Расчет теплового режима нагрева металла в методической печи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Расчет горения топлива

2. Расчет нагрева металла

3. Позонный расчет внешней и внутренней задачи теплообмена

3.1 Расчет методической зоны печи:

3.2 Расчет сварочной зоны печи

3.3 Расчет томильной зоны печи

4. Основные размеры печи

Заключение



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 (600-800⁰С) 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 300⁰С. 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. 1200⁰С, 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. Расчет горения топлива

В начале необходимо пересчитать состав сухого газа на влажный. Для этого нужно определить содержание водяного пара в газах

Кокосовый газ

Определяем объем Н₂О смеси газов:

где W - влажность газа в г/м³

Находим коэффициент перерасчета на влажный газ:

K_п.г.=(100-4,174)/100=0,958

Определяем состав влажного газа:

х^вл_i и х_i - объемные доли компонента соответственно во влажных и сухих газах



СО₂^вл=K_п.г•СО₂=0,958•1,9=1,82%

СH₄^вл=К_п.г•CH₄=0,958•24,5=23,48 %

N₂^вл=К_п.г•N₂=0,958•7,8=7,47 %

H₂^вл=К_к.г•H₂=0,958•57,5=55,1 %

CО^вл=К_к.г•СО=0,958•7,5=1,82%

O₂^вл=К_к.г•О₂=0,958•0,8=0,76 %

Доменный газ

Содержание водяного пара в газе

H₂O_д.г=

К_д.г.=(100-3,59)/100=0,96

Определяем состав влажного газа:

СО₂^вл=К_к.г•СО₂=0,96•12,5=12,05 %

Co^вл=К_к.г•СО=0,96•27=26,03 %

H₂^вл=К_к.г•H₂=0,96•5=4,82 %

СH₄^вл=К_к.г•СH₄=0,96•0,5=0,48 %

N₂^вл=К_к.г•N₂=0,96•55=53,03 %

Для определения состава смеси газа вычислим доли газов

Из условия дано, что доля доменного газа Х_д.г=10%, а коксового Х_к.г=90%

Q_H^p=15631.941*0.85+31056.46*0.15=17945.618 [кДж/м³]

Состав смешанного газа:

Рассчитав состав смешанного газа составим таблицу:



Вещества	Доменный газ, %	Коксовый газ, %	Вл. Дом. газ, %	Вл. Кокс. газ, %	Смешанный газ, %
СH4	0,5	24,5	0,48	23,48	21,18
СO2	12,5	1,9	12,05	1,82	2,84
O2	0	0,8	0	0,76	0,69
CO	27	7,5	26,03	1,82	9,07
H2	5	57,5	4,82	55,1	50,07
N2	55	7,8	53,03	7,45	12,02
H2O	-	-	3,59	4,174	4,12

Вычислим теплоту сгорания:

Расход кислорода на горение смеси газа:

V_O2=0,01•[(0,5·(CO+H₂))+(m+0,25•n)•УC_mH_n -O₂]=

=0,01[0,5•(9,07+50,07)+2*21,18-0,069]=0,71 м³/м³

Теоретически необходимое количество воздуха:

V_В= б (1+К)• V_О2,

при б=1,1 и К=3,762

Расчет теоретического расхода воздуха для горения газа:

V_B=1,1*(1+79/21)*0,71=3,73 м³/м³

Объемы отдельных составляющих продуктов сгорания:

=0,97 м3/м3

Определение объемов дымовых газов:

Состав продуктов сгорания:

Компоненты	Сумма
СO2	H2O	N2	О2	%
7,46	21,76	69,17	1,61	100



2. Расчет нагрева металла

Температурный режим нагрева металла

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.1 трехступенчатый режим нагрева металла: tг-температура продуктов сгорания; tпов,tц- температуры поверхности и середины металла

Ширина рабочего пространства: n=3, зазор - 0,2 м

=2*3+(3+1)*0,4=9,8 м.

Рассчитаем высоты:

В методической зоне h_м =1,2 м,

Сварочная зона:

h_св.к=2,4 м

Томильная зона: h_т.н=0,7 м. h_т.к=1,5 м

методический печь нагрев металл

3. Позонный расчет внешней и внутренней задачи теплообмена

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 е_кл., степень черноты газов, их температуру, степень черноты металла е_г. е_кл. и е_ме определяются по таблице в зависимости от марки огнеупоров или класса металла.

3.1 Расчет методической зоны печи:

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

Определяем степень черноты углекислого газа и водяных паров:

Для начала зоны

При t=940? C

Общее

=кПа,

P_co2 *L_эф=

е_СО2=0,120;

= кПа,

е_Н2О=0,220,

е_г = е_СО2 + е_Н2О·в=0,120+0,220•1,11=0.364

для конца зоны

при t=1300?

е_СО2 = 0,094 е_Н2О = 0,182,

е_г = е_СО2 + е_Н2О·в=0,094+1,11*0,182=0,296

Рассчитываем коэффициент излучения системы газ - кладка - металл для методической зоны (еме = 0,8):

,

5,67 Вт/(м²·К⁴) - коэффициент лучеиспускания АЧТ; е_{ме -} степень черноты металла; е_г - степень черноты газа.

(Вт/м²*К⁴⁾

(Вт/м²*К⁴⁾

Примем конечную температуру металла в середине заготовки равной 500?. При этой температуре металл становится пластичным, и мы можем не опасаться того, что заготовку может порвать в результате термических напряжений. Примем разность температур между центром и поверхность заготовки ?t=100?C.

Согласно теории лучистого теплообмена, плотность теплового потока в системе ГКМ рассчитывается:

Определяем лучистый коэффициент теплоотдачи в начале и в конце зоны:

Найдем реальные температуры поверхности и середины металла в конце методической зоны:

По таблице теплотехнических свойств определяется коэффициент теплопроводности л, теплоемкость с, плотность с,

л=54Вт/м*?C; С=540,75Дж/кг*?C;

Вычислим число Био

Определим число Фурье

По Bi и F_o используя номограмму, находим

Используя номограммы, определим температурный критерий:

Реальные температуры поверхности и середины металла:

Определяем коэффициент температуропроводности:

=

Определим время нагрева в методической зоне:

ф = F₀? д²/ а =2,2·0,11²/1,279·10^-5=2460 сек = 41 мин

3.2 Расчет сварочной зоны печи

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

Определяем степень черноты углекислого газа и водяных паров:

При t=1300? C

P_co2*L_эф=, е_СО2=0,108

P_co2*L_эф= е_Н2О=0,22,

е_г = е_СО2 + е_Н2О·в=0,108+0,22•1,085=0,347

Рассчитываем коэффициент излучения системы газ - кладка -металл для сварочной зоны:

Плотность теплового потока в системе

Средний лучистый коэффициент теплоотдачи сварочной зоны:

Конец сварочной зоны:

С_гкм=const

Найдем температуру середины металла в конце сварочной зоны

л = 38 Вт/(м°С); С = 764 Дж/(кг°С); с = 7810 кг/м³

Вычислим число Био

Определим число Фурье

По Bi и F_o используя номограмму, находим

Находим конечную температуру середины слитка:

Время нагрева:

ф_св. = F₀? д²/ а=2,4*0,11²/6,369·10^-6=4560 сек=76 мин.

3.2 Расчет томильной зоны печи

Теплофизические свойства заготовки: Для t=1101?

с = 7810 кг/м³; л = 38 Вт/(м·°С); С = 764 Дж/(кг·°С).

По этим данным найдем коэффициент температуропроводности томильной зоны:

Число Фурье определяем по нанограмме отношения

м=0,5 - коэффициент, учитывающий несимметричность обогрева в сварочной зоне

F₀ = 1,7; тогда

ф_том. = F₀? д²/ а=1,7·0,11²/6,369·10^-6=3230 сек=53,8 мин.

Ощее время нагрева: ф_о=170,8 мин



4. Основные размеры печи

По заданной производительности печи определим длину каждой зоны:

L_i = (Р·ф)/(S ? L_дл. ? с_ме(i) ? n ? к₃),

где, n - нарядность укладки, Р - производительность печи, ф - время,

с -плотность металла, к₃ = 0,98 - коэффициент заполнения полезной длины.

Найдем длину активного пода (длина, на которой происходит нагрев металла):

Для методической зоны:

Для сварочной зоны:

Для томильной зоны:

Длина полезного пода (длина печи, по которой происходит перемещение металла):

Длина габаритного пода печи:

(м),



где (м) - длина неработающего участка.

Напряжение активного пода:

Под понимается удельная производительность печи, определяющая количество металла, нагреваемого на единице поверхности в единицу времени.

F_а - площадь активного пода

(м²)

(кг/м²*час)

Напряженность габаритного пода

Н_г=Р/F_г , где F_г=L_г*B=29,68*9,8=290,891 (м²)

H_г=150*10³/290,81=515,657 (кг/м²*час)

Для обеспечения производительности 150 т/ч в печи должно находиться одновременно следующее количество металла:

G=P*ф=150*10³*170,8/60= (кг)

Масса одной заготовки:

g=в*д*L*с=0.22*0.22*3*7810=1134 (кг)



Количество заготовок, находящихся одновременно в печи:

n=G/g= (шт)



Заключение

Технико-экономическая оценка работы методических печей

Широкое применение методических толкательных печей вызвано тем, что эти печи обеспечивают достаточно высокую производительность при невысоком удельном расходе топлива, а также обеспечивают высокий коэффициент использования тепла в рабочем пространстве. Это объясняется наличием методической зоны.

Применение глиссажных труб с рейтерами повышает равномерность нагрева металла (без царапин и холодных пятен) и создает предпосылки для увеличения ширины и длины печи.

Однако все методические печи толкательного типа имеют недостатки, обусловленные невозможностью быстрой выгрузки металла из печи и трудностями перехода от нагрева слябов одного размера к нагреву слябов другого размера. Эти проблемы могут быть решены только при использовании методических печей с шагающим подом.

Размещено на Allbest.ru