Проект толкательной печи для нагрева заготовок под прокатку (125х125х12000мм) из низколегированной стали производительностью 80 т/

Министерство образования  и науки Российской Федерации

 

Федеральное агентство по образованию

 

Государственное образовательное  учреждение

 

высшего профессионального  образования

 

«Комсомольский-на-Амуре» государственный  технический университет»

 

Факультет ИКП МТО

 

Кафедра МиТЛП

 

Курсовой проект

 

 

 

по теплотехнике

 

Проект толкательной печи для нагрева заготовок под  прокатку (125х125х12000мм) из низколегированной  стали производительностью 80 т/ч

 

 

Задание

 

Введение

 

1.    Литературный  и патентный обзор по теме  работы

 

2.    Расчет полного  горения топлива

 

3.    Расчет нагрева  металла в печи

 

4.    Расчёт основных  размеров печи

 

5.    Расчет рабочего  пространства печи

 

6.    Тепловой баланс

 

7.    Выбор горелок

 

8.    Определение высоты  кирпичной трубы

 

9.    Расчёт сечения  борова

 

10.  Выбор типа и размеров  футеровки

 

11.  Расчёт узла печи

 

Список использованной литературы

 

 

Примечания

 

1.                  Во время практики провести  анализ тепловой работы печи, подобрать чертежи элементов  конструкции печи;

 

2.                  Определить расход энергии, топлива  на технологический процесс.

 

3.                  Определить расход воды на  охлаждение отдельных элементов  печи.

 

4.                  Определить энергетические и  технологические параметры основных  и вспомогательных механизмов  печи.

 

5.                  Выполнить технологический, тепловой  и конструкторский расчеты.

 

6.                  Приступить к оформлению графической  части курсовой работы.

 

 

Введение

 

Назначение печи состоит  в передаче тепла технологическим  материалам. Совокупность процессов  теплообмена, происходящих в рабочем  пространстве печи обычно при помощи движущейся печной среды, называют тепловой работой печи. Ее подразделяют на полезную, которая представляет собой передачу тепла технологическим материалам, и потерянную, включающую все иные виды потребления тепла.

 

В нагревательных печах металл или другие материалы нагревают  с целью:

 

1.Изменения механических  свойств металла(главным образом  пластичности) перед обработкой  давлением: прокаткой, ковкой, штамповкой, волочением;

 

2.Изменения структуры  металла;

 

3.Обжига материалов(известняка, доломита, магнезита, руды, огнеупорных  материалов);

 

4.Удаления влаги из  материалов(сушка литейных материалов  и форм, руды, угля);

 

В таких печах основной продукт нагрева не меняет своего агрегатного состояния, хотя в процессе нагрева могут существенно измениться его свойства.

 

Нагревательные печи подразделяют на печи для термообработки отливок  и печи для сушки форм, стержней, песка и глины. По конструкции  нагревательные печи подразделяются на камерные и методические.

 

В камерных печах нагреваемый  материал неподвижен, поэтому конструкция  их должна обеспечить одинаковое условие  передачи тепла во всех точках пространства.

 

В методических печах нагреваемый  материал движется навстречу нагревающим  его газам, или в одном направлении  с ними, или при комбинации прямотока  и противотока, а также при  поперечном по отношению к направлению  движения материалов вводе газов. В  методических печах не требуется  создавать одинаковых условий нагрева  во всем рабочем пространстве. Необходим  только одинаковый нагрев материала  в поперечных сечениях печного канала, перпендикулярных направлению движения материалов. Рассматриваемая методическая печь с теплотехнической точки зрения относится к конвективной, т.е. нагрев металла или других материалов производится конвекцией.

 

К числу основных требований, предъявляемых к печам, относят:

 

1.Полное удовлетворение  требований технологии;

 

2.Высокую производительность  печи при минимальном расходе  тепла и минимальных потерях  металла (материала) при нагреве;

 

3.Минимальный расход материалов  и времени для постройки и  ремонта при минимальных капитальных  затратах;

 

4.Возможность автоматизации  работы печей;

 

5.Благоприятные условия  труда.

 

Теплотехнические расчеты  выполняются с целью конструирования  новой печи или выяснения изменений, которые произойдут в тепловой работе существующей печи при переходе к  другим условиям эксплуатации. Все  теплотехнические расчеты основаны на теории теплопроводности и закономерностях  внешнего теплообмена, учитывающих  процессы тепловыделения и движения печной среды. На внешний теплообмен в основном влияет конструкция печи, поскольку ею полностью или частично определяются: источник и способ передачи тепла; интенсивность тепловыделения и распределение тепла; соответствующие  изменения во времени и пространстве температуры печной среды и обрабатываемых материалов; характер движения печной среды, включая распределение давления.

 

 

1.         Литературный и патентный обзор

 

Проходные печи с роликовым  подом 

 

Существующие печи по технологическому назначению делятся на:

 

1) нагревательные и 2) термические.  Нагревательные печи используют  для нагрева заготовок перед  последующей обработкой давлением—прокаткой,  ковкой, штамповкой и т. п. Нагрев  изделий под термообработку производится  в термических печах. 

 

В прокатных цехах для  нагрева металла перед прокаткой  и для его термической обработки  используют практически все типы печей как периодического, так  и непрерывного действия. Наиболее высокой производительностью обладают печи непрерывного действия: 1) конвейерные; 2) с шагающим подом; 3) с роликовым  подом.

 

Печи с роликовым подом  получили наибольшее распространение, так как, обладают рядом преимуществ  перед другими видами печей:

 

1) практически неограниченная  длина печи, позволяющая проектировать  печи большой производительности;

 

2) высокая удельная производительность  в результате двухстороннего  нагрева металла; 

 

3) минимальный угар металла; 

 

4) высокая степень механизации  транспортировки обрабатываемого  металла; 

 

5) возможность автоматизации  процесса;

 

6) простота обслуживания.

 

Особенно эффективными проходные  печи оказались в условиях прокатного производства, где роликовый под  является продолжением рольгангов и  где необходима высокая производительность, достигающая 240 т/ч. Для исключения окалинообразования при нагреве применяют печи с  защитной атмосферой, состоящей из смеси инертного газа и водорода. Нагрев металла в печах происходит излучением от радиационных труб, работающих на газе, или от электрических нагревателей. Для герметизации рабочего пространства эти печи имеют дополнительные шлюзовые камеры со стороны загрузки и выгрузки, а также специальные уплотнения роликовых окон, которые служат для  выхода цапф роликов через кладку. Печные роликовые рольганги для  нагрева перед прокаткой используют для нагрева как мелких заготовок, так и крупных слябов весом  до 60 т. Конструкция роликов обеспечивает непрерывную работу печи при больших  нагрузках и высоких температурах.

 

 Высокая степень механизации  транспортировки нагреваемого металла  позволяет создавать непрерывные  агрегаты, в которые входят машины  непрерывного литья заготовок  (МНЛЗ), подогревательная печь с  роликовым подом и прокатный  стан. Такой технологический цикл  позволяет существенно снизить  энергозатраты на нагрев за  счет использования горячей заготовки,  полученной после МНЛЗ. Отапливаются  печи, как правило, природным газом,  состав газа и его калорийность  существенно влияют на работу  агрегатов печи и качество  поверхности нагреваемых в ней  изделий. 

 

 Эффективность работы  всей печи зависит от надежности  печного рольганга, который является  основной и наиболее дорогостоящей  частью печи. В связи с этим  рассмотрим более подробно конструкцию  и режимы работы печных рольгангов  Печной рольганг состоит из  роликов, их подшипниковых опор, привода вращения и системы  охлаждения. В настоящее время  в печах с роликовым подом  нашли применение следующие конструкции  роликов:

 

1) с охлаждаемыми цапфами; 2) с водоохлаждаемым залом; 3) с  водоохлаждаемой бочкой. Ролики  с водоохлаждаемыми цапфами применяют  в печах с температурой рабочего  пространства до 1050 °С. Простота  конструкции и низкие потери  тепла у таких роликов обусловили  их широкое распространение в  промышленности.

 

 Ролики рольганга с  водоохлаждаемым валом применяют  основном при температуре в  печи 1050-1250 °С. Нагрузка от веса  нагреваемых изделий, лежащих  на бочке, передается на несущий  водоохлаждаемый вал через опорные  втулки. Полость между бочкой  ролика и водоохлаждаемым валом  заполняют термоизоляцией. Одну  из опорных втулок выполняют  подвижной относительно вала. Если  термоизоляция засыпная, то во  время эксплуатации через зазор  между втулкой и валом она  высыпается и потери тепла  через ролик увеличиваются.

 

 Применение различных  уплотнений не дает положительного  эффекта. В последнее время  все более широкое применение  в качестве термоизоляции получают  волокнистые материалы.

 

 Ролики рольганга с  водоохлаждаемой бочкой применяют  при температуре атмосферы в  печи свыше 1250 °С. Охлаждающую  воду подают в кольцевой зазор  между бочкой и центральной  трубой. Ролик изготавливают целиком  из углеродистой стали, теплопроводность  которой выше, чем у жаропрочной  стали. Потери тепла через такой  ролик чрезвычайно велики, что  является его основным недостатком  и причиной достаточно редкого  применения на практике. Наиболее  распространенными являются первые  два типа роликов. В качестве  материалов для бочек таких  роликов используют жаропрочные  стали аустенитного класса или  сплав. Содержание углерода в  этих сталях колеблется в пределах 0,15—0,4%. Цапфы изготовляют литыми  или коваными из теплостойких  сталей.

 

 Ролики рольгангов  нельзя останавливать более, чем  на 3— 5 мин при рабочей температуре,  так как при этом может произойти  необратимая деформация их бочек  — прогиб. Поэтому рольганги работают  в одном из трех режимов: 1) непрерывном  (или на проход); 2) реверсивном  (или покачивания); 3) периодическом  с кратковременными остановками.  При работе рольганга в непрерывном  режиме все ролики печи вращаются  в одном направлении с постоянной  скоростью. В режиме покачивания  (или реверсивном) ролики поворачивают  на 1,5; 2,5 оборота или другой угол  в одну сторону, а затем после  остановки в обратную сторону  на такой же угол. При периодическом  режиме работы ролики периодически  поворачивают на 0,25 оборота в  направлении движения садки с  остановками в течение 1-120 с.  в зависимости от режима работы  рольгангов, шага роликов, размеров  обрабатываемых изделий и других  факторов применяют различные  схемы приводов.

 

2.         Расчёт полного горения топлива

 

Топливо: Газ месторождение  Северо-Сахалинское

 

Состав и теплота сгорания

 

 

 

 Низшая теплота сгорания:

 

Qрн=358 .90,40+638 .1,90+913 .1,1+1187 .0,60+127,7 .0,20=35430(кДж/м3).

 

Теоретический расход кислорода, необходимого для сжигания единицы  топлива:

 

VO2=0,01(2CH4+3,5C2H6+5C3H8+6,5C4H10 ).

 

VO2=0,01(02 .90,40+3,5 .1,90+5 .1,10+6,5 .0,60)=1,969(м3/ м3).

 

Действительный объём  сухого воздуха, необходимого для сжигания единицы топлива:

 

La=(1+k) a VO2,

 

Где k - доля кислорода в  воздухе; k = N2/O2; k = 79/21=3,762%;

 

a - коэффициент избытка  или расхода воздуха(1,1).

 

La=(1+3,762) .1,10 .1,969=10,119(м3/ м3).

 

3.5.Массовое количество  воздуха:

 

Lм=1,293 La; Lм

 

Lм =1,293 . 10,119=13,084(м3/м3).

 

Качественный состав продуктов  сгорания:

 

VCO2=0,01(CO+CO2+CH4+2C2H4+2C2H6+3C3H8+4C4H10);

 

VCO2=0,01(4,70+90,40+2 .1,90+3 .1,10+4 .0,60+12 .0,20)=1,046(м3/кг);

 

VO2=(a-1)VO2;

 

VO2=(1,10 -1) .1,969=0,197(м3/кг);

 

VN2=0,008Np+akVO2;

 

VN2=0,008 .1,1+1,10 .3,762 . 1,969=7,962(м3/кг);

 

VH2O=0,01(H2O+H2+H2S+2CH4+2C2H4+3C2H6+4C3H6+5C4H10)+0,775 Lad;

 

VH2O=0,01(2 .90,40+3 .1,90+4∙1,1+5 .0,60)+0,775 .10,119 .0,01=2,017(м3/кг);

 

Vд= VCO2+VH2O+VSO2+VN2+VO2+VCO;

 

Vд=1,046+0,197+7,962+2,017=11,222(м3/кг).

 

Состав влажных продуктов  сгорания:

 

СО2= VCO2/Vд .100%; СО2=1,046/11,222 .100=9,321%;

 

O2=VО2/Vд .100%; O2=0,197/11,222.100=1,755%;

 

N2=VN2/Vд .100%; N2=7,962/11,222.100=70,95%;

 

H2O=VH2O/Vд .100%; H2O=2,017/11,222.100=17,974%;

 

При сложении получим 100%.

 

Состав сухих продуктов  сгорания:

 

СО2=VCO2 / (Vд-VH2O) .100%; СО2=1,046/(11,222-2,017) .100=11,363%;

 

N2=VN2/(Vд-VH2O) .100%; N2=7,962/(11,222-2,017) .100=86,496%;

 

O2=VО2/(Vд-VH2O) .100%; O2=0,197/(11,222-2,017) .100=2,14%;

 

При сложении получим 100%.

 

Плотность продуктов сгорания:

 

rд=(0,44СО2+0,28N2+0,32O2)/22,4;

 

rд=(0,44 . 9,321+0,18 . 17,974+0,28 . 70,95+0,32 . 1,755)/22,4=1,239кг/м3.

 

Определить теплоемкость продуктов сгорания Сv кДж/(м3×К);

 

СV = 0,01 (CСO2×CO2+CCO×CO+CH2O×H2O+CSO2×SO2+CN2×N2+CO2×O2),

 

СV=0,01(2,2886.9,321+1,7675.17,974+1,4065∙70,95+1,5065.1,755)=1,55(м3/кг);

 

Физическое тепло, вносимое подогретым топливом и воздухом, из расчета на единицу топлива:

 

Qф = Cт tт+Cв tв ,

 

Qф =157,09∙20+1,3181∙300=3537 кДж;

 

Cm= CСН4 CH4+ CС2Н6 C2H6+ CС3Н8 C3H8+ CС4Н10 C4H10 + CС2О C2О+C N2N 2;

 

Сm=90,4∙1,566+1,9∙2,26+1,1∙3,142+0,6∙4,244+4,7∙0,8688+1,1∙1,04=157,09 кДж/(м3 × К);

 

 

При подогретом воздухе и  топливе калориметрическую температуру  определяют по выражению:

 

tк= (Qрн+ Qф)/(Vд Сv),

 

tк= (35434+3537)/(11,222∙1,555)=2233 ОС;

 

Энтальпия продуктов сгорания равна:

 

iп =( Qрн+ Qф )/Vд ;

 

iп =(35434+3537)/11,222=3473 кДж/м3;

 

Определяем энтальпию iп;

 

Задаются приближенно  температуру продуктов горения t и определяют соответствующую ей энтальпию iп;

 

Примем t1=2373К(2100 ОС);