Расчет теплового режима нагрева металла в методической печи

1. Расчет горения топлива.

2. Расчет нагрева металла.

3. Позонный расчет внешней и внутренней задачи теплообмена.

3.1 Расчет методической зоны печи:

3.2 Расчет сварочной зоны печи.

3.3 Расчет томильной зоны печи.

4. Основные размеры печи Заключение.

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%.

H₂^вл=К_к.г•H₂=0,96•5=4,82%.

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=15 631.941*0.85+31 056.46*0.15=17 945.618 [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)•УC_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= б (1+К)• V_О2,.

при б=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, tцтемпературы 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 е_кл., степень черноты газов, их температуру, степень черноты металла е_г. е_кл. и е_ме определяются по таблице в зависимости от марки огнеупоров или класса металла.

3.1 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.

Общее.

=кПа,.

P_co2 *L_эф=.

е_СО2=0,120;

= кПа, е_Н2О=0,220,.

е_г = е_СО2 + е_Н2О· в=0,120+0,220•1,11=0.364.

для конца зоны при t=1300?

е_СО2 = 0,094 е_Н2О = 0,182,.

е_г = е_СО2 + е_Н2О· в=0,094+1,11*0,182=0,296.

Рассчитываем коэффициент излучения системы газ — кладка — металл для методической зоны (е_ме = 0,8):

.

5,67 Вт/(м²· К⁴) — коэффициент лучеиспускания АЧТ; е_ме — степень черноты металла; е_г — степень черноты газа..

(Вт/м²*К⁴⁾.

(Вт/м²*К⁴⁾.

Примем конечную температуру металла в середине заготовки равной 500?. При этой температуре металл становится пластичным, и мы можем не опасаться того, что заготовку может порвать в результате термических напряжений. Примем разность температур между центром и поверхность заготовки? t=100?C.

Согласно теории лучистого теплообмена, плотность теплового потока в системе ГКМ рассчитывается:

Определяем лучистый коэффициент теплоотдачи в начале и в конце зоны:

Найдем реальные температуры поверхности и середины металла в конце методической зоны:

По таблице теплотехнических свойств определяется коэффициент теплопроводности л, теплоемкость с, плотность с, л=54Вт/м*?C; С=540,75Дж/кг*?C;

Вычислим число Био Определим число Фурье.

По Bi и F_o используя номограмму, находим.

Используя номограммы, определим температурный критерий:

Реальные температуры поверхности и середины металла:

Определяем коэффициент температуропроводности:.

=.

Определим время нагрева в методической зоне:

ф = F₀? д²/ а =2,2· 0,11²/1,279·10^-5=2460 сек = 41 мин.

3.2 Расчет сварочной зоны печи.

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

Определяем степень черноты углекислого газа и водяных паров:

При t=1300? C.

P_co2*L_эф=, е_СО2=0,108.

P_co2*L_эф= е_Н2О=0,22,.

е_г = е_СО2 + е_Н2О· в=0,108+0,22•1,085=0,347.

Рассчитываем коэффициент излучения системы газ — кладкаметалл для сварочной зоны:

Плотность теплового потока в системе Средний лучистый коэффициент теплоотдачи сварочной зоны:

Конец сварочной зоны:

С_гкм=const.

Найдем температуру середины металла в конце сварочной зоны л = 38 Вт/(м°С); С = 764 Дж/(кг°С); с = 7810 кг/м³.

Вычислим число Био Определим число Фурье.

По Bi и F_o используя номограмму, находим.

Находим конечную температуру середины слитка:

Время нагрева:

ф_св. = F₀? д²/ а=2,4*0,11²/6,369· 10^-6=4560 сек=76 мин.

3.2 Расчет томильной зоны печи.

Теплофизические свойства заготовки: Для t=1101?

с = 7810 кг/м³; л = 38 Вт/(м· °С); С = 764 Дж/(кг· °С).

По этим данным найдем коэффициент температуропроводности томильной зоны:

Число Фурье определяем по нанограмме отношения.

м=0,5 — коэффициент, учитывающий несимметричность обогрева в сварочной зоне.

F₀ = 1,7; тогда ф_том. = F₀? д²/ а=1,7· 0,11²/6,369·10^-6=3230 сек=53,8 мин.

Ощее время нагрева: ф_о=170,8 мин.

4. Основные размеры печи.

По заданной производительности печи определим длину каждой зоны:

L_i = (Р· ф)/(S? L_дл.? с_ме(i)? n? к₃),.

где, n — нарядность укладки, Р — производительность печи, ф — время, сплотность металла, к₃ = 0,98 — коэффициент заполнения полезной длины.

Найдем длину активного пода (длина, на которой происходит нагрев металла):

Для методической зоны:

Для сварочной зоны:

Для томильной зоны:

Длина полезного пода (длина печи, по которой происходит перемещение металла):

Длина габаритного пода печи:

(м),.

где (м) — длина неработающего участка.

Напряжение активного пода:

Под понимается удельная производительность печи, определяющая количество металла, нагреваемого на единице поверхности в единицу времени.

F_а — площадь активного пода.

(м²).

(кг/м²*час) Напряженность габаритного пода Н_г=Р/F_г, где F_г=L_г*B=29,68*9,8=290,891 (м²).

H_г=150*10³/290,81=515,657 (кг/м²*час) Для обеспечения производительности 150 т/ч в печи должно находиться одновременно следующее количество металла:

G=P*ф=150*10³*170,8/60= (кг) Масса одной заготовки:

g=в*д*L*с=0.22*0.22*3*7810=1134 (кг) Количество заготовок, находящихся одновременно в печи:

n=G/g= (шт).

Заключение.

Технико-экономическая оценка работы методических печей.

Широкое применение методических толкательных печей вызвано тем, что эти печи обеспечивают достаточно высокую производительность при невысоком удельном расходе топлива, а также обеспечивают высокий коэффициент использования тепла в рабочем пространстве. Это объясняется наличием методической зоны.

Применение глиссажных труб с рейтерами повышает равномерность нагрева металла (без царапин и холодных пятен) и создает предпосылки для увеличения ширины и длины печи.

Однако все методические печи толкательного типа имеют недостатки, обусловленные невозможностью быстрой выгрузки металла из печи и трудностями перехода от нагрева слябов одного размера к нагреву слябов другого размера. Эти проблемы могут быть решены только при использовании методических печей с шагающим подом.