Содержание ЗаданиеВведение
1 Конструкция толкательных методических печей
1.1 Профиль печного канала
1.2 Конструкция пода и транспортирующих устройств
1.3 Режимнагрева металла
1.4Глиссажные трубы
2 Методикарасчета печи
2.1 Расчетгорения топлива
2.2 Времянагрева металла
2.2.1Определение времени нагрева металла в методической зоне
2.2.2Определение времени нагрева металла в I сварочной зоне
2.2.3Определение времени нагрева металла во II сварочнойзоне
2.2.4Определение времени томления метала
2.3Определение основных размеров печи
2.4Тепловой баланс
2.5 Расчетрекуператора для подогрева воздуха
2.6 Выборгорелок
Заключение
Список использованных источников
Задание на курсовуюработу
1. Представить общиесведения о печных установках, а также краткую характеристику печей
2. Конструкциятолкательной методической печи чёрной металлургии, работа печи и применениепечи в производстве
3. Принцип действия иустройства толкательной методической печи, её производительность итехнико-экономические показатели на производстве
4. Методика расчёта печи
Введение
Печь – технологическоеоборудование, в котором рабочим видом энергии является тепло и рабочеепространство которого ограждено от окружающей среды. Разнообразие промышленныхпечей, используемых в литейном производстве, вызывает необходимостьподразделения их на основные группы.
По способу генерациитеплоты все печи подразделяют на топливные, где теплота выделяется за счетгорения топлива, и электрические, где электроэнергия преобразуется в теплотуэлектрической дугой, нагревательными элементами сопротивления или индукцией.
По условиям теплопередачипечи подразделяют на печи с теплопередачей преимущественно излучением иконвекцией.
Работа печейхарактеризуется тепловой мощностью, тепловой нагрузкой, температурным итепловым режимами.
По тепловому режиму печиподразделяют на печи, работающие по камерному режиму, и печи, работающие пометодическому режиму. В печах, работающих по камерному режиму, температурарабочего пространства остается постоянной на протяжении всего времени работыпечи. В печах, работающих по методическому режиму, температура в печи изменяетсяпо длине печи или во времени.
Методическиенагревательные печи широко применяются в прокатных и кузнечных цехах длянагрева квадратных, прямоугольных, а иногда и круглых заготовок.
По методу транспортировкиметалла методические печи относятся к так называемым проходным печам. Рядсоприкасающихся друг с другом заготовок заполняет весь под печи и продвигаетсячерез печь при помощи толкателя. При загрузке в печь новой заготовки однанагретая заготовка выдается из печи.
Наиболее важнымиклассификационными признаками методических печей являются:
1) температурный режимпечи (по длине);
2) двусторонний илиодносторонний характер нагрева металла;
3) способ выдачи металлаиз печи (боковая или торцовая выдача).
Кроме того, классификациявыполняется по виду нагреваемых заготовок, методу утилизации тепла отходящихдымовых газов, виду топлива, числу рядов заготовок в печи.
1. Конструкцияметодических печей
Конструкция методическойпечи зависит от характеристик нагреваемого металла, производительности стана ивида топлива, на котором работает печь. Параметры нагреваемого металлаопределяют наличие или отсутствие следующих важных составных частей печи:нескольких участков подвода топлива в сварочную зону, томильной зоны и зонынижнего подогрева. От формы заготовок зависит горизонтальное или наклонноерасположение пода печи.
При нагреве тонкихзаготовок (50 – 60 мм), которые и с одной стороны прогреваются достаточнобыстро, можно не применять нижний обогрев. Нагревая цилиндрическую заготовку,которую нельзя проталкивать, необходимо делать наклонный под по всей длине,чтобы заготовки могли перекатываться.
Производительностьпрокатного стана или кузнечно-прессовой установки определяет общуюпроизводительность печи и их размеры. Вид применяемого топлива обусловливаетвыбор таких конструктивных элементов печи, как рекуператоры и горелки. Вкачестве топлива для методических печей используются смеси коксового идоменного газов с различной теплотой сгорания, природный газ и различные смесиприродного, коксового и доменного газов, а также жидкое топливо – мазут.
Для достижениятребующейся рабочей температуры в печи необходимо, чтобы калориметрическаятемпература горения составляла 1800оС и более. Подобнаякалориметрическая температура может быть достигнута при использовании:
1) высококалорийноготоплива, – газа с теплотой сгорания выше 12570 кДж/м3 или мазута. Вэтом случае утилизация тепла отходящих дымовых газов преследует только однуцель – повысить экономичность работы печи (снизить расход топлива), а дляповышения калориметрической температуры подогрев воздуха и газа в данном случаенеобязательны;
2) холодного газа,характеризуемого средней теплотой сгорания, равной 8400 кДж/м3, сподогревом воздуха до 450 – 500оС и применением горелок любойконструкции – как с предварительным, так и с внешним смешением;
3) газа с низкой теплотойсгорания, т. е. />=5000+5800 кДж/м3,вплоть до чистого доменного газа с подогревом воздуха до 500 – 550оСи газа до 250 – 300оС, а также обязательно с применениеминжекционных горелок, обеспечивающих хорошее смешение топлива с воздухом.
Методические печи,работающие на газообразном топливе с низкой теплотой сгорания. Подобная конструкция была созданапод руководством Б. Р. Именитова (рисунок 1). В печи предусмотрена боковаявыдача, отапливают при помощи инжекционных горелок, которые работают наподогретом воздухе (до 550о) и – газе (до 300о).применение инжекционных горелок позволяет наиболее рационально использоватьхимическое тепло топлива, так как при беспламенном горении достигаетсяускорение процессов горения и приближение действительной температуры горения ктеоретической (при уменьшении избытка воздуха и доведения до минимума недожогатоплива).
/>
Рисунок 1 – Двухзоннаяметодическая печь старой конструкции
В этих печах воздух длягорения засасывается из атмосферы через расположенный под печью керамическийрекуператор (объемом 125 м3) и систему воздухопроводов.Аэродинамическое сопротивление воздушного пути преодолевается за счетгеометрического напора подогретого воздуха, движущегося вверх через рекуператори воздухопроводы, а также за счет инжектирующего действия горелок. Газообразноетопливо обычно подогревается в трубчатом металлическом рекуператоре,устанавливаемом в дымовом борове последовательно за воздушным рекуператором.Управление печами может быть автоматизировано, причем автоматика работаетнаиболее эффективно при отоплении одним доменным газом. Подобные печи работаютвесьма эффективно, обеспечивая удельную производительность ~550 кг/м2часпри удельном расходе топлива 500 ккал/кг и пока являются болеесовершенными. Однако эти печи имеют большое количество недостатков. Дело в том,что практически они работают на пределе своих возможностей. Повыситьтемпературу подогрева воздуха выше 550о нельзя, во избежаниесамовоспламенения смеси в корпусе горелки. Осуществить устойчивый подогрев газавыше 300о также трудно, поскольку температура дымовых газов закерамическим рекуператором не превышает 550 – 600о.
Вместе с тем конструкцииинжекционных горелок исключают их применение для сжигания газообразного топливас высоким содержанием водорода и в случаях смешанного газо-мазутного отопления.
Методические печи,работающие на газе высокой теплоты сгорания. В печах, работающих на топливе высокой теплоты сгорания,подогрев газа не является необходимым. Подогрев воздуха в металлическихрекуператорах до 300 – 400о необходим только в тех печах, которыеработают на топливе теплотой сгорания 2000 – 2500 ккал/м3.при теплоте сгорания выше 2500 ккал/м3 подогрев воздуха длядостижения необходимой температуры горения необязателен, однако для уменьшениярасхода топлива подогрев воздуха всегда целесообразен.
Помимо топлива,конструкция методических печей в значительной мере зависит от требуемойпроизводительности.
Высокаяпроизводительность методических печей может быть обеспечена путем увеличенияразмеров печей и повышения удельной их производительности. Для повышенияудельной производительности печей необходимо вести нагрев металла форсировано,для чего следует поднять температурный уровень по всей длине печи. С этой цельюстали применять печи с двумя рядами горелок в верхней части сварочной зоныпечей. Одна из таких печей для нагрева слябов к непрерывному тонколистовому станупредставлена на рисунке 2.
/>
Рисунок 2 – Методическаянагревательная печь с сдвоенной сварочной зоной
Печь рассчитана наотоплении топливом с высокой теплотой сгорания при подогреве воздуха вкерамическом рекуператоре до400 – 450о. Воздух просасывается черезрекуператор при помощи эксгаустера. Применяются турбулентные горелки низкогодавления.
Установка четвертой линиигорелок позволяет повысить температуру дымовых газов хвосте печи до 1100 – 1150ои обеспечить удельную производительность ~600кг/м2час.Подобные печи, ширина и длина которых соответственно равны около 10 и 30 м,обеспечивают при холодном посаде производительность 150 т/час, а пригорячем – 200 т/час.
Методические печи,работающие на жидком топливе. На методических печах мазут применяется не только какдополнительное, но и как основное.
Применение мазута вкачестве дополнительного топлива позволяет увеличить производительностьметодических печей на 10 – 15%, однако при одновременном увеличении удельногорасхода топлива.
В качестве основноготоплива мазут применяют как на двухзонных, так и на трехзонных методическихпечах. Высокая температура горения мазута позволяет получать хорошуюпроизводительность печей при работе на холодном воздухе. В зависимости отразмеров методических печей для сжигания могут быть применены форсунки низкогои высокого давления.
Методические печи длянагрева трубной заготовки. Круглые, трубные заготовки нельзя проталкивать через печь, поэтому ихнагревают в печах с наклонным подом, по которому и перекатывают. Такие печиназываются ролевыми методическими.
Отличительной чертой этихпечей является повышенный угар металла и большие затраты труда (в том числефизического) на перекатывание заготовок и чистку подины от окалины.
Повышенный угар металла(до 3,5 – 4%) в ролевых печах объясняется тем, что при перекатывании заготовокобразовавшаяся окалина отскакивает и оголившийся металл окисляется вновь.
Большое количествоопадающей на под окалины вызывает интенсивное нарастание подины и препятствуетнормальному перекатыванию заготовок. Поэтому остановившиеся заготовки оченьчасто приходится перекатывать вручную. Быстрый рост подины заставляет частовыполнять ее чистку от окалины, что является весьма продолжительной и оченьтрудоемкой операцией.
1.1 Профиль печногоканала
Современные методическиенагревательные печи по конфигурации свода можно подразделить в основном на тритипа:
1) печи, состоящие изконструктивно обособленных последовательно расположенных камер, в которыхблагодаря герметизации печных стенок и соответствующему расположениютопливосжигающих устройств создается интенсивная циркуляция газовой среды(рисунок 3). Это приводит к тому, что в объеме каждой из таких камер устанавливаетсяпрактически одинаковая температура газовой среды и печных стенок и,следовательно, создается предпосылка к применению метода расчета нагреваметалла при условии tг=const. Исключения представляют: зона I (методическая), где происходиттеплообмен с изменением температуры теплоносителей, соответствующим противотоку,и зона III (выдержки), в которой температурасреды должна изменяться согласно требованиям режима выдержки.
/>
Рисунок 3 – Трехзоннаяметодическая печь с интенсивной циркуляцией газов в герметизированном рабочемпространстве
Вследствие того, чтокамеры данной печи конструктивно обособлены, теплообмен излучением вдольпечного канала не имеет существенного значения;
2) печи, подразделенныена ряд камер с самостоятельным вводом топлива, в которых режимы движения игорения газов таковы, что в пределах каждой камеры (распространенный примерконструкции представлен на рисунке 4) эффективная температура печной средыизменяется. Ввиду этого упрощающее условие tг=constк данным печам неприменимо, и в процессе расчета приходится определятьизменение температуры печной среды по длине отдельных камер.
/>
Рисунок 4 – Трехзоннаяметодическая печь
I– III– зоны по теплотехническим признакам; 1 – 5 – зоны поконструктивным признакам
Благодаря перепаду высотыпечного канала на границах камер излучение вдоль печи так же, как в предыдущемслучае, не может быть существенным;
3) печи, не имеющие навсем протяжении или на значительных по длине участках каких-либо пережимовсвода, отделяющих части печного канала одну от другой (рисунок 5),характеризуются непрерывным изменением температуры печной среды. Однакотепловые потоки, воспринимаемые нагреваемым материалом, не определяются местнойэффективной температурой вследствие весьма существенного переноса лучистоготепла вдоль печи.
/>
Рисунок 5 – Двухзоннаяметодическая печь с неканализированным подом и рассредоточенным подводом тепла
Профиль сводаметодических печей в значительной мере соответствует графику изменения температурыпо длине печи (рисунок 6).
/>
Рисунок 6 – Изменениетемпературы газов и металла по длине методической печи
1.2 Конструкция пода итранспортирующих устройств
Возможны следующиеосновные конструктивные варианты:
1) сплошной(неканализированный) под с неохлаждаемыми опорами и другими устройствами длятранспорта заготовок;
2) канализированный под снеохлаждаемыми или охлаждаемыми транспортирующими устройствами.
Конструкции безохлаждения влияют по существу только на величину эффективной поверхности нагреваемогоматериала. Конструкции, включающие охлаждаемые элементы, отнимают тепло отрабочего пространства и нагреваемого материала.
1.3 Режим нагреваматериала и способ выдачи его из печи
Укрупнено этот режимможет быть определен как трехзонный и двухзонный.
При работе печи потрехзонному режиму (рисунок 7) в первой по ходу металла зоне (зоне I или методической) происходит нагревметалла за счет физического тепла продуктов сгорания, которое завершается награнице зон I и II, обозначенной на рисунке 5 цифрой 1.Так как отдача физического тепла вызывает охлаждение газов, то их температурапо длине зоны I заметноснижается.
/>
Рисунок 7 – Схематрехзонной методической печи и ее температурного режима
I– III– зоны печи; 0, 1, 2, 3 – границы расчетных зон; tп.н – температура нижней поверхностизаготовки (только для зоны III);точечный пунктир – температура газов, введенных в торце зоны II
В зоне II – сварочной, сжигается топливо и наповерхности нагреваемого материала достигается максимальная температура.Выделение тепла при горении в той или иной мере компенсирует отдачу теплагазами, и этим сдерживается снижение их температуры. Однако обычно при введениитоплива через торцовые горелки (или форсунки) наблюдается снижение температурыгазов от границы 2 к границе 1 и к торцовой стенке, в которойустановлены топливосжигающие устройства.
Первое обусловленоусиленным отбором тепла более холодными заготовками, поступающими из зоны I в зону II. Второе объясняется тем, что вблизи горелок илифорсунок только начинается нагрев газов теплом, выделяющимся при горении.
Очевидно, что повышениемтепловыделения в начале и конце зоны II путем соответствующего расположения горелок илифорсунок можно добиться выравнивания температуры газов по длине всей зоны.
Назначением зоны III является выравнивание температуры вобъеме нагреваемых заготовок. При движении последних по водоохлаждаемымглиссажным трубам на нижней поверхности заготовок остаются полосы с пониженнойтемпературой (темные полосы). Нахождение заготовок на сплошном поде зоны III позволяет выровнять нагрев нижнейповерхности и одновременно уменьшить перепад температуры на толщине заготовок.
Двухзонный режим работыметодических печей предусматривает нагрев металла в зонах I и II, но исключает выдержку. Любая из печей, изображенныхна рисунках 3 – 5, конструктивно обеспечивая возможность трехзонного режимаработы, является пригодной и для работы по двухзонному режиму, т. е. с повышением температуры поверхности заготовокдо самого момента выдачи их из печи.
Большоезначение для работы методических печей имеет способ выдачи металла из печи.Различают торцовую и боковую выдачи металла. При торцовой выдаче необходим одинтолкатель, который выполняет и роль выталкивателя. Для печей с боковой выдачейустанавливают не только толкатель, но и выталкиватель, поэтому такие печи приразмещении в цехе требуют больших площадей. Однако с точки зрения тепловойработы печи с боковой выдачей имеют преимущества. При торцовой выдаче черезокно выдачи, расположенное ниже уровня пода печи, происходит интенсивный подсосхолодного воздуха. Явление подсоса усиливается инжектирующим действием горелок,расположенных в торце томильной зоны. Подсосанный в печь холодный воздухвызывает излишний расход топлива и способствует интенсивному зарастанию подиныпечи образовавшейся окалиной.
Вметодических печах с нижним обогревом металл проталкивается по водоохлаждаемымглиссажным трубам.
1.4 Глиссажные трубыметодических печей
Как отмечалось,нагреваемый металл в методических печах с нижним обогревом передвигается поводоохлаждаемым глиссажным трубам. На каждый ряд двигающихся в печи заготовокустанавливают по две продольные глиссажные трубы. Расстояние между нимисоставляет ~/> длины заготовки. Дляпредохранения трубы от истирающего воздействия двигающегося металла к нейприваривают металлический пруток. Продольные глиссажные трубы в пределахзначительной части методической зоны печи опираются на продольные огнеупорныестолбики (рисунок 8).
/>
Рисунок 8 – Глиссажныетрубы трехзонной нагревательной печи
В пределах высокотемпературнойзоны продольные глиссажные трубы опираются на поперечные водоохлаждаемые трубы,расположенные на расстоянии 1 – 1,5 м одна от другой. Концы поперечных трубвыведены за пределы печи и прикреплены к вертикальным стойкам каркаса печи. Всередине поперечные глиссажные трубы опираются на вертикальную опору,выполненную из пары водоохлаждаемых труб, футерованных снаружи огнеупорнымкирпичом.
Водоохлаждаемыеглиссажные трубы оказывают большое влияние на тепловую работу зоны нижнегообогрева и тепловую работу печи в целом. Расход тепла с охлаждающей водой вметодических печах составляет 10%, а иногда и более от всего количествапоступающего в печь тепла. Кроме того, глиссажные трубы оказывают значительноеохлаждающее действие на металл и препятствует его равномерному нагреву. В связис этим стремятся выполнить снаружи тепловую изоляцию глиссажных труб, чтобыснизить поступление тепла к стенке трубы и ослабить ее охлаждающее действие. Вкачестве тепловой изоляции глиссажных труб применяют всевозможные огнеупорныеобмазки. Чтобы тепловая изоляция не отлетела, пользуются различными приемами:приваривают металлические прямые и изогнутые штыри, выполняют из огнеупорныхмасс специальные огнеупорные блоки, которые нанизываются на трубу. Выделяют триперспективные конструкции глиссажных труб:
1) с набивкой огнеупорноймассы между шипами, приваренными непосредственно к трубам;
2) с набивными блоками(рисунок 9, а);
3) со сборными блоками изкерамических сегментов (рисунок 9, б).
Потери тепла сохлаждающей водой при использовании набивной на шипы изоляции по сравнению спотерями при неизолированной трубе снижаются в 2 – 3 раза, а при навеснойизоляции из сегментов или блоков потери удается снизить в 4,6 – 6,3 раза.Значительная разница в эффективности изоляции объясняется тем, что набивная нашипы изоляция из-за большей массы металла в ней характеризуется значительноболее высокой, чем блочная изоляция, средней теплопроводностью.
Промышленная проверкасрока службы блочной изоляции показала, что для большинства печей, отапливаемыхгазом, где температура под металлом не превышает 1375о вполнеприменимы для изоляции подовых труб набивные и сборные шамотные блоки, срокслужбы которых в указанных условиях составляет от 9 месяцев (в областиповышенных температур) до 2 лет (в области пониженных температур).
В печах, отапливаемыхмазутом, где температура под металлом достигает 1500о, хорошиерезультаты показали набивные блоки, изготовленные из магнезитовой(магнезитохромитовой) массы, срок службы которых составляет более 9 месяцев.
/>
Рисунок 9 – Изоляцияглиссажных труб
а – набивные блоки; б – сборныеблоки
Опыт изоляции трубпромышленных печей показал, что при наличии готовых блоков нанесение изоляциипо всей печи занимает 5 – 8 часов. После нанесения изоляции печь сразу же можетбыть поставлена на разогрев по обычному графику.
Следует подчеркнуть, чтокроме отмеченного выше значительного снижения потерь тепла с охлаждающей водой,нанесение изоляции на трубы в печи сопровождается, как правило, повышениемтемператур на 150 – 200о, что существенно улучшает условия теплообменаметалла с печными газами.
2. Методика расчета
Рассчитать пятизоннуюметодическую печь с нижним обогревом производительностью />=72,22 кг/с (260 т/ч) длянагрева слябов сечением 210/>1400 мми длиной 10500 мм. Конечная температура поверхности металла />=1250оС. Перепадтемператур по сечению сляба в конце нагрева />=50оС.Материал слябов – сталь 35. Топливо – смесь природного и доменного газов степлотой сгорания />=20,9 МДж/м3.воздух подогревается в керамическом блочном рекуператоре до />=450оС.
Расчет пламенной печивыполняется в следующей последовательности:
1) расчет горениятоплива;
2) определение временинагрева;
3) определение основныхразмеров печи;
4) составление тепловогобаланса, определение расхода топлива;
5) расчетвспомогательного оборудования: рекуператоров, горелок и т. п…
2.1 Расчет горениятоплива
Состав исходных газов, %:доменный газ – 10,5 СО2; 28 СО; 0,3 СН4; 2,7 Н2;58,5 N2; природный газ – 98 СН4; 2N2.
Принимаясодержание влаги в газах равным/>=30 г/м3 получимследующий состав влажных газов, %: доменный газ – 10,1 СО2; 27,0 СО;0,288 СН4; 56,49 N2; 3,59 Н2О;2,532Н2; природный газ – 94,482 СН4; 1,928 N2; 3,59 Н2О.
Теплота сгорания газов
/>
/> кДж/м3/> МДж/м3;/> кДж/м3/> МДж/м3.
По формуле
/>,
находим составсмешанного газа, %: 4,63 СО/>; 12,40СО/>; 51,21 СН/>; 1,16 Н/>; 27,02 N/>; 3,58Н/>О/>.
Расход кислородадля сжигания смешанного газа рассматриваемого состава при п=1 равен
/>
/> м3/м3.
Расход воздуха при п=1,05
/>
/> м3/м3.
Состав продуктов сгораниянаходим по формулам
/>
/>
/>
/>
/> м3/м3,
/> м3/м3,
/> м3/м3,
/> м3/м3.
Суммарный объем продуктовсгорания равен
/>
/> м3/м3.
Процентный составпродуктов сгорания
/>%; />%;
/>%; />%;
Правильностьрасчета проверяем составлением материального баланса.
Поступило, кг: Получено продуктов сгорания, кг:
Газ: />
/> />
/> />
/> />
/> ______________________________
/> Всего/> 8,007
/> Невязка/> 0,0166 кг
___________________________________
Всего/> 0,9802
Воздух/> />
___________________________________
Итого /> 8,0236
Для определениякалориметрической температуры горения необходимо найти энтальпию продуктовсгорания
/> кДж/м3.
Здесь />=602,05 кДж/м3 –энтальпия воздуха при />=450оС.
При температуре />=2200оСэнтальпия продуктов сгорания равна
/> кДж/м3. При />=2300оС
/> кДж/м3
По формуле находим
/>
/>оС.
Приняв пирометрическийкоэффициент равным />=0,75, находимдействительную температуру горения топлива
/>оС.
2.2 Время нагрева металла
Температуру уходящих изпечи дымовых газов принимаем равной />=1050оС;температуру печи в томильной зоне на 50о выше температуры нагреваметалла, т. е. 1300оС.распределение температур по длине печипредставлено на рисунке 10.
/>
Рисунок 10 –Распределение температур по длине методической печи
Поскольку основнымназначением методической зоны является медленный нагрев металла до состоянияпластичности, то температура в центре металла при переходе из методической всварочную зону должна быть порядкам 400 – 500оС.
Разность температур междуповерхностью и серединой заготовки для методической зоны печей прокатногопроизводства можно принять равной (700 – 800)/>,где /> – прогреваемая (расчетная)толщина. В рассматриваемом случае двустороннего нагрева /> />м и, следовательно, />оС, т. е.следует принять температуру поверхности сляба в конце методической зоны, равной500оС.
Определяем ориентировочныеразмеры печи. При однорядном расположении заготовок ширина печи будет равна
/>м.
Здесь а=0,2 м –зазоры между слябами и стенками печи.
Высоту печи принимаемравной: в томильной зоне 1,65 м, в сварочной 2,8 м, в методической зоне 1,6 м.
Находим степени развитиякладки (на 1 м длины печи) для:
методической зоны />; сварочнойзоны />; томильнойзоны />.
Определим эффективнуюдлину луча
/>;
методическая зона
/> м;
сварочная зона
/> м;
томильная зона
/> м;
2.2.1 Определениевремени нагрева металла в методической зоне
Находим степень чернотыдымовых газов /> при среднейтемпературе />=0,5(1300+1050)=1175оС.
Парциальное давление СО2и Н2О равно:
/> кПа;
/> кПа;
/> кПа.м;
/>кПа.м.
Находим
/>; />; />.
Тогда
/>.
Приведенная степеньчерноты рассматриваемой системы равна
/> ;
/>,
степень черноты металла принятаравной />=0,8.
Определяем средний подлине методической зоны коэффициент теплоотдачи излучением
/>
/> Вт/(м2.К)
Определяем температурныйкритерий /> и критерий />:
/>;
/>.
Для углеродистой сталипри средней по массе температуре металла
/>оС.
Критерий Фурье />=1,4, тогда время нагреваметалла в методической зоне печи равно
/>с (0,452 ч).
Находим температуруцентра сляба при />=1,4, />=0,341, температурныйкритерий />=0,68:
/>оС.
2.2.2 Определениевремени нагрева металла в Iсварочной зоне
Находим степень чернотыдымовых газов при />=1300оС:
/> кПа; /> кПа;
/> кПа.м;
/> кПа.м.
Приведенная степеньчерноты I сварочной зоны равна
/>;
/>
/> Вт(м2.К).
Находим среднюю посечению температуру металла в начале I сварочной (в конце методической) зоны
/>оС.
Находим температурныйкритерий для поверхности слябов
/>.
Так как при среднейтемпературе металла />оСтеплопроводность углеродистой стали равна />=29,3Вт/(м.К), а коэффициент температуропроводности /> м2/с, то
/>.
Время нагрева в I сварочной зоне
/>с (0,881 ч).
Определяем температуру вцентре сляба в конце Iсварочной зоны при значениях />=0,934, />=1,2, />=0,53
/>оС.
2.2.3 Определениевремени нагрева металла во IIсварочной зоне
Находим степень чернотыдымовых газов при />=1350оС.
/> кПа; /> кПа;
/> кПа.м;
/> кПа.м.
Приведенная степеньчерноты II сварочной зоны равна
/>;
/>
/> Вт/(м2.К)
Средняя температураметалла в начале II сварочной зоныравна
/>оС.
Температурный критерийдля поверхности слябов в конце IIсварочной зоны равен
/>.
При средней температуреметалла
/>оС />=28,2Вт/(м.К), /> м2/с.
Тогда
/>.
Время нагрева металла во II сварочной зоне равно
/>с (0,727 ч).
Температура центра слябав конце II сварочной зоны при значениях />=1,61, />=1,1, />=0,4.
/>оС.
2.2.4 Определениевремени томления металла
Перепад температур потолщине металла в начале томильной зоны составляет />о.Допустимый перепад температур в конце нагрева составляет />о.
Степень выравниваниятемператур равна
/>
При коэффициентенесимметричности нагрева, равном />=0,55критерий />=0,58, для томильной зоны.
При средней температуреметалла в томильной зоне />оС,/>=29,6 Вт/(м.К) и/> м2/с.
Время томления
/>с (0,383 ч).
Полное пребывание металлав печи равно
/>с (2,44 ч).
2.3 Определениеосновных размеров печи
Для обеспеченияпроизводительности 72,22 кг/с в печи должно одновременно находиться следующееколичество металла
/> кг.
Масса одной заготовкиравна
/> кг.
Количество заготовок,одновременно находящихся в печи
/> шт.
При однорядномрасположении заготовок общая длина печи
/> м.
По ширине печи />=10,9 м
/> м2.
Длину печи разбиваем назоны пропорционально времени нагрева металла в каждой зоне.
Длина методической зоны
/> м.
Длина I сварочной зоны
/> м.
Длина II сварочной зоны
/> м.
Длина томильной зоны
/> м.
В рассматриваемом случаепринята безударная выдача слябов из печи. В противном случае длину томильнойзоны следует увеличить на длину склиза />=1,5м.
Свод печи выполняемподвесного типа из каолинового кирпича толщиной 300 мм. Стены имеют толщину 460мм, причем слой шамота составляет 345 мм, а слой изоляции (диатомитовыйкирпич), 115 мм. Под томильной зоны выполняем трехслойным: тальковый кирпич 230мм, шамот 230 мм и тепловая изоляция (диатомитовый кирпич) 115 мм.
2.4 Тепловой баланс
Приход тепла
1. Тепло от горениятоплива
/>В кВт,
здесь В – расходтоплива, м3/с, при нормальных условиях.
2. Тепло, вносимоеподогретым воздухом
/>В кВт.
3. Тепло экзотермическихреакций (принимая, что угар металла составляет 1 %)
/> кВт.
Расход тепла
1. Тепло, затраченное нанагрев металла
/> кВт,
где />=838 кДж/кг – энтальпияуглеродистой стали при />оС;/>=9,72 кДж/кг – то же, при />оС.
2. Тепло, уносимоеуходящими дымовыми газами
/>В кВт.
Энтальпию продуктовсгорания находим при температуре />=1050оС
/>
/>
/>
/>
___________________________________
/>=1622,35 кДж/м3
3. Потери теплатеплопроводностью через кладку.
Потерями тепла через подв данном примере пренебрегаем.
Рассчитываем толькопотери тепла через свод и стены печи.
Потери тепла черезсвод
Площадь свода принимаемравной площади пода 396,76 м2; толщина свода 0,3 м, материал каолин.Принимаем, что температура внутренней поверхности свода равна средней по длинепечи температуре газов, которая равна
/>оС.
Если считать температуруокружающей среды равной />=30оС,то температуру поверхности однослойного свода можно принять равной />=340оС.
При средней по толщинетемпературе свода />оСкоэффициент теплопроводности каолина /> Вт/(м.К).
Тогда потери тепла черезсвод печи будут равны
/> кВт,
где /> Вт/(м2.К).
Потери тепла черезстены печи
Стены печи состоят изслоя шамота толщиной />=0,345 м и слоядиатомита, толщиной />=0,115 м.
Наружная поверхность стенравна:
методическая зона
/> м2;
I сварочная зона
/> м2;
II сварочная зона
/> м2;
томильная зона
/> м2;
торцы печи
/> м2.
Полная площадь стен равна
/> м2.
Для вычислениякоэффициентов теплопроводности, зависящих от температуры, необходимо найтисреднее значение температуры слоев. Средняя температура слоя шамота равна />, а слоя диатомита />, где />– температура на границераздела слоев, оС; /> –температура наружной поверхности стен, которую можно принять равной 160оС.Коэффициент теплопроводности шамота
/>, Вт/(м.К).
Коэффициенттеплопроводности диатомита
/>, Вт/(м.К).
В стационарном режиме
/>.
Подставляя значениякоэффициентов теплопроводности
/>
или
/>.
Решение этогоквадратичного уравнения дает значение
/>=728,8оС.
Тогда
/>оС,
/>оС.
Окончательно получаем
/> Вт/(м.К).
/> Вт/(м.К).
Количество тепла,теряемое теплопроводностью через стены печи, равно
/> кВт,
где /> Вт/(м2.К).
Общее количество тепла,теряемое теплопроводностью через кладку
/> кВт.
4. Потери тепла сохлаждающей водой по практическим данным принимаем равными 10 % от тепла,вносимого топливом и воздухом
/>В кВт.
5. Неучтенные потериопределяем по формуле
/>
/>В кВт.
Уравнение тепловогобаланса
/>
/>.
Откуда
/>=5,46 м3/с.
Результаты расчетовзаносим в таблицу
Таблица 1. Тепловойбаланс методической печиСтатья прихода кВт (%) Статья расхода кВт (%)
Тепло от горения топлива… .
Физическое тепло воздуха… .
Тепло экзотермических реакций… .
_____________________
Итого:
114114 (83, 82)
17948,06 (13, 18)
4080 (3, 00)
________________________
136142,06 (100, 0)
Тепло на нагрев металла… .
Тепло, уносимое уходящими газами
Потери тепла теплопроводностью через кладку… .
Потери тепла с охлаждающей водой… .
Неучтенные потери
__________________________
Итого:
59820,2 (43, 94)
56602,83 (41, 16)
3908,5 (2, 87)
13206,16 (9, 70)
2604,43 (2, 33)
________________________
136142,06 (100,0)
Удельный расход тепла нанагрев 1 кг металла
/> кДж/кг.
2.5 Расчетрекуператора для подогрева воздуха
Исходные данные длярасчета: на входе в рекуператор />=0оС,на выходе />=450оС.Температура дыма на входе в рекуператор />=1050оС.Расход газа на отопление печи />=5,46 м3/с.Расход воздуха на горение топлива /> м3/с.Количество дымовых газов на входе в рекуператор /> м3/с.Состав дымовых газов 10,6 % СО2; 16,8 % Н2О; 0,8 % О2и 71,8 % N2.
Выбираем керамическийблочный рекуператор. Материал блоков – шамот, марка кирпича Б-4 и Б-6. Величинуутечки воздуха в дымовые каналы принимаем равной 10 %. Тогда в рекуператорнеобходимо подать следующее количество воздуха 29,8/0,9=33,1 м3/с.
Количество потерянного врекуператоре воздуха
/> м3/с.
Среднее количествовоздуха
/> м3/с.
Количество дымовых газов,покидающих рекуператор (с учетом утечки воздуха) равно
/> м3/с.
Среднее количестводымовых газов
/> м3/с.
Зададим температурудымовых газов на выходе из рекуператора />=650оС.При этой температуре теплоемкость дымовых газов
/>,
/>/>
/>
/>
_____________________________
/>=1462 кДж/(м3.К)
Теплоемкость дыма навходе в рекуператор (/>=1050оС)
/>
/>
/>
/>
_____________________________
/>=1,538 кДж/(м3.К)
Теперь /> />, где />=1,3583 кДж/(м3.К)– теплоемкость воздуха при />=650оС.
Решая это уравнениеотносительно />, получим />=651,3оС/>651оС.
В принятой конструкциирекуператора схема движения теплоносителей – перекрестный ток. Определяемсреднелогарифмическую разность температур для противоточной схемы движениятеплоносителей
/>;
/>о.
Найдя поправочныекоэффициенты
/> и />,
/>, тогда />оС.
Для определениясуммарного коэффициента теплопередачи примем среднюю скорость движения дымовыхгазов />=1,2 м/с, среднюю скоростьдвижения воздуха />=1,5 м/с.
Учитывая, чтоэквивалентный диаметр воздушных каналов равен />=0,055м =55 мм, находим значение коэффициента теплоотдачи конвекцией на воздушнойстороне
/>=14 Вт/(м2.К).
Учитывая шероховатостьстен, получим
/> Вт/(м2.К).
Коэффициент теплоотдачина дымовой стороне находим по формуле
/>.
Учитывая, чтогидравлический диаметр канала, по которому движутся дымовые газы равен />=0,21 м, находимкоэффициент теплоотдачи конвекцией на дымовой стороне
/>=6,4 Вт/(м2.К),
или с учетомшероховатости стен
/> Вт(м2.К).
Величину коэффициентатеплоотдачи излучением на дымовой стороне определяем для средней температурыдымовых газов в рекуператоре, равной
/>оС.
Среднюю температурустенок рекуператора принимаем равной
/>оС.
Эффективная длина луча вканале равна
/> м.
При />=850,5оС находим
/>=0,05; />=0,035; />=1,06.
/>.
При />=537,75оС, />.
Учитывая, что при степеничерноты стен рекуператора />, ихэффективная степень черноты равна />,находим коэффициент теплоотдачи излучением
/>Вт/(м2.К).
Суммарный коэффициенттеплоотдачи на дымовой стороне равен
/> Вт/(м2.К).
При температуре стенки />=537,75оСкоэффициент теплопроводности шамота равен
/> Вт/(м.К)
С учетом толщины стенкиэлемента рекуператора />=0,019 м находимсуммарный коэффициент теплопередачи по формуле
/> Вт/(м2.К),
где /> и />– соответственно основнаяповерхность теплообмена и оребренная, м2.
При />, /> Вт/(м2.К).
Определяем поверхностьнагрева и основные размеры рекуператора. Количество тепла, передаваемого черезповерхность теплообмена, равно
/>
/> кВт.
По следующей формуленаходим величину поверхности нагрева рекуператора
/>
/> м2.
Так как удельнаяповерхность нагрева рекуператора, выполненного из кирпичей Б=4 и Б=6, равна />=10,3 м2/м3,можно найти объем рекуператора
/> м3.
Необходимая площадьсечений для прохода дыма равна
/> м2.
Учитывая, что площадьдымовых каналов составляет 44 % общей площади вертикального сечениярекуператора, найдем величину последнего
/> м2.
Принимая ширинурекуператора равной ширине печи, т. е. />=10,9м, находим высоту рекуператора
/> м.
Длина рекуператора
/> м.
2.6 Выбор горелок
В многозонныхметодических печах подводимая тепловая мощность(а следовательно, ирасход топлива) распределяется по зонам печи следующим образом: в верхнихсварочных зонах по 18 – 22%; в нижних сварочных зонах по 20 – 25% и в томильнойзоне 12 – 18%.
Распределяярасход топлива по зонам пропорционально тепловой мощности, получим: верхниесварочные зоны по 1,09 м3/с; нижние сварочные зоны по 1,23 м3/с,томильная зона 0,82 м3/с.
Плотностьгаза 1,0 кг/м3, расход воздуха при коэффициенте расхода п=1,05равен 5,46 м3/м3 газа.
Пропускнаяспособность горелок по воздуху: верхние сварочные зоны /> м3/с; нижниесварочные зоны /> м3/с;томильная зона /> м3/с.
Расчетноеколичество воздуха определяем по формуле:
/>;
верхниесварочные зоны
/> м3/с;
нижниесварочные зоны
/> м3/с;
томильнаязона
/> м3/с.
Заключение
Технико-экономическаяоценка работы методических печей
Широкоеприменение методических толкательных печей вызвано тем, что эти печиобеспечивают достаточно высокую производительность при невысоком удельномрасходе топлива, а также обеспечивают высокий коэффициент использования тепла врабочем пространстве. Это объясняется наличием методической зоны.
Применениеглиссажных труб с рейтерами повышает равномерность нагрева металла (без царапини холодных пятен) и создает предпосылки для увеличения ширины и длины печи.
Однаковсе методические печи толкательного типа имеют недостатки, обусловленныеневозможностью быстрой выгрузки металла из печи и трудностями перехода отнагрева слябов одного размера к нагреву слябов другого размера. Эти проблемымогут быть решены только при использовании методических печей с шагающим подом.
Список использованныхисточников
1. Кривандин В.А. Металлургическиепечи / В.А. Кривандин; профессор, доктор техн. наук. – Москва: Металлургия,1962 г. – 461 с.
2. Кривандин В.А. Теория, конструкциии расчеты металлургических печей – 2 том / В.А. Кривандин; профессор, доктортехн. наук. – Москва: Металлургия, 1986 г. – 212 с.
3. Телегин А. С. Лебедев Н. С. Конструкциии расчет нагревательных устройств – 2-е издание переработанное и дополненное.Москва: Машиностроение, 1975 г. – 170 с.