книги из ГПНТБ / Несенчук А.П. Пламенные печи для нагрева и термообработки металла учеб. пособие

Длины зоны нагрева, а также первой и второй зон цементации находятся

III

всоответствии со значениями тпагр; тцем и тцем (т0хл):

Высоту рабочего пространства печи из конструктивных соображений прини­ маем равной 900, а ширину печи— 1500 м м .

Темп толкания поддонов составит

п14

Вес поддона с оправкой для укладки деталей Р п ' принимаем равным 70 к г . Тогда производительность печи брутто

Здесь коэффициент 2 принят в связи с наличием в печи защитной атмосферы (табл. 8.3). Округляя принимаем к установке толкатель с усилием 20 т (по 10 т на каждый ряд поддонов).

Тепло в камере нагрева расходуется на нагрев изделии, поддонов, компенса­ цию потерь теплопроводностью через кладку, излучением на водоохлаждаемые поверхности вентиляторов, излучением в тамбуре при открывании дверок и на нагрев защитного газа.

Выбираем конструкцию тамбура загрузки н выгрузки со шлюзовыми каме­ рами, куда постоянно подается защитная атмосфера. Давление в тамбурах и печи принимаем одинаковым. В этом случае при закрытых дверцах газ из печи в там­ бур через неплотности практически не поступает и тепло на его нагрев не учиты­ ваем. Основной расход защитного газа осуществляется в печи. Газ из рабочего пространства печи выходит в трех местах: у загрузочной камеры нагрева (первый вывод), на границе между камерой нагрева и зоной цементации первой стадии (второй вывод), а также на границе между зонами цементации первой и второй стадии (третий вывод). Такая организация газовых потоков обеспечивает авто­ номность и стабильность состава атмосферы во всех зонах печи. Расход атмосферы в печи принимаем в соответствии с практическими данными равным 80 н м 3/ ч . Рас­ пределение подачи свежей контролируемой атмосферы в отдельные зоны печи

иудаление отработанных газов через выводы рассчитываем исходя из условия пропорциональности расхода через каждую зону ее объему. Полагаем, что высота

иширина печи во всех зонах одинаковы. Тогда подача в камеру нагрева составит

212

в камеру нагрева (9,55 н м 3 / ч ) , через второй — половина газов, подаваемых в ка­

Расчет потерь тепла через кладку печи (здесь не приводится) показывает, что они в зоне нагрева составляют 15000 в т . При подсчете суммарных затрат тепла в зоне нагрева вводим коэффициент неучтенных потерь. Он может быть принят равным 1,15 (учитывает потери тепла излучением и конвекцией в тамбуре при открывании дверок, тепловой эффект структурных превращений при нагреве ме­ талла, потерю с водой, охлаждающей вентиляторы). Тогда расход тепла в зоне нагрева

2 <3і= (117000+7100+15000) 1,15= 160000 в т (137800 к к а л / ч ) .

Аналогичным образом подсчитываются расходы тепла в остальных зонах печи. При этом учитывается, что в отличие от зоны нагрева температура радиа­ ционных труб и внутренней поверхности футеровки в зоне первой стадии цемен­ тации равна температуре металла (930° С), а в зоне подстуживания — 885° С.

Выполняем расчет радиационных труб. Исходя из определенного ранее теплонапряжения поверхности труб =30300 в т / м 2, определяем их поверхность в зоне нагрева:

Количество труб в зоне нагрева

5,3

п= ------=5,2 трубы.

1,02

Принимаем к установке в зоне нагрева 6 труб (12 ветвей), по три снизу и сверху.

Энтальпия воздуха на выходе из рекуператора (при /=350°С и а=1,15)> составляет 4600 к д ж / н м 3 газа. Принимаем температуру уходящих газов на выходе

213-

из трубы (перед входом в рекуператор) 1100° С (на 100° С выше, чем температура трубы). В этом случае энтальпия продуктов горения составит 19800 к д ж / н м 3газа

(4750 к к а л / н м 3 ) .

Коэффициент использования топлива в радиационной трубе

Qup + Q n Qr.yx

35600+4600-19800

= 0,575.

35600

Для зоны нагрева печи рассчитываем расход природного газа:

или

5і = 28,2 н м 3 / ч .

Расход природного газа в одной трубе

28,2

6= ------=4,7 н м 3 / ч . 6

Определяем скорость дымовых газов в радиационной трубе:

Как видно, в трубе имеет место переходный режим движения.

В литературе отсутствуют надежные соотношения для расчета а при пере­ ходном режиме течения в радиационной трубе. Сопоставляя расчетную плотность теплового потока (30,3 к в т / м 2) с достигаемой на практике (20—40 к в т / м 2), видим, ■что интенсивность теплообмена в трубе обеспечивает необходимый подвод тепла.

Определяем значение а, которое обеспечит подвод необходимого количества тепла. Плотность теплового потока в зоне с шестью трубами

214

Коэффициент теплоотдачи к внутренней поверхности трубы

Дальнейший расчет печи заключается в определении количества радиацион­ ных труб и расхода топлива в остальных зонах, расчете горелок, рекуператоров, эжекторов для удаления дымовых газов из труб, воздушных и газовых линий,, вентиляторов и т. д.

8.4. ПРИМЕНЕНИЕ ПСЕВДООЖИЖЕННЫХ СИСТЕМ В ПРОЦЕССАХ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Несмотря на ряд преимуществ, процессы химико-термической обработки в газовой среде отличаются сравнительно невысокой ин­ тенсивностью. Более интенсивно протекают процессы переноса теп­ ла при химико-термической обработке в жидких средах — распла­ вах солей или металлов. Но такие процессы трудоемки, дорогостоя­ щи и связаны с повышенной опасностью при обслуживании.

При использовании жидких сред для химико-термической обработки необходимо мыть и очищать детали после окончания процесса. Следует отметить, что в жидких средах практически не­ возможно изменять или регулировать скорость процесса нагрева илі-г охлаждения (каждой среде присуща своя определенная скорость).

Для . химико-термической обработки необходимы среды, кото­ рые, будучи нейтральными или способными насыщать поверхност­ ный слой, обеспечивали бы высокую интенсивность, управляемость процесса, точность и безопасность, а также сохраняли свои свой­ ства при длительной эксплуатации.

Указанными качествами обладает двухфазная перемешиваемая система газ — твердые частицы. Из разновидностей этой системы в практике термической и химико-термической обработки получили распространение две: псевдоожиженный газом (кипящий) [82]—[84], [85], [86]—[90] и вибропсевдоожиженный [83], [91] и [92] слой дис­ персного материала.

Метод'псевдоожижения в последнее время используется также в генераторах защитных атмосфер для интенсификации процессов, переноса тепла.

Кипящий (псевдоожиженный газом) слой образуется при про­ дувании засыпки зернистого материала, опирающейся на газорас­ пределительную решетку, восходящим потоком газа или жидкости *. При относительно низких скоростях газового потока слой материаланеподвижен и сопротивление фильтрации возрастает пропорцио­ нально скорости газа. Когда гидродинамическое сопротивление слоя становится равным его весу, приходящемуся на единицу площади:

* Псевдоожижение капельной жидкостью рассматривать не будем, так как оно не применяется в процессах химико-термической обработки.

215.

решетки, наступает состояние псевдоожижения. Высота слоя воз­ растает, частицы под действием потока газа начинают перемеши­ ваться. Для расчета скорости начала псевдоожижения можно реко­ мендовать уравнение [93]

где Re и Аг — соответственно критерий Рейнольдса и Архимеда, отнесенные к размеру частиц слоя:

шКр — критическая скорость начала псевдоожижения *; V — вязкость газа при температуре потока;

g — ускорение силы тяжести;

рч, Рг — соответственно плотность твердой и газовой фазы слоя;

dC\>— средний диаметр частиц.

При дальнейшем повышении скорости фильтрации сопротивле­ ние слоя не увеличивается. Происходит лишь его расширение, ин­ тенсифицируется перемешивание, возрастает скорость движения частиц. Внешне псевдоожиженный слой напоминает жидкость: он «вытекает» через отверстие в стенке сосуда, не препятствует погру­ жению плотных предметов, сохраняет горизонтальный уровень и т. д. При определенной скорости потока частицы начинают уноситься из слоя и наступает режим пневмотранспорта. Унос начинается при •скорости фильтрации, превышающей скорость свободного витания частиц слоя. Скорость свободного витания приближенно можно •определить из соотношения [93]

KJ\ \ \ d cp

Rsyn—

V

тде Wyu — скорость свободного витания.

Соотношение (8.25) соответствует пределу существования псев­ доожиженного состояния.

Формулы (8.24) и (8.25) получены в предположении, что псевдо- •ожижаются сферические частицы. Для частиц, имеющих другую ■форму, подсчитанные по этим соотношениям значения Re следует умножать на коэффициент формы

* Здесь и далее подразумевается скорость, отнесенная к полному сечению

.камеры печи пли ванны.

516

Рч

Величина ео для большинства применяемых в практике термо­ обработки зернистых материалов (песок, корунд и др.) лежит в пре­ делах 0,38—0,46. И лишь для самых мелких частиц (примерно мель­ че 80 мкм) ео возрастает с уменьшением диаметра вследствие более рыхлой укладки. В выражении (8.26) через риас обозначена насып­ ная плотность дисперсного материала. Порозность псевдоожижен­ ного слоя является функцией величин Re и Аг и может быть опре­ делена по формуле [93]

/ 18Re+0,36Re2 \ 0’21

(8.27)

По найденной порозности расширенного слоя е можно рассчи­ тать его высоту Я (в аппарате постоянного сечения):

где Но — высота слоя в неподвижном состоянии.

Оптимальный режим псевдоожижения, характеризуемый интен­ сивным перемешиванием частиц, наступает при скоростях, значи­ тельно превышающих шіф (примерно, в интервале 3 < № < 8). Чем

меньше частицы, тем больше оптимальное число псевдоожижения. При псевдоожижении газом в оптимальном режиме слой не бывает однородным: даже визуально, через прозрачную стенку можно раз­ личить газовые пузыри, барботирующие сквозь засыпку. В теории псевдоожижения широкое распространение получила так называе­ мая двухфазная модель. Согласно представлениям этой модели, через сплошную фазу слоя проходит лишь часть поступающего под решетку газа (соответствующая критической скорости шкр). Избы­ точный сверх этого количества газ прорывается в виде пузырей.

Как уже отмечалось, в качестве дисперсных материалов в аппа­ ратах для химико-термической обработки в кипящем слое приме­ няют песок, корунд, карборунд, шамот, магнезит и другие огнеупор­ ные зернистые материалы с размером зерен от 50 мкм до 1— 1,5 мм.

* Порозность слоя в неподвижном неутрамбованном состоянии.

217

Размер зерен определяется по ситовому анализу. В расчетах исполь­ зуется условный средний размер зерна, подсчитанный после усред­ нения весовых долей каждой фракции полифракционной смеси:

фракции); Хі — весовая доля узкой фракции.

Тепло к обрабатываемым изделиям (или его отвод от изделий) переносится движущимися частицами. Частицы слоя можно нагре­ вать трубами с циркулирующим жидким или газовым теплоносите­ лем, нагревателями сопротивления, электрическим током, проходя­ щим непосредственно через слой (такие печи с дисперсным графитом используют для цементации), а также фильтрующимися продуктами горения или горячим газом.

Кипящий слой характеризуется высокой интенсивностью пере­ носа тепла во всем объеме и вследствие этого пренебрежимо малы­ ми перепадами температур по объему камеры, интенсивным тепло­ обменом с погруженными поверхностями (что позволяет ускорить нагрев изделий), возможностью сжигать топливо непосредственно в слое с различными коэффициентами избытка воздуха и создавать определенную газовую атмосферу.

Коэффициент теплообмена поверхности с кипящим слоем нахо­ дится в пределах 100— 1200 вт/м2-° С, что значительно выше, чем в печах с газовой атмосферой. Такая же интенсивность теплообмена имеет место в расплавах солей. Несколько выше теплоотдача при охлаждении в масле. Однако при обработке в указанных средах поверхность деталей загрязняется и требуется проводить моечные и очистные операции. В соляных ваннах поверхность деталей покры­ вается застывшей коркой, которая ухудшает теплоотдачу. В отличие от солей и масел температура применения кипящего слоя ограничи­ вается лишь огнеупорностью его частиц, имеющей довольно высокое значение. В кипящем слое можно менять в широких пределах ско­ рость нагрева или охлаждения за счет изменения скорости филь­ трации и других параметров слоя. Равномерность * температурного поля в аппарате (колебания обычно лежат в пределах ± 5 ° С), незначительная зависимость теплообмена с погруженными изделия­ ми от их температуры, возможность регулировать скорость процесса позволяют в ряде случаев нагревать и охлаждать детали перемен­ ного сечения и сложной конфигурации без перегрева и коробления отдельных частей [82]. Высокая интенсивность переноса тепла и мас­ сы позволяет сократить время ряда процессов химико-термической обработки.

К недостаткам кипящего слоя следует отнести относительно высокий расход газа на псевдоожижение, неодинаковую интенсив­

* Уже на высоте нескольких миллиметров от газораспределительной решетки температура слоя достигает практически постоянной величины.

218

ность теплообмена с вертикальными и горизонтальными плоскими поверхностями (в последнем случае коэффициент теплообмена ни­ же), необходимость улавливания пыли в отходящих газах и т. д.

Кипящий слой используется в печах для термической и химико­ термической обработки, в закалочных ваннах. Проходные печи с кипящим слоем могут быть применены только для нагрева прово­ локи, прутков, труб, так как до сих пор не решены вопросы механи-

Рис. 8.22. Схема агрегата для термо­ обработки проволоки в кипящем слое:

1 и 2 — зоны печи

зации транспорта небольших деталей через высокотемпературные ванны с этой средой.

Схема проходного агрегата с кипящим слоем для термообра­ ботки проволоки приведена на рис. 8.22. В первой камере, в которой сжигается газ, проволока нагревается до определенной температу­ ры, а во второй — охлаждается с заданной интенсивностью.

Для штучных изделий применяются печи с кипящим слоем са­ дочного типа. При этом детали опускаются в ванну печи сверху или подаются через окно загрузки сбоку. Печи такого типа для нагрева в безокислительной атмосфере показаны на рис. 8.23 и 8.24. В основу обеих конструкций заложено известное свойство кипящего слоя, состоящее в том, что в рассматриваемой системе плохо перемеши­ вается газовая и хорошо перемешивается твердая фаза. Это дает возможность разделить печь на две зоны, в одной из которых сжи­

частиц они вносят дополнительное количество тепла в зону непол­ ного горения и температура в печи выравнивается, оставаясь доста­ точной для нагрева обрабатываемых изделий. В то же время состав газов в обоих зонах различен (в зоне неполного горения состав рав­ новесный по отношению к материалу изделий с заданным содержа­ нием углерода на поверхности).

Печь, изображенная на рис. 8.23, имеет две камеры: одну для нагрева в контролируемой атмосфере, а другую — для охлаждения металла. Камера нагрева состоит из нижней зоны неполного горе­ ния и верхней зоны дожигания. В месте расширения шахты печи устанавливаются сопла для подачи вторичного воздуха. Таким обра­ зом, нижняя зона служит для нагрева металла, а верхняя — для на­ грева теплоносителя.

На рис. 8.24 показан разрез печи с кипящим слоем, выполнен­ ной по другому варианту. Печь снабжена двумя газораспредели­ тельными решетками, в каждую из которых газ и воздух подаются раздельно: в одну с а = 0,5, а в другую с а = 1 . Соответственно, со-

219

а и

о га х о. Я о

аcj осе

о и S

5 X

£ « S<ие;к;

се о

«=СЯ

* I

се I

Чсо

С( Я

og шН О а>

Ч 3

о X о

г Оо.

ш к-

=Г\о я

к

с

я

»Я 1

я

ч * .. а> то« *.

”О 2 н

у «ftf*« 3Щ

р £5& ® я «

““о?

СОIu sк

а. I о л

'S °>Ö5

isEl

S g s

Q.И4 u <0

со Я о.

= s c 8а

E- X3

со Д6)

—*5

Ol Ü R

а. H=: hx* Üга

CO Os

(Mcnf °° vg

ce 'o

c0. •*

**5 5 ч sc о

1Ё

>*о

о о

3*гоX >0

ft«

он ч2 а \э

220

став газа над этими решетками различен. Вследствие интенсивного перемешивания частиц в кипящем слое они переносят из зоны на­ грева теплоносителя (а = 1 ) в зону нагрева металла (а < 1 ) необхо­ димое количество тепла, выравнивая температуру по всему объему печи. Разделительная перегородка между зонами находится значи­ тельно ниже уровня слоя частиц в неподвижном состоянии.

Рис. 8.24. Схема печи для безокислнтельиого нагрева в кипящем слое:

делительной решетки; 4 — воздушный короб газораспределительной решетки; 5 — затвор окна загрузки; 6 — футеровка печн; 7 — ре­ шетчатый свод

В кипящем слое также быстро охлаждают (закалка) изделие при химико-термической обработке. Кипящий слой по интенсивности охлаждения уступает минеральным маслам. Поэтому он пригоден лишь для закалки деталей из легированных сталей, для которых допустима, а иногда и целесообразна несколько пониженная ско­ рость охлаждения по сравнению с охлаждением в минеральном масле. Ориентировочно возможность закалки изделий в кипящем слое можно заранее оценить, если известны закономерности тепло­ обмена его с поверхностью и теплофизические характеристики из­ делия. Для этого рассчитывают время охлаждения детали опреде­ ленного сечения до температуры, заданной точкой начала перлитных превращений на диаграмме термокинетического распада переохлаж­ денного аустенита («пика» С-образной кривой). Диаграммы рас­ пада переохлажденного аустенита (С-образные кривые), построен­ ные (в координатах t° С—lg t) для большого количества марок сталей, приведены в литературе [4]. Если время охлаждения опре­ деленной точки сечения в данной среде меньше, чем заданное по диаграмме, то аустенит в данном месте не успеет распасться, пере­ охладиться и произойдет закалка.

Время нагрева или охлаждения в кипящем слое рассчитывается по соотношениям и графикам, приведенным в предыдущих разделах.

221