Расчет методической нагревательной печи

Обновлено: 27.04.2024

Расчет методической нагревательной печи

Учебно-методическое пособие для студентов специальностей 1-36 01 05 «Машины и технология обработки материалов давлением», 1-36 01 02 «Материаловедение в машиностроении"

Библиографическое описаниe

Логачев, М. В. Расчеты нагревательных устройств. В 3 ч. Ч. 1. Расчет пламенных печей : учебно-методическое пособие для студентов специальностей 1-36 01 05 «Машины и технология обработки материалов давлением», 1-36 01 02 «Материаловедение в машиностроении" / М. В. Логачев, Н. И. Иваницкий, Л. М. Давидович ; Белорусский национальный технический университет, Кафедра "Машины и технология обработки металлов давлением". – Минск : БНТУ, 2007. – 161 с.

Аннотация

В учебно-методическом пособии рассмотрены вопросы расчета нагревательных и термических печей. Большое внимание уделено расчету горения топлива, интенсивности теплообмена в зонах рабочего пространства, расчету нагрева металла, составлению теплового баланса и определению технико-экономических показателей эффективности работы пламенных печей. Приведены особенности расчета печей безокислительного нагрева открытым пламенем. Даны необходимые сведения о теплофизических характеристиках нагреваемого материала и других параметров, необходимых для выполнения расчетов. Приведены примеры расчета отдельных этапов проектирования. Пособие предназначено для студентов энергетических, металлургических и машиностроительных специальностей, а также работников промышленности.

Сопоставление результатов расчета нагрева стальных заготовок в печи с шагающим подом с экспериментальными данными Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Текст научной работы на тему «Сопоставление результатов расчета нагрева стальных заготовок в печи с шагающим подом с экспериментальными данными»

B. И. ТИМОШПОЛЬСКИЙ, HAH Беларуси,

М. Л. ГЕРМАН, П. С. ГРИНЧУК, ИТМО им. A.B. Лыкова HAH Беларуси,

C. М. КАБИШОВ, БИТУ, С. В. КОРНЕЕВ, ИТМО им. A.B. Лыкова HAH Беларуси

СОПОСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТА НАГРЕВА СТАЛЬНЫХ ЗАГОТОВОК В ПЕЧИ С ШАГАЮЩИМ ПОДОМ С ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМИ ДАННЫМИ

В процессе функционирования современных металлургических предприятий в зависимости от требований рынка изменяются сортамент и марочный состав производимой продукции. Это приводит к необходимости обновления действующего оборудования, реконструкции и замене морально устаревших и физически изношенных узлов и деталей. Изменение конструктивных элементов и сортамента, в свою очередь, требует разработки новых и корректировки существующих технологических режимов.

Существуют два варианта решения данной проблемы: проведение серии промышленных экспериментов с целью определения оптимальных технологических параметров либо применение математического аппарата, позволяющего достоверно описать исследуемый процесс.

Экспериментальные исследования в условиях действующего производства требуют значительных материальных затрат, что не позволяет создать базу данных, достаточную для выявления закономерностей процесса.

При математическом моделировании технологических процессов также возникает ряд проблем, связанных с необходимостью учета большого числа факторов. Это вынуждает исследователей делать ряд допущений и упрощений. Как следствие, теоретическое решение также требует корректировки по результатам промышленных экспериментов для учета конструктивных и технологических особенностей конкретного агрегата. Но адекватный математический инструмент позволяет прогнозировать результаты и выявлять закономерности процесса, определять оптимальные режимы работы оборудования при значительно меньших материальных и временных затратах.

Наиболее перспективным направлением теоретических исследований нагревательных печей про-

катного производства является создание математических моделей сопряженного (внутреннего и внешнего) теплообмена. По сравнению с другими методиками такая модель обладает рядом достоинств: она позволяет учитывать геометрические параметры рабочего пространства, теплофизичес-кие свойства огнеупорных и теплоизоляционных материалов ограждающих конструкций, месторасположение газогорел очных устройств, нелинейность теплофизических свойств металла, шаг раскладки заготовок, влияние на процесс нагрева металла растущего слоя окалины и т.д.

В работах [1, 2] авторами изложены основные положения модели сопряженного теплообмена применительно к нагревательной печи с шагающим подом. Данная статья посвящена оценке адекватности указанной модели на основе сравнения расчетных данных с результатами экспериментов, проведенных в условиях действующего производства на нагревательной печи стана 320 РУП «Белорусский металлургический завод».

Сопоставление экспериментальных данных и результатов математического моделирования

Прежде чем приступить к анализу результатов, необходимо отметить, что любое компьютерное моделирование проводится с определенной погрешностью. В рассматриваемой проблеме указанная погрешность имеет три источника. Во-первых, неточность расчета температуры обусловлена приближенным характером модели. В нашем случае оценка показывает, что этот фактор приводит к погрешности в 5% [1, 2]. Вторым источником погрешности служит несовершенство численной схемы. В данном случае погрешность численного счета составляет не более 1%. Наиболее существенным, на наш взгляд, источником ошибки при проведении компьютерного моделирования является отсутствие точных данных о физических (в

гттгп г: глотгслтгпгя

нашем случае главным образом теплофизичес-ких) свойствах всех материалов, участвующих в процессе, во всем диапазоне рабочих температур. Этот фактор может обусловливать погрешность расчета вплоть до 10%. Эта проблема является принципиальной и ее рассмотрение заслуживает отдельного исследования. Таким образом, указанные факторы могут приводить к абсолютной погрешности расчета температуры заготовки в несколько десятков градусов Кельвина.

Для проведения корректных расчетов был задан ряд параметров рассматриваемой системы с учетом их зависимости от температуры. Прежде всего это теплофизические свойства нагреваемого металла, окалины, образующейся на поверхности заготовки и оказывающей значительное влияние на динамику нагрева стали, футеровочных и теплоизоляционных материалов и т.д. Эти свойства были взяты из справочной литературы [3—6].

Результаты расчета сравнивали с экспериментальными данными по термометрированию заготовок в процессе их нагрева в печи стана 320 РУП «Белорусский металлургический завод». Следует отметить особенность конструкции исследуемого агрегата, которая учитывалась при проведении расчетов: под нагревательной печи стана 320 является комбинированным (рис. 1). Для увеличения симметричности нагрева в методической зоне заготовки нагреваются на шагающих балках: сверху — за счет теплоты уходящих газов и излучения ограждающих конструкций, снизу — за счет работы длиннофакельных горелок. В сварочных и томильной зонах организован односторонний нагрев металла на шагающем поде. Источником теплоты являются сводовые плоскопламенные горелки. С точки зрения модели такое различие не является принципиальным, но может привести к некоторой погрешности расчета на начальной стадии нагрева. Для учета различий конструкции пода методической и остальных отапливаемых зон эффективная толщина пода, закла-

дываемая в модель, была уменьшена пропорционально той длине, которую занимает методическая зона во всей печи.

Сопоставление результатов и экспериментальных данных построено следующим образом. Первоначально для каждого из трех рассматриваемых экспериментов дано описание всех параметров программы, которые соответствуют условиям эксперимента. Затем заложен экспериментально измеренный профиль температуры печных газов и по этому профилю произведен расчет основных характеристик процесса нагрева. Такой подход обусловлен технологическими особенностями работы нагревательной печи стана 320, согласно которым технология бездефектного нагрева требует поддержания заданного профиля температуры печных газов по всей длине печи. Сопоставление проведено по тем характеристикам процесса нагрева, информация о которых имеется в экспериментальных данных.

Первый из экспериментов был проведен на РУП «БМЗ» на печи стана 320 до начала ее реконструкции (март 2004 г.). Производительность печи по нагреваемому металлу составляла 52,2 т/ч.

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Для данного эксперимента параметры, заложенные перед началом вычислений в программу, были следующими. Свойства заготовки: материал — сталь СтЗ; квадратное сечение размером 125x125 мм; длина заготовки - 11,8 м; начальная температура металла — 110 °С; конечная -1200 °С; скорость перемещения заготовки -3,285 мм/с; расстояние между осями заготовок — 200 мм; температура подогрева смеси - 390 °С; температура окружающей среды — 20 °С. Кроме того, в качестве исходных данных были заданы размеры печи: высота — 1,57 м; ширина — 12,5 м; длины зон (в порядке движения металла): 9,48, 6,68, 6,35, 6,7 м, а также теплота окисления окалины (0=5 МДж/кг) и теплота сгорания газа (35,5 МДж/м3).

Рис. 1. Схема нагревательной печи стана 320 РУП «БМЗ»: 1 — боковой посад заготовок; 2 — сводовая плоскопламенная горелка; 3 — боковая выдача заготовок; 4 — обмуровка печи; 5 — нагреваемая заготовка; 6 — участок шагающего пода; 7 — шагающие балки; 8 — боковая длиннофакельная горелка; ЗПН — зона предварительного нагрева; ЗГ — зона горения; ДГ — дымовые газы

Результаты сопоставления проведенных вычислений и экспериментальных данных приведены на рис. 2. Из рисунка видно, что в методической зоне интенсивность нагрева, предсказываемая моделированием, несколько меньше, чем измеренная экспериментально. Этот факт объясняется отличием конструкции пода в методической зоне (шагающие балки) от пода в других зонах, о чем было сказано ранее. Тем не менее, с учетом указанных выше погрешностей экспериментальных измерений и компьютерного моделирования можно констатировать хорошее согласование экспериментальных данных с расчетными. Следует отметить и хорошее соответствие по такому параметру, как потребление газа. Согласно результатам расчета, потребление газа составило 2939,8 м3/ч, в то время как экспериментально измеренная величина 2942,82 м3/ч. Для такого показателя, как образование окалины, расчет дал величину 10,1 кг/т. В эксперименте эта величина не была зафиксирована.

Результаты расчета сопоставления расчетных и экспериментальных данных второго эксперимента, в процессе которого в печи нагревались заготовки из стали Ст.Зсп. размерами 125x125x11800 мм (температура посада

- 190 °С; конечная - 1190 °С; производительность печи — 71,65 т/ч), приведены на рис. 3. Из рисунка видно, что и в этом случае имеется хорошее согласование экспериментальных данных с расчетными по температуре заготовки. Аналогичная ситуация наблюдается и с расходом газа. Согласно результатам расчета, потребление газа составило 3653,5 м3/ч, в то время как экспериментально измеренная величина равна 3655,04 м3/ч. Для такого показателя, как образование окалины, расчет дал величину 7,3 кг/т. Экспериментальная информация об образовании окалины отсутствует.

Последний из экспериментов (марка стали Ст.Зсп., размеры 125x125x11800 мм; температура посада

- 120 °С; конечная - 1185 °С; производительность печи — 109,9 т/ч), с которым были сопоставлены результаты расчетов, проводили на реконструированной печи. Отметим, что

лгггг^г: ктпглггкп /о о

Время нагрева, мин

Рис. 2. Сопоставление расчета и экспериментальных данных (производительность печи 52,2 т/ч): 1 — экспериментально измеренное значение температуры в центре заготовки; 2, 3 — минимальная и максимальная температура в сечении заготовки по результатам компьютерного расчета

Время нагрева, мин

Рис. 3. Сопоставление результатов расчета и экспериментальных данных для производительности печи 71,65 т/ч: 1 — экспериментально измеренное изменение температуры в центре заготовки; 2, 3 — минимальная и максимальная температура заготовки по результатам компьютерного расчета

в процессе реконструкции была обновлена футеровка, что улучшило герметичность печи (уменьшился подсос воздуха) и произведена замена горелок в сварочных зонах. Это было учтено при задании исходных данных.

Результаты сопоставления расчетных и экспериментальных данных по приведенным выше параметрам третьего эксперимента приведены на рис. 4. Из рисунка видно, что и в этом случае имеется хорошее согласование экспериментальных данных по температуре в различных точках заготовки с расчетными данными. Особо хотелось бы отметить неплохое соответствие такого параметра, как максимальный перепад температуры по сечению заготовки. Этот факт является, на наш взгляд, принципиальным, поскольку он определяет качество нагрева (отсутствие деформаций при нагреве).

Согласно результатам расчета, величина угара металла в данном случае составила 7,8 кг/т. В то же время экспериментально определенное количество окалины равно 7,78 кг/т.

В данном случае имеется возможность более детального сопоставления по расходам газа. В таблице представлены результаты такого сопоставления по зонам печи и по всей печи в целом.

Сопоставление эксперимента и компьютерного расчета по расходу газа по зонам печи производительностью 109,9 т/ч

Время нагрева, мин

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Рис. 4. Сопоставление данных третьего эксперимента и компьютерного моделирования: 1—5 — показания термопар (сплошные линии, схема зачеканива-ния термопар представлена на рисунке); 6, 7 — минимальная и максимальная температура заготовки по результатам компьютерного моделирования (штриховые линии); 8, 9

максимальная разность температур в заготовке (8 — результат моделирования; 9 — экспериментально измеренная величина)

Методическая зона 1 -я сварочная зона 2-я сварочная зона Томильная зона Всего по печи

Эксперимент, м7ч 1100 1200 900 404 3604

Моделирование, м3/ч 973,4 1296,3 997,1 343,2 3609,9

Разность, м3/ч -126,6 96,3 97,1 -60,8 5,9

Разность, % -11,5 8,0 10,8 -15,0 0,2

Различие рассчитанного и экспериментально измеренного распределения расхода газа по зонам печи также связано с конструкцией пода в методической зоне. Использование водоохлаждае-мых балок в методической зоне нагревательной печи стана 320 не заложено в математическую модель. Это приводит к уменьшению расчетной величины расхода газа в методической зоне по сравнению с экспериментально измеренной приблизительно на 10%. Это различие вызывает приблизительно такое же относительное расхождение расходов газа (но уже с обратным знаком) в следующих зонах печи. Однако общий баланс по расходу газа модель учитывает правильно.

Таким образом, принимая во внимание все упрощения, использованные при построении модели, следует отметить достаточно хорошее соот-

ветствие разработанной модели сопряженного нагрева стальных заготовок в печи с шагающим подом и реального поведения ключевых параметров работы печи.

В данной статье проведено сопоставление результатов расчета температурных режимов нагревательной печи с шагающим подом с экспериментальными данными, полученными при проведении трех экспериментов при работе печи с различной производительностью. По всем характеристикам, информация о которых была представлена в экспериментальных данных, а именно по зависимости температуры заготовок от времени, расходу газа и образованию окалины, получено хорошее соответствие теории и эксперимента.

Данное обстоятельство позволяет с высокой степенью достоверности использовать результаты расчетов температурных режимов нагрева стальных заготовок в печи с шагающим подом, выполненные на основе разработанной компьютерной программы, с целью исследования и оптимизации технологии нагрева.

2. Тимошпольский В.И., Герман М.Л., Грин-чук П.С., Андрианов Д.Н. Расчет характеристик переноса теплового излучения в рабочем пространстве кольцевой печи // ИФЖ. 2005. Т. 78, № 3. С. 3-14.

3. Стальной слиток. В 3-х т. Т. 3. Нагрев / В.И. Тимошпольский, Ю.А. Самойлович, И. А. Трусова и др.; Под общ. ред. В.И.Тимошпольского, Ю.А.Самойловича. Мн.: Белорусская наука, 2001.

4. Теплообмен и тепловые режимы в промышленных печах / В.И. Тимошпольский, И.А. Трусова, А.Б. Стеблов, И.А. Павлюченков. Мн.: Выш. шк., 1992.

5. Теплотехнический справочник / Под ред. С .Г. Герасимова. М.: Гос. энерг. изд-во, 1957.

6. Блох А.Г., Журавлев Ю.А., Рыжков Л.Н. Теплообмен излучением. М., 1991.

РЕСПУБЛИКАНСКАЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ БИБЛИОТЕКА — один из крупнейших информационных центров Беларуси предлагает специалистам ознакомиться с новыми патентами и полезными моделями по литью и металлургии.

ПОЛЕЗНАЯ МОДЕЛЬ 1792, МПК7 F 25В 17/00, F 28D 15/00. АБСОРБЦИОННАЯ ХОЛОДИЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ВОДЫ В СИСТЕМАХ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ЦЕХОВ

Патентообладатели: Республиканское унитарное предприятие «Белорусский металлургический завод»; Белорусский национальный технический университет; Государственное научное учреждение «Институт тепло- и массообмена им. A.B. Лыкова» HAH Беларуси.

Полезная модель относится к криогенной технике и может быть использована при разработке холодильных машин, используемых преимущественно для охлаждения воды в системах кондиционирования воздуха в технологических линиях металлургического производства.

В основу полезной модели поставлена задача повышения экономичности холодильной установки и обеспечение экологической чистоты окружающей среды. Поставленная задача достигается тем, что в конструкции абсорбционной холодильной установки для охлаждения воды в системах кондиционирования воздуха сталеплавильных цехов, включающей генератор хладагента, заполненный рабочим телом-хладагентом, источник теплоты, конденсатор, испаритель и абсорбер, согласно полезной модели, генератор хладагента посредством трубопровода гидравлически связан с источником теплоты — утилизации теплоты дымовых газов сталеплавильных цехов, а в качестве рабочего тела-хладагента использован раствор бромида лития.

Технический результат холодильной установки заключается в утилизации теплоты дымовых газов основного производства сталеплавильных цехов и в улучшении экологии окружающей среды.

ПАТЕНТ 6811 РБ, МПК7 В 21В 1/16. АРМАТУРНЫЙ СТЕРЖЕНЬ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ПРОФИЛЯ

Патентообладатель: Республиканское унитарное предприятие «Белорусский металлургический завод».

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к прокатному производству, а точнее, к арматурным элементам, предназначенным для армирования железобетонных конструкций.

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, состоит в повышении эксплуатационных характеристик арматурного стержня за счет улучшения сцепления его с бетоном, в том числе повышении устойчивости арматурного стержня малых профилеразмеров к продольному скручиванию в бетоне, без усложнения технологичности его производства.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что арматурный стержень периодического профиля содержит сердечник и расположенные на поверхности сердечника наклонные выступы, выполненные по многозаходной винтовой линии, вершины которых ограничены окружностью диаметром, равным большей оси поперечного сечения сердечника.

Исследованиями установлено, что использование заявляемого арматурного стержня позволяет существенно повысить устойчивость профиля к продольному скручиванию.

Заявляемый арматурный стержень за счет оптимизации его геометрических параметров высокоэффективен при применении в железобетонных конструкциях и вполне технологичен для условий производства такого вида продукции на современных мелкосортных и проволочных станах.

Тепловой расчет методической печи

Конструкции методических печей. Сухая очистка газов. Применение батарейных циклонов. Определение времени нагрева металла в сварочной зоне. Расчет горения топлива. Приход тепла в рабочее пространство печи. Технико-экономические показатели работы печи.

Рубрика	Физика и энергетика
Вид	курсовая работа
Язык	русский
Дата добавления	18.04.2014
Размер файла	1,4 M

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Государственное бюджетное образовательное учреждение

среднего профессионального образования Свердловской области

«Нижнетагильский горно-металлургический колледж

им. Е. А. и М. Е. Черепановых»

«Обработка металлов давлением»

по дисциплине Теплотехника

тема: Тепловой расчет методической печи

Разработал: Е.А. Колос

Высокопроизводительная и экономичная работа прокатных цехов в значительной степени определяется состоянием и работой нагревательных печей. Наиболее распространенными из них являются методические нагревательные печи.

Методические печи, как и другие нагревательные устройства, представляют собой агрегаты, в которых происходят сложные комплексные теплотехнические процессы сжигания топлива, движения газов, теплообмена, нагрева металла. Вместе с тем, как теплообменные аппараты, они имеют свои специфические особенности.

По принципу действия методическая печь является непрерывной печью, хотя посадка в нее слитков или заготовок совершается через те или иные промежутки времени.

Одной из основных особенностей методических печей является противоточное движение в них газов и металла. Однако, возможны печи и с прямоточным движением газов и металла.

Тепловой и температурный режимы работы методических печей неизменны во времени. Вместе с тем температура в методических печах значительно меняется по длине печи. Характер изменения температуры, зависящий от требуемого графика нагрева металла, определяет как количество и назначение зон печи, так и режим теплообмена в каждой из них. Холодный металл поступает в зону наиболее низких температур и, продвигаясь навстречу дымовым газам, температура которых все время повышается, постепенно (методически) нагревается.

1.1. Описание конструкции печи

Конструкцию методических печей выбирают в зависимости от типа стана и вида топлива. Тип стана определяет производительность печей, толщину применяемой заготовки, температуру нагрева металла и его сортамент. От вида используемого топлива зависит конструкция горелочных устройств и применение рекуператоров.

Методические толкательные печи до самого последнего времени удовлетворяли требованиям по производительности и удельному расходу тепла. В последнее время наметилась прогрессивная тенденция к увеличению длины заготовки, и как следствие, к увеличению ширины нагревательных печей. Уширение толкательных методических печей значительно усложняет их эксплуатацию, особенно удаление окалины с пода печи.

При нижнем обогреве вдоль печи прокладывают глиссажные трубы, по которым движется металл. В томильной зоне глиссажныж труб нет, так как в местах соприкосновения заготовки с водоохлаждаемыми трубами металл прогревается хуже, и на его поверхности образуется тёмные пятна. Поэтому в трёхзонных печах с нижним обогревом томильная зона предназначена не только для выравнивания температуры по толщине металла, но и для ликвидации тёмных пятен на нижней поверхности заготовки.

В настоящее время предпринимаются попытки использования двухстороннего нагрева и в пределах томильной зоны. Для этого используют мощные глиссажные шины особой конструкции, в которых отсутствует возможность охлаждения металла снизу.

Большое значение для работы методических печей имеет способ выдачи металла из печи. Различают торцовую и боковую выдачи металла. При торцевой выдаче необходим толкатель, который выполняет и роль выталкивателя. Для печей с боковой выдачей устанавливают не только толкатель, но и выталкиватель, поэтому такие печи при размещении в цехе требуют больших площадей. Однако с точки зрения тепловой работы печи с боковой выдачей имеют преимущества. При торцовой выдаче через окно выдачи, расположенное ниже уровня пода печи, происходит интенсивный подсос холодного воздуха. Явление подсоса усиливается инжектирующим действием горелок, расположенных в торце томильной зоны. Подсосанный в печь холодный воздух вызывает излишний расход топлива и способствует интенсивному зарастанию подины печи образовавшейся окалиной.

В методических печах с нижним обогревом на каждый ряд движущихся в печи заготовок устанавливают по две - три продольные глиссажные трубы. Для предохранения труб от истирающего воздействия движущегося металла к ним приваривают металлические прутки. Продольные глиссажные трубы в значительной части методической зоны опираются на продольные огнеупорные столбики. В высокотемпературной зоне продольные глиссажные трубы опираются на поперечные водоохлаждаемые трубы, расположенные на расстоянии 1 - 1,5 м одна от другой.

Концы поперечных труб выведены за пределы печи и прикреплены к вертикальным стойкам каркаса. В середине поперечные глиссажные трубы опираются на вертикальную опору, выполненную из пары водоохлаждаемых труб, футерованных снаружи огнеупорным кирпичом. Чтобы снизить охлаждающее действие глиссажных труб, предусматривают тепловую изоляцию, в качестве которой применяют специальные огнеупорные блоки. Блоки нанизывают на трубу и прикрепляют специальными металлическими штырями.

Потери тепла с охлаждающей водой при использовании набивной изоляции с шипами, по сравнению с потерями при неизолированной трубе, снижаются в 2 - 3 раза, а при навесной изоляции из сегментов или блоков их удаётся снизить в 4,6 - 6,3 раза.

Глиссажные трубы устанавливают только в методической и сварочной зонах; в томильной зоне глиссажных труб нет, и металл прогревается по сечению, находясь на монолитном огнеупорном поду. Одновременно с прогревом, по сечению удаляются тёмные пятна на нижней поверхности металла, возникшие от охлаждающего действия глиссажных труб в методической и сварочной зонах.

Температурный режим печи следует выбирать таким образом, чтобы время нагрева металла в 850 - 900 до температуры прокатки (1200) было как можно короче.

При торцевом отоплении характер изменения температуры по длине печи определяет число и назначение ее зон. Металл поступает в зону наиболее низких температур и, продвигаясь навстречу дымовым газам, температура которых все повышается, постепенно нагревается. Методические печи по числу зон нагрева металла могут быть двух-, трех- и многозонные.

Методическая зона - первая (по ходу металла), с изменяющейся по длине температурой. В этой зоне металл постепенно подогревается до поступления в зону высоких температур (сварочную). Во избежание возникновения чрезмерных термических напряжений часто необходим медленный нагрев металла в интервале температур от 0 до 5000С. Вместе с тем методическая зона представляет собой противоточный теплообменник. Находящиеся в состоянии теплообмена дымовые газы и металл двигаются навстречу друг другу.

Металл нагревается дымовыми газами, т.е утилизирует тепло дымовых газов, отходящих из зоны высоких температур. Общее падение температуры дымовых газов в методической зоне весьма значительно. Обычно в зоне высоких температур методических печей температура газов держится на уровне 1300-14000С, в конце же методической зоны она находится в пределах 850-11000С. Методическая зона значительно увеличивает коэффициент использования тепла, который достигает 40-45%.

Зона высоких температур или сварочная - вторая по ходу металла. В этой зоне осуществляется быстрый нагрев поверхности заготовки до конечной температуры. Температура нагрева металла в методических печах обычно составляет 1150-12500С. Для интенсивного нагрева поверхности металла до этих температур в сварочной зоне необходимо обеспечить температуру на 150-2500С выше, т.е. температура газов в сварочной зоне должна быть 1300-14000С.

Томильная зона (зона выдержки) - третья по ходу металла. Она служит для выравнивания температур по сечению металла. В сварочной зоне до высоких температур нагревается только поверхность металла. В результате создается большой перепад температур по сечению металла, недопустимый по технологическим требованиям. Температуру в томильной зоне поддерживают всего на 30-500С выше необходимой температуры нагрева металла. Поэтому температура поверхности металла в томильной зоне не меняется, а происходит только выравнивание температуры по толщине заготовки.

Подобный режим нагрева необходим в тех случаях, когда нагревают заготовки, в которых может возникнуть значительный перепад температур по толщине (более 2000С на 1 м толщины металла).

I - методическая зона; II - сварочная зона; III - томильная зона; 1 - толкатель; 2 - горелка; 3 - охлаждаемые подовые трубы; 4 - нагреваемые заготовки; 5 - вертикальный канал для отвода продуктов сгорания (дымопад); 6 - дымовой боров; 7 - рекуператор; 8 - дымовая труба; 9 - воздушный вентилятор

Рисунок 1 - Общий вид трёхзонной толкательной методической печи

1.2. Сухая очистка газов

Аппараты сухой очистки газов, применяемые в черной металлургии, предназначены для очистки технологических и аспирационных газов только от пыли. По принципу действия они разделяются на гравитационные, инерционные, центробежные, электрические и фильтрующие.

В зависимости от требований, предъявляемых к степени очистки газов, свойств и дисперсного состава пыли, аппараты сухой очистки газов могут применяться как самостоятельно, так и в сочетании с другими газоочистными аппаратами.

К гравитационным аппаратам относятся пылевые камеры, которые имеют различные конструктивные модификации. Осаждение пыли в гравитационных пылеуловителях происходит под действием силы тяжести на частицу. На нее оказывает влияние и сила взаимодействия с несущим потоком газа. В гравитационных пылеуловителях создаются такие условия, при которых сила тяжести преобладает над силой взаимодействия частицы пыли с потоком газа вследствие резкого снижения скорости газа в сечении пылевых камер. Как правило, гравитационные пылеуловители применяются в качестве первой ступени очистки газов -- грубой и позволяют улавливать пыль с размером частиц более 100 мкм. Для улавливания более мелких частиц пыли гравитационные пылеуловители не применяются.

Рисунок 2. - Простейшая пылеосадительная камера

Рисунок 3. - Пылеосадительная камера с перегородками

Центробежные пылеуловители являются наиболее распространенными аппаратами для сухой очистки газов; конструктивно эти аппараты выполнены в виде циклонов. Принцип работы их основан на использовании центробежных сил, возникающих при вращательно-поступательном движении газового потока в корпусе циклона. Такое движение обеспечивается путем тангенциального ввода газа в циклон под углом наклона входного патрубка к горизонтали. При этом под действием центробежных сил частицы пыли отбрасываются к стенке корпуса циклона и с частью газов поступают в бункер. В бункере происходит отделение пыли от газа, который затем через центральный газоотводящий патрубок выходит с основной массой газов. Из бункера пыль выводится через затворный аппарат типа мигалка.

а -- циклон с тангенциальным вводом; б-- осевой циклон с реверсивным потоком; в -- осевой прямоточный циклон

Рисунок 4. - Конструкции циклонных аппаратов

Для очистки газов в больших объемах, например агломерационных, возможно применение батарейных циклонов.

Батарейный циклон состоит из большого количества циклонов небольших размеров, объединенные в одном корпусе и имеющих общий подвод и отвод газов. Целесообразность применения батарейных циклоном обусловлена, как правило, местными условиями компоновки газоочистных сооружений. С точки зрения эффективности очистки газов следует отдать предпочтение групповым циклонам.

а - схема: 1- корпус; 2 - распределительная камера; 3 - решетки; 4 - циклонный элемент; б - элемент с направляющим аппаратом типа "винт"; в - элемент с направляющим аппаратом типа "розетка"

Рисунок 5. - Батарейный циклон

К инерционным пылеуловителям относятся вихревые аппараты, которые в настоящее время находят широкое применение для высокоэффективной сухой очистки газов. Вихревой пылеуловитель работает по следующему принципу. Запыленный газ поступает в аппарат снизу через лопаточный завихритель, при этом создаются центробежные силы, которые отбрасывают пыль к стенкам корпуса аппарата. В предварительно закрученный поток подают через специальные сопла, тангенциально установленные под углом к вертикали, вторичный воздух. Запыленный поток получает дополнительное вращательное движение, что усиливает влияние центробежных сил и обеспечивает отвод скопившейся у стенок корпуса аппарата пыли в бункер-накопитель. Отвод очищенных газов осуществляется через регулирующую диафрагму, закрывающую корпус аппарата.

При прочих равных условиях вихревой пылеуловители по сравнению с аппаратами инерционного типа и обычными циклонами имеет значительно большую эффективность улавливания мелкодисперсной пыли (до 50 мкм).

Приняты следующие эффективные диаметры вихревых аппаратов: 200, 300, 500, 600, 1350 мм. Средняя скорость газа по сечению рабочей полости аппарата не должна превышать 7,2 м/с. Скорость истечения газа из сопла с завихрителем не должна быть меньше 50--70 м/с; расход вторичного воздуха (или очищенного газа) составляет 20--25 %. Угол наклона сопел вторичного дутья выбирается из условий необходимой эффективности очистки газов и колеблется в пределах 12--24°. Применение вторичной подачи воздуха увеличивает коэффициент очистки газов примерно на 18 %

Вихревые аппараты характеризуются компактностью и высокой надежностью в эксплуатации; могут применяться в агломерационном, доменном, огнеупорном и других производствах.

а - соплового типа; б - лопаточного типа; 1 - камера; 2 - выходной патрубок; 3 - сопла; 4 - лопаточный завихритель типа "розетка"; 5 - входной патрубок; 6 - подпорная шайба; 7 - пылевой бункер; 8 - кольцевой лопаточный завихритель

Рисунок 6. - Вихревой пылеуловитель

Для выполнения операции регенерации камера отключается от коллектора загрязненного газа. Таким образом, камеры фильтра работают поочередно, в результате чего количество работающих камер на одну меньше общего их количества.

1- корпус; 2 - встряхивающее устройство; 3 - рукав; 4 - распределительная решетка

Расчёт методической нагревательной печи

Дано:
1. Печь методическая толкательная трехзонная.
2. Производительность: P = 70(т/час) = 19,44кг/сек
3. Нагревательный металл: Сталь 50
4. Размер заготовки: 240 - 240 - 5000
5. Начальная температура металла: tн = 10ْ С
6. Конечная температура: tпк = 1200˚С

Работа содержит 1 файл

Курсовая теплотехника.doc

Федеральное агентство по образованию

Южно - Уральский государственный университет

Кафедра промышленной теплоэнергетики

Курсовая работа

“Расчет методической нагревательной печи”

Выполнил: Хаиров В.М.

Группа: ФМ - 379

Проверил: Кетова С.З.

Печь методическая толкательная трехзонная.
Производительность: P = 70(т/час) = 19,44кг/сек
Нагревательный металл: Сталь 50
Размер заготовки: 240 - 240 - 5000
Начальная температура металла: t_н = 10ْ С
Конечная температура: t_пк = 1200˚С
Конечный перепад температур по сечению слитка: _Δt_к = 50˚С.
Вид топлива – смесь газов: доменный, природный – 20:80

Химический состав топлива:

Вещества	Доменный газ %	Природный газ, %
CH₄	0,3	93,8
C₂H₆	-	4,9
CO₂	12,5	0,6
O₂	0,2	-
CO	27,0	-
H₂	5,0	-
N₂	55,0	0,7
Влажность, г\м 3	40	50

Расчет внешней задачи теплообмена:

1) Расчет горения топлива

Пересчет состава сухой массы в рабочую.

Объем Н₂О в 100м 3 смеси газов.

Н₂О = ( %), где W - влажность газа г\м 2

2)Коэффициент перерасчета на влажный газ:

3) Состав влажного газа:

Доменный газ:

CО вл = 0,95*27 = 25,65%

Природный газ:

Вещества

Доменный газ, %

Природный газ, %

Теплота сгорания:

Q_н р _дг = 0,127*25,65 + 0,106*4,75 + 0,357*0,29 = 3,87МДж\м 3

Q_н р _пг = 0,357*88,17 + 0,596*4,61 = 34,22МДж\м 3

где Х - доля газа в смеси, МДж\м 3

Состав смешанного газа:

СН_4см = 0,29*0,2 + 88,17*0,8 = 70,6%

СО_2см = 11,88*0,2 + 0,56*0,8 = 2,8%

N_2см = 52,25*0,2 + 0,66*0,8 = 11%

Зададимся коэффициентом избытка воздуха: α = V/V₀ = 1,08.

Теоретически необходимый объем воздуха для газообразного топлива:

V₀ = 0,0476·[0,5·СО р + 0,5·Н р + ∑(m + 0,25n)С_mН_n - O₂]·(1 + 0,00124d_в), где d_{в =} 10 г\см 3 - влагосодержание сухого воздуха

V₀ = 0,0476·(0,5·5,13 + 0,5·0,95+ (2 + 0,25·6)·3,7 + (1 + 0,25·4)·70,6 – 0,04)*

*(1 + 0,00124·10) = 7,6[м 3 ],

Количество продуктов сгорания:

V _СO2 = 0.01(CО₂ р + СО р + ∑m·C_mН_n) = 0.01(2,8 + 5,13 + 2·3,7 + 70,6) = 0,86 [м 3 ]

где d - влагосодержание

V_Н2О = 0,01(5,64 + 0,95 + 0,5·4·70,6 + 0,5·6·3,7 + 0,124·10) + 0,0161·8,2 = 1,73[м 3 ].

Общий объем продуктов сгорания:

Состав продуктов сгорания:

Расчет нагрева металла.

Методическая зона:

Зададимся рекомендуемым сечением печи:

Ширина печи: В = n∙l + (n + 1)∙σ

где n – число рядов заготовок

σ = 0,3м – зазор между заготовками и стенками печи.

L – длина заготовки

В = 2∙5 + (2 + 1)∙0,3 = 11м

Высота печи:

Томильная зона:h_Т = 1.6м,

Сварочная зона:h_св = 2,7

В конце методической зоны:h_м к = 1,1

Средняя высота методической зоны:h_ср = 0,5∙( h_св + h_м к ) = 0,5∙(1,1 + 2,7) = 2м

По зонный расчет внешней и внутренней задачи:

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 ε_кл., степень черноты газов, их температуру, степень черноты металла ε_г. ε_кл. и ε_ме определяются по таблице в зависимости от марки огнеупоров или класса металла.

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

φ_кл. = F_м/F_кл. =L_дл./(2h_i + В),

φ_кл мет = 5/(2∙1.1 + 11) = 0.38

φ_кл св = 5/(2·2,7 + 11) = 0,30

φ_кл том = 5/(2·1,6 + 11) = 0,35

L_эф. = [3,6·h_iB/(2 h_i∙2В)

L_эф св = 3,6·2,7·11/(2·2,7 + 2·11) = 3,9м

Парциальные давления:

Зная L_эф. и парциальные давления, по таблице определим степень черноты углекислого газа и водяных паров при определенной температуре дымовых газов:

Степень черноты

Коэффициент β учитывает более интенсивное излучение водяных паров в смеси по сравнению с СО₂