Определение параметров колпаковой печи
Введение
Задачей данной курсовой работы
является подбор и расчет оборудования для термической обработки продукции стана
холодной прокатки. Объектом будет служить стан 2030 бесконечной холодной
прокатки Новолипецкого металлургического комбината.
Готовая продукция этого стана -
холоднокатаная лента, толщиной от 0,4 до 3,0 мм, которая в дальнейшем будет
подвергаться штамповке (производства автолиста). Материал - малоуглеродистая
качественная сталь 08Ю.
После холодной прокатки и очистки
(обезжиривания) полосы из углеродистой стали необходимо выполнить термическую
обработку - рекристаллизационный (светлый) отжиг при температуре 720-750 ºC /1/, чтобы снять наклеп и получить крупнозернистую структуру
металла, обеспечивающую требуемые механические (предел текучести, относительное
удлинение) и технологические (штампуемость) свойства.
Так как после отжига полоса не
подвергается вторичному травлению, образование окалины на ее поверхности
недопустимо. Поэтому отжиг проводят в защитной атмосфере, состоящей из 95%
азота и 5% водорода /1/. Для светлого отжига применяют колпаковые и непрерывные
печи.
Непрерывные агрегаты, безусловно,
выигрывают в качестве нагрева (нагрев равномерный по длине рулона) и в
производительности (в непрерывном агрегате продолжительность операции 2-3
минуты, в колпаковых печах - десятки часов).
Основным достоинствам колпаковых
печей является простота конструкции и относительно небольшие габариты.
Колпаковая печь состоит из колпака и
нескольких стендов. Это связано с длительностью технологического цикла. В
процессе нагрева стопы под колпаком, на других стендах осуществляются операции
загрузки - разгрузки и охлаждения рулонов. Производительность одного колпака
1,2-2,0 тонны полосы в час /2/.
Колпак отапливают коксодоменным
газом при помощи инжекционных горелок. Нагрев металла осуществляется за счет
конвективного и лучистого видов теплообмена между муфелем и рулоном. Для
интенсификации конвективного теплообмена создают циркуляцию защитного газа при
помощи вентиляторов с крыльчаткой центробежного типа, расположенного в
основании стенда.
1. Исходные и справочные
данные
муфель колпаковый печь
баланс
Годовая производительность печного
пролета (P) - 1500 тыс. тонн/год.
Размеры печи, м:
D=2,85;
h=2,1.
Характеристики рулона:
наружный диаметр рулона (Dр) - 2,00 м;
внутренний диаметр рулона (dр) - 0,60 м;
высота рулона (hр) - 1,50 м;
количество рулонов в стопе (nр) - 1;
коэффициент заполнения рулона (η) - 0,97.
Характеристики металла:
теплоемкость (cм) - 0,67 кДж/(кг·К);
плотность (ρ) - 7850 кг/м³;
коэффициент теплопроводности (λм) - 34,2 Вт/(м²·К);
коэффициент эквивалентной
теплопроводности в радиальном направлении (λr) - 7 Вт/(м²·К);
конечная температура - 720 ºC;
допустимый перепад температур - 50 ºC;
начальная температура - 60 ºC.
Коэффициент излучения абсолютно
черного тела (cs) - 5,77 Вт/(м²·К4).
Степень черноты муфеля (εм) - 0,7.
Степень черноты рулона (εр) - 0,3.
Низшая теплота сгорания
коксодоменного газа (Qнр) - 11,75 МДж/м³.
Коэффициент использования печи (kи) - 0,9.
Коэффициент заполнения (kз) - 0,8.
Кладка:
Внутренний слой 100 мм - шамотный
легковес ШЛ-1
Наружный слой 80 мм - диатомит Д-500
2. Расчет колпаковой
печи
Расчет проводим по методике /3/.
2.1 Расчет теплообмена
под муфелем при нагреве
Температуру муфеля, ºС принимают постоянной
для всего процесса нагрева
tмуф=tкон+10=720+10=730 ºС
Диаметр муфеля
Dм=Dр+0,35=2,00+0,35=2,35 м
Высота муфеля
м
Приведенный коэффициент
теплоотдачи излучением
Вт/(м²·К4)
Средняя температура
наружной боковой поверхности рулона
ºС
Расчетная температура газа
ºС
Коэффициент теплоотдачи
излучением от муфеля к наружной боковой поверхности рулона
Вт/(м²·К)
Площади поверхностей, м²:
боковой
;
торцевой
;
внутренней
;
поверхности муфеля
.
Действительные скорости
защитного газа, м/с:
в конвекторных кольцах
нижнего рулона
во внутренней полости
рулона
αт=24,75
αв=25,25
Коэффициент привидения
,
где k - коэффициент
Средние приведенные
коэффициенты теплоотдачи, Вт/(м²·К):
2.2 Расчет
температурного поля в рулоне
Распределение температур
в рулоне и определение времени нагрева для обеспечения допустимого интервала
температур будем проводить методом последовательных приближений.
Принимаем, что
коэффициенты теплопроводности в осевом и радиальном направлениях равны.
Числа Био:
Относительное положение
экстремальной точки μ определяется по графику, /3/, в зависимости от отношений диаметров
и чисел Био:
μ
=0,72
Коэффициент формы
Расчетные толщины рулона
в направлении, м:
радиальном
;
осевом
.
Коэффициенты
температуропроводности в направлении, м²/ч:
радиальном
;
осевом
.
Числа Био и Фурье в
направлении:
где τ
- время нагрева, ч;
в радиальном
Распределение
температур в рулоне
Относительная
температура
Расчет распределения
температур в рулоне представлен в таблице 1.
Таблица 1 -
Распределение температур в рулоне
|
τ, ч
|
For
|
Bir
|
θпов.r
|
θextr.r
|
Foz
|
Biz
|
θextr.z
|
θпов
|
θextr.
|
tпов,
ºC
|
textrºC
|
Δt, ºC
|
|
2
|
0,056
|
11,20
|
0,500
|
0,980
|
0,084
|
0,34
|
0,990
|
0,495
|
0,970
|
398
|
80
|
|
10
|
0,280
|
11,20
|
0,281
|
0,720
|
0,420
|
0,34
|
0,900
|
0,253
|
0,648
|
561
|
296
|
265
|
|
20
|
0,560
|
11,20
|
0,057
|
0,387
|
0,840
|
0,34
|
0,817
|
0,046
|
0,316
|
699
|
518
|
181
|
|
30
|
0,840
|
11,20
|
0,030
|
0,227
|
1,260
|
0,34
|
0,707
|
0,021
|
0,161
|
716
|
622
|
94
|
|
35
|
0,980
|
11,20
|
0,023
|
0,176
|
1,470
|
0,34
|
0,667
|
0,015
|
0,117
|
720
|
651
|
69
|
|
40
|
1,120
|
11,20
|
0,017
|
0,138
|
1,680
|
0,34
|
0,612
|
0,010
|
0,084
|
724
|
673
|
51
|
|
45
|
1,260
|
11,20
|
0,013
|
0,092
|
0,34
|
0,580
|
0,008
|
0,053
|
725
|
694
|
31
|
2.3 Определение числа
печей (стендов) в отделении
Производительность отделения
т/ч
Масса садки
т
Время нагрева и выдержки
- 45 ч.
Принимаем время
охлаждения 70 ч.
Технологический цикл τ=45+70+5=120
ч.
Производительность
стенда
т/ч
Число стендов в
отделении определяется
Число нагревательных
колпаков
2.4 Тепловой баланс
Приход тепла
Химическое тепло
топлива
,
где Vт - расход топлива, м³/ч.
кВт
Расход тепла
Нагрев металла
Тепло, необходимое для
нагрева металла рассчитаем в начале и в конце цикла. С помощью этих данных
можно определить тепловую мощность печи (при максимальном расходе газа в начале
нагрева) и удельный расход топлива (по данным конца периода нагрева).
tнач=60
ºC
Теплоемкости металла в
начальный и последующий моменты нагрева, /3/
с0=0,485
кДж/(кг·К); с2=0,486 кДж/(кг·К); с45=0,620 кДж/(кг·К)
Начало нагрева (2 ч)
ºC
Тух=600
ºC - температура уходящих газов
кВт
Конец нагрева (45 ч)
ºC
Tух=tмуф+120+50=730+120+50=900 ºC
кВт
Потери тепла
через кладку
Потери тепла через
кладку определяем по формуле
,
где qкл
- тепловой поток кладки, qкл=0,5кВт/м²
(определяем по графикам /3/);
Fкл
- площадь поверхности кладки.
кВт
Тепло уходящих
газов
,
где iух
- энтальпия дымовых газов
i600=3,5
МДж/м³,
i900=4,5 МДж/м³
Неучтенные потери
Неучтенные потери
принимаем 10%
кВт
кВт
Тепловой баланс
Начало нагрева
,26Vт=78,92+15,77+0,97Vт+9,45
Vт=45,5
м³/ч
Тепловая мощность печи
45,5*3,26=148,25 кВт
Конец нагрева
,26Vт=56,46+15,77+1,25Vт+7,22
Удельный расход топлива
кДж/кг
Список использованной
литературы
1. Королев А.А. Механическое оборудование прокатных и трубных
цехов. - М.: Металлургия, 1987;
2. Кривандин В.А., Марков Б.Л. Металлургические печи. - М.:
Металлургия, 1977;
. Тымчак В.М., Гусовский В.Л. Расчет нагревательных и
термических печей. - М.: Металлургия, 1983.