Расчет методической трехзонной печи с шагающими балками

Введение

 

Целью курсового проектирования является выполнение расчета методической трехзонной печи с шагающими балками. Задача проекта определить, возможно ли данную печь эксплуатировать на металлургическом производстве

Нагревательными печами называют печи, в которых осуществляется нагрев металла перед обработкой давлением (прокаткой, ковкой). В последнее время производительность вновь строящихся прокатных станов непрерывно увеличивается. Поэтому основными чертами общей тенденции развития печей являются интенсификация нагрева металла (с соблюдением требований, предъявляемых к качеству нагрева) и стремление к максимально возможной механизации и автоматизации работы печей. Повышение интенсификации нагрева позволяет увеличить производительность печного агрегата и при современной, весьма высокой производительности прокатных станов устанавливать к каждому стану рациональное число печей.

В настоящее  время на заводах черной металлургии  применяют, как разливку стали по изложницам, так и непрерывную разливку стали. В первом случае печное хозяйство включает в себя печи для нагрева слитков перед прокаткой на блюмингах и слябингах, во втором случае печи отсутствуют.

Наиболее  распространенным является нагрев прямоугольных  заготовок,  для чего применяют  печи периодического (садочные) и постоянного (проходные) действия. В печах периодического действия металл загружается в полностью или частично остуженную печь, и затем постепенно нагревается вместе с печью. Такой метод нагрева, когда температура печи меняется во времени, применяют при нагреве крупных слитков, которые надо греть медленно во избежание возникновения чрезмерного температурного перепада. В черной металлургии на периодическом режиме работают нагревательные колодцы-печи, в которых слиток, стоящий вертикально, нагревается с четырех сторон. Поскольку размеры слитков значительные (толщина обычно около 600 мм, масса около 7 т), подобный нагрев с четырех сторон обеспечивает необходимую равномерность и производительность.

В печах  постоянного действия температура  во времени остается неизменной. Вместе с тем температура по длине рабочего пространства таких печей может изменяться в соответствии с необходимостью создания целесообразного режима нагрева. Проходные печи постоянного действия – это наиболее распространенные нагревательные печи в черной металлургии. Они очень многообразны как по способу транспортировки заготовки через печь, так и по методам отопления. Это толкательные печи, печи с шагающим и роликовым подом; с торцевым, сводовым, боковым отоплением. В таких печах может осуществляться как постепенный (методический) режим нагрева, так и весьма форсированный камерный режим.

Наряду  с тепловым и температурным режимом  для работы печей большое значение имеет режим давления в печи. Идеальным был бы такой режим давления в печи, при котором холодный воздух не попадал бы в печь, а дымовые газы не выбивались бы из печи. Если холодный воздух попадает в печь, то это приводит к излишнему расходу тепла и увеличивает угар металла. Чрезмерное выбивание дымовых газов приводит к увеличению потерь тепла, пагубно влияет на арматуру печи и затрудняет ее обслуживание. Для обеспечения оптимального режима давления в нагревательных колодцах стремятся под крышкой поддерживать небольшое избыточное давление. В проходных печах на уровне нагреваемых заготовок также целесообразно поддерживать небольшое избыточное давление, исключающее подсос воздуха в печь и большое выбивание дымовых газов. Однако полностью выдержать такое давление по всей длине печи не удается.

 

 

 

 

 

                           

 

 

 

 

 

 

 

 

                            1 Общая часть

          1.1 Описание конструкции проектируемой печи

          

     Строительство печей с шагающими балками обходится значительно дороже, чем печей аналогичной производительности, однако печи с шагающими балками широко применяют для нагрева металла перед сортовыми, толстолистовыми и другими станами. Преимущества этих печей перед печами толкательного типа, обусловленные методом транспортирования металла через печь, могут быть разделены на две группы:

1)  эксплуатационные,

2)  связанные  с возможностью обеспечения значительно  более высокой интенсивности нагрева металла.

     Эксплуатационные преимущества  состоят в ликвидации проблемы  уборки окалины из печи; возможности  легко удалять металл из печи в случае остановок стана и ремонтов; возможности гибкого регулирования скорости перемещения металла через печь, что очень важно при частом изменении сортамента металла; уменьшении на 30 % повреждений поверхности нагреваемых заготовок; значительном (до 0,3— 0,5 %) снижении угара металла за счет повышения скорости нагрева и отсутствии осыпания окалины.

     Наряду с этими эксплуатационными  преимуществами применение шагающего пода позволяет обеспечить практически всесторонний нагрев металла. Это особенно сказывается при нагреве квадратных заготовок, прокатываемых на сортовых станах, и позволяет значительно увеличить интенсивность нагрева металла. В печах с шагающим подом поверхность нагрева квадратных заготовок увеличивается вдвое по сравнению с толкательными печами с нижним обогревом.

   Конструкция  печей:

1) Под печи  может состоят из трех частей  в двух вариантах; 

а) неподвижного пода (у стен), шагающих и стационарных балок;

б) неподвижного пода (у стен) и двух групп шагающих балок;

2) под может  не иметь элементов неподвижного пода и состоять из двух групп шагающих балок.

     При двух группах шагающих  балок обеспечивается более высокий темп выдачи заготовок, но стоимость строительства печи возрастает. Щели между шагающими (или шагающими и стационарными) балками полностью перекрыты при помощи кожуха, погруженного в неподвижный водяной затвор. Водяные затворы смещены относительно щели между балками, а напротив щели предусмотрен короб для гидравлического удаления окалины. Устройство водяных затворов исключает попадание в печь воздуха из атмосферы. В печах без нижнего обогрева стационарные и подвижные балки футеруют (сверху вниз) следующим образом; хромитовая пластичная масса; огнеупорный материал, содержащий 35—44 % А1₂О₃; легковесный изоляционный бетон. Части футеровки балок, примыкающие непосредственно к щели, выполняют из огнеупорного бетона, легко восполнимого при ремонтах. В некоторых случаях для футеровки балок применяют магнезитохромитовые кирпичи, что не дает пока вполне удовлетворительного результата.

     Эксплуатируются печи с шагающим подом без нижнего обогрева и с нижним обогревом. В печах без нижнего обогрева приняты две зоны отопления при следующем распределении тепловых мощностей: первая зона нагрева 38% и вторая зона нагрева 64 %.

     Эти печи оборудованы двухпроводными горелками и имеют весьма большие резервы по тепловой мощности. В подавляющем большинстве случаев печи могут работать с подачей топлива лишь во вторую зону нагрева. Горелки первой зоны нагрева включаются в том случае, если с целью увеличения производительности печи необходимо поднять температуру в этой зоне и в конце печи. Напряженность активного пода в этих печах достигается        1300— 1400 кг/(м²·ч), время пребывания заготовок размером 80х80 мм в печи составляет 23—30 мин, удельный расход тепла 1800-2000 кДж/кг. [3]

 

            1.2 Краткая характеристика режима работы печи

 

     Тепловой и температурный режимы печей с шагающими балками неизменны во времени, так как это проходные печи постоянного действия. Говоря о температурном режиме, следует заметить, что печи подобного типа могут работать как по камерному режиму, так и с переменной температурой по длине печи. Как уже отмечалось, температурный режим печей зависит от характера их отопления, а также от распределения горелок и дымоотводов. В печах с шагающим подом применяют самое разнообразное расположение горелок: торцовое, боковое и сводовое. Наиболее часто пользуются комбинированным расположением горелок: торцевым и боковым или боковым и сводовым. При боковом отоплении ширина печи ограничивается 11 —12 м. При большой ширине печи возможно возникновение неравномерности нагрева по длине заготовки (сляба). При сводовом отоплении заготовки греются достаточно равномерно, поэтому целесообразен такой метод отопления, когда нижний обогрев оборудован боковыми горелками, а в зонах верхнего обогрева использованы сводовые горелки. Продукты сгорания топлива отводят на стороне загрузки металла, и печи с шагающим подом работают обычно с переменной температурой по длине. В отличие от методических толкательных печей в печах с шагающим подом нагрев металла происходит во всех зонах, но интенсивность его в разных зонах может быть различной.

     Печи с шагающими балками выполняют как без нижнего обогрева, так и с нижним обогревом. При наличии нижнего обогрева конструкции шагающего пода делаются водоохлаждаемыми, в результате чего на нагреваемых заготовках образуются темные пятна. Чтобы исключить возникновение темных пятен, на трубы шагающих балок приваривают специальные стояки или подставки, промежутки между которыми заполняют теплоизоляцией. Кроме того, горизонтальные трубы шагающих балок, несущие металл, расположены не параллельно оси печи, и место контакта их со слябом при продвижении металла в печи постоянно меняется.

 

           1.3 Краткая характеристика используемого топлива.

 

В качестве топлива  в нагревательных печах прокатных  цехов в основном применяют газ (реже жидкое топливо (мазут) и в отдельных случаях применяют электронагрев). Из газообразных топлив широко используют коксовый, доменный, природный и генераторный газы.

. В процессе  горения активное участие принимают  основные горючие элементы — углерод (С), водород (Н) и их соединения.

При сгорании топлива происходит химический процесс  соединения горючей части топлива с кислородом в определённом количественном соотношении, в результате чего происходит бурное выделение тепла. В производственных условиях для сжигания топлива в печь подают не кислород, а воздух, который содержит 21% кислорода.

В состав газообразного  топлива входят различные горючие газы или их соединения и негорючие газы.

К горючей  части газообразного топлива относятся окись углерода СО, метан СН₄, тяжелые углероды С_mH_n, сероводород H₂S и водород H₂

К негорючей  части газообразного топлива относят — углекислый газ СO₂, кислород O₂, азот N₂, пары воды H₂0 и сернистый газ S0₂.

Природный газ — наиболее дешевое топливо. Его теплотворная способность 35000-38350 кДж/м³ (11600-12700ккал/Нм³). Этот газ можно использовать для нагрева заготовок в прокатных цехах.

Наибольшее  количество тепла при сжигании газообразного топлива выделяет водород и метан. При смешивании газов с подогретым воздухом развивается большая скорость горения, которая способствует повышению температуры пламени. При сгорании топлива происходит химический процесс соединения горючей части топлива с кислородом в определённом количественном соотношении, в результате чего происходит бурное выделение тепла.

                  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                     2 Специальная часть

 

Проектный расчет методической трехзонной печи с шагающими балками и торцевым отоплением для нагрева заготовок.

Исходные  данные: производительность печи р=200 т/ч,нагреваемый металл

 заготовка  h=180 мм; b=180 мм, длина l=6000 мм, начальная температура металла , конечная температура металла , марка нагреваемого металла низкоуглеродистая сталь, температура воздуха , топливо – природный газ. СН₄=93,6%, С₂Н₆=0,7%,  С₄H₁₀=0,4%, С₅H₁₂=0,8%, N₂=4,5%, n=1,08.   

      Расчет пламенной печи выполняется в следующей последовательности:

1. расчет горения топлива
2. определение времени нагрева металла
3. определение основных размеров печи
4. составление материального баланса печи

 

  2.1 Расчет горения топлива

Топливо природный  газ следующего состава:

   СН₄=93,6%, С₂Н₆=0,7%,  С₄H₁₀=0,4%, С₅H₁₂=0,8%, N₂=4,5%, n=1,08.   

Определяем  низшую теплоту сгорания топлива

Q =127,7СО+108Н₂+358СН₄+590С₂Н₄+555С₂Н₂+636С₂Н₆+913С₃Н₈+1185С₄Н₁₀+1465С₅Н₁₂+ +234Н₂S, кДж/м³                                                                  (1)

Q =358∙93,6+636∙0,7+1185∙0,7+1465∙0,8=35600кДж/м³

Определяем  количество кислорода на горение  топлива при n=1,08

=0,01∙[0,5(СО+Н₂+3Н₂S)+∑(m+n/4)С_mН_n], м³/м³                                   (2)

=0,01∙((1+4/4)∙93,6+(2+6/4)∙0,7+(4+10/4)∙0,4+(5+12/4)∙0,8)=1,986

м³/м³

Определяем  количество воздуха необходимого для горения

V_в=n(1+k) , м³/м³                                                                (3)

где k=3,762 – отношение объемных содержаний N₂ и О₂ в дутье

V_в=1,08(1+3,762)∙1,986=10,214 м³/м³

Определяем  объем компонентов продуктов сгорания

=0,01(СО₂+SO₂+CO+H₂S+∑mC_mH_n), м³/м³                                         (4)

=0,01(H₂O+H₂+H₂S+0,5∑nC_mH_n), м³/м³                                           (5)

=0,01N₂+nk , м³/м³                                                           (6)  

=(n-1) , м³/м³                                                                (7)

= 0,01(1∙93,6+2∙0,7+4∙0,4+5∙0,8)=1,006 м³/м³                             

=0,01(0,5∙ (4∙93,6+6∙0,7+10∙0,4+12∙0,8))=1,961 м³/м³

=0,01∙4,5+1,08∙3,762∙1,986=8,114м³/м³