1. Виды печной атмосферы. Состав печной атмосферы.

Существует 2 вида печной атмосферы:

-естественная

-контролируемая (искусственная)

Естественная получается в результате горения топлива с 1≥ α >1.

Контролируемые приготавливаются из углеводородного сырья (прир. Газ)

Естественная атмосфера подразделяется на:

-окислительную

-восстановительную

-нейтральную

Компоненты О₂,СО₂,Н₂О способны окислять металл. Скорость окисления зависит от температуры в печном пространстве.

При этом происходят следующие реакции:

Fe+O2↔FeO

FeO+O2↔Fe3O4

Fe3O4+O2↔Fe2O3

Окислительными свойствами обладают также СО2 и Н2О:

Fe+CO2↔FeO+CO

FeO+CO2↔Fe3O4+CO

Fe+H2O↔FeO+H2

FeO+H2O↔Fe3O4+H2

Эти реакции протекают в обоих направлениях зависимости от температуры в печном пространстве.

2. Получение восстановительной естественной атмосферы. Определение коэффициента расхода воздуха для получения восстановительной атмосферы.

Естественная атмосфера с восстановительными свойствами получается при сжигании топлива с α<1, в этом случае она имеет состав:

СО2+СО+Н2О+Н2+N2 =100%

В методической зоне металл нагревается в окислительной среде за счет теплоты дожигания дымовых газов сварочной зоны. Температура металла на поверхности в конце методической зоны может достигать уровня 700°; в сварочной зоне, где атмосфера восстановления металла , догревается до температуры операции.

При сжигании топлива с α<1 в сварочной зоне недостаточное тепловыделение. Оно восполняется подогревом идущего на горение воздуха за счет теплоты , уходящих из печи газов в регенеративном подогревателе вплоть до температуры 600°. Кроме того , некоторое количество тепла в сварочной зоне, восполняется ха счет наклонной установке свода , что позволяет часть лучистой составляющей теплового потока направить из методической зоны в сварочную. Нагрев стали в восстановительной естественной атмосфере не сопровождается ее окислением лишь при соблюдении определенных соотношений концентрации:

СО/СО₂ и Н₂/Н₂О

Константы равновесия можно определить по диаграмме окисления - восстановления железа. Выше жирной линии – восстановительная область, ниже – окислительная. По t_г для точки пересечения t_г = const с линией, разграничивающей области восстановления и окисления, определяются константы равновесия К₁ и К₂ .

Расчет процесса горения, в котором образуется безокислительная атмосфера, начинается с выбора коэффициента расхода воздуха α. Для этого, воспользовавшись вышеописанной диаграммой, определяются константы равновесия , а затем по графикам и (рис. П-2, Приложение) для данного вида топлива находят коэффициент расхода воздуха, который принимается .

3. Расчет процесса неполного горения.

Для расчета процесса неполного горения используются уравнения баланса массы углерода, водорода и кислорода:

(1.1)

(1.2)

(1.3)

, и - соответственно коэффициенты при элементах С, Н и О, входящих в состав продуктов сгорания;

, и - то же, но элементов, входящих в компоненты топлива;

, и - соответственно, компоненты продуктов сгорания, имеющие в своем составе углерод, водород и кислород, м³/ м³;

, и - соответственно, компоненты топлива, содержащие углерод, водород и кислород, м³/ м³; (табл. П-1, Приложение).

j - число компонентов топлива, соответственно содержащих углерод, водород и кислород.

Уравнения (1.1 – 1.3) решают совместно с равенством К_р = К₁ К₂

относительно объемов продуктов неполного горения.

Суммарный объем дымовых газов с нейтральными свойствами

.

Объем азота находится по выражению

,

где V_o – теоретически необходимый расход воздуха для сгорания 1м³ газообразного топлива, м³/ м³;

N₂ – содержание азота в топливе, %.

4. Обезуглероживание и науглероживание стали при нагревании.

При нагреве в естественной атмосфере с α >1 на поверхности легированных сталей , содержащих элементы Al, Si, Cr образуются Al2O3, SiO2, Cr2O3, представляющие собой тонкие плотные, хорошо прилегающие к металлу пленки, которые затрудняют диффузию О2 к металлу и тем самым предохраняют металл от окисления.

Нагрев стали в естественной атмосфере сопровождается не только окислением, но и обезуглероживанием, которое считается вредным явлением , вследствие снижения в поверхностном слое содержания С, что делает этот слой мягким, склонным к кароблению, трещинам.

В естественной атмосфере обезуглероживание происходит одновременно с окислением. Чем выше температура, тем быстрее по отношению к окислению происходит обезуглероживание.

Обезуглероживающими компонентами являются:

СО2, Н2О, О2 и Н2

Особенно активны:

FeC+CO2↔3Fe+2CO

Fe3+H2O↔3Fe+CO+H2

Контролируемые (искусственные) атмосферы бывают различных типов и как естественные могут содержать СО2, СО, Н2О, Н2 и N2. Самые распространенные типы химико-термической обработки металлов- является цементация и нитроцементация.

Цементация – высокотемпературное диффузионное насыщение поверхностного слоя металла углеродом.

5. Выбор температуры операции тепловой обработки.

Температурный уровень в зонах рабочей камеры ТТУ определяет интенсивность процесса, т е его экономичность, а также выпуск качественной продукции.

Рассмотрим нагрев металла под последующую горячую обработкудавлением.

Для этих видов обработки существуют понятия температур начала и конца операции. Выбор верхнего предела нагрева определяется трудоемкостью операции, т к основополагающей, обеспечивающей качество паковок является температура в конце операции. Если же температура на поверхности металла в процессе нагрева превысит допустимый предел, то может произойти пережог садки.

Например высокоуглеродистые и легированные стали очень чувствительны к пережогу и обладают большим сопротивлением деформации, что сужает интервал температур, в котором происходит обработка давлением.

Нагрев малоуглеродистых сталей доводят до более высоких температур, т к при повышении расхода теплоты на нагрев 1 кг стали наблюдается экономия на ремонте технологического оборудования. Температура, при которой происходит термическая ХТО обработка, выбирается в зависимости от марки стали и вида операции по справочникам.

t_Me=t_AC3+(20…30), °C

t_Me –температура металла

t_AC3 – температура верхней критической точки

При нагревании t >> t_AC3 происходит изменение структуры зерна. В результате механические свойства стали ухудшаются, наступает перегрев стали. При механической обработке такой стали образуются трещены. Дальнейшее увеличение температуры или длительного нагрева приводит к пережогу метала, который наиболее интенсивно происходит в окислительной атмосфере у сталей с большим содержанием углерода.

6. Температура в рабочем пространстве высокотемпературной установки.

Максимальная действительная температура, которая может быть достигнута в рабочем пространстве высокотемпературной теплотехнологической установки

, (2.1)

где η_п – пирометрический коэффициент зоны или всей печи, учитывающий источники потерь теплоты, зависит от типа установки, (η_п = 0,7…0,9);

t_m – калориметрическая температура горения топлива, которая может быть найдена опытным путем или рассчитана по формуле

(2.2)

где - низшая теплота сгорания топлива;

- соответственно, количество теплоты, вносимое в рабочее пространство с воздухом и топливом (физическая теплота);

(2.3)

(2.4)

- объем компонента дыма при сгорании 1 м³ топлива;

- действительный объем воздуха на горение 1 м³ топлива;

- объем компонента топлива (находится по объемному составу топлива);

, и - объемные изобарные теплоемкости воздуха, компонентов топлива и продуктов сгорания (табл. П-2 и П-3, Приложение).

Расчет max действительной температуры продуктов сгорания связан с выбором температуры подогрева воздуха (tв) и (tг). Если t_техн – температура операции, то для достижения этой температуры необходимо, чтобы выполнялись условия:

t_г ≥ t_техн

η_п t_m ≥ t_техн

Теоретическая температура горения топлива (t_теор)

Увеличе6ние этой температуры возможно за счет подогрева компонентов горения (топлива и воздуха).

Методика выбора температуры подогрева заключается в следующем:

Определяется теоретическая температура горения, если η_п t_m ≥ t_техн , то ограничеваются только подогревом воздуха( за счет теплоты, отходящих от установки дымовых газов).

Температуру подогрева выбирают по техн – экон критериям эффективности.

Если η_п t_теор ≤ t_техн , то применяется максимально возможная температура подогрева воздуха и находят значения калориметрической температуры по формуле ,

Далее проверяют условие η_п t_m ≥ t_техн

Если η_п t_m < t_техн ,то применяется max возможная темпер-ра калориметр температуры по формуле далее проверяем условие η_п t_m ≥ t_{техн .}

Если оно выполнено, то также ограничиваются только подогревом воздуха, но его температура выбирают max возможной. Если же условие η_п t_m ≥ t_{техн .} не выполняется при max возможном подогреве воздуха, то калометрическую температуру рассчитывают при max температурах подогрева воздуха и топлива. Если и после этого не достигается необходимый температурный уровень, то нужно выбрать более высоко- калорийное топливо.

25 Конвективный теплообмен в рабочем пространстве высокотемпературной теплотехнологической установки.

Математическая модель конвективного теплообмена между дымовыми газами и рабочей поверхностью метала представляется системой дифф уравнений теплопроводности , теплоотдачи и неразрывности. Для описания конкретного явления к этой системе добавляются нач и граничные условия. Математическая модель оказывается такой сложной , что без значительных допущений она решина быть неможет. Эти допущения столь велики, что полностью искажают постоновку задачи о конкретном случае конвективного теплообмена , поэтому прибегают к методу теоретического подобия, согласно которому результаты исследований по конкретной задаче представлены выражением:

q=f(x,y,z,∆T,β,ω,λ,α,ν,l₀,l₁,l₂)

q – удельный тепловой поток

x – безразмерные координаты

y

z

,∆T – температурный напор

Β – температурный коэф объемного расширения

ω - скорость

λ – коэф теплопроводности дымовых газов

α – коэф теплоотдачи

ν – кинематическая вязкость

,l₀,l₁,l₂ – линейные размеры тела

В соответствии с теорией подобия это вырожение представляется в виде:

Nu=f1(x,y,z,Pe,Re,Gr,Pr,L1,…Ln)

гдеL1=l1/l0

Критериальные зависимости получают эмпирически или могутпользоваться лишь в диапазоне параметров которые были приняты в опыте. При пассмотрении конвективной составляющей внешнего теплообмена определению подлежит коэф-т тепоотдачи, который входит в критерии нусельта.

Nu=α_kl0/λ

λ - коэф теплопроводности дымовых газов

Nu=f (Ref,Grf,Prf)

Re< Re_кр=2000 ламинарный

Nu=f (Ref, Prf)

Re> Re_кр

7.Температурные графики высокотемпературных теплотехнологических установок.

Графики должны полностью соответствовать режиму нагре­ва, потому что они строятся на основании технологических карт тепловой обработки с учетом технологических (перегрев, пере­жог, окалинообразование, температурные напряжения и пр.) и конструктивных особенностей системы (конструкция и назначе­ние огнетехнической установки, форма и размеры заготовок, их расположение в печи, марка стали и др.).

В практике тепловой обработки металлической садки приме­няют одно-, двух- и многозонный (многоступенчатый) режимы тепловой обработки.

В случае одноступенчатого режима нагрева тепловая обработка происходит при постоянной температуре газов в рабочей самере (t_r = const рис 1) или постоянном потоке теплоты (q —const рис 2). Одноступенчатый режим (однозонный температурный график) обычно применяется при нагреве тонких заготовок или изделий, для которых критерий Bi меньше критического зна­чения Bi_кр. При этом нет необходимости выделять период, свя­занный с возникновением в садке температурных напряжений, которые появляются только в массивных телах. Одноступенча­тый нагрев применяется также при горячем посаде.

Рис

Двухступенчатый режим включает периоды нагрева (обычно при q = const) и выдержки (t_r = const). Применяется, когда тем­пературные напряжения не представляют опасности для мате­риала (нагрев пакетов и рулонов металла, труб и других неод­нородных тонких тел). На рис. 1.35, б показан температурный график двухступенчатого режима нагрева пакета стальных ли­стов, причем для пакета Bi>Bi_Kp, а для отдельного листа Bi< <Bi_Kp. Температуры в центре материала Т_м^ц и на ее поверхности Т_м^п в первом и втором периодах нагрева отличаются, однако тем­пературные напряжения на участке q = const не возникают.

рис

Трехступенчатый нагрев применяется для высокоуглероди­стых и легированных сталей при холодном посаде (Т_м^ц<773 К) и Bi Bi_Kp. Температурный график состоит из зоны напряжений (нагрев середины садки до температуры 773 К), зоны форсиро­ванного нагрева и зоны выдержки .

Рис

Многоступенчатый режим включает несколько периодов на­грева (охлаждения) и выдержки. Применяется при термообра­ботке (цементации, нитроцементации в контролируемых атмо­сферах и др.).

8. Структура уравнений материальных балансов высокотемпературных теплотехнологических установок.

В основу анализа эффективности работы теплотехнологической установки принимается составление материальных и тепло­вых балансов как всей установки в целом, так и отдельных ее элементов и процессов, протекающих в ней. Материальный ба­ланс является выражением закона сохранения массы и исходной базой для составления соответствующего теплового баланса, ко­торый в свою очередь является выражением закона сохранения энергии. С помощью материального баланса, в частности, производят планирование и учет расхода исходных компонентов в технологическом процессе и определяют выход целевого продук­та. В свою очередь с помощью теплового баланса можно опреде­лить уровень полезного теплоиспользования в теплотехнологической установке.

Проведение любого теплотехнологического процесса связано с обработкой и использованием различных материалов. Матери­альные балансы позволяют выявить все участвующие в техноло­гическом процессе потоки веществ, распределение их по элемен­там установки, потери веществ в ходе процесса.

Материальные балансы обычно записывают в виде

где Мприх i — приходные статьи баланса (входные потоки мате­риалов); Мрасх j — расходные статьи балансов (выходные пото­ки материалов).

При рассмотрении высокотемпературных теплотехнологических установок разделяют балансы материальных потоков, ве­ществ и химических элементов. Под материальными потоками понимают расходы сырья, составляющих процесса горения, це­левого продукта и технологических отходов. В наиболее общем виде уравнение баланса материальных потоков высокотемпера­турной теплотехнологической установки можно записать так:

М_с + М_т + М_о + Мв + Мобм = М_Прод + М_т.₀ + Мг.о.

где М_с, М_т, М_о, М_в, Мобм — расходы соответственно технологи­ческого сырья, топлива, окислителя, восстановителя, обмуровки установки