Файл: Несенчук А.П. Пламенные печи для нагрева и термообработки металла учеб. пособие.pdf

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