Для студентов по направлению 13.03.01

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.

	Челябинск

 

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:

1. Наименование печи: трёхзонная методическая печь с двухстороннимобогревом.
2. Производительность: 140 т/ч
3. Нагреваемый металл: Ст 20
4. Начальная температура материала: t_н =20 ºС
5. Конечная температура материала (поверхности): t_пк = 1190° С
6. Конечный перепад температур по сечению слитка, заготовки: Δ t_к = 50° С
7. 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: x_i^вл, x_i^с – 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
СО2	Н2О	N2	O2	%
9,657	16,954	71,704	1,686

 

2. Температурный режим нагрева металла.

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])

ε_м = 0,8 – коэффициент теплового излучения материала (табл. П2 [1]);

с₀ = 5,67 Вт/(м²·К) – коэффициент излучения абсолютно чёрного тела;

8) Удельный тепловой поток

Т_м – температура поверхности металла, К

Т_г – 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

t_сер – 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 F_o 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: h_св = 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])

ε_м = 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:

Т_м – температура поверхности металла, К

Т_г – 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

t_сер – 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 F_o 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 t_пов = 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)