Free Student HQ / FSHQ / "Штаб-Квартира свободного Студента"

Скоростной нагрев металла

Одним из направлений развития современных конструкций печей является разработка и внедрение скоростных печных агрегатов, в которых используются скоростные методы нагрева металла.

Известно, что применение скоростного нагрева позволяет улучшить качество стали. Ускоренно нагретая сталь обладает более мелкозернистой структурой, имеет лучшие пластические свойства при высокой температуре, требует меньшей затраты энергии на деформацию при штамповке изделий, при равной затрате энергии может быть нагрета до более высокой температуры.

Кроме того, при ускоренном нагреве неметаллические включения, находящиеся между зернами, не успевают оформиться в крупные скопления, увеличивающие внутреннее сопротивление металла. Правильно организованный скоростной нагрев позволяет существенно снизить окисление и обезуглероживание (обезлегирование) стали.

При разработке режимов и конструкций печей скоростного нагрева возникает целый ряд проблем и задач, решением которых в разное время занимались Н. Н. Доброхотов, Н. Ю. Тайц, М. А. Глинков, В. Ф. Копытов, А. Е. Ерииов, В. С. Шкляр, В. Н. Григорьев, Г. Н. Хейфец, И. С. Ситковский и др. На основании полученных ими результатов разработаны принципы скоростного нагрева, которые реализованы в специализированных нагревательных и термических печах.

Первоначально скоростной нагрев осуществлялся в кузнечно-штамповочном производстве в обычных нагревательных печах за счет того, что температура печи на 100—200°С была выше заданной температуры металла. Затем были созданы и продолжают создаваться специальные конструкции печей скоростного пламенного и электронагрева.

Широкое распространение получил индукционный нагрев, как наиболее приспособленный по сравнению с другими видами электронагрева для поточно-массового производства. Менее распространен прямой электрокон-тактный нагрев, а также электроиагрев в печах сопротивления с косвенным радиационным теплообменом.

Из диаграмм нагрева круглых и квадратных образцов в обычных кузнечных печах, пламенных печах скоростного нагрева под ковку и при индукционном нагреве, построенных по данным М. Г. Лозинского (рис. 1), видно, что при скоростном нагреве заготовок (область II) время нагрева заметно сокращается по сравнению с временем обычного нагрева в кузнечных печах (область I) и соизмеримо с временем при индукционном нагреве (область III).

Существенными недостатками индукционных печей по сравнению с пламенными являются трудность нагрева заготовок различного поперечного сечения и длины, что часто требуется по технологии, а также высокие капитальные затраты и эксплуатационные расходы. Скоростной газовый нагрев по своим качественным показателям приближается к индукционному, что и определяет его эффективность.

Скоростной газовый нагрев осуществляется в секционных печах, в которых используется принцип скоростного радиационного нагрева. Секционный принцип построения печей позволяет достичь высоких теплонапряжений в рабочем пространстве и получить, таким образом, высокую температуру печи. Наиболее эффективно секционные печи работают при температуре секции около 1450—1500°С, а это предъявляет особые требования к футеровке. Для таких печей характерна массивная кладка из плотных огнеупоров, что обусловливает их повышенную инерционность.

В последнее время получают распространение пламенные печи с интенсифицированным конвективным теплообменом, которые имеют ряд преимуществ перед печами скоростного радиационного нагрева. Они обладают малой тепловой инерцией, с помощью системы автоматики быстро переходят на режим холостого хода (режим простоя), что важно при аварийной остановке пресса или другого деформирующего оборудования, легко устанавливаются в поточную линию производства.

В основу разработки таких печей положен метод использования высокотемпературного потока, направленного непосредственно на нагреваемую заготовку, который обеспечивает высокую скорость нагрева в связи с тем, что при прямом нагреве коэффициент передачи тепла конвекцией к изделию больше, чем к кладке. Конвективная составляющая теплообмена здесь существенно возрастает и в некоторых случаях достигает 80%.

Скоростные горелки

В нагревательных печах с интенсифицированным конвективным теплообменом в качестве обязательного элемента системы отопления применяют скоростные горелки, создающие потоки продуктов сгорания с температурой 1600—1800°С и скоростью 100—200 м/с.

В нашей стране и за рубежом развиваются два типа конструкций скоростных горелок: с керамической камерой и с охлаждаемой металлической камерой. К недостаткам горелок с керамической камерой горения следует отнести локальные перегревы отдельных ее участков, приводящие к оплавлению и появлению трещин, и тяжелые условия работы выходного сопла. У горелок с металлической камерой срок службы больше, однако они имеют более сложную конструкцию и изготавливаются из дефицитных дорогостоящих марок сталей.

Горелка типа ГВ (рис. 2, а) включает воздухоохлаждаемую камеру горения, изготовленную из жаропрочной стали Х23Н18, кожух из стали Х18Н10Т. Воздух нагревается в каналах кожуха и поступает далее в смеситель с периферийной струйной подачей газа в поперечный поток воздуха. Горячая смесь воспламеняется с помощью электросвечи. Диаметр камеры горения составляет 2,5 диаметра входного патрубка, а длина камеры равна трем ее диаметрам. Расход природного газа для горелок равен 0,001 — 0,004 м³/с. Максимальная скорость истечения продуктов сгорания 200 м/с.

Техническая характеристика горелок ГВ приведена ниже.

Горелка типа СВП (рис. 2, б) предназначена для работы на холодном и подогретом воздухе. Газовые струи подаются из центрального сопла под углом к периферийному потоку воздуха. С целью изменения степени выжига газа и поддержания температуры стенки камеры горения на допустимом уровне по условиям длительней работы стали Х23Н18 предусмотрена возможность установки газовых сопл разной конструкции. При подаче в горелку холодного воздуха максимальная температура стенки камеры горения составляет 900°С. Если в горелку поступает воздух с температурой 400°С, то максимальная температура стенки камеры горения возрастает до 960°С.

Номинальное давление газа при работе на холодном воздухе равно 10 кПа, давление воздуха — 5 кПа. При подаче воздуха с температурой 400°С номинальные давления равны соответственно 7 и 11 кПа.

Испытания трех типоразмеров горелок с различными газовыми насадками и с номинальной производительностью 6, 15, 35 м³/ч показали, что горелки устойчиво работают в широком диапазоне изменения производительности. Температура продуктов горения 1600—1700°С. Тепловые напряжения топочного объема достигают 80—90 мВт/м³ при длине цилиндрической части туннеля 1,7—2,0 его диаметра. Расчетная скорость истечения продуктов горения из горелочного туннеля 150 м/с при сгорании 80—95% топлива в стехиометрическом режиме и при давлении природного газа и воздуха перед горелкой 4,5 и 3,5 кПа соответственно.

Разработана методика расчета горелок, предложено пять типоразмеров скоростных горелок для расхода газа от 7 до 70 м³/ч. Горелки снабжены пилотно-запальными устройствами (ПЗУ), работающими как на предварительно подготовленной смеси природного газа с воздухом, так и при раздельной подаче газа и воздуха. ПЗУ рассчитаны на расход газа от 0,5 до 3,0 м³/ч, снабжены искровым зажиганием и выполнены в двух вариантах — с симметричным и боковым расположением по отношению к оси горелки.

Промышленное опробование скоростных горелочных устройств поставило проблему стойкости огнеупорного материала, из которого выполнен горелочный туннель, в особенности при подаче в горелки подогретого воздуха. Так, при подогреве воздуха до 300°С температура в туннеле достигает 1800—1900°С. Это обстоятельство ограничило выбор огнеупорных материалов для использования в горелочных туннелях скоростных горелок.

В связи с этим были проведены исследования с целью изыскания эффективных способов облегчения условий эксплуатации материала горелочного туннеля. В результате была создана скоростная горелка типа СВ (рис. 3, б) с аэродинамической защитой внутренней поверхности туннеля. От горелки ГНПС она отличается наличием в корпусе смесителя специального устройства для разделения воздуха, подводимого к горелке, на два потока — центральный, непосредственно участвующий в образовании газовоздушной смеси, и периферийный, растекающийся тонким пристенным слоем вдоль внутренних поверхностей туннеля и защищающий их от прямого контакта с факелом. Кроме ряда отверстий для перераспределения воздуха, горелочное устройство содержит цилиндр для формирования пристенного слоя охлаждающего потока и для защиты его начальной зоны от аэродинамического воздействия факела. Количество воздуха, охлаждающего стенки, составляет до 30% расхода воздуха на горение.

Исследования показали, что горелочное устройство устойчиво работает в диапазоне изменения производительности 1 : 6 при увеличении коэффициента избытка воздуха до 3—6 в зависимости от количества воздуха, подаваемого на охлаждение стенок. Температура внутренней поверхности горелочного туннеля в наиболее напряженном месте (в выходном сечении) при стехиометрическом соотношении и подогреве воздуха до 250°С на 500—600°С ниже, чем в горелках типа ГНПС.

Горелочные устройства типа СВ прошли проверку в промышленных условиях и государственные испытания. Разработана техническая документация на несколько типоразмеров горелок СВ производительностью 7—55 м³/ч.

За рубежом широко распространены горелки с централизованной подачей горючей смеси фирмы «Лютили-засион расионель де Га» («УРГ», Франция), которые выполняются в виде блока, набираемого из типовых элементов (рис. 4). Горючая смесь через патрубок 1 подводится тангенциально в камеру 7 и далее через диффузорный керамический туннель 3 поступает в горелочиую камеру 4 с сужающимся участком 5, изготовленную из высокоогнеупорной керамической массы. Камера 7 соединена с керамической вставкой 6, уплотнительной прокладкой 2У выполненной из керамики.

В настоящее время фирмой созданы новые конструкции горелок, предназначенные для нагрева крупных деталей. В этих горелках сжигается как газообразное, так и жидкое топливо до 200 кг/ч.

Фирмой «Газ де Франсе» разработана металлическая скоростная горелка с выходной скоростью продуктов горения 150—200 м/с. Создано пять типоразмеров горелок: четыре без встроенного рекуператора тепловой мощностью от 90 до 1200 кВт, один — со встроенным рекуператором мощностью 60 кВт. Наиболее существенные эксплуатационные показатели этих горелок: диапазон регулирования 1:20; рабочий диапазон коэффициента расхода воздуха — от 0,9 до 3,0; температура горячих частей горелки при максимальной производительности — не более 800°С. Горелки могут работать на различных газах, имеют элсктрозажигание и устройство контроля пламени.

Фирмой «Селас» (США) разработана скоростная горелка с частичным предварительным смешиванием (рис. 5). Она оборудована пилотно-запальным устройством с электрозажиганием. Вторичный воздух, пройдя по двухходовому контуру, охлаждает керамический туннель и поступает в камеру горения через систему отверстий во входном участке. Такая конструкция горелки позволяет получать в горелочном туннеле более высокие температуры продуктов горения и повышает стойкость футеровки.

Разрабатываются скоростные горелки фирмой «Ин-дугаз» (ФРГ), в которых возможно использование воздуха, нагретого до температуры 400—600°С (рис. 6). Из центрального отверстия в камеру горения со скоростью 20—40 м/с поступает газ, а из отверстий, расположенных вокруг газового сопла, со скоростью 100—200 м/с — воздух. Особенностью конструкции таких горелок является то, что воздушные отверстия расположены по конической поверхности таким образом, что вытекающие струи воздуха образуют закрученный поток по оси, совпадающей с осью горелки. Это обеспечивает хорошее перемешивание воздушного и газового потоков и интенсивное сжигание смеси. Горелки разработаны в двух вариантах: со встроенным рекуператором и без него.

Кроме описанных конструкций скоростных горелочных устройств, имеются и другие, которые отличаются системой подвода топлива и окислителя, применением различных способов охлаждения (воздушного, водяного, комбинированного), что способствует эксплуатационной стойкости камер сгорания.

Таким образом, созданы различные конструкции горелочных устройств, которые могут быть применены в печах струйного нагрева. Каждая горелка имеет свои особенности, которые необходимо принимать во внимание при решении вопроса применения ее в конкретных условиях эксплуатации и в соответствии с требованиями технологии нагрева.

Печи струйного нагрева являются, как правило, многогорелочными аппаратами, поэтому особое внимание должно уделяться системам автоматического розжига горелок и контроля за их работой в процессе эксплуатации.

 

 

Сайт создан в 2012 г. © Все права на материалы сайта принадлежат его автору!
Копирование любых материалов сайта возможно только с разрешения автора и при указании ссылки на первоисточник.
Яндекс.Метрика