Определение параметров колпаковой печи

Задачей данной курсовой работы является подбор и расчет оборудования для термической обработки продукции стана холодной прокатки. Объектом будет служить стан 2030 бесконечной холодной прокатки Новолипецкого металлургического комбината.

Готовая продукция этого стана — холоднокатаная лента, толщиной от 0,4 до 3,0 мм, которая в дальнейшем будет подвергаться штамповке (производства автолиста). Материал — малоуглеродистая качественная сталь 08Ю.

После холодной прокатки и очистки (обезжиривания) полосы из углеродистой стали необходимо выполнить термическую обработку — рекристаллизационный (светлый) отжиг при температуре 720−750 єC /1/, чтобы снять наклеп и получить крупнозернистую структуру металла, обеспечивающую требуемые механические (предел текучести, относительное удлинение) и технологические (штампуемость) свойства.

Так как после отжига полоса не подвергается вторичному травлению, образование окалины на ее поверхности недопустимо. Поэтому отжиг проводят в защитной атмосфере, состоящей из 95% азота и 5% водорода /1/. Для светлого отжига применяют колпаковые и непрерывные печи.

Непрерывные агрегаты, безусловно, выигрывают в качестве нагрева (нагрев равномерный по длине рулона) и в производительности (в непрерывном агрегате продолжительность операции 2−3 минуты, в колпаковых печах — десятки часов).

Основным достоинствам колпаковых печей является простота конструкции и относительно небольшие габариты.

Колпаковая печь состоит из колпака и нескольких стендов. Это связано с длительностью технологического цикла. В процессе нагрева стопы под колпаком, на других стендах осуществляются операции загрузки — разгрузки и охлаждения рулонов. Производительность одного колпака 1,2−2,0 тонны полосы в час /2/.

Колпак отапливают коксодоменным газом при помощи инжекционных горелок. Нагрев металла осуществляется за счет конвективного и лучистого видов теплообмена между муфелем и рулоном. Для интенсификации конвективного теплообмена создают циркуляцию защитного газа при помощи вентиляторов с крыльчаткой центробежного типа, расположенного в основании стенда.

1. Исходные и справочные данные

муфель колпаковый печь баланс Годовая производительность печного пролета (P) — 1500 тыс. тонн/год.

Размеры печи, м:

D=2,85;

h=2,1.

Характеристики рулона:

наружный диаметр рулона (D_р) — 2,00 м;

внутренний диаметр рулона (d_р) — 0,60 м;

высота рулона (h_р) — 1,50 м;

количество рулонов в стопе (n_р) — 1;

коэффициент заполнения рулона (з) — 0,97.

Характеристики металла:

теплоемкость (c_м) — 0,67 кДж/(кг· К);

плотность (с) — 7850 кг/мі;

коэффициент теплопроводности (л_м) — 34,2 Вт/(мІ· К);

коэффициент эквивалентной теплопроводности в радиальном направлении (л_r) — 7 Вт/(мІ· К);

конечная температура — 720 єC;

допустимый перепад температур — 50 єC;

начальная температура — 60 єC.

Коэффициент излучения абсолютно черного тела (c_s) — 5,77 Вт/(мІ· К₄).

Степень черноты муфеля (е_м) — 0,7.

Степень черноты рулона (е_р) — 0,3.

Низшая теплота сгорания коксодоменного газа (Q_н^р) — 11,75 МДж/мі.

Коэффициент использования печи (k_и) — 0,9.

Коэффициент заполнения (k_з) — 0,8.

Кладка:

Внутренний слой 100 мм — шамотный легковес ШЛ-1

Наружный слой 80 мм — диатомит Д-500

2. Расчет колпаковой печи

Расчет проводим по методике /3/.

2.1 Расчет теплообмена под муфелем при нагреве

Температуру муфеля, єС принимают постоянной для всего процесса нагрева

t_муф=t_кон+10=720+10=730 єС

Диаметр муфеля

D_м=D_р+0,35=2,00+0,35=2,35 м Высота муфеля

м Приведенный коэффициент теплоотдачи излучением

Вт/(мІ· К⁴)

Средняя температура наружной боковой поверхности рулона

єС

Расчетная температура газа

єС Коэффициент теплоотдачи излучением от муфеля к наружной боковой поверхности рулона

Вт/(мІ· К) Площади поверхностей, мІ:

боковой

;

торцевой

;

внутренней

;

поверхности муфеля

.

Действительные скорости защитного газа, м/с:

в конвекторных кольцах нижнего рулона во внутренней полости рулона Коэффициенты теплоотдачи конвекцией определяем по графикам б=f(щ), /3/, с учетом шероховатости поверхности, Вт/(мІ· К):

б_т=24,75

б_в=25,25

Коэффициент привидения

где k — коэффициент Средние приведенные коэффициенты теплоотдачи, Вт/(мІ· К):

2.2 Расчет температурного поля в рулоне

Распределение температур в рулоне и определение времени нагрева для обеспечения допустимого интервала температур будем проводить методом последовательных приближений.

Принимаем, что коэффициенты теплопроводности в осевом и радиальном направлениях равны.

Числа Био:

Относительное положение экстремальной точки м определяется по графику, /3/, в зависимости от отношений диаметров и чисел Био:

м =0,72

Коэффициент формы Расчетные толщины рулона в направлении, м:

радиальном

;

осевом

.

Коэффициенты температуропроводности в направлении, мІ/ч:

радиальном

;

осевом

.

Числа Био и Фурье в направлении:

где ф — время нагрева, ч;

в радиальном

Распределение температур в рулоне

Относительная температура Расчет распределения температур в рулоне представлен в таблице 1.

Таблица 1 — Распределение температур в рулоне

2.3 Определение числа печей (стендов) в отделении

Производительность отделения

т/ч Масса садки

т Время нагрева и выдержки — 45 ч.

Принимаем время охлаждения 70 ч.

Технологический цикл ф=45+70+5=120 ч.

Производительность стенда

т/ч

Число стендов в отделении определяется Число нагревательных колпаков

2.4 Тепловой баланс

Приход тепла

Химическое тепло топлива

где V_т — расход топлива, мі/ч.

кВт

Расход тепла

Нагрев металла

Тепло, необходимое для нагрева металла рассчитаем в начале и в конце цикла. С помощью этих данных можно определить тепловую мощность печи (при максимальном расходе газа в начале нагрева) и удельный расход топлива (по данным конца периода нагрева).

t_нач=60 єC

Теплоемкости металла в начальный и последующий моменты нагрева, /3/

с₀=0,485 кДж/(кг· К); с₂=0,486 кДж/(кг· К); с₄₅=0,620 кДж/(кг· К) Начало нагрева (2 ч)

єC

Т_ух=600 єC — температура уходящих газов

кВт Конец нагрева (45 ч)

єC

T_ух=t_муф+120+50=730+120+50=900 єC

кВт

Потери тепла через кладку

Потери тепла через кладку определяем по формуле

где q_кл — тепловой поток кладки, q_кл=0,5кВт/мІ (определяем по графикам /3/);

F_кл — площадь поверхности кладки.

кВт

Тепло уходящих газов

где i_ух — энтальпия дымовых газов

i₆₀₀=3,5 МДж/мі,

i₉₀₀=4,5 МДж/мі

Неучтенные потери

Неучтенные потери принимаем 10%

кВт

кВт

Тепловой баланс

Начало нагрева

3,26V_т=78,92+15,77+0,97V_т+9,45

V_т=45,5 мі/ч Тепловая мощность печи 45,5*3,26=148,25 кВт Конец нагрева

3,26V_т=56,46+15,77+1,25V_т+7,22

V_т=39,5 мі/ч Удельный расход топлива

кДж/кг

1. Королев А. А. Механическое оборудование прокатных и трубных цехов. — М.: Металлургия, 1987;

2. Кривандин В. А., Марков Б. Л. Металлургические печи. — М.: Металлургия, 1977;

3. Тымчак В. М., Гусовский В. Л. Расчет нагревательных и термических печей. — М.: Металлургия, 1983.