1.3. Топливосжигающие устройства

Нагрев заготовок, поковок, деталей в пламенных печах осущест­вляется за счет теплоты, выделяющейся в результате сгорания то­плива (газообразного, жидкого), которое сжигают с помощью спе­циальных топливосжигающих устройств: горелок и форсунок.

1.3.1. Требования к горелкам, форсункам и их классификация

Горелки для газа и форсунки для мазута предназначены для ввода топлива и воздуха в топку или рабочее пространство печи, перемешивания горючего с кислородом и воспламенения горючей смеси.

Самой важной задачей топливосжигающих устройств является обеспечение условий образования горючей смеси топлива с возду­хом.

Процесс горения мазута более сложный, чем процесс горения газо­образного топлива. Мазут — смесь сложных жидких углеводородов, при горении, как и газообразное топливо, он подвергается своеоб­разной «газификации» с образованием активных центров.

При горении жидкого топлива можно выделить следующие стадии: распыление топлива и смешивание его с воздухом, подогрев смеси и испарение легких фракций, термическое расщепление и горение газовой фазы. Эти стадии взаимосвязаны между собой и в какой-то степени совмещены. Для создания условий полной «газификации» мазута необходимо, чтобы процесс нагревания и испарения капель топлива протекал быстро и при необходимом количестве кислорода. Несоблюдение этих условий может привести к полному разложению углеводородов с образованием трудносжигаемых крупных частиц сажистого углерода. Тонкое распыление мазута резко уменьшает размер отдельных капель, что ускоряет их прогрев, испарение и горе­ние.

Таким образом, топливосжигающие устройства в первую очередь должны обеспечить создание нормальных приведенных выше усло­вий горения различных топлив. Разработано множество различных конструкций горелок и форсунок, среди которых нужно выбрать наиболее эффективные для конкретного печного агрегата.

Газовые горелки по способу перемешивания подразделяют на пламенные (без предварительного перемешивания) и беспламенные (с предварительным перемешиванием). Горелки также классифици­руют и по другим признакам, например по давлению газа или по конструктивным особенностям.

В характеристику горелок включают:

1) рабочее давление газа;

2) рабочее давление воздуха;

3) размеры горелки;

4) размеры образующегося факела, по­зволяющие определить его границы и теплоотдачу.

Пригодность горелок определяется допустимыми пределами ре­гулирования производительности горелок, границы которой зависят от устойчивости процесса горения по условиям отрыва факела от горелки при больших нагрузках и от стойкости горелки по условиям обгорания при затягивании факела в ее устье при малых нагрузках. Особенно важны эти данные, когда выбирают горелки для работы в системе автоматического регулирования процесса сжигания топ­лива.

1.4. Расчет нагрева и охлаждения металла

1.4.1. Температурные режимы нагрева стальных изделий в печах

Под режимом нагрева понимают закон изменения темпе­ратуры печи в процессе нагрева. Он определяет скорости нагрева изделий до заданной температуры, количество, продолжительность и температуры выдержек, а также общую продолжительность про­цесса.

Режим определяется маркой стали, формой и размерами изделий, их расположением относительно друг друга, конструкцией и назна­чением печи.

В практике нагрева стальных изделий и слитков известны одно-, двух-, трех- и многоступенчатые режимы нагрева. Выбор того или иного режима в значительной мере определяется величиной терми­ческих напряжений, возникающих при нагреве вследствие не­однородного температурного поля по сечению изделия.

Нагрев тел сопровождается увеличением их объема. Наружные слои, имеющие температуру большую, чем средние, стремятся рас­шириться, но за счет воздействия на них внутренних слоев находятся в сжатом состоянии. Внутренние слои имеют температуру ниже средней, поэтому будут растягиваться. Следовательно, причина возникновения температурных напряжений температурный градиент по сечению тела. Величина напряжений зависит также от механи­ческих свойств стали.

Кроме температурных напряжений, в изделии могут быть и струк­турные напряжения, обусловленные структурными превращениями в металле.

Термические напряжения, возникающие при нагреве тонких тел, незначительны. Поэтому скорость нагрева в этом случае может быть максимальной. Режим, удовлетворяющий этому условию, характеризуется постоянной температурой греющей среды либо во времени, либо по длине рабочего пространства. Такой режим назы­вают одноступенчатым. Его целесообразно применять для нагрева термически тонких тел в современных механизирован­ных и автоматизированных проходных печах.

Возникновение температурных напряжений в термически массив­ных телах особенно опасно при нагреве до температур порядка 500 °С, пока сталь не станет пластичной, поэтому скорость нагрева необходимо снижать в указанном температурном интервале с целью получения нужного градиента температур по сечению изделия, что достигается применением двухступенчатого режима. Он характе­ризуется пониженной температурой печи в начале процесса и медленным ее повышением до наступления пластичного состояния стали. В первый период температура печи медленно повышается от мини­мальной до максимальной. Скорость повышения темпе­ратуры печи определяется маркой стали и размерами изделий. После достижения пластичности изделие нагревают при максимальной температуре печи, но так, чтобы к концу нагрева перепад температур по сечению не превышал заданного значения.

По двухступенчатому режиму работают методические кузнечные печи, кузнечные печи для нагрева садок средних и крупных загото­вок или слитков, печи с выдвижными подами.

Трехступенчатый режим применяется для нагрева очень крупных слитков в камерных печах или для нагрева заготовок в современных высокопроизводительных печах. Здесь помимо пе­риода медленного нагрева, периода ускоренного нагрева имеется еще период выдержки, предназначенный для уменьшения пере­пада температур по сечению и реализуемый при пониженной тем­пературе печи.

Температурный режим печи обязательно связан с тепловым, с подачей в печь топлива или электроэнергии в определенном коли­честве для всех стадий или периодов нагрева.