Расчет печи металлургического производства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Магнитогорский государственный технический университет

им. Г.И. Носова

Расчетно-графическая работа

Магнитогорск, 2013г.



Задание

Сделать теплотехнический расчет топливной печи, выполняемый по типовой методике. Методическая печь производительностью P, т/ч для нагрева до tк заготовок среднеуглеродистой стали размерами S*B*L, мм. Разность температур в конце выдержки t.

1.Определение времени нагрева заготовок.

2.Определение основных размеров печи, составление теплового баланса печи, определение общего и удельного расхода топлива.

3.Определение основных теплотехнических характеристик печи и выбор путей энергосбережения.

Таблица 1. Данные

- количество отапливаемых зон	3
- марка стали	СТ35
- сечение заготовки	110220
- длина заготовки	4,5 м
- температура посада	40 оС
- температура выдачи	1220 оС
- производительность печи	72 т/ч

1.Расчет нагрева металла и теплообмена в печи

1.1 Время нагрева металла

Температуру уходящих из печи дымовых газов принимаем равной t_ух=1050 ^оC; температуру печи в томильной зоне на 50 ^оC выше температуры нагрева металла, т.е. 1270 ^оC.

Поскольку основным назначением методической зоны является медленный нагрев металла до состояния пластичности, то температура в центре металла при переходе из методической в сварочную зону должна быть порядка 400-500 ^оC.

Разность температур между поверхностью и серединой заготовки для методической зоны печей прокатного производства можно принять равной:

Дt=t_(ПОВ)-t_(Ц)=(700-800)·S

где S - расчетная толщина изделия, м.

В рассматриваемом случае двухстороннего нагрева S=0,55*0,11=0,06 м.

Дt=700·0,06=42^оC.

Т.е. следует принять температуру поверхности металла в конце методической зоны равной 500 ^оC.

Определим ориентировочные размеры печи. При двурядном расположении заготовок ширина печи будет равна:

B=2•l+3•a,

где a=0,22 - зазоры между блюмами и стенками печи, м;- длина блюма, м.

B=3+2•0,22=3,44 м.

В соответствии с рекомендациями высоту печи принимаем равной:

в методической зоне - 1,6 м,

в сварочной зоне - 2,8 м,

в томильной зоне - 1,65 м.

Находим степени развития кладки (на 1 м длины печи) по формуле:

,

где H - высота печи для различных зон, м.

Для методической зоны _м.=(2·1,6+3,44)/3=2,21 м.

Для сварочной зоны _св.=(2·2,8+3,44)/3=3,01м.

Для томильной зоны _т.=(2·1,65+3,44)/3=2,25 м.

Определим эффективную длину луча по формуле:

методическая зона м;

сварочная зона м;

томильная зона м.

1.2 Определение времени нагрева металла в методической зоне

Находим степень черноты дымовых газов ?_г^м при средней температуреt_г=0,5·(1270+1050)= 1160 ^оС.

Парциальные давления CO₂ и H₂O равны:

p_CO2=98,1·0,106=10,4кПа;p_H2O=98,1·0,168=16,5 кПа;

p_CO2·S_эф^м =10,4·1.96=20.4 кПа·м;p_H2O·S_эф^м =16,5·1.96=32.3 кПа·м.

По номограммам на рис. 9-11 [2] находим: ?_CO2=0,13; ? '_H2O=0,17; в=1,09.

?_г^м =?_CO2+ в·?'_H2O

?_г^м =0,13+1,09·0,17=0,315.

Приведенная степень черноты рассматриваемой системы равна:

,

Степень черноты металла принимаем равной ?_м=0,8.

.

Средний по длине методической зоны коэффициент теплоотдачи определяем по формуле:

,

где C₀=5,7 Вт/(м²·K) - константа излучения абсолютно черного тела.

Вт/(м²·K).

Для среднеуглеродистой стали при средней по массе температуре металла:

.

По приложению VIII [2] находим коэффициенты теплопроводности л=47,2 Вт/(м·K) и температуропроводности а=11,20·10^-6 м²/с.

Определяем температурный критерий и и критерий Bi по формулам:

и_пов

и_пов=.

,

где S - прогреваемый слой, м.

.

По найденным значениям и и Bi по номограммам на рис. 17 [2] для поверхности пластины находим критерий Фурье F₀=3,8. Тогда время нагрева металла в методической зоне печи равно:

с., 0,18 ч.

Находим температуру центра блюма в конце методической зоны. Согласно номограмме на рис. 19 [2] для центра пластины при F₀=0,90 и Bi=0,41 температурный критерий и_ц=0, 6. Теперь найдем температуру центра блюма в конце зоны:

t_Ц^кон=t_Г-и_Ц·(t_Г-t_Ц^нач)

t_Ц^кон=1150-0, 6·(1150-20)=472 ^оC.

1.3 Определение времени нагрева металла в сварочной зоне

Находим степень черноты дымовых газов ?_г^св при температуре t_г=1270 ^оС.

Парциальные давления CO₂ и H₂O равны:

p_CO2=10,4 кПа; p_H2O=16,5 кПа; p_CO2·S_эф^м =10,4·2,76=28,7 кПа·м;

p_H2O·S_эф^м =16,5·2,76=45,5 кПа·м.

По номограммам на рис. 9-11 [2] находим: ?_CO2=0,12; ?'_H2O=0,2; в=1,04.

?_г^св=?_CO2+в·?'_H2O

?_г^св=0,12+1,04·0,22=0,35.

Приведенную степень черноты сварочной зоны находим по формуле:

,

Степень черноты металла принята равной ?_м=0,8.

.

Примем температуру металла в конце сварочной зоны: t_пов^кон=1270 ^оC, t_ц^кон=1150 ^оC.

Средний по длине методической зоны коэффициент теплоотдачи определяем по формуле:

,

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вт/(м²·K).

Находим среднюю по сечению температуру металла в начале сварочной (в конце методической) зоны:

=t_пов- ·(t_пов-t_ц)

=500- ·(500-472)= 481,3 ^оC.

Находим температурный критерий для поверхности блюмов по формуле:

и_пов

и_пов=.

При средней температуре металла:

^оC.

Согласно приложению VIII [2] находим теплопроводность среднеуглеродистой стали л=28,7 Вт/(м·K) и температуропроводность а=4,9·10^-6 м²/с.

Отсюда по формуле:

.

По найденным значениям и и Bi по номограммам рис. 17 [2] для поверхности пластины находим критерий Фурье F₀=2,2. Тогда время нагрева металла в сварочной зоне печи равно по формуле:

=869,2 с.=0,241 ч.

Находим температуру центра блюма в конце сварочной зоны. Согласно номограмме рис. 19 [2] для центра пластины при F₀=2,2 и Bi=0,472 температурный критерий и_ц=0,47. Теперь найдем температуру центра блюма в конце сварочной зоны по формуле:

t_ц^кон=t_Г-и_ц·(t_Г-t_ц^нач)

t_ц^кон=1270-0,47·(1270-481,3)=899,31 ^оC.

1.4 Определение времени нагрева металла в сварочной зоне 2

Находим степень черноты дымовых газов ?_г^св при температуре t_г=1300 ^оС.

Парциальные давления CO₂ и H₂O равны:

p_CO2=10,4 кПа; p_H2O=16,5 кПа; p_CO2·S_эф^м =10,4·1,99=20,7 кПа·м;

p_H2O·S_эф^м =16,5·1,99=32,8 кПа·м.

По номограммам на рис. 9-11 [2] находим: ?_CO2=0,11; ?'_H2O=0,15; в=1,09.

?_г^св2=?_CO2+в·?'_H2O

?_г^св=0,11+1,09·0,15=0,273.

Приведенную степень черноты сварочной зоны находим по формуле:

,

Степень черноты металла принята равной ?_м=0,8.

.

Примем температуру металла в конце сварочной зоны: t_пов^кон=1300 ^оC, t_ц^кон=1100 ^оC.

Средний по длине методической зоны коэффициент теплоотдачи определяем по формуле:

Размещено на http://www.allbest.ru/

,

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вт/(м²·K).

Находим среднюю по сечению температуру металла в начале сварочной (в конце методической) зоны:

=t_пов- ·(t_пов-t_ц)

=950- ·(950-777,5)=700,5 ^оC.

Находим температурный критерий для поверхности блюмов по формуле:

и_пов

и_пов=.

При средней температуре металла:

^оC.

Согласно приложению VIII [2] находим теплопроводность среднеуглеродистой стали л=26,9 Вт/(м·K) и температуропроводность а=5,56·10^-6 м²/с.

Отсюда по формуле: топливная печь баланс теплопотери

.

По найденным значениям и и Bi по номограммам рис. 17 [2] для поверхности пластины находим критерий Фурье F₀=3,2. Тогда время нагрева металла в сварочной зоне печи равно по формуле:

=1114 с.=0,310 ч.

Находим температуру центра блюма в конце сварочной зоны. Согласно номограмме рис. 19 [2] для центра пластины при F₀=3,2 и Bi=0,7 температурный критерий и_ц=0,2. Теперь найдем температуру центра блюма в конце сварочной зоны по формуле:

t_ц^кон=t_Г-и_ц·(t_Г-t_ц^нач)

t_ц^кон=1300-0,2·(1300-700,5)=1130 ^оC.

1.5 Определение времени томления металла

Перепад температур по толщине металла в начале томильной зоны составляет Дt_нач=1200-1130=70 ^оC. Допустимый перепад температур в конце нагрева составляет Дt_кон=50 ^оC. Степень выравнивания температур равна:

При коэффициенте несимметричности нагрева, равном м=0,55 критерий F₀ для томильной зоны согласно номограмме на рис. 14 (кривая 3) [2] равен F₀=0,58. При средней температуре металла в томильной зоне равной:

^оC.

Согласно приложению VIII [2] находим теплопроводность среднеуглеродистой стали л=29,4 Вт/(м·K) и коэффициент температуропроводности а=5,56·10^-6 м²/с.

Тогда время томления металла равно:

=201,9 с

Полное время пребывания металла в печи равно:

ф=ф_м+ф_св+ф_т=645,9+869,2+1114+201,9=2831 с.= 0,79 ч.



2.Определение основных размеров печи

Для обеспечения производительности 70 т/ч=19,6 кг/с, в печи одновременно должно находится следующее количество металла:

G =P·ф =19,6·2831 =55487,6 кг.

Масса одной заготовки равна: g =b·д·l·с,

g =0,11·0,22·4,5·7850=855кг.

Количество заготовок, одновременно находящихся в печи:

n =G/g =55487,6/855=64 штуки.

При двурядном расположении заготовок общая длина печи равна:

L=b•n=0,22•64=14,08 м.

Площадь пода равна:

F =B·L =3,44·14,08=48,44м².

Высоты отдельных зон печи оставляем теми же, что были приняты при ориентировочном расчете. Длину печи разбиваем на зоны пропорционально времени нагрева металла в каждой зоне.

Длина методической зоны L_м= м.

Длина сварочной зоны L_св= м.

Длина сварочной зоны L_св2= м.

Длина томильной зоны L_т= м.

3.Тепловой баланс

При проектировании печи за определением основных размеров следует конструктивная проработка деталей. Поскольку в данной работе такая проработка не проводится, некоторые статьи расхода тепла, не превышающие 5% от всего расхода, будем опускать.

3.1 Приход тепла

Тепло от горения топлива

Q_хим=B·Q_н^р

где B - неизвестная величина расход топлива, м³/с, при нормальных условиях. Q_хим=20900·B кВт.

Тепло, вносимое подогретым воздухом

Q_в=B·i_в·V_в

Q _в=3287,19·B кВт.

Тепло экзотермических реакций

Принимая, что угар металла составляет 1% имеем

Q_экз=5650·P·a,

где a - угар металла,- производительность печи.

Q_экз=5650·19,6·0,01 =1107,4 кВт.



3.2 Расход тепла

Тепло, затраченное на нагрев металла

Q_пол=P·(i_м^кон-i_м^нач),

где i_м^кон=838 кДж/кг - энтальпия среднеуглеродистой стали при t_м^кон=1225^оC

i_м^нач=9,72 кДж/кг - энтальпия среднеуглеродистой стали при t_м^нач=20 ^оC

Q_пол=19,6·(838-9,72)=16234 кВт.

Тепло, уносимое уходящими дымовыми газами

Q_ух=B·V_п.с·i_п.с.

Энтальпию продуктов сгорания при температуре t_ух=1050 ^оC находим с использованием приложения II [2].

Q_ух=10366,82·B кВт.

Потери тепла теплопроводностью через кладку

Потерями тепла через под в данной работе пренебрегаем. Рассчитываем только потери тепла через свод и стены печи.

Потери тепла через свод

Площадь свода принимаем равной площади пода F_св=70,72 м²; толщина свода д_к=0,3 м, материал - каолин. Принимаем, что температура внутренней поверхности свода равна средней по длине печи температуре газов, которая равна:

_Г=(1050+1300+1350+1280)0,25 = 1245 ^оC.

Если считать температуру окружающей среды равной t_ок=30 ^оC, то температуру поверхности однослойного свода можно принять равной t_нар=340 ^оC.

При средней по толщине температуре свода t_к=0,5·(1245+340)= 792,5 ^оC коэффициент теплопроводности каолина согласно приложения XI [1] равен: л_к=1,75+0, 86·t_к=1,75+0, 86·792,5·=2,43 Вт/(м·K).

Тогда потери тепла определим по формуле

, где б определяется по формуле:

б=1,3·(10+0,06·t_нар)

б=1,3·(10+0,06·340)=39,52 Вт/(м²·К).

кВт.

Потери тепла через стены печи

Стены печи состоят из слоя шамота толщиной д_ш=0,345 м и слоя диатомита толщиной д_д=0,115 м.

Наружная поверхность стен определяется по формуле:

F=2·L·2?h

методическая зона: F_м=2·4,75·2?1,6=30,4 м²;

сварочная зона: F_св=2·6,38·2?2,8=71,5 м²;

сварочная зона: F_св2=2·8,19·2?2,8=91,73 м²;

томильная зона: F_т=2·1,48·1,65= 4,88 м².

Площадь торцов печи определяется по формуле:

F_торц=[B+2·(д_ш+д_д)]·(2·h_м+h_т)

F _торц= [3,4+2·(0,345+0,115)]·(2·1,6+1,65)=20,95 м².

Полная площадь стен равна:

F_ст=30,4+71,5+91,73+4,88+20,95=219,5м².

Для вычисления коэффициентов теплопроводности, зависящих от температуры, необходимо найти среднее значение температуры слоев. Средние температуры слоев шамота и диатомита равны:

,

,

где t' - температура на границе раздела слоев, ^оC; t _кл^нар - температура наружной поверхности стен, которую можно принять равной 160 ^оC.

Коэффициент теплопроводности шамота равен л_ш=0,835+0,58··t_ш, а диатомита л_д=0,145+0,314··t_д, Вт/(м?К).

В стационарном режиме:

В результате решения получим уравнение вида A·(t')² + B·t' + C = 0

Решение этого уравнения дает значение t'=728,8 ^оC.

Тогда:

=(1245+728,8)/2=986,9 ^оC;

=(728,8+160)/2=444,4 ^оC.

Окончательно получаем:

л_ш=0,835+0,58··986,9 =1,407 Вт/(м·K)

л_д=0,145+0,314··444,4=0,28 Вт/(м·K).

Количество тепла, теряемое теплопроводностью через стены печи, равно:



,

где б определяется по формуле:

б=10+0,06·t_кл^нар

Отсюда б=10+0,06·160=19,6 Вт/(м²·К);

кВт.

Общее количество тепла, теряемого теплопроводностью через кладку:

Q_тепл=Q_св+Q_ст=+=1239,58 кВт.

Потери тепла с охлаждающей водой

Потери тепла с охлаждающей водой по практическим данным принимаем

равными 10% от тепла, вносимого топливом и воздухом.

Q_охл=0,1·В·(Q_хим+Q_в)

Q_охл=0,1·В·(20900+3287,19)=2418,7·B кВт.

Неучтенные потери

Неучтенные потери определяем по формуле:

Q_неучт=0,15·(Q_тепл+Q_охл·B)

Q_неучт=0,15·(1239,58+2418,7·B) кВт.=185,9+362,9·В кВт.

Уравнение теплового баланса:

Q_хим+Q_в+Q_экз=Q_пол+Q_ух+Q_тепл+Q_охл+Q_неучт



20900·В+3287,19·В+1107,4=16234 +10366,82·В+1239,58+2418,7·В+185,9+362,9·В

11038,77 ·B=16552,08

Решая это уравнение, находим B: B=1,5 м³/с.



Библиографический список

1. Мастрюков Б.С. Теория, конструкции и расчёты металлургических печей: в 2-х томах. 2-е изд. перераб. и доп. т. 2. М.: Металлургия, 1986. 376 с.

2. Расчет методической толкательной печи: исх. дан. и метод. указания к выполнению курсового проекта / сост. Ю.И. Алексеев; - Нижний Тагил: НТИ(ф) УГТУ-УПИ, 2006.-120 с.

Размещено на Allbest.ru

...