книги из ГПНТБ / Эстрин, Б. М. Производство и применение контролируемых атмосфер (при термической обработке стали)
.pdf+ |
0,466936 |
Уw\ |
h\) — lg (ht + 0,683335 / " A, |
A , ^ + |
+ |
0,466936 |
Yw%h\)\ + |
|
|
+ |
0,539179, |
arctg 2,06957 |
-0,577357 J - |
|
|
У WF hi |
— arctg ! 1,68982 |
V'A. |
0,577357^ |
3 r - |
Для уравнения (XII-19) можно построить номограм му с ориентированным транспарантом, приведенную на рис. 80.
[0 |
0,5 |
0,4 |
03 |
i M |
' i ! ! |
I |
jiiii'i'lTi': |
0,6 |
0,5 |
0,4 |
0,3 |
|
O.l |
0,2 |
||||
|
|
|
О |
|
|
Рис. 80. Номограмма с ориентированным транспорантом для определения величины X = т . + т„. Вместо читать Wp .
242
На неподвижной плоскости номограммы построены семейство горизонтальных прямых wF и два криволиней ных семейства для переменных # i и h\. Транспарант представляет собой линейку, на которой нанесены рав номерная шкала переменного т£ и фиксированная точка (стрелка).
Схема пользования номограммой дана на рис. 80.
|
П р и м е р. Дана проходная |
печь |
с роликовым |
подом: |
|||||||
Н — 1,0 м; ft, = 0,3 |
и, |
Л = 0,6 |
м; |
5 = 1 2 |
м2 . |
|
|||||
Время, за которое проталкивается |
очередной |
поддон |
(в течение кото |
||||||||
рого открыта дверца), т / = 2 0 с. |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
По номограмме |
(см. рис. 30) |
определим |
время т2 +тз, задав |
|||||||
шись w = 0,\ |
м3/с. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Предварительно |
вычислим |
|
|
|
|
|
|
|||
Н1 |
= Н — Ar- |
F = Bh±; |
wF |
= |
w/F. |
|
|
|
|
||
|
Получим |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H |
= 1—0,3=0,7; f = 0 , 6 0 , 3 |
= |
0,18, wF= |
° ' ' |
= |
0,558. |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,18 |
|
Ставим край линейки (транспаранта) на соответствующую прямую семейства wF (0,558). Перемещая транспарант вдоль прямой, до биваемся совмещения фиксированной точки на транспаранте с кри вой из семейства hx, имеющей пометку 0,3 м. Пометка иа транспа ранте, с которой совпадет при этом линия Я! = 0,7, дает ответ iFs = =0,212, откуда вычисляем
T = |
Т 2 + Т 3 = |
0,212-12 = |
14,1с, |
|
|
|
||
|
2 |
0,18 |
|
|
|
|
|
|
что |
иа 5,9 с |
меньше времени, в течение которого дверца печи ос |
||||||
тается открытой. Это вызовет проникновение воздуха в печь. |
||||||||
|
Таким образом, |
при заданных параметрах |
объемная скорость |
|||||
поступления |
защитного |
газа, |
равная 0,10 |
м3 /с |
(что |
соответствует |
||
Q = 82 м3 /ч), |
не обеспечивает |
нормальных |
условий |
эксплуатации |
||||
печи. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Продлить |
время т можно двумя способами: увеличением объ |
||||||
емной скорости газа |
w или надежным перекрытием |
(дросселирова |
нием) части проема газовой завесой. Рассмотрим каждый из этих случаев. Увеличим, например w с 0,1 до 0,25 м 3 /с Тогда
wF = |
0,25 |
= 1,39. |
F |
0,18 |
|
По номограмме (см. рис. 88) находим новое значение т $ , равное 0,345, откуда
т = 0,345-12 = 23 с. 0,18
Это значит, что только при объемной скорости защитного газа, рав-
16* |
243 |
noil 0,25 |
м3 /с (что |
соответствует 210 м3 /ч), |
к моменту |
закрытия |
|||||
дверцы на уровне роликового пода |
будет сохранено положитель |
||||||||
ное давление и исключено проникновение воздуха в печь. |
|
|
|
||||||
Применение пламенной или газовой завес, которые |
|||||||||
включаются автоматически при открытии дверцы, |
по |
||||||||
зволяет |
существенно |
снизить |
расход |
защитного |
газа. |
||||
В первом случае это достигается главным образом |
за |
||||||||
счет снижения объемной массы воздуха в зоне |
истече |
||||||||
ния, во |
втором — за |
счет гашения |
динамического |
напо |
|||||
ра (см. ниже). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Как |
нетрудно |
проследить |
по |
уравнениям |
(XII-16) |
и (XII-18), величина поперечного сечения печи 5 в зна чительной степени определяет общее время т. Чем боль ше 5, тем больше т и тем более, следовательно, стабиль ны состав и свойства газовой среды в печи.
В целях снижения расхода газа, отнесенного к еди нице массы садки, весьма рациональными следует счи тать печи с несколькими параллельными потоками. Рас
ход газа |
в такой печи |
будет даже меньше, чем для печи |
||
с одним |
потоком, так |
как при одной и той' же |
длине |
|
ширина |
печи, а следовательно, и величина |
5 в |
первом |
|
случае больше, что обусловливает меньший расход. |
||||
При |
-этом, конечно, подразумевается, |
что |
дверцы |
открываются последовательно, а не одновременно для всех потоков.
Очень важным параметром при проектировании про
ходных печей с периодически открываемыми |
проемами |
является время, в течение которого дверца |
остается |
открытой. Чем оно меньше, тем стабильнее |
состав и, |
следовательно, свойства защитного газа в печи, тем проще конструктивное оформление загрузочной стороны печи. Поэтому нужно стремиться к большим скоростям толкания поддонов. Дверца печи при наличии газовых завес должна плотно и в то же время свободно дви гаться по направляющим. Высоту подъема следует на дежно фиксировать. Плотность прилегания дверцы до стигается благодаря ее наклонному размещению (ког да перпендикулярная составляющая массы дверцы при жимает ее к направляющим) и прежде всего тщательной механической обработкой трущихся поверхностей.
ШАХТНЫЕ ПЕЧИ
Шахтные печи выполняют в виде круглых, квадрат ных или прямоугольных шахт с проемом, перекрываемым
244
крышкой. Глубина таких печей достигает 10 м и более.
Расход защитного га за в шахтных печах оп ределяется по уравнени ям второго периода исте чения, приведенным для толкательных печей. При менимость уравнений лег ко доказать (см. рис. 81). Для этого рассмотрим се чения а—6 и с—d (до проема и после него). Выделим в слое одну струйку а — с:
Za + PalP = |
Zc + PciP + V2/2g |
|
|
или |
|
|
|
- - г а - г |
е + |
— — . (а) |
Рнс. 81. Расчетная схема истечения газа |
|
|
|
|
|
|
|
для шахтных печей с верхним дверным |
Положение |
свободной |
проемом |
|
|
|||
поверхности в данный мо |
|
мент совпадает с сечением О—О. Давление в этой плос
кости внутри печи и снаружи обозначим через |
Тогда |
||||
Pa |
= |
Pi |
— P(x |
— е); |
(б) |
Рс |
= |
Pi |
— Pi*; |
|
(в ) |
zfl |
— 2С = — е. |
, |
(г) |
Разность давлений (геометрического и пьезометриче
ского) |
порождает в открытом проеме |
скоростной |
напор |
|
_ |
X (р, — р) |
|
(Д) |
|
2£ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
откуда |
|
|
||
v |
У |
2gxl- |
|
(е) |
|
|
|
|
|
Дифференциальная форма уравнения |
истечения |
имеет |
||
следующий вид: |
|
|
||
|
|
Sdx |
|
(XII-20) |
dx= |
|
— F <pu - |
|
245
|
Время |
то, в течение |
которого координата |
(по верти |
|||||||||||
кали) |
|
свободной |
поверхности |
газового |
слоя |
изменится |
|||||||||
с |
х—Н |
до |
х=е, |
|
находим, |
интегрируя |
|
уравнение |
|||||||
(XII-20): |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
т2 |
= |
|
|
2* |
|
|
[VH-V7] |
+ |
|
^ |
|
|
х |
||
|
|
|
Fq>2g Pi — Р |
|
|
|
|
Fy2g |
|
|
0,4343 |
||||
X |
lg |
|
V H - - ^ — |
|
- I g |
F-8,1426 |
|
|
|
(XII-21) |
|||||
|
|
V |
F-8,1426 / |
|
° \ |
|
|
|
|
||||||
|
П p и м e p. Дана |
шахтная печь: S = 3 м2 ; H=8 |
м; т' = |
10 с; F= |
|||||||||||
= |
0,16 |
|
м2 ; е = 0,3 |
м; ш = 0,1 |
м3 /с. По уравнению |
(X11-21) |
находим |
||||||||
т/г. Оно равно « Н е . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
Так время нстечния тг больше, |
чем длительность |
открытия т', |
||||||||||||
то к моменту закрытия дверцы уровень свободной |
поверхности по |
||||||||||||||
тока будет ниже порога е, что предохраняет |
печь |
от |
проникнове |
||||||||||||
ния в нее воздуха. Как можно было заметить, объемная |
скорость |
||||||||||||||
газа w практически не влияет на величину т. Последнее |
определя |
||||||||||||||
ется целиком геометрическими параметрами печи. |
|
|
|
||||||||||||
|
Поскольку к моменту закрытия дверцы почти весь рабочий объ |
||||||||||||||
ем |
печи |
находится под разрежением, |
необходима |
высокая |
плотность |
кожуха печн в местах сварки и надежная герметичность сальнико вых уплотнений выводов нагревательных элементов.
Итак, часовой объем защитного газа Q для шахтной печи, при
веденный к нормальным условиям, составит |
|
|||
0,1-273-3600 |
= |
л |
, |
(ж) |
Q = — |
8 4 м 3 |
/ ч . |
||
1173 |
|
|
|
' |
Если же время |
истечения т г < т , то к моменту |
закрытия дверцы |
печь заполнится воздухом. Избежать этого часто весьма трудно. Применение газовой завесы для горизонтально расположенных про емов связано с серьезными техническими трудностями (необходимо сжатие газо-воздушной смеси).
Истечение с постояннным напором даже при весьма малых значениях последнего приводит к очень большим расходам газа.
Так, например, в предыдущем примере при напоре, равном 0,3 м, расход составил бы 600 м3 /ч, а при напоре 0,1 м он был бы равен 340 м3 /ч, что из экономических соображений нерационально.
В данном случае вопрос можно решить следующим образом. Будем исходить из того, что печь к моменту загрузки изделия неизбежно заполнится воздухом. Как только дверца закроется, поступающий газ начнет свя
зывать |
кислород воздуха. Продукты |
сгорания |
отводят |
|
ся через |
свечу. В течение |
некоторого времени |
содержа |
|
ние С 0 2 |
и Н 2 0 в печной |
атмосфере |
будет повышенным |
246
(продолжительность этого времени зависит от интен сивности обмена, т. е. от расхода газа).
Пока температура изделия невысока, это обстоя тельство не вызовет обезуглероживания или заметного
окисления. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Если |
через т| |
обозначить |
время, |
необходимое для |
||||||
нагрева изделий |
до 650° С, а |
через |
и |
я|з |
влажность |
||||||
печной атмосферы в начале и Е конце нагрева |
соответст |
||||||||||
венно, то |
расход |
защитного газа |
Q найдем |
из |
уравне |
||||||
ния |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ф = |
{% ~ |
%) [1 + е х Р ( ~ W n ) ] - |
|
|
|
|
(х "-22) |
||||
где |
Vn—объем |
печи; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i|)2 — влажность защитного газа |
до |
его |
поступле |
|||||||
|
|
ния в печь |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Возвращаясь к рассмотренному выше примеру и принимая х1 |
= |
|||||||||
= 1. |
ч; г|)=0,109; я|)2=0,0145 и |
i|)| = |
6,36% |
(объемн.), |
что |
отвечает |
|||||
т. т. р. соответственно —20; —40 |
и +40° С. По уравнению (XII-22) |
по |
|||||||||
лучаем Q = |
22,5 м3 /ч. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
КАМЕРНЫЕ ПЕЧИ
Камерная печь состоит из прямоугольной камеры с огнеупорной футеровкой и теплоизоляцией, перекры той сводом и помещенной в герметический металли ческий каркас. Загрузку и выгрузку садки осуществ ляют через отверстие в передней стенке, прикрываемой дверцей.
В отличие от толкательных и шахтных печей камер ные печи характеризуются весьма невыгодными геомет рическими соотношениями, в результате чего при откры тии дверцы печь мгновенно заполняется воздухом.
Для предотвращения проникновения воздуха в печь необходима пламенная завеса. Она должна включаться в момент открытия дверцы и выключаться, когда двер ца полностью закроется. Для этого у верхнего и нижне го положения дверцы устанавливают конечные выклю чатели, связанные с катушками соленоидных клапанов. На рис. 82 показаны отдельные элементы завесы. В за весе сжигается газо-воздушная смесь, содержащая 50% воздуха, необходимого для полного сжигания. Смесь приготовляют следующим образом. Сжатый воздух проходит соленоидный клапан, регулятор давления типа
247
РДА (см. рис. 30) и кран типа КРА |
(см. рис. 31). |
Таким |
|
образом, |
осуществляется регулирование потока |
возду |
|
ха, поступающего в смеситель. |
|
|
|
Горючий газ из сети через регулирующий вентиль, |
|||
отсечной |
клапан (предотвращающий |
от случайного про |
никновения сжатого воздуха в газовую сеть), регулятор и расходомер давления поступает в смеситель. Из П О С Л е Д -
Г-С**
Рис. 82. Узел приготовления |
газо - воздушной |
смесн для пламенной завесы: |
|||
/ — природный газ; |
/ / — природный газ |
для |
запальника; / / / — газо - воздушная |
||
смесь для завесы; |
IV— сжатый |
воздух; |
/ — фильтры; 2 — отсечные клапаны; |
||
3— регуляторы давления; 4 |
— расходомеры; |
5 — регулирующие вентили; в—сме |
|||
ситель;"? — маслоуловитель; |
8 — |
манометры |
|
него смесь идет к трубе, снабженной специальными го релками. У каждой из них предусмотрены центральный и периферийный выходы смеси, что позволяет при ма лых ее расходах создавать факел с крупным сечением. Благодаря этому на небольшом расстоянии от устья горелок факелы отдельных горелок сливаются, образуя сплошную завесу, через которую воздух не может про никнуть в печь.
Трубу с горелками поэтому следует устанавливать несколько ниже порога печи. Тогда весь открытый проем будет надежно перекрыт сплошной пеленой раскален ных газов.
248
Для зажигания смеси в момент открытия дверцы предусматривают установку двух дежурных инжекционных горелочек, располагаемых с двух концов над тру бой с горелками.
Если высота открытого проема не превышает 300 мм, то достаточно обычного сетевого давления газа (200 мм вод. ст.).
Расход смеси Q для пламенной завесы определяют в зависимости от площади открытого проема F0 . Он мо жет быть вычислен, согласно экспериментальным дан ным, по формуле
Q = 55,6/? «-6 M3 /4. |
( X I I - 2 3 ) |
Завеса позволяет сохранить стабильность |
состава |
газа в камерной печи при относительно малых расходах защитного газа.
От конструкции дверцы, а главное от того, как она изготовлена, зависят результаты безокислительного на грева. При плотной дверце и надежно действующей пламенной завесе в камерной печи удается осуществить не только безокислительный нагрев, но и нагрев, исклю чающий обезуглероживание.
Для камерных печей экспериментально установлена
следующая эмпирическая |
зависимость |
расхода |
защит |
||
ного газа Qn от периметра дверного |
проема |
П |
(при на |
||
личии завесы): |
|
|
|
|
|
С„ = 2 , 2 П , , 6 м 3 , ' ч . |
|
|
|
|
( X I I - 2 4 ) |
В том случае, когда |
пламенная |
завеса |
отсутствует, |
||
приходится мириться с |
неизбежностью |
проникновения |
воздуха в печь при открытии дверцы, так как потребо валась бы подача огромного количества защитного га за, чтобы этого избежать,
Но во многих случаях использование такой печи воз можно и при относительно малом расходе газа, напри мер когда требуется безокислительный нагрев под за калку крупных изделий.
При закрытии дверцы, некоторое время в газовой среде печи будет существовать высокая концентрация углекислоты и водяных паров. По мере поступления но
вых |
порций свежего защитного газа |
содержание СОг |
и Н 2 |
0 будет постепенно уменьшаться, |
приближаясь к |
заданному. |
|
249
Если |
за время t j , необходимое |
для выравнивания |
||
состава |
газа, |
температура изделия |
не превысит |
650° С, |
то заметного |
обезуглероживания или окисления |
его не |
произойдет |
(предполагается, что защитный газ на входе |
|||
в печь имеет необходимый углеродный |
потенциал |
и |
||
низкую влажность ij?2 = 0,0145% |
(объемы.). |
|
||
Расход газа Q. в последнем |
случае |
определим |
из |
|
уравнения (XII-22). |
|
|
|
|
П р и м е р . |
Предположим, что т 1 = 0 , 2 5 ч; V n = 1,0 м3 ; я|)1 = |
= 6,36%; 1|>=0,109%. Тегда по уравнению (XII-22) Q х 16 м 8 /ч .
Расход, полученный по формуле (XII-22), нужно сопоставить с расходом, определяемым по формуле (XII-24), и выбрать более высокое значение.
При нагреве мелких изделий необходимый расход газа (при от сутствии завесы) сильно возрастает. Так, например, согласно фор муле (XII-22), при х [ = 0 , 1 ч Q составляет 40 м3 /ч.
К О Л П Л К О В ЫЕ П Е Ч И
Колпаковая печь представляет собой цилиндриче скую или прямоугольную камеру, открытую снизу, п несколько неподвижных стендов. Загружаемые материа лы помещают на стенд. Сверху на него устанавливают жароупорный муфель, а затем колпак — камеру печи, выполненную из металлического каркаса с огнеупорной кладкой и теплоизоляцией.
По окончании нагрева колпак отключается п краном переносится на соседний стенд, где предварительно была установлена загрузка и проведена продувка муфеля защитным газом.
Остывание садки осуществляется на стенде под жа роупорным муфелем в среде защитного газа.
Муфель уплотняется масляным или песочным затво ром. У колпака в целях снижения тепловых потерь так же предусмотрен песочный затвор.
Колпаковые печи широко применяют на металлур гических заводах для отжига тонкого листа в пакетах, ленты в рулонах или проволоки в бунтах [59].
Для усиления конвективного теплообмена стенды колпаковых печей снабжены жароупорными вентилято рами: муфелем и конвективными прокладками (диска ми). Защитный газ отбрасывается вентилятором к пе-
250
риферии муфеля, затем через конвективные диски (омы вая торцовые части рулонов) засасывается вентилято ром. При этом стопа рулонов, находящихся сверху, должна быть закрыта.
Такая организованная конвекция значительно повы шает скорость иагрева и делает этот нагрев более рав номерным.
|
Защитный газ подводится |
к каждому |
стенду. Для |
|||||||||
этого |
в них установлены |
газоподводящая |
и |
газоотво- |
||||||||
дящая |
|
трубки. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Питание стенда |
защитным |
газом |
осуществляется |
с |
|||||||
момента продувки до окончательного охлаждения |
садки |
|||||||||||
под муфелем (практически до 150° С). |
|
|
|
|
|
|||||||
|
В период холодной продувки расход газа Qi м3 /ч |
|||||||||||
определяют по уравнению |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(XII-25) |
|
где |
хх |
— время продувки, ч; |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Vn |
— объем свободного пространства, м3 ; |
(принима |
|||||||||
|
|
у—содержание |
кислорода в момент |
T I |
||||||||
|
|
|
ется равным 0,01%). |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
На |
|
поверхности |
холоднокатаного .металла |
содержит |
|||||||
ся |
пленка масла или эмульсии. Так как общая поверх |
|||||||||||
ность |
садки велика, а газообмен в колпаковых |
печах |
||||||||||
относительно мал, то под |
муфелем |
во |
время |
нагрева |
||||||||
происходит загрязнение газовой среды |
продуктами |
пи |
ролиза и крекинга смазки. Последняя обогащается ме таном, окисью углерода, парами воды и по своим свой
ствам весьма сильно отличается отсвойств |
вводимого |
|||
под муфель защитного газа (см. гл. XV) . |
|
|||
Газообмен в период нагрева должен к моменту вы |
||||
держки |
обеспечить |
практически полное удаление из |
||
рабочего пространства продуктов возгонки смазки. |
||||
Расход газа Q2 в этот период определим по уравне |
||||
нию |
|
|
|
|
у' = |
1 0 0 е х р ( - Q2/Vn), |
(XII-26) |
||
где |
у— остаточное |
содержание заменяемой |
атмосферы |
|
|
|
по истечении 1 ч (принимается равным 0,1%). |
||
Для цилиндрических печей с диаметром |
песчаного |
|||
затвора |
до 1,5 м потери газа, обусловленные |
фильтра- |
251