книги из ГПНТБ / Эстрин, Б. М. Производство и применение контролируемых атмосфер (при термической обработке стали)
.pdfНисходящий поток нагретого газа, достигнув порога, благодаря разности давлений и высоте приобретает го ризонтальную составляющую скорости и переливается через порог с соответствующим утонением газового слоя. Практически в сечении с—d (у входа) устанавливается течение параллельными струйками. В сечении а—b дви-
Рис. 77. Расчетная схема |
истечения газа для печей, работающих с постоян |
|
ным напором |
на газослнве: |
|
/ — садка; 2 — |
ведущий |
барабан |
жение газа будет все еще характеризоваться отсутстви ем горизонтальной составляющей скорости.
Рассматриваем уравнение Бернулли для струек газа. (b—d), движущихся вдоль поверхности порога, и струй ки (а — с ) , движущейся по свободной поверхности. При этом примем во внимание, что ниже свободной поверх ности находится неподвижный газ (в печи) или непод вижный воздух (на выходе), к объему которого могут быть применены законы гидростатики. Находим, что ско рость v одинакова для рассматриваемых струек и вы ражается следующим уравнением:
(XII-5)
232
Аналогично можно доказать, что скорость одинако ва для всех промежуточных струй газового слоя. Теоре тический расход газа за 1 с составит
wT = Bh У 2g (Я - |
h) ^ = - р |
м3 /с, |
(XII-6) |
где В — ширина открытого |
проема. |
||
Очевидно, что толщина |
слоя |
газа h при данном на |
|
поре соответствует |
максимально |
возможному расходу |
|
дат, т. е. |
|
|
|
dwT/dh = 0. |
|
|
(XII-7) |
Дифференцируя, |
получаем |
|
|
h = 2Я/3, |
|
|
(XII-8) |
что позволяет выразить wr через известный параметр Я:
wT = А У± |
BH ]/~2gH ^ |
м3 /с. |
(XII-9) |
Введя в формулу (XII-9) |
коэффициент |
сопротивле |
|
ния ф, имеем |
|
|
|
w=\V |
i " 5 / / c p \ f 2 g H 2 i j ^ мз'с- |
( x i m o ) |
|
По данным обследования многих печей, проведенных нами, величина ср колеблется в пределах 0,85—0,95 и в среднем может быть принято значение ср=0,90.
|
П р и м е р . |
Определим |
расход |
газа |
в конвейерной закалочной |
|||
печи. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Исходные |
данные: # = 0,120 м |
(свободная поверхность потока |
|||||
совпадает с плоскостью |
конвейерной ленты); |
5 = 0,4 |
м; / = 9 0 0 ° С; |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
1-293-273 |
температура |
окружающего |
воздуха |
30 С; |
P i = |
= |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
303 |
= |
1,16 кг/м3 ; газ — эндотермический |
(масса единицы |
объема в нор |
|||||
мальных условиях составляет 0,8 кг/м3 ). |
|
|
|
|||||
При 900° С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,8-273 |
|
|
|
|
|
|
|
Р = |
— П 7 3 — = |
° ' 1 8 6 К Г / |
; |
|
|
|
|
|
2 |
, / |
1 |
, |
Г |
1,16—0,186 |
т |
V |
т м - 0 |
Л 2 - 0 ' 9 |
У |
1 9 - 6 2 - 0 - 1 2 о,18б = |
= 0,0613 м 3 /с . |
|
|
|
||
Это составит |
|
|
|
|
|
Q = 0,0613-3600 « |
220 м3 /ч. |
|
|
||
233
или (если привести к нормальным условиям)
Q„= 220-273 =51,2 м 3 /ч . 1173
ПЕЧИ С ПЕРИОДИЧЕСКИ ОТКРЫВАЕМЫМИ ДВЕРНЫМИ ПРОЕМАМИ
|
К этой группе относят методические печи, различные |
||||
по |
типу и |
технологическому |
назначению. |
Рассмотрим |
|
некоторые |
из них. |
|
|
|
|
|
Толкательные печи |
служат для нагрева . мелких |
|||
и |
крупных |
изделий. На |
поду |
этих печей |
установлены |
жароупорные направляющие в виде рельсов, труб пли роликов, по которым осуществляется перемещение под донов с изделиями (расположенных вплотную) при по мощи электромеханических или гидравлических толка телей.
Крайний поддон при толчке скатывается по ролико вому поду на разгрузочный стол.
Благодаря относительной простоте и универсально сти толкательных печей их широко применяют в про мышленности.
При закалке или цементации изделия вместе со сто лом опускаются в закалочный бак. Разгрузочная сторо на в таких печах образует гидравлический затвор. Час то в печах такого типа предусматривают шлюзовые ка меры.
Порядок загрузки и выгрузки таких печей рассмот
рим, пользуясь рис. |
78. |
Дверца загрузочной шлюзовой |
||||
камеры открывается |
и в нее подается |
сдвоенный |
поддон |
|||
с бунтами проволоки |
(одновременно |
из |
разгрузочной |
|||
шлюзовой камеры один поддон выходит). |
|
|
||||
После продувки |
шлюзовых |
камер |
защитным |
газом |
||
открываются дверцы а |
и аи |
Поддон |
из |
загрузочного |
||
шлюза попадает в |
форкамеру |
подачи и |
синхронно из |
|||
форкамеры выдачи в шлюзовую камеру выдачи посту пает один поддон.
Далее открываются задвижки Ъ и Ъ\ и с помощью толкателя осуществляется продвижение садки в сторону выдачи на один поддон.
Рассмотрим |
явление истечения |
газа на |
границе |
печь — камера |
охлаждения во время |
открытия |
задви |
жек. Очевидно, что здесь мы сталкиваемся с истечением «под уровень» [58],
234
Давление на пороге печи в момент открытия обозна чим через р \ (5—10 мм вод. ст.), давление в камере ох лаждения — через рг-
Ш
Га l i |
" |
|
2 |
3 4 5 6 |
7 |
8 |
9 |
10 II |
12 |
13 /4 |
15 16 17 |
|
||
|
|
|
|
Положение поддона |
|
|
|
|
||||
Рис. 78. Схема проходной |
толкательной печи для |
термической |
обработ |
|||||||||
ки проволоки в бунтах в моногазе, |
с о д е р ж а щ е м : |
|
|
|
|
|||||||
1_5% н2 , |
< 0 , 0 5 % С О 2 , |
<0,5% |
СО, |
ост. N3; |
т. т. р. —50° С: / — шлюз |
за |
||||||
грузки; |
/ / — т а м б у р |
загрузки; |
/ / / — нагревательная |
часть |
печн; |
|||||||
IV — камера |
о х л а ж д е н и я ; |
V — т а м б у р разгрузки; |
VI — шлюз разгрузки; |
|||||||||
/ — быстрорежущие |
стали |
|
(860—740° С); |
2 — шарикоподшипниковые |
и |
|||||||
делегированные |
инструментальные |
стали |
(780—700° С); 3 — легированные |
|||||||||
никелем |
конструкционные |
стали |
(680—640° С) |
|
|
|
|
|||||
Разностью давления р\—р2 определяется скорость ис течения:
v=]/~2g{H1-Hjb=* м/с,
где |
|
H1 = h1 + - ^ - ; |
Я 2 = Л 2 + - ^ ; |
Pi — Р |
Pi — Р |
hx и h2-—расстояния соответственно от пода до порога в печи и в камере охлаждения, м.
Найденная скорость истечения относится к моменту открытия п является максимальной за весь период исте чения. Далее скорость начинает стремительно падать, что обусловлено понижением давления в печи и повыше
нием его в камере охлаждения, в результате |
чего |
раз |
||||
ность Ну—#2 |
уменьшается. В |
какой-то момент Hi |
ста |
|||
нет равным # 2 |
и скорость и = |
0. |
|
|
||
Длительность периода истечения мала и зависит от |
||||||
плотности и объема камеры охлаждения. |
|
|
||||
Вследствие |
этого потери |
защитного газа |
через |
от |
||
крытые |
задвижки (см. рис. |
78) незначительны и |
ими |
|||
можно |
пренебречь. |
|
|
|
|
|
При открывании дверец а и а\ произойдет истечение «под уровень» из полости форкамеры в полость шлюза. Учитывая малую емкость полостей и положительное давление на поду, в силу изложенных выше закономер ностей скорость истечения очень быстро станет равной нулю и потери газа при открытии дверец будут также весьма незначительными.
При открытии дверец с и С\ полости шлюзов прак тически мгновенно заполняются воздухом. У порога две рец следует установить дежурные инжекционные горелочкн, назначение которых воспламенять газ, выходя щий из полости в момент открытия дверец. Эта мера на дежно предотвращает возникновение хлопков.
Очевидно, что к моменту очередного открытия две рец полости должны быть свободны от кислорода возду ха. Необходимо поэтому ее продуть. Если время между двумя очередными открытиями дверец обозначить через
т, объем |
полостей — через |
Vn, |
допустимое |
содержание |
кислорода |
к моменту т — через |
у, то часовой |
расход Q[ |
|
защитного газа найдем из |
уравнения |
|
||
y = 21exp(-Q1 T/V„). |
|
|
(Х-11) |
|
Сложнее определить потери газа в печах с периоди чески открываемым проемом, но без шлюзов. Прежде чем перейти к соответствующим методикам, рассмотрим явления истечения, происходящие в печи в момент от крытия дверцы в их дифференциальной форме. В толкательных печах (так же, как и в шахтных) на уровне порога давление при закрытой дверце составляет 10— 15 мм вод. ст. Оно зависит главным образом от отноше ния объема печи к периметру дверцы и от плотности хо-
236
да последней. Весь цикл истечения удобно разделить на три периода.
Первый период характеризуется истечением под дав лением при слое газа, соответствующим размерам от крытого проема. Давление на пороге печи в момент от крытия дверцы обозначим через р\.
За время dx объем газа в печи уменьшится на вели
чину |
|
|
(XII-12) |
где ад - объем |
газа, поступающего в печь, м3 /с; |
F—площадь |
открытого проема печи, м2 ; |
Ф— коэффициент истечения; |
|
р—масса |
единицы объема газа, кг/м3 . |
Это приведет к изменению давления в печи на величину
dp, |
причем |
|
|
|
||
dp = |
&, |
|
|
|
||
|
V„ |
|
|
|
|
|
где Vn |
— объем печи, м3 . |
|
||||
|
Дифференциальное уравнение истечения для первого |
|||||
периода |
примет следующий |
вид: |
||||
|
|
|
|
|
|
(XII-13) |
|
При |
изменении т от 0 до х\ величина р изменяется от |
||||
Pi |
до |
р2, |
где |
|
|
|
Р2 |
= Н (pj — р). |
|
|
|
||
Здесь |
Я—расстояние |
от пода печи до порога, м; |
||||
|
|
р х — масса единицы объема воздуха, кг/м3 . |
||||
|
Интегрируя уравнение (XII-13), получим выражение |
|||||
для Х\. Эта величина столь |
мала, что практического зна |
|||||
чения |
не имеет. |
|
р\ = |
\§ мм вод. ст. даже для са |
||
|
Так, |
например, |
при |
|||
мых крупных печей |
t i |
не превышает 0,01 с. |
||||
Второй период истечения наступает через х\ с. В на чале второго периода свободная поверхность движуще
гося |
газового слоя (рис. 79) расположена |
на поду |
печи, |
||||
т. е. |
х—Н. |
|
|
|
|
|
|
|
По мере |
истечения она будет постепенно поднимать |
|||||
ся |
и |
в конце второго |
периода |
достигнет |
x = 3h\/2, |
где |
|
h\ |
—высота |
открытого |
проема, |
м. |
|
|
|
237
|
|
|
|
. |
|
Далее |
истечение |
бу- |
|||||
|
////////////////// |
|
I |
дет |
происходить |
|
утонен- |
||||||
|
|
|
|
|
ным слоем, как это на |
||||||||
|
|
|
|
|
блюдается в печах с по |
||||||||
|
|
|
|
|
стоянно |
открытыми |
про- |
||||||
|
|
|
|
|
е м а м и, |
|
расе м отр еи н ы м и |
||||||
|
|
|
|
|
выше. |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
В |
печь с |
постоянной |
|||||
|
|
|
|
|
объемной |
скоростью |
по |
||||||
|
|
|
|
|
ступает |
w мз/с |
защитно |
||||||
|
I |
|
|
|
го |
газа. |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Для |
определения |
объ |
||||||
|
|
|
|
емной |
скорости |
|
газа ы>\, |
||||||
|
|
|
|
покидающего |
печь, |
ре |
|||||||
|
|
|
|
шим уравнение |
Бернулли |
||||||||
|
|
|
|
|
для |
двух |
характерных се |
||||||
|
|
|
|
|
чений: |
а—Ь и с—d |
(обо |
||||||
Рис. 79. Расчетная схема истечения газа |
значения те же). Приняв |
||||||||||||
через порог печн с периодически откры |
во |
внимание, |
что |
давле |
|||||||||
ваемым проемом |
|
|
ние |
в |
плоскости |
О — О |
|||||||
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
(с |
координатой |
х) |
мбж- |
|||||
но |
считать |
равным |
давлению |
окружающего |
воздуха |
||||||||
в этой же |
плоскости (снаруж |
и печи), |
имеем |
|
|
|
|
||||||
|
[ 2g(x-h1) |
Pi — Р м/с. |
|
|
|
|
|
|
|
(XII-14) |
|||
|
За бесконечно малый промежуток времени dx из пе |
||||||||||||
чи |
уйдет W\ = V\Bh\dxqi |
газа. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
За это же время в печь поступит wdx |
газа. |
|
|
|
||||||||
|
Изменение положения |
свободной |
поверхности по вер |
||||||||||
тикали за время dx зависит от разности указанных коли честв и может быть выражено в дифференциальной форме:
d x =
Sdx |
^ |
(XII-15) |
где |
S—площадь поперечного |
сечения печи, м2 ; |
|
|
dx—изменение координаты |
свободной |
поверхности |
|
по вертикали. |
|
|
При изменении т от 0 до т2 |
величина х |
изменяется |
|
от Я |
до 3Ai/2. |
|
|
238
Проинтегрировав уравнение (XI1-15), получим
З/2/i, |
|
с Sdx |
2S |
3 |
УС |
.) BII^VL — W |
P I — Р |
Н5/*i9 2g
X |
Vh-k |
-]f\\ |
|
|
|
|
|
|
|||
+ |
|
2w |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Bh1(p2g- |
-0,4343 |
ЗЛгФ 1/ |
2g Pi—P |
|
|
|
P |
|
|
|
|
|
|
|
|
(XII-16) |
|
Третий |
период |
истечения |
характеризуется |
истечени |
ем через газослив |
утоненным |
слоем h\ = 2x/3. |
|
||
|
Пользуясь рассмотренными ранее зависимостями, |
||||
можно уравнение |
истечения в дифференциальной форме |
||||
представить следующим образом: |
|
||||
dx — |
Sdx |
|
(XII-17)
-w
|
|
Проинтегрировав |
уравнение |
(XII-17), получим время |
|||||||
в течение |
которого |
вертикальная |
координата свободной |
||||||||
поверхности |
потока |
поднимется от х==Ш\12 до x — h\\ |
|||||||||
|
|
|
л. |
|
|
|
|
Sdx |
|
|
|
То1 |
= |
— |
" |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
з |
|
|
|
|
•V |
|
J/ |
|
Pi |
— P |
|
|
|
|
|
|
|
t |
2gx |
||||
|
|
|
|
|
|
' l |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3/2Л, |
|
|
V~2 h±S |
|
|
|
||
|
|
|
|
r |
|
|
|
X |
|||
|
|
|
3 |
|
Pi — |
P\3 |
. / wh. |
|
|
|
|
|
|
|
V |
2£ |
|
|
|
|
|
|
|
X
239
- l e |
V К- |
|
|
Blu |
|
|
||
V 2g |
|
з |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
P |
ф V 2 |
|
|
|
|
|
|
3 |
— |
|
|
|
|
|
|
|
I |
2 lhS |
|
Л + |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2g- |
I 0,43433/ix |
|
|
||
|
|
|
|
з |
r |
|
whl |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
+ |
|
|
|
|
|
|
ви7 |
|
|
|
|
|
Pl — P |
|
V 4 |
||
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- |
lg К |
+ V К |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
/ 2 |
|
|
|
|
|
|
|
2^ Pl — P |
|
|
|
|
|
|
|
|
У 2 |
К з AjS |
|
arctg/ 2,0696 з |
_ 1 _ + |
|
|
V |
|
|
|
||||
|
|
|
В/г, |
I |
I / |
— |
||
|
|
|
|
|
|
|
||
+ |
-j= |
) — arctg [ 1,68982 - 5 ^ - = + - р Л |
|
(XI1-18) |
||||
|
Найденные уравнения связывают расход защитного |
|||||||
газа со временем, в течение которого проем |
остается от |
|||||||
крытым, с геометрическими |
параметрами |
печи, ее темпе |
||||||
ратурой, |
удельным весом |
газа (т.е. его составом). |
||||||
Уравнения (ХП-16) и (ХП-18) можно несколько уп ростить и привести к номографируемой форме. Для это го надо:
240
1) |
объединить |
оба |
уравнения. Тогда в левой части |
|
появится величина |
т = Т 2 + т 3 ; |
через # ь |
||
2) |
разность Н—h\ |
выразить |
||
3) |
сделать преобразование, которое состоит в следу |
|||
ющем. Если умножить |
обе части |
уравнения на Bhi — F |
||
(площадь сечения открытого проема) и разделить на 5,
то в правой части уравнения |
величина |
S сократится; ве |
||||||||
личину w/(Bh[) |
обозначим через wF, величину xF/S |
в ле |
||||||||
вой |
части уравнения — соответственно |
через |
т£ ; |
|
||||||
4) принимая во внимание |
наиболее |
часто |
применяе |
|||||||
мые температурные режимы при термической |
обработке |
|||||||||
стали и |
составы |
защитных |
сред, в целях |
упрощения |
||||||
плотность газа можно считать постоянной |
величиной, |
|||||||||
равной 0,25 |
кг/м3 |
( р и = 1 , 0 7 кг/м3 ; * = 900°С); |
|
|||||||
5) температуру окружающего воздуха считать |
рав |
|||||||||
ной 0° С. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
После введения этих обозначений можно суммарное |
||||||||||
уравнение |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
т = т2 + |
т3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
записать |
в виде |
|
|
|
|
|
|
|||
T s = |
/ i [HVWF) |
|
+ / 2 ( / l i . K V ) > |
|
|
(XII-19) |
||||
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8,14262 |
|
8,14262-0,4343 lg X |
|
||||
x ( V |
H l |
|
^ — 1 1 ; |
|
|
|
|
|
||
V |
|
|
8,14262 |
/ J ' |
|
|
+ |
|
|
|
f2[hvwF) |
= |
- |
8,14262 |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
8,14262-0,4343 |
I g f - l / A . |
WJ—\ |
|
|
||||||
S |
\ V |
2 |
8,14262 / |
|
|
|||||
++0,716777 д Y h l |
wFhx[lg ( l ,22476 |
VH^— |
|
|
||||||
— 0,683.335 YWph,) |
— l g ( У Т Г |
— 0,68335 YwFK )] |
— |
|||||||
— 0,358389 д |
K |
|
[lg (l,5A, + |
0,836921 Y~^VWFhi + |
||||||
|
|
Y |
WFkl |
|
|
|
|
|
||
16—391 |
|
|
|
|
|
|
|
|
241 |
|