Расчётно-пояснительная записка
К курсовой работе
на тему: Расчет трёхзонной методической печи с двухсторонним обогревом
Нормоконтролёр
Реш А.Г
«___»____________2017 г.
Руководитель
Реш А.Г.
«___»____________2017 г.
Автор проекта
студент группы П-479
Юлин В.С.
«___»____________2017 г.
Проект защищён с оценкой
______________________
«___»____________2017 г.
|
Министерство образования Российской Федерации
Южно-Уральский государственный университет
Кафедра «Промышленная теплоэнергетика»
ЗАДАНИЕ
на курсовую работу
По дисциплине «Промышленные печи»
для студентов по направлению 13.03.01
Факультет: Энергетический
Группа: П-479
Студент: Юлин В.С.
Исходные данные:
- Наименование печи: трёхзонная методическая печь с двухстороннимобогревом.
- Производительность: 140 т/ч
- Нагреваемый металл: Ст 20
- Начальная температура материала: tн =20 ºС
- Конечная температура материала (поверхности): tпк = 1190° С
- Конечный перепад температур по сечению слитка, заготовки: Δ tк = 50° С
- Вид топлива, калорийность: доменный – 30 %; Природный – 70 %
8. Химический состав газов, %
газ | СН4 | C2Н6 | СО2 | О2 | СО | Н2S | Н2 | N2 | Влажность
![]() |
Доменный | 0.3 | ─ | 12.5 | 0.2 | 27.0 | ─ | 5.0 | 55.0 | |
Коксовый | 25.5 | 2.3 | 2.4 | 0.5 | 6.5 | ─ | 59.8 | 3.0 | |
Природный | 93.8 | 4.9 | 0.6 | ─ | ─ | ─ | ─ | 0.7 |
9 Температура уходящих газов: 800° С
10 Температура подогрева воздуха: и газа:
Руководитель курсовой работы:Реш А.Г.
Зав. кафедрой ПТЭОсинцев К.В.
Дата сдачи:
![]() |
Аннотация.
Юлин В.С.. – трёхзонная методическая печь с двухсторонним обогревом: ЮУрГУ. Э, 2017, с.
В пояснительную записку входит расчет основных размеров печи, продолжительности нагрева заготовки в различных зонах печи. Определение приходных и расходных статей баланса и на их основе определение расхода топлива, технологического КПД и коэффициента использования топлива.
.
Содержание.
Введение. 5
1 Расчёт горения топлива. 9
2. Температурный режим нагрева металла. 11
3.Нагрев металла. 12
3.1 Методическая зона. 12
3.2 Сварочная зона. 15
3.3 Томильная зона. 18
4 Длина печи и напряжение пода. 19
5.Тепловой баланс печи. 20
5.1 Расход тепла. 20
5.2 Расход топлива. 26
5.3.Приход тепла. 27
5.4. Тепло уносимое продуктами сгорания. 27
5.5. Приходные и расходные статьи баланса. 27
5.6 Технологический К.П.Д. 28
5.7 Коэффициент использования топлива. 28
Заключение. 29
Литература. 30
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 (600-800 0С) 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 300 0С. 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. 1350 0С, 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 Расчёт горения топлива
Целью расчета является определение расхода воздуха, количества и состава продуктов сгорания.
Для отопления нагревательных печей главным образом применяют газообразное топливо. Состав газообразного топлива задается в виде процентного содержания составных компонентов смеси. Влага задается в виде массы воды на единицу объема сухого газа W, г/м3.
1) Пересчитаем состав сухого газа на влажный, для этого определим содержание водяного пара в газах (формула 1.1 [1])
а) Коксовый:
б) Природный:
и состав влажных газов (формула 1.2 [1])
где: xiвл, xiс – объёмные доли компонента соответственно во влажных и сухих газах. Пересчитанные составы сводим в таблицу 1:
Таблица 1
газ | СН4 | C2Н6 | СО2 | О2 | СО | Н2 | N2 | Н2О | Сумма |
Доменный | 0,29 | - | 11,910 | 0,190 | 25,72 | 4,760 | 52,340 | 4,74 | 100% |
Природный | 88,3 | 4,613 | 0,565 | ─ | ─ | ─ | 0,659 | 5,857 | 100% |
Смешанный | 62,1 | 3,229 | 3,969 | 0,057 | 7,716 | 1,428 | 16,463 | 5,522 | 100% |
2) Рассчитаем теплоту сгорания коксового, природного газов и их смеси (формула 1.5 [1]).
Где: - доли компонентов входящих в состав газа, в %
а) коксовый газ:
б) природный газ:
в) смешанный:
3) Рассчитаем состав смешанного газа (формула 1.4 [1]):
%
%
%
%
%
%
%
%
4) Расход кислорода на горение смешанного газа (формула 1.6 [1]):
5) Действительный расход воздуха (формула 1.7 [1]):
– коэффициент расхода воздуха
k – отношение объёмных содержаний N2, O2 в дутье
6) Объём компонентов продуктов сгорания: (формула 1.8 [1]
7) Общий объём продуктов сгорания (формула 1.9 [1]):
8) Состав продуктов сгорания (формула 1.10 [1])
компоненты | сумма | |||
![]() | Н2О | N2 | O2 | % |
9,657 | 16,954 | 71,704 | 1,686 |
|
|
|
Под режимом нагрева подразумевают характер изменения температуры печных газов и металла во времени. Характер температурного режима нагревательной печи определяется пластичностью материала, массивностью нагреваемых изделий, начальным и требуемым конечным состоянием металла, конструктивными особенностями печи.
При трехступенчатом режиме имеются три теплотехнические зоны: методическая, сварочная и томильная.
Трёхступенчатый режим нагрева металла.
– начальная температура металла (20°С)
– температура уходящих газов (800°С)
– температура сварочной зоны (1300°С)
– конечная температура поверхности металла (1190°С)
– температура газов в томильной зоне (1230°С)
– конечный перепад температур по сечению слитка (50°С)
– температура поверхности металла
– температура середины материала.
Нагрев металла.
Методическая зона.
Одним из факторов, лимитирующих скорость нагрева металла, являются термические напряжения, обусловленные разностью температур. Наружные, более нагретые слои, стремятся расшириться и находятся, поэтому в сжатом состоянии. Внутренние, более холодные слои, подвержены при этом растягивающим усилиям. Если эти напряжения не превосходят предела упругости, то с выравниванием температуры по сечению термические напряжения исчезают. Сталь (за исключением некоторых специальных марок) обладает упругими свойствами до температуры 450 ¸ 500 0С, выше этой температуры переходит в пластическое состояние. Следовательно, температурные напряжения должны учитываться до перехода металла из упругого состояния в пластическое. Поэтому рекомендуется медленный (методический) нагрев заготовок до тех пор, пока температура центра не превысит 500 0С.
3.1.1 Расчет коэффициента теплоотдачи в методической зоне.
1) Найдём парциальное давление поглощающих компонентов смеси:
2) Ширина рабочего пространства печи (формула 2.1 [1])
где: l – длина заготовки
n – число рядов заготовок в печи
3) Эффективная длина луча:
– высота рабочего пространства печи в методической зоне.
4) Определим степень черноты газов: (По табл. П3 и П4 [1])
–определены при температуре уходящих газов (800°С)
5) Определим интегральный коэффициент излучения (формула 3.9 [1]):
6) Определим угловой коэффициент излучения кладки на металл:
7) Определим приведённый коэффициент излучения от продуктов сгорания на металл с учётом тепла, отражённого от кладки печи на металл (формула 3.39 [1])
εм = 0,8 – коэффициент теплового излучения материала (табл. П2 [1]);
с0 = 5,67 Вт/(м2·К) – коэффициент излучения абсолютно чёрного тела;
8) Удельный тепловой поток
Тм – температура поверхности металла, К
Тг – температура уходящих газов, К
9) Определим коэффициент теплоотдачи в начале методической зоны:
10) Коэффициент теплоотдачи в конце методической зоны:
при температуре в конце методической зоны 1300 ° С: (По табл.П3 и П4 [1])
11) Определим приведённый коэффициент излучения от продуктов сгорания на металл с учётом тепла, отражённого от кладки печи на металл (формула 3.39 [1])
12) Удельный тепловой поток
13) Определим коэффициент теплоотдачи в конце методической зоны:
14) Определим средний коэффициент теплоотдачи по крайним значениям в начале и в конце зоны:
3.1.2 Нагрев металла в методической зоне.
1) Определим среднюю температуру газов в зоне:
2) Средняя температура металла в зоне:
– температура поверхности металла (20° С – в начале, 600° С – в конце зоны)
k 1 = 1 – для пластины
tсер – температура середины металла (20° С – в начале, 500° С – в конце зоны)
3) По этой температуре находим коэффициент теплопроводности материала (по таблице I – 51 [2]).
4)коэффициент температуропроводности:
где: (по таблице I – 52 [2])
(по таблице I – 55 [2])
5) Вычислим число Био:
где: δ = 0,5 S
S = 270 мм – толщина заготовки
6)
7) Определяем число Фурье: (по рис.П.1.[1]):
8) По Bi и Fo используя номограмму П2 [1], находим
9) Используя номограммы П3 и П4 [1], определим температурный критерий:
10)
11) Уточним температуру на поверхности и середине материала:
Полученные значения температур незначительно отличаются от принятых (не более 15…20 ° С).
12) Определим время нагрева в методической зоне:
Сварочная зона.
В сварочной зоне при ускоренном нагреве температура газов остается постоянной. Так как температура поверхности металла изменяется по ходу нагрева, то коэффициент теплоотдачи излучением будет также изменяться.
3.2.1Определение коэффициента теплоотдачи в сварочной зоне.
1) Эффективная длина луча:
Где: hсв = 2,6 (м)– высота рабочего пространства печи в сварочной зоне
2) Определим степень черноты газов: (По табл. П3 и П4 [1])
–определены при температуре уходящих газов (1350°С)
3) Определим интегральный коэффициент излучения (формула 3.9 [1]):
Где: β = 1,079
4) Определим угловой коэффициент излучения кладки на металл:
5) Определим приведённый коэффициент излучения от продуктов сгорания на еталл с учётом тепла, отражённого от кладки печи на металл (формула 3.39 [1])
εм = 0,8 – коэффициент теплового излучения материала (табл. П2 [1]);
с0 = 5,67 Вт/(м2·К) – коэффициент излучения абсолютно чёрного тела;
6) Удельный тепловой поток в начале сварочной зоны:
Тм – температура поверхности металла, К
Тг – температура уходящих газов, К
7) Определим коэффициент теплоотдачи в начале сварочной зоны:
8) Удельный тепловой поток в конце сварочной зоны:
– конечная температура материала в сварочной зоне.
9) Определим коэффициент теплоотдачи в конце сварочной зоны:
10) Определим средний коэффициент теплоотдачи по крайним значениям в начале и в конце зоны:
3.2.2 Нагрев металла в сварочной зоне.
1) Определим среднюю температуру газов в зоне
2) Средняя температура метала в зоне:
– температура поверхности металла (606,24° С – в начале, 1190° С – в конце зоны)
k 1 = 1 – для пластины
tсер – температура середины металла (512,8° С – в начале,1140 ° С – в конце зоны)
3) По этой температуре находим коэффициент теплопроводности материала (по таблице I – 51 [2]):
4)Коэффициент температуропроводности:
где:
5) Вычислим число Био:
6)
7) По Bi и Θ пов используя номограмму П2 [1], находим:
8) По Bi и Fo используя номограмму П2 [1], находим:
9) Используя номограммы П3 и П4 [1], определим температурный критерий:
10)
11) Уточним температуру на поверхности и середине материала:
Полученные значения температур незначительно отличаются от принятых (не более 15…20 ° С).
12) Определим время нагрева в сварочной зоне:
Томильная зона.
Температура продуктов сгорания в томильной зоне обычно выше на 30 – 50 0С выше конечной температуры поверхности металла.
3.3.1 Нагрев металла в томильной зоне.
Время нагрева металла в томильной зоне при tпов = Const можно рассчитать с помощью графика на рис 4.3 [1].
μ = 0,5 – коэффициент, учитывающий несимметричность обогрева в сварочной зоне.
– перепады температур по сечению металла вначале томильной зоны.
– перепады температур по сечению металла в конце томильной зоны. (задан)
1) - по рисунку 4.3 [1].
2)
3)Коэффициент температуропроводности (при )
где:
3)