35 УДК 621.3.036 ОПРЕДЕЛЯЮЩАЯ РОЛЬ ТЕМПЕРАТУРНОГО ГРАФИКА ПРИ ОЦЕНКЕ УДЕЛЬНОГО РАСХОДА ОРГАНИЧЕСКОГО ТОПЛИВА Докт. техн. наук, проф. НЕСЕНЧУК А. П., канд. техн. наук РЫЖОВА Т. В., магистр КОВАЛЕВ С. С., канд. техн. наук, доц. ЧЕРНЫШЕВИЧ В. И., магистр ШИДЛОВСКИЙ В. В. Белорусский национальный технический университет, ОАО «Минский автомобильный завод», УП «Авторемпромпроект», Государственный институт переподготовки кадров «Газ-институт» Управление температурой печи при нагреве (термообработке) не явля- ется основным условием соблюдения технологии. Все операции, связанные с ведением режима, должны выполняться в строгом соответствии с темпе- ратурным графиком, который индивидуален для конкретной садки (конеч- но, если рабочее пространство спроектировано исходя из классических принципов и соответствует температурному графику). Удельный расход органического топлива находится из выражения р н и.т экз 1 1 η 1,05 ; n i i BQ Q Q Q =   + = +    ∑ ,Bb P= (1) где В – расход топлива на теплотехнологию нагрева (термообработки), кг/ч; ηи.т – коэффициент использования топлива [1, 2], т г.ух в.ои.т т η ; h h h h − + = b – удельный расход топлива, кг/кг; hт – пирометрическая характеристика 36 топлива, р н т ; i Qh V = ∑ Q1 – теплота, пошедшая на нагрев до температуры операции ковки, штамповки, прокатки и термообработки [1]; 1 n i i Q = ∑ – сум- ма потерь теплоты печью (устанавливается индивидуально для конкретной печи); Р – производительность печи, кг/ч. Влияние температурного графика на величину удельного расхода топ- лива b сказывается (в большей мере) на Q1 в соответствии с выражением ( )вых вхвых вх ,1 δp p Pt tQ P c t c t Q= − + ∆ (2) где выхt и вхt – соответственно средние по сечению температуры металла на выходе и входе в печь, рассчитываются индивидуально и выбираются в соответствии с температурой операции горячего формообразования (тер- мообработки) и температурного графика; QδP – затратная составляющая, связанная с угаром при нагреве (δP = 1–3 %). Обращаясь к (2), следует помнить, что температура выхt является функцией ( )вых вых(п) вых(ц); ,t f t t= где вых(п)t и вых(ц)t – соответственно температуры на поверхности и в цен- тре садки в момент выдачи металла из нагревательного устройства, значе- ния которых определяют время нагрева садки до температуры операции и как следствие удельный расход органического топлива. При построении температурного графика нагрева конкретной садки прежде всего определяется ее характеристика, позволяющая разделить термически массивные (Bi ≥ Biкр) и тонкие (Bi < Biкр) тела. Дело в том, что температурный график нагрева при условии Bi ≥ Biкр обязательно должен иметь зону выдержки, в которой температура вых(ц)t доводится до темпера- туры операции тепловой обработки tоп. При этом поверхность несколько перегревается по отношению к температуре операции tоп: вых(п)t – вых(ц)t + ∆t; ∆t = δt ⋅ х. Здесь δt – допустимая удельная неравномерность прогрева контрольно- го сечения (в направлении потока теплоты); х – характерный размер в направлении теплового потока (выбирается от поверхности нагреваемого изделия до его геометрического центра). Значения δt установлены в рамках: • термическая обработка, δt = 3–5 °С/см; • нагрев под горячее формообразование, δt = 2–3 °С/см. Основной нагрев (наряду с продолжительностью выдержки) суще- ственно сказывается на величине Q1, входящей в (1) (рис. 1). 37 Рис. 1. Зона выдержки нагревательной (термической) печи при Bi ≥ Biкр Как видим, процесс догрева центра садки до температуры операции (ковка, штамповка, прокатка, термообработка) должен управляться схемой автоматического регулирования, управляющей подачей топлива и воздуха- окислителя. Регулирование подачи топлива в этой зоне выполняется в рамках Ввыд → var в строгом соответствии с регулированием поступающего в зону (зоны) основного нагрева топлива. И без четкого регулирования (управления) подачи топлива обойтись не представляется возможным, так как все топливо, поступающее в печь В, складывается из двух частей Во.н и Ввыд В = Во.н + Ввыд, (3) где Во.н и Ввыд – соответственно подача топлива в зоны основного нагрева и выдержки. В реальных условиях работы печей долевое соотношение Во.н и Ввыд (3) не выдерживается, потому что существующие (весьма примитивные) тем- пературные графики это обстоя- тельство игнорируют. Если про- исходит рассогласование между долями Во.н и Ввыд, то, как прави- ло, увеличивается время выдерж- ки, что приведет к росту удельно- го расхода органического топлива b на 1 т садки (рис. 1). При этом следует помнить, что контроль за соблюдением разумного соотно- шения между Во.н и Ввыд (3) воз- можен при наличии регулирова- ния тепловой нагрузки зон основ- ного нагрева и выдержки. Обста- новка также сильно осложняется тем, что в зоне основного нагрева (20–700 °С) температуропровод- ность садки изменяется в два– четыре раза (рис. 2). Существенное влияние температуропроводности а на нагрев, как пра- вило, при разработке температурного графика работниками машинострои- Рис. 2. Значения коэффициента температуро- проводности различных марок сталей [3]: 1 – 30Г2; 2 – 30ХН3; 3 – 50С2Г; 4 – Р18; 5 и 6 – хромоникелевые аустенитные стали; 7 – Г13; 8 – ст. 20; 9 – 08 ц мt = f 1(τ) a⋅ 10 3 , м 2 / ч п мt = f(τ) Зона основного нагрева до tвых(п) = tоп Зона выдержки до tоп tвых(ц) = tоп 38 тельных и автотракторных предприятий не учитывается, что приводит к систематическим дополнительным энергетическим затратам. При фор- мировании типоразмерного ряда нагреваемой садки в конкретной печи по- являются дополнительные энергозатраты, обусловленные несовместимо- стью температурного графика и марки стали (рис. 2). Как видим, разработка температурного графика нагрева массивной сад- ки (Bi ≥ Biкр) требует строгого учета рассмотренных выше ее особенно- стей, которые сосредоточены в наличии специальной отапливаемой зоны, где температура продуктов сгорания (точнее, температура печи) снижается на 50–100 °С, а вых(ц)t = tоп (металл же на поверхности несколько перегре- вается), что должно соблюдаться неукоснительно. При построении температурного графика нагрева нельзя забывать о зо- нах, предшествующих выдержке (зонах основного нагрева, который закан- чивается при температуре поверхности tоп). Основной нагрев до темпера- туры повосн опt t= при его ошибочной реализации может существенно повли- ять на время выдержки (рис. 3). В зоне основного нагрева в интервале температур 0–700 °С (нерегуляр- ный режим) повышение температуры поверхности происходит при низких значениях коэффициента температуропроводности, что может стать при- чиной ее перегрева. Температура же середины заготовки начинает суще- ственно расти в интервале 600–1200 °С (рис. 3), оставаясь практически неизменной во временном интервале зон основного нагрева. При этом сад- ка по поверхности неизбежно приобретает температуру операции задолго до наступления выравнивания температур повоснt и ц оснt (в зону выдержки ме- талл поступает с повосн опt t> ) (рис. 3). По этой причине температурный гра- фик основного нагрева трансформируется к виду (рис. 3, режим 1), что свидетельствует о различии в энергозатратах в режимах 1 и 2. Когда садка характеризуется малым значением а и если согласно наше- му условию она температуру tпов = tоп должна иметь в конце основного нагрева (на входе в зону выдержки), то, имея а → min (рис. 2, кривые 3–7), ∆τвыд ∆ ∆ пов осн2t пов осн1t τσmах τвыд2 τвыд1 τocн ∆ t ц оснt Рис. 3. Температурный график с учетом скорости нагрева и сор- та стали: —— – режим нагре- ва 1; - - - - – то же 2 tоп по в ∆ t ко н2 ∆ t ко н1 ос н2 ∆ t п ов ос н1 39 нагрев поверхности произойдет значительно раньше, причем температура ее середины tц будет очень низкой. В зону выдержки заготовка поступит холодной. Такая ситуация возможна при нагревании сталей высокоуглеро- дистых и легированных 50С2Г, Р18, Г13 и др. Кроме всего, на нерегуляр- ном режиме (начальный этап нагревания) зоны основного нагрева будут наблюдаться температурные напряжения, превышающие предел упругости σу материала садки, что послужит причиной образования остаточных напряжений в садке до операций горячего формообразования и резания. Что касается термической обработки и случаев нагрева при Bi < Biкр, то наверняка установлено, что остаточных напряжений (в отличие от Bi ≥ Biкр) не возникнет. Основной нагрев (Bi ≥ Biкр) высокоуглеродистых и легированных ста- лей должен выполняться с низкими скоростями на этапе нерегулярного режима (20–700 °С). Для этого зону основного нагрева делят на две части: • зону щадящего нагрева (методическая зона); • зону форсированного нагрева (сварочная зона). Классическое оформление рабочего пространства в соответствии с та- ким разделением основного нагрева показано на рис. 4. На рисунке приведены методическая и сварочная зоны, а также зона выдержки садки (томильная зона). В таком исполнении нагрузки всех зон регулируются автоматически, так как в каждую подводится топливо. Для определения количества поступающего в зоны топлива Восн1, Восн2 и Ввыд для каждой из зон составляется индивидуальный тепловой баланс. Темпе- ратурный график такой печи приведен на рис. 5. 1 2 3 Рис. 4. Схема рабочего пространства печи производительностью 120 т/ч с тремя температурными зонами и пятью отсеками горения органиче- ского топлива (три верхних и два нижних отсека горения): 1–3 – соот- ветственно методическая, сварочная зоны и зона выдержки (томильная зона) Рис. 5. Схема рабочего пространства трехзонной (пятизонной по отсекам горения) методической нагреватель- ной печи (рис. 4) и ее температурный график: 1 – изменение температуры продуктов сгорания; 2, 3 – то же соот- ветственно на поверхности и в центре нагреваемой заготовки пов м2t tг1 tг2 tг3 пов м3t ц м3t ц м2t пов м1t tоп ц м1t г2t′ tг.ух s т ом s с в s м ет пов(ц) м0t 40 По различным причинам до настоящего времени разрабатывались печи с упрощенной зоной основного нагрева (рис. 6 и 7). В таких печах реализа- ция полноценного температурного графика весьма ограничена (печи ма- шиностроительного и автотракторного производств, обычно это печи ма- лой производительности – до 5 т садки в час). Естественно, в таких печах изложенные выше принципы построения температурного графика не учи- тываются, вследствие чего имеют место повышенные энергозатраты либо низкое качество нагрева. а Рис. 6. Схема рабочего пространства нагревательной печи с упрощенной зоной основного нагрева (методическая и сварочная зоны совмещены): a и б – соответственно рабочее про- странство с несимметричным и симметричным нагревом садки; 1 и 2 – соответственно зона основного нагрева и зона выдержки Рис. 7. Схема рабочего пространства полуметодической нагревательной печи машиностроительного предприятия (производительность по садке – 1,5 т/ч) Последнее достаточно наглядно прослеживается на рис. 8, на котором изображены температурные графики нагрева печей с классическим рабо- чим пространством (рис. 4) и упрощенной зоной основного нагрева (полу- методическая печь, рис. 7). В отличие от рис. 8a в печи (рис. 8б) подача топлива в зоны 1 и 2 ос- новного нагрева не регулируется и, как следствие, конечная неравномер- ность прогрева контрольного сечения садки превышает установленные нормы. Устранение такого недостатка возможно только при ее необосно- ванной дополнительной выдержке. 1 2 б L3 + L2 L1 41 а б Рис. 8. Реальный температурный график нагрева заготовки из высокоуглеродистой стали Bi ≥ Biкр: a – симметричный нагрев в методической печи с индивидуальным подводом в каждую из зон (рис. 4); б – несимметричный нагрев в полуметодической печи (рис. 6) с подачей топлива только в зону выдержки; 1–3 – соответственно температуры греющих газов (печи), поверхности и середины заготовки В Ы В О Д Проектирование рабочего пространства всегда должно выполняться с учетом изложенных принципов и в соответствии с температурным гра- фиком, который при Bi ≥ Biкр должен иметь не менее двух отапливаемых зон: зону выдержки и зону (зоны) основного нагрева, оснащенную соответ- ствующими горелочными устройствами. В отдельных случаях нагрева в первой зоне печи ни в коем случае не должны быть использованы горел- ки с плоским пламенем. Л И Т Е Р А Т У Р А 1. С т а л ь н о й слиток: нагрев / В. И. Тимошпольский [и др.]; под общ. ред. В. И. Ти- мошпольского, Ю. А. Самойловича: в 3 т. – Минск: Белорусская наука, 2001. – Т. 3. 2. Н е с е н ч у к, А. П. Высокотемпературные теплотехнологические процессы и уста- новки: для студ. вузов энерг. и машиностроит. спец.: в 2 ч. / А. П. Несенчук, В. И. Ти- мошпольский; под общ. ред. А. П. Несенчука. – Минск: БНТУ, 2008. – Ч. 2. 3. Т а й ц, Н. Ю. Технология нагрева стали / Н. Ю. Тайц. – М.: ГНТИ по черной и цвет- ной металлургии, 1950. Представлена кафедрой ПТЭ и ТТ Поступила 09.09.2009 ∆t ∆t