Расчётно-пояснительная записка

Расчётно-пояснительная записка

К курсовой работе

 

 

на тему: Расчет трёхзонной методической печи с двухсторонним обогревом

 

 

Нормоконтролёр

Реш А.Г

«___»____________2005 г.

 

Руководитель

Реш А.Г.

«___»____________2005 г.

 

Автор проекта

студент группы Э-431

Пятых А.С.

«___»____________2005 г.

 

Проект защищён с оценкой

______________________

«___»____________2005 г.

	Челябинск

 

Министерство образования Российской Федерации

Южно-Уральский государственный университет

Кафедра «Промышленная теплоэнергетика»

 

ЗАДАНИЕ

на курсовую работу

по дисциплине «Энергоиспользование в энергетике»

для студентов специальности 1007

 

 

Факультет: Энергетический

Группа: Э – 431

Студент: Пятых А.С.

 

Исходные данные:

1. Наименование печи: трёхзонная методическая печь с двухстороннимобогревом.
2. Производительность: 260 т/ч
3. Нагреваемый металл: Ст 30
4. Начальная температура материала: t_н =10 ºС
5. Конечная температура материала (поверхности): t_пк = 1220° С
6. Конечный перепад температур по сечению слитка, заготовки: Δ t_к = 40° С
7. Вид топлива, калорийность: доменный – 50 %; Природный – 50 %

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
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 ПТЭТоропов Е.В.

Дата сдачи:

Аннотация.

 

Пятых А.С. – трёхзонная методическая печь с двухсторонним обогревом: ЮУрГУ. Э, 2005, 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. 28

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) Доменный:

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	44,29	2,306	6,242	0,095	12,86	2,38	26,49	5,298	100%

2) Рассчитаем теплоту сгорания доменного, природного газов и их смеси (формула 1.5 [1]).

 

Где: - доли компонентов входящих в состав газа, в %

а) доменный:

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	%
10,64	16,191	71,53	1,628

 

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 (10°С)

– температура уходящих газов (800°С)

– температура сварочной зоны (1350°С)

– конечная температура поверхности металла (1220°С)

– температура газов в томильной зоне (1270°С)

– конечный перепад температур по сечению слитка (40°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 1350 ° 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 (10° С – в начале, 600° С – в конце зоны)

k ₁ = 1 – для пластины

t_сер – температура середины металла (10° 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 = 170 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 = 2,4 (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 = 1,08

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 (615,86° С – в начале, 1220° С – в конце зоны)

k ₁ = 1 – для пластины

t_сер – температура середины металла (517,96° С – в начале,1180 ° 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)

 

Тепловой баланс печи.

Тепловой баланс печи составляется для определения расхода топлива на нагрев металла и представляет собой уравнение, связывающее приход и расход тепла.

Расход тепла

Потери тепла теплопроводностью через кладку печи

 

Распределение температуры в кладке печи.

 

5.1.1Потери тепла через кладку печи

Таблица 5.1.1

Определяемая величина	Расчётная формула	зоны
методич.	сварочн	томильн
Коэффициент диафрагмирова-ния		0,543	0,634	0,5565
Температура внутренней поверхности кладки				1221,4
Площадь теплоотдающей поверхности стен в зоне	(мет. и свар.), м2 (том.), м2	102,2	266,30	7,52
Температура воздуха в цехе	принимаем
Температура наружной по- верхности стен	принимаем
Коэффициент теплоотдачи конвекцией		13,108	13,821	13,47
Коэффициент теплоотдачи излучением		6,908	7,142	6,941
Общий коэффи- циент теплоот- дачи		20,016	20,963	20,411
Толщина огне- упорного слоя	по таблице 5.1. [1]
Толщина изоля- ционного слоя	по таблице 5.1. [1]
Температура соприкоснове- ния слоёв
Коэффициент теплопровод –ности огнеу- порного мате- риала (шамот класс А)		1,063	1,108
Коэффициент теплопровод –ности изоляци- онного матери- ала (шамот легковесный ШЛБ – 0,9)		0,385	0,393	0,413
Удельный тепловой поток через кладку		1081,3	1199,44	1064,61
Уточним темпе- ратуру сопри- косновения слоёв		735,5	795,3	979,2
Уточним темпе- ратуру наруж- ной поверхнос- ти кладки		83,9	87,3	82,2
Тепловые поте- ри через стены зоны		90,49	190,05	8,0
Суммарные тепловые поте- ри через стены		288,54
Площадь теплоотдачи поверхности свода		141,49	155,344	13,16
Температура воздуха в цехе	принимаем
Температура наружной по- верхности стен	принимаем
Коэффициент теплоотдачи конвекцией		14,645	15,983	15,940
Коэффициент теплоотдачи излучением		7,524	8,414	8,453
Общий коэффи- циент теплоот- дачи		22,169	24,397	24,393
Толщина огне- упорного слоя	по таблице 5.1. [1]
Толщина изоля- ционного слоя	по таблице 5.1. [1]
Температура соприкоснове- ния слоёв
Коэффициент теплопровод –ности огнеу- порного мате- риала (шамот класс А)		1,024	1,076	1,080
Коэффициент теплопровод –ности изоляци- онного матери- ала (шамот легковесный ШЛБ – 0,9)		0,348	0,366	0,367
Удельный тепловой поток через кладку			2295,96	2354,2
Уточним темпе- ратуру сопри- косновения слоёв		393,83	531,86	543,46
Уточним темпе- ратуру наруж- ной поверхнос- ти кладки		100,770	124,11	126,5
Тепловые потери через свод зоны		138,762	233,664	26,725
Суммарные потери через свод		399,151
Суммарные потери		687,69

5.1.2 Потери тепла излучением через открытые окна.

5.1.2.1 Методическая зона

а) Потери через окно загрузки:

1) Площадь окна загрузки:

2) Потери:

 

 

Ф₁ = 0,10 – коэффициент диафрагмирования (по рис 3.7 [1])

ψ = 1 – доля времени по истечении которого окно открыто

б) Потери через смотровые окна:

1) Количество смотровых окон:

2) Размер окон:

3) Площадь смотровых окон:

4) Потери:

Ф₁ = 0,10

ψ = 0,15

5.1.2.2 Сварочная зона

а) Потери через смотровые окна:

1) Количество смотровых окон:

2) Размер окон:

3) Площадь смотровых окон:

4) Потери:

Ф₁ = 0,10

ψ = 0,3

5.1.2.3 Томильная зона.

а) Потери через смотровые окна:

1) Количество смотровых окон:

2) Размер окон:

3) Площадь смотровых окон:

4) Потери:

Ф₁ = 0,10

ψ = 0,3