Основы процесса огневой зачистки поверхности металла

09.06.2018
Методы огневой зачистки дефектов поверхности металла, в том числе машинная обработка проката, получили широкое распространение в прокатном производстве до того, как были созданы основы теории горения. Физическая сущность процесса не стала пока предметом изучения металлургов-плавилыциков, а исследуется специалистами — прокатчиками и машиностроителями — с целью разработки методов удаления дефектов поверхности проката.

В области использования процесса горения существуют энергетическое и химико-технологическое направления.

Первое позволило создать и развить такие известные области техники, как теплоэнергетика, моторостроение и др. Второе направление является относительно новым и к настоящему времени обеспечивает отдельные целевые процессы, например производство карбида титана. При химико-технологическом горении представляет интерес сам продукт сгорания, который является полезным и ценным.

В своей основе огневую газокислородную зачистку следует рассматривать как процесс химико-технологического горения, происходящий при температуре 2500—3100° С. Такой процесс относится к самораспространяющемуся высокотемпературному синтезу тугоплавких неорганических соединений и, как будет показано в гл. IV, помогает уяснить также физическую сущность явлений, происходящих в контакте инструмента с металлом при силовом скоростном шлифовании.

Общая схема процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (CBC) тугоплавких соединений имеет вид

СВС-процесс осуществляется в условиях, при которых элементы X находятся в порошкообразном, элементы У — в порошкообразном, жидком или газообразном состоянии. Первые выполняют роль горючего, вторые — окислителя. Целевой продукт реакции является тугоплавким соединением и при температуре горения возникает в твердом состоянии. Химическое взаимодействие элементов X и У в большинстве случаев происходит со значительным экзотермическим эффектом.

Осуществление процесса горения возможно при m>1 и n>1. В этих случаях продукты сгорания представляют слабоизученные сложные соединения, например сложные карбонитриды. Температура горения при СВС-процессе достигает 2500—4000° С. Такие высокие температуры предопределяют высокие скорости реакции и полноту превращения исходных веществ и конечные, и, как следствие, — высокую производительность процесса.

Процесс химико-технологического горения занимает промежуточное положение между печными и плазменными процессами. Начало процесса горения требует незначительного количества энергии, а затем процесс происходит за счет собственных энергетических запасов системы. Печные (температура до 2500° С) и плазменные (температура до 10000°C) процессы требуют существенных энергетических затрат для достижения требуемой для реализации процесса температуры и довольно сложной аппаратуры в виде электродов, плазматронов и пр. Реализация высокотемпературного огневого процесса достаточно проста и, например, для огневой зачистки металла требуется несложная газокислородная горелка.

Отмечается возможность организации процессов горения при высоких давлениях, что весьма затруднительно для печных и практически пока неосуществимо для плазменных процессов.

В теории горения определены условия протекания химико-технологического процесса горения, которые определяются уравнениями

где Q — тепловой эффект реакции;

E — энергия активации;

с — теплоемкость при постоянном давлении;

T0 — начальная температура исходных реагентов;

R — газовая постоянная;

в, у — константы горения.

Для осуществления процесса горения достаточно, чтобы потери тепла в окружающую среду были меньше некоторого критического значения, т. е.

Величину n определяют из выражения

где Tг — температура горения при наличии теплопотерь;

Tад — адиабатическая (термодинамически рассчитываемая) температура горения. Распространение волны горения для простейшего случая протекания реакции в газовой фазе определяется выражением

Приняв T0=0 и подставив значение Tг из уравнения (II.6) в выражение (II.5), нетрудно заметить, что для этого случая

Необходимые и достаточные условия распространения волны горения при T=const, Е=const и в0=RT0/E<1 по данным показаны на рис. 8, где различимы три характерных интервала: I — горение не может распространиться, так как велики значения у (по экспериментальным данным Тад<1500 К); II — необходимые условия соблюдены, но не достаточны, так как велики потери тепла из зоны реакции в окружающую среду (по экспериментальным данным, 1500 К<Тад<2500 К); III-Q>cT0 и nкp=у=в соблюдены необходимые и достаточные условия устойчивого химико-технологического горения (Тад>2500 К).
Основы процесса огневой зачистки поверхности металла

Процесс огневой зачистки определяют как экзотермическое горение предварительно нагретого горючим газом металла до температуры 900—1200° С в струе кислорода, под давлением которого продукты реакции, содержащие 50—80% чистого и 50—20% окисленного железа, удаляются с поверхности металла в виде расплава.

Огневая зачистка легированных сталей ведется с применением флюсов, способствующих разжижению тугоплавких шлаков.

С позиции химико-технологического процесса горения огневая зачистка представляет собой самораспространяющийся синтез тугоплавких соединений, однако продукты реакции горения не имеют пока четко выраженной технологической направленности и представляют собой малоценную окалину. Известно, что при машинной огневой зачистке образуется до 25 т/ч отходов, а абсолютное количество этих отходов в металлургии составляет около 0,5 млн. т в год. Имеющиеся данные о том, что эти отходы могут быть использованы в порошковой и ферросплавной металлургии, приобретут еще большую актуальность при повышении их ценности за счет целевой подготовки в условиях химико-технологического горения.

Таким образом, физическая суть явлений, происходящих при огневой зачистке, позволяет рассчитывать не только на интенсивную обработку дефектной поверхности проката, но и на одновременную организацию высокопроизводительного металлотермического целевого процесса, что может создать значительные новые технико-экономические перспективы в металлургической промышленности.

Основное условие процесса газокислородной зачистки состоит в том, что температура горения металла и плавления его окислов должна быть ниже температуры плавления металла. В противном случае металл расплавляется без выделения экзотермического тепла, трудноудаляемый слой окислов сокращает доступ кислорода к металлу и процесс прекращается. Малоуглеродистые стали легко обрабатываются газокислородным пламенем, с увеличением содержания углерода в металле обрабатываемость сталей ухудшается, газокислородная резка чугуна практически невозможна. Резко ухудшается обрабатываемость сталей, легированных элементами, повышающими температуру плавления окислов, т. е. содержащих хром, никель, вольфрам и др.

Горение железа при огневой зачистке происходит по реакции

Основными параметрами процесса огневой зачистки являются: температура металла, расход режущего кислорода и газового топлива. На рис. 9 показана зависимость глубины зачистки металла и удельного расхода кислорода от температуры заготовки перед обработкой. Интенсификация процесса при повышении температуры заготовки объясняется тем, что теплопроводность нагретых сталей снижается, концентрация тепла от воздействия подогревающего пламени у поверхности реза повышается, возникающее экзотермическое тепло горения железа используется с меньшими потерями на прогрев сечения металла и в окружающую среду, т. е. процесс зачистки происходит более устойчиво. Производительность при зачистке стали, нагретой до 1100°C выше в шесть раз, по сравнению с производительностью при зачистке при нормальной температуре.

Чистота кислорода (по ГОСТ 5583—68) определяет его удельный расход и глубину зачистки (рис. 10). Процесс огневой зачистки происходит устойчиво при чистоте кислорода более 96%. Увеличение чистоты кислорода на 0,5% позволяет снизить его расход на 10%. Зависимость глубины зачистки удельного расхода кислорода от общего количества кислорода, вводимого в процесс зачистки, показана на рис. 11.

Скорость подачи металла при зачистке не оказывает влияния на удельный расход кислорода, а с ее увеличением глубина зачистки уменьшается почти прямо пропорционально.

В качестве газового топлива при огневой зачистке применяют сухой природный или коксовый газы, вытесняющие в последние годы, по экономическим соображениям, ацетилен.

Низшая теплота сгорания 1 м3 природного газа при давлении 760 мм рт. ст. и температуре 0°С составляет 31—38 МДж/(кг*К), примерная температура горения в кислороде 2000—2200° С, количество кислорода, потребное для полного сжигания 1 м3 газа, составляет 2,0 м3.

В начальный период процесса необходимо обеспечить повышенную тепловую мощность подогревающего пламени, при возникновении процесса горения расход горючего газа снижают до минимума, обеспечивающего стабильный процесс.

Определение потребления энергоносителей при зачистке на МОЗ производят по номограммам. Пример номограммы дан на рис. 12, в основу которой положена формула

где W — скорость зачистки, м/с;

Qк — расход режущего кислорода, м3/ч;

р — периметр сечения заготовки, см;

Kн — коэффициент, зависящий от расхода кислорода;

Kт — коэффициент, зависящий от начальной температуры металла;

Kе — коэффициент, зависящий от чистоты кислорода;

b — глубина зачистки, мм;

К — коэффициент, учитывающий размерности входящих в формулу величин.

На рис. 12, а приведен пример расчета режима при следующих условиях: размеры сечения заготовки аxb = 400x400 мм; глубина зачистки 6=1,5 мм; периметр сечения заготовки р = 160 см; масса 1 м заготовки G = 1250 кг.

Получены следующие данные: расход режущего кислорода Qo2 =6400 м3/ч; расход газа Qг = 640 м3/ч; номинальная скорость зачистки Wном = 0,63 м/с; потери металла с 1 м длины g = 36 кг/м; процент потерь металла 0 = 1,62%, соответствующие номинальным параметрам: расход кислорода на 1 см фронта зачистки х =40 м3/(ч*см); начальная температура зачистки металла t = 1050° С; степень чистоты кислорода е = 99,4%.

На рис. 12,б приведен пример расчета фактической скорости зачистки W при Wном = 0,63 м/с; е = 98,6%; t = 1050° С; Qo2 = 8000 м3/ч и р = 160 см, т. е. W = 0,72 м/с.

Следовательно, технологические параметры процесса огневой зачистки должны соответствовать оптимальным значениям, которые подлежат автоматическому регулированию при отклонении одного из них. Только при выполнении этих условий следует определять производительность процесса зачистки и его экономическую эффективность.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: