Реконструкция башенной печи для отжига трансформаторной полосы

Аннотация

 

В данном проекте предлагается провести реконструкцию камеры нагрева  электрической башенной печи НЛМК для  светлого обезуглероживающего отжига полосы из трансформаторной стали, заменив первые два прохода на камеру подогрева с газовым отоплением. В первом проходе устанавливаются блоки струйной обдувки, нагревающие полосу продуктами сгорания от радиационных труб, установленных во втором проходе камеры подогрева.

В проекте произведен сравнительный  тепловой расчет камеры нагрева протяжной  башенной печи до реконструкции с  электронагревом полосы и после реконструкции – с газовым нагревом. Для первого прохода разработана конструкция и выбраны параметры блоков струйной обдувки, для второго прохода выбраны и размещены радиационные трубы.

Разработана система автоматического  контроля и регулирования камеры подогрева и нагрева печи после  реконструкции.

Рассмотрены вопросы охраны труда и безопасности процесса обслуживания печи.

Разработан комплекс проектных  решений организационного и экономического характера.

Определена себестоимость  продукции. Произведен расчет экономической  эффективности проектных решений.

Произведен расчет выбросов оксидов азота и параметров системы  рассеивания вредных веществ.

Рассмотрено и проанализировано электроснабжение и электрооборудование.

Пояснительная записка к  дипломному проекту изложена на 107 страницах, содержит  5 рисунков, 40 таблиц, 137 формул, список использованных источников из 22 наименований.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ведомость дипломного проекта

 

Формат	Обозначение		Наименование			Количество листов		Примечание
А4			Пояснительная записка			107
А1	016.Д.2011.04.061.ВО.		Реконструкция башенной печи для отжига трансформаторной полосы. Компоновка в цехе. План.			1
А1	016.Д.2011.04.061.ВО.		Реконструкция башенной печи для отжига трансформаторной полосы. Блоки струйной обдувки.			1
А2х3	016.Д.2011.04.061.ВО.		Труба радиационная U-образная ТРУ(dг6,3) 152х2312			1
А2х3	016.Д.2011.04.061.ВО.		Реконструкция башенной печи для отжига трансформаторной полосы. Общие данные. Разрез А-А.			1
А2	016.Д.2011.04.061.ВО.		Реконструкция башенной печи для отжига трансформаторной полосы. Разрез Б-Б.			1
А2х3	016.Д.2011.04.061.ВО.		Реконструкция башенной печи для отжига трансформаторной полосы. Схема автоматизации.			1
			Подпись	Дата	Ведомость дипломного проекта		Литера   У Лист   1 Листов   1
Студент		Ю.А. Рытикова
Рук.проекта		В.Л. Гусовский
Зав.кафедрой		В.В. Курносов					Группа
							ЭТ-0	5-1в

 

Содержание 

 

	Стр.
Введение	9
1 Общая характеристика и область  применения протяжных печей 1.1 Область  применения и общие характеристики, преимущества и           недостатки 1.2 Расчет  протяжных печей с атмосферой  контролируемого состава 1.3 Обеспечение  предварительного газового нагрева  и глубокого  использования тепла 1.4 Описание камеры подогрева	12   12 14   15 15
2 Тепловой расчет  камеры нагрева башенной печи до и после реконструкции 2.1 Расчет нагрева полосы  в камере нагрева башенной  печи до реконструкции 2.1.1 Тепловой баланс  камеры нагрева до реконструкции 2.1.1.1 Приход тепла 2.1.1.2 Расход тепла 2.2 Расчет камер подогрева  и нагрева башенной печи после реконструкции 2.3 Расчет горения топлива 2.3.1 Определение расхода  воздуха, состава и количества  продуктов сгорания 2.3.2 Составление материального  баланса 2.3.3 Расчет калориметрической  температуры 2.4 Расчет нагрева полосы  в проходе струйной обдувки  камеры  подогрева 2.5 Расчет нагрева полосы  в проходе камеры подогрева  с  радиационными трубами 2.6 Расчет нагрева полосы  в камере нагрева после камеры  подогрева 2.7 Тепловой баланс камеры  подогрева 2.7.1 Тепловой баланс  для прохода с радиационными  трубами	16   16 26 26 26   28 28   29 30 31   32   34 40 45 45
2.7.1.1 Приход тепла	45
2.7.1.2 Расход тепла	46
2.7.2 Тепловой  баланс  для прохода с блоками струйной обдувки	48
2.7.2.1 Приход тепла	48
2.7.2.2 Расход тепла 2.8 Тепловой баланс камеры  нагрева после реконструкции 2.8.1 Приход тепла 2.8.2 Расход тепла	49 51 51 51
3 Безопасность жизнедеятельности	54
3.1 Объемно и планировочные решения	54
3.2 Расчет аэрации	55
3.3 Расчет освещения	59
3.4 Санитарно-бытовые помещения	62
3.5 Анализ опасных и  вредных факторов производственной среды	63
3.6 Меры защиты от выявленных опасных и вредных факторов производственной среды	65
3.7 Инженерный расчет защитного  заземления	67
3.8 Безопасность в чрезвычайных ситуациях	69
4 Электроснабжение и электрооборудование	71
4.1 Краткая характеристика  системы электроснабжения	71
4.2 Выбор основного электрооборудования	72
5 Экономика производства	74
5.1 Организация производства	74
5.1.1 Расчет годового объема производства	74
5.1.2 Организация труда  и заработанной платы	75
5.2 Экономика производства	78
5.2.1 Расчет дополнительных  капитальных затрат	78
5.2.2 Расчет себестоимости  продукции 5.2.2.1 Расчет расходов по  переделу	79 79
5.2.2.2 Учет изменения стоимости  основных фондов 5.2.2.3 Расчет снижения себестоимости  продукции 5.2.3 Расчет прибыли от  реализации продукции	80 83 84
5.2.4 Расчет чистой прибыли	84
5.2.5 Налог на имущество	85
5.2.6 Налог на прибыль	86
5.2.7 Чистая прибыль	86
5.2.8 Экономическая эффективность  проектных решений	86
6 Охрана окружающей среды	90
6.1 Расчет образования  оксидов азота	90
6.2 Расчет рассеивания выбросов NOx, содержащихся в дымовых газах роликовой печи	92
7 Автоматизация печи	96
7.1 Статистические и динамические  характеристики	96
7.2 Автоматический контроль	96
7.3 Автоматическое регулирование	98
7.4 Описание функциональной  схемы автоматизации камеры подогрева  и камеры нагрева протяжной  печи	100
7.4.1 Первая зона регулирования	100
7.4.2 Вторая зона регулирования	100
7.4.3 Третья и четвертая зона регулирования	102
7.4.4 Контроль и регулирование  давления защитного газа в  печи	102
7.4.5 Контроль расхода газа, воздуха и защитного газа	103
7.4.6 Контроль давления  газа, воздуха и защитного газа	103
Заключение Список использованных источников	104 106

 

Введение

 

Протяжные печи — печи непрерывного действия с постоянным во времени и переменным по длине температурными и тепловыми режимами. Температурный режим и продолжительность обработки полосы в печи устанавливают в соответствии с заданной технологией и возможной интенсивностью транспортирования полосы.

В общем виде полный цикл термической или термохимической  обработки полосы состоит из четырех  основных стадий: нагрева до заданной температуры обработки, выдержки для  осуществления основных структурных  и химических превращений в металле, охлаждения в печи и конечного  охлаждения вне печи.

Полоса в протяжных  печах для обезуглероживающего отжига трансформаторной стали обрабатывается в защитной азотной атмосфере, поэтому необходимо муфелирование пламени, если печь отапливается газовым топливом. Также полосу можно нагревать с помощью электронагревателей.

Электрические печи получают все более широкое распространение  во многих отраслях промышленности и  особенно в металлургии. Электрические  печи позволяют в ряде случаев  осуществить процессы, который невозможно было бы провести в топливных печах, не говоря о многих других существенных достоинствах электрического нагрева. Так, получению качественных сталей в электропечах способствуют легкость регулирования теплового режима и возможность создания малоокислительной или слабовосстановительной атмосферой.

При использовании электрических  печей для нагрева деталей  и заготовок существенно облегчается  регулирования теплового режима, резко возрастает точность соблюдения заданной температуры в печи и  обеспечивается более высокая степень  равномерности нагрева полосы, находящейся  в печной камере. Кроме того, электронагрев позволяет осуществить при необходимости местный нагрев отдельных участков изделия. Рабочая камера электрической печи может быть сравнительно легко герметизирована, что позволяет широко применять нагрев в защитных или специальных атмосферах или в вакууме.

Чистота, хорошие условия  труда в цехах, оборудованных  электрическими печами, отсутствие отходящих  дымовых газов являются также  очень существенными преимуществами электрического нагрева.

Все эти преимущества предопределяют ту большую роль, которую электротермические процессы играют в производстве в  обработке металлов и сплавов.

Однако электроэнергия остается пока сравнительно дорогой, поэтому  ее применение должно быть четко технически и экономически обоснованно с  учетом народнохозяйственных соображений (месторасположение предприятия, сравнительная  доступность различных энергетических ресурсов и т. д.). Поскольку для получения тепла в рабочих камерах металлургических печей обычно используют химическую энергию топлива, при выборе наиболее рационального способа теплогенерации необходимо в каждом отдельном случае сопоставлять преимущества и недостатки применения для этой цели топлива или электроэнергии.

Металлические нагревательные элементы большинства печей выполняют  либо из ленты, либо из проволоки. Проволочные  нагреватели более надежны, чем  ленточные. Обычно в промышленных печах  для нагревателей применяют проволоку  диаметром 3-7 мм.

Таким образом, все отмеченные выше несомненные достоинства электрических  печей не означают, что электрификация термических процессов в черной металлургии является целесообразной абсолютно во всех случаях. Во многих процессах, когда применение электрической  энергии не вызывается технологической  или теплотехнической необходимостью, технико-экономические показатели оказываются лучшими при использовании  топливных установок.

Поэтому с целью экономии энергоресурсов можно организовать предварительное газовое отопление. Так как на начальной стадии производится нагрев до температуры, которая исключает  окисление металла, можно заменить нагрев полосы электронагревателями на предварительный газовый нагрев продуктами сгорания, что значительно  экономичнее.

Так как различные виды термической и термохимической  обработки требуют отделения  продуктов сгорания от нагреваемого металла, то можно применить радиационные трубы с муфелированием пламени. Радиационные трубы выполняют из жаростойких хромоникелевых сталей. Чаще всего применяются U-образные радиационные трубы с горелкой типа «труба в трубе». Такие горелки позволяют регулировать длину пламени по длине радиационной трубы, благодаря чему обеспечивается равномерный нагрев поверхности трубы. В радиационных трубах применяют рекуператоры для подогрева воздуха, которые представляют собой ребристый радиатор из жаростойкого чугуна. Внутри радиатора расположена стальная труба. Воздух поступает через центральную трубу, проходит по кольцевой щели между центральной трубой и внутренней поверхностью радиатора и через соединительный патрубок направляется в горелку. Продукты сгорания омывают радиатор снаружи.

Для отопления термических  печей целесообразно использовать природный газ. Широкое использование природного газа в качестве топлива обусловлено рядом технико-экономических факторов. Основными из них являются: универсальность газового топлива и его теплотехнические и эксплуатационные свойства, отвечающие возросшим требованиям современного промышленного производства и позволяющие интенсифицировать и автоматизировать процессы. Одновременно использование газового топлива ведет к улучшению качества продукции, снижению затрат первичной энергии, оздоровлению воздушного бассейна и улучшению санитарно-гигиенических условий труда.

Таким образом, при замене в электрической башенной печи части  камеры нагрева на камеру подогрева, отапливаемую газовым топливом с  использованием физической теплоты  продуктов сгорания от радиационных труб для начального нагрева полосы, появляется заметная экономия энергоресурсов, затрачиваемых на нагрев полосы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Общая характеристика и область применения протяжных печей

 

1.1 Область применения и общие характеристики, преимущества и недостатки

 

Нагревательная и термическая  печи являются теплотехническим агрегатом, предназначенным для осуществления  определенного технологического процесса. Основная теплотехническая задача таких  печей — передать тепло нагреваемому металлу или отнять тепло у  нагреваемого металла в соответствии с технологией его нагрева  или термической обработкой. Определяющим процессом для печного агрегата является теплопередача к металлу, подвергаемому тепловой обработке.

Протяжные печи — агрегаты для термической и термохимической  обработки полосы, которую непрерывно протягивают через агрегат. В  процессе обработки рулоны полосы разматываются  и протягиваются через печь по опорным роликам.

Основные особенности  протяжных печей как технологических  агрегатов — непрерывность процесса и обработка одного слоя полосы. Применение этих печей позволяет  исключить термическую обработку  рулонов листовой стали в колпаковых печах и получить листовой материал с такими свойствами и состоянием поверхности, которые не достигаются при обработке в других агрегатах. Это объясняется тем, что при непрерывном процессе обработки одного слоя полосы можно обеспечить одинаковую температуру полосы по ширине и длине и одинаковые взаимодействия атмосферы печи с поверхностью полосы, в то время как при обработке рулонов полосы или стоп листов в садочных печах свойства металла по толщине рулона или стопы, а также края и середины полосы или листа получаются различными.

Равномерность нагрева —  основное условие производства полосы из трансформаторной и динамной стали, а также стальной ленты с нанесенными покрытиями.

При обработке одного слоя полосы все процессы протекают с  большей скоростью, чем при обработке  многослойной плотной садки (рулоны, стопы), что является существенным преимуществом  протяжных печей. Процесс обработки  полосы в протяжных печах продолжается всего несколько минут, а в  садочных печах — десятки часов.

Главным недостатком протяжных  печей является то, что в печи почти полностью отсутствует  циркуляция атмосферы и процент  нагрева полосы с помощью конвекции  очень мал, поэтому процесс передачи тепла в них осуществляется в  основном излучением, что не очень  эффективно при нагреве светлой  полосы в печах с невысокой  температурой 500÷1000 °С.

Протяжные печи включаются в состав непрерывных линий, в  которых часто наряду с термической  и термохимической обработкой металла  осуществляют предварительную очистку  полосы, травление, нанесение различных  покрытий и другие операции.

Внедрение непрерывных линий  позволяет механизировать и автоматизировать процесс, в результате чего достигается  высокая производительность труда. Схема непрерывной линии для  отжига стали с вертикальной протяжной  печью показана на рисунке 1.

 

Рисунок 1 – Схема линии  для отжига стали с вертикальной протяжной печью

 

Благодаря этим преимуществом  протяжные печи находят все более  широкое применение при обработке  различных лент: малоуглеродистой, трансформаторной, динамной, нержавеющей, оцинкованной, алюминированной, из медных сплавов и других цветных металлов и сплавов.

Конструкция протяжных печей  в значительной степени зависит  от метода обработки полосы. При  темной обработке, то есть обработке, в  процессе которой поверхность металла  не защищается от окисления, нагрев полосы проводят в атмосфере продуктов  сгорания топлива, а охлаждение на воздухе  или в воде. При светлой обработке полосу нагревают и охлаждают в атмосфере контролируемого состава. В этом случае соприкосновение полосы с воздухом или водой допустимо только после охлаждения ее до определенной температуры, при которой окисление металла невозможно.

Протяжные печи для светлой  обработки – наиболее распространенный вид печей этого типа, конструкция  которых зависит от технологии обработки  применяемых способов нагрева и  охлаждения.

В зависимости от направления  протягивания полосы протяжные печи бывают горизонтального и вертикального  типов. Горизонтальные печи по условиям транспортирования нельзя делать длиной более 150-200 м, поэтому они пригодны при сравнительно небольшом объеме производства. В протяжных вертикальных печах полосу протягивают по нескольким вертикальным ходам, поэтому их можно  использовать при более большом  объеме производства, чем горизонтальные.

В печах подвергают термической  и термохимической обработке  полосу или ленту шириной до 1550 мм и толщиной до 1 мм в вертикальных печах и до 6 мм в горизонтальных. Для транспортирования полосы или ленты используют тянущие ролики, расположенные на печи. Внутри печи находятся только поддерживающие ролики, расположенные на значительном расстоянии друг от друга.

Общая длительность цикла  обработки в протяжных печах  не должна превышать 5-10 минут, так как  в противном случае необходима чрезмерно  большая длина полосы, что затрудняет ее транспортирование. Поэтому протяжные  печи не применяют в тех случаях, когда необходимы длительная выдержка или очень медленное охлаждение.

Для протяжных печей характерен обычный для непрерывных печей  тепловой и температурный режим  – постоянный по времени и переменный по длине печи. Источники тепла (в  камерах нагрева) или устройствах  для охлаждения (в камерах охлаждения) должны быть распределены по пути движения полосы.

Режим в протяжных печах  термической и термохимической  обработки холоднокатаной полосы в  атмосфере контролируемого состава  многостадийный: нагрев, выдержка и  охлаждение с различными скоростями, в соответствии с технологическим  процессом. Полосу в печи охлаждают  до температуры 120-150 ºС, при которой полоса может быть выдана на воздух (или воду) без опасности окисления. В этих печах поверхность полосы светлая, а ее температура в последней части участка охлаждения ниже 500 ºС. При данных условиях эффективность теплообмена излучением мала, а поэтому на участках низкотемпературного охлаждения целесообразно всемерно развивать теплообмен конвекцией. В обогреваемых камерах применяют радиационные трубы или электрические нагреватели сопротивления.

 

1.2 Расчет протяжных печей с атмосферой контролируемого состава

 

При расчете протяжных  печей с атмосферой контролируемого  состава исходят из следующих  положений.

Теплообмен излучением рассчитывают для серых тел в лучепрозрачной среде. В связи с тем, что поверхность полосы и нагревателей светлая, роль конвекции большая, и ее следует учитывать в расчетах. Теплоотдачи конвекцией между электронагревателями и неподвижным газом считают по законам свободного движения, а между газом и движущейся полосой – по законам принудительного движения при скорости движения полосы.

Длительность нагрева  и охлаждения с целью выбора длины  печи рассчитывают по методике нагрева  и охлаждения металла. Остальные  размеры камер нагрева и выдержки принимают конструктивно.

Параметры подводящих и отводящих  трасс и тягодутьевых устройств  определяют на основании гидравлических расчетов.

1.3 Обеспечение предварительного газового нагрева и глубокого использования тепла

 

Протяжные печи потребляют большое количество энергоресурсов. Изучив процесс нагрева полосы в  башенных печах, были сделаны следующие  выводы. Так как на начальной стадии производится нагрев до температуры, которая  исключает окисление металла, можно  заменить нагрев полосы электронагревателями на предварительный газовый нагрев продуктами сгорания, что значительно  экономичнее. В целях экономии электроэнергии данным проектом предлагается разработать  камеру предварительного подогрева полосы, состоящую из двух вертикальных проходов.

Подогрев полосы в первом проходе будет осуществляться продуктами сгорания, а во втором проходе - в защитной атмосфере с помощью радиационных труб. При этом для открытого подогрева целесообразно использовать продукты сгорания после радиационных труб, что позволяет глубоко использовать тепло продуктов сгорания. Для интенсификации открытого подогрева продуктами сгорания целесообразно использовать струйную подачу теплоносителя на полосу.

Интенсивный нагрев осуществляется за счет прохода со струйной обдувкой, где очень высокий коэффициент теплоотдачи конвекцией вследствие большой скорости истечения смеси продуктов сгорания и воздуха из отверстий блоков, а также за счет прохода с радиационными трубами. Температура электронагревателей и угловой коэффициент излучения выше, но общая площадь поверхности излучения в проходе с электронагревателями в два раза меньше чем в проходе с радиационными трубами. Поэтому, несмотря на меньшую температуру поверхности, радиационные трубы нагревают быстрее.

1.4 Описание камеры подогрева

 

Камера подогрева будет  располагаться перед камерой  нагрева и осуществлять предварительный подогрев полосы. Камера имеет два прохода полосы: открытого струйного подогрева уходящими продуктами сгорания и подогрев полосы с помощью радиационных труб. В первом проходе полосы располагаются блоки струйной обдувки, в которые подаются продукты сгорания от радиационных труб, установленных во втором проходе камеры.

Для организации струйного  подогрева продукты сгорания от радиационных труб подаются в блоки струйной обдувки. С этой целью в каждом блоке струйной обдувки установлено по два центробежных вентилятора, перед которыми продукты сгорания  разбавляются воздухом до температуры 450 ºС.

Вентиляторы отсасывают продукты сгорания из радиационных труб, поэтому  организована работа радиационных труб под разрежением. Это позволяет  надежно обеспечить защитную атмосферу  в проходе, избежать попадания продуктов сгорания в рабочее пространство печи в случае прогара, образования трещин, разуплотнения соединений радиационных труб.

После струйной обдувки продукты сгорания отбираются дымососом в дымовую трубу.

2 Тепловой расчет камеры нагрева башенной печи до и после реконструкции

2.1 Расчет нагрева полосы в камере нагрева башенной печи до реконструкции

 

Производится расчет продолжительности  нагрева полосы в камере существующей печи.

Производительность печи Р = 35 т/ч.

Толщина полосы равна 0,35 мм, тогда полутолщина δ= 0,175 мм. Ширина полосы b=1 м.

Скорость движения полосы:

 

 

(1)

где – плотность электротехнической стали.

 

 = 7 850 кг/м³;

 

Нагрев полосы в камере нагрева осуществляется от 20 ºС до 800 ºС. Нагрев осуществляется проволочными электронагревателями из стали Х20Н80Т3, расположенными на стенах проходов. Температура электронагревателей t_эл=1000 ºС. Диаметр проволоки d_эл=0,007 м, а средний шаг между ветвями S_эл=0,05 м [7].

Расчет выполняем для  теплотехнически тонкого тела при совместном действии излучения и конвекции. Для более точного расчета следует разбить нагрев полосы по температуре на четыре расчетных участка. Также находится средняя температура по участкам.

 

 

(2)

 

Данные по температурным участкам и средняя температура, посчитанная по формуле (1), представлены в таблице 1.

 

 

Таблица 1 – Начальная, конечная и средняя температура по участкам

Расчетный участок	Начальная температура, tнач, ºС	Конечная температура, tкон, ºС	Средняя температура, tср, ºС
I	20	200	110
II	200	400	300
III	400	600	500
IV	600	800	700

 

 

Зная среднюю температуру  на участке можно найти среднюю  теплоемкость металла на участке, которая  находится из таблицы V.48 [8] теплоемкостей для электротехнической стали. Средняя теплоемкость металла по температурным зонам представлена в таблице 2.

 

 

Таблица 2 – Средняя теплоемкость по участкам

Расчетный участок	Средняя теплоемкость, см, кДж/ (кг·К)
1	2
I	0,495
1	2
II	0,532
III	0,557

 

Продолжение таблицы 2

IV

0,628

 

 

 Степень черноты металла  находится из таблиц 13.1 [8] для сталей со светлой блестящей поверхностью. Ее можно высчитать методом интерполяции, зная среднюю температуру по участкам. Степень черноты металла по участкам представлена в таблице 3.

 

 

Таблица 3 – Степень черноты  металла по участкам

Расчетный участок	Степень черноты металла, εм
I	0,553
II	0,562
III	0,571
IV	0,581

 

 

Также задаемся степенью черноты электронагревателей:

ε_эл= 0,5. 

Определение угловых коэффициентов  излучения зависит от положения  нагревателей и металла относительно друг друга. В данном случае металл принимается как бесконечная  плоскость, а нагреватель как  однорядный пучок гладких цилиндров.

Тогда угловой коэффициент  излучения от полосы на электронагреватель определяется по формуле:

 

 

(3)

где – диаметр проволоки, м;

      – шаг между ветвями, м.

 

Угловой коэффициент излучения  от электронагревателя к полосе находится  по формуле:

 

(4)

где – диаметр проволоки, м;

      – шаг между ветвями, м.

 

 

При подстановке значений в формулы (3) и (4) соответственно, получается:

 

 

С учетом кладки угловой  коэффициент излучения от полосы к электронагревателю находится  по формуле:

 

 

(5)

 

Угловой коэффициент излучения  от электронагревателя к полосе с учетом кладки определяется по формуле:

 

 

(6)

 

При подстановке значений в формулы (5) и (6) соответственно, получается:

 

 

Приведенный коэффициент  излучения:

 

(7)