Назначение и принцип работы печи

Введение.

 

Нагревательные печи в кузнечных цехах используют для нагрева под пластическую деформацию и под термическую обработку. Нагревательные печи для нагрева заготовок, слитков или блюмсов из черных и цветных металлов под ковку, прессование, штамповку, высадку, гибка и печи для термической обработки деталей, улучшающей их свойства, работают при 150-1300 С. Требования, к нагревательным современным печам:

1)обеспечение необходимой температуры и заданного режима нагрева;

2)высокая тепловая экономичность с полным сжиганием топлива и максимальным к.п.д.;

3)простота конструкции и минимальные габаритные размеры, обеспечивающие нагрев большого ассортимента изделий при различных режимах и с высокой производительностью;

4)механизация и автоматизация загрузки и выгрузки изделий, а также их продвижение в печи, что увеличивает её производительность, облегчает обслуживание и позволяет устанавливать в общем производственном потоке цеха или в поточных автоматических линиях;

5)автоматическое регулирование теплового режима, обеспечивающее более точное соблюдение заданного режима по сравнению с ручным регулированием; В результате этого повышается качество нагреваемых изделий;

6)удобство обслуживания при эксплуатациях и ремонтах;

7)возможность применения защитной контролируемой атмосферы для получения без окислительного нагрева метала.

Всем этим требованиям в первую очередь удовлетворяют электрические и газовые печи, работающие на природном газе и получающие преимущественное применение в кузнечно-термических печах. При нагреве стали под пластическую деформацию температура печи должна быть не ниже 1250 С. В кузнечных печах эту температуру наиболее просто достигнуть при использовании высоко калорийного топлива с высокой теоретической температурой горения.

Для получения рабочей температуры 1200-1250 С теоретическая температура горения топлива должна быть для камерных и щелевых печей не ниже 1850 С, для методических толкательных – не ниже 1700С,Такие температуры можно получить и при сжигании низкокалорийного топлива, используя для горения подогретый воздух.

В печах с интенсивной циркуляцией газов изделия нагреваются равномерно. Более высокие требования по равномерности нагрева предъявляют к печам для нагрева изделий и заготовок из лёгких сплавов и к термическим печам. В этих случаях максимальная разность температур в различных точках изделия не должна превышать 10С. Перепад температур определяют термопарами, помещёнными в нескольких точках нагреваемого изделия. Чем совершеннее конструкция печи, тем меньше перепад.

Назначение и принцип работы печи

Назначение и область применения. Печи нагревательные камерные с выдвижным подом применяются для нагрева слитков или крупных заготовок под ковку с конечной температурой нагрева 1100 – 1300 С. Загрузка на под и съем заготовок с пода осуществляются с помощью средств цеховой механизации (обычно мостовыми кранами).

Производительность печей может изменяться в зависимости от марки стали, размеров заготовок или слитков, вида топлива и должна уточняться в каждом конкретном случае.

Состав установки печи. В комплект установки печи входят рельсовые пути как в печи, так и внешние, механизмы выкатки пода и подъема заслонок, а также приборы теплового контроля и автоматики.

Основные технические решения. Печи этого типа отапливаются природным газом или жидким нефтяным топливом (мазутом), сжигаемым с помощью типовых горелок или форсунок. Применение для печей с выдвижным подом газовых горелок среднего давления (инжекционных) не рекомендуется.

Для подогрева воздуха, идущего на горение, печи этого типа оборудуются рекуператорами (трубчатыми, игольчатыми или радиационными).

Продукты горения отводятся в боров и дымовую трубу или вверх под зонт и далее в систему цеховых дымопроводов.

Тепловой режим и режим давлений в печах поддерживаются автоматически.

Кладка печей выполняется из шамотного, шамотного легковесного, диатомового и глиняного (красного) кирпича и заключается в сварной металлический каркас с обшивкой из листовой стали. Печи устанавливаются на специальный фундамент, общий для печи и для рельсовых путей выдвижного пода (внутри печи и вне ее).

В фундаменте предусматриваются приямки для размещения механизмов выкатки пода и для механизмов подъема заслонки.

Подины печей состоят из рамы, сваренной из проката, литой гарнитуры и футеровки из шамотного нормального и легковесного кирпича. Рама подины перемещается на цепях катков.

Механизмы выкатки пода применяются с рейками цевочного типа. В качестве механизмов подъема заслонок используются типизированные электрические лебедки или гидравлические подъемники.

Расположение механизмов может быть как правым, так и левым.

В случае необходимости выкатки пода на трансбордер подина устанавливается на колесах и выкатки ее осуществляется с помощью механизма трансбордера.

Рисунок 1 Печь с выкатным подом

1- Путь роликовый;

2- Механизм выкатного пода;

3- Под выкатной;

4- Дверце;

5- Механизм подъема дверцы;

6- Каркас;

7- Футеровка;

8- Горелка;

9- Дымоход;

10- Рекуператор;

11- Дымоход.

Расчет горения топлива

2.1 Расчет количества воздуха

 

Печь отапливается природным газом месторождение “Елшанское” при n = 1,07

Состав газа

Таблица 1.1

СН4	С2Н6	С2Н8	С4Н10	N2	СО2
93,7	0,7	0,6	0,6	4,4	-

 

Химические реакции горения

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О

С₂Н₆ + 3,5О₂ = 2СО₂ + 3Н₂О

С₂Н₈ + 4О₂ = 2СО₂ + 4Н₂О

С₄Н₁₀ + 6,5О₂ = 4СО₂ + 5Н₂О

N_2т N_2п.г.

Расчет ведем на 100м³ газа.

2.2 Расчет количества и состава продуктов горения

 

Таблица1.2 Расчет горения топлива

 

Топливо	Воздух,м3	Продукты горения,м3
Составляющие	Содержание,%	Количество,м3	О2	N2	Всего	СО2	Н2О	О2	N2	Всего
СН4	93,7	93,7	187,4	196,15*3,76 = 737,52	196,15+737,52 = 933,67	93,7	187,4	-	737,52+4,4 = 741,92	98,7+194,9+741,92 = 1035,52
С2Н6	0,7	0,7	2,45	1,4	2,1	-
С2Н8	0,6	0,6	2,4	1,2	2,4	-
С4Н10	0,6	0,6	3,9	2,4		-
N2	4,4	4,4	-	-	-	-
СО2	-	-	-	-	-	-
			196,15	737,52	933,67	98,7	194,9	-	741,92	1035,52
Коэффициент расхода воздуха,n	n = 1,0 состав,%				9,53	18,82	-	71,65	100,00
n = 1,07 количества,%	209,88	789,15	999,02	98,7	194,9	13,73	793,55	1100,88
n = 1,07 состав,%				8,97	17,70	1,22	72,11	100,00

2.3 Расчет температуры горения

 

Температура горения топлива – важный показатель при расчете горения топлива. Различают температуры калориметрическую, теоретическую и практическую.

Калориметрической температурой t_к горения называют температуру, которую имели бы продукты горения при отсутствии потерь теплоты в окружающее пространство и на диссоциацию. В этом случае подразумевают, что вся теплота, выделяемая при сгорании, идет только на нагрев продуктов горения. Калориметрическая температура является расчетной величиной.

1. Определяют состав продуктов горения топлива, Q_н и объем продуктов горения единицы топлива V_п.г.пр. при заданном коэффициенте расхода воздуха n.

2. Определяют действительное удельное количество теплоты 1 м³ продуктов горения (кДж/м³):

i_п.г. = Q_н/V^,_п.г.пр.

i_п.г. – действительное удельное количество теплоты

Q_н – теплота сгорания газообразного топлива

V^,_п.г.пр. – объем продуктов горения практический

V^,_п.г.пр. = 1100,88: 100 = 11,0088 м³

Q_н = 358*СН₄ + 638*С₂Н₆ + 913*С₂Н₈ + 1187*С₄Н₁₀ = 358*93,7 + 638*0,7 + 913*0,6 + 1187*0,6 = 5051,2 кДж/м³

i_п.г.пр. = 5051,2/ 11,0088 = 458,833 кДж/м³

3. По значению полученного удельного количества теплоты продуктов горения i_п.г. приблизительно определяют соответствующую ему температуру продуктов горения t₁.

4. По температуре t₁ рассчитывают удельное количество теплоты 1 м³ продуктов горения данного состава (кДж/м³):

при 1900С

i₁ = 0,01* t₁(СО₂*Ссо₂ + Н₂О*Сн₂о + N₂*С_N2 + О₂*Со₂) i₁ = 0,01*1900(8,97*2,42 + 17,70*1,93 + 72,11*1,48 + 1,22*1,57) = 3125,69 кДж / м³

при 2000С

i₂ = 0,01* t₂(СО₂*Ссо₂ + Н₂О*Сн₂о + N₂*С_N2 + О₂*Со₂) i₂ = 0,01*2000(8,97*2,43 + 17,70*1,94 + 72,11*1,49 + 1,22*1,58) = 3310,2 кДж/м³

5. По значениям температур t₁и t₂ и удельным количествам теплоты i_1п.г. и i_2п.г, соответствующим этим температурам, находят t_к.

i₀-i₁

t_к = t₁ + ───

i₂-i₁

 

458,833 – 3125,69

t_к = t₁ + ─────────── = 1885,55 С

3310,2 – 3125,69

 

t_пр. = η* t_к, где η = 0,62…..0,82 t_пр. = 0,62*1885,55 = 1169,041

 

2.4 Материальный баланс горения

 

Поступило: Получено:

газа в 100м³, в том числе в кг: продуктов горения в кг:

СН₄ = 93,7*16 / 22,4 = 66,929 СО₂ = 98,7*44 / 22,4 = 193,875

С₂Н₆ = 0,7*30 / 22,4 = 0,938 Н₂О = 194,9*18 / 22,4 = 156,616

С₂Н₈ = 0,6*32 / 22,4 = 0,857 N₂ = 793,55*28 / 22,4 = 991,938

С₄Н₁₀ = 0,6*58 / 22,4 = 1,554 О₂ = 13,73*32 / 22,4 = 19,614

N₂ = 4,4*28 / 22,4 = 5,5

75,778 1362,043

 

Воздуха: О₂ = 209,88*32 / 22,4 = 299,829

N₂ = 789,15*28 / 22,4 = 986,438

1286,267

 

∑_прих = 75,778 + 1286,267 = 1362,045кг

∑_расх = 1362,043кг

Расчет нагрева металла

 

3.1 Расчет нагрева металла в I интервале

 

Температура металла

 

t_м^н + t_мI^к

tмI =,С где t_мI^к – примите 600 С.

tм^н – температура металла начальная, С

tм_I^к – температура металла конечная, С

 

20 + 600

tмI = = 310 С

 

Температура газа

 

t_гI^н + t_гI^к

tгI = 2, С где t_гI^к – примите 1150 С.

 

tгI^н – температура газа начальная, С

tгI^к – температура газа конечная, С

 

800 + 1150

tгI = = 975 С

 

Температура кладки

t_мI + t_гI

tклI =,С

 

 

310 + 975

tклI = = 642,5 С

 

Парциальное давление излучающих компонентов продуктов сгорания

Vсо₂

Рсо₂ = Рат, кПа,

Vсм

 

где Рат = 98,1 кПа;

Vсо₂ – процентное содержание СО₂ в продуктах сгорания топлива, %;

Vсм = 100%.

8,97

Рсо₂ = 98,1 = 8,8 кПа

 

Vн₂о

Рн₂о = Рат, кПа,

Vсм

 

где Vн₂о – процентное содержание Н₂О в продуктах сгорания, %.

 

 

17,70

Рн₂о = 98,1 = 17,4 кПа

 

 

Эффективная длина луча

V ВНL - hbl

Sэф = 3,6 =, м,

F Fк + Fм

 

где В – ширина рабочего пространства печи, м

(В = b + 2а, где а = 0,5м); В = 0,7 + 2*0,5 = 1,7м

Н – высота рабочего пространства (примите Н = 1,8м);

L - длина рабочего пространства, м (L = l + 0,5); L = 2,4 + 0,5 = 2,9м

Fк – площадь внутренней поверхности рабочего пространства печи (за вычетом площади занятой металлом), м²

(Fк = 2ВН + 2НL + 2ВL – bl); Fк = 2*1,7*1,8 + 2*1,8*2,9 +2*1,7*2,9 – 0,7*2,4 = 24,74м²

Fм – площадь тепловоспринимающей поверхности металла, м²

(Fм = 2bh + 2hl + bl). Fм = 2*0,7*0,8 = 2*0,8*2,4 + 0,7*2,4 = 6,64м²

 

1,7*1,8*2,9 – 0,8*0,7*2,4

Sэф = 3,6 = 0,864м

24,74 + 6,64

 

 

Определим произведение

 

Рсо₂ * Sэф, кПа*м; 8,8*0,864 = 7,6

Рн2о * Sэф,кПа*м; 17,4*0,864 = 15

 

Выполним номограммы

 

εсо₂ = 0,09, где εсо₂ – степень черноты углекислого газа, содержащегося в продуктах сгорания;

ε^,н₂о = 0,13, где εн₂о – степень черноты водяных паров;

β = 1,12, где β – поправочный коэффициент.

Степень черноты газа

ε^,_г = εсо₂ + β*ε^,н₂о

ε^,г = 0,09 + 1,12*0,13 = 0,24

 

Для природного газа

εгI = 1,5*ε^,г;

εгI = 1,5*0,24 = 0,36

 

Для мазута

εг = 2,5*εг;

εг = 2,5* 0,24 = 0,6

Степень развития кладки

Fк

ω =.

Fм

 

24,74

ω = = 3,73

6,64

Номограмма для определения εсо₂

εсо₂

 

0,09

 

 

975 t, C

Рисунок 2 Номограмма для определения εсо₂

 

Номограмма для определения ε^,н₂о

ε^,н₂о

 

0,13

 

t, С

Рисунок 3 Номограмма для определения εн₂о

 

Номограмма для определения β

β

 

 

 

1,12

 

 

Рн₂о, кПа

Рисунок 4 Номограмма для определения β

 

Определим значение комплексов, принимая εм = 0,8; εк = 0,6.

1 1

М = 1 – (1 – εг) * (1 – εк) * (1 - ω) – (1 – εг)²* (1 – εм) * (1 – εк)*;

ω

 

1 1

М = 1 – (1 – 0,6)*(1 – 0,6)*(1 -) – (1 – 0,6)²*(1 – 0,8)*(1- 0,6)* = 0,6

3,73 3,73

εг*εм [ 1 + (1 – εг)*(1 – εк)* ω]

А = М

0,6*0,8 [1 + (1 – 0,6)*(1 – 0,6)*3,73]

А = 0,6 = 0,76

 

εм*εк(1 – εг)

В = М

 

0,8*0,6(1 – 0,6)

В = = 0,3

0,6

 

Удельный тепловой поток результирующего излучения

 

 

qмI^рез = С₀*А [(tгI + 273)⁴ – (tмI + 273)⁴ ] + С₀*В [(tкI + 273)⁴ – (tмI + 273)⁴]

100 100 100 100

 

Вт/м², где С₀ – коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела, = 5,7 Вт/м²*К⁴.

 

qмI^рез = 5,7*0,76[(975 +273)⁴ – (310 + 273)⁴] + 5,7*0,3 [(642,5 + 273)⁴ –

100 100 100

310 + 273

()⁴] = 110072,5 Вт/м²

 

Коэффициент теплоотдачи излучением

qмI^рез

£I^изл =, Вт/м²*К

tгI - tмI

 

110072,5

£I^изл = = 165,5 Вт/м²*К

975 - 310

 

Суммарный коэффициент теплоотдачи

£∑₁ = £кон + £I^изл, Вт/м²*К, где £кон – коэффициент теплоотдачи конвекцией = 15 Вт/м²*К.

£∑₁ = 15 + 165,5 = 180,5 Вт/м²*К

Заготовку прямоугольного сечения с b ≤1,8 можно представить в виде

h

эквивалентного цилиндра с диаметром

dэ = 1,128*√h*b, м. dэ = 1,128*√0,8*0,7 = 0,9 м.

 

Критерий Био

£∑I*S

Вi_I =

λ

£ - коэффициент теплоотдачи

S – прогреваемая толщина изделия

λ– коэффициент теплопроводности

180,5*0,35

ВiI = = 1,3

48,6

 

Температурный критерий

tгI - tпов

QповI = tгI - t_м^н

tпов – температура поверхности

 

975 - 600

QповI = = 0,4

975 - 20

 

 

Время нагрева металла в I интервале

 

τI = F₀I S² , С

а

где F₀I – критерий Фурье в I интервале

а – коэффициент температуропроводности стали

0,12

τI = 0,8 0,000001 = 9600: 3600 = 2часа

 

Температура в центре заготовки в конце I интервала периода нагрева

tцентI = tгI - Qцент^I *(tгI - tм^н), С

QцентI – температурный критерий в центре заготовки в конце I интервала

tцентI = 975 – 0,68*(975 – 20) = 325,6 С

 

Средняя по сечению температура заготовки в конце I интервала периода нагрева

tмI^к + tцентI 600 + 325,6

tI-II = 2, С tI-II = = 462,8 С

 

3.2 Расчет нагрева металла во II интервале

 

Температура поверхности металла изменяется от tмII^н, С = 600 С, до tмII^к, С = 1000 С.

Температура газа изменяется от tгII^н, С = 1150 С, до tгII^к, С = 1300 С.

Средние за интервал температуры:

t^нмII + t^кмII 600 + 1000

tмII = 2, С tмII = 2 = 800 C

 

t^нгII + t^кгII 1150 + 1300

tгII = 2, С tгII = 2 = 1225 С

 

tмII + tгII 800 + 1225

tкII = 2, С tкII = 2 = 1013 С

 

 

Средняя во II интервале плотность потока результирующего излучения металла

 

 

qмII^рез = С₀*А [(tгII + 273)⁴ – (tмII + 273)⁴ ] + С₀*В [(tкII + 273)⁴ – (tмII + 273)⁴]

100 100 100 100

 

1125 + 273 800 + 273 1013 + 273

qмII^рез = 5,7*0,76 [()⁴ – ()⁴] + 5,7*0,3 [()⁴ –

100 100 100

800 + 273

()⁴] = 132097,9 Вт/м²

 

Средний за II интервал коэффициент теплоотдачи излучением

 

qмII^рез 132097,9

£II^изл =, Вт/м²*К £II^изл = = 310,8 Вт/м²*К

tгII – tмII 1225 - 800

 

Примим коэффициент теплоотдачи конвекцией £^конвII = 15 Вт/м²*К

Суммарный коэффициент теплоотдачи

 

£∑_1I = £II^конв + £II^изл, Вт/м²*К, £∑_1I = 15 + 310,8 = 325,8 Вт/м²*К

 

Критерий Био

 

£∑II*S 325,8 * 0,35

Вi_II = = 30,2 = 3,8

λ

 

Температурный критерий

 

tгII - t^кмII 1225 - 1000

QповII = tгII – tI-II = = 0,3

1225 – 462,8

 

Продолжительность II интервала периода нагрева

0,4*0,12

τII = F₀II S² , С τII = = 18182 С, 18182: 3600 = 5часов

а 0,0000055

 

Температура в центре заготовки в конце II интервала периода нагрева

 

 

tцентII = tгII - Qцент^II *(tгII – tI-II), С tцентII = 1225 – 0,6*(1225 – 462,8) = 767,7 С

 

Средняя по сечению температура заготовки в конце II интервала периода нагрева

t^кмII + tцентII 1000 + 767,7

tII -III =, С tII -III = 2 = 884 C

 

III интервал

Температура поверхности металла изменяется от t^нмIII, С = 1000, до t^кмIII, С = 1250

Температура газа изменяется от t^нгIII, С = 1300, до t^кгIII, С = 1400.

 

Средние за интервал температуры:

t^нмIII + t^кмIII 1000 + 1250

tмIII = 2, С tмIII = = 1125 С

t^нгIII + t^кгIII

tгIII =, С 1300 + 1300

2 tгIII = = 1300 С

 

 

tмIII + tгIII 1125 + 1300

tкIII =, С tкIII = 2 = 1213 C

 

Средняя в III интервале плотность потока результирующего излучения металла

 

qмIII^рез = С₀*А [(tгIII + 273)⁴ – (tмIII + 273)⁴ ] + С₀*В [(tкIII + 273)⁴ –

100 100 100

tмIII + 273

()⁴], Вт/м²

1300 +273 1125 + 273 1213 +173

qмIII^рез = 5,7*0,76 [()⁴ – ()⁴] + 5,7*0,3[ ()⁴ –

100 100 100

 

1125 + 273

(100)⁴] = 117767,6 Вт/м²

 

Средний за III интервал коэффициент теплоотдачи излучением

qмIII^{рез 117767,6}

£III^изл = tгIII – tмIII, Вт/м²*К £III^изл = = 673 Вт/м²*К

1300 - 1125

 

Суммарный коэффициент теплоотдачи

 

 

£∑_1II = £III^конв + £III^изл, Вт/м²*К, £∑_1II = 15 + 673 = 688 Вт/м²*К

 

Критерий Био

 

£∑III*S 688*0,35

Вi_III = = 28,5 = 8,5

λ

 

Температурный критерий

tгIII - t^км 1300 - 1250

Q^IIIпов = = = 0,1

tгIII – tII-III 1300 - 884

 

 

Продолжительность III интервала периода нагрева

0,6 * 0,12

τIII = F₀III *S², С τIII = = 18154:3600 = 5часов

а 0,0000055

 

Температура в центре заготовки в конце III интервала периода нагрева

 

tцентIII = tгIII - Qцент^III *(tгIII – tII-III), С tцентIII = 1300 – 0,8(1300 – 884) = 1009 С

 

Перепад температур по сечению заготовки в конце периода нагрева

 

∆tнач = t^км – tцентIII, С ∆tнач = 1250 – 1009 = 241 С

 

Общая продолжительность периода нагрева

 

τн = τI + τII + τIII, C τн = 2 + 5 + 5 = 12часов

 

 

3.3 Период выдержки. Общее время пребывания металла в печи

 

В течение периода выдержки средняя температура продуктов

 

сгорания

 

tг = t^км + 50 = 1250 + 50 = 1300 С

 

кладки

tг + t^км 1300 + 1250

tк =, С tк = = 1275 С

2 2

 

 

В конце периода выдержки перепад температур по сечению заготовок ∆tкон, С. Тогда степень выравнивания.

∆tкон 1250

δвыр =. δвыр = = 5,2

∆tнач 241

 

Продолжительность периода выдержки τв = F₀II * S² , С = 5часов

а

Общее время пребывания металла в печи

τ∑ = τн + τв, С τ∑ = 12 + 5 = 17 часов