S e r i a : ENERGETYKA z . 38 Nr ¡col. 309 ZESZYTY NAUKCFiYE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ____________________________ 1971
RYSZARD PETELA
K a te d r a Podstaw T e c h n i k i C i e p l n e j JANUSZ KOKOT
Huta B a to r y ANDRZEJ WOŹNIAK
Zakład S i e c i C i e p l n e j - Łódź
POMIARY ILOŚCI ZGORZELINY PRZY PODGRZEWANIU STALI
S t r e s z c z e n i e . Za pomocą l a b o r a t o r y j n e g o p i e ca do n a g r z e w a n ia s t a l o w y c h p ró b e k o k r e ś l a n o e k s p e r y m e n t a l n i e wpływ s to s u n k u nad m iaru po
w i e t r z a do s p a l a n i e , z a w a r t o ś c i t l e n u w tym p o w i e t r z u i wpływ c z a s u na g rz e w a n ia na i l o ś ć t w o r z ą c e j s i ę z g o r z e l i n y . W y n i k i b adań p r z e d s t a w io n o w f o r m i e wykresów i o p is a n o w nioski.
1. Wst ęp
Z a g a d n ie n ie t w o r z e n i a s i ę z g o r z e l i n y p r z y podgrzew aniu s t a l i w w ysokich t e m p e r a t u r a c h j e s t i s t o t n y m problemem w w i e l u p r z y p a d k a c h . Z g o r z e l i n a j e s t bowiem p rz y c z y n ą z n a czn y c h , s i ę g a j ą c y c h k i l ku p r o c e n t , s t r a t podgrzewanego m a t e r i a ł u . Nie u s u n i ę t a z p o w ie r z c h n i wl6wka lub k ęsa z o s t a j e podczas walcowania w gniec io n a do wnę
t r z a wyrcbu o b n i ż a j ą c je g o j a k o ś ć . W przypadku s to s o w a n ia o b ró b k i c i e p l n e j mogą r ó w n ie ż w y s t ą p i ć m iejscowe wady pow ierzchniow e z po
wodu zm n ie jsz o n e g o przew oanictw a c i e p l n e g o w arstw y p o k r y t e j z g o rze
l i n ą , z m i e n i a j ą c e w a ru n k i o b r ó b k i . Duże z n a c z e n ie więc ma e l i m i n o w anie z g o r z e l i n y lub nawet z m n i e j s z a n i e j e j i l o ś c i [1 j , [3j .
Je d e n ze sposobów z m n i e j s z a n ia i l o ś c i z g o r z e l i n y p o lag a na u - trzym yw aniu odpow iedniego s k ł a d u chem icznego g r z e j n y c h s p a l i n orry- w a ją cy ch nagrzew ane p o w i e r z c h n i e . L okalny s k ł a d ' t a k i c h s p a l i n może być z n a c z n ie z m ien ian y w s t o s u n k u do s k ł a d u w y n ik a ją c e g o ze zwy-
c z a j n e g o , z u p e łn e g o s p a la n ia p a liw a p r z y u ż y c iu p o e ie t r z a .H a p rzy k ła d p r z e z sto p n io w a n e d op row ad zan ie p o w ie tr z a do s p a l a n i a , lu b p r z e z zm ianę u d z ia łu t l e n u w u tytym p o w ie tr z u można p o w ie r z c h n ie ogrzew an ego wsadu m etalow ego s t y k a ć ze s p a lin a m i o ró żn y ch parame
t r a c h ch em ic zn y ch i te r m ic z n y c h w p ły w a ją cy ch na i l o ś ć tw o r z ą c e j s i ę z g o r z e l i n y .
Wpływ t e n próbowano w n i n i e j s z e j p r a c y o k r e ś l i ć e k s p e r y m e n ta l- n i e [2j . Otrzymane w y n ik i o z n a c z e n iu o r ie n ta c y jn y m mogą b y ć w ażną in fo r m a c ją p r z y o rg a n iz o w a n iu p r o c e s u t z w . b e z z g e r z e lin o w e g o na*
g r z e w a n ia s t a l i w p ie c a c h , p r z y r ó w n o c z e s n e j o c e n ie ek on om iczn ej o p ł a c a l n o ś c i w prow adzania zasad t a k i e g o p r o c e s u .
2 . I n s t a l a c j a badawcza
B adania przeprow adzono p r z y u ż y c iu s p e c j a ln e g o p ie c a la b a r a t o - r y j n e g o p r z e d s ta w io n e g o s c h e m a ty c z n ie na ry su n k u 1 . P ie c z a s i l a n o
6_______ R. P e t e l a . J . K okot, A. W oźniak
fbm iar tem peratury Termoparą metalu
Piec
strumienia goiu
fbmtar tem peratury
spalin Spaliny tb kom<na
R y s. 1 . Schem at i n s t a l a c j i b ad aw czej
P om iary l l o ś o i z g o r z e l i n y p r z y « . 7
gazem ziemnym o w a r t o ś c i o p a ło w ej 3 4 ,4 MJ/m^, k t ó r y b y ł s p a la n y p r z y zmiennym sto su n k u nadm iaru t l e n u i p r z y zmiennym s k ł a d z i e ch e
micznym u t l e n i a j ą c e g o c z y n n ik a ( p o w ie t r z e w zb ogacon e lu b zu b ożon e w t l e n ) . W komorze p ie c a o o b j ę t o ś c i 0 ,0 2 5 m3 , k t ó r e j w n ę tr z e po
kazano na ry su n k u 2 (w id o k p r z e z o tw a r te d r z w i ) , u m ie sz c z a n o 9 p ró b ek wykonanych za s t a l i o s k ł a d z i e chem icznym : C - 0 ,2 5 & .S i-0 ,0 3 5 S , P - 0 ,0 4 1 £» S - 0,042$?, Cu - 0,085», Cr - 0 , 0 9 £ , Mn - 0 ,4 5 5 ,, Hi - 0,095, ( r e s z t a F e ) , Każda z prób ek w k s z t a ł c i e p r o s t o p a d ło ś c ia n u o d ł u g o ś c i boków 4 x 5 x 6 cm w a ży ła o k o ło 8 4 0 g , n a w ie r c o n e o tw o ry p o z w a la ły na w prow adzania o d s ł o n i ę t e j końców ki term op ary do śr o d k a p r ó b k i. Przew ody term o p a r y b y ł y o s ł o n i ę t e r u r k ą z m a t e r ia łu c e r a -
R y s , 2 . w n ę tr z e p ie c a
m ic z n e g o . M ierzon o te m p e r a tu r ę t y l k o t r z e c h środkow ych p ró b ek A , B i C . D la o k r e ś le n ia s k ła d u ch e m ic z n e g o s p a l i n odprow adzanych do ko
mina przep row ad zan o a n a l i z ę aparatem O r s a ta , T em peraturę t y c h s p a l i n m ierzo n o term op arą u m ie sz c z o n ą u w y lo tu i c h z komory p i e c a . Gaz ziem ny w i l o ś c i m ie r z o n e j za pomocą podw ójnej k r y z y pom iarow ej p o b ie r a n o z s i e c i o n a d c i ś n i e n i u r z ę d u 3 0 m bar, Do p a ln ik a d o p ro wadzano p o w ie t r z e s p r ę ż o n e z a i e c i p r z e z zawór r e d u k c y jn y .S tr u m ie ń p o w ie tr z a m ie r z o n o k r y z ą pom iarow ą. D la u z y s k a n ia c z y n n ik a u t l e n i a
8 R. P e t e l a , J . Kokot, A. Woźniak
j ą c e g o o różnym s k ł a d z i e doprowadzano do s t r u g i p o w i e t r z a , m ie rz o ny za pomocą, wycechowanych k a p i l a r , s t r u m i e ń a z o tu lu b t l e n u z od
p o w ie d n ie j b u t l i .
I l o ś ć z g o r z e l i n y p o w s t a j ą c e j na p o w i e r z c h n i a c h ogrzewanych ko
s t e k próbnych o k r e ś l a n o metodą t r a w i e n i a p ró b e k w s t o p i o n y c h s o l a c h o s k ł a d z i e chemicznym NaOH - 75%, NaNO^ - 15% i NaCl - 10%.
P r ó b k i z p o k ry ty m i z g o r z e l i n ą p o w ie r z c h n ia m i z a n u rza s i ę w s t o p i o nych s o l a c h o t e m p e r a t u r z e 450 do 540°C n a o k re s 5 do 20 m in u t.Z g o r z e l i n a z o s t a j e u s u n i ę t a w n a s t ę p n y c h dwóch p r o c e s a c h , k tó ry m i s ą h a r to w a n i e p r ó b k i w zim nej wodzie i k r ó t k i e z a n u r z a n i e w ciep ły m ro z c ie ń c z o n y m k w a sie . U bytek c i ę ż a r u p r ó b k i o k r e ś l o n y za pomocą l a b o r a t o r y j n e j w agi odpowiada i l o ś c i z g o r z e l i n y .
3 . Wyniki b a d a ń i w n i o s k i
Z przeprow adzonych b a d a ń omówiono t u 6 pomiarów ( t a b l i c a 1).
T a b l i c a 1 P a ra m e try pomiarów
Nr pom iaru
-
Molowy u d z i a ł 0g w po
w i e t r z u do s p a l a n i a
%
Czas n a g rz e w a n ia p róbe k min.
1 17 45
2 19 45
3 21 45
4 23 45
5 25 45
6 21 23
vj p o s z c z e g ó ln y c h p o m ia ra c h zm ieniano u d z i a ł molowy t l e n u w czyn
n i k u w y ł a n ia j ą c y m p a liw o ( p o w i e tr z u wzbogaconym lub zubożonym) i za sto so w an o dwa r ó ż n e k r y t e r i a s t a n o w ią c e o z a k o ń c z e n iu danego po
miaru.. Dla pomiarów od 1 do 5 p r z y j ę t o o r i e n t a c y j n i e w a r t o ś ć w skaź
n i k a W z u ż y c ia e n e r g i i c h e m ic z n e j p a liw a p r z y p a d a j ą c e g o na i kg ogrzewanego wsadu W -= 6 M J/kg. D la sto so w an e g o w b a d a n i a c h s t a ł e go s t r u m i e n i a gazu ziemnego wynoszącego 2 m^/h i d l a o g r z e w a n e j , aa-
Pomiary i l o ś c i z g o r z e l i n y p r z y . . 9
giy « s a d u , odpowiada t o c z a s o w i n a g r z e w a n ia r z ę d u 45 minut.W pomia
r z e 6 p r z y j ę t o d l a porów nania c z a s t e n wynoszący 23 m i n u ty . Każ
dy pom iar p rz ep ro w a d zan o p r z y p i ę c i u w a r t o ś c i a c h s t o su n k u lm a d m ia ru czynnik3 u t l e n i a j ą c e g o ' 0 , 8 , 0 , 5 , "¡»O, 1,1 i
Otrzymane w y n ik i p r z e d s t a w i o n o w f o r m i e u ś r e d n i o n y c h w ykresów .Ry
su n e k 3 d o t y c z y p r ó b k i A z n a j d u j ą c e j s i ę n a j b l i ż e j w y lo tu p a l n i k a . P r z y s t a ł y m c z a s i e V= 45 m inut na
g rz e w a n ia p r ó b k i , p r z e d s t a w i o n o wpływ molowego u d z i a ł u t l e n u w czyn
n ik u u t l e n i a j ą c y m i wpływ s t o s u n k u A n a d m ia ru t e g o czynnika na uby
t e k c i ę ż a r u p r ó b k i p o w s t a ł y p r z e z usuw anie z g o r z e l i n y . P r z y r e a l i z o w aniu s t a ł e g o c z a s u n a g r z e w a n i a u -
zyskiw ano r ó ż n e w a r t o ś c i końcowej t e m p e r a t u r y p r ó b e k . Dla i n f o r m a c j i t e m p e r a t u r y t e za znac zono na wykre
s a c h ( r y s . 3* 4 i 5 ) .
2 r y s u n k u 3 w y n ik a , m w m i a r ę wzr-
0
'i t u z a w a r t o ś c i t l e n u w c z y n n i ku u t l e n i a j ą c y m , p r z y s t a ł e j zawar
t o ś c i A, w z r a s t a i l o ś ć t w o r z ą c e j s i ę z g o r z e l i n y p r z y równoczesnym w z r o ś c i e końcowej t e m p e r a t u r y p r ó b k i n a g rz e w a n e j w s t a ł y m c z a s i e . P rz y s t a ł e j w a r t o ś c i molowego u d z i a ł u t l e n u w c z y n n ik u u t l e n i a j ą cym i l o ś ć z g o r z e l i n y j e s t tym w i ę k s z a , im w ię k s z a j e s t na o g ó ł war
t o ś ć s t o s u n k u A , c h o c i a ż wpływ t e n na r y s u n k u 3 j e s t n i e z b y t w yraź
ny -ze. w zględu na r ó ż n e w a r t o ś c i o d pow iednich t e m p e r a t u r Końcowych, j a k i e o s i ą g a ł y b adane p r ó b k i .
D la w s z y s t k i c h pomiarów u b y t e k c i ę ż a r u p r ó b k i o k r e ś l a n e ró w n i e ż d l a p ró b e k E i C z n a j d u j ą c y c h s i ę , w ,p o ró w n a n iu z p ró b k ą A, d a l e j od w y l o tu p a l n i k a . D la p r z y k ł a d u podano n a - r y s u n k u 4 wyKres u b y tk u c i ę ż a r u p r ó b k i w z a l e ż n o ś c i od p o ł o ż e n i a p r z y n a g rz e w a n iu t r w a j ą -
300
K
£
3 ¿00 NVts•K*
i
53 100
r* 45 nu K
—
m n i 10i
1 1.0
J
h "MC i
&£—
960- w
16
20 & %Molowy u dzia ł 0i tv potJtełrzu R y s. 3 . U bytek c i ę ż a r u p r ó b
k i A
cym
45
m inut i p r z y s p a l a n i u gazu ziemnego z czynnikiem u t l e n i a j ą cym w s t o s u n k u n adm iaru !\>= 1 . J a k w y nika, w m ia rę z w i ę k s z a j ą c e j s i ę o d l e g ł o ś c i b a d a n e j p r ó b k i od p a l n i k a z m n ie js z a s i ę i l o ś ć zgor z e l i n y , o b n iż a s i ę je d n a k p r z y tym końcowa t e m p e r a t u r a ' p r ó b k i . P o t w i e r d z a s i ę r ó w n ie ż w n io s e k , że d l a p o s z c z e g ó ln y c h komór pieców 10_____________________________________ R. P e t e l a , J . Kokot, A. Woźniak
Molouy udział 0t * powietrzu Rys. 4 . Ubytek c i ę ż a r u p ró b e k A, B i C
g r z e j n y c h w y p e łn io n y ch w ró ż n y sposób płom ieniem i gorącym i s p a l i nami i s t n i e j ą odmienne p o la końcowych t e m p e r a t u r nagrzewanego ma
t e r i a ł u , a t a k ż e odmienne p o l a tw o r z e n i a s i ę z g o r z e l i n y związane z polem k o n c e n t r a c j i sk ład n ik ó w gazowych. 0 końcowej t e m p e r a t u r z e na
grzew anego wsadu n i e k i e d y w dużym s t o p n i u d e c y d u je t a k i e r o z w i ą z a n i a u k ł a d u geom etry czn e g o komory, wsadu i s t r u g i gazów, k t ó r e po
w ięk sz a r o l ę wymiany c i e p ł a p r z e z p r o m ie n io w a n ie . Dla o k r e ś lo n e g o w ięc m a t e r i a ł u nagrzew anego i d l a p r z y j ę t e g o u k ła d u geom etrycznego i s t n i e j e pew ien optym alny sposób u ł o ż e n i a wsadu w komorze zapewnia-
Pom iary i l o ś c i z g o r z e l i n y p r z y . . . 11
f i
n o t*990
T< 1 T
tfi t.2
R ys. 5 . Wpływ c z a s u n a g r z e w a n ia
j ą c y , p r z y wymaganej te m p e r a tu r z e k o ń co w ej, r ó w n ie ż m in im aln ą i - l o ś ć z g o r z e l i n y .
Na rysu n k u 5 p r z e d s ta w io n o u ś r e d n io n e dane d o t y c z ą c e wpływu c z a s u przeb yw an ia p r ó b k i w p ie c u na i l o ś ć tw o r z ą c e j s i ę zg o r z e l i n y w z a l e ż n o ś c i od s to s u n k u X nadm ia
ru p o w ie tr z a do s p a la n ia .P r z e d s t a w io n y p r z y k ła d d o t y c z y p r ó b k i A. W ynika, ż e w porów
n a n iu z czasem n a g rzew a n ia f » 4.5 m in u t, n a g rzew a n ia w c z a s i e o p o ło w ę k r ó t s z y m ,t j . wynoszącym f = 2 3 m in u ty , odbywa s i ę p r z y z n a c z n ie m n ie j s z e j i l o ś c i p o w s ta ją o e j zgo
r z e l i n y , p r z y czym r ó ż n ic a t y c h i l o ś c i r o ś n ie ze w zrostem s to s u n k u \ • LTimo o p ołow ę k r ó t s z e g o c z a s u n a g r z e w ania końcowa tem p era tu ra p r ó b k i j e s t sto su n k o w o n i e w i e l e n iż s z a
(970°C w porów naniu z 850°C d la 0 ,8 5 o r a z 930°C w porów naniu z 900°C d la A m 1 , 1 5 ) . O dpow iednie r ó ż n i c e te m p e r a tu r z m n ie js z a j ą s i ę p r z y z w ię k s z a j ą c e j s i ę w a r t o ś c i s to s u n k u A •
S k ła d ch e m ic z n y s p a l i n w z a l e ż n o ś c i od w a r t o ś c i A i od zaw a rto ś c i t l e n u w p o w ie tr z u do s p a l a n i a o b r a z u je r y su n e k ó , na którym p r z e d s ta w io n o d la p r z y k ła d u molowe u d z i a ł y CO i CO, w s p a lin a c h su c h y c h w y p ły w a ją cy ch z komory p i e c a . T em peraturę ty c h s p a l i n przed
s t a w ia r y su n e k 7 r ó w n ie ż w z a l e ż n o ś c i od ty c h samych param etrów pro
c e s u s p a l a n i a .
Z aw artość CO p r z y s t a ł e j w a r t o ś c i A , ze rizrostem z a w a r t o ś c i t l e nu w c z y n n ik u u t le n ia j ą c y m z w ię k sz a s i ę tym h a r d z i e j , im n iższa y s t w a r to ś ć s to s u n k u A • D la o k r e ś lo n e j z a w a r t o ś c i t l e n u w p o w ie tr z u do s p a l a n i a , z a w a r to ść CO w s p a lin a c h w z r a s ta ze z m n iejsza n iem s i ę s to s u n k u A . Z aw artość COg, d la s t a ł e j w a r t o ś c i w z r a s ta w m ia r ę w z r o stu z a w a r t o ś c i t l e n u w p o w ie tr z u do s p a l a n i a . N a jw ięk sz e zawar
t o ś c i CO2 w s p a lln a o h u z y s k u je s i ę p r z y X « 1 , 1 . Również te m p e r a tu ra w y lo to w y ch s p a l i n o s ią g a n a j w ię k s z e w a r t o ś c i d la A a 1 , 1 . D la m n ie js z y c h lu b w ię k s z y c h w a r t o ś c i X tem p era tu ra t a j e s t m n ie j s z a .
•¡2 R. P e t e l a , J . Kokot, J
ir 19 n n » •/,
Molowy udziott Ą w pow tełrzu
R y s. 6 . Z aw artość CO i COg w s p a lin a c h
«(7
| *
■Si ł 520
1 i0t?
S A iSO
1? 19 21 . 23 25%
Molowy udział 0, w powietrzu ■ ■ R y s. 7 . Temper,a t u r a s p a l i n
U Woźniak
Pom iary i l o ś c i z g o r z e l i n y p r z y . . 13
Wyniki p rzeprow adzonych badań p o t w i e r d z a j ą zn aczny wpływ c z a s u n a g r z e w a n i a , s t o s u n k u A. i z a w a r t o ś c i t l e n u w p o w ie t r z u do s p a l a n i a na i l o ś ć p o w s t a j ą c e j z g o r z e l i n y . Dobór je d n a k w a r t o ś c i w y s z c z e g ó l
n io n y c h param etrów p o w in ie n o p i e r a ć s i ę na o p t y m a l i z a c j i uw zględ
n i a j ą c e j w s k a ź n i k i z u ż y c ia e n e r g i i c h e m ic z n e j p a liw a i p r z y uwzględ
n i e n i u warunków t e c h n o l o g i c z n y c h . Z a g a d n ie n ie t a k i e na na o g ó ł cha
r a k t e r i n d y w id u a ln y d l a o k r e ś lo n e g o o b i e k t u . P r a c a n i n i e j s z a d o s t a r c z a do ro z w aża ń danych w stęp n y c h u zy sk a n y c h w d ro d z e eksperymen
tów i o k r e ś l a j ą c y c h n i e t y l e d o k ła d n e z a l e ż n o ś c i i l e og ó ln e te n d e n c j e wpływów p o s z c z e g ó l n y c h param etrów w p r o c e s i e n a g rz e w a n ia s t a l i w komorach p a l e n i s k o w y c h .
W t r a k c i e p r a c y n a s u n ą ł s i ę r ó w n ie ż w n i o s e k , aby celem u z y s k a n i a d o k ł a d n i e j s z y c h wyników pomiarów i l o ś c i t w o r z ą c e j s i ę z g o r z e l i n y , spróbować w p r z y s z ł o ś c i o k r e ś l a n i a t e j i l o ś c i p r z e z p r z y r o s t c i ę ż a r u p r ó b k i p r z y p rz e p ro w a d z a n iu n a s t ę p n i e a n a l i z y c h e m ic zn ej w ytw orzonej z g o r z e l i n y .
B adania l a b o r a t o r y j n e p r z e d s ta w i o n e powyżej można by d a l e j r o z w i j a ć d l a o k r e ś l a n i a optym alnych warunków b e z z g o r z e l i n ó w e g o n a g r z e w ania s t a l i , p r z y czym ważne j e s t r ó w n ie ż wprow adzenie i sp ra w d z e n i e pewnych k r y t e r ió w pod o b ień stw a p o z w a l a j ą c y c h na p r z e t r a n s p o n o w anie uzyskiw anych wyników l a b o r a t o r y j n y c h na r z e c z y w i s t e o b i e k t y p rzem ysłow e.
LITERATURA
[1] GOCZAŁ J . - H u tn ik (1960) n r 4 , ( 1 9 6 8 ) n r 10.
[2] PETELA R., WOŹNIAK A. - B a d a n ie i l o ś c i z g o r z e l i n y p o w s t a j ą c e j p r z y podgrzew aniu s t a l i w komorze p a l e n i s k o w e j . Mgr. P r .D y p l.- w Z a k ł . doap. Gazowej K a t. E n e r g e t y k i C i e p l n e j P o l i t e c h n i k i Ś l ą s k i e j 1970.
[3] SBNKARA T. - O b l i c z e n i a pieców grzew czych w h u t n i c t w i e ż e l a z a Wyd. Ś l ą s k , Katowice 1968.
14 R. P e t e l a , J . K okot, A. Wozniak
KSM LPiHfcii KOJBk'iECTBA OKAJH.HU BO J I 'L k n llO flO rPLB A CTAJttl
F e s c u e
lipH noMOKH j ia 6 c p a T o p H o ii neaw a a a H a rp eB U c t o b b h u x o f i p a s n o B sx c n e p H M e H - TajibHO o n p e x e j i f u i o c b B J M H u e cooTHomeHHH nsC u T K a B 0 3 j,y x a k c r o p a H u c u b s h m- B «e a p ea eH H H a r p e B a Ha KoJiwaecTBo o< SpasoB aHna o k b j i h h u .
P e 3 y jib T a T K H c cjiexcB aH nii n p e jc T a B J ie H U b Bujie rp a if m to B it oimcaHO n p e * a o - x e u H H .
QUANTITY MEASUREMENT OP THE SCALE FORMATION AT THE HEATING OP THE STEEL
S u m m a r y
The l a b o r a t o r y f u r n a c e f o r h e a t i n g t h e s t e e l sam ples was used f o r some e x p e r i m e n t s . Dependence o f t h e q u a n t i t y o f s c a l e fo rm a
t i o n , u p o n t h e e x c e ss a i r r a t i o , oxygen c o n c e n t r a t i o n i h t h e a i r used i n c o m b u stio n and t h e -time o f h e a t i n g , was d e te r m in e d .E x a m i
n a t i o n r e s u l t s a r e p r e s e n t e d by d ia g ra m s and some c o n c l u s i o n s a r e d i s c u s s e d .
