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

 

iп//(1)= СV ∙t1; iп//(1)= 1,555∙2100=3473кДж/м3;

 

Определяем iп(2):

 

Примем t2=2573К(2300 ОС);

 

iп//(2)= СV ∙t2; iп//(2)= 1,555∙2300=3576кДж/м3

 

iп(1)< iп< iп(2)

 

3265 < 3473 < 3576

 

Определяем калориметрическую  температуру:

 

tк=t2-( iп(2)- iп)(t2-t1)/( iп(2)- iп(1)).

 

tк=2300 - (3576 – 3473)(2300-2100)/(3576 –  32655)=2234 ОС;

 

 

Действительную температуру  в топке или печи определяют с  учетом потерь на диссоциацию и теплопередачу  в окружающую среду

 

tд = h1 tк ;

 

h1 – опытный пирометрический  коэффициент, зависящий от конструкции  топливосжигающих устройств или  печи (0,72);

 

tд =0,72 .2233=1608 ОС.

 

 

4.Расчет нагрева металла  в печи

 

Т.к. осуществляется двухрядное расположение заготовок,

 

следовательно ширина печи будет  равна:

 

.

 

Здесь 0,25 - зазор между  заготовками и стенками печи, a =0.03м - зазор между заготовками и b - ширина заготовки. Высоту рабочего пространства по практическим данным принимаем: в  сварочной зоне hсв=3,1м, в методической hмет=2,06м, в томильной hт = 2,75 м.

 

Находим степень развития кладки (на1м длинны печи):

 

W=Fкл/Fм=(2h+B)/l;

 

В сварочной зоне: Wсв=Fкл/Fм=(2h+B)/l; Wсв= (2∙2,06+5,57)/12=0,81.

 

В томильной зоне: WТ=Fкл/Fм=(2h+B)/l; WТ =(2∙2,75+5,57)/12=0,92.

 

Определяем эффективную  толщину газового слоя :

 

В методической зоне ;

 

В сварочной зоне .

 

В томильной зоне

 

Расчёт времени нагрева  металла в методической зоне

 

Парциальное давление излучающих газов:

 

 

 

 

 

 

Степень черноты газа в  начале методической зоне определяем

 

из номограмм. Температура  газов в начале методической зоне принимаем 1000 оС

 

Степень черноты газов  в начале методической зоны :

 

εСО2 = 0,145; εН2О = 0,251; β = 1,07;

 

тогда

 

εг = 0,13 + 1,08 . 0,2 = 0,346.

 

В конце методической зоны Т = 1250 оС

 

εСО2 = 0,115; εН2О = 0,21; β = 1,07;

 

тогда

 

εг = 0,11 + 1,08 . 0,14 = 0,261.

 

Степень развития кладки:

 

в сварочной зоне

 

в методической зоне

 

Определяем приведенный  коэффициент излучения в вначале  методической зоны:

 

=.

 

         

 

В конце методической зоны :

 

=

 

Средний по длине методической зоны коэффициент теплоотдачи излучением находим по формуле:

 

==

 

 

 

Принимаем среднюю температуру  металла в методической зоне равной:

 

 

Определяем температурный  критерий θпов и критерий Био:

 

=

 

Для низколегированной стали  при средней по массе температуре  металла:  по справочнику находим  λ =38,1Вт/(м*К) и α =3,4*10-2 м2/ч

 

По найденным значениям Bi и θ по монограмме находим критерий Фурье для поверхности пластины,Fo=2.1

 

Время нагрева металла  в методической зоне:

 

Находим температуру центра металла в конце методической зоны. Согласно номограмме для центра пластины при Fo=2.1 и Bi=0,21 температурный  критерий θцент=0,6

 

Температура центра блюма:

 

=

 

Расчёт времени нагрева  в сварочной зоне.

 

Найдём степень черноты  газов εгсв при tг=1250 оС:

 

 

 

 

 

По номограммам находим  степень черноты газов в сварочной

 

зоне (tг=1250 оС):

 

εСО2 = 0,122; εН2О = 0,21; β = 1,07;

 

тогда

 

εг = 0,122 + 1,07 . 0,21 = 0,347.

 

Так как при средней  температуре металла 

 

t = (450+450+1200+1000)/4=775 оC

 

теплоёмкость низколегированной  стали λ= 26,8 Вт/(м*К), а коэффициент  температуропроводности α=2,1*10-2 м2/ч, тогда:

 

 

 

Теперь по номограмме находим  критерий Фурье, Fo=4.5

 

Время нагрева в сварочной  зоне :

 

 

 

Определяем температуру  в центре металла в конце сварочной  зоны. По номограмме при значениях Bi=0.69 и Fo=4.2 находим θцент=0,08

 

Тогда:

 

Определение времени томления металла

 

Допустимый перепад температур в конце нагрева Δt кон =15 оC

 

Степень выравнивания температур δвыр=Δtкон/Δtнач= 15/14= 1,1

 

При коэффициенте несимметричности, равном μ=0,55, критерий Fo для томильной  зоны согласно номограмме равен Fo =0.4

 

При средней температуре  металла в томильной зоне:

 

 

 

λ= 26,8 Вт/(м*К), а коэффициент  температуропроводности α=2,1*10-2 м2/ч. Время  томления:

 

Полное время пребывания металла в печи равно: ч

 

5. Расчёт основных размеров  печи

 

Для обеспечения производительности 80 т/ч в печи должно одновременно находится следующие количество металла:

 

Масса одной заготовки :

 

g =bδlρ=0.125*0.125*12*7800=1.463 т.

 

Число заготовок одновременно находящихся в печи:  шт

 

При двухрядном расположении заготовок общая длинна печи:

 

L = 3*l* n+2*0.25 = 36,5 м.

 

ширина В =5.57 м, площадь  пода F = B L =5.57*36.5=203.3 м2

 

Высоты отдельных зон  печи оставляем теми же, что и  были приняты при ориентировочном  расчёте.

 

Длину печи разбиваем на зоны пропорционально времени нагрева:

 

Длина методической зоны:

 

Длинна сварочной зоны: м

 

Длинна томильной зоны:

 

Напряжение пода печи:

 

6.Расчет рабочего пространства  печи

 

Ширина печи будет равна: .

 

Высота печи:

 

Томильной зоны – 2,75м;

 

методической зоны – 2,06м;

 

сварочной зоны – 3,1м.

 

Длина печи:

 

методическая зона – 12м;

 

сварочная зона – 26 м;

 

томильная зона – 12м.

 

 

 

Количество заготовок, одновременно находящихся в печи:

 

 

 

Свод печи выполняем подвесного типа из каолина толщиной 300 мм. Стены  печи

 

Имеют толщину 460 мм, причём слой шамота составляет 345 мм и слой тепловой изоляции ( диатомитовы кирпич) 115мм.

 

Под томильной зоны выполняем  трёхслойным: тальковый кирпич 230 мм, шамот 230 мм, и тепловая изоляция (диатомитовый кирпич) 115мм.

 

7.   Тепловой баланс

 

Приход тепла:

 

1.      Химическое  тепло (тепло от горения топлива):

 

.

 

2.      Тепло,  вносимое подогретым воздухом (физическое  тепло):

 

 

 

3. Тепло экзотермических  реакций (принимаем, что угар  металла

 

составляет 1%):

 

 

 

Расход тепла:

 

1. Тепло затраченное на  нагрев металла:

 

= кВт

 

При средней по массе и  времени нагрева температуре:

 

t = 0.5*= 581.3 oC.

 

теплоёмкость металла  равна см =0,591 кДж/(кг*К).

 

Тепло уносимое уходящими  дымовыми газами:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Потери тепла теплопроводностью  через кладку. Потерями тепла  через под в данном примере  пренебрегаем. Рассчитываем только  потери тепла через свод и  стены печи.

 

Потери тепла через  свод.

 

Площадь свода принимаем  равной площади пода 203,3 м2 толщина  свода 0,3 м, материал каолин. Принимаем  температуру внутренней поверхности  свода равной средней по длине  печи температуре газов.

 

Средней температуре продуктов  сгорания по длине печи – tвн. = tг.ср.=1150оС, если принять температуру окружающей среды tокр=0оС, то температуру поверхности  однослойного свода можно принять  равной 100оС.

 

Средняя по толщине температура  свода:

 

При этой температуре согласно приложению теплопроводность каолина:  =

 

Потери тепла через  стены. Стены печи состоят из слоя шамота толщиной Sш = 0.345 м и слоя диатомита  толщиной Sд =0.115 м.

 

Площадь стен:

 

Методической зоны Fм =2Lмhм=2*7.68*2.06=32.38 м2;

 

Сварочной зоны Fсв =2Lсвhсв =2*26.615*3.1 = 165 м2;

 

Томильной зоны Fт =2Lтhт = 2*2.81*2.27= 12.76 м2;

 

Торцов печи Fторц= 5.57*1.0+5.57*2.0 = 16.71 м2.

 

Полная площадь стен :

 

F ст = 32.38+165+12.76+16.71= 226.85 м2.

 

Для вычисления коэффициентов  теплопроводности, зависящих от температуры, необходимо найти среднее значение температуры слоёв.

 

Средняя температура слоя шамота:

 

 

 

Средняя температура слоя диатомита:

 

 

 

Здесь t` - температура на границе  раздела слоёв, oC

 

- температура наружной  поверхности стен, которую можно  принять равной 100 oC.

 

Коэффициент теплопроводности шамота:

 

 

 

Коэффициент теплопроводности диатомита:

 

 

 

В стационарном режиме:

 

 

 

Подставляя значение коэффициентов  теплопроводности:

 

 

 

 

 

 

Решение этого уравнения  даёт t` = 755.3 oC.

 

Окончательно коэффициент  теплопроводности шамота:

 

 

 

коэффициент теплопроводности диатомита:

 

 

 

Количество тепла, теряемое теплопроводностью через стены:

 

 

 

Общее количество тепла, теряемое теплопроводностью через кладку:

 

Потери тепла с охлаждающей  водой, по практическим данным, принимаем  равным 11% от тепла, вносимого топливом и воздухом:

 

0.11 В(35430+4001) = В4338 кВт.

 

Неучтённые потери принимаем  равными 12% от той же величины:

 

Qнеучт= 0.12 В(35430+4001) = В4732 кВт  .

 

Уравнение теплового баланса:

 

Результаты расчётов приведены  в таблице

 

 

 

Удельный расход тепла  на нагрев 1 кг металла:

 

 

 

 

 

 

8.   Выбор горелок

 

В многозонных методических печах подводимая тепловая мощность ( а следовательно, и расход топлива) распределяется следующим образом : в сварочной зоне 60 - 70% от тепловой мощности всей печи, в томильной  зоне 30-40%

 

Распределяя расход топлива  по зонам пропорционально тепловой мощности получим:

 

В *0.7 = 1.2*0.7 =0.84

 

Подбираем инжекционную горелку  для сжигания 0,053 м3/с природного газа с теплотой сгорания 35,4 МДж/м3. Давление газа перед горелкой 120 кН/м2

 

Для сжигания высоко калорийных газов предназначены инжекционные горелки типа В и ВП

 

Для осуществления равномерного нагрева свода принимаем шахматное  расположение горелок на своде с  шагом по длине печи S = 3.25 м.

 

Тогда число рядов горелок  по длине сварочной зоны печи:

 

nLм = L/S = 26/3.25 = 8 рядов

 

По длине томильной  зоны с шагом 3 м

 

nтL = 12/3 = 4 ряда

 

По ширине сварочной зоны печи размещается:

 

nB = 5.57/1.4= 4 ряда горелок

 

 

В сварочной зоне находится 16 горелок, в томильной зоне 8 горелок.

 

По графику находим, что  при данном давлении пропускная способность  горелки В 100 для газа с заданной теплотой сгорания равна Vг = 0,014 м3/с. Отношение  заданного расхода газа к пропускной способности горелки В100 равно 0,053/0,014=3,79

 

По таблице находим, что  этому соотношению соответствует  горелка с диаметром носика dн.г=205мм, т.е. горелка В205

 

Принимаем газ холодным (273 К) и находим скорость истечения  газа из сопла:

 

 

 

Здесь р0 =101,3 кН/м2 - давление окружающего воздуха.

 

Тогда диаметр газового сопла:

 

 

 

Остальные конструктивные размеры  инжекционной горелки:

 

dн.г=205мм, L = 2130 мм, d1= 2``.

 

Плотность газа равна ρ=1.0 кг/м3 расход воздуха при коэффициенте расхода n=1.1 равен 10.119 м3/м3 газа.

 

Пропускная способность  горелок по воздуху: сварочная и  томильная зона 0,053*10.119=0.54 м3.

 

 

9.   Определение высоты  кирпичной трубы

 

Общие потери при движении газов hпот = 300 Н/м2 температура дымовых  газов перед трубой 717 К.

 

Плотность дымовых газов  ρг = 1,24 кг/м3. Температура окружающего  воздуха Тв= 273 К.

 

Количество продуктов  горения, проходящих через трубу  составляет

 

11,222 м3/с или 40399 м3/ч

 

Находим площадь сечения  устья трубы, принимая скорость дыма в устье 3 м/с:

 

 

 

Действительное разрежение, создаваемое трубой, должно быть на 20-40 % больше потерь напора при движении дымовых газов, т.е.

 

Для определения температуры  дымовых газов в устье трубы  по графику ориентировочно находим  высоту трубы Н = 45 м.

 

Падение температуры для  кирпичной трубы принимаем 1 -1,5 К  на 1 метр высоты трубы:

 

ΔТ = 1,25 * 45 = 56,3 К.

 

Тогда температура газов  в устье трубы:

 

Для кирпичных труб коэффициент  трения λ = 0.05

 

Подставляя полученные значения в формулу получим:

 

 

 

 

 

 

 

10.         Расчёт сечения борова:

 

 

 

 

 

Скорость движения дымовых  газов  = 2,3

 

- площадь сечения борова  м2 ,  - объём дыма при сжигании  единицы топлива м3/м3.В - расход  топлива м3/ч.

 

11.         Выбор типа и размеров футеровки

 

Стены:

 

Шамот 345мм, диатомитовый кирпич 115мм;

 

Свод:

 

Диатомит Д-500 – 300мм.

 

Под:

 

Тальковый кирпич – 230мм, шамот  – 230мм, диатомит – 115мм.

 

12.                      Расчет узла печи

 

 

 

Толкатели широко применяются  для передвижения нагреваемых заготовок  или деталей в печах и поточных линиях. Основное отличие одного толкателя  от другого заключается в способе  приведения в движение рабочего органа – башмака, который непосредственно  проталкивает заготовки или детали. По этому признаку толкатели делятся на две группы: толкатели с гидравлическим или пневматическим приводом и толкатели с электрическим приводом. Толкатели с электрическим приводом выполняются винтовые, реечные, фрикционные, рычажные, с цепным приводом. Наибольшее распространение, благодаря своей надежности и экономичности, получили реечные толкатели. Рабочий ход толкателя выберем равным ширине рабочего пространства печи в томильной зоне. Толкатель следует располагать так, чтобы толкающие пальцы в крайнем правом положении не упирались в конструкции печи, а в крайнем левом положении уходили в предусмотренные для них пазы в левой стенки печи примерно на 100мм.