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

1.3. АТМОСФЕРА В РАБОЧЕМ ПРОСТРАНСТВЕ ПЕЧИ

Нагревая сталь, нельзя забывать о химическом взаимодействии между садкой и продуктами сгорания топлива. В отдельных случаях нагрев металла может происходить в жидкой или твердой средах, которые также оказывают химическое воздействие на металл. Характер взаимодействия, кроме температуры, зависит от состава нагреваемой стали и печной атмосферы.

Окисление стали в подавляющем большинстве случаев приносит большой вред народному хозяйству, так как ускоряет износ инстру­ ментов, изменяет размеры изделия, а часто переводит его в брак. Наконец, с окалиной теряется колоссальное количество металла. Нели, к примеру, среднюю производительность мартеновского цеха принять равной 2 000 000 т/год, то при величине угара 1,5—2,0% потери с окалиной составят 20 000 т/год.

Существуют два вида печной атмосферы: естественная и кон­ тролируемая (искусственная).

Атмосфера первого типа получается в результате горения топ­ лива с коэффициентом избытка воздуха 1 > а ^ 1 . Такая атмосфера состоит из С02, Н20 , 0 2, СО, Н2, N2 и реже S 0 2. В свою очередь естественная атмосфера подразделяется на окислительную, восста­ новительную и нейтральную. Восстанавливающими металл компо­ нентами естественной атмосферы являются водород Н2 и окись угле­ рода СО.

Реакцию восстановления можно записать следующим образом:

во всех случаях составляющие продуктов сгорания топлива Н2 и СО обладают восстанавливающими свойствами.

Компоненты 0 2, С 02 и Н20 естественной атмосферы способны окислять металл. Скорость окисления (окалинообразования) возрас­ тает с увеличением температуры продуктов сгорания. Сам же про­ цесс окисления заключается в химическом взаимодействии металла

20

В результате протекания реакций (1.10)— (1.12) образуется окалина, представляющая собой слой окислов FeO, Рез04 и РезОз. Дальнейшее образование окислов осуществляется через слой уже имеющейся окалины за счет диффузии газов с поверхности внутрь металла, а также ионов железа через пленку окислов. Благодаря избытку кислорода (а^1,02— 1,07) они образуют высший окисел Fe203, располагающийся на внешней стороне слоя окалины. Под слоем же образуется низший окисел FeO, так как здесь имеется из­

быток железа Fe. РІз сказанного следует, что окислы располагаются по убывающим степеням. Снаружи РегОз, а затем Рез04 и FeO

ивнутри — чистое железо. При нагревании металла выше 570° С скорость окисления резко увеличивается, что является следствием возрастания диффузии атомов через решетку FeO, которая является дефективной по кислороду (не все узлы решетки заняты атомами кислорода). Это и обеспечивает очень высокую скорость диффузии

иновообразование FeO.

Обычным видом окислительной естественной атмосферы явля­ ется смесь продуктов сгорания топлива СОг, НзО, Оз и N? (а=1,02— 1,07).

Как уже отмечалось, естественная атмосфера может иметь и восстановительные свойства. Такая атмосфера получается при сжи­ гании топлива с сс< 1. В этом случае она имеет состав СОз, СО, НзО, Пз и N2*

Естественная атмосфера с восстановительными свойствами

вобычных условиях может существовать только условно, так как при сжигании топлива с а < 1 в печи должно быть столько недого­ ревших водорода и окиси углерода, чтобы без очень высокого подо­ грева воздуха и топлива или подвода извне дополнительного тепла

впечи развилась температура, способная удовлетворить операцию нагрева.

Впоследние годы идея восстановительной естественной атмос­ феры была широко развита и использована инженерами и учеными при сооружении печей безокислительного нагрева стали в открытом пламени (рис. 1.11).

21

В нагревательную методическую печь справа-налево поступает металл. В методической зоне он нагревается в окислительной среде за счет теплоты дожигания дымовых газов сварочной зоны. Темпе­ ратура металла на его поверхности в конце методической зоны со­ ставляет порядка 750° С. Поступая в сварочную зону, где атмосфе­ ра — восстановительная, металл догревается до температуры опе­ рации. Недостаток тепловыделения в сварочной зоне восполняется подогревом первичного воздуха (идущего на основное горение) до температуры 600—750° С и основного топлива до 200—300° С. Помимо указанных мероприятий, некоторое количество тепла в сва­ рочной зоне восполняется за счет наклонной установки свода, что позволяет часть лучистой составляющей теплового потока направить из зоны методической в сварочную.

Нагрев стали в восстановительной естественной атмосфере не сопровождается ее окислением лишь при соблюдении отношений

деленной температуре газа в печи. На рис. 1.12 для стали приводят­ ся константы равновесия

где рсо, Рсо2, Рв.2, Рв.*о — соответственно парциальные давления оки­

си углерода, углекислоты, водорода и водя­ ных паров;

р — давление в печи (р = 1 ага).

Номограмма (рис. 1.12) состоит из восстановительной (выше жирной линии) и окислительной областей. Обе области пересекают­ ся изотермами, отвечающими температуре дымовых газов в рабочем пространстве печи. Чтобы определить константы равновесия ki и k2, значения которых отвечают протеканию равновесных процессов окисления и восстановления (металл не окисляется), достаточно отыскать точку пересечения изотермы, свойственной температуре продуктов сгорания топлива в зоне, с линией, разграничивающей области восстановления и окисления, а затем прочитать значения ki и k2на соответствующих осях номограммы.

Исследование окалины [7], образующейся на легированной ста­ ли, содержащей элементы А 1, Si и Сг, показали, что эти присадки

находятся главным образом во втором и третьем слоях окалины (считая от свободной поверхности). Имея большое сродство с кисло­ родом, они образуют окислы AI2O3, SiO и Сг20 3, представляющие

собой тонкие, плотные, хорошо прилегающие к металлу пленки, затрудняющие диффузию и тем самым предохраняющие металл от окисления. Поэтому даже незначительные примеси в стали легирую­ щих присадок в сильной мере уменьшают образование окалины.

2 2

Г л а в а 2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПЕЧЕЙ

Печи для нагрева стали под ковку, штамповку, прокатку и тер­ мообработку подразделяются на две большие группы. К одной группе могут быть отнесены печи нагревательные, ко второй — термические.

2.1.НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ ПЕЧИ

Внагревательных печах происходит нагрев стали перед ее об­ работкой давлением для нужд производства проката и некоторых видов изделий.

Нагревательные печи классифицируются по технологическому и конструкторскому признакам. По технологическому признаку раз­ личают одно-, двух- и многозонные нагревательные печи. Различают также камерные, методические, полуметодические, роликовые с тор­ цевой или боковой загрузкой и выгрузкой.

Рассмотрим конструкции некоторых разновидностей печей. Показанная на рис. 2.1 камерная щелевая печь служит для на­

грева мелких заготовок под ковку. Такие печи слабо механизиро­ ваны и имеют ограниченную производительность.

Требования механизации процессов загрузки и выгрузки метал­ ла, а также технологии нагрева и обработки давлением в массовом производстве могут служить причиной для отказа от печей перио­ дического действия.

В настоящее время нагрев металла под ковку, штамповку и про­ катку в основном выполняется в высокомеханизированных методи­ ческих и полуметодических печах. Методические — это печи непре­ рывного действия. Широкое внедрение методических печей в тех­ нологию нагрева стали объясняется необходимостью комплексной механизации и автоматизации всех процессов производства изготов­ ления проката и деталей (автотракторных, станочных и др.). В ка­ честве примера производства с комплексной механизацией можно указать на разрабатываемые автоматические линии производства автотракторных деталей, где установка камерной печи недопустима, так как при этом весьма трудно механизировать транспорт загото­ вок или изделий в пределах линии. Такая же картина наблюдается при производстве проката на непрерывных станах.

25

Методические печи в зависимости от температурного графика бывают одно-, двух- и трехзонные. Число зон методической печи выбирается в соответствии с температурными и тепловыми графи­ ками нагрева. В каждой зоне продукты сгорания имеют определен-

А - А

JА

ную температуру, значение которой отличается от температуры соседней зоны. При симметричном обогреве заготовок зона вклю­ чает верхний и нижний отсеки. В тех случаях, когда нагреваются массивные заготовки, методическая печь имеет три зоны. Третья зона называется зоной выдержки или томильной. Томильная зона, как правило, не имеет нижнего отсека горения, так как наряду с вы­ держкой, позволяющей выравнять температуру по сечению заготов­ ки, в ней должен устраняться неравномерный нагрев металла по поверхности (на поверхности в результате ее контакта с глиссаж-

26

ными трубами образуются темные полосы), в связи с чем она долж­ на иметь монолитный под.

Как было уже отмечено, зоны печи выделяются по температур­ ному признаку. Для поддержания в них определенной температуры рабочее пространство каждой зоны должным образом оформляется конструктивно. Зоны профилируются с учетом температуры и коли­ чества образовавшихся продуктов сгорания и условий теплообмена между газами и поверхностью металла.

По способу загрузки и выгрузки методические печи встречаются с боковой и торцевой загрузкой и выгрузкой. Заготовки прямоуголь­ ного сечения (слябы) нагреваются в печах с торцевой выгрузкой. Методические печи машиностроительных и автотракторных заводов могут иметь как боковую, так и торцевую выгрузку. Как правило, они используются для нагрева металла под штамповку.

На рис. 2.2 (см. вкладку) показана разработанная Стальпроектом трехзонная методическая печь листопрокатного стана с торце­ вой загрузкой и выгрузкой. Печь имеет схему рабочего простран­ ства 3/2 (над глиссажными трубами располагаются три зоны горе­ ния, а снизу — две). Печь отапливается мазутом, который поступает к горелочным устройствам 1, оснащенным форсунками 2 типа ФВД. Форсунки имеют двойное распыливание топлива паром. Подогретый воздух-окислитель подается к горелкам от сборных коллекторов 3 по воздуховодам. Как видно из рисунка, верхний и нижний отсеки методической и сварочной зон обогреваются индивидуально. Томильная зона имеет верхний отсек горения.

Судя по числу зон, в этой печи нагреваются под прокатку мас­ сивные заготовки (Ві>Вікр). Заготовки с рольганга загрузки тол­ кателем через окно загрузки (окно посада) 4 подаются в печь. Там металл располагается на водоохлаждаемых трубах (глиссажные трубы) 5. По ширине печи посад размещается в один ряд либо два. Причем при длине заготовок более 4 м рекомендуется однорядный посад металла. Заготовки в пределах рабочего пространства печи перемещаются толкателем при загрузке каждой последующей заго­ товки или ряда. Причем перемещение садки периодическое: одна заготовка поступает в печь, а со второго ее конца через окно вы­ грузки 6 выдается уже нагретая до температуры прокатки заго­ товка. Загрузка и выгрузка происходит одновременно. Глиссажный под печи покоится на водоохлаждаемых опорах 7. Нагретый металл через окно выгрузки по склизу 5 попадает на рольганг выгрузки 9

инаправляется на прокатку.

Вметодических печах продукты сгорания по отношению к ме­

таллу движутся противотоком и попадают (рис. 2.2) в боров 10, а затем направляются к рекуператору, котлу-утилизатору и дымо­ вой трубе. Как видно из рисунка, рабочее пространство имеет пере­ жимы потока газов, благодаря чему сравнительно легко удается выделить в печи температурные зоны.

В первой (методической) зоне нагрев выполняется с минималь­ ными скоростями, что вызвано опасением появления в металле чрез­ мерных температурных напряжений. Второй этап нагрева (нагрев

27