Расчёт камерной печи для термообработки

Министерство образования  РФ

ГОУ  ВПО  УГТУ-УПИ

 

Кафедра теплофизики  и информатики в металлургии

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

 

 

 

Тема: « Расчёт камерной печи для термообработки »

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Руководитель:             Матюхин В.И.

Исполнитель:             Безматерных А.В.

                            студент гр. МЧМ

                           заочного обучения 

               

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Екатеринбург

2007

Введение

 

Основное назначение промышленной печи состоит в том, чтобы создать в её рабочем  пространстве, изолированном от окружающей среды, наиболее благоприятные условия для реализации соответствующего технологического процесса. Надёжно работающая печь с экономным и рациональным использованием её тепловой мощности является той базой, на основе которой можно успешно решать практически любые технологические вопросы.

При выборе конструкций  исходных данных, необходимых для  теплотехнического расчёта промышленной печи, следует прежде всего учитывать  особенности технологического процесса, осуществляемого в данном агрегате. Не зная технологий, практически невозможно грамотно спроектировать промышленную печь. В то же время очевидно, что нарушение технологических параметров процесса может оказать негативное влияние на количественные и качественные показатели реализуемого в печи технологического процесса.

Печи, которые работают при неподвижной садке изделий  в рабочем пространстве и в  которых осуществляют подобные температурный  и тепловой режимы, называют камерными печами.

В камерных печах, как  правило нагревают тела типа цилиндр. На металлургических заводах преобладают крупные камерные печи с выдвижным подом. Детали укладываются на под с учётом наиболее выгодной циркуляции печных газов. Под печи представляет собой футерованную выдвижную тележку на колёсах с роликовыми подшипниками, передвигающуюся по рельсам при помощи троса, связанного с электродвигателем.

Характерное отличие  большинства таких печей заключается  в том,  что вследствие своей  конструкции топка не может быть устроена под подом и, таким образом, под снизу не обогревается.

Камерные печи работают на мазуте, газе и иногда на электроэнергии. В настоящее время печи почти  повсеместно отапливаются газообразным топливом (природный газ) и работают в очень широком диапазоне  температур. Сгорание топлива в печах  происходит в рабочей камере.

Для лучшего нагрева  деталей форсунки или горелки  располагаются выше уровня пода: детали нагреваются за счёт лучеиспускания стенок и свода печи, а также  конвекции горячих газов. Нагрев садки, расположенной непосредственно  на поду печи, отстаёт от нагрева её верхних рядов. В печах новейших конструкций с выдвижным подом устраивают канализированный под с отводом горячих газов по его каналам, что создаёт более равномерный нагрев садки.

Для изготовления термических  печей применяют огнеупорные, изоляционные и металлические материалы, а также красный кирпич, бутовый камень и бетон.

Цель термической обработки  – придание металлу необходимых  свойств путём влияния на его  внутреннюю структуру. Следовательно  необходимо стремиться к равномерности  нагрева металла по толщине, по ширине и по длине.

При одной и той  же технологии рациональный теплотехнический режим термообработки может повысить качество выпускаемой продукции.    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                        1.Реферат

 

1. Применение камерных печей для термообработки.

 

Данные печи нашли  применение на предприятиях чёрной металлургии. В прокатных цехах широко используются садочные термические печи. В чёрной металлургии термической обработке  подвергаются самые разнообразные  виды горячекатонного и холоднокатонного металла.

Наиболее распространённым видом термической обработки горячекатонного проката является полный и изотермический отжиг. Для отжига применяют печи садочного типа с переменной во времени температурой (печи с выкатным подом).

В процессе термической  обработки повышается качество металла, что снижает его расход. Под  качеством в термических печах  понимают прежде всего равномерность  нагрева металла. Цель термической  обработки заключается в придании металлу необходимых свойств путём влияния на его внутреннюю структуру.

Металл в результате термообработки должен иметь одинаковые структуру и свойства, поэтому  необходимо стремиться  к максимально  возможной равномерности нагрева  металла по сечению и по длине. Во избежание перегревов температуру в термических печах поддерживают всего лишь на 50-70°С выше конечной температуры нагрева металла.    

 

 

 

             3. Теплотехнические расчёты

 

3.1 Расчёт горения топлива.

Все расчёты проведены в соответствии с учебным пособием «Теплотехнические расчёты металлургических печей» под ред. Телегина А.С.

Состав заданного природного газа:

СН₄=98,0%;  С₃Н₈=0,9%;  С₄Н₁₀=0,8%;  N₂=0,3%; содержание влаги в сухом газе g^с.г.=5,0г/м³; коэффициент расхода воздуха принимаем α=1,1;   химический недожог топлива q₃=0,02Q_н

 

3.1.1 Расчёт состава влажного газа

Содержание воды в газе определяем по формуле:

Н₂О^в.г.=0,1244·g/1+0,001244· g=0,1244·5,0/1+0,001244·5,0=0,62%

Затем вычисляем состав влажного газа

Х_вл=Х_сух·100-Н₂О^в.г./100;

СН₄=СН₄·(100-Н₂О^в.г./100)=98,0·(100-0,62/100)=97,4%;

С₃Н₈=0,9·0,99=0,9%;     С₄Н₁₀=0,8·0,99=0,8%;   N₂=0,3·0,99=0,3%;

После пересчёта состав влажного газа:

СН₄=97,4%;  С₃Н₈=0,9%;    С₄Н₁₀=0,8%;  N₂=0,3%;   Н₂О^в.г. =0,62%

 

3.1.2 Расход кислорода на горение:

V_О=0,01(m+0,25n)ΣС_mH_n= =0,01(2CH₄+5С₃Н₈+6,5С₄Н₁₀)=0,01(2·97,4+5·0,9+6,5·0,8)=                           

=2,04 м³/м³;

Теоретический расход воздуха:

L₀=(1+k) ·V_O=(1+3,76) ·2,04=9,71 м³/м³;

где k- отношение объёмных содержаний N₂ и О₂ в дутье (для атмосферного воздуха k=3,76)

Фактический расход воздуха

L_α=α·L₀=1,1·9,71=10,68 м³/м³;

Объёмы отдельных составляющих продуктов сгорания, м³/м³ газа;   υ_CО=0,01(СО₂+ mΣС_mH_n);

υ_CО=0,01(СН₄+3С₃Н₈+4С₄Н₁₀)=0,01(97,4+3·0,9+4·0,8)=1,03 м³/м³;

υ_НО=0,01(НО₂+0,5nΣС_mH_n);

υ_НО=0,01(Н₂О+2СН₄+4С₃Н₈+5С₄Н₁₀)=0,01(0,6+2·97,4+4·0,9+5·0,8)= =2,03 м³/м³;

υ_N=0,01N₂+α·k·V_O=0,01·0,3+1,1·3,76·2,04=8,440 м³/м³;

υ_О=(α-1)· V_O=(1,1-1)·2,04=0,204 м³/м³;

Тогда общее количество продуктов  сгорания (дыма):

V_α=υ_CО+υ_НО+υ_N+υ_О=1,03+2,03+8,44+0,204=11,704 м³/м³;

Состав продуктов сгорания (дыма):

СО₂=υ_CО / V_α·100%=1,03/11,704·100%=8,80%;

Н₂О=2,03·100/11,704=17,34%;   N₂=8,44·100/11,704=72,1%;

О₂=0,204·100/11,704=1,74%

 

Плотность продуктов сгорания:

ρ=0,01(44·СО₂+28N₂+18Н₂О+32О₂)/22,4=0,01(44·8,80+28·72,1+ +18·17,34+32·1,74)/22,4=1,238 кг/м³.

 

3. Теплота сгорания газа:

Q_н=358СН₄+913С₃Н₈+1185С₄Н₁₀=358·97,4+913·0,9+1185·0,8=   =36627 кДж/м³.

 

4. Расчёт температуры горения

Химическая энтальпия  продуктов сгорания, кДж/м³

а) без учёта химического  недожога

    i_x=Q_н/V_L=36627/11,704=3129;

б) с учётом химического недожога

    i_x=(1-0,02) Q_н/V_α=35894,46/11,704=3067;

Энтальпию газа и воздуха  определяем с помощью табл.14  (учебное  пособие по ред. Телегина А.С.)

Средняя теплоёмкость воздуха  при 20°С равна1,29кДж/(м³·°С)

Тогда  i_в=1,29·20=25,8≈26 кДж/м³.

Энтальпия природного газа при 20°С (см. для СН₄);

   I_г=1,55·20=31 кДж/м³.

Общая энтальпия продуктов  сгорания составит:

- без учёта химического  недожога 

    i_общ=i_x+ i_г/V_α+i_в·L_α/ V_α= =3067+31/11,704+26·10,68/11,704=3129+2,65+23,73=3155 кДж/м³;

- с учётом химического недожога

    i_общ=3067+2,65+23,73=3093 кДж/м³;

Содержание избыточного  воздуха в продуктах сгорания:

υ_L=(L_α - L₀)/ V_α·100%=(10,68-9,71)/11,704·100%=8,29%

Используя it-диаграмму (из приложения II) находим теоретическую температуру горения природного газа t_α=1850°С   и балансовую       t_α=1820°С

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3 Особенности печи, её  работы

 

Для термической обработки  проката применяют печи садочного  типа с переменной во времени температурой. Все эти печи имеют свои достоинства  и недостатки, которые сказываются на качестве обработки металла.

В садочных печах, где металл нагревается садками, т.е. многоштучно, в несколько слоёв достичь равномерности нагрева сложно. Для достижения равномерности и во избежание местных перегревов металл помещают в полуостывшую печь и стремятся обеспечить интенсивную циркуляцию газов с тем, чтобы горячие газы как можно равномернее омывали садку металла. В садочных печах специально устраивают длительные выдержки (при температурах в печи, незначительно превышающих конечную температуру нагрева металла) с тем, чтобы обеспечить равномерный нагрев всей массы садки.

Садочным печам присущи  многие теплотехнические недостатки. Они не соответствуют требованиям современного поточного производства. Основным теплотехническим недостатком садочных печей является значительный расход тепла на периодический нагрев кладки печи, а также потери тепла с выкатным подом.

Вместе с тем важнейшим  достоинством садочных печей является их универсальность - возможность создавать  в них самые разнообразные температурно-временные условия, осуществлять разные операции термической обработки металла. Эти печи являются незаменимыми, когда необходимо осуществить длительную технологическую выдержку металла при определённой его температуре. В подобных печах производят термическую обработку самой разнообразной продукции: сортового и листового проката, труб.

В настоящее время  печи почти повсеместно отапливаются газообразным топливом и работают в  очень широком диапазоне температур от отпуска до закалки. В газовых печах осуществляется наиболее полное смешение газа с воздухом, благодаря чему нет необходимости в специальной камере сгорания. Сгорание топлива в этих печах происходит в рабочей камере.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Используемая литература

 

1. Теплотехнические расчёты металлургических печей (под ред. Телегина А.С.)/   М., Металлургия, 1982г.
2. Гущин С.Н., Маркин В.П. Проектирование металлургических печей/  Методические указания к курсовому проектированию. Свердловск, изд. УПИ, 1985г.
3. Гущин С.Н., Казяев М.Д. Расчёты горения топлив. Екатеринбург, изд. УГТУ, 1995г.
4. Кривандин В.А., Егоров А.В. Тепловая работа и конструкций печей чёрной металлургии.   М., Металлургия, 1989г. 
5. Рустем С.Л. Оборудование и проектирование термических цехов.   М., ГНТИ, 1962г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Описание конструкции и тепловой работы агрегата

 

Камерные печи для  термической обработки с изменяющейся рабочей температурой применяются  в прокатных цехах. В этих печах  изделия нагреваются большими садками, имеющими объём, соизмеримый с объёмом нагревательной камеры.

Изделия помещаются в  рабочее пространство единовременно  или в течении короткого промежутка времени, поэтому в начале операции тепловой обработки наблюдается  понижение температуры газов  и стенок, а затем по мере нагревания изделий, все температуры повышаются.

По достижении заданной температуры на поверхности производится выдержка, необходимая для выравнивания температуры по поверхности и  в объёме изделий.

Для загрузки печи и последующей  выдачи изделий делается выдвижной под. Ввиду сложных происходящих совместно процессов движения, горении теплообмена в рабочем пространстве, в значительной мере заполненном техническими материалами, конструирование этих печей производят на основе опыта эксплуатации подобных печей или отыскивая оптимальный вариант путём физического моделирования.

Объём рабочего пространства складывается из свободного объёма и  объёма занятого нагреваемым материалом. Свободный объём необходим для сжигания топлива и движения газов – носителей тепла.

Наиболее распространёнными  формами рабочего пространства печей  является прямоугольный параллелепипед шириной Д, высотой Н_Σ и длиной L.

При конструировании  горизонтальных печей важнейшим  является определение поперечного  сечения рабочего пространства (см. рис. 2). Если благодаря правильному размещению топливосжигающих устройств, каналов для удаления отходящих газов и садки нагреваемых материалов удаётся обеспечить равномерную передачу тепла на поверхности изделий в поперечных сечениях, то длина поверхности печи L_n не будет оказывать влияние на равномерность нагрева изделий.

Увеличение ширины Д  возможно в пределах дальнобойности газовых струй, вводимых через горелки  под садку и над нею. Обычно Д≤7м.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2 Конструкция камерной печи с  изменяющееся рабочей температурой.

 

Наличие горизонтальных промежутков между изделиями  даёт возможность проникновения  газов внутрь садки, как сверху, так  и снизу. Этим обеспечивается её нагрев не только снаружи, но и изнутри, позволяющий осуществить тепловую обработку наиболее быстро, особенно при горении газов во всём свободном пространстве. Для подведения газов к садке сверху и снизу необходимы проходы следующей высоты:  над садкой – d_ф,               под садкой – h. Последний создаётся подстановками, на которую опирается садка.

Практически проницающая  для газов садка, состоящая из многих изделии, не может иметь высоту более 1,5 – 2м; т.к. при превышении этого значения начинают отставать в нагреве изделия, находящиеся на середине указанной высоты. В таком случае расстояние от пода до свода не может быть больше 3м. В каждом промежутке между подставками должны находиться и горелки, и дымовые каналы, благодаря чему там создаётся циркуляция газов, благоприятствующая быстрому и равномерному нагреву изделии.

Необходимо обращать внимание на то, чтобы входящие в садку газы не перегревали отдельных изделий. В случае, показанном на рис. 28а предусмотрена установка горелок в шахматном порядке, и указанная опасность перегрева маловероятна. Надо отметить, что к термическим печам предъявляются повышенные требования по точности и равномерности нагрева изделий.

В рассматриваемой печи имеется петлевой металлический  рекуператор, в котором воздух нагревается  до 400°С и горелки ДВС60 с коэффициентом  расхода воздуха α =1,05.

Главным считается качество термически обрабатываемой продукции, поэтому соображения экономии топлива и достижения высокой производительности не играют существенной роли.

Для горизонтальных термических  печей невозможно указать какие-либо общие или средние показатели удельной производительности и удельного расхода топлива.                                

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

                                                                                                             Стр.

Введение………………………………………………………......

 

1. Реферат …………………………………………………………
0. Применение печей………………………………………………..
0. Тепловая схема работы…………………………………………..
0. Особенности печи и её работы…………………………………..
2. Описание конструкции и тепловой работы агрегата……….

     3. Теплотехнические расчёты……………………………………

     3.1 Полный  расчёт горения топлива…………………………….

     3.2 Компоновка  рабочего пространства…………………………

     3.3 Расчёт  нагрева металла……………………………………….

     3.4 Расчёт  теплового баланса……………………………………..

     Заключение  ………………………………………………………..

   

     Список используемой литературы ………………………………

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                  1.2 Тепловая схема работы

 

В камерных печах нагреваемый  металл неподвижен. Поэтому конструкция камерной печи и эксплутационный режим должен быть таким чтобы во всех частях рабочего пространства обеспечивались одинаковые условия подачи тепла к нагреваемому металлу.

В садочных печах с расположением горелок непосредственно в рабочем пространстве необходимое количество тепла поступает в печь при сжигании топлива в этих горелках. Для поддержания требуемого температурного уровня необходимо обеспечивать сжигание определённого количества топлива при осуществлении целесообразной циркуляции газов.

Нами рассматривается  камерная горизонтальная печь, предназначенная  для термообработки стальных заготовок. Для печи такого типа характерны два  периода нагрева: непосредственно  нагрев (около 40мин.) и период выдержки (около 23ч.). В течечение периода нагрева повышается температура печи и поверхности садки металла. По достижении необходимой температуры поверхности садки температура печи остаётся неизменной и наступает период прогрева садки по её объёму и по толщине элементов её составляющих. В течение 1 периода расход топлива находится на максимальном уровне или постепенно понижается от max до min, соответствующего периоду выдержки.

Печь обычно отапливают газообразным топливом, для этого  предусмотрено два ряда горелок  расположенных в шахматном порядке. Дымовые газы удаляются в боров через отводящие каналы расположенные попарно в середине и по концам печи. В печах с выкатным подом стремятся применять циркуляцию газов, для чего используют подставки под садку, обеспечивающие свободный проход газов под садкой. Между сводом и садкой также должно быть свободное пространство, достаточное для беспрепятственного прохода газов от верхних горелок. Весьма важным (с точки зрения обеспечения равномерности нагрева садки) является взаимное расположение элементов садки и горелок.

Шахматное расположение горелок обеспечивает циркуляцию продуктов сгорания и в поперечном сечении в вертикальной плоскости и в продольном сечении печи. Таким образом, шахматное расположение горелок обеспечивает циркуляцию продуктов сгорания, что создаёт равномерную теплоотдачу продуктов сгорания к поверхности заготовок во всём объёме печи. Для удаления холодного воздуха, который попадает в рабочее пространство печи через неплотности предназначены дымовые каналы. Равномерность нагрева прямо пропорционально зависит от числа горелок, а газовые потоки принято направлять вокруг садки.           

 

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Расчёт нагрева металла

 

Приводим к телу с  одномерным температурным полем.

 

L=d/2=0,6/2=0,30м

 

F_м=k_ф·V_м=2·9,23/0,30=61,53м³

 

Где  L - определяющий размер тела

Где  k_ф - коэффициент формы тела, для цилиндра k_ф=2

 

Эффективная поверхность  нагреваемого металла:

 

F_м= F_м+2Пd²/4=61,52+2·3,14(0,6)²/4=62,090м²

Начальное тепловое состояние  металла:

t_мо=20°С

t_со=20°С

t_по=20°С

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

В курсовой работе произвели  расчёт камерной печи для термообработки цилиндрических стальных заготовок (сталь 40Х) с диаметром 280мм и длиной 5000мм. Масса садки 72т. Для расчёта приняли  камерную горизонтальную печь периодического действия с выдвижным подом, с переменным температурным режимом. В печи имеется петлевой металлический рекуператор, в котором воздух нагревается до 400°С и горелки ДВС60.

Для расчёта горения  топлива использовали состав природного газа Заполярного месторождения. Балансовая температура горения природного газа составила t_α=2200°С.

В результате расчёта  рабочего пространства печи длина пода составила - 5,3м; ширина пода - 2,9м; общая  высота печи – 2,5м. Для равномерности  нагрева насадки применяем подвесной свод, горелки размещаем в рабочем пространстве в шахматном порядке в количестве 6 шт. Коэффициент заполнения объёма печи К_з=0,25.

Привели печь к модели тела с одномерным температурным  полем и рассчитали 2 периода нагрева: первый период нагрева (τ₁=0,65ч) и период выдержки (τ₂=0,6ч).

Расчёт теплого баланса  показал что основной расход тепла (80%) связан с затратами на нагрев металла потери тепла с дымовыми газами составили около (7%). Свести к  минимуму подсос воздуха из окружающей среды и выбивание дымовых газов возможно за счёт улучшения обмазки щелей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Компановка рабочего пространства

 

Продолжительность нагрева  заготовок.

 

τ_{пр =} g_ш / р_а.п. (1+ с/S_г) S_г l = 2000/287,36^. 0,5^. 6=2,32ч (8352сек.)