Нагрев стали в печах

Копытов В.Ф.

Металлургиздат, 1955 г.

Теплообмен в печах

Скорость нагрева стали зависит от конструкции и тепловой мощности нагревательной печи, от условий внешней теплопередачи к металлу в печи, от физических свойств надеваемого металла и условийпередачи тепла внутри нагреваемого изделия.

В нагревательных печах топливо сжигается в рабочем пространстве печи. Выходящие из форсунки или горелкивоздух и топливо образуют при горениифакел с переменной температурой по длине и поперечному сечению. Газы факела не заполняют полностью рабочего пространства печи и, обладая запасом кинетической энергии, подсасывают продуктыгорения топлива из пространства, окружающего факел. Поперечные размерыфакела увеличиваются по мере его движения от горелки за счет подсасываемых газов и вследствие реакций горения топлива. В термических печах топливо сжигается в отдельных топках, обычно расположенных под подом печи. Рабочее пространство термических печей заполнено продуктами законченных реакций горения топлива.

В промышленных печах тепло от газов передается нагреваемым предметам и кладке печи посредством конвекции и лучеиспускания. При высоких температурах большая часть тепла передается на изделия лучеиспусканием, а при низких, например в печах при температурах ниже 700°, преимущественно конвекцией. Скоростьпередачи тепла конвекцией па данную поверхность тем больше, чем выше Скоростьдвижения газов. Кроме газов, в передаче тепла к металлу участвуют стенки и свод рабочего пространства печи, очень часто нагретые неравномерно, а в камерных печах периодического действия, например для нагрева крупных слитков, температура их изменяется во времени, поэтому условияпередачи тепла в печах очень сложные. В то время как теплопередачаконвекцией усиленно изучается, наши знания о теплопередаче излучением, особенно от светящегося пламени, ограничены.

Рассмотрим кратко условиятеплообмена в нагревательной печи.

Теплообмен между двумя телами. В печи происходит теплообмен между кладкой и нагреваемыми изделиями. Тепловое лучеиспускание отличается от светового большей длиной волны, но распространяется со скоростью света.

Никель, кобальт и молибден могут увеличивать растворимостькислорода в железе и проникновение кислорода по граням зерен. Увеличение растворимостикислорода может вызвать поверхностныетрещины на металле при горячей обработке или при травлении.

При окислении высоколегированных жаропрочных сталей окисление изделии ограничивается образованием па поверхностиизделий очень топкого слоя окислов.

Устойчивость жаропрочных сталей против окисления объясняется образованием на поверхностиметалла защитной пленки, состоящей из окислов легирующих элементов. Эта пленка должна обладать хорошим механическим сцеплением и плотностью, а также незначительной газовой проницаемостью. Образование и сохранение защитной пленки обусловливаются достаточной диффузией легирующего элемента из основного сплава к поверхности; проникающий через защитную пленкукислород должен связываться.

Для жаропрочных сталей опасно образование эвтектик в окалине, например добавка 0,04<у0 В к стали с 30% Сr приводит к ее окислению при 1200°. Сталь, содержащая более 5% Si, окисляется при температуре выше 1200°, вследствие образования эвтектики FeO — SiO2 с температуройплавления 1180°.

Обмазки, применяемые иногда для предохранения стали от окисления, должны размягчаться при высокой температуре, но в них не допускается образования трещин; обмазки должны быть не проницаемыми для железа.

Окислы благородных металлов обладают при температуре окисления более высокой упругостью диссоциации, чем парциальное давлениекислорода воздуха. Например, образующийся на серебре при низких температурахповерхностный окисел распадается после нагрева до 300°; при этой температуреупругостьдиссоциации окиси серебра AgaO равна парциальному давлениюкислорода воздуха. Вследствие высокой упругостидиссоциации и неустойчивости окислов на поверхности благородных металлов не образуется толстых слоев окислов.

Однако покрытие простых металлов благородными с целью защиты их от окисления достигает цели только при умеренных температурах. При высоких температурах кислород, хорошо растворяясь и быстро диффундируя вглубь слоя покрытия, проникает к основному металлу и образует слой окисла на внутренней стороне покрытия.

Способность металла противостоять окислению определяется составом и упругостьюдиссоциации окислов, а также физическими    свойствами слоя окислов: пористостью и трещиноватостью.