Расчет теплового режима нагрева металла в методической печи

Расчет теплового режима нагрева металла в методической печи

Содержание

Введение

1. Расчет горения топлива

2.      Расчет нагрева металла

3. Позонный расчет внешней и внутренней задачи теплообмена

3.1 Расчет методической зоны печи:

.2 Расчет сварочной зоны печи

3.3 Расчет томильной зоны печи

4. Основные размеры печи

Заключение

Введение

Основной задачей управления процессом нагрева металла в методической печи является выбор и поддержание такого теплового режима, чтобы получить металл, прогретый равномерно по сечению до заданной температуры, с заданной кристаллической структурой и обладающий заданными не химическими свойствами, а также обеспечить нужный процесс и до минимума уменьшить угар (окисление) металла, создать экономичную, безопасную и безаварийную работу печи. Система регулирования температуры предназначена для поддержания заданной температуры в каждой зоне печи в отдельности, с учетом изменения производительности. Поддержание температуры в каждой зоне производится изменением подачи газа в каждую зону. Температура в печи должна поддерживаться с высокой точностью.

При увеличении температуры металл теряет свою кристаллическую решетку, она начинает распадаться, будет происходить оплавление слитков, они становятся мягкими и теряют свои характеристики. Так же будет увеличиваться количество угара. Кроме получения бракованных слитков идет перерасход топлива, что ведет к неэкономной работе печи.

При уменьшении температуры в рабочем пространстве печи, слиток не равномерно прогревается по сечению. Непрогретый металл имеет жесткую форму и происходит коррозия металла, что приводит к невыполнению дальнейшей обработки.

В период нагрева металла, когда его температура и температура в печи ниже заданной, в печь подается максимально допустимое количество топлива. В период выдержки в верхней зоне регулятор обеспечивает необходимую температуру, изменяя расход газа. По мере прогрева металла тепловая нагрузка в печи снижается тогда, когда температура в печи становится меньше заданной. Величина максимальной тепловой нагрузки определяется стойкостью конструктивных элементов кладки, свода. При нагреве холодных заготовок из высокоуглеродистой и легированных сталей необходимо ограничивать скорость подъема температуры и тепловой нагрузки, чтобы избежать расстрескивание заготовок из-за возникновения больших термических напряжений.

На температуру и на ее изменения влияют:

·   изменение марки, размера заготовки;

·   изменение производительности печи;

·   открытие окон при загрузке, выгрузке заготовок и контроля параметров печи;

·   изменения параметров топлива (состав, давление, температура, теплота сгорания);

·   изменение параметров воздуха (давление, температура, влажность);

·   изменение соотношения “газ-воздух”;

·   изменение тяги дымовой трубы.

Методическая печь, как объект регулирования является объектом статистическим, т.е. имеет самовыравнивание. Это объект большой емкости и обдает большим запаздыванием. В процессе нагрева изменяются динамические параметры, коэффициент передачи и постоянная времени, что требует перенастройки средств регулирования в процессе работы.

Методические печи применяются, для нагрева металла перед прокаткой на сортовых и листовых прокатных станах.

Методическая печь разделена на зоны. Металл нагревается непрерывно, постепенно перемещаясь из одной зоны в другую. В каждой зоне поддерживается заданная для нее температура. Зоны имеют разное назначение:

а) методическая зона или зона предварительного нагрева:

Как правило, эта зона не отапливается. Нагрев металла осуществляется за счет тепла отходящих дымовых газов, поступающих из других зон.

б) сварочная зона:

Металл нагревается интенсивно за счет подачи тепла от теплоносителя.

в) томильная зона:

Происходит полный нагрев заготовки. Чем толще заготовка, тем больше температура и тепла необходимо для ее нагрева.

г) нижняя сварочная зона:

Служит для интенсивного нагрева металла снизу.

В методические печи загружают холодные или горячие (600-800⁰С) заготовки. Заготовки подаются в печь через окно посада наиболее холодную часть печи, т.е. со стороны методической зоны так, чтобы их продольные оси были перпендикулярны продольной оси печи, а боковые грани соприкасались по всей длине. Уложенные таким образом заготовки занимают всю активную площадь печи. Когда очередная заготовка подается в печь, толкатель продвигает все заготовки вдоль печи в более горячую часть - к окну выдачи и выдается одна нагретая заготовка. Продвигаясь в печи, металл нагревается постепенно до определенной температуры за счет сгорания топлива, поступающего через инжекционные горелки, которые устанавливаются по шесть штук в верхней и нижней зонах по ширине печи. Для наилучшего горения в горелки поступает воздух из атмосферы. Перед тем, как топливо поступает в горелки, его подогревают в рекуператоре. Рекуператор нагревается с помощью отходящих дымовых газов. Температура нагрева воздуха должна быть не менее 300⁰С. Это придает топливу эффективное и экономическое горение при нагреве металла.

Нагрев каждой марки стали, осуществляется по специальной инструкции.

При нагреве металла в сварочной зоне температура поверхности заготовки приближается к заданной, т.е. 1200⁰С, в то время температура середины заготовки может быть еще низкой. Для ускорения нагрева заготовки служит нижняя сварочная зона, при наличии этой зоны в методической и сварочной зонах, заготовка лежит на водоохлаждаемых трубах. По ним слябы продвигаются в печи. А в области контакта с этими трубами на заготовки образуются холодные пятна. С целью выравнивания температуры по сечению заготовки и устранения холодных пятен предусматривается часть печи, где заготовку выдерживают на томильном огнеупорном поде. Эту часть печи конструктивно оформляют, как отдельную зону - томильная, с индивидуальным отоплением.

Продукты сгорания топлива, сжигаемого в томильной и сварочной зонах, отводятся через методическую зону, таким образом, в печи заготовка и продукты сгорания движутся противоточно.

После того, как металл нагрели до определенной температуры, его при помощи все тех же толкателей выталкивают из печи и по рольгангам он поступает на многоклетьевой стан.

Достоинства печи:

·   непрерывный характер работы и относительно стабильный тепловой режим;

·   методический, постепенный нагрев, что имеет большое значение для легированных сталей;

·   относительно небольшой удельный расход топлива на нагрев металла.

Недостаток печи - большое время нагрева заготовок вследствие того, что металл в печи греют лишь с двух сторон

1. Расчет горения топлива

В начале необходимо пересчитать состав сухого газа на влажный. Для этого нужно определить содержание водяного пара в газах

Кокосовый газ

Определяем объем Н₂О смеси газов:

где W - влажность газа в г/м³

Находим коэффициент перерасчета на влажный газ:

K_п.г.=(100-4,174)/100=0,958

Определяем состав влажного газа:

х^вл_i и х_i - объемные доли компонента соответственно во влажных и сухих газах

СО₂^вл=K_п.г∙СО₂=0,958∙1,9=1,82%

СH₄^вл=К_п.г∙CH₄=0,958∙24,5=23,48 %

N₂^вл=К_п.г∙N₂=0,958∙7,8=7,47 %

H₂^вл=К_к.г∙H₂=0,958∙57,5=55,1 %

CО^вл=К_к.г∙СО=0,958∙7,5=1,82%

O₂^вл=К_к.г∙О₂=0,958∙0,8=0,76 %

Доменный газ

Содержание водяного пара в газе

H₂O_д.г=

К_д.г.=(100-3,59)/100=0,96

Определяем состав влажного газа:

СО₂^вл=К_к.г∙СО₂=0,96∙12,5=12,05 %

Co^вл=К_к.г∙СО=0,96∙27=26,03 %

СH₄^вл=К_к.г∙СH₄=0,96∙0,5=0,48 %

N₂^вл=К_к.г∙N₂=0,96∙55=53,03 %

Для определения состава смеси газа вычислим доли газов

Из условия дано, что доля доменного газа Х_д.г=10%, а коксового Х_к.г=90%

Q_H^p=15631.941*0.85+31056.46*0.15=17945.618 [кДж/м³]

Состав смешанного газа:

Рассчитав состав смешанного газа  составим таблицу:

Вычислим теплоту сгорания:

Расход кислорода на горение смеси газа:

V_O2=0,01∙[(0,5·(CO+H₂))+(m+0,25∙n)∙ΣC_mH_n -O₂]=

=0,01[0,5∙(9,07+50,07)+2*21,18-0,069]=0,71 м³/м³

Теоретически необходимое количество воздуха:

V_В= α (1+К)∙ V_О2,

при α=1,1 и К=3,762

Расчет теоретического расхода воздуха для горения газа:

V_B=1,1*(1+79/21)*0,71=3,73 м³/м³

Объемы отдельных составляющих продуктов сгорания:

=0,97 м3/м3

Определение объемов дымовых газов:

Состав продуктов сгорания:

2. Расчет нагрева металла

Температурный режим нагрева металла

Рис. 2.1 трехступенчатый режим нагрева металла: tг-температура продуктов сгорания; tпов,tц- температуры поверхности и середины металла

Ширина рабочего пространства: n=3, зазор - 0,2 м

=2*3+(3+1)*0,4=9,8 м.

Рассчитаем высоты:

В методической зоне h_м =1,2 м,

Сварочная зона:

h_св.к=2,4 м

Томильная зона: h_т.н=0,7 м. h_т.к=1,5 м

методический печь нагрев металл

3. Позонный расчет внешней и внутренней задачи теплообмена

Согласно теории лучистого теплообмена, в тепловом взаимодействии находятся 3 среды: кладка, дымовые газы, нагреваемый материал. Для расчета лучистого теплообмена в данной системе необходимо знать степень черноты кладки ε_кл., степень черноты газов, их температуру, степень черноты металла ε_г. ε_кл. и ε_ме определяются по таблице в зависимости от марки огнеупоров или класса металла.

.1 Расчет методической зоны печи:

Определим средний угловой коэффициент излучения кладки на металл и эффективную длину:

Определяем степень черноты углекислого газа и водяных паров:

Для начала зоны

При t=940˚ C

Îáùåå

=кПа,

P_co2 *L_эф=

ε_СО2=0,120;

= кПа,

ε_Н2О=0,220,

ε_г = ε_СО2 + ε_Н2О·β=0,120+0,220∙1,11=0.364

для конца зоны

при t=1300˚

ε_СО2 = 0,094 ε_Н2О = 0,182,

ε_г = ε_СО2 + ε_Н2О·β=0,094+1,11*0,182=0,296

ذàٌٌ÷èٍûâàهى êî‎ôôèِèهيٍ èçëَ÷هيèے ٌèٌٍهىû مàç - êëàنêà - ىهٍàëë نëے ىهٍîنè÷هٌêîé çîيû (ε_ىه = 0,8):

,

,67 آٍ/(ى²·ت⁴) - êî‎ôôèِèهيٍ ëَ÷هèٌïٌَêàيèے ہ×ز; ε_{ىه -} ٌٍهïهيü ÷هًيîٍû ىهٍàëëà; ε_م - ٌٍهïهيü ÷هًيîٍû مàçà.

(آٍ/ى²*ت⁴⁾

(آٍ/ى²*ت⁴⁾

دًèىهى êîيه÷يَ‏ ٍهىïهًàًٍََ ىهٍàëëà â ٌهًهنèيه çàمîٍîâêè ًàâيîé 500˚. دًè ‎ٍîé ٍهىïهًàًٍَه ىهٍàëë ٌٍàيîâèٌٍے ïëàٌٍè÷يûى, è ىû ىîوهى يه îïàٌàٍüٌے ٍîمî, ÷ٍî çàمîٍîâêَ ىîوهٍ ïîًâàٍü â ًهçَëüٍàٍه ٍهًىè÷هٌêèُ يàïًےوهيèé. دًèىهى ًàçيîٌٍü ٍهىïهًàًٍَ ىهونَ ِهيًٍîى è ïîâهًُيîٌٍü çàمîٍîâêè ∆t=100˚C.

رîمëàٌيî ٍهîًèè ëَ÷èٌٍîمî ٍهïëîîلىهيà, ïëîٍيîٌٍü ٍهïëîâîمî ïîٍîêà â ٌèٌٍهىه أتج ًàٌٌ÷èٍûâàهٌٍے:

خïًهنهëےهى ëَ÷èٌٍûé êî‎ôôèِèهيٍ ٍهïëîîٍنà÷è â يà÷àëه è â êîيِه çîيû:

حàéنهى ًهàëüيûه ٍهىïهًàًٍَû ïîâهًُيîٌٍè è ٌهًهنèيû ىهٍàëëà â êîيِه ىهٍîنè÷هٌêîé çîيû:

دî ٍàلëèِه ٍهïëîٍهُيè÷هٌêèُ ٌâîéٌٍâ îïًهنهëےهٌٍے êî‎ôôèِèهيٍ ٍهïëîïًîâîنيîٌٍè λ, ٍهïëîهىêîٌٍü ٌ, ïëîٍيîٌٍü ρ,

λ=54آٍ/ى*˚C; Ñ=540,75Äæ/êã*˚C;

آû÷èٌëèى ÷èٌëî ءèî

خïًهنهëèى ÷èٌëî شًَüه

دî Bi è F_o èٌïîëüçَے يîىîمًàىىَ, يàُîنèى

بٌïîëüçَے يîىîمًàىىû, îïًهنهëèى ٍهىïهًàًٍَيûé êًèٍهًèé:

ذهàëüيûه ٍهىïهًàًٍَû ïîâهًُيîٌٍè è ٌهًهنèيû ىهٍàëëà:

خïًهنهëےهى êî‎ôôèِèهيٍ ٍهىïهًàًٍَîïًîâîنيîٌٍè:

=

خïًهنهëèى âًهىے يàمًهâà â ىهٍîنè÷هٌêîé çîيه:

τ = F₀· δ²/ à =2,2·0,11²/1,279·10^-5=2460 ٌهê = 41 ىèي

.2 ذàٌ÷هٍ ٌâàًî÷يîé çîيû ïه÷è

خïًهنهëèى ًٌهنيèé َمëîâîé êî‎ôôèِèهيٍ èçëَ÷هيèے êëàنêè يà ىهٍàëë è ‎ôôهêٍèâيَ‏ نëèيَ:

خïًهنهëےهى ٌٍهïهيü ÷هًيîٍû َمëهêèٌëîمî مàçà è âîنےيûُ ïàًîâ:

دًè t=1300˚ C

P_co2*L_‎ô=, ε_رخ2=0,108

P_co2*L_‎ô= ε_ح2خ=0,22,

ε_م = ε_رخ2 + ε_ح2خ·β=0,108+0,22∙1,085=0,347

ذàٌٌ÷èٍûâàهى êî‎ôôèِèهيٍ èçëَ÷هيèے ٌèٌٍهىû مàç - êëàنêà -ىهٍàëë نëے ٌâàًî÷يîé çîيû:

دëîٍيîٌٍü ٍهïëîâîمî ïîٍîêà â ٌèٌٍهىه

رًهنيèé ëَ÷èٌٍûé êî‎ôôèِèهيٍ ٍهïëîîٍنà÷è ٌâàًî÷يîé çîيû:

تîيهِ ٌâàًî÷يîé çîيû:

ر_مêى=const

حàéنهى ٍهىïهًàًٍََ ٌهًهنèيû ىهٍàëëà â êîيِه ٌâàًî÷يîé çîيû

λ = 38 آٍ/(ى°ر); ر = 764 ؤو/(êم°ر); ρ = 7810 êم/ى³

آû÷èٌëèى ÷èٌëî ءèî

خïًهنهëèى ÷èٌëî شًَüه

دî Bi è F_o èٌïîëüçَے يîىîمًàىىَ, يàُîنèى

حàُîنèى êîيه÷يَ‏ ٍهىïهًàًٍََ ٌهًهنèيû ٌëèٍêà:

آًهىے يàمًهâà:

τ_ٌâ. = F₀· δ²/ à=2,4*0,11²/6,369·10^-6=4560 ٌهê=76 ىèي.

3.2 ذàٌ÷هٍ ٍîىèëüيîé çîيû ïه÷è

زهïëîôèçè÷هٌêèه ٌâîéٌٍâà çàمîٍîâêè: ؤëے t=1101˚

ρ = 7810 êم/ى³; λ = 38 آٍ/(ى·°ر); ر = 764 ؤو/(êم·°ر).

دî ‎ٍèى نàييûى يàéنهى êî‎ôôèِèهيٍ ٍهىïهًàًٍَîïًîâîنيîٌٍè ٍîىèëüيîé çîيû:

×èٌëî شًَüه îïًهنهëےهى ïî يàيîمًàىىه îٍيîّهيèے

μ=0,5 - êî‎ôôèِèهيٍ, َ÷èٍûâà‏ùèé يهٌèىىهًٍè÷يîٌٍü îلîمًهâà â ٌâàًî÷يîé çîيه

F₀ = 1,7; ٍîمنà

τ_ٍîى. = F₀· δ²/ à=1,7·0,11²/6,369·10^-6=3230 ٌهê=53,8 ىèي.

خùهه âًهىے يàمًهâà: τ_î=170,8 ىèي

4. خٌيîâيûه ًàçىهًû ïه÷è

دî çàنàييîé ïًîèçâîنèٍهëüيîٌٍè ïه÷è îïًهنهëèى نëèيَ êàونîé çîيû:

L_i = (ذ·τ)/(S · L_نë. · ρ_ىه(i) · n · ê₃),

منه, n - يàًےنيîٌٍü َêëàنêè, ذ - ïًîèçâîنèٍهëüيîٌٍü ïه÷è, τ - âًهىے,

ρ -ïëîٍيîٌٍü ىهٍàëëà, ê₃ = 0,98 - êî‎ôôèِèهيٍ çàïîëيهيèے ïîëهçيîé نëèيû.

حàéنهى نëèيَ àêٍèâيîمî ïîنà (نëèيà, يà êîٍîًîé ïًîèٌُîنèٍ يàمًهâ ىهٍàëëà):

ؤëے ىهٍîنè÷هٌêîé çîيû:

ؤëے ٌâàًî÷يîé çîيû:

ؤëے ٍîىèëüيîé çîيû:

ؤëèيà ïîëهçيîمî ïîنà (نëèيà ïه÷è, ïî êîٍîًîé ïًîèٌُîنèٍ ïهًهىهùهيèه ىهٍàëëà):

ؤëèيà مàلàًèٍيîمî ïîنà ïه÷è:

(ى),

منه (ى) - نëèيà يهًàلîٍà‏ùهمî َ÷àٌٍêà.

حàïًےوهيèه àêٍèâيîمî ïîنà:

دîن  ïîيèىàهٌٍے َنهëüيàے ïًîèçâîنèٍهëüيîٌٍü ïه÷è, îïًهنهëے‏ùàے êîëè÷هٌٍâî ىهٍàëëà, يàمًهâàهىîمî يà هنèيèِه ïîâهًُيîٌٍè â هنèيèَِ âًهىهيè.

F_à - ïëîùàنü àêٍèâيîمî ïîنà

(ى²)

(êم/ى²*÷àٌ)

حàïًےوهييîٌٍü مàلàًèٍيîمî ïîنà

ح_م=ذ/F_م , منه F_م=L_م*B=29,68*9,8=290,891 (ى²)

H_م=150*10³/290,81=515,657 (êم/ى²*÷àٌ)

ؤëے îلهٌïه÷هيèے ïًîèçâîنèٍهëüيîٌٍè 150 ٍ/÷ â ïه÷è نîëويî يàُîنèٍüٌے îنيîâًهىهييî ٌëهنَ‏ùهه êîëè÷هٌٍâî ىهٍàëëà:

G=P*τ=150*10³*170,8/60= (êم)

جàٌٌà îنيîé çàمîٍîâêè:

g=â*δ*L*ρ=0.22*0.22*3*7810=1134 (êم)

تîëè÷هٌٍâî çàمîٍîâîê, يàُîنےùèٌُے îنيîâًهىهييî â ïه÷è:

n=G/g= (ٍّ)

اàêë‏÷هيèه

زهُيèêî-‎êîيîىè÷هٌêàے îِهيêà ًàلîٍû ىهٍîنè÷هٌêèُ ïه÷هé

طèًîêîه ïًèىهيهيèه ىهٍîنè÷هٌêèُ ٍîëêàٍهëüيûُ ïه÷هé âûçâàيî ٍهى, ÷ٍî ‎ٍè ïه÷è îلهٌïه÷èâà‏ٍ نîٌٍàٍî÷يî âûٌîêَ‏ ïًîèçâîنèٍهëüيîٌٍü ïًè يهâûٌîêîى َنهëüيîى ًàٌُîنه ٍîïëèâà, à ٍàêوه îلهٌïه÷èâà‏ٍ âûٌîêèé êî‎ôôèِèهيٍ èٌïîëüçîâàيèے ٍهïëà â ًàلî÷هى ïًîًٌٍàيٌٍâه. فٍî îلْےٌيےهٌٍے يàëè÷èهى ىهٍîنè÷هٌêîé çîيû.

دًèىهيهيèه مëèٌٌàويûُ ًٍَل ٌ ًهéٍهًàىè ïîâûّàهٍ ًàâيîىهًيîٌٍü يàمًهâà ىهٍàëëà (لهç ِàًàïèي è ُîëîنيûُ ïےٍهي) è ٌîçنàهٍ ïًهنïîٌûëêè نëے َâهëè÷هيèے ّèًèيû è نëèيû ïه÷è.

خنيàêî âٌه ىهٍîنè÷هٌêèه ïه÷è ٍîëêàٍهëüيîمî ٍèïà èىه‏ٍ يهنîٌٍàٍêè, îلٌَëîâëهييûه يهâîçىîويîٌٍü‏ لûًٌٍîé âûمًَçêè ىهٍàëëà èç ïه÷è è ًٍَنيîٌٍےىè ïهًهُîنà îٍ يàمًهâà ٌëےلîâ îنيîمî ًàçىهًà ê يàمًهâَ ٌëےلîâ نًَمîمî ًàçىهًà. فٍè ïًîلëهىû ىîمٍَ لûٍü ًهّهيû ٍîëüêî ïًè èٌïîëüçîâàيèè ىهٍîنè÷هٌêèُ ïه÷هé ٌ ّàمà‏ùèى ïîنîى.

ذàçىهùهيî يà Allbest.ru