Разработка конструкции электродной печи-ванны

Разработка конструкции электродной печи-ванны

Белорусский национальный технический университет

Кафедра Материаловедение в машиностроении

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ (РАБОТА)

по дисциплине: Металлургическая теплотехника и теплоэнергетика

Тема: Разработка конструкции электродной печи-ванны

Исполнитель:

Дробов Андрей Николаевич

Руководитель проекта

Иваницкий Николай Иванович

Минск 2013

Введение

В данном курсовом проекте рассчитывается электродная печь-ванна. Результатом расчета являются основные размеры печи и показатель эффективности печи.

В исходных данных задаётся производительность печи, источник тепловой энергии, технологическое назначение, материал и размеры заготовок.

Расчёт включает в себя: расчёт продолжительности нагрева заготовки, расчёт размеров рабочего пространства, тепловой баланс печи, расчет элементов сопротивления.

1. Обоснование выбора типа печи

Ванная печь - печь для нагрева материалов в жидкой среде. Применяются в термических цехах для нагрева металлических деталей под закалку, отпуск, нормализацию, обжиг, цианирование, цементацию, а также для патентирования проволоки и ленты.

Наиболее употребительные среды: для нагрева от 700 до 1300 °С - хлористые и углекислые соли, от 160 до 500 °С - азотнокислые соли, до 250 °С - масла; применяют также расплавленные металлы (свинец, сплавы свинца с оловом и силумин).

Преимуществом нагрева в жидких средах по сравнению с нагревом в обычных печах являются быстрота и равномерность нагрева, отсутствие окисления поверхности деталей.

Печи-ванны подразделяются на пламенные и электрические. Пламенная имеет тигель из жароупорной стали с толщиной стенки 15-30 мм. Обогревается тигель пламенем от форсунки или горелки.

Электрические бывают двух типов - с генерацией тепла в нагревательных элементах (например, проволочного или ленточного типа), расположенных вне ванны (с внешним обогревом тигля), и с генерацией тепла в самой жидкой среде путём подвода тока с помощью электродов (с внутренним обогревом). Встречаются также печи с внутренним обогревом трубчатыми нагревательными элементами, располагаемыми внутри футерованного тигля. Электрические печи с внешним обогревом по конструкции (кроме устройств для обогрева тигля) аналогичны пламенным печам-ваннам.

Наиболее широкое распространение в промышленности получили одно- и трёхфазные электродно-соляные печи-ванны, в которых нагревателем является расплавленная соль, загружаемая в рабочую камеру (круглого, прямоугольного или шестиугольного сечения), выложенную из фасонного шамотного кирпича, или в тигель из жароупорной стали. Электрический ток напряжением 6-24В через массивные стальные электроды подводится непосредственно к соли. Наиболее совершенны электродные печи-ванны с опущенными электродами. Электрический ток, проходя через соль, вызывает энергичное перемешивание расплавленной соли и обеспечивает равномерность температуры ванны. Электродные печи применяются для нагрева до температуры от 40 до 1300°С.

печь ванна электродный нагрев

2. Расчет продолжительности нагрева заготовки

Определяем продолжительность нагрева заготовки из стали У8 до температуры отжига (800 ⁰С). Размеры заготовки d=90 мм, l=450 мм.

 - температура отжига для стали У8.

1)      Выбираем тип расплава по t=800 ⁰С:;

)        Определяем α по типу расплава:

α=324 Вт/м²;

)        Определяем среднее значение температуры:

_ср=2/3 (Т_м^к + Т_м^н);

_ср=2/3 (800+20)=547⁰С;

 Вт/м К;

 Вт/м К;

 Вт/м К;

4)      Определяем критерий Био (Bi):

;

Нагреваемая заготовка - занимает промежуточную область. Расчет ведем по методике для массивных тел.

5)      Определяем критерий Фурье:

  ;

6)      Определяем критерий Θ:

7)      Находим критерий Фурье по номограмме Будрина:

Тогда τ центра и поверхности:

8)     
Коэффициент температуропроводности (а):

где:

кг/см³;

Вт/м К;

с⁵⁰⁰=561Дж/кг К;

с⁶⁰⁰=598 Дж/кг К;

с⁵⁴⁷=Дж/кг К;

 м²/с;

)        сек = 16 мин;

сек = 18 мин;

. Расчет размеров рабочего пространства печи

Материал - Сталь У8

Производительность печи (G) - 380 кг/ч

мин  мин.=90 мм l=450 мм

1)      Определяем массу одной заготовки:

кг/см³

;

;

2)      Определяем штучную производительность печи:

шт./ч;

3)      Определяем количество заготовок, одновременно находящихся в печи для обеспечения заданной производительности:

4)      Определяем массу садки изделий:

кг;

5)      Находим объем расплава:

м³;

м;

м;

. Тепловой баланс печи

₁ - тепло расходуемое на нагрев металла;₅ - потери тепла в окружающую среду;_неучт - неучтенные потери тепла;

- конечное и начальное теплосодержание нагретого металла

 ₁=0.105(557-9.72)=57.46 кВт;

С₀=5,7 Вт/м²

м²

τ = 1 (так как отверстие всегда открыто)

кВт;

Q_кл = Q_свод + Q_под + Q_стен = Q_под + Q_стен

Стены и пол

Футеровка печи из:

Стены:

δ₁ = 230мм (Шамот)

δ₂ = 120мм (Динас)₁=800⁰C t₃=90⁰C

Поскольку теплопроводность зависит от температуры, то необходимо брать среднее по толщине значение величину коэффициента теплопроводности. Для определения среднего значения коэффициента теплопроводности необходимо знать температуру на границе слоев. Поэтому для определения этой температуры делаем допущении, что температура от t1 до t3 изменяется по прямой линии. Далее исходя из геометрических соображений определяем t2:

Проверка:

< 5%

Расчет принимается. q_стен=2015.503 Вт/м²

Под:

δ₁ = 420мм (Шамот)

δ₂ = 120мм (Динас)₁=800 ⁰C t₃=90 ⁰C

Проверка:

_под=1319,79 Вт/м²

_стен = q_стен + F_стен

_под = q_под + F_под

τ_разогр=8 ч.

(шамот)

(динас)

. Расчет элементов сопротивления

При составлении теплового баланса электропечей определяется расходная часть и по расходной части с учетом коэффициента запаса мощности определяют мощность:

=1,3-1,4

Принимаем К=1,3

Находим рабочую температуру по формуле:

Выбираем сплав Х20Н80, для которого рекомендуется рабочая температура 1100 ⁰С.

Удельное сопротивление сплава при рабочей температуре

Находим удельную мощность идеального нагревателя, принимая температуру изменения равной 800⁰С (в этом случае температура нагревателя будет наивысшей):

 - степень черноты нагревателя и изделия

Нагревательные элементы в печи располагаются на стенах, своде и поду рабочего пространства. Относительная мощность стен, несущих нагреватели ровна:

,

где N - мощность нагревателя, кВт; _n - площадь поверхности стены, на которой располагаются нагреватели, м²

При нагреве стали с использованием проволочного нагревателя α=0,46, тогда:

Поскольку питание печи производится трехфазным током с линейным напряжением U_c=380 В, то мощность, приходящаяся на одну фазу равна:

В случае соединения нагревателей по схеме «треугольник»:_ф=92,13В; N_ф= N_с=380 В

Тогда

Геометрические размеры нагревателя находим по следующим соотношениям: b/a=m; m=10

Толщина:

Длина:

а=1,9 мм; b=19 мм; а*b=36,1 мм².

Наиболее близким к полученному значению сечения S=36,1 обладают ленточные нагреватели сечением 2,2х20 (S=44) при оптимальном расположении нагревателей (е/b=2) на 1 м² футеровки размещается 19 при общей длине нагревателя 214, для его размещения соответственно потребуется 214/19=11,26 м². При максимально плотном (е/b=0,9) расположении нагревателей размещается 42 нагревателя, и требуемая площадь поверхности будет ровна 214/42=5,09 м². Таким образом, при соединении нагревателей по схеме «треугольник» на внутренних поверхностях печи можно разместить ленточный нагреватели с сечением 2,2х20 с относительным шагом е/b=0,9.

Уточненный расчет ленточного зигзагообразного нагревателя:

Сопротивление одной фазы:

Длина нагревателя:

Удельная поверхностная мощность:

Так как полученное значение удельной поверхностной мощности достаточно близко к исходному, перерасчета нагревателей производить не нужно. Примем высоту зигзага на стенах Н_ст=0,2м, а на своде и поду Н_св=0,11 м, будем считать, что нагреватели расположены на стенах в 2 ряда, а на своде и поду по 2 ряда нагревателей. Тогда каждый ряд нагревателей на боковых стенах печи имеет длину 34,1/2=17,05 м, на своде и поду 44,5/2=22,25 м.

Определим шаг зигзага ленточного нагревателя на боковых стенах печи:

е = 4,4(17,05/0,2)=0,022

своде (поду):

е = 4,4(22,25/0,025)=0,025

т.е. относительный шаг везде равен е/b=0,022/0,025=0,9

Таким образом, в проектируемой печи ленточный нагреватель можно расположить равномерно по всей поверхности пода, свода, торцевой и боковых стенах с относительным шагом е/b=0,9

. Определение показателя эффективности работы печи

7. Вопросы экологии и безопасных условий труда

Металлургическое производство оказывает немалое влияние на окружающую среду из-за выброса в атмосферу продуктов сжигания различных видов топлива при работе доменных печей, переработки шихты в них (шихта - это смесь руды с нерудными добавками и кокса). При этом в атмосферу поступают двуокись углерода и сероводород, а также пыль с содержанием графита, различных металлов легких и тяжелых (алюминий, сурьма, мышьяк, ртуть, свинец, олово и т. д.) в зависимости от характера и назначения металлургического производства.

Вредными веществами являются оксиды углерода, серы и азота. Ежегодное поступление в атмосферу сернистого газа оценивается специалистами-экологами в объеме 100-150 млн. т. С его выбросами связано образование так называемых кислотных осадков, которые наносят большой вред растительному и животному миру, разрушают различные сооружения, памятники архитектуры. Загрязнение окружающей среды металлургическими производствами происходит из-за сточных вод, в которые попадают различные химические соединения, образующиеся в процессе выплавки металлов. Воду металлургическое производство потребляет в больших количествах, поэтому предприятия всегда сооружают в непосредственной близости от рек и озер или создают специальные гидротехнические сооружения, в которых она накапливается.

В результате такого загрязнения окружающей среды происходит ухудшение здоровья населения, снижается продолжительность жизни, увеличивается смертность. По существующим оценкам, 20-50 % продуктов питания содержат ядохимикаты, нитраты, тяжелые металлы в концентрациях, опасных для здоровья. В зоне работы металлургических производств загрязнены источники питьевой воды как поверхностные, так и подземные, особенно после выпадения кислотных дождей. Специалисты - экологи ожидали значительное улучшение экологической обстановки в районах деятельности металлургических производств благодаря конверсии и сокращению объемов выплавки металлов. Однако результаты оказались менее значительными, чем ожидалось, из-за сильной изношенности и оборудования металлургического комплекса и их очистных сооружений. Экологи стали фиксировать массу аварийных выбросов в атмосферу и в водоемы с металлургических производств.

Опасные и вредные производственные факторы, характерные для процессов термической обработки металлов.

. При термической обработке металлов на работников могут воздействовать опасные и вредные производственные факторы, оказывающие неблагоприятное влияние на их здоровье в процессе трудовой деятельности.

К опасным и вредным производственным факторам термической обработке металлов относятся:

твердые и газообразные токсические вещества в составе продуктов угара металла;

интенсивное тепловое (инфракрасное) излучение деталей и термической ванны;

искры, брызги, выбросы расплавленного металла и шлака;

высокочастотный шум;

статическая нагрузка и др.

. В зону дыхания рабочих могут поступать газообразные токсические вещества в составе продуктов угара металла, содержащие в составе твердой фазы различные металлы, их оксидные и другие соединения, а также газообразные токсические вредные вещества: окись углерода, окислы азота, фтористый водород, озон, а также другие сложные химические соединения.

В зону дыхания рабочих, обслуживающих технологическое оборудование, могут поступать пары, содержащие различные металлы: железо, никель, титан, алюминий, хром, медь, марганец, вольфрам и их оксиды, а также газообразные токсичные вещества: диоксид кремния, оксид углерода, диоксид азота и другие химические соединения.

Воздействие на организм твердых и газообразных токсических веществ может явиться причиной хронических профессиональных заболеваний.

. Интенсивность инфракрасного (теплового) излучения изделий и термической ванны зависит от температуры подогрева изделий, их габаритов и конструкций, а также от температуры и размеров термической ванны. При отсутствии у работников средств индивидуальной защиты (СИЗ) воздействие теплового излучения может приводить к нарушениям терморегуляции вплоть до теплового удара. Контакт с нагретым металлом может вызвать ожоги.

При отсутствии средств индивидуальной защиты тепловое излучение в ультрафиолетовом диапазоне может вызвать поражение органа зрения (электроофтальмия, катаракта) и кожных покровов (эритема, ожоги).

. Искры, брызги и выбросы расплавленного металла и шлака могут явиться причиной ожогов.

. Источниками шума являются пневмоприводы, вентиляторы, источники питания и др. Воздействие шума на организм человека зависит от спектральной характеристики и уровня звукового давления.

. При невозможности применения безопасных и безвредных технологических процессов необходимо применять меры по снижению уровней опасных и вредных факторов до предельно допустимых значений.

Содержание вредных веществ в воздухе рабочей зоны на рабочих местах должно соответствовать установленным нормативным требованиям.

. Допустимые уровни звукового давления и эквивалентные уровни широкополосного шума на рабочем месте должны отвечать установленным нормативным требованиям.

Для тонального и импульсного шума допустимые эквивалентные уровни должны быть уменьшены на 5 дБ.

При эксплуатации установок кондиционирования, вентиляции и воздушного отопления допустимые эквивалентные уровни уменьшаются на 5 дБ.

Для оценки воздействия различных уровней звука при разной их длительности применяется показатель эквивалентного уровня звука.

При уровнях звука выше допустимых на 5 дБ работники должны быть снабжены средствами индивидуальной защиты.

Для колеблющегося во времени и прерывистого шума максимальный уровень звука не должен превышать 110 дБ, а для импульсного шума - 125 дБ.

. Допустимые уровни ультразвука на рабочем месте в течение восьмичасового рабочего дня должны соответствовать установленным нормативным требованиям.

. Допустимые уровни производственной локальной вибрации от вспомогательного оборудования должны соответствовать установленным нормативным требованиям.

. При невозможности снижения уровней опасных и вредных производственных факторов до предельно допустимых значений по условиям технологии производить термическую обработку металлов без оснащения работников соответствующими средствами индивидуальной защиты, обеспечивающими безопасность их труда, не допускается.

Список использованных источников

1.       Мастрюков Б.С. Теплотехнические расчёты промышленных печей. - М.: Металлургия. 1972.

.         Несенчук А. Жмакин Н. Теплотехнические расчёты пламенных печей для нагрева и термообработки металла - Мн.: Высш. Шк., 1974.

.         Тимошпольский В.И., Несенчук А.П., Трусова И.А. Промышленные теплотехнологии. - Кн. 3. - Мн.: Высшая школа, 1998.