Исследование газовой атмосферы нагревательной печи, оснащенной форкамерно-факельными устройствами
При производстве точных заготовок их нагревают в печах открытого пламени, сжигая газо-воздушные смеси богатого состава.
В настоящее время предложены различные методы стабилизации и интенсификации процесса горения и различные конструкции устройств для сжигания этих смесей. Авторами проведено исследование газовой проходной нагревательной печи, оснащенной четырьмя фор-камерио-факельными устройствами типа ФФУ-3 и предназначенной для нагрева под штамповку заготовок турбинных лопаток из нержавеющих и жаропрочных сталей в кузнечно-прессовом цехе Ленинградского завода турбинных лопаток имени 50-летия СССР.
На рис. 1 представлена горелка ФФУ-3: в литую чугунную плиту 4 горелки ГНП встроена собственно фор-камер, изготовленная из стали Х23Н18. Газо-воздушная смесь поступает через входной патрубок 2 и сжигается в кольцевой камере. Продукты сгорания со скоростью 150...200 м/с через выходные отверстия выбрасываются в горелочный туннель, где и происходит их контакт и взаимодействие с основной смесью. Розжиг фор-камер печи производится от электрической искры с помощью установленных на фор-камерах свечей зажигания. На свечи зажигания подается напряжение 15кВ от узла зажигания и контроля пламени 3.
Параметры вспомогательной (форкамерной) смеси
Коэффициент расхода воздуха Сбф................0,75 — 0,85
Температура смеси иа входе, °С...................... 20
Давление смеси перед форкамерой, даПа............ 900—1800
Давление в форкамере, даПа................... 1000—1500
Температура в форкамере, °С...................... 900—1000
Расход смеси, % (от основной смеси) ............. 5 — 10
Проводилось сравнение двух методов сжигания газа при а~0,5: с включенными и отключенными фор-камерами. В процессе исследования определялись следующие параметры: химический состав газовой атмосферы по длине горелочного туннеля и по длине печи, при этом контролировали количественное содержание двуокиси углерода, водорода, азота, метана и окиси углерода, суммарное содержание кислорода и аргона; угар стали; глубину дефектного слоя нагреваемого металла.
Определение химического состава газовой атмосферы проводили методом газоадсорбционной хроматографии на установке, схема которой приведена на рис. 2. Установка состоит из газо-отборной водо-охлаждающей трубки, блока подготовки пробы, побудителя расхода 3, газового крана-переключателя, хроматографа.
Газо-отборная трубка 1 предназначена для отбора анализируемой смеси из различных точек контролируемого пространства. Трубка изготовляется из стали Х18Н10Т, длина трубки 1700 мм, внутренний диаметр б мм.
Блок подготовки пробы состоит из аэрозольного и химического фильтров для улавливания сажи, туманов и влаги. Фильтрующие материалы — аналитические аэрозольные фильтры АФА-ХП, АФА-ХС или АФА-ВП и ангидрон соответственно.
Для дозирования газовых проб и для коммутации газовых линий установки применялся газовый кран-переключатель Д-35 конструкции ВНИИКАнефтегаз. Собственно анализы газовых смесей проводили на хроматографе, разделительные колонки 8 и 9 которого устанавливались последовательно. Длина колонки 8 равна 300 см, колонки 9—200 см. Наполнители — силохром С-120 и цеолиты ЫаХ соответственно. Колонки изготовлялись из фторопластовой трубки (фторопласт 4д, 3,5X0,6, МРТУ 6-0,5-822—69), Колонка задержки 6 представляет собой полихлорвиниловую трубку 4000X0,2 см и предназначена для того, чтобы «задержать» попадание компонентов анализируемой смеси в камеру II детектора 7 до полного выхода последнего компонента из камеры /. Газом-носителем служил гелий, подаваемый через газовый блок из баллона. Кроме того, во вторую камеру детектора после колонки микро-компрессором поддувался воздух для обеспечения детектирования водорода.
Таким образом, Детектирование компонентов анализируемых смесей осуществлялось двумя путями: в первой камере — по принципу изменения теплопроводности смеси, во второй камере — комбинированным методом (горючие компоненты детектировались за счет теплового эффекта реакции горения, негорючие — по принципу изменения теплопроводности смеси). Анализы проводились при комнатной температуре, расход гелия 60 мл/мин, расход воздуха 2 мл/мин. Движение печных газов обеспечивалось побудителем расхода 3 со скоростью 300 мл/мин. Время отбора 3 мин, время анализа 6 мин. Схема расположения Точек отбора газовых проб приведена на рис. 3.
Отбор проб исходной газо-воздушной смеси проводился из трубопроводов с повышенным давлением. Побудитель расхода и- газо-отборная трубка в этом случае не применялись.
Отобранная краном Д-35 доза печных газов подается в колонку, на которой происходит разделение смеси на сумму легких компонентов (водород, кислород, аргон, азот, метан и окись углерода), двуокись углерода и продукты пиролиза природного газа. Далее разделенная смесь проходит через камеру / детектора и колонку задержки в разделительную колонку 9 и затем в камеру II детектора. На колонке 9 происходит разделение суммы легких компонентов на составляющие. На рис. 4 приведены хроматограммы разделения исходной газовоздушной смеси I (пунктирная линия) и печных газов, образующихся при сжигании газа с а~0,5 (сплошная линия). Пики 1 — 5 соответствуют веществам, обнаруженным в камере детектора после разделения смеси на колонке 5, пики 6—10—в камере детектора после колонки.
Двуокись углерода и продукты пиролиза сорбируются цеолитом при комнатной температуре практически необратимо.
На рис. бив табл. 1 и 2 4 приведены данные по распределению состава атмосферы по длине горелочного туннеля и по длине рабочего пространства печи (см. табл. 2), которые свидетельствуют о резком ускорении процесса сгорания и более интенсивном формировании защитной среды в горелочных туннелях при включении форкамер, что приводит к выравниванию концентраций компонентов в рабочем пространстве печи. Основное различие результатов сравниваемых вариантов сжигания природного газа заключается в снижении концентрационной неравномерности продуктов сгорания и по длине горелочного туннеля, и по длине рабочего пространства печи. При отключении фор-камер горелки, установленные на печи, работали не идентично, наблюдался значительный разброс концентраций по горелочным туннелям и по рабочему пространству печи, а в отдельных случаях неустойчивое горение газо-воздушной смеси. Сравнение равномерности газовой атмосферы по длине горелочного туннеля и по длине рабочего пространства печи показывает, что при включении ФФУ формирование защитной среды заканчивается уже в горелочном туннеле, а перепады концентраций уменьшаются в 3—6 раз, что и обеспечивает поступление из всех горелочных туннелей в рабочее пространство печи газовой атмосферы со стабильным составом.
Составы продуктов сгорания различаются и по абсолютным значениям: при форкамерно-факельном сжигании повышается содержание компонентов-восстановителей, а остаточное количество исходных компонентов (кислород, метан) существенно снижается по сравнению с их количеством при сжигании без фор-камер. Содержание сажи снижается с 3 до 0,5 г/м3, т. е. более чем в 5 раз.
Однако при сжигании газа с дефицитом кислорода атмосфера печи формируется не только продуктами неполного сгорания, но и продуктами пиролиза газа, причем при температуре Тг= 1150 °С и коэффициенте расхода воздуха а=0,5 пиролизат в основном состоит из ацетилена (в пике 4) и углеродов (в пике 5), образование которых отчетливо видно при сравнении хроматограмм исходной газо-воздушной смеси и атмосферы печи.
По-видимому, компоненты пиролизата, особенно ацетилен и пропилен, вступают во взаимодействие с нагреваемым металлом. В работе [5] исследовано влияние ацетилена на высокотемпературное науглероживание сталей П1Х-15 и У8 и показано, что в интервале температур 1000... 1300 °С ацетилен играет определяющую роль в процессах науглероживания. На рис. 6 представлены хроматограммы печных газов, полученные авторами при работе печи в режиме а=0,52, Т= 1150 °С (пунктирная линия — после выхода на режим, сплошная линия — после загрузки печи образцами стали 20X13 в сплава ЭИ-893). При сравнении хроматограмм видно, что количество продуктов пиролиза изменяется лри внесении в печь образцов: пик 4 уменьшился в 1,5 раза, пики 3 и 5 уменьшились до уровня фона.
На рис. 7 приведены кривые зависимости сигнала детектора хроматографа (в виде площади под пиком) от коэффициента расхода воздуха а для компонентов пиролизата, водорода и окиси углерода (см. хроматограммы рис. 4, 6, пики 4,5,6,10). Коэффициент расхода воздуха рассчитывался по методу Копытова [4]. Значения площадей под пиками взяты на шкале регистраций пиков (масштаб 1:5 для пиролизата, 1 : 50 для водорода, 1 : 10 для окиси углерода). Из приведенных данных следует, что пиролизат в заметном количестве образуется при а<0,7, причем количественный и качественный состав его больше зависит от коэффициента расхода воздуха, чем состав продуктов сгорания. Пик 4, в котором идентифицирован ацетилен, образуется при а<0,70, пик 5, в котором идентифицированы углеводороды С (в частности, пропилен), образуется при а<0,60. Дальнейшее изменение количеств пиролизата при уменьшении а более резкое, чем изменение количеств водорода и окиси углерода. Следовательно, при условии постоянства состава исходного газа в интервале а=0,42-=-0,70 концентрация продуктов пиролиза является более чувствительным индикатором правильности поддержания соотношения газ— воздух, чем продукты сгорания, причем для этой цели, по-видимому, достаточно использовать только один из продуктов пиролиза.
Интенсификация процесса сгорания природного газа при форкамерно-факельном сжигании оказала положительное влияние на распределение температур в горелочных туннелях (рис. 8), в рабочем пространстве печи и на теплообмен в рабочем пространстве печи. При включенных фор-камерах температура в горелочном туннеле на расстоянии 400 мм от носика горелки на 150 °С выше, чем при работе без фор-камер. Температуры в разных горелочных туннелях так же, как и составы продуктов сгорания при форкамерно-факельном сжигании, отличаются незначительно (±15 °С). В случае работы горелок без фор-камер наблюдается большой разброс значений температур в различных горелочных туннелях (±50 °С). Неравномерность температур по длине рабочего пространства печи при включении фор-камер уменьшилась с ±30 до ±15 С. Производительность печи при нагреве заготовок турбинных лопаток при форкамерно-факельном сжигании газа выше на частности заготовок турбинных лопаток из стали 20X13, проводились с помощью методов оптической металлографии, микро-твердости, микро-рентгеноструктурного и гравиметрического анализов. Результаты исследований приведены в табл. 3. Вывод
Проведенные исследования показали, что при сжигании газа с а~0,5 применение форкамерно-факельных горелочных устройств обеспечивает более точное поддержание технологического режима нагрева металла (за счет интенсификации и стабилизации процесса горения), высокую концентрационную и температурную равномерность, снижение угара стали и обезуглероживания металла в 2 раза, а также повышение производительности печи на 12...15 %.