Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Нагревательные печи прокатных цехов

Содержание

1. Введение 3

2. Расчет горения топлива и температурного режима 8

3. Расчёт времени нагрева металла 11

4. Тепловой баланс печи 18

5. Выбор горелок 23

6. Расчет рекуператора 24

7. Аэродинамический расчёт 28

8. Расчёт дымовой трубы 30

10. Характеристика печи 30

Список литературы 31

1. ВЕДЕНИЕ

Нагревательные печи прокатных цехов

Характеристика нагревательных печей заводов черной металлургии

Нагревательными печами называют печи, в которых осуществляется нагрев металла перед обработкой давлением (прокаткой, ковкой). Часто прокатку металла ведут последовательно на нескольких станах, чем и объясняется состав парка печей.

В последнее время производительность вновь строящихся прокатных станов непрерывно увеличивается. Поэтому основными чертами общей тенденции развития печей являются интенсификация нагрева металла (с соблюдением требований, предъявляемых к качеству нагрева) и стремление к максимально возможной механизации и автоматизации работы печей. Повышение интенсификации нагрева позволяет увеличить производительность печного агрегата и при современной, весьма высокой производительности прокатных станов устанавливать к каждому стану рациональное число печей. В настоящее время на заводах черной металлургии применяют как разливку стали по изложницам, так и непрерывную разливку стали. В первом случае печное хозяйство включает в себя печи для нагрева слитков перед прокаткой на блюмингах и слябингах, во втором случае подобные печи отсутствуют.

Наиболее распространенным является нагрев прямоугольных заготовок для чего применяют печи периодического (садочные) и постоянного (проходные) действия. В печах периодического действия металл загружается в полностью или частично остуженную печь, и затем постепенно нагревается вместе с печью. Такой метод нагрева, когда температура печи меняется во времени, применяют при нагреве крупных слитков, которые надо греть медленно во избежание возникновения чрезмерного температурного перепада. В черной металлургии на периодическом режиме работают нагревательные колодцы-печи, в которых слиток, стоящий вертикально, нагревается с четырех сторон. Поскольку размеры слитков значительные (толщина обычно около 600мм, масса около 7 т), подобный нагрев с четырех сторон обеспечивает необходимую равномерность и производительность.

В печах постоянного действия температура во времени остается неизменной. Вместе с тем температура по длине рабочего пространства таких печей может изменяться в соответствии с необходимостью создания целесообразного режима нагрева. Проходные печи постоянного действия - это наиболее распространенные нагревательные печи в черной металлургии. Они очень многообразны как по способу транспортировки заготовки через печь, так и по методам отопления. Это толкательные печи, печи с шагающим и родниковым подом; с торцевым, сводовым, боковым отоплением. В таких печах может осуществляться как постепенный (методический) режим нагрева, так и весьма форсированный камерный режим.

Наряду с тепловым и температурным режимом для работы печей большое значение имеет режим давления в печи. Идеальным был бы такой режим давления в печи, при котором холодный воздух не попадал бы в печь, а дымовые газы не выбивались бы из печи. Если холодный воздух попадает в печь, то это приводит к излишнему расходу тепла и увеличивает угар металла. Чрезмерное выбивание дымовых газов приводит к увеличению потерь тепла, пагубно влияет на арматуру печи и затрудняет ее обслуживание. Для обеспечения оптимального режима давления в нагревательных колодцах стремятся под крышкой поддерживать небольшое избыточное давление. В проходных печах на уровне нагреваемых заготовок также целесообразно поддерживать небольшое избыточное давление, исключающее подсос воздуха в печь и большое выбивание дымовых газов. Однако полностью выдержать такое давление по всей длине печи не удается.

Печи с шагающим подом (шагающими балками)

Строительство печей, с шагающим подом обходится значительно дороже, чем пятизонных печей аналогичной производительности, однако печи с шагающим подом широко применяют для нагрева металла перед сортовыми, толстолистовыми и другими станами. Преимущества этих печей перед печами толкательного типа, обусловленные методом транспортирования металла через печь, могут быть разделены на две группы:

эксплуатационные,
связанные с возможностью обеспечения значительно более высокой интенсивности нагрева металла.

Эксплуатационные преимущества состоят в ликвидации проблемы уборки окалины из печи; возможности легко удалять металл из печи в случае остановок стана и ремонтов; возможности гибкого регулирования скорости перемещения металла через печь, что очень важно при частом изменении сортамента металла; уменьшении на 30% повреждений поверхности нагреваемых заготовок; значительном (до 0,3 - 0 5%) снижении угара металла за счет повышения скорости нагрева и отсутствии осыпания окалины.

Наряду с этими эксплуатационными преимуществами применение шагающего пода позволяет обеспечить практически всесторонний нагрев металла. Это особенно сказывается при нагреве квадратных заготовок, прикатываемых на сортовых станах, и позволяет значительно увеличить интенсивность нагрева металла. В печах с шагающим подом поверхность нагрева квадратных заготовок увеличивается вдвое по сравнению с толкательными печами с нижним обогревом. Так, например, на одной из отечественных печей, обслуживающей мелкосортный стан и нагревающей загонку 80×80 мм, продолжительность нагрела, отнесенная к толщине заготовки (в сантиметрах), составила 3 - 4 мин/см, тогда как в толкательных печах эта величина лежит в пределах 6-8 мин/см. Эти цифры соответствуют напряженности активного пода 1200-1500 и 800-1000 кг/(м² ·ч).

Тепловой и температурный режимы печей с шагающим подом неизменны во времени, так как это проходные печи постоянного действия. Говоря о температурном режиме, следует заметить, что печи подобного типа могут работать как по камерному режиму, так и с переменной температурой по длине печи. Как уже отмечалось, температурный режим печей зависит от характера их отопления, а также от распределяя горелок и дымоотводов. В печах с шагающим подом применяют самое разнообразное расположение горелок: торцовое, боковое и сводовое (рис. 1). Наиболее часто пользуются комбинированным расположением горелок: торцевым и боковым или боковым и сводовым. При боковом отоплении ширина печи ограничивается 11-12 м. При большой ширине печи возможно возникновение неравномерности нагрева по длине заготовки (сляба). При сводовом отоплении заготовки греются достаточно равномерно, поэтому целесообразен такой метод отопления, когда нижний обогрев оборудован боковыми горелками, а в зонах верхнего обогрева использованы сводовые горелки. Продукты сгорания топлива отводят на стороне загрузки металла, и печи с шагающим подом работают обычно с переменной температурой по длине. В отличие от методических толкательных печей в печах с шагающим подом нагрев металла происходит во всех зонах, но интенсивность его в разных зонах может быть различной. Например, печь, нагревающая заготовки размером 80×80 мм для прокатки на проволочном стане, работает при следующем температурном графике:

Участок печи Температура, °С

Начало зоны предварительного нагрева

(место загрузки металла) 740—900

Первая по ходу металла зона нагрева 1000—1150

Вторая по ходу металла зона нагрева 1220—1300

Рис. 1. Расположение горелок в печах с шагающим подом:

а – торцевое и боковое; б – только боковое; в – боковое и сводовое

Печи с шагающим подом выполняют как без нижнего обогрева, так и с нижним обогревом (рис. 2). При наличии нижнего обогрева конструкции шагающего пода делаются водоохлаждаемыми, в результате чего на нагреваемых заготовках образуются темные пятна. Чтобы исключить возникновение темных пятен, на трубы шагающих балок приваривают специальные стояки или подставки, промежутки между которыми заполняют теплоизоляцией. Кроме того, горизонтальные трубы шагающих балок, несущие металл, расположены не параллельно оси печи, и. место контакта их со слябом при продвижении металла в печи постоянно меняется.

Конструкция печей. Рассмотрим под таких печей. Возможны следующие варианты конструктивного оформления идеи «шагания» пода:

под печи может состоять из трех частей в двух вариантах; а) неподвижного пода (у стен), шагающих и стационарных балок; б) неподвижного пода (у стен) и двух групп шагающих балок;
под может не иметь элементов неподвижного пода и состоять из двух групп шагающих балок.

В поде печи различают неподвижную и подвижную части. Неподвижными являются балки. Когда металл лежит на неподвижных балках и керамических бортиках, подвижные балки находятся в опущенном состоянии. Последовательность перемещения металла в такой печи следующая: металл приподнимается шагающими балками, балки совершают движение вперед, а затем опускаются, укладывая металл на балки и бортики. Подобные движения, шагающие балки совершают непрерывно, в результате чего металл передвигается от окна загрузки к окну выдачи.

Конструктивная форма печи с шагающими балками зависит от назначения печи. Такие печи могут обеспечить как камерный, так и методический нагрев металла.

Для обеспечения весьма высокой производительности при нагреве заготовок толщиной 80 – 120 мм и длинной 10 – 12 м можно применять многозонные печи с шагающим подом.

Для печей с шагающим подом большое значение имеет надежная работа шагающих балок и водяного затвора. Балки обычно изолируют огнеупорным материалом.

В водяных затворах должна быть предусмотрена возможность удаления окалины. Печи с шагающим подом могут работать на газообразном и жидком топливе. При нагреве под прокатку до 1100 – 1500 ⁰ С они обычно обеспечивают напряжение активного пода 4 – 5 кН/(м²ч) при удельном расходе тепла 1,9 – 2,1 МДж/кг.

При двух группах шагающих балок обеспечивается более высокий темп выдачи заготовок, но стоимость строительства печи возрастает. Щели между шагающими (или шагающими и стационарными) балками полностью перекрыты при помощи кожуха, погруженного в неподвижный водяной затвор. Водяные затворы смещены относительно щели между балками, а напротив щели предусмотрен короб для гидравлического удаления окалины. Устройство водяных затворов исключает попадание в печь воздуха из атмосферы. В печах без нижнего обогрева стационарные и подвижные балки футеруют (сверху вниз) следующим образом: хромитовая пластичная масса; огнеупорный материал, содержащий 35-44% А1₂0₃; легковесный изоляционный бетон. Части футеровки балок, примыкающие непосредственно к щели, выполняют из огнеупорного бетона, легко восполнимого при ремонтах. В некоторых случаях для футеровки балок применяют магнезитохромитовые кирпичи, что не дает пока вполне удовлетворительного результата.

Эксплуатируются печи с шагающим подом без нижнего обогрева и с нижним обогревом. В печах без нижнего обогрева приняты две зоны отопления при следующем распределении тепловых мощностей: первая зона нагрева 38 % и вторая зона нагрева 64 %.

Эти печи оборудованы двухпроводными горелками и имеют весьма большие резервы по тепловой мощности. В подавляющем большинстве случаев печи могут работать с подачей топлива лишь во вторую зону нагрева. Горелки первой зоны нагрева включаются в том случае, если с целью увеличения производительности печи необходимо поднять температуру в этой зоне и в конце печи. Напряженность активного пода в этих печах достигается 1300— 1400 кг/(м²-ч), время пребывания заготовок размером 80×80 мм в печи составляет 23-30 мин, удельный расход тепла 1800-2000 кДж/кг.

Дымовые газы удаляются в дымосборник, расположенный у торца загрузки, а затем поступают в петлевой металлический рекуператор, расположенный ниже уровня пода цеха. Температура подогрева воздуха в рекуператоре около 300 °С.

Конструкция методической печи с шагающим подом:

Рис. 2. Двухзонная печь с шагающим подом:

а, б – продольный и поперечный разрезы

в – печь с шагающими балками

2. Расчёт горения топлива и температурного режима

Топливо - природный газ

Исходные данные: состав сухого газа, %:

CH₄	C₂H₆	C₃H₈	C₄H₁₀	C₅H₁₂	CO₂	H₂S	N₂	W, г/м³
98,5	0,08	0,003	0,001	-	0,1	-	1,3	11

По формуле (91,а)[1] рассчитаем состав влажного газа

Тогда состав влажного коксового газа, %:

CH₄

C₂H₆

C₃H₈

C₄H₁₀

C₅H₁₂

CO₂

H₂S

N₂

H₂O

97,12

0,078

0,003

0,0009

0,0986

1,2818

1,23

Низшую теплоту сгорания находим по формуле (93,а)[1]

По формуле (94,а)[1] находим расход кислорода для сжигания коксового газа при коэффициенте воздуха n=1,0

Расход сухого воздуха при n=1,1(формула 95)[1]

По формулам (96,а)[1] находим состав продуктов сгорания:

Суммарный объем продуктов сгорания равен (формула 97)[1]

Процентный состав продуктов сгорания

Правильность расчета проверяем составлением материального баланса

Поступило, кг. Получено, кг.

Расхождение, определяемое погрешностью расчета составляет 0,09225кг.

Плотность газа равна ρ_г=0,8749кг/м³.

Плотность продуктов сгорания ρ_п.с.=13,73815/10,948=1,2548кг/м³.

По формуле (99)[1] определяем истинную энтальпию продуктов сгорания

Зададим температуру и при этой температуре по формуле (99,а)[1] находим энтальпию продуктов сгорания, используя приложение 2.

Поскольку принимаем температуру и снова находим энтальпию продуктов сгорания

Теперь по формуле (98)[1] определяем калориметрическую температуру горения газа рассматриваемого состава в заданных условиях

t_дейст=h_пир×t_к=(0,75¸0,85)t_к=0,80*2413,8=1931°С.

3. Расчёт времени нагрева металла.

Определим ориентировочные размеры печи. При однорядном расположении металла ширина печи равна:

B=l+2(0,2¸0.3)=10+2×0,25=10,5 м.

В печах с плоско-пламенными горелками свод выполняется не профилированным и по всей длине печи можно принять высоту свода равной Н=1 м.

Определение времени нагрева металла в печи:

- средняя в пределах зоны плотность результирующего потока на нагреваемый металл, Вт/м².

S – Расчетная толщина металла, м.

с средняя в интервале температур t_нач – t_кон теплоёмкость металла, КДж/кг×К.

r - плотность металла, кг/м³.

_кон – средняя по сечению температура металла в конце зоны, ⁰С.

_кон=

- то же в начале зоны, ^оС.

_нач=

Определим плотность потока результирующего излучения на металле:

,[]

- приведенный коэффициент излучения системы, Вт/м²К

С₀=5,7 [Вт/(м²К⁴)]

e_ф^’ и T_ф^’ – степень черноты и температура газов в зоне горения.

e_ф^’’ и T_ф^” – то же, в зоне теплообмена.

q^к_ф.конв. – плотность конвективного теплового потока от факела на кладку, Вт/м².

e_ми e_ф – степень черноты металла и кладки.

Определим температуру кладки:

, [К]

q^к_ф – плотность потока излучения от факела на кладку, Вт/м²

Можно принять, что температура зоны горения по всей длине печи равна действительной температуре горения топлива.

t_дейст=h_пир×t_к=(0,75¸0,85)t_к

Температуру газов в зоне теплообмена можно принять равной:

t_ф^’=t_действ=0,80×2413,8=1931^оС

t_ф^’’=0,5(t^’_ф+t_м^пов)

Из выражения следует, что температура зоны теплообмена меняется по всей длине печи.

Определим температуру центра изделия

t^пов – температура поверхности металла в сечении печи, ^оС.

q – плотность результирующего потока на металл в том же сечении, Вт/м².

l - коэффициент теплопроводности металла при средней температуре в рассматриваемом сечении, Вт/(м²К).

Принимаем, что проектируемая печь имеет три теплопроводные зоны: методическую, сварочную и томильную. В конце методической зоны, температура поверхности металла равна 600^оС, а в конце сварочной 1230^оС.

Время нагрева металла в методической зоне.

В начале методической зоны

t^’’_ф.нач=(t^’_ф+t^нач_м)×0,5=(1931+20)×0,5=975,5^оС

В конце методической зоны

t^’’_кон=(t^’_ф+t^кон_м)×0,5=(1931+1240)×0,5=1585,5^оС

Парциальные давления СО₂ и Н₂О в продуктах сгорания равны:

Р_СО2=СО₂*0,981=8,81*0,981=8,6 [кПа] , Р_Н2О=Н₂О*0,981=17,99*0,981=17,6 [кПа]

S_эф=1,8Н – эффективная длина луча.

Толщину зоны горения принимаем равной Н^’=0,1м.

Толщина зоны теплообмена

Н¢¢=Н - Н¢ - d=1-0,1-0,25=0,65 [м]

d - толщина металла, м.

Тогда S¢_эф=1,8×0,1=0,18 [м]; S¢¢_эф=1,8×0,75=1,35[м].

Для зоны горения

Р_СО2× S¢_эф=8,6×0,18=1,55[кПа×м]

Р_Н2О× S¢_эф=17,6×0,18=3,17[кПа×м]

По графикам на рис. 13 – 15 [Л1], при t^’_ф=1931^оС находим: e_СО2<0,028, e¢_Н2О<0,021, b=1,12.

Принимаем e¢_ф=0 из-за малой толщины слоя.

Это означает, что теплообмен между зоной горения и поверхностью кладки происходит за счёт конвекции.

Для зоны теплообмена

Р_СО2× S¢¢_эф=8,6×1,17=11,06[кПа×м]

Р_Н2О× S¢¢_эф=17,6×1,17=20,6[кПа×м]

По графикам на рис. 13 – 15 [Л1], находим в начале методической зоны (t^’’_ф=975,5) e_СО2=0,11, e¢_Н2О=0,18, b=1,09

e¢¢_ф=0,11+1,09×0,18=0,306

В конце методической зоны (t¢¢_ф=1585,5^о)

e_СО2=0,10, e¢_Н2О=0,14, b=1,09

e¢¢_ф=0,10+1,09×0,14=0,253

Плотность теплового потока излучением на кладку равна:

В начале методической зоны:

В конце методической зоны

Принимая значение коэффициента теплоотдачи от факела к кладке равным a_конв=150 Вт/(м²К), найдем плотность конвективного теплового потока q^к_ф.конв.. Для этого ориентировочно зададимся значением температуры кладки t_к=0,5×(t¢_ф+t¢¢_ф)

в начале методической зоны

t_к=0,5(1931+975,5)=1453 ^оС

q^к_ф.конв=150×(1931 - 1453)=71700 Вт/м²

Определим температуру кладки

При расчёте было принято, что e_м=e_к=0,8.

Поскольку получено большое расхождение между принятым и расчётным t_к принимаем новое значение температуры, равное среднему арифметическому из двух предыдущих.

t_к=0,5×(1453+872,2)=1162,6^оС

тогда q^к_ф.конв=150×(1931 – 1162,6)=115260Вт/м²

Находим величину плотности результирующего потока в металл в начале методической зоны. Для этого по уточнённому значению t_кнаходим:

q^к_ф.конв=150×(1931 – 969,2)=144270Вт/м²

и учитывая, что e¢_ф=0

в конце методической зоны:

t_к=0,5(1931+1145)=1538 ^оС

q^к_ф.конв=150×(1931 – 1538)=58950Вт/м²

Уточняем значение температуры кладки, задаваясь новой величиной

t_к=0,5(1538+954)=1246 ^оС, тогда

q^к_ф.конв=150×(1931 – 1246)=102750Вт/м²

Теперь

q^к_ф.конв=150×(1931 – 1056)=131250Вт/м²

Средняя по длине методической зоны плотность результирующего теплового потока на металл:

Находим температуру центра заготовки в конце методической зоны:

t^цент=

l=37,1 Вт/м×К – коэффициент теплопроводности низкоуглеродистой стали при t=1240^оС.

m =0,55 - коэффициент несимметричности нагрева.

d=а=0,25м – зазор, принимаем толщину сляба.

S=m×d=0,55×0,25=0,138м – расчётная толщина сляба.

Находим среднею температуру металла в начале зоны:

=0^оC

В конце зоны:

=^оС

При средне температуре металла по длине методической зоны по приложению IX[Л1], находим коэффициент теплопроводности низкоуглеродистой стали при температуре

0,5(0+734,6)=367,3^оС

l=51,3 Вт/(м×К), и удельную теплоемкость с=0,51 КДж/(кг×К).

Находим время нагрева металла в методической зоне:

t_м=

Время нагрева металла в сварочной зоне.

Так как началом сварочной зоны является конец методической, то из предыдущего расчёта берем:

e¢¢_ф=0,253, t^’’_ф=1585,5^оС, t^пов_м=1240_оС, t^цент_м=397,7^оС, t_к=1240 ^оС

В конце сварочной зоны:

t^пов_м=1230^оС, t¢¢_ф=0,5(1931+1230)=1580,5^оС.

По графикам на рис. 13 – 15 [Л1], находим в начале методической зоны (t^’’_ф=1580,5) e_СО2=0,078, e¢_Н2О=0,115, b=1,09

Р_СО2× S¢¢_эф=10,06[КПа×м]

Р_Н2О× S¢¢_эф=20,6[КПа×м]

e¢¢_ф=0,079+1,09×0,12=0,2098

Задаваясь значением t_к=(1931+1240)×0,5=1585^оС, находим:

q^к_ф.конв=150×(1931 – 1585)=18274Вт/м²

Уточняем значение температуры кладки:

t_к=(1585+1258)×0,5=1421,5^оС, тогда

q^к_ф.конв=150×(1931 – 1421,5)=76425Вт/м²

По уточненному значению Т_к находим

q^к_ф.конв=150×(1931 – 1293,3)=95655Вт/м²

Определяем среднюю по длине сварочной зоны плотность результирующего теплового потока на металл:

Температура центра сляба в конце сварочной зоны:

t^цент_м=

Определяем среднюю температуру металла

в начале зоны ==465^оС

в конце зоны =^оС

по длине зоны

0,5(465+1135,9)=800,45^оС

При 800,45^оС находим

с=0,695 КДж/(кг×К)

Время нагрева металла в сварочной зоне

t_св==

Время томления металла.

Перепад температур по сечению металла в начале томильной зоны:

Dt^том_нач=1230 – 1088,9=141,1^оС

в конце зоны

Dt^том=35^оС.

Степень выравнивания температуры

d_выр=Dt^том/Dt^том_нач=35/141,1=0,25

По графику на рис. 19 [Л1], находим F₀=1,8

Определяем среднюю температуру металла в томильной зоне:

=0,5[1135,9+1230-(1230-1195)]=1171,3^оС

а=5,83×10^-6м²/с.

тогда время томления металла:

Общее время нагрева

t=t_м+t_св+t_том=2682+6078+5879,8=14639,8с=4,07ч

Определим основные размеры печи

Для обеспечения производительности 215т/ч=111,11кг/с в печи должно одновременно находиться количество металла:

G=P×t=111,11×14639,8=1626,6·10³ кг

Масса одной заготовки

g=b×d×l×r=1,8×0,25×10×7800=35100 кг

Число заготовок одновременно находящихся в печи

n=G/g=1626,6·10³ /35100=46 шт.

С учётом зазоров (а=0,125)между заготовками длинна печи равна:

L=n(b+a)=46(1,8+0,125)=88,55 м

Нагревательные печи прокатных цехов 📙 Курсовая → 🆔 135908