Расчет теплового режима нагрева металла в методической печи

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
Производство и технологии


Узнать стоимость новой

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Содержание

Введение

1. Расчет горения топлива

2. Расчет нагрева металла

3. Позонный расчет внешней и внутренней задачи теплообмена

3.1 Расчет методической зоны печи:

3.2 Расчет сварочной зоны печи

3.3 Расчет томильной зоны печи

4. Основные размеры печи

Заключение

Введение

Основной задачей управления процессом нагрева металла в методической печи является выбор и поддержание такого теплового режима, чтобы получить металл, прогретый равномерно по сечению до заданной температуры, с заданной кристаллической структурой и обладающий заданными не химическими свойствами, а также обеспечить нужный процесс и до минимума уменьшить угар (окисление) металла, создать экономичную, безопасную и безаварийную работу печи. Система регулирования температуры предназначена для поддержания заданной температуры в каждой зоне печи в отдельности, с учетом изменения производительности. Поддержание температуры в каждой зоне производится изменением подачи газа в каждую зону. Температура в печи должна поддерживаться с высокой точностью.

При увеличении температуры металл теряет свою кристаллическую решетку, она начинает распадаться, будет происходить оплавление слитков, они становятся мягкими и теряют свои характеристики. Так же будет увеличиваться количество угара. Кроме получения бракованных слитков идет перерасход топлива, что ведет к неэкономной работе печи.

При уменьшении температуры в рабочем пространстве печи, слиток не равномерно прогревается по сечению. Непрогретый металл имеет жесткую форму и происходит коррозия металла, что приводит к невыполнению дальнейшей обработки.

В период нагрева металла, когда его температура и температура в печи ниже заданной, в печь подается максимально допустимое количество топлива. В период выдержки в верхней зоне регулятор обеспечивает необходимую температуру, изменяя расход газа. По мере прогрева металла тепловая нагрузка в печи снижается тогда, когда температура в печи становится меньше заданной. Величина максимальной тепловой нагрузки определяется стойкостью конструктивных элементов кладки, свода. При нагреве холодных заготовок из высокоуглеродистой и легированных сталей необходимо ограничивать скорость подъема температуры и тепловой нагрузки, чтобы избежать расстрескивание заготовок из-за возникновения больших термических напряжений.

На температуру и на ее изменения влияют:

изменение марки, размера заготовки;

изменение производительности печи;

открытие окон при загрузке, выгрузке заготовок и контроля параметров печи;

изменения параметров топлива (состав, давление, температура, теплота сгорания);

изменение параметров воздуха (давление, температура, влажность);

изменение соотношения «газ-воздух»;

изменение тяги дымовой трубы.

Методическая печь, как объект регулирования является объектом статистическим, т. е. имеет самовыравнивание. Это объект большой емкости и обдает большим запаздыванием. В процессе нагрева изменяются динамические параметры, коэффициент передачи и постоянная времени, что требует перенастройки средств регулирования в процессе работы.

Методические печи применяются, для нагрева металла перед прокаткой на сортовых и листовых прокатных станах.

Методическая печь разделена на зоны. Металл нагревается непрерывно, постепенно перемещаясь из одной зоны в другую. В каждой зоне поддерживается заданная для нее температура. Зоны имеют разное назначение:

а) методическая зона или зона предварительного нагрева:

Как правило, эта зона не отапливается. Нагрев металла осуществляется за счет тепла отходящих дымовых газов, поступающих из других зон.

б) сварочная зона:

Металл нагревается интенсивно за счет подачи тепла от теплоносителя.

в) томильная зона:

Происходит полный нагрев заготовки. Чем толще заготовка, тем больше температура и тепла необходимо для ее нагрева.

г) нижняя сварочная зона:

Служит для интенсивного нагрева металла снизу.

В методические печи загружают холодные или горячие (600−8000С) заготовки. Заготовки подаются в печь через окно посада наиболее холодную часть печи, т. е. со стороны методической зоны так, чтобы их продольные оси были перпендикулярны продольной оси печи, а боковые грани соприкасались по всей длине. Уложенные таким образом заготовки занимают всю активную площадь печи. Когда очередная заготовка подается в печь, толкатель продвигает все заготовки вдоль печи в более горячую часть — к окну выдачи и выдается одна нагретая заготовка. Продвигаясь в печи, металл нагревается постепенно до определенной температуры за счет сгорания топлива, поступающего через инжекционные горелки, которые устанавливаются по шесть штук в верхней и нижней зонах по ширине печи. Для наилучшего горения в горелки поступает воздух из атмосферы. Перед тем, как топливо поступает в горелки, его подогревают в рекуператоре. Рекуператор нагревается с помощью отходящих дымовых газов. Температура нагрева воздуха должна быть не менее 3000С. Это придает топливу эффективное и экономическое горение при нагреве металла.

Нагрев каждой марки стали, осуществляется по специальной инструкции.

При нагреве металла в сварочной зоне температура поверхности заготовки приближается к заданной, т. е. 12000С, в то время температура середины заготовки может быть еще низкой. Для ускорения нагрева заготовки служит нижняя сварочная зона, при наличии этой зоны в методической и сварочной зонах, заготовка лежит на водоохлаждаемых трубах. По ним слябы продвигаются в печи. А в области контакта с этими трубами на заготовки образуются холодные пятна. С целью выравнивания температуры по сечению заготовки и устранения холодных пятен предусматривается часть печи, где заготовку выдерживают на томильном огнеупорном поде. Эту часть печи конструктивно оформляют, как отдельную зону — томильная, с индивидуальным отоплением.

Продукты сгорания топлива, сжигаемого в томильной и сварочной зонах, отводятся через методическую зону, таким образом, в печи заготовка и продукты сгорания движутся противоточно.

После того, как металл нагрели до определенной температуры, его при помощи все тех же толкателей выталкивают из печи и по рольгангам он поступает на многоклетьевой стан.

Достоинства печи:

непрерывный характер работы и относительно стабильный тепловой режим;

методический, постепенный нагрев, что имеет большое значение для легированных сталей;

относительно небольшой удельный расход топлива на нагрев металла.

Недостаток печи — большое время нагрева заготовок вследствие того, что металл в печи греют лишь с двух сторон

1. Расчет горения топлива

В начале необходимо пересчитать состав сухого газа на влажный. Для этого нужно определить содержание водяного пара в газах

Кокосовый газ

Определяем объем Н2О смеси газов:

где W — влажность газа в г/м3

Находим коэффициент перерасчета на влажный газ:

Kп.г. =(100−4,174)/100=0,958

Определяем состав влажного газа:

хвлi и хi — объемные доли компонента соответственно во влажных и сухих газах

СО2вл=Kп. г•СО2=0,958•1,9=1,82%

СH4влп. г•CH4=0,958•24,5=23,48%

N2влп. г•N2=0,958•7,8=7,47%

H2влк. г•H2=0,958•57,5=55,1%

влк. г•СО=0,958•7,5=1,82%

O2влк. г•О2=0,958•0,8=0,76%

Доменный газ

Содержание водяного пара в газе

H2Oд. г=

Кд.г. =(100−3,59)/100=0,96

Определяем состав влажного газа:

СО2влк. г•СО2=0,96•12,5=12,05%

Coвлк. г•СО=0,96•27=26,03%

H2влк. г•H2=0,96•5=4,82%

СH4влк. г•СH4=0,96•0,5=0,48%

N2влк. г•N2=0,96•55=53,03%

Для определения состава смеси газа вычислим доли газов

Из условия дано, что доля доменного газа Хд. г=10%, а коксового Хк. г=90%

QHp=15 631. 941*0. 85+31 056. 46*0. 15=17 945. 618 [кДж/м3]

Состав смешанного газа:

Рассчитав состав смешанного газа составим таблицу:

Вещества

Доменный газ, %

Коксовый газ, %

Вл. Дом. газ, %

Вл. Кокс. газ, %

Смешанный газ, %

СH4

0,5

24,5

0,48

23,48

21,18

СO2

12,5

1,9

12,05

1,82

2,84

O2

0

0,8

0

0,76

0,69

CO

27

7,5

26,03

1,82

9,07

H2

5

57,5

4,82

55,1

50,07

N2

55

7,8

53,03

7,45

12,02

H2O

-

-

3,59

4,174

4,12

Вычислим теплоту сгорания:

Расход кислорода на горение смеси газа:

VO2=0,01•[(0,5·(CO+H2))+(m+0,25•n)•УCmHn -O2]=

=0,01[0,5•(9,07+50,07)+2*21,18−0,069]=0,71 м33

Теоретически необходимое количество воздуха:

VВ= б (1+К)• VО2,

при б=1,1 и К=3,762

Расчет теоретического расхода воздуха для горения газа:

VB=1,1*(1+79/21)*0,71=3,73 м33

Объемы отдельных составляющих продуктов сгорания:

=0,97 м3/м3

Определение объемов дымовых газов:

Состав продуктов сгорания:

Компоненты

Сумма

СO2

H2O

N2

О2

%

7,46

21,76

69,17

1,61

100

2. Расчет нагрева металла

Температурный режим нагрева металла

/

Рис. 2.1 трехступенчатый режим нагрева металла: tг-температура продуктов сгорания; tпов, tц- температуры поверхности и середины металла

Ширина рабочего пространства: n=3, зазор — 0,2 м

=2*3+(3+1)*0,4=9,8 м.

Рассчитаем высоты:

В методической зоне hм =1,2 м,

Сварочная зона:

hсв. к=2,4 м

Томильная зона: hт. н=0,7 м. hт. к=1,5 м

методический печь нагрев металл

3. Позонный расчет внешней и внутренней задачи теплообмена

Согласно теории лучистого теплообмена, в тепловом взаимодействии находятся 3 среды: кладка, дымовые газы, нагреваемый материал. Для расчета лучистого теплообмена в данной системе необходимо знать степень черноты кладки екл., степень черноты газов, их температуру, степень черноты металла ег. екл. и еме определяются по таблице в зависимости от марки огнеупоров или класса металла.

3. 1 Расчет методической зоны печи:

Определим средний угловой коэффициент излучения кладки на металл и эффективную длину:

Определяем степень черноты углекислого газа и водяных паров:

Для начала зоны

При t=940? C

Общее

=кПа,

Pco2 *Lэф=

еСО2=0,120;

= кПа,

еН2О=0,220,

ег = еСО2 + еН2О·в=0,120+0,220•1,11=0. 364

для конца зоны

при t=1300?

еСО2 = 0,094 еН2О = 0,182,

ег = еСО2 + еН2О·в=0,094+1,11*0,182=0,296

Рассчитываем коэффициент излучения системы газ — кладка — металл для методической зоны (еме = 0,8):

,

5,67 Вт/(м2·К4) — коэффициент лучеиспускания АЧТ; еме — степень черноты металла; ег — степень черноты газа.

(Вт/м24)

(Вт/м24)

Примем конечную температуру металла в середине заготовки равной 500?. При этой температуре металл становится пластичным, и мы можем не опасаться того, что заготовку может порвать в результате термических напряжений. Примем разность температур между центром и поверхность заготовки? t=100?C.

Согласно теории лучистого теплообмена, плотность теплового потока в системе ГКМ рассчитывается:

Определяем лучистый коэффициент теплоотдачи в начале и в конце зоны:

Найдем реальные температуры поверхности и середины металла в конце методической зоны:

По таблице теплотехнических свойств определяется коэффициент теплопроводности л, теплоемкость с, плотность с,

л=54Вт/м*?C; С=540,75Дж/кг*?C;

Вычислим число Био

Определим число Фурье

По Bi и Fo используя номограмму, находим

Используя номограммы, определим температурный критерий:

Реальные температуры поверхности и середины металла:

Определяем коэффициент температуропроводности:

=

Определим время нагрева в методической зоне:

ф = F0? д2/ а =2,2·0,112/1,279·10-5=2460 сек = 41 мин

3. 2 Расчет сварочной зоны печи

Определим средний угловой коэффициент излучения кладки на металл и эффективную длину:

Определяем степень черноты углекислого газа и водяных паров:

При t=1300? C

Pco2*Lэф=, еСО2=0,108

Pco2*Lэф= еН2О=0,22,

ег = еСО2 + еН2О·в=0,108+0,22•1,085=0,347

Рассчитываем коэффициент излучения системы газ — кладка -металл для сварочной зоны:

Плотность теплового потока в системе

Средний лучистый коэффициент теплоотдачи сварочной зоны:

Конец сварочной зоны:

Сгкм=const

Найдем температуру середины металла в конце сварочной зоны

л = 38 Вт/(м°С); С = 764 Дж/(кг°С); с = 7810 кг/м3

Вычислим число Био

Определим число Фурье

По Bi и Fo используя номограмму, находим

Находим конечную температуру середины слитка:

Время нагрева:

фсв. = F0? д2/ а=2,4*0,112/6,369·10-6=4560 сек=76 мин.

3. 2 Расчет томильной зоны печи

Теплофизические свойства заготовки: Для t=1101?

с = 7810 кг/м3; л = 38 Вт/(м·°С); С = 764 Дж/(кг·°С).

По этим данным найдем коэффициент температуропроводности томильной зоны:

Число Фурье определяем по нанограмме отношения

м=0,5 — коэффициент, учитывающий несимметричность обогрева в сварочной зоне

F0 = 1,7; тогда

фтом. = F0? д2/ а=1,7·0,112/6,369·10-6=3230 сек=53,8 мин.

Ощее время нагрева: фо=170,8 мин

4. Основные размеры печи

По заданной производительности печи определим длину каждой зоны:

Li = (Р·ф)/(S? Lдл. ? сме(i)? n? к3),

где, n — нарядность укладки, Р — производительность печи, ф — время,

с -плотность металла, к3 = 0,98 — коэффициент заполнения полезной длины.

Найдем длину активного пода (длина, на которой происходит нагрев металла):

Для методической зоны:

Для сварочной зоны:

Для томильной зоны:

Длина полезного пода (длина печи, по которой происходит перемещение металла):

Длина габаритного пода печи:

(м),

где (м) — длина неработающего участка.

Напряжение активного пода:

Под понимается удельная производительность печи, определяющая количество металла, нагреваемого на единице поверхности в единицу времени.

Fа — площадь активного пода

2)

(кг/м2*час)

Напряженность габаритного пода

Нг=Р/Fг, где Fг=Lг*B=29,68*9,8=290,891 (м2)

Hг=150*103/290,81=515,657 (кг/м2*час)

Для обеспечения производительности 150 т/ч в печи должно находиться одновременно следующее количество металла:

G=P*ф=150*103*170,8/60= (кг)

Масса одной заготовки:

g=в*д*L*с=0. 22*0. 22*3*7810=1134 (кг)

Количество заготовок, находящихся одновременно в печи:

n=G/g= (шт)

Заключение

Технико-экономическая оценка работы методических печей

Широкое применение методических толкательных печей вызвано тем, что эти печи обеспечивают достаточно высокую производительность при невысоком удельном расходе топлива, а также обеспечивают высокий коэффициент использования тепла в рабочем пространстве. Это объясняется наличием методической зоны.

Применение глиссажных труб с рейтерами повышает равномерность нагрева металла (без царапин и холодных пятен) и создает предпосылки для увеличения ширины и длины печи.

Однако все методические печи толкательного типа имеют недостатки, обусловленные невозможностью быстрой выгрузки металла из печи и трудностями перехода от нагрева слябов одного размера к нагреву слябов другого размера. Эти проблемы могут быть решены только при использовании методических печей с шагающим подом.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой