидкого или газообразного) при его сжигании превращается в тепло. Сжигание топлива осуществляется с помощью топливосжигающих устройств, конструкции которых являются общими для различных топливных печей и рассмотрены поэтому в отдельной главе (гл. VI). Топливные печи, применяющиеся в машиностроении, относятся к печам-теплообменникам. Тепло, выделяющееся при сжигании топлива, тем или иным образом передается к поверхности нагреваемого материала. В зависимости от способа передачи тепла в топливных печах может осуществляться преимущественно радиационный или конвективный режим.

Так, если преобладает передача тепла излучением, то режим работы печей будет радиационным. К печам с радиационным режимом работы относятся практически все плавильные топливные печи (мартеновская печь, печи для плавки чугуна и цветных металлов), а также большая часть нагревательных печей, используемых для нагрева черных металлов перед обработкой давлением и термической обработкой.

Если преобладает передача тепла конвекцией, то режим работы печей соответствует конвективному. К печам с конвективным режимом относятся некоторые нагревательные печи (для нагрева цветных металлов и сплавов), все сушильные установки, где в качестве сушильного агента используются дымовые газы и воздух, а также ванные печи.

В электрических печах электроэнергия превращается в тепло, которое передается нагреваемому материалу. Известен ряд методов превращения электроэнергии в тепловую энергию, существенно различающихся между собой и накладывающих отпечаток на конструкцию печей и режим теплообмена в их рабочем пространстве. Устройства для превращения электрической энергии в тепло тесно связаны с конструкцией печи и являются обычно ее неотъемлемой частью. Поэтому они рассматриваются в разделах, посвященных описанию конструкций соответствующих электрических печей. Различают электронно-лучевые печи, дуговые печи, индукционные печи и печи сопротивления.

В электронно-лучевых печах электрическая энергия превращается в тепловую за счет столкновения электронного потока, ускоренного в вакууме, с поверхностью твердого тела. Эти печи применяются в основном для плавления особо чистых тугоплавких металлов.

В дуговых печах электрическая энергия превращается в тепло в дуге, горящей в газовой среде или в вакууме. Дуговой разряд в печах прямого действия (с зависимой дугой) протекает между электродами и самим нагреваемым металлом. Эти печи используются для выплавки и расплавления стали и чугуна. В печах косвенного действия (с независимой дугой) разряд протекает между электродами на некотором расстоянии от металла и тепло передается к его поверхности за счет излучения. Печи этого типа применяются в основном для плавления цветных металлов. В дуговых печах преобладает передача тепла излучением расплавляемому материалу от дуги. Эти печи относятся к печам-теплообменникам с радиационным режимом тепловой работы.

В индукционных печах электрическая энергия превращается в тепло в твердых или жидких телах, помещенных в переменное магнитное поле, за счет возникновения в них вихревых токов (в металлах) или за счет диэлектрических потерь. Индукционные печи и установки высокой частоты без сердечника применяются для плавления стали, чугуна и цветных металлов, для поверхностной термической обработки стальных изделий, а также для нагрева диэлектриков (сушка т. в. ч.). Индукционные печи промышленной частоты со стальным сердечником используются для плавления цветных металлов и нагрева изделий кольцеобразной формы. В этих печах тепло выделяется в самом обрабатываемом материале, и они относятся к печам-теплогенераторам.

В печах сопротивления электрическая энергия превращается в тепловую при протекании тока через проводники, непосредственно включенные в электрическую цепь. Эти печи делятся на две группы.

Печи прямого действия, где само нагреваемое изделие служит сопротивлением, включающимся в электрическую цепь, и нагревается протекающим через него током. Эти печи являются печами-теплогенераторами, и внешний теплообмен в них практически отсутствует.

Печи косвенного действия — это печи, где тепло выделяется в специальных нагревательных элементах и от них передается нагреваемому материалу излучением или конвекцией. Эти печи являются печами-теплообменниками.

В соответствии с этим печи сопротивления косвенного действия могут быть разделены на печи с преимущественно радиационным или конвективным режимом тепловой работы.

К печам, в которых осуществляется преимущественно радиационный режим теплообмена, относятся печи для плавления легких металлов и сплавов и нагревательные печи, используемые для самых различных целей при нагреве обрабатываемого материала до температуры свыше 900—1000° К.

К этой группе печей могут быть отнесены также сушильные установки с инфракрасными излучателями (лампами накаливания).

К печам с преимущественно конвективным режимом работы относятся низкотемпературные нагревательные печи (с рабочей температурой до 800—900° К), где доля лучистого теплообмена невелика, а также ванные печи.

В топливных и в электрических печах температура может изменяться не только во времени, но и по длине печи. Печи, температура которых не изменяется во времени, получили название печей непрерывного действия, а печи с изменяющейся во времени температурой называются печами периодического действия. В печах периодического действия нагрев материала происходит одновременно с разогревом футеровки, которая аккумулирует тепло. В этом случае требуется дополнительное количество тепла на нагрев кладки по сравнению с печами непрерывного действия. Печи периодического действия имеют обычно более или менее постоянную температуру по всему объему рабочего пространства и называются часто камерными печами.

Камерный принцип используется также и в некоторых печах непрерывного действия: температура печей остается неизменной не только по длине рабочего пространства, но и во времени.

Температура печи непрерывного действия, не изменяясь с течением времени в каждой ее точке, может изменяться по длине печи. При этом обрабатываемые изделия, перемещаясь по поду печи, попадают в зоны с различной температурой. Такие печи получили название методических печей.

В зависимости от проводимого технологического процесса в печах непрерывного действия осуществляется либо нагрев изделий до заданной температуры, либо нагрев и выдержка при этой температуре, а иногда и замедленное остывание. Поэтому, как правило, эти печи состоят из нескольких тепловых зон. Длина зоны выдержки зависит от продолжительности выдержки. В закалочных печах зона выдержки невелика, так как она служит только для выравнивания температуры по сечению нагреваемых изделий. При отжиге, требующем определенной длительности выдержки и медленного охлаждения металла, за зоной выдержки следует зона замедленного охлаждения. В зависимости от допустимой скорости охлаждения она выполняется либо теплоизолированной, либо водоохлаждаемой.

Особое место занимают шахтные (плавильные) печи, в которых осуществляется слоевой режим теплообмена. Кусковые материалы в этих печах располагаются по всему объему рабочего пространства плотным слоем и перемещаются под действием силы тяжести. Газы движутся навстречу твердому материалу — снизу вверх. К шахтным печам такого типа относится вагранка, конструкция и работа которой рассмотрены в отдельной главе.