Проектирование печи с шагающими балками для нагрева металла перед прокаткой

Проектирование печи с шагающими балками для нагрева металла перед прокаткой

Министерство Образования Республики Беларусь

Учреждение образования "Гомельский государственный технический университет имени П.О. Сухого"

Факультет заочный

Кафедра: "Обработка материалов давлением"

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе

По дисциплине: "Расчеты и конструирование нагревательных устройств"

Тема: "Проектирование печи с шагающими балками для нагрева металла перед прокаткой"

Выполнил: студент группы ЗВД-51

Шилец О.С.

Проверил: старший преподаватель

Валицкая О.М.

Гомель 2014 г.

Содержание

Введение

. Характеристика нагреваемого изделия

. Общая технологическая схема обработки материалов давлением

. Обоснование выбора типа печи

. Описание конструкции отдельных узлов и работы печи

. Расчёт горения топлива

. Расчёт нагрева заготовки

.1 Время нагрева металла в методической зоне

.2 Время нагрева металла в сварочной зоне

.3 Время томления металла

. Определение основных размеров печи

. Расчёт теплового баланса печи

.1 Томильная зона

.1.1 Тепло, получаемое в результате сгорания топлива

.1.2 Тепло, вносимое подогретым воздухом

.1.3 Тепло экзотермических реакций

.1.4 Тепло, затрачиваемое на нагрев металла

.1.5 Тепло, уносимое отходящими газами

.1.6 Потери тепла в результате теплопроводности через кладку

.1.7 Неучтенные потери

.2 Сварочная зона

.2.1 Тепло, получаемое в результате сгорания топлива

.2.2 Тепло, вносимое подогретым воздухом

.2.3 Тепло, вносимое продуктами сгорания из томильной зоны

.2.4 Тепло, затрачиваемое на нагрев металла

.2.5 Тепло, уносимое отходящими газами

.2.6 Потери тепла в результате теплопроводности через кладку

.2.7 Неучтенные потери

.3 Методическая зона

.3.1 Тепло, получаемое в результате сгорания топлива

.3.2 Тепло, вносимое подогретым воздухом

.3.3 Тепло, вносимое продуктами сгорания из томильной зоны

.3.4 Тепло, затрачиваемое на нагрев металла

.3.5 Тепло, уносимое отходящими газами

.3.6 Потери тепла в результате теплопроводности через кладку

.3.7 Неучтенные потери

. Подбор количества горелок их характеристики

. Конструкция, принцип действия рекуператора

. Выбор и расчёт механизмов печи

. КИП и регулирующие приборы

. Мероприятия по ТБ

. Технико-экономическое обоснование

.1 Реконструкция нагревательной печи

.2 Реконструкция системы утилизации отходящих газов стана 320

Вывод

Литература

Введение

В последнее время наметилась прогрессивная тенденция к увеличению длины заготовок и, как следствия, к увеличению ширины нагреваемых печей, что значительно усложняет их эксплуатацию, особенно удаление окалины с пода печи. Поэтому расширяется применение более совершенных печей с шагающими подом и балками (ПШПБ), которые могут работать в режиме методического нагрева.

ПШПБ весьма перспективны они не имеют ограничения по длине, связанного с числом нагреваемых заготовок, но минимальный цикл выдачи в них равен 15-20 с. Поэтому производительность таких печей при неизменном цикле выдачи зависит лишь от массы нагреваемой заготовки, т.е. зависит квадратично от ее геометрического размера. В этих печах нагревают заготовки (слябы, блюмы, круглые и фигурные изделия и т.д.) толщиной от 60 до 400 мм, шириной от 60 до 200 мм и длиной от 800 до 12000мм, масса которых составляет от 1т до 40 т.

Если температура по длине печи переменна, то такой режим называется методическим. Массивные изделия нагревают сравнительно медленно, постепенно (методически) чтобы избежать возникновения чрезмерного температурного перепада, до тех пор, пока они не приобретут необходимые пластические свойства, т.е. до 500º С. Методический нагрев металла имеет место в тех случаях, когда при встречном движении металла и дымовых газов горелочные устройства располагают на одном конце рабочего пространства в зоне интенсивного нагрева металла, а дымоотборные каналы - на другом, где металл загружается в печь. При этом дымовые газы постепенно остывают, отдавая тепло металлу, температура которого будет постепенно повышаться.

Нагрев металла происходит как минимум с трех сторон, кроме того, в ПШПБ легко менять режим нагрева, что является большим преимуществом в случае частой смены сортамента нагреваемого металла.

При нижнем обогреве вдоль печи прокладывают специальные глиссажные (водоохлаждаемые) трубы, по которым движется металл. Из-за охлаждающего действия глиссажных труб в нижнюю часть сварочной зоны печи необходимо подавать больше тепла, чем в верхнюю. Глиссажные трубы выполняют только в методической и сварочной зонах. В местах соприкосновения заготовки с водоохлаждаемыми трубами металл прогревается хуже и на его поверхности образуются темные пятна, поэтому в трехзонных печах с нижним обогревом томильная зона предназначена не только для выравнивания температуры по толщине металла, но и для ликвидации темных пятен на нижней поверхности заготовки, и в ней глиссажных труб нет.

ПШПБ сравнительно дороги на 40-45% капитальные затраты на их сооружение выше, чем для толкательной печи аналогичной производительности. Сравнивая их с роликовыми печами, надо отметить, что масса оборудования печей с шагающими балками на 1 м ² площади пода на 40% больше, чем роликовых печей.

 

1. Характеристика нагреваемого изделия

. Нагреваемый материал: Сталь 25Г 2С

. Размер заготовки: высота 140 мм, ширина 140 мм, длина 12000 мм

. Вид поставки: сортовой прокат (ГОСТ 5781-82; ГОСТ 2590-71)

. Назначение: для изготовления арматуры периодического профиля III класса диаметром от 6 до 40 мм.

. Химический состав:

Кремний (Si) 0,60 - 0,90 %

Марганец (Mn) 1,20 - 1,60 %

Медь (Cu) 0,30 %

Никель (Ni) 0,30 %

Сера (S) 0,045 %

Углерод (C) 0,20 - 0,29 %

Фосфор (P) 0,040 %

Хром (Cr) 0,30 %

. Механические свойства:

σ0,2 - 390 МПа

σВ - 590 МПа

σ5 - 14 %

 

2. Общая технологическая схема обработки материалов давлением

Рис.1 Схема расположения основного технологического оборудования

. Решетки склада литых заготовок;

. Устройство для загрузки заготовок;

. Нагревательная печь;

. Устройство для выдачи заготовок (разгрузочный рольганг);

. Трайбаппарат;

. Маятниковые ножницы;

. Устройство для удаления окалины;

, 9. Клетки черновой группы;

10. Ротационные ножницы;

. Клетки промежуточной группы;

. Ротационные ножницы;

. Горизонтальные клети чистовой группы;

. Вертикальные клети чистовой группы;

. Комбинированные петлерегуляторы;

.     Трайбаппарат;

17.    Устройство для охлаждения проката с рольгангом;

.        Ротационные ножницы;

.        Холодильник;

.        Правильная машина;

.        Цепное перекладывающее устройство с накопителем;

.        Участок пакетировки фасонного проката;

.        Участок пакетировки пруткового проката;

.        Вязальные машины;

.        Устройство охлаждения подката для катанки;

.        Ротационные ножницы;

.        Крошительные ножницы;

.        Петлерегулятор;

.        Разрывные ножницы;

.        Десятиклетевой блок чистых клетей;

.        Участок водяного охлаждения катанки;

.        Трайбаппарат;

.        Виткоукладчик;

.        Роликовый транспортер;

.        Камера образования бунтов;

.        Станция приема бунтов;

.        Станция разгрузки бунтов;

.        Крюковой конвейер №1;

.        Весы;

.        Устройство для прессования и обвязки бунтов;

.        Станция разгрузки пакетов;

.        Передаточная станция;

.        Крюковой конвейер №2;

.        Устройство для прессования и обвязки пакетов бунтов;

 

3. Обоснование выбора типа печи

металл нагрев заготовка теплопроводность

Главной конструктивной особенностью, которая оказывает основное влияние на остальные характеристики работы печи, является способ транспортировки заготовок в рабочем пространстве печи.

Печь с шагающими балками (ПШБ) - методическая печь, в которой транспортирование заготовок происходит путем циклического поступательно-возвратного движения водоохлаждаемых балок.

Главное преимущество ПШБ - максимально быстрый нагрев заготовок. Главный недостаток - наличие разветвленной системы водоохлаждаемых балок (опорных труб) и, соответственно, большие потери теплоты с охлаждающей водой.

Нагревательная печь непрерывного мелкосортного проволочного стана 320 предназначена для нагрева непрерывно - литых заготовок из углеродистых, низколегированных и конструкционных марок стали сечением 125Х 125 мм, 140Х 140 мм и длиной 10300 - 12000 мм и массой до 1,4 т перед прокаткой.

Установка оснащена механизированным комбинированным подом, который составляют два участка (шагающих балок и шагающего пода фирмы "Danieli" (Италия)), и имеет семь зон автоматического регулирования теплового режима. Компоновка зон на печи такова:

Посад и выдача металла боковые.

Удаление шлака (окалины) производится вручную механическим путем (скребки, пики и т.п.), а также путем применения компрессорного воздуха или кислорода, подаваемого с помощью переносных сопел. Очистка происходит через смотровые окна на уровне нижней отметки рабочего пространства.

.1 Основные технические параметры методической печи

Предназначена для нагрева заготовок до температуры прокатки.

Тип печи: методическая, комбинированная, с шагающими водоохлаждающими балками и шагающим подом, с верхним и нижним нагревом, боковой загрузкой и выдачей.

Транспортировка заготовок в печи осуществляется посредством шагающих балок и пода. Для уборки окалины с подины печи возможна транспортировка металла балками назад, в сторону загрузки.

Выдача заготовок из печи производится механизмом безударной выдачи.

С учётом темпа прокатки и исходя из максимальной производительности

МНЛЗ-1,2-104т/ч, горячий посад в печь производится при минимальном расходе газа.

Минимальное время нагрева заготовок до конечной температуры - 72 минуты.

Снижение (повышение) температуры в печи при простоях стана с целью предотвращения разрушения футеровки должно производиться со скоростью не более 30ºС/ч.

В качестве топлива используется природный газ с теплотой сгорания Q=34,3МДж/м³.

Количество - 1 печь

Режим работы - непрерывный

Размеры нагреваемых заготовок:

Сечение - 100х 100 мм, 125х 125 мм,140х 140 мм

Длина заготовки         - 8000 - 12000 мм

Вес одной заготовки (макс.) - 1,48 т/шт.

Температура заготовок:

при загрузке холодный посад до           600 ºС

при выдаче                                              1050-1220 ºС

Неравномерность нагрева заготовки по длине и сечению не более 20 ºС.

Способ расположения заготовок - Один ряд

Топливо - Природный газ

Максимальная производительность - 170 т/час

Размеры печи:

длина пода                                               30500 мм

эффективная длина пода               30000 мм

ширина пода                                  12800 мм

расстояние между осями загрузки и выгрузки        30000 мм

габаритная длина                                    33000 мм

габаритная ширина                       14100 мм

Механизм перемещения заготовок:

Водоохлаждаемые балки:

количество шагающих балок                 4 шт.

количество неподвижных балок   5 шт.

длина                                              9000 мм

Шагающий под:

количество шагающих балок                 4 шт.

количество неподвижных балок   5 шт.

длина балок                                   21000 мм

подъем шагающих балок              200 мм

продольное перемещение балок (регулируемое) - 210…420 мм

привод - гидравлический

максимальное давление масла - 140 кг/см ²

масло - минеральное

цикл шага с загрузкой и выдачей - 28 с

Загрузка в печь: сталкивание выравнивателем

Выгрузка из печи: механизм безударной выдачи

Максимальная тепловая мощность печи         - 69,619 МВт -59860000 ккал/ч

Номинальная тепловая мощность (при холодном посаде, производительности 170т/ч, шаге загрузки 200мм, новой изоляции) 64,255 МВт - 55250000 ккал/ ч

Число зон автоматического регулирования теплового режима - 7

Теплота сгорания - 8200 ккал/ м

Давление газа перед печью           3,0 бар

Давление газа перед горелкой      0,7 бар

Давление газа перед печью           300 бар

Давление газа перед горелкой      350 бар

Температура подогрева воздуха до 450 ºС

Количество горелок, всего - 102

В верхних зонах (сводовые)         - 96

В нижних зонах (боковые) - 6

Способ подачи воздуха к сжигательным устройствам при помощи вентиляторов

Способ удаления уходящих из рабочего пространства печи продуктов сгорания дымососом в дымовую трубу.

Утилизация тепла продуктов сгорания через рекуператор.

Способ охлаждения элементов печи: балки - испарительное;

остальные элементы - водяное

Минимальный удельный расход тепла при 100 % изоляции подовых балок - 325 ккал/ кг

Максимальный расход газа                                      7300 м³/ч

Максимальный расход воздуха горения                  70000 м³/ч

Максимальный объём продуктов сгорания    81560 м³/ч

Максимальный расход воды                                     150 м³/ч

Максимальный расход сжатого воздуха при давлении 7 бар - 80 м³/ч

Полная загрузка печи при шаге 200 мм и длине заготовки 12000 мм - 206 т (147 шт)

 

4. Описание конструкции отдельных узлов и работы печи

Подвижный под служит для перемещения заготовок по длине печи к выгрузке. Этот под делится на две части: шагающие балки (1 и 2 зона) и шагающий под (3,4,5,6,7 зоны).

Шагающие балки в 1 и 2 зонах конструктивно выполнены так, что позволяют дымовым газам из 3- 7 зон перейти из рабочего пространства печи над металлом в пространство под металлом 1 и 2 зоны и далее - в дымовой канал. Шагающие балки - водоохлаждаемые, теплоизолированные огнеупорной набивкой и изоляционным волокном. Вода подается на балки от двух насосов (один резервный) типа 125LS500ANL, Q = 150 м³/ч, H= 80 м, n = 1480 об/мин, N = 50 кВт, двигатель - KMER280S4ACP, n =1480 об/мин, N = 75 кВт. Нагретая вода в шагающих балках используется в общей системе утилизации тепла завода для подогрева сетевой воды отопления.

Шагающий под по всей своей длине имеет специальные песочные затворы, предотвращающие проникновение дымовых газов в щели между движущимися частями шагающего пода и неподвижными элементами пода печи. Шагающий под также водоохлаждаемый и теплоизолированный. Контур воды - разомкнутый. Тепло подогретой воды не утилизируется.

Подача заготовок в печь, перемещение их в печи и выгрузка производится автоматической системой механизмов.

Зона загрузки состоит из:

внутреннего рольганга;

механической блокировки для обеспечения точного определенного размещения заготовок;

толкателя (выравнивающего устройства).

Зона выгрузки состоит из:

внутреннего рольганга;

выталкивателя для перемещения заготовок с пода печи на внутренний рольганг.

Заготовка, находящаяся в зоне загрузки на рольганге вне печи, поступает в печь посредством перемещения обеих рольгангов: наружного и внутреннего.

Блокировка, установленная в конце внутреннего рольганга, останавливает его движение и обеспечивает правильное расположение заготовок по отношению к внутренним стенкам печи.

Подвижные балки забирают заготовки с рольганга и все находящиеся внутри печи заготовки перемещают на один шаг. Это позволяет освободить первую позицию зоны выгрузки, чтобы загрузить следующую заготовку, и в тоже время перемещает одну заготовку для выгрузки. Отсюда разгрузочное устройство поднимает последнюю заготовку и устанавливает ее на рольганг выгрузки. Перемещаясь по рольгангу зоны выгрузки и рольгангу, находящемуся вне печи, заготовка из печи поступает в клетки прокатного стана.

Нагрев металла осуществляется:

в нижних зонах с боковым подогревом(1,2 зоны) длиннофакельными горелками типа FR 7-6шт

в верхних сводовых зонах(3-7 зоны) плоскопламенными горелками типа BFM 96шт

Сжигание топлива производится при коэффициенте избытка воздуха равным 1,0-1,1

Избыточное давление в печи должно поддерживаться в пределах 2-5 Па.

Качество сжигания газа контролируется визуально по цвету и виду пламени (факела) следующим образом:

бледно-зелёное расплывчатое пламя с зеленовато-жёлтыми прожилками свидетельствует о нормальном горении газа;

бесцветное прозрачное пламя свидетельствует о большом избытке воздуха;

пламя синего цвета, красного и густо-зелёного цветов, а также пламя со следами копоти свидетельствует о недостатке воздуха.

Распределение газа и воздуха по зонам печи и горелкам производится вручную при помощи кранов и дросселей, установленных на газопроводе и воздухопроводе перед горелками.

Регулирование расхода газа и воздуха производится автоматически, в зависимости от заданной температуры.

Воздух для горения подаётся подогретым в рекуператоре до температуры не выше 450ºС.

Таблица 1. Температурный режим печи по зонам

Наименование зон	№ зоны	Температура ºС
Предварительного нагрева	1-2	700 - 980
Основного нагрева	3	1050 - 1200
Основного нагрева	4	1100 - 1240
Томильная	5-6-7	1130 - 1220

Рис.2 Схема нагревательной печи

 

5. Расчёт горения топлива

В пламенных печах факел является единственным теплогенерующим компонентом, от характеристик которого зависят такие важнейшие показатели работы печи как температура рабочего пространства печи, общая интенсивность и степень развития теплообменных процессов как в печи в целом, так и в отдельных зонах рабочего пространства.

Очевидно, что такое многообразие важнейших факторов определяющих работу печи делает выбор топлива очень ответственной задачей, решаться, которая должна с учетом технологического назначения печи, условий ее эксплуатации, а также техник - экономических соображений, из которых главными являются возможности выделения того или иного топлива на печь в соответствии с топливным балансом предприятия.

Следует подчеркнуть, что только на металлургических комбинатах с полным циклом имеются достаточно широкие возможности для выбора топлива, так как на них имеются доменный, коксовый и природный газы, смешивая которые можно получить газообразное топливо с самой различной теплотой сгорания. На металлургических заводах с неполным циклом используется топливо двух видов: природный газ или мазут. В этих случаях выбор видов топлива предопределен и решающим и становятся соображения, связанные с рациональным его использованием, с выбором таких методов его сжигания топлива, которые обеспечивают минимальный его расход. Для нагрева заготовок в нагревательной печи применяем природный газ

Природный газ сжигают в воздухе с коэффициентом расхода воздуха n=1

Рабочий состав топлива %,

ПГ (природный газ)

СН₄=93.2%; C₂H₆=0.7%; C₃H₈=0.6 %; C₄H₁₀=0.6%; N₂=4.9%

Находим расход кислорода на горение газа заданного состава при коэффициенте расхода воздуха n=1

При сжигании газа в обычном воздухе коэффициент расхода воздуха равен n=1

Коэффициент объёмных содержание N₂ и O₂ в (К=3,762)

Тогда расход воздуха равен

VВ=(1+k) ∙ Vо2

VВ=9,429

Находим объёмы компонентов продуктов сгорания:

VCO₂=0,01∙ (СН₄+2∙ C₂H₆+3∙ C₃H₈+4∙ C₄H₁₀)

VH₂O=0,01∙ (0,5∙(СН₄+6∙ C₂H₆+8∙ C₃H₈+10∙ C₄H₁₀)

V’о2=(n -1) ∙ Vо2

VN₂’=0,01∙N₂+n∙ k∙ Vо2

Объём продуктов сгорания

VПС= VCO₂+ VH₂O + V’о2+ VN2’

Процентный состав продуктов сгорания, %

; ;

СО₂ = 9,477; О₂= 0; N₂= 71,923

Н₂О=18,6

Плотность каждого компонента продуктов сгорания находим, разделив молекулярную массу на объём, занимаемый одним килограмм молем компонента (22,4м).

; ; ;  

Правильность расчёта проверяем составлением материального баланса:

Поступило, кг

Газ

mr = 1

Воздух

mB= ρB∙VB

mB=12,07

Всего

m’ = mr∙ mB

m’ =13,07

Получено, кг

mCO₂=VCO₂ ∙ρCO₂

mCO₂=1,946

mH₂O=VH₂O ∙ρH₂O

mH₂O=1,570

mO₂’=V’O₂ ∙ρO₂

mO₂’=0

mN2’=VN2’ ∙ρN2

mN₂’=9,373

Всего

m’’= mCO₂+ mH₂O+ mO₂’+ mN₂’

m’’=12,889 кг

Расхождение, определённое погрешностью расчёта, составляет

m’- m’’= 0,181 кг

Плотность продуктов сгорания можно найти, разделив их массу на объем

Находим низшую температуру сгорания газа

QHp=358∙CH₄+555∙C₂H₆+913∙C₃H₈+1185∙C₄H₁₀

Истинную энтальпию находим по формуле

 

io =3,358∙10³

Зададим температуру tk=2100 C, при которой значение энтальпии продуктов сгорания возьмём из приложения

   

Общая энтальпия продуктов сгорания

Поскольку ik> io =1

Примем t"=2000 °C

Тогда

   

Общая энтальпия продуктов сгорания

Теперь находим калориметрическую температуру горения природного газа заданного состава

 

,

tк=2,020∙10³

 

6. Расчёт нагрева заготовки

Перед прокаткой заготовку следует нагреть для повышения пластичности стали, уменьшения сопротивления деформированию и улучшения внутренней структуры и характеристик металла, что должно облегчить прокатку. Это значит, что сталь необходимо нагреть до температурной области аустенита с однофазной структурой твёрдого раствора и обеспечить еще более высокую температуру в течение достаточного времени для равномерного разделения структуры и для растворения карбонизации, создавая тем самым структуру, обладающую высокой пластичностью, низким сопротивлением деформированию и хорошей технологичностью. В принципе, для уменьшения сопротивления деформированию и для повышения пластичности требуется значительно более высокая температура.

Однако, высокая температура и неправильная система нагревания могут привести к образованию дефектов, например, к избыточному окислению, обезуглероживанию, перегреву, пережогу и т.п., снижая тем самым качество стали вплоть до отбраковки. Исходя из всего этого, температура нагревания заготовки должна подбираться с учетом характеристик каждого типа стали и технологии обработки, а также должна обеспечивать хорошее качество и высокую производительность.

При нагревании заготовки следует соблюдать три основных требования:

1.   Точное соблюдение температурного режима для обеспечения оптимальной обработки в наиболее приемлемом температурном диапазоне.

2.      Равномерное нагревание как вдоль, так и поперек.

.        Небольшой угар при горении, не допускающий выделения при нагревании вредных химических компонентов (декарбонизация или рекарбюризация), обеспечивая хорошие эксплуатационные свойства стального изделия.

Соблюдение указанных выше требований необходимо для обеспечения качества, для высоколегированной стали и заготовок, использующихся для важных целей. Однако, такая система нагревания не может применяться для всех марок стали; поэтому, больше внимания следует уделять соблюдению вышеуказанных трех требований, касающихся качества нагревания заготовки.

Температура нагревания металла определяется по температуре поверхности металла после его нагревания в печи. В зависимости от различных характеристик металла, от типа горячей обработки, размера заготовки и т.п. требуется разная температура нагревания. Наиболее приемлемая температура нагревания способна придать металлу наилучшую пластичность и свести к минимуму сопротивление деформированию. В принципе, температуру нагревания углеродистой стали и низколегированной стали можно подобрать используя диаграмму балансного состояния железо - углерод. Если принимать во внимание перегрев, пережог, плавление окалины и т.п., то, обычно, верхний предел температуры нагревания оказывается на 100-150°С ниже теоретической температуры пережога (линия твердой фазы на диаграмме балансного состояния железо - углерод). Для высоколегированной стали определение соотношения между пластичностью и температурой производится по результатам специального испытания, после чего выбирается оптимальная температура нагревания. Необходимо учитывать и влияние размера заготовки. Если заготовка большая, то она труднее поддается обработке и температура на завершающей стадии процесса оказывается низкой. Поэтому, необходимо повысить нижний предел температуры нагревания. Для заготовки меньшего размера температура нагревания может быть несколько ниже.

Под скоростью нагревания понимается скорость увеличения нагревания поверхности металла (°С/ч) или же время, необходимое для нагревания единицы толщины металла (мин/см) до требующейся для технологического процесса температуры. На начальной стадии нагревания необходимо соответствующим образом ограничить скорость нагревания и снизить температурное напряжение. Чем выше скорость нагревания, тем больше разность температур между поверхностью и центром, а, следовательно, и выше температурное напряжение. Такой тип напряжения может превысить предел прочности металла, что приведет к образованию трещины. Для металлов, обладающих хорошей пластичностью, например, для низкоуглеродистой стали и т.п., при температуре металла свыше 500-600°С можно не принимать во внимание влияние температурного напряжения. Для больших заготовок из высокоуглеродистой стали и из легированной стали не приемлема слишком высокая скорость нагревания. На завершающей стадии нагревания необходимо обеспечить сохранение тепла и равномерность его распространения, чтобы уменьшить разность температур внутри и снаружи заготовки, для чего требуется ограничить скорость нагревания. Приемлемым решением для регулирования скорости нагревания является режим, при котором после периода нагревания с более высокой скоростью производится снижение скорости нагревания или же начинается равномерное нагревание с целью обеспечения равномерного нагрева внутри и снаружи. Кроме того, осуществляется ограничение скорости нагревания в определенном диапазоне за счет ограничения температуры в печи. Если температура в печи будет слишком высокой, то это может привести к значительным колебаниям температуры на поверхности металла, а также к появлению дефектов, например, к избыточному окислению, декарбонизации, перегреву и пережогу в период ожидания перед прокаткой.

Система для нагревания металла включает в себя контроль температуры на конечной стадии нагревания, участок для регулирования разности температур, а также возможность регулирования на каждом этапе скорости нагревания, температуры в печи и продолжительности нагревания.

При выборе режима нагревания металла необходимо полностью учитывать следующие факторы: тип печи, производительность печи, характеристики металла, размер и форму заготовок, размещение заготовок внутри печи, требования технологического процесса и т.п.

Продолжительность нагревания металла должна учитывать минимальный период времени, который должен пройти с момента нагревания металла до достижения в печи температуры, обусловленной технологией прокатки. Сложно точно определить продолжительность нагревания, так как это зависит от множества факторов. К факторам, оказывающим воздействие на продолжительность нагревания, относятся следующие:

1.   Свойства металла. Для высокоуглеродистой стали и легированной стали (такой, как кремниевая сталь) с плохой теплопроводностью и пластичностью требуется более продолжительное время нагревания. Для низколегированной стали с хорошей теплопроводностью и пластичностью требуется меньшая продолжительность нагревания.

2.      Размер заготовки. Для заготовки большого сечения требуется более продолжительное время нагревания. Если заготовки имеют одинаковое сечение, но отличаются по длине, то для более длинных заготовок время нагревания будет более продолжительным.

.        При различных типах нагревания заготовок будет отличаться и продолжительность нагревания. Чем больше расстояние между заготовками, тем меньше продолжительность нагревания.

.        Продолжительность нагревания можно сократить, если производить загрузку горячих заготовок.

.        Температура в печи. Температура в печи является основным фактором, определяющим продолжительность нагревания. Существует тесная зависимость между передаваемым заготовке теплом и разностью температур в заготовках. Чем больше разность температур, тем больше тепла будет передаваться заготовке, тем выше будет скорость нагревания и короче продолжительность нагревания.

В практическом производстве должна поддерживаться соответствующая взаимосвязь между этапом выгрузки после нагревания и этапом прокатки.

1.   Горячий посад в нагревательную печь - не более 4 часов от начала разливки плавки.

2.      Холодный посад в нагревательную печь - не более 4 часов от начала разливки плавки или 36 часов с момента закрытия плавки колпаками.

.        Холодный посад в подогревательную печь - после 24 часов от начала разливки при охлаждении заготовки в штабеле на воздухе или 36 часов с момента закрытия плавки колпаком.

Подача заготовок в нагревательные печи производится с МНЛЗ - 1,2 или со складов ЭСПЦ. Литые заготовки, нагретые в подогревательной печи, выдаются на загрузочный рольганг для посада в основную печь.

Литые заготовки перед подачей в нагревательную печь взвешиваются на весах, встроенных в загрузочный печной рольганг.

Посад заготовок в печь осуществляется партиями в соответствии с заказом.

Нагрев заготовок перед прокаткой на стане производится в методической нагревательной печи с шагающими балками. В качестве топлива используется природный газ с теплотой сгорания Q=8200 ккал/м ³.

В зависимости от ширины литой заготовки устанавливается различный шаг раскладки заготовок в печи.

Выдача металла осуществляется поштучно в автоматическом или ручном режиме.

Заготовки, выдаваемые из печи на стан, должны быть равномерно прогреты по сечению, не допуская перегрева и пережога металла.

Нагретые и выданные из печи заготовки всех марок сталей отводящим рольгангом подаются к установке гидросбива для устранения с их поверхности окалины водой высокого давления 20 МПа.

После гидросбива заготовка подается посредством переднего раскатного рольганга к клети стана 320 для прокатки.

Заготовки, которые не могут быть заданы в стан из-за дефектов или неполадок на стане. Возвращаются с помощью рольгангов и электромостовых кранов на склад литых заготовок.

В печи имеется три зоны нагрева:

) методическая зона - происходит постепенный нагрев металла, резкое повышение температуры металла может вызвать чрезмерные температурные напряжения, но слишком низкие значения температуры в этой зоне снижают производительность печи, поэтому оптимальной является температура 800-900 ⁰С;

) сварочная зона - нагрев металла до тех пор, пока его поверхность не достигнет нужной температуры (температуру продуктов сгорания принимают на 80-130 ⁰С выше конечной температуры металла;

) томильная зона - при неизменной температуре поверхности происходит выравнивание

температуры по толщине металла (температуру продуктов сгорания принимают на 30-50 ⁰С выше конечной температуры металла).

Учитывая все выше сказанное, строим температурный график нагрева заготовок.

Общее время пребывания в печи складывается из отрезков времени, которые определяются для отдельных участков печи. Расчёт времени нагрева на каждом участке печи выполняется с учётом специфических особенностей этого участка. Большинство распространённых методов расчёта времени нагрева металла выполняется по граничным условиям третьего рода, т.е. когда температура по длине почти неизменна. Поэтому в тех случаях, когда температура в пределах какого-либо участка печи переменна, приходится её усреднять и по средней температуре, считая её постоянной, вести расчёт.

Рис.3 Температурный график нагрева

Расчёт нагрева выполняют с целью определения времени, необходимого для достижения заданной температуры. При нагреве перед прокаткой температура должна обеспечить нормальные условия пластической деформации металла.

Определим ориентировочные размеры печи. При однорядном расположении металла ширина печи

В= l + 2·0.25

В = 12,5 м

В печах с плоскопламенными горелками свод выполняется непрофилирован-ным и по всей длине печи можно принять высоту свода равной Н = 1.0 м

Длина печи будет найдена после расчета времени нагрева металла.

Можно принять, что температура зоны горения по всей длине печи равна действительной температуре горения топлива

tдейств=ηпир·tk =(0,75…0,85) ·tk

В нашем случае

tдейств=tk·0,82= t’ф

tдейств=1,656∙10³ °С

Принимаем, что проектируемая печь имеет три тепловые зоны: методическую, сварочную, томильную; в конце методической зоны температура поверхности металла равна 750 °С, а в конце сварочной 1200 °С.

t_км = 750 °С; t_кс = 1200 °С

 

.1 Время нагрева металла в методической зоне

Температура газов в зоне теплообмена равна: в начале методической зоны

t^//_фначм=0.5·(t^/_ф+ t_н) t^//_фначм = 838 °С

в конце методической зоны

t^//_фкон=0.5·(t^/_ф+ t_км) t^//_фкон = 1203 °С

Парциальное давление излучающих компонентов продуктов сгорания

 

 

Для рассматриваемого случая слой газов в зонах горения и теплообмена можно принять плоскопараллельным бесконечной протяженности.

Толщину зоны горения принимаем равной Н′= 0.1 м

Толщина зоны теплообмена Н" с учетом толщины металла δ равна

Н"= Н - Н′ - h Н"= 0,76 м

Тогда эффективная длина луча

  

 

  

По графикам на рис. 13-15 [1] при температуре t′_ф = 1656 °

Находим степени черноты продуктов сгорания

; ; β=1,09

Находим фактическую степень черноты

 

Поскольку найденное значение степени черноты очень мало (из-за малой толщины слоя), примем, что

Это означает, что теплообмен зоной горения и поверхностью кладки происходит только за счет конвекции.

Для зоны теплообмена

 кПа·м  кПа·м

По графикам на рис. 13-15 [1] находим: в начале методической зоны при t^//_фначм = 838 °С

; ; β=1,07

 

в конце методической зоны при t^//_фкон = 1203°С

; ; β=1,07

 

Плотность теплового потока излучением на кладку в начале методической зоны

,

где СО=5,7 Вт/м²·К⁴

Вт/м²

в конце методической зоны

 Вт/м²

Принимая значение коэффициента конвективной отдачи от факела к кладке равным α_конв= 170 Вт/м²·К

Найдем плотность конвективного теплового потока. Для этого ориентировочно зададимся значением температуры кладки в начале методической зоны

 °С

  Вт/м ²

Принимаем степень черноты металла и кладки равными

ε_м = 0.75

ε_к = 0.8

Находим температуру кладки

°С

По уточненному значению Т_к находим

  Вт/м²

 Вт/м²·К⁴

Плотность потока результирующего излучения на металл

Вт/м ²

в конце методической зоны

 °С

  Вт/м ²

Находим температуру кладки

°С

По уточненному значению Т_к находим

  Вт/м ²

 Вт/м ²·К ⁴

Плотность потока результирующего излучения на металл

Вт/м ²

Средняя по длине методической зоны плотность результирующего теплового потока на металл равна

 Вт/м ²

Находим температуру центра блюма в конце методической зоны по формуле

 

Здесь

λ=33,4 Вт/м·К - коэффициент теплопроводности стали 25Г 2С при t=750°С IX (приложение [4]);

S=μ·h расчетная толщина блюма

μ = 0.55 коэффициент несимметричности нагрева (табл. 12 [4])

 °C

Находим среднюю температуру металла: в начале зоны

 °C

в конце зоны

 °C

По длине зоны

 °C

При средней температуре металла по длине методической зоны по приложению IX [4] находим коэффициент теплопроводности стали 25Г 2С и удельную теплоемкость

λ=28,3 Вт/м·К

с = 0.695 кДж/кг·К

Находим время нагрева металла в методической зоне

ρ=7800 кг/м ³

=2225 с или 0,61ч

 

.2 Время нагрева металла в сварочной зоне

Поскольку началом сварочной зоны является конец методической зоны, то из предыдущего расчета заимствуем:

; °С; ; °С;  

 °С;  °С; Вт/м²

в конце сварочной зоны

 °C

По графикам рис 13-15 (1) в конце сварочной зоны при t^//_фкон = 1428°С

;; β=1,08

 

Ориентировочно зададимся значением температуры кладки в конце сварочной зоны

 °C

  Вт/м ²

 Вт/м²

Находим температуру кладки

°С

Плотность потока результирующего излучения на металл

Вт/м²

Средняя по длине сварочной зоны плотность результирующего теплового потока на металл равна

 Вт/м²

Находим температуру центра блюма в конце сварочной зоны по формуле

 °C

Находим среднюю температуру металла: в начале зоны

 °C

в конце зоны

 °C

По длине зоны

 °C

Находим время нагрева металла в сварочной зоне

 с

или  ч

 

6.3 Время томления металла

Перепад температур по сечению металла в начале томильной зоны

 °С

в конце зоны °С

Степень выравнивания температуры

  

По графику на рис. 19 (кривая 3)[4] находим F₀= 2.1

При средней температуре металла в томильной зоне

 °С

по приложению IX [4] находим значение коэффициента температуропроводности стали 25Г 2С a=5,83·10^-6 м ²/с

Тогда время томления металла

  с

или  ч

Общее время нагрева металла

τ= τ_м+ τ_св+ τ_том τ=5260 с

или τ_ч = τ_мч+ τ_свч+ τ_томч τ_ч=1,45 ч

7. Определение основных размеров печи

Для обеспечения производительности Р=33,33 кг/с в печи должно одновременно находиться количество металла

G=P·τ G=1,753·10⁵ кг

Масса одного блюма

g_б=h·b·l·ρ g_б=1834 кг

Число блюмов, одновременно находящихся в печи

 

С учетом зазоров (а =h/2) между блюмами длина печи равна

а =h/2

L=n_б·(h+a) L=19,95 м

При ширине печи В = 12,5 м площадь пода

F=B·L F =249,37 м ²

Высоту всех зон оставляем прежней Н = 1 м

Длину печи разбиваем на зоны пропорционально времени нагрева:

длина методической зоны

 м

длина сварочной зоны

 м

длина томильной зоны

 м

Принимаем, что свод печи выполнен из шамота класса А толщиной 300 мм. Стены имеют толщину 460 мм, причем, слой шамота составляет 345 мм и слой тепловой изоляции (диатомитовый кирпич) 115 мм. Под печи двухслойный: высокоглиноземистый кирпич толщиной 460 мм и диатомитовый кирпич 115 мм.

Рис. 4 Эскиз печи (разрез, футеровка)

 

8. Расчёт теплового баланса печи

Тепловой баланс печи состоит из ряда статей прихода и расхода теплоты, которые необходимо рассчитать, чтобы определить потребное количество топлива.

 

.1 Томильная зона

 

.1.1 Тепло, получаемое в результате сгорания топлива

где B_том - расход топлива, м³/с;

- низшая теплота сгорания топлива;

Q_х=35,01·B_том, МДж/с

 

.1.2 Тепло, вносимое подогретым воздухом

Q_в=В∙с_в∙t_в∙n∙V_в=В∙1,329∙400∙1,05∙9,429=5,26 ·B Мдж/с

где t_в - температура подогрева воздуха, °С; с_в - средняя удельная теплоемкость воздуха в интервале температур от 0° С до t_в, кДж/(м ³∙°С); n - коэффициент избытка воздуха; V_в - количество воздуха, теоретически необходимого для сжигания единицы топлива, м ³/м ³;

 

.1.3 Тепло экзотермических реакций

В этой статье при составлении теплового баланса учитывают все химические реакции, идущие с положительным тепловым эффектом, кроме реакций горения топлива. В нагревательных печах учитывают тепло, выделяющееся при окислении металла. При окислении

кг металла выделяется 5652 кДж/кг тепла, поэтому

= 0,942 МДж/с

где Р - производительность печи, т/ч;

а - величина угара металла в %, для печей с шагающими балками 0,5%

Суммарный приход тепла в томильную зону

= Q_х+Q_в+ Q_экз;

=35,01·B_том+5,26·B_том+0,942=40,27∙В_том+0,942 МДж/с.

 

.1.4 Тепло, затрачиваемое на нагрев металла

Q_пол=Р∙с_м∙t_м.к,

где Р - производительность, кг/ч;

t_м.к - конечная температура нагрева металла, °С;

с_м - средняя удельная теплоемкость металла в интервале температур от 0° С до t_м.к;

Q_пол=120∙0,695∙1100∙=28,26 МДж/с.

 

.1.5 Тепло, уносимое отходящими газами

Q_ух=В_том∙с_ух∙t_ух∙V_ух,

где t_ух - температура отходящих из печи дымовых газов, °С;

с_ух - средняя удельная теплоемкость отходящих из печи газов, определяется по формуле

с_ух =∙0,0912+∙0,1812+∙0,0091+∙0,7185;

с_ух=2,2886∙0,0912+1,77∙0,1812+1,5065∙0,0091+1,4065∙0,7185=1,553 кДж/(м ³∙°С);

V_ух - объём продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 м ³ топлива;

Q_ух=В_том∙1,553∙1150∙10,94=19,538·B_том МДж/с

 

.1.6 Потери тепла в результате теплопроводности через кладку

Q_кл=2 МДж/с.

 

.1.7 Неучтенные потери

Q_пот=0,15∙(Q_ух+ Q_кл)=0,15∙(19,538·B_том+2)=(2,930·B_том+0,3) МДж/с.

Суммарный расход тепла в томильной зоне

= Q_пол + Q_ух + Q_кл + Q_пот;

=28,26+19,538·B_том+2+2,930·B_том+0,3=(22,468∙В_том+30,56) МДж/с.

Баланс теплоты томильной зоны

=

40,27∙В_том+0,942 =22,468∙В_том+30,56

В_том=1,293 м³/с.

 

.2 Сварочная зона

 

.2.1 Тепло, получаемое в результате сгорания топлива

Q_х=35,01·B_св, МДж/с.

 

.2.2 Тепло, вносимое подогретым воздухом

Q_в= 5,26·B_св, МДж/с.

 

.2.3 Тепло, вносимое продуктами сгорания из томильной зоны

Q_ух=19,538·B_св МДж/с.

Суммарный приход тепла в сварочную зону

= Q_х+Q_в +Q_ух=35,01∙В_св+5,26 ·В_св +19,508·B_св =59,808·B_св

 

.2.4 Тепло, затрачиваемое на нагрев металла

=25,02 МДж/с.

 

.2.5 Тепло, уносимое отходящими газами

с_ух=2,235∙0,0912+1,75∙0,1812+1,489∙0,0091+1,409∙0,7185=1,547 кДж/(м³∙°С);

Q_ух= 10,94∙1,547∙1170∙(В_св+19,538)=(19,801·B_св+19,538) МДж/с.

 

8.2.6 Потери тепла в результате теплопроводности через кладку

Q_кл=2,2 МДж/с.

 

.2.7 Неучтенные потери

Q_пот=0,15∙(19,801·B_св+19,538+2,2)=1,47·B_св+3,260 кДж/с.

Суммарный расход тепла в сварочной зоне

= Q_пол + Q_ух + Q_кл + Q_пот;

=25,02+19,801·B_св+19,538+2,2+1,47·B_св+3,260=21,271·B_св+50,018 МДж/с.

Баланс теплоты сварочной зоны

=

59,808·B_св =21,271·B_св+50,018

В_св=2,172 м ³/с.

 

.3 Методическая зона

 

.3.1 Тепло, получаемое в результате сгорания топлива

Q_х=35,01·B_мет, МДж/с.

 

.3.2 Тепло, вносимое подогретым воздухом

Q_в= 5,28·B_мет, МДж/с.

8.3.3 Тепло, вносимое продуктами сгорания из томильной зоны

Q_ух=21,623 МДж/с.

Суммарный приход тепла в сварочную зону

= Q_х+Q_в +Q_ух=(40,29∙В_мет+21,623) МДж/с.

 

.3.4 Тепло, затрачиваемое на нагрев металла

=9,20 МДж/с.

 

.3.5 Тепло, уносимое отходящими газами

Q_ух=(19,538·B_мет+23,5) МДж/с.

 

.3.6 Потери тепла в результате теплопроводности через кладку

Q_кл=0,85 МДж/с.

 

.3.7 Неучтенные потери

Q_пот=0,15∙(19,538·B_мет+23,5 +0,85)=(2,93·B_мет+3,652) МДж/с.

Суммарный расход тепла в сварочной зоне

= Q_пол + Q_ух + Q_кл + Q_пот;

=9,20 +19,538·B_мет+23,5 +0,85 +2,93· B_мет +3,652

=22,468· B_мет +37,202 МДж/с

Баланс теплоты методической зоны

=

40,29∙В_мет+21,623=22,468· B_мет +37,202

В_мет=0,874 м³/с.

Расход топлива в печи

В=В_мет+В_св+В_том=0,874 +2,172 +1,293 =4,339 м³/с=15620,4 м³/ч.

Для сравнения качества работы отдельных печей пользуются удельными показателями расхода топлива, который определяют в единицах условного топлива (у. т.).

Таким образом, удельный расход топлива будет равен

==0,155 у.т/ кг металла.

Коэффициент полезного действия:

100%=16,97%

 

9. Подбор количества горелок их характеристики

На боковых стенках 1 и 2 зонах установлены длиннофакельные горелки типа FR. В 3,4,5,6 и 7 зонах печи на своде установлены плоско-пламенные горелки типа BFM:

Зоны	Количество	Тип	Мощность горелки, ккал/ч *м 3	Максимальный расход
				Газ, м 3/ч	Воздух, м 3/ч
1	3	FR-7	2494	304,15	2916,47
2	3	FR-7	2494	304,15	2916,47
3	32	BFM - 8C	716,5	87,38	837,87
4	32	BFM - 8C	536,5	65,43	627,38
5	8	BFM - 6	150	18,29	175,41
6	16	BFM - 6	150	18,29	175,41
7	8	BFM - 6	150	18,29	175,41

Рис. 5 Плоско-пламенные горелки

 

10. Конструкция, принцип действия рекуператора

Дымовые газы, покидающие рабочее пространство печей, имеют весьма высокую температуру и поэтому уносят с собой значительное количество тепла. Из рабочего пространства печей дымовые газы уносят с собой тем больше тепла, чем выше их температура и чем ниже коэффициент использования тепла в печи.

Утилизацию тепла отходящих дымовых газов с возвратом их в печь можно осуществить в теплообменных устройствах - рекуператорах.

Рекуперативный принцип утилизации тепла отходящих дымовых газов более прогрессивен и совершенен. Рекуператоры обеспечивают постоянную температуру подогрева воздуха или газа и не требуют никаких перекидных устройств - это обеспечивает более ровный ход печи и большую возможность для автоматизации и контроля её тепловой работы.

Любой рекуператор представляет собой теплообменный аппарат, работающий в условиях близких к стационарному тепловому состоянию, когда тепло постоянно передаётся от остывающих дымовых газов к нагревающемуся воздуху через разделительную стенку.

К конструкциям рекуператоров предъявляют следующие требования:

обеспечение максимальной степени утилизации тепла дымовых газов;

достаточная стойкость против воздействия дымовых газов с высокой температурой;

максимальная компактность, т.е. высокая удельная поверхность нагрева на 1 м³ рекуперативной насадки;

наивысший суммарный коэффициент теплопередачи К, что также способствует достижению компактности рекуператора;

наименьшее гидравлическое сопротивление;

достаточная герметичность.

Дымовые газы из печи удаляются через канал, находящийся на уровне нулевой отметки (уровень цехового пола) в торце печи у загрузки, проходят через двойной рекуператор, теплообменник и далее - в дымовую трубу.

Высота дымовой трубы 65000мм, наружный диаметр 2500 мм.

В дымовом канале печи установлен двойной рекуператор противоточного типа, состоящий из пучков труб. Рекуператор работает параллельно и предназначен для подогрева воздуха, идущего на горение.

 

Параметры	Номинальные значения	Максимальные значения
Теплотворная способность топлива (природный газ), ккал/м 3	8060	8060
Расход топлива, м 3/ч	6735	7300
Расход воздуха, м 3/ч	65400	70900
Расход дымовых газов, м 3/ч	72135	78200
Расход дымовых газов с воздухом разбавления, м 3/ч	72135
Расход воздуха разбавления, м 3/ч		3360
Температура дымовых газов до рекуператора, С	850	870
Температура дымовых газов после рекуператора, С	526	560
Температура воздуха на выходе из рекуператора, С	450	455
Обменные калории, ккал/ч	8845000	9588000
Потеря давления дымовых газов, мм.вод.ст.	20	26
Потеря давления воздуха, мм.вод.ст.	300	350
Направление потока	противоток

Для предотвращения перегрева элементов рекуператора при температуре дымовых газов перед рекуператором свыше 850 С автоматически включается вентилятор подачи воздуха для разбавления дымовых газов. Тип вентилятора - "Acromeccanica Stranich SPA", двигатель - AICI64AB80020 "Ansaldo" N=11 кВт, n=1460 об/мин.

Кроме того, на воздуховоде установлена регулирующая заслонка с исполнительным механизмом, позволяющая автоматически регулировать подачу воздуха на разбавление в случае, когда температура дымовых газов держится у границы предельного значения. Подача холодного воздуха на рекуператоры (забор из цеха) осуществляется двумя вентиляторами (один резервный) типа"Acromeccanica Stranich SPA", двигатель - СТ 400У 4 "Ansaldo", N=400 кВт, n=1485 об/мин.

Между рекуператором и дымовой трубой по ходу дымовых газов установлен теплообменник для подогрева воды, которая подается, в свою очередь, на нагрев сетевой воды в системе отопления завода.

В зависимости от задаваемой температуры подогрева воды в теплообменнике дымовые газы могут идти следующим образом:

температура воды не достигла заданной температуры - все дымовые газы идут через теплообменник с помощью эксгаустера, находящегося за теплообменником, далее - в дымовую трубу.

температура воды превысила заданную - все дымовые газы идут по байпасу в дымовую трубу.

температура воды поддерживается в заданном значении - дымовые газы идут как через теплообменник, так и через байпас.

Направление дымовых газов на теплообменник и через байпас осуществляется автоматически, в зависимости от температуры подогрева воды в теплообменнике посредством регулирующих клапанов на байпасе и на теплообменнике. Эксгаустер, установленный за теплообменником, снабжен системой автоматического регулирования оборотов двигателя, что позволяет осуществлять плавную регулировку давления в печи. Тип эксгаустера "Ansaldo", Q=191600 м ³/ч, Н=145 мм.вод.ст., n=650 об/мин., двигатель - 315М/6, N=90 кВт, n=990 об/мин.(работает в ручном режиме).

Рис. 6 Рекуператор

 

11. Выбор и расчёт механизмов печи

Каркасы печей представляют собой пространственные металлические конструкции, которые выполняют две функции:

воспринимают и передают на фундамент вес сооружения или отдельных его частей;

воспринимают усилия со стороны футеровки, возникающие при её тепловом расширении.

Таким образом, каркас является одновременно несущей конструкцией и обвязкой футеровки печи. Каркасы, воспринимающие усилия от футеровки, делят на жесткие и регулируемые, и выполняют в виде рамных и листовых конструкций. Жесткий удерживающий каркас при расширении футеровки не смещается, а направляет её деформацию к температурным швам.

Рамный регулируемый каркас может не препятствовать тепловому расширению футеровки. Он представляет собой ряд пар параллельных стоек, закрепленных внизу на сварной подовой раме и соединенных попарно между собой поперечными регулируемыми связями; верхние продольные связи отсутствуют.

При разогреве распорного свода внутренняя часть огнеупорных кирпичей расширяется больше, чем наружная. Это вызывает раскрытие швов, увеличение механических напряжений в своде, его выпучивание. Регулируемый каркас позволяет удлинить поперечные связи, увеличить расстояние между стойками и раздвинуть пяты свода; при этом свод садится, что снимает излишние напряжения. При охлаждении свода связи подтягиваются. Такое регулирование существенно улучшает службу распорных сводов большого пролёта.

Таким образом, наиболее оптимальным является рамный регулируемый каркас.

Перемещение заготовок в печи осуществляется шагающими балками. Полный ход (шаг) балки состоит из горизонтального и вертикального ходов.

Вертикальный ход балок обычно составляет 70-200мм. Для заготовок длиной 10м принимаем ход 200 мм, во избежание влияния на ход металла его коробления и неточности монтажа балок.

Горизонтальный ход принимают в зависимости от размеров изделий и их раскладки в печи.

Для механизмов подъема и передвижения балок применяют электрический или гидравлический привод, чаще индивидуальный на каждый механизм.

Гидравлическая система печи предусматривается для управления шагающими балками (поворотным устройством и шагающим подом), для подъема разгрузочной машины и для открытия (закрытия) окон печи.

Заготовка на входе загружается с помощью загрузочного рольганга внутри печи. На выходе разгружается с помощью разгрузочного рольганга внутри печи. Эти рольганги управляются редукторными двигателями переменного тока с регулируемой частотой.

Загрузочное и разгрузочное окна (нормальные и аварийные) управляются гидроцилиндром и оснащены конечными выключателями для открытого и закрытого положения. На стороне, противоположной нормальному разгрузочному окну, предусматривается аварийное разгрузочное окно.

Двери обеспечивают максимальную герметизацию и снижение до минимума работ по техобслуживанию. Двери изготовлены из электросварной стальной конструкции с огнеупорной футеровкой, закрепленной анкерами. Гидроцилиндры обеспечивают автоматически привод дверей для выгрузки.

Разгрузочная машина используется для перемещения заготовок с неподвижной балки на разгрузочные ролики внутри печи. Разгрузочная машина входит в печь, поднимает заготовку и перемещает ее на разгрузочный рольганг. Затем заготовка выходит из печи.

Разгрузочная машина состоит из двух узлов с независимой системой перемещения и с общей системой подъема. Перемещение осуществляется с помощью двигателя переменного тока с регулируемой частотой. Подъем осуществляется с помощью гидроцилиндра. Каждая машина оснащена тремя пальцами с водяным охлаждением. Пальцы входят в печь через отверстия в разгрузочной стене. Каждый палец оснащен заменяемым рейтером. В момент, когда машина входит в печь, она обнаруживает положение заготовки на балке, поднимает заготовку и (с помощью независимой системы перемещения) разгружает ее на рольганг внутри печи: заготовка отцентрована по оси рольганга.

Конструкция печи включает глубокие бункеры в поде печи для накопления окалины. Бункеры имеют большие отверстия, закрываемые люками с огнеупорной футеровкой. Крышки люков имеют пневматический привод с ручным управлением для облегчения операций удаления окалины. Такое решение не допускает попадания холодного воздуха в печь, а также упрощает удаление окалины.

 

12. КИП и регулирующие приборы

Основным элементом любой системы автоматического контроля или автоматического управления является контрольно - измерительный прибор (КИП), число которых постоянно растет. Это закономерно, так как с увеличением производительности стоимость ошибок в оценке состояния технологического процесса существенно возрастает. Большинство приборов строятся по схеме: датчик - линия связи - измерительный прибор.

Разнообразие процессов происходящих в рабочем пространстве печи, требуют использования для управления и контроля разнообразных датчиков и измерительных приборов.

На печи предусмотрен контроль следующих основных параметров работы печи:

общий расход газа на печь;

расход газа на каждую зону печи;

расход воздуха на каждую зону печи;

давление воздуха перед рекуператором;

давление газа до и после регулятора давления на ГРУ печи;

температура в печи по зонам;

температура дымовых газов за печью (до рекуператора, после рекуператора, после теплообменника, в дымовой трубе);

температура подогрева воздуха в рекуператоре;

температура воды на входе и выходе шагающих балок;

температура воды на входе и выходе теплообменника;

расход воды на шагающие балки;

коэффициенты избытка воздуха по зонам печи;

вес заготовки перед загрузкой в печь;

Таблица 6 - Метрологическое обеспечение контролируемых параметров нагревательной печи.

№ п/п	Наименование величины	Место измерения	Тип прибора
1.	Газовый анализатор уходящих газов после печи и рекуператора; газовый анализатор уходящих газов после экономайзера	Газоход уходящих газов после печи и рекуператора; газоход уходящих газов после экономайзера	Газоанализатор  "TESTO-350"
2.	Температура уходящих газов после печи, до рекуператора и после рекуператора и после экономайзера	Газоход уходящих газов после печи	Термопары  PtRh -Rt  NiCr-Ni
3.	Температура металла на выходе из печи	Выгрузочное окно печи	Инфракрасный пиромер 0-1500 0C "Кельвин-400/1500"
4.	Температура по зонам в печи	Печь	Термопара PtRh-Pt 600-1400 0C
5.	Давление газа до ГРУ печи	Газопровод на вводе в ГРУ	Манометр 0-6 бар "Vika"
6.	Давление газа после ГРУ печи	Газопровод на выходе газа из ГРУ	Манометр 0-2,5 кг/см2 MПЗУ
7.	Давление воздуха, идущего на горение (после вентилятора)	Воздушный коллектор после дутьевого вентилятора	PROTRONIC TD
8.	Расход газа на печь	Газопровод подачи газа на печь	Измерительная диафрагма с вторичным прибором "TZA120"
9.	Часовой расход газа по зонам печи	Газопровод подачи газа по зонам	INDICOMP 2
10.	Температура воздуха, идущего на горение до рекуператора, t окр. воздуха	На всосе вентилятора около печи	Термопара NiCr-Ni 0-600 0C
11.	Температура воздуха, идущего на горение после рекуператора	Воздушный коллектор после рекуператора	Термопара NiCr-Ni 0-600 0C
12.	Расход охлаждающей воды на элементы печи		Измерительная дифрагма с самопи-шущим прибором "TZIF3"0-250 м 3/ч
13.	Температура охлаждающей воды	Водопровод системы	Термопара c вторичным прибором "Дантрус"

На боковой стене печи напротив окна выгрузки установлена водоохлаждаемая телекамера. Позволяющая обслуживающему персоналу в помещении пульта управления печью на экране дисплея следить за процессом выгрузки заготовок. Лицо осуществляющее контроль - нагревальщик.

 

13. Мероприятия по ТБ

Безопасность производства обеспечивается соблюдением требований безопасности соответствующих ГОСТ 12.3.004 - 75. ССБТ. "Термическая обработка металлов".

Движущиеся части печи должны быть ограждены. В местах, где движущиеся части, представляют опасность для людей, не могут быть ограждены из-за их функционального назначения, должны быть предусмотрены средства сигнализации, предупреждающие о пуске оборудования.

Конструкцией печи должна быть предусмотрена сигнализация печи при нарушении нормального режима работы, а также средствами автоматической остановки и отключения оборудования при опасных неисправностях, авариях при режимах работы близких к опасным.

При подготовке изделий к термической обработке с применением пожароопасных веществ должна быть исключена возможность их воздействия на работающих. Нагретые при термической обработке изделия следует размещать в местах, оборудованных эффективной вытяжной вентиляцией, или в специальных охладительных помещениях.

Вентиляционные системы производственных помещений, в которых выделяются вредные вещества с пожаровзрывоопаными свойствами, должны быть во взрывозащищенном исполнении.

Технологические процессы термической обработки должны обеспечивать оптимальный режим работы оборудования, исключающий аварийные ситуации. При обнаружении в воздухе вредных веществ выше предельно допустимой концентрации, прекращении подачи воздуха к форсунке газовой горелки термической печи и других аварийных ситуациях работу следует немедленно прекратить и принять меры к устранению аварийной ситуации. работа может продолжаться только после устранения причин аварийной ситуации. Помещения, воздуховоды следует очищать от пыли во избежание образования взрывоопасной пылевоздушной смеси в объеме более 1% объема помещения.

Безопасность процесса термической обработки обеспечивается конструкцией и размещением оборудования:

газоприготовительные установки размещают в одном помещении с печами, потребляющими газовую атмосферу, или в отдельных помещениях;

токоведущие части печи, являющиеся источником опасности, должны быть надёжно изолированы и ограждены;

электрооборудование должно быть размещено внутри шкафов с запирающими дверями или расположено в недоступных для людей местах;

металлические части печи, которые могут вследствие повреждения изоляции оказаться под электрическим током опасной величины, должны быть заземлены;

в схеме электрических цепей печи, должно быть предусмотрено устройство, централизовано отключающее от питающей сети все электрические цепи.

проемы нагревательных печей должны иметь устройства для защиты работающих от теплового потока.

Персонал, обслуживающий термическое производство, проходит медицинский осмотр при поступлении на работу и периодический, а также обучение по типовым программам. Работа в термических цехах должна проводиться с использованием средств индивидуальной защиты.

За поддержанием безопасности термического производства осуществляется постоянный контроль. Помещения, оборудование и коммуникации термических цехов оснащают контрольно- измерительными приборами для контроля опасных и вредных факторов, защитно - предохранительную, регулировочную и запорную арматуру, коммуникации проверяют в установленные сроки. При использовании газов с опасными и вредными свойствами контролируют работу вытяжной вентиляции и системы сигнализации.

В пламенных печах при розжиге на газовом обогреве контролируют положение кранов и давление в газопроводе. Перед зажиганием горелок топочную камеру продувают при открытых заслонках. При розжиге горелки к ней через смотровое окно подносят запальник и только после этого открывают кран подачи газа.

Вокруг печи необходимо соблюдать чистоту, не допускать наличие пыли, грязи, посторонних предметов, не загромождать проходы, проезды к месту установки печи и т.д.

Необходимо строго соблюдать "Правила и нормы техники безопасности при работе на металлургических печах".

 

14. Технико-экономическое обоснование

Для сокращения расхода топлива можно предложить следующее:

1.   увеличение расстояния между опорными трубами и, соответственно, уменьшение количества труб. Это сделать возможно, т.к. при механических расчетах прочности труб обычно берут многократно завышенный коэффициент запаса. Предлагаемое снижение числа труб не только снизит потери с водой, но и интенсифицирует теплообмен за счет уменьшения экранирующего действия труб на металл;

2.      применение волокнистой теплоизоляции на опорных трубах;

.        использование непараллельных продольных труб с целью уменьшения "темных" пятен от контакта заготовок с рейтерами и, соответственно, сокращение времени выдержки металла в томильной зоне;

.        применение системы испарительного охлаждения опорных труб;

.        применение эффективных огнеупорных и теплоизоляционных материалов в кладке свода и стен, а также интенсификация теплообмена в рабочем пространстве печи;

.        организация струйного подогрева металла с использованием высокотемпературных вентиляторов в начальный период нагрева (методическая зона).

 

.1 Реконструкция нагревательной печи

Реконструкция состоит из следующих этапов:

замена существующих сводовых горелок;

замена глиссажных труб в методической и 1 - 2-й зоне печи;

замена футеровки подины.

Проведённая реконструкция за счёт установки новых low-NOx горелок позволит повысить экономичность печи и снизить уровень эмиссии окислов азота. Замена глиссажных труб и футеровки подины снизит потери тепла с охлаждающей водой и повысит надёжность работы агрегата.

При годовом газопотреблении печи в 22 006 000 м ³ экономия топлива за счет снижения газопотребления на горелки в 3% составит:

006 000 * 0,03 = 660 180 м ³

Замена тепловой изоляции глиссажных труб и пода позволит снизить потери тепла с охлаждающей водой на 20%. Потери тепла с охлаждающей водой составляют порядка 14% в тепловом балансе печи, или же 3 080 840 м ³. Снижение на 20% составит экономию

080 840 * 0,2 = 616 168 м³.

Экономия топлива: 1 276 348 м³

 

.2 Реконструкция системы утилизации отходящих газов стана 320

Реконструкция представляет собой замену управления расходом дымовых газов через экономайзер, позволяющую поддерживать минимальную температуру дыма на выходе в трубу и постоянное давление в дымовом тракте. Один из возможных вариантов - управление заслонкой экономайзера и дымососом на основе тепловых потоков дыма и воды. Применение подобной системы позволит поддерживать температуру дымовых газов на 30 ºС ниже существующей.

Объем дымовых газов стана 320: 134062500 м³ в год

При средней теплоемкости в районе 200 ÷ 300ºС - 1,108 кДж/ м³ и при снижении температуры на 30 ºС экономия тепла составит:

* (30 * 1,108) = 4456237500 Дж.

Экономия тепла: 4456237500 Дж.

Вывод

Внедрение вышеперечисленных мероприятий позволит существенно увеличить производительность стана 320 и снизить затраты на производство арматуры.

 

Литература

1.   Валицкая О.М. "Расчет и проектирование нагревательных устройств "курса" Нагрев и нагревательные устройства".-Гомель; 1993г.-43 с.

2.      Вальченко Н.А., Гурко В.В. "Теплоэнергетика".-Гомель: Учреждение образования "Гомельский государственный технический университет имени П.О. Сухого", 2001г.-41с.

.        Кривандин В.А., БелоусовВ.В., Сборщиков Г.С. и др. " Теплотехника металлургического производства" Т.2. Конструкция и работа печей: Учебное пособие для вузов М:МИСИС; 2001г.-736 с.

.        Мастрюков Б.С. "Теория, конструкции и расчеты металлургических печей" Т 2 "Расчеты металлургических печей"М., Москва, "Металлургия",1978г., 272 с.

.        Несенчук А.Н., Жмакин Н.П. "Теплотвые расчёты пламенных печей для нагрева и термообрабптки металла" Минск, "Вышейшая школа"; 1974г.- 280 с.

.        Лазаренков А.М. "Охрана труда": Учебник - Мн.,БНТУ; 2004г.-497с.

.        Телегина А.С., Гордон Я.М., Зобнин Б.Ф. "Теплотехнические расчёты металлургических печей". Москва, "Металлургия",1993г., 362 с.