Роликовая печь для закалки нержавеющих листов. Конструкция Стальпроекта

Национальный исследовательский  университет

«МЭИ»

 

 

 

Кафедра Энергетики Высокотемпературной Технологии.

 

 

 

 

 

 

 

 

Типовой расчет по теме:

 

«Изучение и анализ конструкции ВТУ.

Роликовая печь для закалки нержавеющих  листов. Конструкция Стальпроекта»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                   Студент: Мухомеджанов Р.А.                        

 

                                                                             Группа: ФП-02-08

                                                                                                                                                   

                                                                   Преподаватель: Бернадинер И.М.

 

 

                                      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва 2013 г.

Оглавление.

 

Введение.

 

Проходные печи с механизированным роликовым подом, применятся в различных отраслях промышленности. Особенно эффективными они оказались в условиях прокатного производства, где роликовый под печи может являться продолжением передаточных рольгангов от прокатного стана, где нужна высокая производительность.

Наиболее широко применяются  роликовые печи для термообработки стальных листов, труб, рельсов и других различных заготовок и метало – керамических изделий. Они выгодно отличаются гибким режимом работы, высоким качеством нагрева и простотой обслуживания. Наличие роликового пода печи создает благоприятные условия для компоновки агрегатов термической обработки.

В данной работе будет  подробно описана роликовая печь, предназначенная для закалки нержавеющих листов (конструкция Стальпроекта).

 

1. Общие сведения о назначении  ВТУ, основе технологических процессов.

Данная печь относиться к печам проходного типа непрерывного действия, подина которой состоит из большого числа вращаемых специальным приводом роликов. Чертеж печи приведён на рисунке №1.

Рисунок №1 Схема роликовой печи:

1 - приёмный стол; 2 - механизм подъёма заслонки; 3 - площадка для обслуживания термопар; 4 - горелки; 5 - ролики; 6 - отверстия для термопар; 7 - дымовой боров; 8 - подвод и отвод охлаждающей воды; 9 - устройство для вращения роликов

Печь предназначена  для нагрева под закалку листов, пачек листов и сортового проката. Габариты рабочего пространства 1,86´2´20 метров. В отличие от обычных конструкций термических печей, в данной конструкции горелки создают факел прямо в рабочем пространстве, т.е. отсутствуют форкамеры, радиационные трубы и подподовые топки. Такая конструкция больше подходит для нагрева металла перед деформацией, но в отдельных случаях с особой осторожностью может использоваться и для сложной термообработки типа отжиг. Потенциальные возможности данной печи для проведения качественной изотермической выдержки заложены в двустороннем по длине печи дымоотборе и организации прямо-противоточного режима тепловой обработки металла в среде продуктов горения.

Печь  работает следующим образом. Металл для термообработки поступает на приёмный стол прямо с рольганга, если печь встроена в технологическую  линию, или подаётся краном (например, пачки листов). Заслонка торца посада открывается и металл заходит в печь в дополнение к имеющейся садке; заслонка опускается. Металл постепенно проходит по постоянно вращающимся роликам и нагревается до необходимой температуры (1150 °С). Благодаря боковому расположению горелок, возможен не только простой нагрев под закалку (нормализацию) или высокий отпуск, но и более сложный изотермический отжиг (нагрев до 750-800 °С, выдержка, охлаждение до 600-700 °С, выдержка).

После завершения термообработки готовый металл выдаётся на рольганг выдачи, соединённый с камерой ускоренного водяного охлаждения (закалка). Таким образом, печь постоянно пополняется холодным металлом и постепенно выдаёт нагретый металл.

2. Фундамент: материал, тип конструкции, глубина заложения, высота надземной части.

Фундамент печи выполнен из бетона. Нижняя точка находится глубине 3,97 м. от уровня пола цеха. Между пространством дымоходов и дымовых боров 7 рис. 1, уложено два слоя шамотного кирпича, толщина первого слоя 0,375 ÷ 0,5 м, второго 0,232 м (рисунок №2). Кладка пода печи начинается с глубины 0,43 м. и выполнена из шамота-легковеса, толщина слоя 0,282 м. Следует заметить, что из тогоже материала выполнена кладка рабочего пространства печи. Между подом и кирпичной кладкой фундамента расположен слой бута, опирающийся на балки. Воздушный зазор, образующийся при этом между подом и фундаментом, предохраняет последний от перегрева.

Фундамент печи полностью находится  под полом цеха и не имеет надземной  части. Высота печи от уровня пола составляет 3,53 м.

Рисунок №2 Фундамент печи.

1-слой шамотного кирпича; 2-слой  шамотного кирпича; 3-бетон.

3.Каркас: тип  конструкции, способ сопряжения  с фундаментом, назначение основных частей.

Металлический каркас – устройство для фиксации элементов печи при её разогреве.

Данная печь имеет жесткий сварной каркас (рисунок №3), нижняя часть которого упирается в слой бутового материала (на глубине 0,43 м. от уровня пола) и жестко зафиксирована между слоями кладки РП и фундамента. В станках каркаса по обеим сторонам печи предусмотрены отверстия для горелок и приводного вала роликов. Для компенсации температурных расширений, между каркасом и кладкой футеровка рабочего пространства печи предусмотрен слой асбеста толщиной 6 мм.

Рисунок №3 Сварной стальной каркас печи.

4. Ограждение: тип конструкции, узлы взаимодействия с каркасом, количество слоев, их толщина и используемые материалы, особенности отдельно для пода, стен, свода.

Рабочая камера данной роликовой печи представляет собой вытянутое пространство длиной 20 м, шириной 1,86 м. и высотой 2 м. Под выполнен в два слоя из шамота-легковеса. Толщина первого слоя составляет 282 мм, второго – 140 мм. Толщина пода печи – 422 мм (рисунок №4).

Шамот относится к алюмосиликатным огнеупорам, содержащим кроме SiO₂ до 45% Al₂O₃. Обладает более высокой термостойкостью (10-20 водяных теплосмен), но низкой шлакоустойчивостью. Наиболее широко применяется в печестроении при температурах до 1350 °С для строительства стен, сводов, не контактирующих с оксидами металлов, для низкотемпературной части регенеративной насадки. Не выдерживает истирающего действия при высоких температурах.

Стенки рабочего пространства (РП) также выполнены в два слоя легковесного шамота (рисунок №5). Толщина слоев одинаковая и составляет 232 мм. Места расположения горелок толщиной 238 мм засыпаны шамотным порошком, чтобы исключить слишком жесткую фиксацию горелочных устройств в толще кладки. Диаметр отверстий для роликов 250 мм, диаметр отверстий для приводного вала 120 мм.

Свод  РП имеет закругленную форму с радиусом 2,2 м. Он также выполнен в два слоя, но, в отличие от пода и стенок, материалы кладки различны. Внутренний слой – легковесный шамот (толщина 230 мм), наружный слой – теплоизоляционный диатомовый кирпич (толщина 116 мм). По середине свода имеются отверстия для термопар диаметром 50 мм и с шагом 3 м.

Кирпич  диатомовый как и все огнеупорные кирпичи способен выдерживать высокие температурные режимы - более 1000° С без потери своих отличительных характеристик, основные из которых - низкая теплопроводность, отличная звукоизоляция, кислотоупорность, нетоксичность и длительный срок эксплуатации. Все эти свойства диатомового кирпича позволяют использовать его при сооружении промышленных печей и в качестве теплоизоляционного материала как в промышленности, так и в гражданском строительстве. Обжиг подготовленного сырья для производства диатомового кирпича происходит при температуре 750-900°С. В составе сырья кроме диатомита присутствуют древесные опилки, которые в процессе обжига выгорают. В зависимости от характеристик существуют основные марки диатомового кирпича: 500, 600, 700 в зависимости от удельной массы изделия в кубическом метре. В таблице №1 приведены значения коэффициента теплопроводности для каждой марки.

Рисунок №6 Кладка свода РП печи.

 

Таблица №1 Коэффициент теплопроводности различных марок диатомового кирпича.

Марка кирпича удельная масса, кг/м³	Коэффициент теплопроводности,         Вт/м-град.	Коэффициент теплопроводности,             ккал/м-ч-град.
500	0,163-0,185	0,1-0,16
600	0,14-0,21	0,12-0,18
700	0,175-0,27	0,15-0,23

5. Температурные  швы: конкретные места расположения, толщина, частота расположения, особенности конструкции отдельно для пода, стен, свода.

Температурный шов - зазор (щель, прорезь) между отдельными частями  конструкций печи, допускающий их взаимное перемещение, вызываемое температурным расширением материалов.

В конструкции данной печи предусмотрен температурный шов  между кладкой стенок РП и приводными валами вращающихся роликов (рисунок  №7). Зазор компенсирует температурные расширения кладки, тем самым предохраняя подвижные ролики от физической нагрузки.

 

 

 

 

 

 

Рисунок №7 Температурные швы в стенках РП.

 

Также температурные швы предусмотрены  в начале и конце рольганга печи (рисунок №8).

Рисунок №8 Температурные  швы в стенках РП.

Между сводом и кладкой стенок РП печи также предусмотрен температурный  шов (рисунок №9).

Рисунок №9 Температурные  швы свода печи.

 

 

 

 

В поде печи также имеются температурные  швы (рисунок №10).

Рисунок №10 Температурные  швы пода печи.

 

6. Устройства для загрузки, транспорта в РК и выгрузки обрабатываемого материала.

Самым ответственным элементом роликовой печи являются ролики 5 (рис.1), диаметром 200 мм. Их стойкость зависит от температуры в печи.

Металл  для термообработки поступает на приёмный стол прямо с рольганга, если печь встроена в технологическую линию, или подаётся краном (например, пачки листов). Заслонка торца посада открывается и металл заходит в печь в дополнение к имеющейся садке; заслонка опускается. Металл постепенно проходит по постоянно вращающимся роликам и нагревается до необходимой температуры (1150 °С). Благодаря боковому расположению горелок, возможен не только простой нагрев под закалку (нормализацию) или высокий отпуск, но и более сложный изотермический отжиг (нагрев до 750-800 °С, выдержка, охлаждение до 600-700 °С, выдержка).

После завершения термообработки готовый металл выдаётся на рольганг выдачи, соединённый с камерой ускоренного водяного охлаждения (закалка), в которой установлен ряд форсунок (рисунок №11). Таким образом, печь постоянно пополняется холодным металлом и постепенно выдаёт нагретый металл.

Рисунок №11 Ряд форсунок, предназначенный для охлаждения раскаленного листа стали.

 

7. Горелки:  тип, особенности конструкции,  расположение.

 

Печь  оснащена 15-ю газовыми горелками инжекционного типа (рисунок №12 и 13).

Рисунок №12 ГГУ печи, фронтальный разрез 2-2.

 

Рисунок №13 ГГУ печи, вид с боку.

 

Шаг между  горелками 1,2 м. Высота расположения нижней линии ГГУ 0,205 м, верхней – 1,465 м. Диаметр  выходного конфузора 37 мм.

В отличие  от обычных конструкций термических  печей, в данной конструкции горелки  создают факел прямо в рабочем  пространстве, т.е. отсутствуют форкамеры, радиационные трубы и подподовые топки. Такая конструкция больше подходит для нагрева металла перед деформацией, но в отдельных случаях с особой осторожностью может использоваться и для сложной термообработки типа отжиг. Потенциальные возможности данной печи для проведения качественной изотермической выдержки заложены в двустороннем по длине печи дымоотборе и организации прямо-противоточного режима тепловой обработки металла в среде продуктов горения.

8. Проемы и отверстия в стенах: назначение, расположение, особенности конструкции.

Как уже отмечалось, помимо входного и выходного проходов, закрываемых заслонками 2 (рис. 1), в печи имеется ряд других отверстий с различным технологическим предназначение.

В кладке стен РП печи предусмотрены  отверстия для установки горелочных устройств (рисунок №14).

 

 

Рисунок №14 Отверстие для установки ГГУ.

 

 

Соответственно на 15 горелок предусмотрено 15 отверстий. Диаметр составляет 280 мм. Толщина равна толщине стенки – 464 мм. Пространство между кладкой стенки печи и горелкой засыпано шамотным порошком, что компенсирует температурное расширение. Также в стенках рабочей камеры имеются отверстия для установки вращающихся роликов печи (рисунок №15).

Рисунок №15 Отверстия для установки роликов.

Диаметр отверстия 250 мм. Диаметр приводного вала 95 мм, диаметр  ролика 200 мм.

В своде печи предусмотрены отверстия  для установки термопар. Шаг между отверстиями 3,7 м, диаметр 50 мм. Между слоем диатомового кирпича и отверстием уложен слой шамота. Разрез отверстия представлен на рисунке №16.

Рисунок №16 Отверстие для термопары в своде печи.

 

9. Принудительное охлаждение части конструкций: способ охлаждения, особенности выполнения.

В печи предусмотрено  водяное охлаждение роликов, а если быть более точным охлаждение несущего вала. Подвод и отвод воды осуществляется по трубам 1 и 2 (рисунок №17).

Рисунок №17 Устройство, обеспечивающее за водяное охлаждение роликов печи.

1-водоохлаждающее устройство; 2-подводящий  трубопровод; 3-отводящий трубопровод.

 

В любом  случае в роликах охлаждают цапфы (цапфа – часть оси или вала, опирающаяся на подшипник). В подавляющем большинстве случаев ролики делают водоохлаждаемыми, с гладкой бочкой из жаропрочной хромоникелевой стали. Во избежание деформации бочки ролика, он должен вращаться постоянно, остановки допустимы не дольше, чем на 3-4 минуты. Конструкция водоохлаждаемого ролика представлена на рисунке №18.

 

Рисунок №18 Конструкция  ролика с водоохлаждаемой цапфой.

1-бочка; 2-цапфа; 3-трубка для подвода воды.

10. Теплоиспользующие  элементы: назначение, тип и особенности  конструкции.

Как уже отмечалось, двухходовые  горелочные устройства создают факел прямо в рабочем пространстве, т.е. отсутствуют форкамеры, радиационные трубы и подподовые топки.

Что качается утилизации теплоты отходящих газов, то дым удаляется из печи вниз по вертикальным каналам в районе торцов печи, далее соединяется в единый поток, проходит рекуператор для подогрева воздуха (на чертеже не представлен) и через дымовую трубу выбрасывается в атмосферу.

11. Трубопроводы и газоходы: способ крепления, особенности, конструкции.

 

Из вышеизложенного  материала следует, что продукты горения топлива образуются непосредственно в рабочем пространстве печи от работы двухпроводных пламенных горелок. Приблизительно до середины печи дым идёт навстречу металлу (в противотоке), а далее в прямотоке. дым удаляется из печи вниз по вертикальным каналам (рисунок №19) в районе торцов печи, далее соединяется в единый поток, проходит рекуператор для подогрева воздуха и через дымовую трубу выбрасывается в атмосферу. Конструкция дымоходов представлена на рисунке №20.

Рисунок №20 Дымоходы печи.

1,2-дымопроводы.

 

Дымоходы печи крепятся непосредственно к стальной балке  каркаса. Дымовые борова, расположенные на торцах печи представлены на рисунке №21.

Рисунок №21 Торцевые дымовые  борова печи.

12. Арматура  и гарнитура: перечень, назначение, особенности конструкции.

К гарнитуре относятся  устройства, предназначенные для  управления и регулирования движением газов и обеспечения взрывобезопасности дымового тракта.

На предоставленных  чертежах данной печи к гарнитуре  следует отнести площадку для обслуживания термопар 1 (рис. 22) и гляделки 2 (рис. 22), предназначенные для визуального контроля технологического процесса закалки нержавеющих листов. Также к гарнитуре можно отнести входную и выходные заслонки рабочей камеры 3 (рис.22).

 

Рисунок №20 Гарнитура печи.

1-площадка для обслуживания термопар; 2-гляделки;3-входная и выходная заслонки РК.

 

Из запорно-регулирующей арматуры на чертежах четко представлены клапана на дымоходах от горелок, а также клапана трубопроводов охлаждающей воды (рисунок №23).

Рисунок №23 Запорно-регулирующая арматура печи, представленная на чертеже.

 

13. Расчет  коэффициента формы рабочей камеры.

;

где

      

Т.к. часть РП печи, представляющая собой сегмент цилиндра, очень  мала, то представим рабочее пространство как параллелограмм длиной 20 м, высотой 1,856 м и шириной 1,856 м (рисунок №24).

Рисунок №24 Условный чертеж рабочего пространства печи.

 

Посчитаем площадь и  объем РК:

F_рк = 1,856²∙2 + 20∙1,856∙4 = 155,37 м²;

V_рк = 1,856²∙20 = 68,89 м³

 

Посчитаем K_F:

K_F = 155,37/81,25 = 1,91

 

14. Недостатки  печи и способы их устранения.

Я считаю, что главным  недостатком данной печи являются большие  потери теплоты с охлаждающей водой. Одним из путей снижения этих потерь является полный отказ от водяного охлаждения, т.е. использование роликов из более стойкого материала. Это в свою очередь приводит к увеличенным экономическим затратам на монтаж и обслуживание агрегата. Также можно попробовать как-то полезно использовать теплоту нагретой воды.

Само по себе понятие рольганга влечет за собой пониженную герметичность в стенках рабочей камеры и, как следствие, присос холодного воздуха в РП. Т.е. следует улучшать условия герметизации рабочей камеры, использовать более дорогой теплоизоляционный материал, по возможности уменьшать количество роликов, улучшать их конструкцию.

Большие потери теплоты в рабочем пространстве печи, присосы холодного воздуха  уменьшают и так невысокий  для данного типа печей показатель полезного теплопотребления исходным материалом. А это приводит к увеличению удельного расхода топлива. Для сокращения расхода топлива возможны следующие варианты:

• уменьшение поверхности (диаметра) теплообмена роликов и количества роликов исходя из расчётной механической прочности при минимальных коэффициентах запаса прочности;
• создание эффективной теплоизоляции бочки роликов;
• сокращение времени термообработки за счёт повышения качества нагрева. Качество возможно повысить заменой обычных горелок на горелки с форкамерами или на радиационные трубы;
• интенсификация конвективного теплообмена в рабочем пространстве печи (создание развитой рециркуляции, струйный нагрев сводовыми горелками в первом периоде нагрева и т.п.).

 

Список используемой литературы.

 

1. В.А.Кривандин, Б.Л.Марков «Металлургические печи», Москва, Изд.: Металлургия, 1977 г.

2. Свинолобов, В.Л. Бровки «Печи черной металлургии. Учебное пособие.» Днепропетровск.: Пороги, 2004.

3. Ю.В.Троянкин «Проектирование и эксплуатация ВТУ», Издательство: МЭИ, 2002 г.