Промышленные печи
Тринкс В
Москва, 1961 г.
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТОПЛИВЕ
Для лиц, имеющих дело с промышленными печами, важно знать свойства топлива, возможности его приобретения и сравнительную стоимость.
В промышленных печах сжигаются следующие топлива.
1. Газообразные топлива: а) с высокой теплотворностью (богатые газы) —природный, светильный, коксовый, водяной, нефтезаводекой газы, бутан и пропан;
б) с низкой теплотворностью (бедные газы) — генераторный (неочищенный и очищенный), доменный, смешанный (коксовый с доменным).
2. Жидкие топлива, начиная с легких погонов нефти — керосина, солярового масла и др., до тяжелых остатков — мазута и смолы.
3. Твердые топлива: уголь и кокс, сжигаемые на колосниковых решетках, а также угольная пыль.
Электрическая энергия, не будучи топливом, заменяет последнее, так как она может быть легко превращена в тепло. Ядерная (атомная) энергия пока еще не применяется для нагрева в промышленных печах.
Примерные характеристики некоторых важнейших топлив приведены в табл. I.
Выражение «адиабатная температура горения» или «теоретическая температура горения» обозначает ту температуру, которая получилась бы при сжигании топлива с теоретически необходимым количеством воздуха при постоянном давлении в хорошо изолированной камере. Теоретическая температура горения различных видов топлива при разном подогреве и избытке воздуха показана на кривых рис. 1—10. При подсчете этих температур не принималась во внимание диссоциация газов.
2. УСТРОЙСТВА ДЛЯ СЖИГАНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА
Общие замечания о газовых горелках
Горение газообразного топлива легко поддается контролю и регулированию. При большем открытии вентиля расход топлива увеличивается, при частичном закрытии вентиля подача топлива снижается. Газ и воздух можно смешивать быстро или медленно в зависимости от конкретных требований в каждом отдельном случае.
Этой легкостью регулирования, вероятно, объясняется, почему потребовалось так много времени для создания хороших конструкций промышленных газовых горелок, в то ьремя как нефтяные форсунки освоены гораздо раньше.
Испытания показали, что при сжигании газообразного топлива в промышленных печах нет необходимости рассматривать физико-химические константы равновесия реакций горения, так как скорость этих реакций практически бесконечно велика. Другими словами, если температура» при которой происходят соединения молекулы горючего и молекулы кислорода, выше температуры воспламенения, то реакция происходит мгновенно. Из этого логически следует, что скорость сгорания тождественна со скоростью смешения газа с воздухом. При тщательном перемешивании газа и воздуха горение начинается немедленно, как только температура смеси достигает температуры воспламенения. Поэтому конструкция горелки характеризуется в первую очередь конструкцией смесителя. Из этого следует, что для всех горелок (за исключением горелск с полным предварительным смешением газа с воздухом) конструкция камеры горения (а также форма и температура садки) оказывает глубокое влияние на 'Процесс горения как в пространстве, так и во времени.
Если требуется исключительно большая скорость тепловыделения, то следует хорошо приготовленную смесь топлива с воздухом быстро нагреть до температуры воспламенения. Время в течение которого на оси струи газовоздушной смеси достигается такая температура, определяется скоростью распространения пламени и толщиной струи. Из этого следует, что сгорание ускоряется, если газ и воздух выходят из горелки тонкими струйками или полосками.
РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ В ПЕЧИ
Основные задачи
Название главы «Регулирование температуры в печи» не совсем точно. На самом деле регулированию подлежит не температура печи, а температура садки. Мы сохраняем все же это неточное название, так как оно получило в печной технике широкое распространение.
В зависимости от назначения печи в процессе нагрева преследуется цель:
1) довести температуру наружной поверхности нагреваемого материала до заданной величины и поддерживать ее постоянной до тех пор, пока вся садка равномерно прогреется или
2) изменять температуру садки в соответствии с заданным режимом за определенный период времени.
В обоих случаях желательна равномерность нагрева всей садки, учитывая ее расположение в печи. Это, конечно, не относится к непрерывно работающим печам. Причины, заставляющие добиваться заданной температуры садки без перегрева, просты. При каждом технологическом процессе для доброкачественной обработки любого материала необходима некоторая минимальная температура- При превышении этой температуры нагрева не только зря затрачивается тепло, но часто возникают такие нежелательные последствия, как повышенное окалинообразование, оплавление, пережог, химические изменения, трещины и пр.
РЕГУЛИРОВАНИЕ ПЕЧНОЙ АТМОСФЕРЫ
Значение печной атмосферы
Хотя нагрев твердых тел в промышленных печах рассматривается в основном как физический процесс, однако нельзя пренебрегать и химическими реакциями между садкой и окружающей средой. Как правило, химические реакции при повышенной температуре протекают быстрее, чем при комнатной и, реакции в печах не являются исключением из этого правила. Если не учитывать взаимодействия между садкой и подом, остаются реакции между садкой и окружающей средой, которая может быть твердой, жидкой или газообразной. Газообразная среда в печи называется печной атмосферой. Некоторые твердые материалы, в которые иногда погружается (упаковывается) садка, (выделяют при высоких температурах газы, которые также входят в состав атмосферы печи.
Характер химических реакций между садкой и атмосферой, разумеется, меняется в зависимости не только от температуры, но также и от химического состава садки и той атмосферы, которая преобладает в печи. Большей частью садка металлическая, иногда керамическая. Изучение всех химических взаимодействий между садкой и печной атмосферой относится к области металлургического или керамического производства. Но для того чтобы разобраться в том, каковы возможности автоматического регулирования атмосферы и что его лимитирует, необходимо рассмотреть некоторые основные положения химии.
Прежде чем заняться, однако, этими вопросами, следует напомнить, что в практике существует два типа печной атмосферы, а именно: естественная, или атмосфера горения, и искусственно созданная, или контролируемая, которая может быть газообразной или жидкой (если мы распространим и на последнюю понятие «атмосферы»). Естественная атмосфера, или атмосфера горения, содержит продукты более или менее полного сгорания, а именно: N2, CO2, Н2О, СО, и иногда SO2. Искусственные атмосферы состоят главным образом из N2, CO, H2.
Устройства, предназначенные для экономии труда при обслуживании печей периодического действия
Обширную область занимает группа устройств для загрузки в печь нагреваемого материала и выдачи его оттуда. Сюда относятся как простое оборудование вроде тиглей, поддонов, подставок, так и сложные краны, шаржир-машины и др. Поддоны и подставки для загрузки нагреваемых изделий, применяемые как для мелких деталей, так и для довольно крупных, как например вагонные стяжки, — весьма просты. Типичный поддон эскизно изображен на рис. 174. Короткие ножки, которыми снабжена подставка, выполняют двоякую роль: во-первых, позволяют подводить между поддоном и подиной подъемную вилку или хобот шаржир-машииы и, во-вторых, оставляют между
подом печи и нагреваемым материалом достаточный зазор для прохода печных газов. Не на всех поддонах нужны ножки для подхватывания, так как на подинах некоторых печей устраивают ручьи, в которые могут заходить пальцы загрузочного устройства- Для этой же цели служат иногда рельсы на подине.
Само собой понятно, что тепло, поглощенное поддоном, теряется при выгрузке, за исключением тех случаев, когда поддон опорожняется и немедленно вновь загружается в печь, не успев охладиться. Поскольку на практике последний случай встречается довольно редко, можно считать, что тепло, поглощаемое поддонами, как правило, теряется. По этой причине поддоны делают возможно более легкими, насколько позволяют условия прочности и жесткости. Некоторые поддоны изготовляют из сетки, как показано на рис. 175; их применяют обычно для ванных печей, вроде изображенной на рис. 169. Поскольку они постоянно опираются на ролики, даже в ванне, то могут быть выполнены весьма легкими. Поддоны изготовляют из жароупорных и нержавеющих сплавов. Садка, загружаемая в одни поддоны, нагревается в продуктах сгорания, в другие — в науглероживающей, газовой или жидкой среде, в третьих — подвергается закалке.
Прочность поддонов, проталкиваемых через длинную печь, должна быть достаточной, чтобы противостоять истирающему действию на всем пути перемещения поддонов. В этом случае поддоны из проволочной сетки, конечно, не подходят.