Термическая обработка стали

 

 

 

2.1.2. Подготовка  печи к работе

 

1. Инструкция  БТИ-26-01-94 /Т-2,Т-3/  /"По охране  труда для рабочих участка №1 термического цеха №3"/ определен порядок пуска, остановки и эксплуатации камерных печей, а также возможные неисправности и пути их устранения.

2. Схема газопроводов печей представлена на рисунке 7.

 

Рисунок 7 – Схема газо – воздухопроводов цементационной печи

 

2.1.3. Сушка и разогрев  печи

 

1. Сушку и  разогрев печи после капитального  ремонта производить следующим  образом:

Поднимается температура  до 150⁰С и далее после выравнивания температуры по всем зонам делается выдержка 30 минут. Затем поднимают температуру на 50⁰С и, также, делается выдержка 30 минут. И так каждые 50⁰С до 850⁰С. При 850⁰С делается выдержка 8 часов. Далее также по 50⁰С до заданной температуры.

Подачу эндогаза можно производить при температуре 750⁰С, но не ниже.

Скорость разогрева печи необходимо поддерживать путем изменения расхода газа и воздуха при всех включенных горелках.

 

2.1.4. Ведение  теплового режима

 

1. Порядок сборки  садки, загрузка ее в печь, температура  нагрева и охлаждения, продолжительность  выдержки и охлаждения определяются технологической.

2. В период  подъема температуры давление  в печи должно быть не менее  10 Па.

3. Режим термообработки  вести таким образом, чтобы  показания всех термопреобразователей  имели одинаковые значения. Выравнивание  температуры производить путем изменения подачи газа и воздуха дистанционно – кнопкой на все горелки, и вручную – открывая или прикрывая задвижки на газо- и воздухопроводе каждой горелки.

4. К концу  периода выдержки металл должен  иметь равномерную окраску по  длине и по объему садки. Стенки печи должны быть одного цвета с металлом.

 

2.2. Расчет горения  топлива

 

На ООО «ЧТЗ-Уралтрак»  поступает природный газ Бухарского месторождения.

На отводах природного газа к цехам установлены газорегуляторные пункты (ГРП), работающие в автоматическом режиме и поддерживающие постоянное давление газа. После ГРП в цехах имеются газорегуляторные установки (ГРУ), которые также работают в автоматическом режиме и поддерживающие постоянное давление газа на потребителях.

 

2.2.1. Определение  расхода воздуха

 

Химический  состав природного газа указан в таблице 8

 

Таблица 8 – Химический состав природного газа

Метан	CH4	97,8%
Этан	C2H6	1,6%
Пропан	C3H8	0,4%
Углекислый  газ	CO2	0,12%
Азот	N2	0,1%

 

Влажность составляет 23 г/м³. Определим состав влажного газа:

,       (1)

где W – влажность  газа.

 

Составим стехиометрические  реакции горения горючих компонентов топлива:

CH₄+2О₂→CO₂+2Н₂О

C₂H₆+3,5О₂→2CO₂+3Н₂О

C₃H₈+5О₂→3CO₂+4Н₂О

Из реакции  видно, что для сжигания 1 моля CH₄ требуется 2 моля О₂; соответственно 1 моль C₂H₆ – 3,5 моль О₂; 1 моль C₃H₈ – 5 моль О₂.

Поскольку 1 моль любого газа занимает один и тот же объем, равный 22,4 м³, для полного сжигания компонентов газа требуется:

22,4 м³ CH₄→44,8 м³ О₂

22,4 м³ C₂H₆→78,4 м³ О₂

22,4 м³ C₃H₈→112 м³ О₂

В 100 м³ природного газа рассматриваемого состава содержится 97,8 м³ CH₄; 1,6 м³ C₂H₆; 0,4 м³ C₃H₈; 0,12 м³ CO₂; 0,1 м³ N₂. Для сжигания этих компонентов соответственно требуется:

CH₄→95,084∙2 = 190,168 м³

C₂H₆→1,555∙3,5 = 5,443 м³

C₃H₈→0,379∙5 = 1,895 м³

Итого 197,506 м³ кислорода.

Если сжигание происходит в сухом воздухе, то доля кислорода в нем по объему составляет 21%, а остальные 79% приходится на азот. Таким образом, количество азота в воздухе в 79/21 = 3,762 раза больше количества кислорода. Поэтому расход воздуха для сжигания

100 м³ газа рассматриваемого состава будет равен:

V_B = 197,506+197,506·3,762 = 940,524 м³.

 

На практике для полного  сжигания топлива требуется количество воздуха, несколько превышающее  теоретическое и называемое действительным расходом. Отношение действительного  расхода к теоретическому называют коэффициентом расхода воздуха (α). Значение α = 1,05.

Расход воздуха, состав и количество продуктов сгорания природного газа приведены в таблице 9.

 

Таблица 9 - Расход воздуха, состава и количества продуктов сгорания природного газа в воздухе	Продукты сгорания, м3	Всего	-		-		-	-		-	-	α=1,0	1041,680	100	α=1,05	1088,779	100
		N2	743,018							0,097	-		743,115	71,34		780,266	71,67
		О2	-	-		-		-		-	-		-			9,948	0,91
		Н2О	190,168	4,665		1,516		-		-	2,768		199,117	19,11		199,117	18,28
		CO2	95,084	3,110		1,137		0,117		-	-		99,448	9,55		99,448	9,14
	Воздух, м3	Всего											940,524	100		987,550	100
		N2	197,506х3,762= 743,018										743,018	79,0		780,169	79,0
		О2	190,168	5,443		1,895		-	-		-		197,506	21,0		207,381	21,0
	Топливо	Коли-чество, м3	95,084	1,555		0,379		0,117	0,097		2,768		100	-		100	-
		Содер-жание, %	95,084	1,555		0,379		0,117	0,097		2,768		100	-		100	-
		Компо-ненты	CH4	C2H6		C3H8		CO2	N2		Н2О		∑	∑, %		∑	∑, %

 

 

2.2.2. Определение  количества и состава продуктов  сгорания

 

Для горения  газа, рассматриваемого состава в  воздухе при α = =1,0 материальный баланс выглядит следующим образом:

 

Поступило:

CH₄   95,084·16 кг = 1521,344 кг

C₂H₆   1,555·30 кг = 46,650 кг

C₃H₈   0,379·44 = 16,676 кг

CO₂   0,117·44 = 5,148 кг

О₂   197,559·32 = 6321,888 кг

N₂ из воздуха 743,217·28 = 20810,076 кг

N₂ из газа  0,097·28 = 2,716 кг

______________________________

Итого:  28724,498 кг

 

Получено:

CO₂   (0,117+99,331)·44 кг = 4375,712 кг

Н₂О   196,349·18 кг = 3534,282 кг

N₂ из воздуха 20810,076 кг

N₂ из газа  2,716 кг

_______________________________

Итого:  28722,786 кг

 

Расхождение в приходной и расходной частях материального баланса, обусловлено накоплением ошибки при вычислениях, является приемлемым, поскольку не превышает 0,1 %.

 

 

2.2.3. Определение  температуры горения

 

Рассчитываем  низшую теплоту сгорания топлива:

      (2)

где   – тепловой эффект реакции горения соединения;

 – доля составляющей в  газе.

 кДж/м³

Найдем энтальпию  продуктов сгорания:

        (3)

где – средняя объемная теплоемкость продуктов сгорания, кДж/(м³ град);

 – калориметрическая температура.

       (4)

где – объем продуктов сгорания, образующихся при сгорании единицы объема топлива, м³/м³.

Тогда энтальпия  продуктов сгорания:

        (5)

 кДж/м³

Зададимся возможной  температурой продуктов горения 1900⁰С:

 

 кДж/м³

 

Поскольку значение зададимся температурой продуктов сгорания 2000⁰С:

 кДж/м³

 

Поскольку , то действительная калориметрическая температура лежит в пределах 1900…2000⁰С и может быть найдена интерполяцией:

⁰С

Определим действительную температуру горения по формуле:

       (6)

где  h_пир – пирометрический коэффициент, h_пир=0,8…0,85;

t_К – калориметрическая температура горения, °С.

 

°С

 

 

 

 

 

2.3. Расчет нагрева металла

 

Произведем  расчет времени нагрева садки  в проходной закалочной печи. Садка  состоит из трех шестерен. Температура  нагрева металла – 810 °С, температура печи – 840 °С. Шестеренки укладываются на поддон, габариты которого B´H´L = 0,558´0,05´0,558 м.

В зависимости  от геометрии нагреваемые тела подразделяются на тонкие и массивные. Условной границей между тонкими и массивными телами является значение критерия Био, равное 0,25, при котором максимальный перепад температур составляет 10 % от начальной разницы температур металла и среды. Таким образом, если мы получим Био меньше 0,25, то садка будет считаться теплотехнически тонкой, если же Био больше 0,25, то садка теплотехнически массивная.

Критерий Био  рассчитывается по формуле [7]:

        (7)

где  S – характерный геометрический размер изделия, 1000 мм;

l_эф - эффективная теплопроводность садки, Вт/(м×К);

a – коэффициент теплопередачи, Вт/м²×К.

Учитывая сложность  теплового процесса на поверхности  нагреваемого изделия, коэффициент теплоотдачи считают сложной величиной, которая равна сумме коэффициентов теплоотдачи лучеиспусканием a_л и конвекцией a_к, для среднетемпературных печей, он может быть принят равным 10…15 Вт/м²×К:

       (8)

Коэффициент теплоотдачи рассчитывается по формуле:

     (9)

 

где  Т_г – температура дымовых газов в рабочем пространстве печи, К;

Т_Мср – средняя температура нагреваемого металла, К;

e_м – степень черноты поверхности изделия;

К – коэффициент, учитывающий процессы лучеиспускания дымовых газов, изделия и стенок печи. Он выражается формулой:

,    (10)

 

где  ε_г – степень черноты дымовых газов;

w - степень развития кладки, ее численное значение приблизительно равно отношению суммарной внутренней поверхности стенок и свода печи F_п к воспринимающей тепловое излучение поверхности металла F_м:

,        (11)

                       (12)

Степень черноты  дымовых газов зависит от состава. В состав печных дымовых газов в основном входят азот, углекислый газ и водяной пар. Азот, как двухатомный газ имеет малую интенсивность теплового излучения, поэтому степень черноты дымовых газов определяется из выражения:

,       (13)