Тепловые расчеты кольцевой нагревательной печи

Тепловые расчеты кольцевой нагревательной печи

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

. Технологическая часть и оборудование

.1 Технологическая часть

.2 Оборудование

.2.1 Основные технические параметры карусельной печи

.2.2 Характеристика горелок и распределение тепловой мощности по зонам печи

.2.3 Техническая характеристика рекуператора

.2.4 Вентилятор горения воздуха

.2.5 Техническая характеристика вентилятора дымососа

. Тепловые расчеты кольцевой нагревательной печи

.1 Расчет горения топлива

.2 Расчет теплообмена в рабочем пространстве печи

.3 Составление теплового баланса кольцевой печи

.4 Тепловые мощности и расход топлива

. Охрана труда

.1 Тепловыделения

.2 Требования безопасности к технологическому процессу

Список использованных источников

ВВЕДЕНИЕ

Нагрев металла является важнейшей технологической операцией, в значительной мере определяющей экономические показатели производственного процесса в целом. Технология прокатки предъявляет жесткие требования к качеству нагрева. Распределение температур по сечению заготовки, обеспечивающее необходимую пластичность металла, должно быть достигнуто за определенное время без чрезмерного перегрева поверхности металла. Нагревательные устройства должны обеспечить кондиционный нагрев металла в условиях переменного ритма работы стана и при минимальном расходовании топлива. Качество нагрева определяется избранным графиком нагрева металла, т.е. скоростью и продолжительностью нагрева в каждой из зон печи. Каждому графику нагрева соответствуют конечная температура поверхности металла, неравномерность температур по сечению заготовки и величина угара металла. В современных методических печах кривая, характеризующая распределение температур по длине печи, круто поднимается на участке, соответствующем загрузочному концу печи, и становится пологой на участке, соответствующем высокотемпературной зоне ее.

Соблюдение такого графика обеспечивается высокой температурой отходящих газов. Применение его особенно целесообразно при нагреве толстых заготовок, так как теплопроводность металла уменьшается с повышением его температуры. С повышением температуры в сварочной зоне трехзонных печей необходимое время выдержки в томильной зоне часто удлиняется в большей степени, чем сокращается время нагрева в методической и сварочной зонах. Поэтому оптимальное значение температуры сварочной зоны, соответствующее нагреву металла до заданных кондиций, соответствует в первую очередь, заданной неравномерности температур по сечению заготовки.

В прокатных цехах заканчивается цикл металлургического производства. Процесс получения готового прокатного изделия обычно разбивается на несколько этапов: вначале слиток прокатывают на крупных обжимных и заготовительных станах до заготовки, которую затем для получения готового профиля передают на сортовые, листопрокатные или специальные (колесопрокатные, трубопрокатные и др.) станы.

Качество продукции и производительность прокатных станов во многом определяются работой нагревательных печей, причем в большинстве случаев ошибки, возникающие при нагреве металла, уже не могут быть исправлены. Проявляясь на последующих переделах, эти ошибки приводят к снижению выхода годной продукции.

Нагревательные печи прокатного производства предназначены для нагрева слитков перед прокаткой на обжимных станах и заготовок (слябов и блюмов) - перед листовыми и сортовыми станами.

Являясь начальным звеном технологической линии прокатного производства, нагревательные печи в своей работе тесно связаны с ритмом работы прокатного оборудования, и наряду с этим сохраняют особенности, присущие всем теплотехническим агрегатам. Основное время печи работают в переходных режимах, вызванных изменением сортамента, марки нагреваемых заготовок и темпа их выдачи. В прокатном производстве для нагрева металла перед прокаткой используются в основном три вида нагревательных печей: нагревательные колодцы, методические и секционные.

Современные нагревательные печи представляют собой высокомеханизированные агрегаты, удовлетворяющие технологическим и экологическим требованиям, однако жизнь выдвигает новые задачи развития печной техники.

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ И ОБОРУДОВАНИЕ

.1 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Применительно к металлургическим печам задача экономии топлива и энергии должна быть тесно увязана с решением важнейших технологических задач - улучшением качества нагрева металла при одновременном увеличении производительности и стойкости агрегатов. Таким образом, рациональное использование топлива означает не только достижение минимума его удельного расхода, но и улучшение качества нагреваемого металла

В современном стане для горячей прокатки бесшовных труб нагревание заготовки осуществляется, преимущественно, в кольцевой печи (RHF), за исключением некоторых непрерывных прокатных станов, в которых используется высокоскоростная нагревательная печь.

Задача кольцевой печи в линии горячей прокатки заключается в нагревании заготовки определенной длины после ее обрезания с уровня нормальной температуры (20°С) до 1280±10°С для ее последующей прошивки на прошивном стане.

Кольцевая печь является на сегодняшний день оптимальной промышленной печью, которая используется в мировой практике для нагревания круглых заготовок и отличительной чертой которой является наличие вращающегося пода круглой формы. В печи заготовка поворачивается на вращающемся поде от загрузочной двери к двери для выгрузки, где происходит выгрузка горячей заготовки при помощи разгрузочного устройства. Во время вращения заготовки на поде она нагревается под воздействием горелок, которые располагаются в стенках печи, в своде и в других местах, достигая перед выгрузкой необходимого уровня и однородного распределения температуры.

Для обеспечения идеального качества нагревания, печь разделяется по окружности на несколько контролируемых зон, которые позволяют управлять процессом горячей обработки. Имеется зона предварительного нагревания, зона нагревания и зона выдержки. Каждая зона может делиться далее на несколько секторов, в каждом из которых поддерживается определенная температура, что способствует более точному нагреванию заготовки до необходимого уровня. Нагревание заготовок в каждом секторе осуществляется благодаря использованию пламенных горелок, которые обеспечивают смешивание в определенной пропорции воздуха для горения и топлива. Подача топлива осуществляется по системе трубопроводов, а воздух для горения предварительно нагревается, походя через теплообменник воздуходувки (вспомогательная топливная воздуходувка), и по воздушному трубопроводу подается в каждую зону для участия в горении. Однако, регулирование температуры осуществляется за счет изменения подачи топлива и воздуха, которая контролируется автоматической системой управления, регулирующей степень открытия клапанов в системе трубопроводов. Образующиеся в процессе сгорания топлива газы выбрасываются через дымовую трубу в атмосферу. Под печи, стены, дымоход, дымовая труба и т.п. изготовлены из огнеупорных материалов, способствующих сохранению тепла и рациональному использованию энергии.

По сравнению с другими печами кольцевая печь имеет следующие преимущества:

·    Кольцевая печь подходит для нагревания круглой заготовки и может быть приспособлена для любых типов сложных заготовок, имеющих разные диаметры и разную длину. Система нагревания также может легко перенастраиваться в соответствии с различными размерами заготовок.

·        Посредством изменения интервалов внутри печи можно обеспечить нагревание заготовки в кратчайшее время в трех направлениях с равномерной температурой и хорошим прогреванием.

·        При нагревании заготовка поворачивается вместе с подом, при этом не происходит ее смещения и трения относительно пода, что затрудняет отслаивание окалины. Кроме того, в печи нет никаких других открывающихся дверей, кроме двери для выгрузки, поэтому она имеет хорошую герметичность; т.е. в нее может попадать только незначительное количество холодного воздуха и, благодаря этому в ней происходит меньше окислительных потерь.

·        Печь также может быть незагружена и в ней может быть оставлено свободное пространство без заготовки, что позволяет легко менять размер заготовки, сохраняя гибкость в работе.

·        Загрузка, выгрузка и вращение может осуществляться в автоматическом режиме с высоким уровнем механизации и автоматизации.

Недостатком кольцевой печи является то, что она круглая, занимает большую площадь и ее труднее разместить. Кроме того, заготовки располагаются внутри печи с определенными промежутками, что не позволяет полностью использовать площадь пода и снижает производительность установки.

На сегодняшний день, диаметр кольцевой печи на предприятии DALMING составляет 46 м, а на предприятии ALGOMA36 м, и именно такие печи применяются в мировом производстве бесшовных труб.

На нашем предприятии кольцевая печь используется для нагревания непрерывно литой заготовки до температуры 1300°С для последующей прокатки из нее бесшовной трубы. Используются заготовки трех диаметров, Æ160, Æ140, (Æ200), длина может быть в пределах от 750 мм до 4200 мм, а удельная масса не превышает 1,025 кг.

Нагревание в печи осуществляется с боков и сверху, причем она поделена на пять нагревательных зон с контролем температуры нагревания, что позволяет соблюдать технологию нагревания заготовки с обеспечением равномерного прогревания и максимального использования тепловой энергии благодаря возможности индивидуальной регулировки подачи топлива в каждую зону.

Для облегчения установки горелок и последующего обслуживания внутри и снаружи печи имеются две платформы шириной 1,5 м. Используется отдельная система предварительного нагрева, которая аккумулирует тепло уходящих газов и направляет его для предварительного нагревания воздуха для горения.

Поток уходящих газов направлен против движения заготовки, и после нагревания заготовки отработанные газы выводятся посредством имеющейся в печи вытяжной вентиляции через предварительный нагреватель и дымовую трубу.

Полностью автоматическая, современная и надежная система осуществляет точный расчет и распределение подачи тепла в печи в соответствии с различными условиями, обеспечивая нагревание заготовки по оптимальной технологической кривой.

Основными функциями системы измерения и контроля горячей обработки являются следующие: автоматический контроль температуры в пяти зонах печи, автоматический контроль давления в печи, регистрация температуры в каждом отсеке печи и расхода топлива, автоматическая защита системы предварительного нагревания, автоматическое устранение неисправностей в линии природного газа и в воздушном трубопроводе, автоматическое безопасное отключение подачи природного газа в случае аварии и т.п.

Система механического управления обеспечивает оперативное слежение за процессом загрузки и разгрузки пода и материалов.

В аппаратной цеха установлены шкаф управления и стол управления.

Боковая дверь с гидравлическим приводом служит для загрузки и выгрузки кольцевой печи. Преимуществом такой боковой двери является то, что приводной механизм не подвергается воздействию горячего печного воздуха, благодаря чему обеспечивается продолжительный срок его службы.

Загрузку и выгрузку заготовок производит специальный механизм, который доказал за многие годы работы свою приемлемость и надежность. Работа манипулятора этого механизма полностью автоматизирована; он может производить загрузку и выгрузку в соответствии с предварительной настройкой. Оба механизма имеют и электрический и гидравлический привод.

Одна установка центральной гидравлической станции обеспечивает работу гидравлического цилиндра печной двери, загрузочного и разгрузочного механизма, а также гидропривода, который является приводом кольцевой печи.

Для создания оптимального режима работы кольцевой печи, т.е. для обеспечения оптимального управления горячей обработкой в печи и передачей материала, в кольцевой печи используется система автоматического управления, которая может соединяться через имеющийся порт связи с компьютерной системой сталеплавильного и прокатного цеха.

.2 ОБОРУДОВАНИЕ

.2.1 Основные технические параметры карусельной печи

Наружный диаметр заготовки Æ140, Æ160 (Æ200)

Длина заготовки 750 - 4200 мм

Вес одной заготовки (макс.) 1,025 кг/шт.

Репрезентативные характеристики заготовки Æ160 х 4000 мм

Способ расположения заготовок Один ряд, два ряда

Топливо и теплотворная способность Природный газ 8,000 Ккал/Нм3= 32,681 КДж/ Нм3

Температура на входе Холодная заготовка 20°С

Температура нагретой заготовки 1250-1280°С

Макс. контролируемая температура в печи 1350°С

Допуск по темпер. окончат. нагрева заготовки £±10°С

Номинальная производительность 70 т/час

Максимальная производительность 80 т/час

Максимальная периодичность выгрузки 120 шт/час

Диаметр карусельной печи 25000 мм

Ширина рабочего пространства примерно 4800 мм

Высота рабочего пространства примерно 1800 мм

Рабочая ширина пода печи примерно 4350 мм

Наклон при загрузке/выгрузке прибл. 16.66667°

Количество разделительных стенок 3 шт. разделительные стенки, конструкция с водяным охлаждением

Средний расход тепла 335 Ккал/кг при нагревании репрезентативной заготовки при номинальной производительности.

.2.2 Характеристика горелок и распределение тепловой мощности по зонам печи

Характеристика горелок

1.2.3 Техническая характеристика рекуператора

Характеристика рекуператора

Пр. * - ( до/ после рекуператора )

.2.4 Вентилятор горения воздуха

Количество 1 шт. ( без резерва )

Рабочая среда воздух

Производительность 40.000 нм /ч

Статическое давление 107 мбар

Число оборотов вентилятора 1485 об./мин.с шумоглушителем макс. 85 дБ на расстоянии 1 м

.2.5 Техническая характеристика вентилятора дымососа

Рабочая среда дымовые газы

Производительность 100000 нм /ч

Температура при 350 С

Статическое давление 10 мбар

Число оборотов вентилятора 740 об./мин

2. ТЕПЛОВЫЕ РАСЧЕТЫ КОЛЬЦЕВОЙ НАГРЕВАТЕЛЬНОЙ ПЕЧИ

К нагреву металла в трубном и осепрокатном производствах предъявляются повышенные требования, и, прежде всего, с точки зрения получения высококачественной металлопродукции. При этом особое место занимают кольцевые печи с механизированным вращающимся подом, в которых осуществляются нагрев трубных и осевых заготовок, а также последующая термическая обработка бесшовных труб, сплошных и полых осей и др. Следует отметить, что кольцевые печи получили большое распространение с 30…40 годов прошлого столетия в кузнечно-прессовых отделениях машиностроительных предприятий, где применяются для нагрева крупных слитков, поковок, деталей и др.

Кольцевые печи имеют ряд преимуществ по сравнению с другими типами печей непрерывного действия (методическими, с шагающими балками и с шагающим подом): ограниченные габаритные размеры (компактность), высокая степень автоматизации и механизации, возможность достижения (при правильной эксплуатации) высокого качества нагрева, сравнительно невысокий удельный расход топлива, малый угар металла и др. Они чаще всего применяются для нагрева и термообработки круглых заготовок и слитков.

Кольцевая печь представляет собой неподвижный кольцевой канал, закрытый сверху арочным или подвесным сводом, а снизу ограниченный вращающимся кольцевым подом. С целью герметизации рабочего пространства печи сочленение подвижного пода и неподвижного кольцевого канала выполняется с помощью песочных или водяных затворов. На внешней боковой стенке кольцевого канала устроены два окна, через которые производится посад и выдача нагретых до температуры операции заготовок. Эти операции выполняются с помощью специальных загрузочно-разгрузочных механизмов.

Кольцевые печи могут работать по методическому или камерному режимам. Для исключения теплового взаимного влияния зон они отделены друг от друга специальными подвесными перегородками.Огнеупорная перегородка устанавливается также между окнами выдачи и посада.

С целью снижения скорости нагрева металла в первой зоне (для предотвращения температурных напряжений), удаление продуктов сгорания из печи производят из начала первой зоны (методический режим нагрева).

Наиболее экономичным признан методический режим работы печи. В этом случае в зависимости от массивности заготовки (Bi³Biкр) рабочее пространство имеет три зоны: методическую (щадящего нагрева), сварочную (форсированного нагрева) и зону выдержки. При условии, что Bi<Biкр рабочее пространство кольцевой печи представляют двумя зонами (зона выдержки в этом случае отсутствует). При трехзонном режиме работы печи методическая зона кольцевой печи может не иметь самостоятельного отопления, и в этой зоне горелочные устройства не устанавливаются.

Методическая зона расположена сразу за окном посада и далее по ходу садки (заготовок, слитков). При этом нагрев металла в методической зоне осуществляется за счет теплоты дымовых газов, приходящих в зону из отапливаемых высокотемпературных зон. Кроме того, нагрев заготовки снизу осуществляется и теплотой, аккумулированной подом при прохождении ее через предыдущие высокотемпературные участки печи. Таким образом, горячая подина, излучая на заготовку снизу и передавая теплоту при непосредственном соприкосновении, в значительной мере способствует созданию симметричного нагрева и улучшению его скорости. Многочисленными опытами было установлено, что отношение теплового потока с одной стороны заготовки к сумме тепловых потоков сверху и снизу - 0,5…0,58, т.е. нагрев круглых заготовок в кольцевых печах очень близок к симметричному.

Следующая за методической (по ходу металла) зона называется сварочной. Горелки в зоне устанавливаются в боковых стенах в радиальном направлении или под некоторым углом к нему. В этой зоне поддерживается наибольшая температура. При двухзонном режиме работы печи эта температура выбирается из условий конечного нагрева металла.

За сварочной расположена томильная зона (зона выдержки). Зона имеет самостоятельное отопление. Назначение зоны - устранить неравномерность прогрева по сечению заготовки. В связи с этим температура в зоне поддерживается близкой к конечной температуре нагрева заготовок, т.е. она несколько ниже, чем температура в сварочной зоне.

Исходные данные

Производительность печи - G = 80 т/ч; размеры заготовки - диаметр 0,2 м, длина l = 4,2 м; температура посада заготовок - = 20 °С; температура поверхности заготовок в конце нагрева - = 1280 °С; конечный перепад температур по сечению заготовки Dtкон = 20 °С. Топливо -природный газ. Температура подогрева воздуха-окислителя - tв = 450 °С. Температура уходящих газов - tд.ух = 800 °С. Марка стали Ст.3

.1 РАСЧЕТ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА

Состав природного газа (%)

Перерасчет на влажный газ (влажность газа 20 г/м3) (%)

Низшую теплоту сгорания находим по формуле

Находим расход кислорода для сжигания газа при коэффициенте расхода воздуха α =1,05

Расход сухого воздуха найдем по формуле

Состав продуктов

,

Суммарный состав продуктов сгорания

Процентный состав продуктов сгорания

Правильность расчета проверяем составлением материального баланса горения топлива

Таблица материального баланса горения топлива

Невязка материального баланса составляет 0,18 %.

.2 РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕНА В РАБОЧЕМ ПРОСТРАНСТВЕ ПЕЧИ

Для учета влияния относительного расстояния между осями заготовок на время нагрева находим угловой коэффициент jм,м и коэффициент излучения, отнесенные к температуре печи Спеч и температуре газа Сг.

Поверхность свода и пода

Fcв =Fпод= pDсрВ=3,14·21·4,77 = 314,53 м2

гдеDср - средний диаметр печи (21м); В - ширина печи (4,77м).

Боковая поверхность футеровки по наружному диаметру кольца

Fнар= p(Dср + В)h= 3,14(21+4,77)·1,8=145,65м2

где h- высота рабочего пространства печи,h = 1,8 м.

Полная поверхность футеровки

Fкл =Fcв +Fпод + Fн +Fвнут = 2pDсрВ + p(Dср + В)h + p(Dср - В)h =

= 2pDср(В + h)=2*3,14*21*(4,77+1,8)=866,45м2

Поверхность металла будет

=

где md- расстояние между осями заготовок;m- число диаметров ,m= 1,83;n- число рядов;l,d- соответственно длина и диаметр заготовки.

Угловой коэффициент с металла на металл запишется

,

Учитывая, что jм,кл= 1 - jм,м=1-0,354=0,645 коэффициент теплообмена излучением находим из выражения.Степень черноты металла eм принимаем равной 0,8.

.

Тогда Спеч = 3,19 Вт/(м2×К4).

Коэффициент теплообмена излучением, отнесенный к температуре газа, запишется

.

Температуру газов в томильной зоне принимаем на 50 °С выше температуры поверхности металла в конце нагрева, т.е.

tг.том = + 50 = 1280 + 50 = 1330 °С.

Температуру газов в сварочной зоне принимаем

Ориентировочная средняя температура газов в методической зоне будет

 = 1035 °С.

Вследствие одинаковой геометрии рабочего пространства во всех зонах, средняя эффективная длина луча в них будет также одинакова. Объем заполненного газом пространства в печи (объемом металла, ввиду его малости по сравнению с объемом рабочего пространства, пренебрегаем)

Vг= h×Fг =hpDср×В = 1,8·314,53 = 566,154 м3.

Поверхность металла в печи

FSзаг = NзагFзаг= .

Суммарная поверхность, ограничивающая газовый объем

FS=Fкл +FSзаг = 866,45+475,2=1341,65м2

Тогда средняя эффективная длина луча для каждой из зон определится

= 1,43 м.

Находим произведение парциальных давлений излучающих газов на среднюю эффективную длину луча в зонах

 = 98,1×1,43×0,1194 = 16,75 кН/м;

 = 98,1×1,43×0,154 = 24,6 кН/м.

Записываем степень черноты газов СО2 и Н2О:

в методической зоне

= 0,11;  = 0,16; b» 1,1;

eг.м = + b× = 0,11 + 1,1×0,16 = 0,286;

в сварочной зоне

= 0,1;  = 0,145; b = 1,1;

eг.св = 0,1 + 1,1×0,145 = 0,26.

в томильной зоне

= 0,095;  = 0,142; b = 1,1;

eг.том = 0,095 + 1,1×0,142 = 0,251.

Коэффициент излучения Сг:

в методической зоне

 = 2,69 Вт/(м2×К4);

в сварочной зоне

 = 2,55 Вт/(м2×К4);

в томильной зоне

 = 2,49 Вт/(м2×К4);

Среднее значение приведенного коэффициента излучения

Сг =  = 2,57 Вт/(м2×К4).

Расчет нагрева металла

Средняя температура заготовки в конце нагрева

= - Dtкон = 1280 - 20 = 1270 °С.

Конечная удельная энтальпия металла при  = 1270°С будет

iкон = ×.

Значения удельной теплоемкости и теплопроводности для принятой марки стали (Ст3) в зависимости от температуры приведены в табл. 5.4.

Тогда iкон = 0,702×1270 = 891 кДж/кг.

Теплопроводность стали при этой же температуре

 = 45,04 Вт/(м×К).

Удельный тепловой поток в конце нагрева

 = 18016 Вт/м2.

Расчетная температура дымовых газов в томильной зоне

 =

= = 1326 °С.

Коэффициент использования топлива в сварочной зоне

,

где  - теплота сгорания топлива,  = 34219 МДж/м3; Qфиз - физическое тепло, вносимое с подогретым воздухом,

Qфиз =iв = tв,

где iв - удельная энтальпия воздуха, соответствующая температуре нагретого воздуха tв = 450 °С.

Имеем

iв = 1,335×450 = 601 кДж/м3;

Qфиз = 3,9×601 = 2344 кДж/м3.

Количество теплоты, уносимое дымовыми газами из сварочной зоны

iд@ 1,61×1326 = 2142 кДж/м3;

Qух.св = 10,386×2142 = 22246 кДж/м3.

Считаем, что химический недожог топлива в сварочной зоне отсутствует qн.св = 0.

Количество теплоты, излучаемое из сварочной зоны в методическую

= F,

 из практических соображений принимаем равным 145000 Вт/м2.

Поперечное сечение печи

F= B×h =4,77×1,8 = 8,586 м2;

= 145000×8,586 = 1,124×106 Вт.

Удельный расход теплоты принимаем равным

b» 2300 кДж/кг.

Общая тепловая мощность печи при этом составит

Мобщ =  = 51,1×106 Вт.

Тогда

 = 0,44.

Общий коэффициент тепла топлива

;

Qух =Vд×iух = Vд××tух = 10,386×1,54×800 = 12795 кДж/м3;

 = 0,694.

Общее приращение энтальпии металла (при tнач = 20 °С)

Diобщ = iкон- iнач= ×- × = 891 - 0,46×20 = 881,8 кДж/кг,

=  = 0,46 кДж/(кг×К).

Приращение энтальпии металла в методической зоне

Diнач = Diобщ = 322,7 кДж/кг.

Удельный тепловой поток в начале методической зоны

 = Сг= 2,57 =

= 33877 Вт/м2.

Удельный тепловой поток в конце методической зоны

 = Сг,

где  - температура поверхности металла в конце методической зоны;

;

- средняя температура металла в конце методической зоны, соответствующая теплосодержанию

= iнач+ Diмет = 9,2 + 322,7 = 331,9 кДж/кг.

Величину  определим с помощью табл. 5.4 методом последовательных приближений по формуле

 = ,

или, используя линейную интерполяцию для данного случая, по выражению

 = 500 +  = 599°С,

где предварительно определим, что действительное теплосодержание  лежит в интервале температур между 500 и 600 °С.

Для найденной температуры (599 °С) коэффициент теплопроводности стали составляет = 45,3 Вт/(м×К).

Коэффициент усреднения температуры по сечению тела предварительно принимаем для цилиндра K3» 2.

Перепад температур в конце методической зоны находим по выражению

= ,

где K2 - коэффициент усреднения теплового потока по сечению тела.

Для цилиндра предварительно принимаем K2» 2.

Тогда

,

а тепловой поток в конце методической зоны определится по выражению

= Сг.

Решаем это уравнение методом последовательных приближений.

В первом приближении принимаем

 = 0;

 =130821 Вт/м2.

Полученное значение подставим в исходное уравнение для и выполним второе приближение

 = 125255 Вт/м2.

Запишем окончательный результат

 = 125519 Вт/м2.

Определяем температуру поверхности металла в конце методической зоны

 = 668 °С.

Перепад температур по сечению металла в конце методической зоны

 = 138 °С.

Температура на оси заготовки в конце методической зоны

 = -  = 668 - 138 = 530 °С.

Средний тепловой поток в методической зоне

 =65208 Вт/м2.

Время нагрева металла в методической зоне

,

где r - плотность металла; K1 - коэффициент массовой нагрузки, для цилиндра K1 = 2; 1,1 - коэффициент, учитывающий некоторую неравномерность нагрева  = 0,58 ч.

Продолжительность нагрева металла в томильной зоне

Где NT-число заготовокв томильной зоне,

T- длина томильной зоны,LT=8,74 м, тогда

Среднюю температуру металла в начале методической зоны определим методом последовательных приближений из формулы

Где tср.т.- средняя удельная теплоемкость металла в томильной зоне, в первом приближении ее принимаем равной теплоемкости металла в конце томильной зоны. αср.т.- средний коэффициент теплоотдачи в томильной зоне,

В первом приближении принимаем

- коэффициент массивности,

В первом приближении λср.т. принимаем равным коэффициенту теплопроводности для конца томильной зоны.

Тогда сср.т. ≈ ст.к. = 0,702 кДж/(кг·К)

Значения К2 и К3 для Bi=0.87определим таблице К2=1,81 и К3=1,937.

Значение m в первом приближении будет

Тогда ориентировочное значение средней температуры металла в начале томильной зоны

Ориентировочный удельный тепловой поток в начале томильной (конце сварочной) зоны определим методом последовательных приближений

В первом приближении

λср.т.н.=43Вт/(м·К)

Ориентировочная температура поверхности металла в начале томильной зоны

Уточним значение αср.т.

Уточним значение λср.т. и Biср.т.

Уточним значение удельной теплоемкости металла

ст.н.=0,702 кДж/(кг·К)

В следствии того, что величины αср.т, . λср.т, Biср.т. и сср.т. практически не изменились по сравнению с первым приближением, второго приближения делать не будем.

Перепад температур по сечению металла в начале томильной зоны

Температура оси металла в начале томильной зоны

Приращение энтальпии в сварочной зоне и энтальпии металла в конце сварочной зоны при tср.н.=1241,6°С

Средний тепловой поток в сварочной зоне

 = 43508 Вт/м2.

Время нагрева металла в сварочной зоне

 = 1,47 ч.

Общее время нагрева металла в печи

tобщ = tмет + tсв + tтом = 0,58+1,47+0,31= 2,36 ч.

Полученное время нагрева соответствует тех.картам согласно ТИ-840-ТП-01-2011.

Количество заготовок в печи

.

Откуда  = 183 шт. согласно паспортных данных заготовки в кольцевой печи располагаются через 2° или 180 шт.на подине.

Длина печи по средней линии кольца пода

Lср = 65,94 м. (паспортные данные)

Емкость печи

E = G×tобщ = 80000×2,36 = 188800кг.

Средний диаметр печи

 21 м.T- длина томильной зоны,LT=8,74 м

Длина сварочной зоны

 = 38,6 м.

Длина методической зоны

 = 15,2 м.

.3 СОСТАВЛЕНИЕ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА КОЛЬЦЕВОЙ ПЕЧИ

Потери теплоты теплопроводностью через кладку печи

Температура внутренней поверхности кладки определяется по формуле

,

где ;  - относительная температура кладки;  - относительная температура металла.

Для томильной зоны имеем

 = 1263°С;

tг = 1326 °С;

jкл,св = 0,36 ; eг.св = 0,24;

 = 0,523;

 = 0,98;

 = 0,99;

Ткл = qкл(tг.св + 273) = 0,99(1326 + 273) = 1583 К;

tкл = 1583 - 273 = 1310°С.

Для сварочной зоны

 = 964,1°С;

 1270°С;

eг, = 0,25 jк,м = 0,26

 = 0,61;

 = 0,801;

 = 0,936;

Ткл = 0,936(1270 + 273) = 1444 К;

tкл = 1444 - 273 = 1171°С.

В методической зоне

 = 344°С;

 = 1035°С;

eг, = 0,23 jк,м = 0,258 Фкл=0,603 =0,72

 = 0,917;

Ткл = 0,917(1035 + 273) = 1199 К;

tкл = 1444 - 273 = 926°С.

Расчет тепловых потерь в томильной зоне через свод

Поверхность свода Fсв=B·hт=4,77·8,74=41,68м2

Определяем в первом приближении температуры стыка и средние температуры слоев кладки в томильной зоне

 = 665 °С.

Средняя температура слоя шамота

 = 987 °С.

Средняя температура слоя изоляции

 = 342,5 °С.

Коэффициенты теплопроводности шамота и изоляции

lш = 1,163·(0,6+0,00055·)= 1,163·(0,6+0,00055·987) = 1,32 Вт/(м×К);

lиз = 1,163·(0,2+ 0,0002·)= 1,163·(0,2+ 0,0002·342,5)= 0,312 Вт/(м×К).

Потери теплоты определяем по формуле

,

где  - сумма тепловых сопротивлений слоев кладки; a¢¢ - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности кладки в окружающую среду (по экспериментальным данным), a¢¢ = 18,6 Вт/(м2×К); 1/a¢¢ = 0,06 м2×К/Вт;

 = 70653 Вт.

Проверяем правильность принятых средних температур слоев кладки:

 = 1117°С;

 = 530 °С.

Как видим, имеется расхождение с принятыми ранее температурами, поэтому произведем перерасчет.

Принимаем:

tш = 1100 °С;tиз = 520 °С;

lш= 1,4 Вт/(м×К);

lиз = 0,35 Вт/(м×К);

 = 78150 Вт.

Определим тепловые потери через стены

»2h×Lсв = 2×1,8×8,74 = 31,5 м2.

Принимаем те же средние температуры для слоев шамота и изоляции стен:

tш = 1100 °С;tиз = 520 °С;

lш = 1,4 Вт/(м×К); lиз = 0,35 Вт/(м×К);

 = 59062 Вт.

Проверяем правильность принятых температур:

 = 1075°С;

 = 520 °С.

Найденные температуры близки к принятым, поэтому пересчет не производим.

Вследствие того, что под печи частично экранирован заготовками от рабочего пространства и его толщина значительно больше, чем свода, принимаем потери через под в два раза меньшими, чем потери через свод печи

» 0,5× = 0,5×59062 = 29531 Вт.

Суммарные потери теплоты через кладку в томильной зоне

Qсв.S = 78150 + 59062 + 29513 = 166725 Вт.

Расчет тепловых потерь в сварочной зоне

Расчет тепловых потерь в сварочной зоне выполняется аналогично расчету тепловых потерь в томильной зоне.

Поверхность свода Fсв=B·hсв=4,77·38,6=184м2

Определяем в первом приближении температуры стыка и средние температуры слоев кладки в томильной зоне

 = 596 °С.

Средняя температура слоя динаса

 = 884 °С.

Средняя температура слоя изоляции

 = 452 °С.

Коэффициенты теплопроводности динаса и изоляции

lд == 1,5 Вт/(м×К);

lиз = 0,308 Вт/(м×К).

Потери теплоты определяем по формуле

 = 288534 Вт.

Проверяем правильность принятых средних температур слоев кладки:

 = 1014°С;

 = 523 °С.

Как видим, имеется расхождение с принятыми ранее температурами, поэтому произведем перерасчет.

Принимаем:

tд = 1000 °С;tиз = 500 °С;

lд= 1,58 Вт/(м×К);

lиз = 0,34 Вт/(м×К);

 = 314219,6 Вт.

Определим тепловые потери через стены

»2h×Lсв = 2×1,8×38,6 = 139 м2.

Принимаем те же средние температуры для слоев динаса и изоляции стен:

tд = 1000 °С;tиз = 500 °С;

lд = 1,58 Вт/(м×К); lиз = 0,34 Вт/(м×К);

 = 256392 Вт.

Вследствие того, что под печи частично экранирован заготовками от рабочего пространства и его толщина значительно больше, чем свода, принимаем потери через под в два раза меньшими, чем потери через свод печи

» 0,5× = 0,5×256392 = 128196 Вт.

Суммарные потери теплоты через кладку в сварочной зоне

Qсв.S = 314219 + 256392 + 128196 = 698807 Вт.

Расчет тепловых потерь в методической зоне

Расчет тепловых потерь в методической зоне выполняется аналогично расчету тепловых потерь в сварочной зоне.

Поверхность свода Fм=B·hм=4,77·15,2=72,5м2

Определяем в первом приближении температуры стыка и средние температуры слоев кладки в томильной зоне

 = 473 °С.

Средняя температура слоя динаса

 = 699,5 °С.

Средняя температура слоя изоляции

 = 360 °С.

Коэффициенты теплопроводности динаса и изоляции

lд == 1,3 Вт/(м×К);

lиз = 0,3 Вт/(м×К).

Потери теплоты определяем по формуле

 = 85076 Вт.

Проверяем правильность принятых средних температур слоев кладки:

 = 791°С;

 = 490 °С.

Как видим, имеется расхождение с принятыми ранее температурами, поэтому произведем перерасчет.

Принимаем:

tд = 780 °С;tиз = 480 °С;

lд= 1,34 Вт/(м×К);

lиз = 0,347 Вт/(м×К);

 = 92906 Вт.

Определим тепловые потери через стены

»2h×Lсв = 2×1,8×15,2 = 54,7 м2.

Принимаем те же средние температуры для слоев динаса и изоляции стен:

tд = 780 °С;tиз = 480 °С;

lд = 1,34 Вт/(м×К); lиз = 0,347 Вт/(м×К);

 = 75088 Вт.

Вследствие того, что под печи частично экранирован заготовками от рабочего пространства и его толщина значительно больше, чем свода, принимаем потери через под в два раза меньшими, чем потери через свод печи

» 0,5× = 0,5×75088 = 37544 Вт.

Суммарные потери теплоты через кладку в методической зоне

Qсв.S = 92906 + 75088 + 37544 = 205538 Вт.

Общие потери тепла через кладку печи

Qобщ.кл = 166725 + 698807+205538 = 1071070 Вт.

Потери теплоты излучением через окна печи

Потери теплоты излучением происходят через окно выдачи в томильной и окно посада в методической зонах. Потери теплоты излучением рассчитываем по формуле

,

где Ф - коэффициент диафрагмирования, определенный в зависимости от толщины кладки и размеров окна; y - доля времени, в течение которого окно открыто; Fокн - площадь окна, Fокн = 1,5×1,5 = 2,25 м2.

Принимаем Ф= 0,78; y = 0,5;

 =

= 1316 °С.

Окончательно имеем

 = 317194,6 Вт.

Потери теплоты излучением через окно посада.

Температура печи в начале методической зоны (у окна посада)

 = 743 °С.

Окончательно для окна посада получаем

 = 53065 Вт.

Общие потери теплоты излучением через окна

QизлS = 317194,6 + 753065 = 370280 Вт.

Общие потери теплоты из рабочего пространства печи

åQпот = 1,1(Qобщ.кл + QизлS) = 1,1(1071070 + 370280) = 1,58×106 Вт,

где 1,1 - коэффициент неучтенных потерь.

Расход теплоты на нагрев металла

Общее количество теплоты, усвоенное металлом

 = 19,39×106 Вт.

Угар металла d принимаем равным 1 %.

Теплота, выделенная при окислении металла

Процесс окисления протекает с положительным тепловым эффектом, средняя величина которого составляет 5650 кДж/кг металла.

Имеем

 = 1,26×106 Вт.

Потери теплоты с окалиной

Запишем Qок =Gокiок.

Количество образующейся окалины будет

 = 0,31 кг/с,

где 1,38 кг/кг - количество окалины, образующееся при окислении 1 кг стали.

Удельная энтальпия окалины

iок =cок( -),

где cок - удельная теплоемкость окалины, равна 1,26 кДж/(кг×К);

iок = 1,26(1280 - 20) = 1588 кДж/кг;

Qок = 0,31×1588×1000 = 492280 Вт.

Теплота, усвоенная металлом при окислении

Qусв.Fe = Qэкз -Qок = 1,26×106 - 0,49×106 = 0,77×106 Вт.

Теплота, усвоенная металлом при горении топлива

Qусв.т = Qм - Qусв.Fe = (19,39 - 0,77) ×106 = 18,62×106 Вт.

.4 ТЕПЛОВЫЕ МОЩНОСТИ И РАСХОД ТОПЛИВА

Полезная (рабочая) тепловая мощность

Мпол =  = 26,82×106 Вт.

Тепловая мощность холостого хода

Мх.х =  = 2,27×106 Вт.

Общая тепловая мощность

Мобщ = Мпол + Мх.х = 26,82×106 + 2,27×106 = 29,09×106 Вт.

Секундный (часовой) расход топлива

В =  = 0,85 м3/с (3060 м3/ч).

Удельный расход теплоты

 = 1309 кДж/кг.

Удельный расход условного топлива в кг у.т на 1 тонну металла

 = 44,6 кг у.т/т.

Коэффициент полезного действия печи

 = 64 %.

Физическая теплота воздуха

 = 0,85×9,54×1,33× 450×1000 = 4,50×106 Вт.

Потери теплоты с уходящими газами

 = 0,85× 12,38×1,54× 800×1000 = 12,96×106 Вт.

Тепловой баланс печи

Невязка баланса  = 0,2 %.

3 ОХРАНА ТРУДА

Улучшение условий труда способствует улучшению трудовой дисциплины, сокращению случаев травматизма и профессиональных заболеваний.

Термообработка металла в следствии насыщенности разного рода сложными машинами и механизмами, высокой температуры технологического процесса требует особого внимания с точки зрения создания безопасных и безвредных условий труда.

.1 ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ

В отделениях нагревательных печей в связи с тепловой работой этих устройств возникают интенсивные тепловые выделения конвективного и лучистого тепла. Температура воздуха рабочей зоны не должна превышать значений, предусмотренных ГОСТ 12.1.005-88 ССБТ «Воздух рабочей зоны. Общие санитарно-гигиенические требования». Для горячих цехов допускается превышение температуры воздуха на рабочих местах до 5 °С.

Характеристика тепловых выделений

В отделениях нагревательных печей микроклимат имеет радиационный характер: кроме высокой температуры, работающие могут подвергаться тепловым излучениям высокой плотности.

Нагревательные печи выделяют радиационное тепло: от стен печей выделяется ~ 40 % конвективного тепла и 60 % радиационного, в открытые окна 100 % радиационного тепла. В общих тепловых выделениях в отделениях нагревательных печей теплопотери через стенки печей составляют ~20 % общих потерь, теплоизлучение из окон ~6 %, т.е. четверть всех выделений тепла в прокатном цехе. На 1 м3 объема здания нагревательных печей удельная тепловая нагрузка равна 0,23-0,27 Вт/м2. Однако распределяются тепловыделения неравномерно по объему здания: у собственно печей выше, чем в районе железнодорожных путей.

Газы и пламя выбиваются через открытые смотровые отверстия в крышках окон печей, а также из-под крышек из-за того, что в печном пространстве для исключения подсоса воздуха создается положительное давление.

Одним из методов снижения тепловыделений является обеспечение надежной тепловой изоляции нагревательных устройств (применение огнеупорных материалов с малой теплопроводностью, защитой наружной поверхности кладки теплоизоляционным материалом).

нагревательный печь рекуператор горелка

3.2 ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ К ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМУ ПРОЦЕССУ

Требования безопасности к технологическому процессу и к конструкции оборудования соответствуют ГОСТ 12.2.046.0-04 и ГОСТ 12.3.027-04.

Опасными зонами являются: зона термообработки металла, зона работы крана. Опасность представляют движущиеся части работающего оборудования, нагретые ограждающие конструкции печи и нагретые заготовки. Опасные зоны ограждают защитными кожухами, снабжаются средствами сигнализации, звуковыми и световыми сигналами, запрещающими и предупреждающими знаками. Опознавательная сигнализация отдельных видов оборудования служит для выделения опасных узлов, механизмов и зон. С этой целью применяют систему сигнальных цветов по ГОСТ 12.4.026-76. Стены и потолки окрашивают в светлые цвета, подъемно-транспортное оборудование - в светло-серый цвет, движущиеся и выступающие части - в желтый. В красный цвет окрашены внутренние поверхности дверей, электрооборудование, опасные зоны, трубы вентиляции. Рабочие при выполнении технологических операций используют средства индивидуальной защиты согласно ГОСТ 12.4.011-87, к работе на участках допускаются лица, усвоившие требование ТБ, изложенных в ГОСТ 12.3.027-04 и ГОСТ 12.2.046.0-04.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Б.С.Мастрюков, В.А.Кривандин. «Теория, конструкции и расчеты металлургических печей» т.2. - Москва, «Металлургия», 1986г. - 375 с.

2. Я.М.Гордон, Б.Ф. Зобнин. «Теплотехнические расчеты металлургических печей». - Москва, «Металлургия», 1993г. - 362 с.

3. А.П.Несенчук, Н.П.Жмакин. «Тепловые расчеты пламенных печей для нагрева и термообработки металла». - Минск, «Вышэйшая школа», 1974г. - 280 с.

4. А.М.Глинков, Г.М.Глинков. «Общая теория печей». - Москва, «Металлургия», 1978г. - 266 с.

5. В.А.Кривандин, И.Н.Неведомская, В.В.Кобавхидзе. «Металлургическая теплотехника» т.2 - Москва, «Металлурги», 1986г. - 657 с.

6. О.В.Юзов, Ф.И.Щепилов, А.Г.Шлеев. «Экономика и организация производства в дипломном проектировании». - Москва, «Металлургия», 1991г. - 234 с.

7. Н.С.Сачко, И.М.Бабука. «Организация, планирование и управление машиностроительным предприятием». - Минск, «Вышэйшая школа», 1988г. - 272 с.

8. «Безопасность производственных процессов». Справочник. Под ред. С.В.Белова. - Москва, «Машиностроение», 1985г. - 448 с.

9. Б.М.Злобинский. «Охрана труда в металлургии». - Москва, «Металлургия», 1975г. - 536 с.

10.«Методы типовых расчетов параметров условий труда на производстве». Методическое пособие для студентов всех специальностей. - Минск, БПИ, 1984г. - 14 с.

11.ГОСТ 12.1.005-88. ССБТ. «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны».

12.Зайцев В.С. «Основы технологического проектирования прокатных цехов». - Москва, «Металлургия», 1987г. - 336с.

13.«Межотраслевые правила по охране труда при термической обработке металлов». - Минск, ЦОТЖ, 2005г. - 135 с.

14.«Теплотехнические расчеты металлургических печей». Под научной редакцией А.С.Телегина. - Москва, «Металлургия», 1993г. - 365 с.

15.«Огнеупорные материалы и изделия для нагревательных печей». Каталог.

16.«Инструкция по эксплуатации нагревательной печи стана 320».