Теплотехнический расчёт нагрева сляба заданных размеров перед дальнейшей прокаткой

21

5. Теплотехнічна частина

Паливо - коксо-доменна суміш з теплотою згорання Qнр = 10870 кДж/м3 за нормальних умов.

Коефіцієнт витрат повітря - n = 1,08.

Температура підігріву повітря - tвоздпід = 350 °С.

Температура газів, що йдуть з печі - tвих = 950 °С.

Початкова температура металу, що нагрівається - tн = 20 °С.

Задана температура нагріву металу – tкін = 1250 °С.

Продуктивність печі - Р = 72 т/г.

Марка стали заготівки, що нагрівається – 09Г2С.

Розміри заготівки δ х B х L = 0,180 х 1,00 х 1,700 м.

5.1 Розрахунок горіння палива

5.1.1 Початкові дані для розрахунку горіння палива

1) Паливо – коксо-доменна суміш з теплотою згорання - Qнр = 10870 кДж/м3 за нормальних умов.

2) Температура підігріву повітря - 350 °С.

3) Коефіцієнт витрати повітря - n = 1,13.

Таблиця 5.1- Склад доменного і коксового газів

5.1.2 Визначаємо склад вологого повітря

де - вміст компоненту відповідно у вологому доменному і коксовому газах.

Склад вологих газів

5.1.3 Визначаємо теплоту згорання газів

1) Доменний газ:

2) Коксовий газ;

5.1.4 Склад змішаного газу

Позначимо частку доменного газу в суміші через х, тоді

частка коксового газу складе;

1 – х = 1 - 0,4695 = 0,5305

Склад змішаного газу визначаємо таким чином

Разом 100 %.

Для перевірки розрахунку складу змішаного газу проводимо розрахунок теплоти згорання коксо-доменної суміші

Розбіжність із заданим значенням не повинна перевищувати 5 кДж/м3.

5.1.5 Визначення витрат повітря, складу і кількості продуктів згорання

Розрахунок необхідної кількості повітря для спалювання 1м3 газу представлений в таблиці 5.2.

Теоретично необхідна кількість повітря, яка необхідна для спалювання 1м3 газу при n = 1,0:

L0  = 256,795 / 100 = 2,57 м3/м3 газу.

Дійсна кількість повітря при n = 1,08:

Ln = 277,338 / 100 = 2,773 м3/м3 газу.

Вихід продуктів згорання:

при n = 1,0 V0 = 3,33 м3/м3 газу;

при n = 1,08 Vn = 3,58 м3/м3 газу.

На 1 м3 продуктів згорання доводиться

Повітря:              qп = 277,338 / 3,58 = 0,786 м3;

Газу:                            qг = 1 / 3,53 = 0,283 м3.

21

Таблиця 5.2 Витрати повітря, склад і кількість продуктів згорання.

21

5.1.6 Матеріальний баланс горіння палива на 1 м3 коксо-доменної суміші за нормальних умов.

Щільність змішаного газу:

де МСО2, МСО, MСН4, МН2О- молекулярні маси компонентів змішаного газу.

Отже, маса коксо-доменної суміші Gг буде рівна:

Gг = 1 * ρ0г = 1* 0,8 = 0,8 кг

Маса повітря, що йде на горіння Gп, складе

Gп = Ln * ρ0п = 2,773 * 1,293 = 3,585 кг,

де ρ0п = 1,293 кг/м3 - щільність повітря за нормальних умов.

Щільність вологих продуктів горіння ρ0д складе

де МСО2, МН2О , МО2 , МN2 - молекулярні маси компонентів продуктів згорання.

Маса вологих продуктів згорання Gд складе

Gд = Vn * ρ0п = 3,53 * 1,238 = 4,37 кг

Результати розрахунку зводимо в таблицю 5.3.

Таблиця 5.3 - Матеріальний баланс горіння палива

Розходження 0,01 знаходиться у межах допущення.

5.1.7 Визначаємо температури горіння палива

Для визначення калориметричної, теоретичної і дійсної температур горіння палива необхідно побудувати діаграму для продуктів згорання при заданому коефіцієнті витрат повітря (n = 1,08).

Склад продуктів згорання СО2 = 10,1 %; Н2О = 19,32 %; О2 = 1,22 %;            N2 = 69,36 %.

Порядок побудови діаграми. Через певні інтервали задаємося температурами і при кожному значенні температури визначаємо ентальпію продуктів згорання по їх складу і табличним значенням ентальпії компонентів.

Результати розрахунку зводимо до таблиці 5.5.

Таблиця 5.4 - Ентальпія продуктів горіння

Визначаємо ентальпію продуктів згорання при шуканій калориметричній температурі горіння:

iзаг = ix + iп + iпал ,

де ix - частка хімічного тепла палива, що доводиться на 1 м3 продуктів згорання.

ix = Qнр / Vnд = 10870 / 3,53 = 3079,32 кДж/м3

     iп - фізичне тепло, що вноситься на одиницю продуктів згорання підігрітим повітрям.

iп = qв * ів350 = 0,786 * 463,265 = 364,1 кДж/м3

де ів350 - ентальпія повітря при t = 350°С;

     iпал - фізичне тепло, що вноситься на одиницю продуктів згорання підігрітим паливом, в даному розрахунку iпал = 0.

iзаг = 3079,32 + 364,1 = 3443,42 кДж/м3.

За даними розрахунку будуємо діаграму I - t (Малюнок 1.1).

По діаграмі I - t визначаємо tкал.    tкал = 2000 °С.

Рисунок 5.1 – Діаграма I – t

5.1.8 Розрахунок теоретичної температури горіння

Парціальний тиск водяної пари:

Парціальний тиск вуглекислого газу:

У першому наближенні задаємося значенням теоретичної температури на 100-150 °С менше калориметричної температури горіння.  tт’ = 1800 °С.

Ступінь дисоціації Н2О і СО2 за даних умов.

Методом лінійної інтерполяції

при РСО2 = 9,81 → αСО2’ = 18,3;

при РСО2 = 11,77 → αСО2’ = 17,3;

для РСО2 = 10,1;

αСО2’ =

при РН2О = 17,65 → αН2О’ = 5,25;

при РН2О = 19,61 → αН2О’ = 5,1;

для РН2О = 19,32;

αН2О’ =

ідис’ = 0,01 * (αСО2’  * %СО2  * QCO2 +  αН2О’ * %Н2О * QН2О) = 0,01 * (0,1745 * 7,129 *     * 12770 + 0,0525 * 4,2457 * 10800) = 334,21 кДж/м3

Загальна ентальпія продуктів згорання з урахуванням дисоціації складе

іпал = ізаг - ідис’ = 3443,42 – 334,21 = 3109,21 кДж/м3

Одержана крапка вища за криву на діаграмі I - t, тому в другому наближенні приймаємо t’’ = 2100 °С.

Методом лінійної інтерполяції для t’’ = 2100 °С.

при РСО2 = 9,81 → αСО2’ = 7,6;

при РСО2 = 11,77 → αСО2’ = 7,2;

для РСО2 =10,1;

αСО2’’ =

при РН2О = 17,65 → αН2О’ = 2,5;

при РН2О = 19,61 → αН2О’ = 2,4;

для РН2О = 19,32;

αН2О’’ =

ідис’’ = 0,01 * (αСО2’’  * %СО2  * QCO2 + αН2О’’ * %Н2О * QН2О) = 0,01 * (0,0726* *7,129 * 12770 + 0,0249 * 4,2457 * 10800) = 146,32 кДж/м3

Загальна ентальпія продуктів згорання з урахуванням дисоціації складе

іпал’’= ізаг – ідис’’ = 3443,42 – 146,32 = 3297,1 кДж/м3

Наносимо крапку на діаграму. Сполучаємо одержані точки прямою і на перетині з кривою діаграми набуваємо значення ентальпії іпал = 3297 кДж/м3, відповідно шуканій теоретичній температурі tпал = 1950 °С. Дійсна температура горіння tд = tпал * ηпир

де ηпир - пірометричний коефіцієнт, для зварювальних зон методичних печей ηпир = 0,7 - 0,75.

Приймаємо ηпир = 0,73, тоді tд = 1950 * 0,73 = 1423,5 °С.

5.2. Розрахунок часу нагрівання металу

Температура газів, що йдуть, рівна tвих = 900 °С; середня температура в томильній зоні повинна бути на 150 °С вище за температуру нагріву металу:

tт = tкін + 50 = 1250 + 100 = 1350 °С

Оскільки основним призначенням методичної зони є повільне нагрівання металу до стану пластичності, то температура центру металу при переході з методичної зони в зварювальну, повинна бути близько 400-500 °С.

Різниця температур між поверхньою і серединою заготівки для методичної зони прокатних печей може прийматися рівною (800 -700) S, де S - товщина, що прогрівається. Оскільки в методичній зоні відбувайся двосторонній нагрів то можна приймати S = μ * δ, μ = 0,55 - 0,6. Приймаємо μ = 0,55, тоді                         S = 0,55 * 0,180 = 0,099 м, отже ∆t = 700 * 0,099 = 69,3 °С, тобто приймаємо температуру поверхні заготівки в кінці методичної зони рівній 500 °С.

5.2.1 Попереднє визначення розмірів печі

1) При дворядному розташуванні заготовок ширину печі приймаємо:

В = 1,7 + 2 * 0,2 = 2,1 м,

2) По конструктивним міркуванням висоту печі приймаємо рівній в томильній зоні 1,51 м., в І зварювальній 3,15 м, в ІІ зварювальній 2,95 м, в кінці методичної 1215 м.; середня висота методичної зони 0,5 * (1,21 + 1,83) = 1,52 м.

3) Знаходимо ступінь розвитку кладки (1 м довжини печі):

ω = Fкл / Fм = (2 * h + B) / 2 * L

для методичної зони:

ωм = (2 * 1,52 + 2,1) / 2 * 1,7 = 1,512;

для І зварювальної зони:

ωз І = (2 * 3,15 + 2,1) / 2 * 1,7 = 2,471;

для ІІ зварювальної зони:

ωз ІІ = (2 * 2,95 + 2,1) / 2 * 17 = 2,353;

для томильної зони:

ωт = (2 * 1,51 + 2,1) / 2 * 1,7 = 1,506.

4) Визначаємо ефективну товщину газового шару:

Sеф = 4 * η * V / F = 0,9 * 4 * h * B / (2 * h + 2 * B);

у методичній зоні:

Sефм = 0,9 * 4 * 1,52 *2,1 / (2 * 1,52 + 2 * 2,1) = 1,587 м;

у  І зварювальній зоні:

SефзІ = 0,9 * 4 * 3,15 * 2,1 / (2 * 3,15 + 2 *2,1) = 2,268 м;

у  ІІ зварювальній зоні:

SефзІІ = 0,9 * 4 * 2,95 * 2,1 / (2 * 2,95 + 2 *2,1) = 2,208 м;

у томильній зоні:

Sефт = 0,9 * 4 *1,51 * 2,1 / (2 * 1,51 + 2 *2,1) = 1,581 м.

5.2.2 Розрахунок часу нагріву металу в методичній зоні

Парціальний тиск випромінюючих газів:

рСО2 = 98,1 * 0,101 = 9,91 кН/м2;

рН2О = 98,1 * 0,1932 = 18,95 кН/м2;

рСО2 * Sефм = 9,91 * 1,587 = 15,727 кН/м.

рН2О * Sефм = 18,95 * 1,587 = 30,074  кН/м.

По номограмам знаходимо ступінь чорноти газів на початку методичної зони (tг = 950 °С):

εСО2 = 0,12; εН2О’ = 0,19; β = 1,1;

εг950 = εСО2 + εН2О’ * β = 0,12 + 0,19 * 1,1 = 0,329

в кінці методичної зони (tг = 1350 °С):

εСО2 = 0,095; εН2О’ = 0,15; β = 1,1;

εг1350 = εСО2 + εН2О’ * β = 0,095 + 0,15 * 1,1 = 0,26

Визначаємо коефіцієнт випромінювання в системі газ - кладка - метал по співвідношенню:

де ω - ступінь розвитку чорноти кладки;

     εм = 0,8 - ступінь чорноти металу;

     С0 = 5,7 Вт/(м2*К4) - коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла.

Визначаємо коефіцієнт випромінювання на початку методичної зони:

В кінці методичної зони:

Середній по довжині методичної зони коефіцієнт тепловіддачі випромінюванням знаходимо по формулі:

де - відповідно температура газів на початку і кінці періоду нагріву, в методичній зоні, К;

     - температура поверхні металу відповідно на початку і кінці методичної зони.

Приймаємо середню температуру газів в методичній зоні, яка дорівнює:

,

Визначаємо температурний критерій:

Для низьколегованої сталі при середній по перетину температурі металу:

Знаходимо λ = 38,8 Вт/(м*К) і а = 5,23 * 10-2 м2/ч.

Тоді критерій БІО:

По знайденим значенням θ і Ві по номограмі для поверхні пластини знаходимо критерій Фур'є: Fо = 0,8.

Час нагріву металу в методичній зоні:

Знаходимо температуру центру металу в кінці методичної зони. Згідно номограмі для центру пластини при Fо = 0,8 і Ві = 0,563 температурний критерій θцентр = 0,8.

Температура центру сляба:

5.2.3 Розрахунку часу нагріву в I зварювальній зоні

Знайдемо ступінь чорноти газів при tг = 1350 °С

рСО2 = 98,1 * 0,1154 = 11,32 кН/м2;

рН2О = 98,1 * 0,1695 = 16,63 кН/м2;

рСО2 * SефзвI = 11,32 * 1,798 = 20,353 кН/м.

рН2О * SефзвI = 16,63 * 1,798 = 29,901  кН/м.

По номограмам знаходимо:

εСО2 = 0,1; εН2О’ = 0,15; β = 1,09;

εгзвI = εСО2 + εН2О’ * β = 0,1 + 0,15 * 1,09 = 0,2635

Приймаємо температуру поверхні металу в кінці I зварювальної зони, яка дорівнює 1000 °С.

Приведений коефіцієнт випромінювання I зварювальної зони:

Знаходимо середню по перетину температуру металу на початку I зварювальної (в кінці методичної) зони:

Визначуваний температурний критерій дня поверхні слябів в І зварювальній зоні:                                         

Визначаємо середню температуру металу:

Знаходимо теплопровідність і коефіцієнт температуропровідності                λ = 33,24 Вт/(м*К); а = 2,5 * 10-2 м2/ч.

Розраховуємо критерій БІО:

По обчисленим Ві і θ по номограмі нагріву поверхні плити знаходимо критерій Фур'є Fо = 0,81.

Розраховуємо час нагріву в І зварювальній зоні

Визначаємо температуру центру металу в кінці I зварювальної зони по номограмі нагріву центру плити при значеннях Ві =1,114 і Fо = 0,81 знаходимо .

5.2.4 Розрахунку часу нагріву в II зварювальній зоні

Знайдемо ступінь чорноти газів при tг = 1400°С

рСО2 = 98,1 * 0,1154 = 11,32 кН/м2;

рН2О = 98,1 * 0,1695 = 16,63 кН/м2;

рСО2 * SефзвIІ = 11,32 * 1,772  = 20,059 кН/м.

рН2О * SефзвIІ = 16,63 * 1,772 = 29,468 кН/м.

По номограмам знаходимо:

εСО2 = 0,1; εН2О’ = 0,14; β = 1,09;

εгзвIІ = εСО2 + εН2О’ * β = 0,1 + 0,14 * 1,09 = 0,2526

Приймаємо температуру поверхні металу в кінці II зварювальної зони, рівної 1250 °С.

Приведений коефіцієнт випромінювання II зварювальної зони:

Знаходимо середню по перетину температуру металу на початку II зварювальної (в кінці І зварювальної) зони:

Визначуваний температурний критерій для поверхні слябів в II зварювальній зоні:

Визначаємо середню температуру металу:

Знаходимо теплопровідність і коефіцієнт температуропровідності                λ = 26,4 Вт/(м*К); а = 2,0 * 10-2 м2/ч.

Розраховуємо критерій БІО:

По обчисленим Ві і θ по номограмі нагріву поверхні плити знаходимо критерій Фур'є: Fо = 0,56.

Розраховуємо час нагріву в II зварювальній зоні:

По номограмі нагріву центру плити при значеннях Ві = 2,035 і Fо = 0,56 знаходимо .

Визначаємо температуру центру металу в кінці II зварювальної зони:

5.2.5 Визначення часу томління металу

Перепад температур по товщині на початку томильної зони:

Δtпоч = 1250 – 1080,4 = 169,6 °С.

Допустимий перепад температур в кінці нагріву Δtкін = 50 °С.

Ступінь рівняння температур:

δрів = Δtкін / Δtпоч = 50 / 169,6 = 0,2948.

При коефіцієнті несиметричності, який дорівнює μ = 0,5 (Таблиця 5.1) критерій Фур'є для томильної зони згідно номограмі дорівнює Fо = 0,5.

Таблиця 5.5 - Коефіцієнт несиметричності.

При середній температурі металу в томильній зоні:

λ = 26,4 Вт/(м*К); а = 1,9 * 10-2 м2/ч

Час томління:

Повний час перебування металу в печі дорівнює:

Рисунок 5.2 – Діаграма нагріву.

5.3 Розрахунок основних розмірів методичної печі

Визначимо кількість металу, яка повинна знаходитися в печі одночасно для забезпечення продуктивності 72 т/г:

G = P * τ = 72 * 1,683= 121,176 т/г.

Маса однієї заготівки:

g = δ * b * l * ρ = 0,220 * 1,2 * 1,0 * 7849 = 2072 кг = 2,0402 т.

Кількість заготовок, що одночасно знаходяться в печі:

n = G/g = 121,176/2,0402 ≈ 50 шт.

При дворядному розташуванні заготовок загальна довжина печі:

L = b * n = 1,0 * 50 / 2 = 25 м

ширина В = 2,1 м; площа поду: F = B * L = 2,1 * 25 = 52,5 м2.

Висоти зон печі залишаємо тими, що були прийняті при розрахунку.

Довжину печі розбиваємо на зони пропорційно часу нагріву:

довжина методичної зони:

довжина I зварювальної зони:

довжина II зварювальної зони:

довжина томильної зони:

Напруга череня печі:

Н = Р / F = 72000 / 52,5 = 1371,429 кг/м2 * ч.

Звід печі виконуємо підвісного типу з каоліну завтовшки 300 мм. Стіни печі мають товщину 460 мм, причому шар шамота складає 345 мм і шар теплової ізоляції (діатомитова цеглина) 115 мм.

Під томильної зони виконуємо тришаровим: цеглина тальку 230 мм, шамот 230 мм і теплова ізоляція (діатомитова цеглина) 115 мм.

Для забезпечення збільшення виробництва продукції на 50% діючих агрегатах потрібна інтенсифікація нагрівання металу. Однак при інтенсифікації спостерігається великий перерасхід вогнетривів на ремонтування та збільшення угару металу при нагріванні, велике витрачання палива, тепло від якого не повністю використовується для нагрівання металу.

Для покращання використання палива, зменшення угару та кращого прогрівання слябів можуть використовувати наступні заходи.

Для підвищення інтенсивності нагрівання верхня зварювальна конструкція виконується з двох частин. Замість інжекційних пальників встановлюють більш економні пальники низького тиску

Керамічний рекуператор замінюють трубчатим, сучасної конструкції, виконаним з нержавіючого металу.

Для керування режиму роботи печі використовують автоматизовану систему, яка розроблена українським науково – виробничим підприємством „РЕКТ”.