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:
Kп.г.=(100-4,174)/100=0,958
Определяем состав влажного газа:
хвлi и хi - объемные
доли компонента соответственно во влажных и сухих газах
СО2вл=Kп.г∙СО2=0,958∙1,9=1,82%
СH4вл=Кп.г∙CH4=0,958∙24,5=23,48
%
N2вл=Кп.г∙N2=0,958∙7,8=7,47
%
H2вл=Кк.г∙H2=0,958∙57,5=55,1
%
CОвл=Кк.г∙СО=0,958∙7,5=1,82%
O2вл=Кк.г∙О2=0,958∙0,8=0,76
%
Доменный газ
Содержание водяного пара в газе
H2Oд.г=
Кд.г.=(100-3,59)/100=0,96
Определяем состав влажного газа:
СО2вл=Кк.г∙СО2=0,96∙12,5=12,05
%
Coвл=Кк.г∙СО=0,96∙27=26,03
%
СH4вл=Кк.г∙СH4=0,96∙0,5=0,48
%
N2вл=Кк.г∙N2=0,96∙55=53,03
%
Для определения состава смеси
газа вычислим доли газов
Из условия дано, что доля доменного газа Хд.г=10%,
а коксового Хк.г=90%
QHp=15631.941*0.85+31056.46*0.15=17945.618
[кДж/м3]
Состав смешанного газа:
Рассчитав состав смешанного газа
составим таблицу:
Вещества
|
Доменный
газ, %
|
Коксовый
газ, %
|
Вл.
Дом. газ, %
|
Вл.
Кокс. газ, %
|
Смешанный
газ, %
|
СH4
|
0,5
|
24,5
|
0,48
|
23,48
|
21,18
|
СO2
|
12,5
|
1,9
|
12,05
|
1,82
|
2,84
|
O2
|
0
|
0,8
|
0
|
0,76
|
0,69
|
CO
|
27
|
7,5
|
26,03
|
1,82
|
9,07
|
H2
|
5
|
57,5
|
4,82
|
55,1
|
50,07
|
N2
|
55
|
7,8
|
53,03
|
7,45
|
12,02
|
H2O
|
-
|
-
|
3,59
|
4,174
|
4,12
|
Вычислим теплоту сгорания:
Расход кислорода на горение смеси
газа:
VO2=0,01∙[(0,5·(CO+H2))+(m+0,25∙n)∙ΣCmHn
-O2]=
=0,01[0,5∙(9,07+50,07)+2*21,18-0,069]=0,71
м3/м3
Теоретически необходимое количество воздуха:
VВ=
α
(1+К)∙ VО2,
при α=1,1 и
К=3,762
Расчет теоретического расхода воздуха для
горения газа:
VB=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:
Компоненты
|
Сумма
|
СO2
|
H2O
|
N2
|
О2
|
%
|
7,46
|
21,76
|
69,17
|
1,61
|
100
|
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 hм =1,2 м,
Сварочная зона:
hсв.к=2,4 м
Томильная зона: hт.н=0,7
м. hт.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 εкл.,
степень черноты газов, их температуру, степень черноты металла εг.
εкл. и εме
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,
Pco2 *Lэф=
εСО2=0,120;
= кПа,
εН2О=0,220,
εг = εСО2 + εН2О·β=0,120+0,220∙1,11=0.364
для конца зоны
при t=1300˚
εСО2 = 0,094 εН2О = 0,182,
εг = εСО2 + εН2О·β=0,094+1,11*0,182=0,296
ذàٌٌ÷èٍûâàهى
êîôôèِèهيٍ
èçëَ÷هيèے
ٌèٌٍهىû
مàç
- êëàنêà
- ىهٍàëë
نëے
ىهٍîنè÷هٌêîé
çîيû
(εىه = 0,8):
,
,67 آٍ/(ى2·ت4)
- êîôôèِèهيٍ
ëَ÷هèٌïٌَêàيèے
ہ×ز; εىه
-
ٌٍهïهيü
÷هًيîٍû
ىهٍàëëà;
εم - ٌٍ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 Fo èٌïîëüçَے
يîىîمًàىىَ