Окисление и обезуглероживание металла

Окисление

На пути от слитка до готового изделия металл обычно несколько раз нагревается в различных печах. При высоких температурах его поверхность окисляется, и часть металла переходит в окалину.Уменьшение массы металла в результате окисления, выражен­ное в килограммах или процентах, называется угаром. В камер­ных и методических нагревательных печах нормальным считается угар стали 1—2%. Приблизительно можно считать, что около 5% общей выработки стали переходит в окалину при нагреве в различных печах. Потери стали вследствие угара составляют не меньшую величину, чем потери от коррозии.

По мере повышения температуры стали скорость окисления увеличивается и наиболее интенсивно процесс протекает при температуре выше 1000° С. Сталь образует три окисла: FeO — вюстит (температура плавления 1377° С); Fe₂0₃ — гематит (тем­пература плавления 1538° С); Fe₃0₄ — магнетит (температура плавления 1565° С). Окалина представляет собой смесь всех трех окислов, но ее средний состав приближается к Fe₃0₄.

Процесс окисления представляет собой двустороннюю диффу­зию, при которой кислород диффундирует извне к внутренним слоям стали, а железо — изнутри к наружным слоям окалины. На окисление влияет ряд факторов, основные из которых тем­пература, время нагрева, состав печной атмосферы и химический состав стали. Чем выше температура стали, тем интенсивнее окис­ление; чем быстрее идет процесс нагрева, тем оно меньше. Окисле­нию препятствует образование окалины на поверхности металла.

На рисунке приведены данные В. X. Хейлигенштедта об угаре угле­родистой стали, кг/м², в зависимости от температуры поверхности при т = 1 ч, n_в = 1.

Из приведенных данных видно, что угар стали при 800° С в 15—17 раз меньше, чем при 1350° С. Угар одинаковых изделий углеродистой стали в зависимости от времени приближенно выражается формулой У₁/У₂ =

В печных газах присутствуют газы с окислительной способ­ностью — 0₂, С0₂, Н₂0 и S0₂, с восстановительной — СО и Н₂ и нейтральные N₂. Продукты сгорания в печи создают окисли­тельную атмосферу, так как даже при полном отсутствии свобод­ного кислорода всегда в достаточном количестве присутствуют С0₂ и Н₂0. Сильно увеличивается окисление в присутствии серни­стых соединений, так как сульфиды понижают температуру плавления окалины и ускоряют диффузию. Вредное влияние серы возрастает с повышением температуры и увеличением степени окисленности печной атмосферы. Водяной пар также усиливает окисление.

Скорость окисления уменьшается с увеличением толщины окалины. Кроме количества окалины, важны ее физические свойства — плотность слоя, прочность соединения с металлом. Исследования показали, что из всех окислов железа способность прилипания свойственна лишь FeO. Кроме того, установлено, что наиболее прочно окалина прилипает при температуре ниже 1000⁰С и в мягкой стали сильнее, чем в твердой. С повышением содержания марганца прилипание ухудшается. Однако прочность сцепления окалины с поверхностью нагреваемого изделия влияет в последующем на его качество. Это особенно важно для тонко­листового производства, где окалину приходится удалять.

Диффузия кислорода в слое окалины обычно протекает значи­тельно медленнее, чем доставка кислорода к поверхности из атмо­сферы печи. Поэтому в промышленных пламенных печах скорость движения газов практически не влияет на угар металла.

На количество образующейся окалины влияет и содержание углерода в стали. Среднеуглеродистая сталь, особенно при тем­пературах термической обработки, дает меньший угар, чем сталь малоуглеродистая. Однако в присутствии серы содержание угле­рода не имеет значения. Окалина, образующаяся на высокоугле­родистой стали, содержит больше железа, чем окалина, получаю­щаяся при нагреве малоуглеродистой стали. По-видимому, углерод стали окисляется в окись углерода, которая препятствует реак­циям окисления железа. Для всех углеродистых сталей, кроме армко-железа, в интервале температур 1050—1100° С с повыше­нием температуры количество окалины, образующейся в единицу времени, уменьшается. Это объясняется эффектом обезуглерожива­ния стали.

Окислители, присутствующие в атмосфере печи, по активности располагаются следующим образом: кислород, воздух, водяной пар, углекислый газ. Очень сильно увеличивает угар сера в топоч­ных газах: 0,1% двуокиси серы в нейтральной атмосфере повы­шает угар в такой же степени, как и 1% свободного кислорода. Легирующие элементы влияют на окисление и обезуглероживание стали следующим образом. Хром противодействует сернистой кор­розии по границам зерен. На кремнистых сталях образуется плотная окалина, под которой находится окись кремния. Алюми­ний в сталях препятствует их окислению; спокойные стали, рас­кисленные алюминием, окисляются меньше, чем кипящие стали, хотя мелкозернистые стали окисляются сильнее.

Из способов уменьшения окисления металла, оправдавших себя на практике, наиболее действенны: сокращение времени нагрева и применение контролируемой защитной атмосферы.

Обезуглероживание

Одновременно с окислением железа происходит окисление углерода поверхностного слоя стали — обезуглероживание. Если скорость окисления больше скорости обезуглероживания, то обезуглероженного слоя не образуется. При большей скорости обезуглероживания под слоем окалины обнаруживается обезуглероженный слой.

Обезуглероживание вызывает изменение механических свойств. Сталь с обезуглероженной поверхностью характеризуется малой сопротивляемостью против статических нагрузок, низким преде­лом усталости и склонностью к короблению. Наиболее подвержены обезуглероживанию стали со значительным содержанием угле­рода, например инструментальные, шарикоподшипниковые и др.

Обезуглероживание режущей части изделий из инструменталь­ной стали особенно вредно, так как обезуглероженный слой не всегда можно удалить (например на сверлах). Обезуглерожива­нию способствуют водяной пар, углекислый газ, водород, кисло­род. Сущность процесса заключается во встречной диффузии обез­углероживающего газа и углерода или карбида железа Fe₃C в металле. Обезуглероживание металла, содержащего карбид железа, может идти по следующим реакциям:

Fe₃C + Н₂0 = 3Fe + СО + Н₂; Fe„C + С0₂ = 3Fe + 2CO;

2Fe₃C + 0₂ = 6Fe + 2С0; Fe₃C + 2Н₂ - 3Fe + СН₄.

В результате обезуглероживания образуется газообразный продукт, который диффундирует в обратном направлении. Наибо­лее обезуглероживающей средой служит водяной пар, затем водо­род, кислород и, наконец, двуокись углерода. Скорость диффузии зависит от разности концентраций диффундирующих веществ и константы диффузии, зависящей от температуры. С повышением температуры и содержания углерода глубина обезуглерожива­ния увеличивается.

Обезуглероживание стали зависит от времени выдержки при высокой температуре, коэффициента избытка воздуха, сорта сжи­гаемого топлива, температуры, состава стали, степени обжатия металла при обработке давлением. Минимальное обезуглерожива­ние для большинства углеродистых сталей получается в том слу­чае, когда в продуктах сгорания содержится 1—3% свободного кислорода. С этой точки зрения нагрев высокоуглеродистых и быстрорежущих сталей в печах безокислительного нагрева неже­лателен, так как в печной атмосфере присутствуют в большом количестве водород и водяной пар.

Решающее влияние на глубину обезуглероживания прокатного или тянутого металла оказывает степень обжатия. Чем больше обжатие и увеличение удельной поверхности изделия, тем меньше глубина обезуглероживания конечного продукта прокатки. Из ле­гирующих элементов обезуглероживанию способствуют алюми­ний, кобальт и вольфрам; хром и марганец задерживают обезугле­роживание. Кремний, никель и ванадий не оказывают существен­ного влияния на обезуглероживание.

При относительно большой скорости окисления металла види­мая скорость обезуглероживания уменьшается в связи с перехо­дом части обезуглероженного слоя в окалину.

Наиболее эффективными способами уменьшения обезуглеро­живания в настоящее время являются: при нагреве стали перед прокаткой — скоростной нагрев в пламенных печах, а при на­греве до 1000—1100° С — в муфельных и электрических печах с контролируемой атмосферой. В последнее время исследуется нагрев сталей в расплавленном стекле. Этот очень перспективный метод позволит защитить металл от окисления и обезуглерожи­вания почти полностью.

ТЕМПЕРАТУРА И РЕЖИМЫ НАГРЕВА

Под температурой нагрева металла обычно понимают конечную температуру его поверхности, так как ее проще определить с по­мощью оптических пирометров.

При нагреве под термообработку конечная температура нагрева целиком зависит от технологических требований, которые в свою очередь зависят от марки стали, вида и цели обработки.

При нагреве перед прокаткой и ковкой температура нагрева должна обеспечить нормальные условия пластической деформации металла. Чем выше температура стали в процессе обжатия, тем меньше сопротивление деформации и расход энергии на обработку, тем выше стойкость инструмента (валков, штампов) и производи­тельность оборудования. Во время передачи к стану или молоту и в процессе самой обработки металл остывает, поэтому темпера­тура нагрева должна быть выше температуры его обработки (В качестве этой характеристики применяют температуру конца прокатки (обычно 800—1000° С) и ковки (обычно 700—950° С). На заводах температуру про­катки часто характеризуют также температурой после второго прохода через стан, которая ниже температуры нагрева на 80—150° С). Обычно она изменяется в пределах 1150—1300° С. Нагрев до более высоких температур не применяют, так как возникает опасность перегрева и пережога металла.

Перегрев и пережог

Пластическую обработку стали осуществляют при температуре выше точки Ас_а. В этих условиях неизбежен рост зерен аустенита. При последующем медленном охлаждении крупнозернистая структура сохраняется, что приводит к ухудшению свойств стали. В процессе прокатки или ковки происходит измельчение зерен, но если процесс обработки заканчивается при температуре значи­тельно выше точки Ас₃, то металл получается крупнозернистым. Такой металл называют перегретым. Для исправления струк­туры перегретых поковок или проката необходим последующий отжиг или нормализация. Росту зерна способствуют такие эле­менты, как углерод, марганец, бор, фосфор.

При нагреве до температуры солидуса в металле появляется жидкая фаза. Практически она образуется при нагреве на 50— 100° С ниже линии солидуса, так как ликвация и неметаллические включения снижают температуру плавления на границах зерен.

Связь между зернами ослабе­вает. Кроме того, на границах зерен начинается интенсивное окисление металла. Это явле­ние называется пережогом. Пе­режженный металл при обра­ботке давлением дает трещины и пригоден только для пере­плавки.

Представление о температу­рах нагрева и пережога неко­торых сталей дает нижеприведенная таблица

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ТЕМПЕРАТУРА ПЕРЕЖОГА И МАКСИМАЛЬНАЯ ТЕМПЕРАТУРА НАГРЕВА

сталь	Температура, «С
на­грева	пере­жога
Углеродистая при со­держании С, %
1,1.......
0,9.......
0,7.......
0,5.......
0,2.......
0,1.......
Кремнемарганцевая пружинная
Быстрорежущая
Аустенитная хромоникеливая

Равномерность нагрева

Показателем равномерности нагрева является ∆t_кон — раз­ность температур поверхности и центра металла при выдаче из печи. Слишком большая разность может привести к нерав­номерной деформации при об­работке давлением.

При термообработке нагрев должен быть особенно равномер­ным. Необходимые изменения в структуре металла часто проте­кают в узком температурном интервале, поэтому А/_кон не должна выходить за пределы этого интервала.

Однако выравнивание температуры по сечению металла требует длительной выдержки или медленного нагрева, что снижает про­изводительность печей и повышает угар металла. Необходимо также учитывать, что в процессе передачи и обработки металла происходит естественное выравнивание температур как вследствие теплопроводности от наружных слоев к внутренним, так и вследствие тепловых потерь от поверхности слитка или заго­товки.

Температуру внутри металла измеряют лишь в порядке экспе­римента. Поэтому в практических условиях ∆t_кон не измеряют, а время нагрева заготовок или слитков определенных размеров и состава подбирают таким образом, чтобы при выдаче из конкретной печи достигнуть необходимой равномерности на­грева. При расчетах нагрева слитков разность температур поверхности и центра при выдаче из печи следует принимать в пределах 100— 300" С на 1 м нагреваемой толщины; при нагреве заготовок до­пустимы значительно большие значения ∆t_кон

Режимы нагрева

Режимом нагрева называют характер изменения температуры металла во времени. При нагреве под термообработку режим обычно задается из технологических соображений. При нагреве под прокатку технологические условия определяют только конеч­ные температуры. Сам процесс нагрева следует осуществлять с максимальной скоростью, так как с уменьшением времени нагрева повышается производительность печи, снижается угар и обезуглероживание металла и, как правило, удельный расход топлива. Однако иногда скорость нагрева приходится ограни­чивать в связи с опасностью перегрева поверхности и разрушения металла под действием температурных напряжений.

Температурные напряжения. Известно, что с повышением температуры тела расширяются. Если при этом отдельные части тела не могут изменять свои размеры (деформироваться) в соответ­ствии с их температурами, то возникают температурные напря­жения. При нагреве более горячие наружные слои стремятся расширяться и поэтому находятся в сжатом состоянии. Более холодные внутренние слои испытывают растягивающие усилия.

Если металл пластичен, то под действием температурных напряжений происходит его пластическая деформация, благодаря чему напряжения уменьшаются. Если металл не достаточно пла­стичен, то величина напряжений может достигнуть предела упругости, который в данном случае близок к пределу прочности, т. е. произойдет разрушение.

Сталь (за исключением некоторых специальных марок) обла­дает упругостью лишь до 500" С, а выше этой температуры пере­ходит в пластическое состояние. Для углеродистых сталей этот переход осуществляется при 400° С. Поэтому температурные напряжения представляют опасность только в начале нагрева.

Обознчения участков	Химический состав стали, %
С	Mn	Si	P	Сг	Мо
1	0,10	0,42	0,13	0,024		_
2	0,11	0,15	0,15	0,024	—	—
3	0,45	0,31	0,31	0,012	1,39	0,67
4	0,20	0,24	0,24	0,022	—	0,33
5	Низколегированная сталь
6	Относительный модуль упругости

Необходимо иметь в виду, что опасность разрушения часто усугубляется остаточными напряжениями, возникающими в том случае, если металл ранее подвергался нагреву и последующему охлаждению. При охлаждении температура наружных слоев ниже, чем внутренних. После охлаждения наружных слоев до температур, при которых металл теряет пластичность, темпера­тура внутренних слоев падает, что приводит к уменьшению их объема. В результате наружный слой испытывает сжимающие, а внутренний — растягивающие напряжения, которые не сни­маются вследствие малой пластичности холодного металла. Из ска­занного следует, что знаки напряжений, возникающих при по­вторном нагреве, и остаточных одинаковые, т. е. они склады­ваются. Особенно опасны остаточные напряжения, возникающие при затвердевании слитков. Теория температурных напряжений наиболее полно разработана Н. Ю. Тайцем. Согласно выведенным им формулам, можно определить допустимую разность температур поверхности и центра нагреваемого металла:

для пластины для цилиндра

∆t _доп==1,05 σ_доп/βE*; ∆t _доп =1,4 ∆t _доп

ДВИЖЕНИЕ ГАЗОВ В РАБОЧЕМ ПРОСТРАНСТВЕ ПЕЧЕЙ

Движение газов в печах может быть струйным, канальным, фильтрационным и циклонным. От движения газов в печах и их элементов зависят условия сжигания топлива, передача теплоты нагреваемому материалу, удаление продуктов сгорания, а иногда и протекания технологических процессов.

Струйным называется движение, которое осуществляется в результате динамического воздействия струй (истечение газа или жидкости из сопла).

Струйное движение, зависящее от расположения и направления горелок и форсунок, в рабочих пространствах печей более распространено, чем канальное (рис.I).

Струя, развивающаяся в камере (рабочем пространстве печи) размеры которой соизмеримы с поперечным сечением струи, называется полностью ограниченной. Возможны два случая: струя успевает (рис.а) и не успевает (рис.б) заполнить сечение камеры. Второй случай распространен больше. Из рис. б видно, что движущийся поток, имеющий большую кинетическую энергию, чем окружающая среда, за счет сил трения (молекулярного сцепления) увлекает окружающую среду, находящихся вблизи сопла, что приводит к снижению пьезометрического давления в этой области- возникает всасывающий эффект струи (присоединенная масса m₂, рис. б).

У выходного отверстия m₁ покидает камеру, а m₂, из-за возникновения градиента пьезометрического давления, отрывается и вновь вовлекается в движение. Возникают циркулярные зоны, образующие замкнутые контуры.

Характер струйного движения зависит от расположения входных и выходных каналов относительно поверхности (пода печи) и от угла наклона входного сопла.

Если струя направлена параллельно поверхности, расположенной на небольшом расстоянии от оси струи, то струя приобретает свойства “дальнобойности” и “настильности” (по определению В.Е. Грум-Гржимайло). Это объясняется тем, что свободная поверхность струи, вовлекающей в движение новые массы, уменьшается. Как следствие, кинетическая энергия струи расходуется медленнее, а максимум скорости приближается к плотности по мере удаления от сопла (рис. 3). Угол раскрытия “настильной” струи в вертикальной плоскости меньше угла раскрытия свободной струи, и составляет 15-16°, а в горизонтальной плоскости больше угла раскрытия свободной струи и достигает 30°. Струя, движущаяся параллельно плоскости, не оказывает на нее давления (пьезометрическое давление равно атмосферному). Более того, при больших скоростях движения газа вдоль поверхности, давления на эту поверхность со стороны газа может меньше атмосферного (жидкость в микроманометре уйдет за “нуль”).

Если струя направлена под углом к поверхности, то часть ее кинетической энергии расходуется на соударение с поверхностью и дальнобойность уменьшается. Струя оказывает давление на поверхности в зависимости от угла атаки a

где W - средняя скорость на срезе сопла, м/с;

r - плотность газа, кг/м³.

По данным В.И. Миткалинного, угол атаки a определяет и угол растекания струи по поверхности в горизонтальной плоскости b = 30° + 3a,

При нагреве или плавлении материала топливосжигающие устройства (горелки, форсунки, кислородные фурмы) располагают под определенным углом к поверхности металла (14-15° в методических печах, 90°- для кислородных фурм в сталеплавильных печах) для усиления радиационно-конвективного теплообмена. Струйное движение газов в рабочем пространстве печи почти всегда неизометрично, что обусловлено разностью температур, а следовательно, и разностью плотностей, что может влиять на движение газов и распределение давлений в рабочем пространстве.

Канальное движение такое, которое осуществляется в результате изменения потенциальной энергии потока. Например, канальное движение газов в дымовой трубе за счет уменьшения геометрического давления от основания дымовой трубы к устью, канальное движение в горизонтальном газоходе (борове) за счет уменьшения пьезометрического давления по длине.

Канальное движение, как правило, изометрическое. При анализе канального изометрического движения к потоку применимы законы, справедливые для движения несжимаемой жидкости в каналах, в том числе уравнение Бернулли.

ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ ПЕЧЕЙ

Уравнение теплового баланса можно представить в следующем виде:

Тепловая работа печей описывается рядом показателей. Наиболее важными из них являются теплотехнические характеристики коэффициент использования тепла η_кит и коэффициент полезного теплоиспользования (η_кпт), рассчитываемые по следующим формулам:

Коэффициент полезного теплоиспользования есть важней­ший показатель тепловой работы печи, он характеризует совер­шенство работы печи как теплового агрегата.

Чем выше температура нагрева топлива и воздуха при входе. в рабочие пространства, чем полнее сжигается топливо, чем меньше коэффициент избытка воздуха и чем меньше тепловые потери, тем больше η_кпт.

В случае, если Q_в=Q_т=0 то коэффициент использования тепла превращается в коэффициент использования топлива.

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ Размерность величины производительности вообще может быть различной. Обозначения Т/час, Т/сутки или кГ/час характеризуют производственную мощность, масштабы агрегата. Размерности Т/м²·сутки, Т/м²·час, кГ/м²·час, Т/м³·сутки представляют собой удельную производительность и, характе­ризуя интенсивность работы агрегата, служат для сравнения ка­чества работы однотипных печей между собой. ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ ПЕЧЕЙ   Тепловая работа печей характеризуется также следующими удельными показателями: Удельной производительностью: - напряженностью активного пода,   - коэффициент использования полезного объема печи,   - удельный расход тепла,   - удельный расход топлива,   - удельный расход условного топлива (b, кг/кг) характеризует потребности в топливе необходимого для нагрева единицы металла. Обычно эта величина определяется в условных единицах. Под условным понимается такое топливо низшая теплота сгорания которого составляет 29330 кДж/кг. , где В – расход топлива, м³/с (кг/с);  

ТЕМПЕРАТУРНЫЙ И ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМЫ ПЕЧЕЙ

Под тепловой работой печи донимается совокупность проис­ходящих в печи тепловых процессов, конечной целью которых является совершение того или иного технологического про­цесса.

время, τ

температура, t

Тепловая работа печи в наибольшей мере характеризуется и определяется ее температурным и тепловым режимами.

Графическое изображение температурного режима печи

Согласно второму закону термодинамики, движущей силой теплообменных процессов является разность потенциалов—температур. В рабочем простран­стве печей устанавливается весьма сложное поле темпера­тур в пламени, на поверхности кладки, на поверхности нагре­ва. Изменение температур того или иного поля во времени (д T/ д τ град/час) характеризует режим этого поля

Со­вокупность температурных по­лей отдельных элементов си­стемы характеризует её темпера­турное поле.

Равенство температур в си­стеме указывает на отсутствие теплопередачи и характеризует состояние термодинамического равновесия. Чем дальше система находится от этого состояния, тем в большей степени она к нему стремится и тем интенсивнее протекают теплообменные процессы.

Постоянство температурного поля системы времени (дT/дτ =0) характеризует стационарное состояние. Равенство температур в системе можно рассматривать как частный случай стационарного состояния.

Графическое изображе­ние теплового режима печи — тепловая диаграмма

Так как для существования теплообмена необходимо неравенство температур в системе, то из ска­занного непосредственно следует, что определение «температу­ра печи» является совершенно неопределенным и имеет реаль­ный смысл только для случая термодинамического равновесия, т. е. когда в печи все температуры равны и, таким образом, теплопередача отсутствует. Подобное состояние практически нереально и поэтому можно иногда говорить только о некото­ром приближении к этому состоянию.

Для некоторого упроще­ния задачи во многих случаях можно, не нарушая точности, до­статочной для технических целей, допустить постоянство темпе­ратуры в пределах отдельных элементов, образующих систему (кладка, газы, поверхность нагрева и т. д.). Дальнейшим шагом упрощения является введение условного понятия «эффективной температуры», применяемого в расчетах печей (T_эф).

Под тепловым режимом пе­чей понимается изменение тепловых нагрузок (Q_т._н., вт) во времени Q_T.H. = f(τ). Графическое изображение теплового режима — тепловая диаграмма в практику расчетов по печной теплотехнике была введена впер­вые И. Д. Семикиным применительно к мартеновским печам.

Тепловая нагрузка равняется произведению часового расхода топлива (В, кг/час, м³/час) на его теплоту сгора­ния (). Таким образом, физическое тепло топлива и воздуха, вносимое в печь или в рабочее пространство, в понятие тепловой нагрузки не входит и поэтому последняя носит несколько услов­ный характер.

Полный расход тепла на тепловую обработку материала, очевидно, будет равен

, Дж

η _кит — коэффициент использования топлива;

Q_пот — тепловые потери всех видов, за исключением потерь тепла с отходящими газами, вт;

Q_M —затрата тепла на полезную работу прогрева или плавления, вт;

Q_техн—результирующий тепловой эффект реакций, происходящих при тепловой обработке, вт.

Тепловая нагрузка, максимально возможная по условиям по­дачи топлива, воздуха для горения и тяги, называется тепловой мощностью печи.

Горизонтальной линией (MN) тепловая диаграмма (рис. 2) делится на две части. Нижняя часть характеризует расход тепла на холостой ход (Q_т.н)_хол т. е. в данном случае на поддержание печи при постоянной рабочей температуре. Верхняя часть диаграммы—дополнительный расход тепла в связи с тем, что в печи совершается полезная работа. Площадь диаграммы между кривой тепловых нагрузок и осью абсцисс представляет полный расход тепла на всю операцию, т. е. величину Q_Σ (урав­нение 15). Очевидно, средняя величина тепловой нагрузки будет равна ;

Отношение называется коэффициентом форсирования.

С точки зрения особенностей тепловой работы, возможны сле­дующие четыре варианта.

1. Работа с относительно постоянными во времени темпера­турным и тепловым режимами , на­пример методические нагревательные печи.

2. Работа с переменным температурным и относительно по­стоянным во времени тепловым режимами , например некоторые камерные сушила, печи для обжига и т.д.

3.Работа с переменными во времени температурным и тепловым режимами , например нагревательные колодцы для слитков.

4. Работа с относительно постоянным во времени темиературным и переменным тепловым режимами . Этот вариант можно представить себе лишь теоретически, но практически при установившейся работе печи он маловероятен. Напротив, при неустановившейся работе печи такое сочетание температурного и теплового режимов возмож­но достаточно часто. Принадлежность к той или иной группе определяется глав­ным образом характером технологического процесса и условия­ми его осуществления (периодический и непрерывный).

Постоянный во времени температурный режим осуществим только в печах, предназначенных для непрерывного технологи­ческого процесса со строго регламентированной работой, меха­низированной подачей и выгрузкой материалов.

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ВНЕШНЕГО ТЕПЛООБМЕНА

Расчет внешнего теплообмена сводится к определению приведенного коэффициента излучения: С_печ, С_пр или С_гкм, Вт/м²∙К⁴. При расчете теплообмена в высокотемпературных промышленных печах (t>900^oC) определяющим видом переноса теплоты от газов к металлу является излучение (радиация). Рабочее пространство таких печей заполнено газовой средой (продуктами горения), являющейся источником или посредником переноса тепловой энергии. Результирующий тепловой поток к нагреваемому металлу в печах непрерывного действия можно представить как

,

где - коэффициент излучения абсолютно черного тела;

- приведенная степень черноты.

Приведенная степень черноты рассчитываемой системы определяется по формуле В.Н. Тимофеева [4]:

где - степень развития кладки;

- степень черноты соответственно металла и продуктов горения.

Для печей со сводовым отоплением плоскопламенными горелками слой газов в зонах горения и теплообмена можно принять плоскопараллельным бесконечной протяженности. Тогда эффективная толщина слоя S_эф определяется по формуле:

Толщина слоя горения принимается в соответствии с рекомендациями [3,4] Н' = 0,05 - 0,1 м. Тогда толщина слоя теплообмена Н", с учетом толщины металла , определяется как:

где - расстояние между подом и сводом печи, м. При сводовом отоплении высоту рабочего пространства по данным работ [3, 4] можно принять в пределах 1,0 - 1,4 м.

СТЕПЕНЬ ЧЕРНОТЫ ГАЗОВ

Излучение газов отличается тремя особенностями:

излучение газов не подчиняется закону Стефана–Больцмана;

- в значительном количестве излучают и поглощают трехатомные газы, а также газы с большим числом молекул и в небольшом количестве двухатомные газы с несимметричной молекулой (СО, НСl);

- процессы излучения и поглощения газов протекают в объеме;

- излучение многоатомных газов - селективное (избирательное), т.е. спектр их излучения несплошной

Степень черноты газов (продуктов сгорания) зависит от их температуры (t_г) и парциального давления излучающих газов. В продуктах полного горения излучающими компонентами являются трехатомные газы - пары воды Н₂О и диоксид углерода СО₂. Парциальное давление излучающих газов определяют из расчета горения топлива. Например, если по расчету в продуктах сгорания содержание излучающих газов составляют СО₂=10% и Н₂О=15%, то их парциальные давления составят:

Величину эффективной длины пути луча определяют по формуле:

где V - объем, заполненный излучающим газом, м³;

F - поверхность всех “стенок”, ограничивающих этот газовый объем, м².

Отношение задают или определяют предварительно из чертежа аналогичной печи.

Далее определяют произведение ∙ S_эфф и · S_эфф и по прил. 7, 8, 9 определяют степень черноты СО₂ и Н₂О по температуре газов в рассматриваемой зоне рабочего пространства печи

Степень черноты газов определится как сумма степени черноты

,

где - поправочный коэффициент, определяется по графикам

Расчет степени черноты газов смеси H₂O и CO₂ можно провести по упрощенной методике

где - коэффициент ослабления лучей в смеси, определяемый

эмпирической формулой.

где - суммарное парциальное давление водяного пара и углекислого газа, МПа;

- эффективная длина луча, м;

- температура газа, .

Применяемая методика согласована с номограммами и правомерна в следующем диапазоне параметров:

При светящемся пламени коэффициент К будет складываться из коэффициентов ослабления лучей газами и светящимися частицами

Дата добавления: 2015-07-12