0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Общая характеристика процессов горения

ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ

Основными характеристиками, определяющими вид процесса горения, являются:

  • а) механизм распространения зоны химической реакции:
    • дефлаграционное горение;
    • детонационное горение.
  • б) режимы горения:
    • гомогенное горение;
    • гетерогенное горение.
  • в) кинетические параметры режима горения:
    • кинетическое горение;
    • диффузионное горение.
  • д) газодинамические параметры режима горения:
    • ламинарное горение;
    • турбулентное горение.

Дефлаграция — это процесс горения, при сравнительно медленном распространении зоны химической реакции со скоростью движения тепловой волны по горючей смеси от 0,5 до 50 м/с (шах 300 м/с).

Детонация — это горение, при котором распространение зоны химической реакции протекает со скоростью ударной волны, от нескольких сот до десятков тысяч метров в секунду.

Режимы горения зависит от агрегатного состояния горючего вещества и окислителя.

Гомогенное горение — когда оба компонента находятся в одной фазе (в одинаковом агрегатном состоянии). В зависимости от однородности смеси может быть кинетическим или диффузионным. (Однородной смесью называется предварительно перемешенная смесь горючего с окислителем). Схематично гомогенное горение представлено на рисунке 3. Гомогенным горением является горение паров, поднимающихся со свободной поверхности жидкости.

Рисунок 3 — Схема зоны горения паров жидкости — гомогенное горение

Гетерогенное горение — когда агрегатное состояние у компонентов горючей системы различное. Это горение твердых и жидких горючих материалов на границе раздела фаз, т. е. горение происходит практически на их поверхности. Примером горения на поверхности твердого вещества — гетерогенного горения — является горение кокса, антрацита, древесного угля. В этом случае диффузии кислорода к зоне горения также препятствуют продукты сгорания, как видно из схемы, представленной на рисунке 4.

Рисунок 4 — Схема диффузии кислорода в зону горения твердого вещества (гетерогенное горение)

Концентрация кислорода в объеме (Су) значительно больше концентрации его вблизи зоны горения (Со). В отсутствие достаточного количества кислорода в зоне горения химическая реакция горения тормозится.

Кинетические параметры режима горения зависят от того, какой процесс является самым медленным (лимитирующим) — физический или химический, он и определяет процессы в области горения. Режим горения определяется временем сгорания горючего вещества. Время сгорания — г2. Время контакта между горючим веществом и окислителем — тк. Время протекания химической реакции — тх. Тогда

Область горения, в которой время горения зависит только от скорости химической реакции называется кинетической, т. е. в ней тх»тк. Так горят однородные горючие смеси, в которых молекулы окислителя хорошо перемешаны с молекулами горючего вещества (чаще всего это газо- и паровоздушные смеси).

Область горения, в которой скорость процесса зависит только от времени, необходимого для контакта кислорода и горючего (скорости диффузии кислорода к горючему веществу), называется диффузионной, т. е. в ней тк»тх.

Например, при горении твердых горючих веществ, время необходимое для проникновения (диффузии) кислорода к поверхности вещества, гораздо больше времени химической реакции.

Газодинамические параметры режима горения определяются в зависимости от газодинамического состояния горючей смеси (интенсивности и характера поступления горючей смеси в зону реакции).

Ламинарный режим горения — характеризуется спокойным поступлением в зону горения компонентов горючей смеси. При таком режиме горения наблюдается плавный переход от зоны смесеобразования к зоне горения и далее — к зоне формирования потока продуктов горения. На рисунке 5 дана схема ламинарно-диффузионного режима горения. Зона горения представляет собой тонкий слой, в котором протекает непосредственно горение. В этом слое возникают диффузионные процессы: соприкосновение слоев воздуха и горючего.

Рисунок 5 — Схема ламинарно-диффузионного горения

Рисунок 6 — Режимы горения: а — ламинарное; б — мелкомасштабная турбулентность; в — турбулентность превышает толщину зоны горения; г — крупномасштабная турбулентность

Турбулентный режим горения — компоненты горючей смеси поступают в зону горения бурно, образуя завихрения. Такой режим характерен для горения газов.

На рисунке 6 показаны режимы ламинарного и турбулентного горения газовоздушной горючей смеси. Зона горения при ламинарном режиме имеет четкую границу (8 лам); при турбулентном режиме зона горения размыта (81).

Характеристика процесса горения

Всем нам практически ежедневно приходится сталкиваться с тем или иным проявлением процессом горения. В нашей статье мы хотим более подробно рассказать какие особенности включает в себя данный процесс с научной точки зрения.

Горение является основной составляющим процессом на пожаре. Пожар начинается с возникновения горения, его интенсивность развития как правило путь пройденный огнем, то есть скорость горения, а тушение заканчивается прекращением горения.

Под горением обычно понимают экзотермическую реакцию между горючим и окислителем, сопровождающуюся, по крайней мере, одним из трех следующих факторов: пламенем, свечением, дымообразованием. Из-за сложности процес­са горения указанное определение не является исчерпывающим. В нем не учтены такие важнейшие особенности горения, как быстрое протекание лежащей в его основе экзотермической реакции, ее самоподдерживающийся характер и способность к самораспространению процесса по горючей смеси.

Различие между медленной экзотермической окислительно-вос­становительной реакцией (коррозия железа, гниение) и горением заключается в том, что последняя протекает настолько быстро, что теплота производится быстрее, чем рассеивается. Это приводит к по­вышению температуры в зоне реакции на сотни и даже тысячи гра­дусов, к видимому свечению и образованию пламени. По сути так образуется пламенное горение.Если происходит выделение тепла но пламя при это отсутствует, то этот процесс называется тлением.И в том и в другом процессе происходит образование дыма – аэрозоля полного или неполного сгорания ве­ществ. Стоит отметить, что при горении некоторых веществ пламени не видно, а также отсутствует и выделение дыма, к таким веществам относится водород. Слишком быстрые реакции (взрывчатое пре­вращение) также не входят в понятие горения.

Необходимым условием для возникновения горения является на­личие горючего вещества, окислителя (при пожаре его роль выпол­няет кислород воздуха) и источника зажигания. Для непосредственно­го возгорания необходимо наличие критических условий по составу горючей смеси, геометрии и температуре горючего материала, давле­нию и др. После возникновения горения в качестве источника зажи­гания выступает уже само пламя или зона реакции.

Например, метан способен окисляться кислородом с выделением тепла до метилового спирта и муравьиной кислоты при 500-700 К. Однако, чтобы реакция продолжилась, необходимо пополнение теп­лоты за счет внешнего подогрева. Горением это не является. При на­гревании реакционной смеси до температуры выше 1000 К скорость окисления метана возрастает настолько, что выделяющегося тепла становится достаточно для дальнейшего продолжения реакции, необ­ходимость в подводе теплоты извне исчезает, начинается горение. Та­ким образом, реакция горения, возникнув, способна сама себя поддер­живать. Это главная отличительная особенность процесса горения. Другая, связанная с ней особенность — способность пламени, являю­щегося зоной химической реакции, самопроизвольно распростра­няться по горючей среде или горючему материалу со скоростью, оп­ределяемой природой и составом реакционной смеси, а также услови­ями процесса. Это основной механизм развития пожара.

Типичная модель горения построена на реакции окисления органических веществ или углерода кислородом воздуха. Множество физических и химических процессов сопровождают горение. Физика это перенос тепла в систему. Окислительные и восстановительные реакции это составляющая природы горения со стороны химии. Отсюда из понятия горение вытекают самые разные химические превращения, включая разложение исходных соединений, диссоциации и ионизации продуктов.

Совокупность горючего вещества или материала с окислителем представляет собой горючую среду. В результате разложения горю­чих веществ под воздействием источника зажигания происходит об­разование газопаровоздушной реакционной смеси. Горючие смеси, которые по составу (соотношению компонентов горючего и окисли­теля) отвечают уравнению химической реакции, называются смесями стехиометрического состава. Они наиболее опасны в пожарном от­ношении: легче воспламеняются, интенсивнее горят, обеспечивая полное сгорание вещества, в результате чего выделяют максималь­ное количество теплоты.

Рис. 1. Формы диффузионных пламен

а – горение реактивной струи, б – горение разлитой жидкости, в – горение лесной подстилки

По соотношению количества горючего материала и объема окислителя различают бедные и богатые смеси: бедные содержат в изобилии окислитель, богатые — горючий материал. Минимальное количество окислителя, необходимое для полного сгорания единицы массы (объема) того или иного горю­чего вещества, определяется по уравнению химической реакции. При горении с участием кислорода требуемый (удельный) расход воздуха для большинства горючих веществ находится в пределах 4-15 м 3 /кг. Горение веществ и материалов возможно только при обусловленном содержании в воздухе их паров или газообразных продуктов, а также при концентрации кислорода не ниже заданного предела.

Так, для картона и хлопка самопотухание наступает уже при 14 об. % кис­лорода, а полиэфирной ваты — при 16 об. %. В процессе горения, как и в других химических процессах, обяза­тельны два этапа: создание молекулярного контакта между реаген­тами и само взаимодействие молекул горючего с окислителем с об­разованием продуктов реакции. Если скорость превращения исход­ных реагентов определяется диффузионными процессами, т.е. ско­ростью переноса (пары горючих газов и кислорода переносятся в зону реакции за счет градиента концентраций в соответствии с зако­нами диффузии Фика), то такой режим горения называется диффу­зионным. На рис. 1 приведены различные формы диффузионных пламен. При диффузионном режиме зона горения размыта, и в ней образуется значительное количество продуктов неполного сгора­ния. Если же скорость горения зависит только от скорости химиче­ской реакции, которая значительно выше скорости диффузии, то режим горения называется кинетическим. Ему свойственны более высокие скорости и полнота сгорания и как следствие высокие ско­рости тепловыделения и температура пламени. Этот режим имеет место в предварительно перемешанных смесях горючего и окисли­теля. Отсюда, если реагенты в зоне химической реакции находятся в одинаковой (обычно газовой) фазе, то такое горение называют го­могенным, при нахождении горючего и окислителя в зоне реакции в разных фазах — гетерогенным. Гомогенным является горение не только газов, но и жидкостей, а также большинства твердых ве­ществ и материалов. Объясняется это тем, что в зоне реакции горят не сами материалы, а их пары и газообразные продукты разложе­ния. Наличие пламени является отличительным признаком гомоген­ного горения.

Примерами гетерогенного горения служат горение углерода, уг­листых остатков древесины, нелетучих металлов, которые даже при высоких температурах остаются в твердом состоянии. Химическая реакция горения в этом случае будет происходить на поверхности раздела фаз (твердой и газообразной). Отметим, что конечными про­дуктами горения могут быть не только оксиды, но и фториды, хлори­ды, нитриды, сульфиды, карбиды и др.

Характеристики процесса горения разнообразны. Их можно подразделить на следующие группы: форма, размер и структура пламе­ни; температура пламени, его излучательная способность; тепловы­деление и теплота сгорания; скорость горения и концентрационные пределы устойчивого горения и др.

Всем известно, что при горении образуется свечение которое сопровождает пламя продукта горения.

Рассмотрим две системы:

  • газообразная система
  • конденсированная система

В первом случае при возникновении горения весь процесс будет происходить в пламени, во втором же случае часть реакций будет происходить в самом материале, либо его поверхности. Как упоминалось выше существуют газы которые могут гореть без пламени, но если рассматривать твердые вещества существуют также группы металлов которые также способны гореть без проявления пламени.

Часть пламени с максимальным значением, где происходят интенсивные превращения, называется фронтом пламени.

Теплообменные процессы и диффузия активных частиц из зоны горения которые являются ключевыми механизмами движения фронта пламени по горючей смеси.

Скорость распространения пламени принято разделять на:

  • дефлаграционное (нормальное), протекаю­щее с дозвуковыми скоростями (0,05-50 м/с)
  • детонационное, ког­да скорости достигают 500-3000 м/с.

Рис. 2. Ламинарное диффузионное пламя

В зависимости от характера скорости движения газового потока, создающего пламя, различают ламинар­ные и турбулентные пламена. В ламинарном пламени движение газов происходит в разных слоях, все процессы тепло-, массоообмена происходят путем мо­лекулярной диффузии и конвекции. В турбулентных пламенах про­цессы тепло-, массообмена осуществляются в основном за счет мак­роскопического вихревого движения. Пламя свечи — пример лами­нарного диффузионного пламени (рис. 2). Любое пламя высотой более 30 см будет уже обладать случайной газовой механической не­устойчивостью, которая проявляется видимыми завихрениями дыма и пламени.

Рис. 3. Переход ламинарного потока в турбулентный

Очень наглядным примером перехода ламинарного потока в тур­булентный является струйка сигаретного дыма (рис. 3), которая, поднявшись на высоту около 30 см, приобретает турбулентность.

При пожарах пламена имеют диффузионный турбулентный ха­рактер. Присутствие турбулентности в пламени усиливает перенос тепла, а смешивание влияет на химические процессы. В турбулент­ном пламени выше также скорости горения. Это явление делает затруднительным перенос поведения мелкомасштабных пламен на крупномасштабные, имеющих большую глубину и высоту.

Экспериментально доказано, что температура горения веществ в воздухе гораздо ниже температуры горения в атмосферной кислородной среде

В воздухе температура будет колебаться от 650 до 3100 °С, а в кислородной показатели температуры возрастут на 500-800 °С.

Общая характеристика процессов горения

Горением называется процесс взаимодействия топлива с окисли­телем, сопровождающийся выделением тепла, а иногда и света. Роль окислителя в подавляющем большинстве случаев выполняет кислород воздуха. Всякое горение предполагает прежде всего тесный контакт между молекулами топлива и окислителя. Поэтому, чтобы происходило горение, необходимо обеспечить этот контакт, т. е. необходимо смешать топливо с воздухом. Следовательно, процесс горения складывается из двух стадий: 1) смешение топ­лива с воздухом; 2) горение топлива. Во время протекания вто­рой стадии происходят сначала воспламенение, а затем уже и горе­ние топлива,

В процессе горения образуется пламя, в котором протекают реакции горения составляющих топлива и выделяется тепло, В технике при сжигании газообразного, жидкого и твердого пыле­видного топлив применяют так называемый факельный метод сжигания. Факел — это частный случай пламени, когда топливо и воздух поступают в рабочее пространство печи в виде струй, которые постепенно перемешиваются одна с другой. Поэтому форма и длина факела обычно вполне определенные.

При наиболее распространенном в металлургии и машинострое­нии факельном сжигании топлива аэродинамическую основу процесса составляют струйные течения, исследование которых основано на применении положений теории свободной турбулент­ности к различным случаям. Поскольку при факельном сжигании характер движения струй может быть ламинарным и турбулент­ным, в процессах смешения большая роль принадлежит молеку­лярной и турбулентной диффузии. На практике при создании устройств для сжигания топлива (горелок, форсунок) применяют различные конструктивные приемы (направляют струи под углом друг к другу, создают закручивание струй и др.) с тем, чтобы организовать смешение так, как это необходимо для конкретного случая сжигания топлива.

Различают гомогенное и гетерогенное горение. При гомоген­ном горении тепло-и массообмен протекают между телами, нахо­дящимися в одинаковом агрегатном состоянии. Гомогенное горе­ние происходит в объеме и свойственно газообразному топливу.

При гетерогенном горении тепло-и массообмен происходят между телами, находящимися в разных агрегатных состояниях (в состоянии обмена находятся газ и поверхность частиц топлива). Такое горение свойственно жидкому и твердому топливам. Правда, при горении жидкого и твердого топлив благодаря испарению капель и выделению летучих есть элементы и гомогенного горения. Однако при гетерогенном процессе в основном идет горение с по­верхности.

Гомогенное горение может протекать в кинетической и диффу­зионной областях.

При кинетическом горении полное перемешивание топлива с воздухом осуществляют предварительно, и в зону горения подают заранее подготовленную топливо-воздушную смесь. В этом случае основную роль играют химические процессы, связанные с проте­канием реакций окисления топлива. При диффузионном гомоген­ном горении процессы смешения и горения не разделены и совер­шаются практически одновременно. В этом случае процесс горения определяется перемешиванием, так как время смешения гораздо больше времени, необходимого для протекания химической реак­ции. Таким образом, полное время протекания процесса горения складывается из времени смесеобразования (τсм) и времени соб­ственно химической реакции (τх), т. е.

(2.1)

При кинетическом горении, когда смесь приготовлена предвари­

При диффузионном горении, наоборот, время смешения неиз­меримо больше времени протекания химической реакции

При гетерогенном горении твердого топлива также различают кинетическую и диффузионную области реагирования. Кинети­ческая область возникает в том случае, когда скорость диффузии в порах топлива значительно превосходит скорость химической реакции; диффузионная область возникает при обратном соот­ношении скоростей диффузии и горения.

С точки зрения смесеобразования, осуществляемого при помощи газогорелочных устройств, организация процессов сжигания топ­лива в воздушном потоке может быть осуществлена на основе трех принципов: диффузионного, кинетического и смешанного.

Возникновение пламени

Возникновение пламени (воспламенение топлива) может про­изойти только после того, как будет достигнут необходимый кон­такт молекул топлива и окислителя. Любая реакция окисления протекает с выделением тепла. Вначале реакция окисления идет медленно с выделением малого количества тепла. Однако выделя­ющееся тепло способствует повышению температуры и ускорению реакции, что в свою очередь приводит к более энергичному вы­делению тепла, которое опять-таки оказывает благоприятное влия­ние на развитие реакции. Таким образом, происходит постепенное нарастание скорости реакции до момента воспламенения, после чего реакция идет с очень большой скоростью и носит лавинный характер. В реакциях окисления неразрывно связаны друг с дру­гом механизм химической реакции и тепловые характеристики процесса окисления. Первичным фактором является химическая реакция и вторичным — выделение тепла. Оба эти явления тесно связаны между собой и влияют друг на друга.

Уста­новлено, что воспламенение возможно как в изотермических усло­виях, так и при повышении температуры. В первом случае про­исходит так называемое цепное воспламенение, при котором скорость реакции нарастает в результате увеличения числа активных центров, возникающих только в результате химического взаимодействия. Чаще воспламенение происходит в неизотерми­ческих условиях, когда увеличение числа активных центров происходит в результате как химического взаимодействия, так и термического воздействия. В практических условиях обычно прибегают к искусственному поджиганию топлива, вводя в зону горения определенное количество тепла, что приводит к резкому ускорению момента достижения воспламенения.

Температура воспламенения не является фи­зико-химической константой, определяемой только свойствами смеси; она определяется условиями протекания процесса, т. е. характером теплообмена с окружающей средой (температурой, формой сосуда и др.).

Температуры воспламенения различных топлив приведены в таблице 5.

Таблица. 5 — Температуры воспламенения в воздухе при атмо-

Общая характеристика процессов горения

Горением называется процесс взаимодействия топлива с окисли­телем, сопровождающийся выделением тепла, а иногда и света. Роль окислителя в подавляющем большинстве случаев выполняет кислород воздуха. Всякое горение предполагает прежде всего тесный контакт между молекулами топлива и окислителя. Поэтому, чтобы происходило горение, необходимо обеспечить этот контакт, т. е. необходимо смешать топливо с воздухом. Следовательно, процесс горения складывается из двух стадий: 1) смешение топ­лива с воздухом; 2) горение топлива. Во время протекания вто­рой стадии происходят сначала воспламенение, а затем уже и горе­ние топлива,

В процессе горения образуется пламя, в котором протекают реакции горения составляющих топлива и выделяется тепло, В технике при сжигании газообразного, жидкого и твердого пыле­видного топлив применяют так называемый факельный метод сжигания. Факел — это частный случай пламени, когда топливо и воздух поступают в рабочее пространство печи в виде струй, которые постепенно перемешиваются одна с другой. Поэтому форма и длина факела обычно вполне определенные.

При наиболее распространенном в металлургии и машинострое­нии факельном сжигании топлива аэродинамическую основу процесса составляют струйные течения, исследование которых основано на применении положений теории свободной турбулент­ности к различным случаям. Поскольку при факельном сжигании характер движения струй может быть ламинарным и турбулент­ным, в процессах смешения большая роль принадлежит молеку­лярной и турбулентной диффузии. На практике при создании устройств для сжигания топлива (горелок, форсунок) применяют различные конструктивные приемы (направляют струи под углом друг к другу, создают закручивание струй и др.) с тем, чтобы организовать смешение так, как это необходимо для конкретного случая сжигания топлива.

Различают гомогенное и гетерогенное горение. При гомоген­ном горении тепло-и массообмен протекают между телами, нахо­дящимися в одинаковом агрегатном состоянии. Гомогенное горе­ние происходит в объеме и свойственно газообразному топливу.

При гетерогенном горении тепло-и массообмен происходят между телами, находящимися в разных агрегатных состояниях (в состоянии обмена находятся газ и поверхность частиц топлива). Такое горение свойственно жидкому и твердому топливам. Правда, при горении жидкого и твердого топлив благодаря испарению капель и выделению летучих есть элементы и гомогенного горения. Однако при гетерогенном процессе в основном идет горение с по­верхности.

Гомогенное горение может протекать в кинетической и диффу­зионной областях.

При кинетическом горении полное перемешивание топлива с воздухом осуществляют предварительно, и в зону горения подают заранее подготовленную топливо-воздушную смесь. В этом случае основную роль играют химические процессы, связанные с проте­канием реакций окисления топлива. При диффузионном гомоген­ном горении процессы смешения и горения не разделены и совер­шаются практически одновременно. В этом случае процесс горения определяется перемешиванием, так как время смешения гораздо больше времени, необходимого для протекания химической реак­ции. Таким образом, полное время протекания процесса горения складывается из времени смесеобразования (τсм) и времени соб­ственно химической реакции (τх), т. е.

(2.1)

При кинетическом горении, когда смесь приготовлена предвари­-

При диффузионном горении, наоборот, время смешения неиз­меримо больше времени протекания химической реакции

При гетерогенном горении твердого топлива также различают кинетическую и диффузионную области реагирования. Кинети­ческая область возникает в том случае, когда скорость диффузии в порах топлива значительно превосходит скорость химической реакции; диффузионная область возникает при обратном соот­ношении скоростей диффузии и горения.

С точки зрения смесеобразования, осуществляемого при помощи газогорелочных устройств, организация процессов сжигания топ­лива в воздушном потоке может быть осуществлена на основе трех принципов: диффузионного, кинетического и смешанного.

Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Студалл.Орг (0.008 сек.)

Общая характеристика пожаров

Основой любого пожара является процесс горения. Горением называют химическую реакцию окисления, сопровождающуюся выделением большого количества теплоты и обычно свечением. Для процесса горения необходимо:

1) наличие горючей среды, состоящей из горючего вещества и окислителя;

2) источника воспламенения.

Чтобы возник процесс горения, горючая среда должна быть нагрета до определенной температуры при помощи источника воспламенения (пламя, искра электрического или механического происхождения, накаленные тела, тепловое проявление химической, электрической или механической энергий).

Горючие вещества могут быть в трех агрегатных состояниях: жидком, твердом, газообразном. Отдельные твердые вещества при нагревании плавятся и испаряются, другие — разлагаются и выделяют газообразные продукты и твердый остаток в виде угля и шлака, третьи не разлагаются и не плавятся. Большинство горючих веществ независимо от агрегатного состояния при нагревании образуют газообразные продукты, которые при смешивании с кислородом воздуха образуют горючую среду.

По агрегатному состоянию горючего и окислителя различают;

— гомогенное горение — горение газов и горючих парообразующих веществ в среде газообразного окислителя;

— горение взрывчатых веществ и порохов;

— гетерогенное горение — горение жидких и твердых горючих веществ в среде газообразного окислителя;

— горение в системе «жидкая горючая смесь — жидкий окислитель».

Различают следующие режимы распространения пламени (горения):

а) нормальный режим горения наблюдается при спокойном гетерогенном двухфазном диффузионном горении. В этом случае повышения давления и образования ударной волны не происходит;

б) в реальных условиях вследствие протекания внутренних процессов и при внеш­них осложняющих факторах происходит искривление фронта пламени, что приводит к росту скорости горения. При достижении скоростей распространения пламени до десятков и сотен метров в секунду, но не превышающих скорости звука в данной среде (300 – 320м/сек) происходит взрывное (дефлаграционное) горение;

в) в определенных условиях взрывное горение может перейти в детонационный процесс, при котором скорость распространения пламени превышает скорость распростра­нения звука и достигает 1 — 5 км/сек. Избыточное давление в пределах детонирующего облака смеси может достигать 2 МПа. При детонационном режиме горения облака ГВ большая часть энергии взрыва переходит в воздушную ударную волну.

Пожары в соответствии с ФЗ №123 «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» (22.07.2008) классифицируются по виду горючего материала и подразделяются на следующие классы:

— пожары твердых горючих веществ и материалов (А);

— пожары горючих жидкостей или плавящихся твердых веществ и материалов (В);

— пожары металлов (Д);

— пожары горючих веществ и материалов электроустановок, находящиеся под напряжением (Е);

— пожары ядерных материалов, радиоактивных отходов и радиоактивных веществ (F).

Пожары по своим масштабам и интенсивности могут подразделяться на следующие виды: отдельные пожары;сплошной пожар;огневой шторм;массовый пожар.

Пожарная опасность проявляется в факторах, которые воздействуют на людей и материальные ценности (рисунок 1).

Рисунок 1 – Поражающие факторы пожара

Пожары часто сопровождаются выделением большого количества дыма. Его опасность заключается не только в раздражающих и токсичных свойствах компонентов, входящих в состав дыма, но и в уменьшении видимости и потере людьми ориентации.

Пожары характеризуются следующими параметрами:

‒ температура внутреннего пожара;

‒ температура открытого пожара;

‒ зона теплового воздействия;

‒ фронт сплошного пожара;

‒ скорость распространения сплошного пожара;

Различают следующие виды горения:

— полное — горение при достаточном количестве или избытке кислорода;

— неполное — горение при недостатке кислорода.

При полном горении продуктами сгорания являются двуокись углерода (CO2), вода (H2O), азот (N), сернистый ангидрид (SO2), фосфорный ангидрид. При неполном горении обычно образуются едкие, ядовитые горючие и взрывоопасные продукты: окись углерода, спирты, кислоты, альдегиды.

Раз­ли­ча­ют сле­дую­щие ви­ды го­ре­ния:

— пол­ное — го­ре­ние при дос­та­точ­ном ко­ли­че­ст­ве или из­быт­ке ки­сло­ро­да;

— не­пол­ное — го­ре­ние при не­дос­тат­ке ки­сло­ро­да.

При пол­ном го­ре­нии про­дук­та­ми сго­ра­ния яв­ля­ют­ся дву­окись уг­ле­ро­да (CO2), во­да (H2O), азот (N), сер­ни­стый ан­гид­рид (SO2), фос­фор­ный ан­гид­рид. При не­пол­ном го­ре­нии обыч­но об­ра­зу­ют­ся ед­кие, ядо­ви­тые го­рю­чие и взры­во­опас­ные про­дук­ты: окись уг­ле­ро­да, спир­ты, ки­сло­ты, аль­де­ги­ды.

Общая характеристика процессов горения в металлургии.

Лекция 1.

Значение металлов и сплавов для промышленного комплекса страны. Классификация черных и цветных металлов и сплавов. Перспективы металлургии в связи с развитием новой техники и инновационных технологий. Общая характеристика процессов горения.

1. Металлургия в наше время

2. Классификация металлов и сплавов.

3. Общая характеристика процессов горения в металлургии.

Не утеряла своего важного значения металлургия и в наше время. Практически все современные отрасли науки и техники в той или иной мере связаны с металлургией. Без развития металлургии немыслимо развитие энергетики, реактивной техники, самолетостроения, ядерной технологии, химической промышленности, машиностроения, строительства и многих других отраслей. Успехи таких современных областей техники, как радиоэлектроника, вычислительная и лазерная техника всецело зависят от достижений прецизионной металлургии, получение особо чистых металлов и соединений со строго заданными свойствами. За последние 60-100 лет во много раз увеличилось производство цветных металлов, особенно, алюминия, однако доля черных металлов в мировом производстве продолжает оставаться преобладающей и почти неизменной -около 95% от общего производства металлов. Можно смело утверждать что металлы в ХХI в. останутся основными конструкционными материалами, так как по своим свойствам, экономичности производства и потребления не имеют себе равных в большинстве сфер применения. Объемы производства металлов составляют от млрд. т до килограммов. Так в 2009-2011гг. мировое производство стали составило 1,2-1,4млр.т, А1-36-42млн.т, Сu-18-19.млн.т, Zn-11-13 млн.т, Pb-8-10 млн. т, Ti, Mg, Ni, Со, Mo, W- тысячи тонн, Au, Rt, Se, Те, Hg, Cd, Bi-тонны, I2, Os, Ra-килограммы.

Рисунок 1. Рост населени Земли и производства металлов (металофонда)

Аналитические службы отмечают, что темпы роста металлопроизводства на Земле постоянно ускоряются. Достаточно отметить, что за последние 6000 лет человечество произвело ≈23 млр.т металлов, из них ≈18 млр.т, за последние 50 лет (рисунок 1). Прирост производства (металлофонда) металлов за последние 50 лет (1950-2000гг) увеличился в 3,6 раза. В то же время за последние 50 лет население Земли увеличивалось практически линейно от 5 млр. человек в 1950г до 6,1 млр. человек в 2000 г.

Из 118 элементов Периодической системы Менделеева (118 элемент был открыт в Дубне (Российская Федерация), и ему еще пока не дали название) 96 являются металлами. По сложившейся традиции все металлы принято разделять на два класса: черные и цветные. К черным относятся: железо (и его сплавы), а также марганец, ванадий и хром, которые используются в качестве легирующих добавок. Все остальные металлы относятся к группе цветных (рисунок 2).

Цветные металлы делят на следующие подгруппы:

1. Тяжелые цветные металлы. Основные — медь, свинец, никель, цинк, олово являются важнейшими по своему значению и по объему производства. К тяжелым цветным металлам относят также некоторые элементы, добыча которых заметно ниже основных. Это прежде всего кобальт, кадмий, мышьяк, сурьма, висмут, ртуть. Эти металлы нередко являются спутниками основных тяжелых металлов и их производят попутно в общем металлургическом цикле.

2. Легкие цветные металлы. Основные — алюминий, магний получают также в больших количествах и их значение в производственной сфере очень велико. К группе легких металлов относят обычно также щелочное (Li, Na, К, Al, Cs, Fr), щелочноземельные металлы (Са, Ва, Sr, Be), кремний и галлий.

3. Благородные металлы: золото, серебро, платина и платиноиды (осмий, иридий, родий, рутений, палладий).

4. Редкие металлы. Редкие металлы объединяют значительную группу элементов. Производство их относительно невелико, однако значение их в связи с развитием техники возрастает с каждым годом. Редкие металлы принято делить на следующие подгруппы:

• Тугоплавкие — вольфрам, молибден, титан, тантал, ниобий,цирконий;

• Редкоземельные — лантан, иттрий и лантаноиды ;

• Радиоактивные — радий, уран, полоний, торий, актиний и актиноиды, трансурановые элементы;

Рассеянные — (галлий, индий, талий, германий, рений, теллур);

5. Благородные металлы: золото, серебро, платина и платиноиды (осмий, иридий, родий, рутений, палладий).

6. Редкие металлы. Редкие металлы объединяют значительную группу элементов. Производство их относительно невелико, однако значение их в связи с развитием техники возрастает с каждым годом. Редкие металлы принято делить на следующие подгруппы:

• Тугоплавкие — вольфрам, молибден, титан, тантал, ниобий,цирконий;

• Редкоземельные — лантан, иттрий и лантаноиды ;

• Радиоактивные — радий, уран, полоний, торий, актиний и актиноиды, трансурановые элементы;

Рассеянные — (галлий, индий, талий, германий, рений, теллур);

В основу настоящей классификации положены, с одной стороны, общность физико-химических свойств, с другой — распространенность в природе и исторически сложившаяся общность методов их производства.

Лекция 5. Общая характеристика процессов доменной плавки. Движение шихты и газов в доменной печи, рациональное их распределение. Развитие косвенного и прямого восстановления в доменной печи. Образование чугуна и шлака. Процессы в горне доменной печи. Методы интенсификации доменного процесса. ГОСТы на чугун.

1. Возникновение и развитие доменного производства.

2. Доменная печь

3. Шихта доменной плавки

4. Чугуны, выплавляемые в доменных печах

5. Особенности движения шихты в доменной печи

Возникновение и развитие доменного производства.

По свойствам (в за­висимости от содержания углерода) черные металлы делят на три группы: железо (техническое) —до 0,15 % С, сталь 0,15—1,7 % С, чугун 1,7—7 % С.

Железо в природе не встречается в чистом виде. В земной коре оно обычно находится в виде различных химических соединений, чаще всего с кислородом, в виде оксидов, смешанных с пустой породой, не содержащей железа. Извлече­ние железа из руд, т. е. получение его в металлической фор­ме требует решения двух задач: 1) восстановления железа из его оксидов; 2) отделения восстановленного железа ог пустой породы. В древности производство железа осущест­вляли в так называемых сыродутных горнах, которые вы­рывали в земле, а позднее выкладывали из камня. В такой горн загружали руду в виде небольших кусков в смеси с древесным углем. Через отверстие у основания горна по­ступал воздух. При горении угля в нижней части печи раз­вивалась довольно высокая температура ≥1000°С, а обра­зующийся оксид углерода участвовал в восстановительных процессах. Размягченные восстановленные зерна железа слипались, образуя ком (крицу). По окончании горения крицу извлекали из горна и проковывали молотами. При этом из крицы, находящейся в тестообразном состоянии, выдавливались остатки пустой породы и после охлаждения отслаивались, а зерна сваривались в единое целое. Получав­шийся таким образом металл служил для изготовления не­обходимых предметов и оружия.

Со временем этот примитивный способ получения метал­ла (сыродутный процесс) совершенствовался с соответству­ющим улучшением качества железа и увеличением его произ­водства. Совершенствование происходило по двум основный направлениям: 1) увеличение высоты печей, способствующее улучшению использования тепла отходящих газов н повышению температуры в печи; 2) применение специаль­ных устройств для вдувания воздуха в печь. В результате значительного увеличения количества поступающего в печь воздуха повысилась температура в горне. Так сыродутые горны превратились в домницы — шахтные печи высотой 2—4 м. Как и в сыродутных горнах, металл получали в виде крицы, но вследствие более высокой температуры в домницах часто обнаруживали металл в жидком виде: вместо железа получали чугун, имеющий значительно более низкую температуру плавления.. Вначале чугун считали нежелательным продуктом и выбрасывали, затем начали использовать его в смеси с рудой. Оказалось, что при этом получать металл стало выгоднее, чем только из руды. Так одноступенчатый процесс получения железа непосредственно из руды был заменен двухступенчатым способом: 1) получение чугуна из руды; 2) передел чугуна в железо. Домница работала попеременно, то выплавляя чугун, то производя крицу. Позднее для передела чугуна в крицу стали приме нять специально приспособлен ные для этого печи, а конструкция домницы изменялась с целью лучшего приспособления ее для выплавки чугуна, Домница превратилась в доменную печь. На рисунке 44 , а приведен профиль одной из первых доменных печей.

Возникновение собственно доменного производства относят к середине XIV в. В последующие два—три столетия доменное производство развивалось медленно, в основном в результате увеличения высоты доменных печей и мощности воздуходувных устройств. В качестве топлива использовали древесный уголь. Производительность таких доменных печей составляла

Быстрое истребление лесов, затруднявшее снабжение древесным углем металлургических заводов Западной Европы, и в первую очередь Англии, вызвало необходимость замены древесного угля другими
видами топлива. В 1735 г. в Англии был выплавлен в доменной печи чугун на коксе (продукте переработки каменного угля). Однако только через столетие, в середине XIX в. большинство доменных печей Западной Европы было переведено на кокс. С 1828 г. в доменных печах начали применять нагретое дутье, что вызвало незначительное снижение расхода кокса и увеличение производительности.

А — одной из первых (полезный объем 28 м 3 , суточная производи­тельность 1,5 т чугуна); Б — со­временной (полезный объем 5037 м 3 . суточная производитель­ность

Рисунок 1. Профили доменной печи.

В послевоенные годы основными направлениями технического развития доменного производства было совершен­ствование конструкций загрузочных устройств, воздухона­гревателей, подготовки шихтовых материалов к металлур­гическому переделу, использование в плавке природного газа и кислорода, а также увеличение размеров доменных печей. Самые крупные доменные печи имеют объем >5000 м 3 и производят чугуна >12000 т/сут

В России первые доменные печи появились около 1630 г. в районе г. Тулы. Однако по-настоящему черная металлур­гия России начала развиваться на Урале, где были сосредо­точены большие запасы высококачественных железных руд и находились огромные массивы леса (для производства древесного угля). Начало выплавки чугуна на построенных по распоряжению Петра I Невьянском и Каменском заводах относится к 1701 и 1702 гг. К середине XVIII в. на Урале работали уже десятки доменных печей, намного превышаю­щих западноевропейские как по размерам, так и по произ­водительности.

Доменная печь

Основным агрегатом для извлечения железа из железных руд является доменная пень (рисунок 45). По принципу работы она относится к типу шахтных печей, т. е. таких, рабочее пространство которых вытянуто в направлении вертикальной оси. Практикой установлена оптимальная конфигурация внутреннего пространства печи — ее профиля. Горизонтальное сечение доменной печи представляет собой окружность, в вертикальном сечении печь состоит из пяти зон. Верхнюю ее часть, через которую производят загрузку шихтовых ма­териалов, называют колошником. Основной частью печи по объему является шахта, представляющая собой усеченный конус. Самая широкая часть, распар, через заплечики (в форме обратного усеченного конуса) переходит в горн. Со­временные доменные печи имеют большие размеры. Так, диаметры колошника, распара, горна составляют соответст­венно: 7—8, 12—16 и 10—14 м. Общая высота внутреннего пространства доменной печи составляет 254-300 м, а с уче­том того, что она несколько приподнята на фундаменте и что над колошником установлено загрузочное устройство и газоотводы, верхняя точка ее находится над поверхностью земли на уровне 60—70 м. В верхней части горна имеется большое число расположенных равномерно по окружности фурменных отверстий, через которые в печь подают воздух. В нижней части горна имеется несколько (2—4) отверстий, предназначенных для выпуска чугуна и шлака — чугунных и шлаковых леток. Внутренняя часть печи выложена огне­упорным кирпичом, сохранность которого в течение несколь­ких лет эксплуатации обеспечивается системой охлаждения.

1—доменная печь; 2 — воздухонагреватели;3 — пылеуловитель; 4 — бункер­ная эстакада

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector