Печь с шагающим подом
Содержание
1 Общая часть
1.1 Введение
1.2 Описание конструкции и принцип работы печи . 3
2 Расчетная часть
2.1 Расчет горения топлива
2.2 Расчет времени нагрева заготовок . 12
2.3 Определение
основных размеров печи
2.4 Подбор строительных
элементов и материалов
2.5 Составление теплового баланса . . 19
2.6 Расчет высоты
дымовой трубы
2.7 Подбор и расчет
топливосжигающего устройства
2.8 Расчет и подбор
вентилятора
2.9 Техника безопасности
3 Заключение
Перечень используемой литературы . . .
1 Общая часть
1.1 Введение
Печь может быть определена как устройство, в котором происходит образование тепла из какого-либо вида энергии и передача его нагреваемому материалу. Нагрев материала преследует различные технологические цели: плавление, термическую обработку, нагрев перед обработкой давлением, сушку и т.д., но во всех случаях главными процессами, определяющие конструкцию и работу печей различного технологического назначения, являются: превращение энергии в тепло и передача тепла материалу.
Разнообразие промышленных печей, используемых в литейном производстве, вызывает необходимость подразделения их на основные группы. в основу классификации должен быть положен процесс или признак, наиболее существенно определяющий работу и конструкцию печи.
Профессором М. А. Глинковым сформулированы основные положения общей теории тепловой работы печей, в соответствии с которой все печи разделяются на две основные группы: печи-теплогенераторы и печи-теплообменники.
В печах-теплогенераторах выделение тепла происходит в самом нагреваемом или расплавляемом материале за счет протекающих в нем экзотермических химических реакций или за счет подвода к нему электрической энергии. к ним относятся конвертеры, индукционные печи и те печи сопротивления, в которых тепло выделяется в самом изделии при протекании по нему электрического тока. Внешний теплообмен, т.е. теплообмен с окружающей средой, не играет в этих печах существенной роли.
В печах-теплообменниках тепло, выделяющееся в печи, передается обрабатываемому материалу. В зависимости от способа передачи тепла режимы работы печей-теплообменников разделяются и рассматриваются по признаку теплообмена в рабочем пространстве. Теплообмен является главным процессом, общим для всей этой группы печей и определяющим их производительность. [3, с. 195]
Во всех этих
печах протекают процессы превращения,
какого либо вида
энергии в тепловую и затем передача
этой теплоты к расплавляемому, нагреваемому
или сушимому материалу.
По способу генерации теплоты все печи подразделяются на топливные, где теплота выделяется за счет горения топлива, и электрические, где электроэнергия преобразуется в теплоту электрической дугой, нагревательными элементами сопротивления или индукцией.
Работа печей характеризуется тепловой мощностью, тепловой нагрузкой, температурным и тепловым режимами.
Тепловая мощность выражается в кВт; это наибольшее количество теплоты, которое можно подать в печь. Тепловая нагрузка - это количество теплоты, которое фактически подается в печь. Температурный режим - это изменение температуры печи во времени. Тепловой режим - это изменение тепловой нагрузки во времени.
По тепловому режиму печи подразделяются на печи, работающие по камерному режиму, и печи, работающие по методическому режиму. В печах, работающих по камерному режиму, температура рабочего пространства остается постоянной на протяжении всего времени работы печи. В печах, работающих по методическому режиму, температура в печи изменяется по длине печи или во времени. [2, с.134]
Нагрев листового и профильного металла под штамповку, вытяжку или гибку удобно производить в механизированных печах с роликовым подом, с шагающими балками и в толкательных печах, а более легких листов – в конвейерных печах. [3, с.232]
1.2 Описание конструкции и принцип работы печи
Конструкция печи с шагающим подом представлена на рисунке 1. В поде печи различают неподвижную и подвижную части. Неподвижной является средняя балка 1. Когда подвижная пара балок 3 находится в опущенном состоянии, металл лежит на средней, неподвижной балке 1 и керамических бортиках 2.
Последовательность перемещения металла
в печи данной конструкции следующая:
металл приподнимается шагающими
балками 3, балки совершают движение вперед
и затем опускаются, положив металл на
балку 1 и бортики 2. За один поворот кривошипа
балки поднимают и передвигают нагреваемые
изделия вперед на 200мм, а сами возвращаются
в исходное положение. Подобное движение
(вверх - вперед - вниз - назад и снова вверх)
шагающие балки совершают непрерывно,
в результате чего металл передвигается
от окна загрузки к окну выдачи. У окна
выдачи лист подхватывается конвейером
и выдается из печи.
Температура в печах с шагающим подом одинакова по длине рабочего пространства. Обычно она составляет около 1000-10500С. Металл нагревается до 900-9500С. Печи обычно отапливаются холодным газообразным топливом при помощи горелок 4, расположенных над листом или под ним. Горелки расположены равномерно по всей длине печи, дымовые газы удаляются из печи под зонт через рабочие окна и специальные, выполненные в своде каналы 5.
Печи с шагающим подом обеспечивают удельную производительность около 400-450кг/м2час, при удельном расходе тепла около 500ккал/кг.
Печам с шагающим
подом присущи следующие
Это не позволяет
полностью использовать возможное
увеличение производительности печи при изменении
толщины нагреваемого металла; балки,
балки,
выполненные из жаропрочных
сталей и работающие при довольно высоких
температурах, часто коробятся и заклиниваются
в пазах 6, предусмотренных для их перемещения;
через пазы, для перемещения балок, в печь
подсасывается значительное количество
холодного воздуха из атмосферы, который
приводит к излишнему расходу топлива
и сильному окислению металла. Иногда
неравномерность прогрева листа достигает
100-1500С, что совершенно недопустимо.
Окисление металла
можно несколько уменьшить
В таком виде стопка проходит через печь и основному окислению подвергаются покрывающие листы.
Вследствие указанных недостатков печи с шагающим подом, они не получили широкого распространения. Для нагрева листов более универсальными по сравнению с печами с шагающим подом, является толкательные печи с движением листов по роликам.[4, c.345]
2 Расчетная часть
2.1 Расчет горения топлива
При расчете горения топлив определяют количество воздуха, необходимое для горения единицы данного топлива, количество и состав продуктов горения, температуру горения.
Топливо - это горючие вещества, при горении которых выделяется теплота, используемая для промышленных или бытовых нужд.
К веществу, используемому в качестве топлива, предъявляются следующие основные требования: его природные запасы должны быть достаточно велики; его добыча или получение должно быть экономически выгодной; оно должно содержать минимальное количество инертных примесей и выдерживать длительное хранение без существенного изменения свойств. [3, с.7]
Различные виды топлив классифицируют по нескольким важнейшим признакам, а именно: по агрегатному состоянию, происхождению и отношению к нагреву.
По агрегатному состоянию виды топлив разделяют на твердое, жидкое и газообразное. По происхождению - на естественные и искусственные. По отношению к нагреву все виды топлив подразделяются на теплостойкие и теплонестойкие. Топливо характеризуется химическим составом, теплотой сгорания, температурой горения и поведением при нагреве. [2, с.6]
Расчет горения топлива начинают с определения теплоты сгорания топлива Qнр, кДж/м3 по формуле Менделеева:
Qнр=126СО+108Н2+358СН4+590С2Н4
где СО, Н2, СН4, С2Н4, Н2S -содержание их в сухом газообразном топливе, %;
Составим таблицу расчета горения топлива (таблица 1).
Коэффициент расхода топлива,
n, определяется по формуле:
,
где - теплота сгорания топлива, кДж/м3;
V0 - суммарное количество продуктов горения (из таблицы 1), м3;
lmin - 1460;
l0 - суммарное количество воздуха, м3;
Рассчитаем материальный баланс.
Поступило:
СН4 = 16·92,9=1486,4 кг
С2Н6 = 30·6 = 180 кг
С3Н8 = 44·0,5 = 22 кг
С5Н12 = 72·0,5 = 36 кг
СО2 = 44·01 = 4,4 кг
N2 = 28·0,1 = 2,8 кг
О2 = 32·245,1 = 7843,2 кг
N2 = 28·922,09 = 25818,52 кг
Найдем суммарное значение всех поступивших элементов:
∑прих
= 1486,4+180+22+36+4,4+2,8+7843,
Получено:
СО2 = 44 · 108,5 = 4774 кг
Н2О = 18 · 208,8 = 3758,4 кг
N2 = 28 · 922,19 = 25821,32 кг
О2 = 32 · 33,8 = 1081,6 кг
Найдем суммарное значение
всех полученных продуктов горения:
Правильность расчета горения газообразного топлива проверим составлением материального баланса. Материальный баланс составляют на основании закона сохранения массы, по формуле:
(5)
Определим погрешность δ, % выполненных расчетов (допускается погрешность в расчетах до 0,5%), по формуле:
, (6)
Определим плотность продуктов горения , кг/м3 по формуле:
где Vn - суммарное количество продуктов горения с учетом коэффициента расхода топлива, м3;
Определим количество воздуха Ln, м3/м3 необходимого для сжигания 1м3 газа по формуле:
Объем полученных продуктов горения Vn, м3/м3 при сжигании 1м3 газа, определяется по формуле:
Действительное теплосодержание lg, кДж/м3 1м3 продуктов горения, определяется по формуле:
,
По значению, полученного теплосодержания lg и приложению 1 [3, c.345] примерно определим соответствующую ему теоретическую температуру:
t1 = 1600 0C. Найдем значение t2 по формуле:
t2=1600+100=17000C
Теплосодержание lg1 , кДж/м3 продуктов горения при температурах t1 и t2 определяется по формуле: при t1
, (12)
где К - процентное содержание продукта горения, %
- удельная теплоемкость данного газа при t1 , кДж/м3* 0С.
Теплосодержание lg2 , кДж/м3 продуктов горения при температурах t1 и t2 определяется по формуле: при t2
, (13)
где - удельная теплоемкость данного газа при t2 , кДж/м3* 0С.
10) Проводим проверку расчетов по формуле:
2568,14<2612,584<2746,07
11) Конечная температура tk , 0C продуктов горения определяется по формуле:
12) Действительная температура tдейст ,0С продуктов горения определяется по формуле:
,
где ŋ - опытный пирометрический коэффициент (0,62-0,82)
2.2 Расчет времени нагрева заготовок
Нагрев металла - это процесс или предшествующий обработке его давлением или входящий как основная часть в процесс термической обработки металла. От качества нагрева зависит и качество конечной продукции и условия работы кузнечного оборудования. При нагреве металла предъявляются определенные требования к скорости изменения температуры нагреваемых заготовок.
Чрезмерно высокая скорость нагрева может вызвать внутреннее напряжения, которые приведут к образованию трещин. Температурой нагрева метла называют конечную температуру, при которой металл выдается из печи; эта температура определяется упругими и прочностными свойствами металла.
С точки зрения производительности печи температурный режим нагрева
металла должен всегда обеспечивать максимально возможную скорость нагрева, а снижение скорости нагрева следует производить в случае нагрева металлов, склонных к образованию трещин.
Продолжительность нагрева металла зависит от ряда факторов, которые могут быть разделены в основном на две группы: определяющие внешний теплообмен, т.е. теплоотдачу от газовой среды и кладки печи к поверхности металла; определяющие внутренний теплообмен, т.е. теплоотдачу от поверхности металла внутрь его: теплопроводность, теплоемкость, плотность нагреваемого металла и его толщина. При Bi<0,25 нагреваемый металл относится к тонким телам и характеризуется отсутствием перепада температуры по сечению. При Bi>0,5 нагреваемый металл относится к массивным телам. [3, с. 121].
Определим некоторые значения, которые будут использованы в расчетах:
удельную теплоемкость с, ккал/кг·град по таблице 9 [5, с.92] с=0,1678; теплопроводность материала λ, ккал/м·час·град по таблице 7 [5, с.76] λ=23,6; коэффициент теплоотдачи α, Вт/м2·0С по рисунку 30 [5, c.83] α=120 (ккал/м2·час· град).
Критерий Bi, м2/час определяется по формуле:
(17)
где α - суммарный коэффициент теплоотдачи, Вт/м2·0С;
s - радиус цилиндра, м;
λ - теплопроводность материала, ккал/м·час·град;
Определим относительную температуру или температурный критерий Q, по формуле:
, (18)
где tп- температура печи, 0С
t- температура какой-либо точки тела, 0С
tнач- начальная температура тела, 0С
По графику рис 37 [5, с.103] находим, что при Q=0,098 и Bi=0,1017 критерий Фурье Fo=14. Определим значение коэффициента теплопроводности а, ккал/м·час·град, по формуле:
,
где с - теплоемкость тела, ккал/кг·град;
ρ - плотность металла, 7860 кг/м3;
Определим время t, мин по формуле:
,
2.3 Определение основных размеров печи
Для обеспечения заданной производительности в печи должно постоянно находиться следующие количество металла.
Определим количество металла G, кг/ч проходящего через печь в течении часа по формуле:
,
где П - производительность печи, кг/ч;
t - время нагрева заготовки, ч;
Определяем массу т, кг одной заготовки по формуле:
m=V·ρ,
где ρ - плотность заготовки, 7860 кг/м3
V - объем заготовки, определяем по формуле:
, (23)
где d - диаметр заготовки, м;
l - длина заготовки, м.
m=0,00314·7860=24,68кг
Количество заготовок в печи n, шт. определяется по формуле:
, (24)
Обычно при n>200 (шт.) делают двух рядную печь.
Рисунок 2 - Расположения заготовок в два ряда в печи.
При двухрядном расположении заготовок длина печи l, м определяется по формуле:
,
где a - диаметр заготовки, м;
n - количество заготовок, м.
Ширина печи В, м определяется по формуле:
В=2·l+2·0,25, (26)
В=2·2,5+2·0,25=5,5
Определим площадь активного пода Fа , м2 по формуле:
,
где l - длина печи, м;
l’ - длина заготовки, м
Определим площадь габаритного пода FГ , м2 по формуле:
,
где l - длина печи, м;
b - ширина печи, м;
2.4 Подбор строительных элементов и материалов
Фундамент. Большинство промышленных печей возводится на специально сооружаемом фундаменте, назначение которого – равномерное распределение давления от печи на грунт. Размеры подошвы фундамента определяются допустимым давлением на грунт, которое колеблется в пределах 15-60 кН/м2. Для большинства промышленных печей давление на грунт не превышает 10 кН/м2, в связи с чем размеры фундамента под них часто проектируют исходя из конструктивных соображений.
Фундаменты под печи и связанные с ними механизмы, а также борова, трубы и т.д. проектируют не связанными между собой во избежание перекосов из-за различной массы указанных элементов.
Чтобы избежать проникновения грунтовых вод в теплообменники, регенераторы или борова, необходимо предусматривать водонепроницаемый кессон или устраивать общий дренаж площади, занимаемой печью и примыкающими к ней устройствами.
Геометрическая форма фундамента может быть разной, например, изображена на рисунке 3.
Рисунок 3 - Фундамент печи.
Фундамент состоит из: анкереных болтов 1; опоры 2; консоли 3; подошвы 4; бетонной подушки (бутовой кладки) и изоляционного слоя. Изоляционный слой обязателен в тех случаях, когда бетонная подушка может нагреваться до 500-600 0К, так как при более высоких температурах бетон теряет свою прочность. Поверх фундамента выкладывается выстилка, служащая основанием для дальнейшей кладки печи. Небольшие печи машиностроительных заводов часто строят без фундамента, непосредственно на полу цеха. [3. с.190]
Каркас печи возводят на фундаменте. Назначение каркаса - воспринимать усилия, возникающие от массы металла или другого материала, находящегося в печи, футеровки печи и других элементов, которые крепятся на каркасе. Каркас печи может быть стационарным ( например, у вагранки) и нестационарным (индукционный миксер барабанного типа). Конструкция каркаса зависит от типа печи. При применении жесткого каркаса в кладке печи оставляют температурные швы для компенсации температурного расширения кладки. Жесткий каркас заставляет кладку расширяться в сторону температурного шва. Подвижные каркасы, имеющие не жесткие, а регулируемые болтовые связи, практически не применяют на печах литейного производства.
Под печи выкладывают чаще всего на стальные
листы, опирающиеся на балки или прямо
на фундамент. Зазор между подом и фундаментом,
образуемый с помощью подподовых балок,
оставляют для того, чтобы обеспечить
циркуляцию воздуха во избежание перегрева
низа пода и верха фундамента. Под всегда
делают многослойным. Нижние слои, называемые
выстилкой, выкладывают из теплоизоляционного
кирпича и низких сортов огнеупорного
кирпича, а верхние слои – из огнеупорного. При кладке пода обеспечивают
тщательную перевязку швов. Ряды кирпичей
кладут вперемешку – то на плашку, то на ребро; самый верхний
ряд кладут всегда на ребро. Такая кладка
лучше противостоит механическим воздействиям,
испытываемым поверхностью пода..
Стены печи выкладывают из кирпичей на плашку. Стены делают многослойными; внутренний слой – огнеупорный, а наружный - теплоизоляционный. Промежуточные слои состоят из легковесного огнеупора или огнеупорного кирпича низких сортов. В стенах печей имеются отверстия: рабочие и смотровые окна, отверстия для горелок и форсунок и т.д. Эти отверстия не должны ослаблять кладку. Для этого вокруг отверстия изоляционный кирпич не выкладывают, а напускают до кожуха огнеупорный кирпич. Окна перекрывают арками или специальными плитами. С наружной стороны рабочие окна армируют рамами. Стены нагревательных печей делают вертикальными, а плавильных – наклонными к наружной стороне с целью увеличения их стойкости. При кладке стен печей, так же как и при кладке пода, вертикальные швы перевязывают.
Своды печей выполняют в виде арок и плоских перекрытий. Плоские своды делают подвесными. Своды широких печей делают плоскоподвесными. Арочные своды набирают из прямых и клиновых кирпичей, а плоские – из специальных кирпичей, которые можно подвешивать. Арочные своды опираются на пятовый кирпич, уложенный на подпятовую балку, воспринимающую распорное усилие и передающую это усилие на каркас. На некоторых печах устанавливают съемные своды; такие своды опираются на металлическую раму. Своды высокотемпературных печей кладут насухо, и после окончания кладки швы уплотняют, подсыпая порошок, изготовленный из сводового материала.
Температурные
швы предусматривают для
при нагреве. При проектировании футеровки
печей для различного материала
кладки на 1 м кладки в зависимости
от свойств огнеупорных материалов
принимают следующие толщины температурных
швов (мм): шамотный 5-6, динасовый 12-16, магнезитохромитовый
и хромомагнезитовый 14-18 и т.д. При многослойной
футеровке температурные швы располагают
вразбежку по толщине кладки. По высоте
стены температурные швы могут быть непрерывные
и в разбежку.
Футеровка любой печи должна быть прочной, плотной и долговечной. Эти качества футеровки определяются двумя решающими факторами: правильным подбором материалов и хорошим качеством выполнения работ.
При выполнении
простой кирпичной или
В большинстве случаев кирпичи укладывают на плашку, но в подах и сводах часто кладут на ребро и на торец. Температурные швы между кирпичами, как правило, перевязывают. Перевязку температурных швов осуществляют, смещая кирпичи последующего ряда на ½,¼ и ¾ кирпича. Огнеупорный слой с изоляционным слоем обычно не перевязывают. Как правило, для крепления изоляционного слоя делают напуски огнеупорного кирпича через 4-8 рядов. Футеровка печи состоит из пода, стен и свода. [2, c.122-126]
2.5 Составление теплового баланса
Тепловой баланс печей является важной характеристикой их тепловой работы. Тепловой баланс является выражением закона сохранения энергии применительно к промышленной печи.
С помощью теплового баланса печи определяют
расход топлива или электроэнергии за
единицу времени. Для печей непрерывного
действия определяю часовой расход топлива
или электроэнергии, а для печей периодического
действия - период работы печи. Большинство
печей литейного производства – непрерывного действия, поэтому рассмотрим
методику составления теплового баланса
для этих печей.
Тепловой баланс состоит из двух количественно одинаковых частей: прихода и расхода.
Определим расход топлива и составим тепловой баланс камерной печи непрерывного действия.
Статьи приходной части теплового баланса за 1 час.
Определим химическую теплоту сгорания топлива , кДж/ч по формуле:
, (29)
где - низшая теплота сгорания топлива, кДж/м3;
В - расход топлива (искомая величина), м3/ч;
Определим физическую
теплоту подогретого воздуха Qф
, (30)
где Св - средняя удельная теплоемкость воздуха в интервале температур от 0 до tв , Св = 1300 кДж/(м3·0С);
- температура подогретого воздуха, в интервале температур от 25 до 1200С принимаю =1000С;
Ln - количество избытка воздуха, м3/м3;
Определим физическую
теплоту подогретого топлива Qф
, (31)
где Ст - удельная теплоемкость топлива, в интервале температур от 0 до tт , кДж/м3·0С;
- температура подогретого топлива, 0С.
Определим теплоту выделяемую при окислении металла Qэкз , кДж/ч по формуле:
, (32)
где Gм-количество металла включая тару проходящая через печь в течении часа
δ - угар металла (для нагревательных печей 2%, для термических 1%)
Определим сумма прихода тепловой энергии ∑прих , по формуле:
, (33)
Статьи расходной части теплового баланса за 1 час.
