Проектирование и эксплуатация промышленных печей.

Исламов М. Ш

Химия, 1986 г.

ПЕЧНАЯ СРЕДА

Печная среда — это совокупность химических веществ (в газовой, жидкой, твердой фазах), окружающих исходные материалы и получаемые продукты в рабочей камере печей и невступающих с ними в химические взаимодействия.

По фазовому и химическому составу печные среды подразделяются на гомофазные с одним или более химическими веществами, находящимися в одной фазе (например, N2, СO2, NH3, СН4, РН3, Н2O , Аr, Не и т. д.), и гетерофазные с двумя или более химическими веществами, находящимися в разных фазах (например, в сталеплавильной печи среда состоит из различных химических веществ в газовой, жидкой и твердой фазах).

Печную среду составляют продуктыгорения топлива, отходы физических и химических превращений исходных материалов, она может быть искусственно создана путем ввода в рабочую камеру печи соответствующих композиций веществ, обеспечивающих защиту исходных материалов и получаемых целевых продуктов от нежелательных химических процессов.

Специально вводимые в рабочую камеру печи или создаваемые в ней химически активные вещества, которые вступают в целевые химические реакции с исходными материалами или с получаемыми продуктами, необходимо рассматривать как реагенты химических реакций наряду с другими исходными материалами

Печная среда находится в контакте с футеровкой рабочей камеры печи и влияет на ее стойкость. Она непосредственно участвует в процессах теплообмена. Печная среда является элементом печной системы, поэтому все термотехнологические, теплотехнические и механические процессы, протекающие в рабочей камере печи, необходимо рассматривать совместно с функциями, которые эта среда выполняет.

Газовая фаза печной среды

Газовая фаза печной среды (в дальнейшем — газовая среда) представляет собой высокотемпературную смесь химических веществ в газообразном состоянии, окружающих исходные материалы, получаемые продукты и поверхность рабочей камерыфутеровки печи. Она является энергетической базой многих термотехнологических процессов, протекающих в печах. Газовая среда доставляет реагенты в реакционную зону и отводит полученные продукты. Она формируется из продуктов полного и неполного горения топлива, отходов, целевых продуктов химических реакций, возгонов, паров воды, металла и т. д. или создается специально как защитная среда от нежелательных реакций исходных материалов и получаемых целевых продуктов. Газовая среда оказывает самое существенное влияние на весь ход печного процесса, она приводит к повышенной загрязненности полученных металлов неметаллическими включениями и к газонасыщенности, разрушающе действует на футеровку печи. Вместе с тем, химический состав и физические свойства газовой среды зависят от них.

Состояние газовой среды, выполняемые ею функции и поведение находятся в непосредственной зависимости от ее химического состава, температуры и давления. В зависимости от давления печную среду можно подразделить на плотную и разреженную (вакуум).

Плотная газовая среда. При плотной газовой средедавление в рабочей камере печи близко к атмосферному или выше его.

Плотная газовая среда бывает неконтролируемого или контролируемого химического состава.

Неконтролируемая газовая среда формируется из продуктов окисления топлива, оставшихся после окисления компонентоввоздуха (азот, водяные пары и др.). а также газов, выделяющихся или образующихся при протекании термотехнологических процессов.

В печах с неконтролируемой плотной газовой средой осуществляются процессы обжига, нагрева (для пластической деформации материалов), некоторые виды термической обработки материалов, плавления и т. д.

Газовая печная среда, образующаяся при горении природного газа в рабочей камере печи, имеет высокое парциальное давление водяных паров. Химический ее состав, температура и давление зависят от режима сжигания. При неконтролируемой среде возможно протекание ряда сопутствующих физических и химических процессов, которые отрицательно влияют на качество получаемых продуктов. Например, при выплавке алюминия и его сплавов происходит насыщение расплава газами, которое ведет к образованию газовых раковин, резко выраженной пористости, появлению неметаллических включений, являющихся концентраторами напряжения, снижающими прочность и предел усталости, к снижению пластических свойств металла, к образованию дефектов типа окисных плен, име ющих большую твердость и нулевую пластичность, К появлению пузырей при окончательной термообработке готовых изделий, что ухудшает механические свойства при закалке и старении сплавов.

Любая газовая среда, получаемая за счет сжигания топлива в рабочей камере, представляет собой неравномерную по химическому составу систем. Пламя или продуктыгорения в отдельных струйках могут содержать кислород, а в соседних с ними — водород или углеводороды. Эта среда под влиянием различных причин (изменение температуры, подсос воздуха и т. п.) непрерывно изменяется по своему составу в результате протекания реакций горения.

При проведении термотехнологических процессов с газовой средой различают два вида режимов: с неизменным химическим составом газовой среды или с переменным. Такие процессы, как восстановление чистого вольфрама и молибдена из их ангидридов и глубокое рафинирование алюминиевых сплавов с удалением магния, пары которого и осадок являются пирофорными, осуществляются только в водородной газовой среде.

Однократный обжиг высоковольтного фарфора в туннельной печи с непрерывным режимом термотехнологического процесса осуществляется последовательным изменением химического состава газовой среды по длине печи в следующем порядке: окислительная, сильноокислительная, восстановительная, слабовосстановительная и воздушная.

Обжиг фарфоровой посуды в печах с периодическим режимом термотехиологического процесса осуществляется также последовательным изменением химического состава газовой фазы, но уже по времени проведения процесса в таких же газовых средах. Восстановительная газовая среда в этих печах создается введением воды в нее через газоводяные форсунки.

При плавкевакуумной меди требуемая чистота ее достигается дегазацией водородом. Некоторые виды термической обработкиметаллов проводятся в газовой среде, содержащей оксид углерода, аммиак, метан и др.

Электрошлаковый переплавстали осуществляется в активной аргоноводородной газовой среде. Термическая обработкавольфрама и молибдена проводится только в защитной газовой водородной среде. Выпечка хлеба и хлебобулочных изделий в пекарных печах осуществляется в увлажненной воздушной среде.

Термотехнологические процессы с химически активными исходными материалами для исключения их окисления осуществляются в специальной контролируемой инертной газовой среде или в вакууме. Роль защитной газовой среды в основном выполняют нейтральные газы (аргон, гелий, азот или их смеси). Применяемые в технике нейтральные газы содержат некоторое количество кислорода, азота, водорода и других примесей. Так, даже наиболее чистый аргон марки «А» содержит 0,01% примесей, и поэтому наилучшую защиту обеспечивает вакуум.

Разрежение газовой среды и вакуум в печи. вакуум — состояние газовой среды при давлении значительно ниже атмосферного. Вакуум в печи достигается эвакуацией из ее реакционного объема воздуха, а затем и выделяющихся при химических реакциях газов или паров металла при физико-химических превращениях. Термотехнологические процессы в печи осуществляются при давлении Г-10-4 Па и ниже. Количество оставшихся молекул зависит от величины давления и может снижаться до 10^10 в 1 см3.

Вакуум в печи создается специально как способ для осуществления некоторых термотехнологических процессов, которые невозможно провести в плотной газовой среде, или как средство для защиты во время их получения или термической обработки. В вакууме взаимодействие металла с внешней газовой средой замедляется и практически прекращается при достижении глубокого вакуума. Снижение внешнего давления над металлом благоприятствует выделению из расплава растворенных газов и устраняет возможность окисления металлов. В особо благоприятных условиях становится возможным восстановлениеметаллов и оксидов. Например, в обычных условиях при атмосферномдавлениипроцессвосстановленияоксидамагнияуглеродом не протекает, но становится возможным в вакууме. При наличии восстановителя в разреженном пространстве оксидмагния становится непрочным соединением. Равновесие взаимодействия углерода с оксидоммагния смещается в сторону образования элементарного магния: Причиной этого является высокое давление насыщенных паров магния, вследствие чего в глубоком вакууме он находится в парообразном состоянии и постоянно выводится из равновесного состояния отсасывающей системой, что способствует распаду MgO.

Рафинирование алюминиевых сплавов от вредных примесей цинка, магния и других элементов, обладающих относительно высоким давлением насыщенного пара, осуществляется вакуум-дистилляцией. Скоростьдистилляции зависит от скоростидиффузииметалла в поверхностный слой, от температуры и парциального давления летучего компонента у поверхности. Большое значение при вакуумной отгонке имеет перемещение расплава, которое предупреждает снижение температуры на поверхности расплава, вызванное потреблением теплоты при возгонке летучего компонента, и потеритеплоты путем лучеиспускания, а главное, не позволяет поверхностииспарения обедниться летучим компонентом. Большое влияние на Скоростьдистилляции оказывает процесс миграции испарившихся атомов летучего компонента к охладителю и их, конденсация. давление насыщенного пара над поверхностьюиспарителя выше, чем над поверхностью конденсатора. Эта разность давлений и определяет движение паров.

Плавка в вакууме позволяет удалять из расплавленных металлов и сплавов содержащиеся в них вредные примеси, такие как растворенные газы, некоторые легколетучие элементы и металлические включения, которые ухудшают свойства сплавов. Они повышают диффузионную подвижность атомов или ослабляют межзеренные сцепления при выделении по границам зерен. Такие примеси повышают ползучестьсплава или разупрочняют его под нагрузкой. Переплавметаллов в вакууме значительно снижает количество вредных примесей.

Плавка хромистой бронзы в вакууме позволяет не только освободить металл от растворенных газов (водород, кислород, азот), но и снизить содержание вредных легкоплавких примесей висмута, свинца и сурьмы, оказывающих значительное влияние на снижение жаропрочности хромистой бронзы.

Плавка жаропрочных плёнообразующихся сплавов в открытых печах нежелательна ввиду образования пленоксидов хрома, титана, алюминия, нарушающих сплошность металла  и понижающих механические свойства. металл хорошего качества можно получить плавкой в вакууме, т. е. в условиях, когда исключается возможность образования окисных плен и восстановление имевшихся.

Хорошие результаты достигаются при плавке жаропрочных сплавов на никельхромовой основе, легированных титаном и алюминием, в вакууме при остаточном давлении 1 - 10-3—1 - 10-4 Па. В этих условиях возможно восстановлениеуглеродом таких оксидов как А1203, Si02, Ti02, Cr203, которые без вакуума восстановить практически не удается.

При вакуумнойплавке алюминиевых сплавовдегазация начинается с момента загрузки шихты и начала откачки из печи газа, вследствие чего достигается более полная вакуумнаяобработкашихты и расплава. В результате получают сплав с минимальным содержанием газов и твердых неметаллических включений.

Термическую и термомеханическую обработкутантала из-за большого сродства с газами (углерод, кислород, азот и водород) проводят только в вакууме.

В вакууме отсутствует теплопередача между элементами системыконвекцией и теплопроводностью.

Жидкая фаза печной среды

Жидкая фаза печной среды представляет собой расплав химических веществ с заданным химическим составом или является шлаковым расплавом.

В процессахплавки химически активных металлов над ними создается специальный защитный покровный флюс, состав которого должен быть химически инертным по отношению к металлу, хорошо смачивать его поверхность и растекаться по ней. Перегретый жидкий и электропроводный шлак используется при электрошлаковом переплаве металлов.

К термотехнологическим процессам, проводимым в печах с шлаковым расплавом над Материалом, относятся также все руднотермические высокотемпературные химические процессы, протекающие в жидкой фазе.

Шлаки являются побочным продуктов химических реакций при получении желтого фосфора, чугуна, стали и цветных металлов, т. е. при термической переработке рудных материалов и концентратов. Они бывают относительно стабильного химического состава (получение фосфора) или с изменяемым химическим составом, например, имеющим сначала окислительные, а затем восстановительные свойства (получение различных марок сталей: 18ХНВА, 38ХМЮА и т. д.).

Особенностью процессов, протекающих с образованием шлаковых расплавов, являются химические реакции между шлаком и металлом, где они направлены в сторону достижения равновесия. Поэтому состав получаемого металла во многом определяется составом шлака.

Образование шлаковых расплавов. Шлаковые расплавы образуются из компонентов шихты, окислов пустой породы руды, специально вводимых в процесс флюсов, футеровки печи, загрязнений шихты (земля, песок), при проведении высокотемпературных термотехнологических процессов в печах и представляют собой сложный состав оксидов.

Роль шлаков при проведении термотехнологических процессов.

В шлаковых расплавах при высокой температуре протекают важнейшие химические процессы. Термодинамика и кинетика термотехнологических процессов в ряде случаев непосредственно зависят от физико-химических свойств шлака.

Свойствами шлакового расплава определяются производительность печей, расход топлива, электроэнергии и себестоимость передела. Они выполняют роль защитной среды, предохраняющей полученный материал от окисления.

Шлаки также являются регулятором направления процесса в сторону окисления или восстановления. Они служат для создания наиболее благоприятных условий для рафинированияметалла от вредных примесей. Шлаки должны адсорбировать всплывающие оксиды примесей из расплавленного металла в ванне, создавать условия, обеспечивающие минимальные потериметалла .