Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

печь окалина топливо рекуператор

Введение

1. Нагревательный печи ЛПЦ-1

1.1 История листопрокатного цеха №1

1.2 Принципы действия и характеристики методической печи №1

2. Конструктивные недостатки работы печи

2.1 Методы снижения окалинообразования в методических печах

3. Тепловой расчет печи

3.1 Расчет горения топлива

3.2 Расчет нагрева слябов

3.3 Определение слоя образовавшейся окалины

3.4 Тепловой баланс печи. Определение расхода топлива

3.5 Выбор и расчет рекуператора

4.1 Тепловая схема и система отопления печи

4.2 Подогрев воздуха, идущего на горение

Заключение

Список использованных источников

Приложение А

Приложение Б

Приложение В



Введение

По данным Министерства топлива и энергетики, удельная энергоёмкость внутреннего валового продукта в России выше, чем в развитых странах Европы в 3 раза, а по сравнению с США - в 1,8 раза, то есть 500-600 кг из каждой тонны топлива сжигается впустую. В целом энергоёмкость промышленного производства нашей страны с 1996 по 2000 год выросла на 35%, а доля топлива и энергии в структуре себестоимости российской продукции - более чем в 2 раза. Потребление топливно-энергетических ресурсов в России в 2000 году составило 940 млн.т. условного топлива, а к 2010 году оно может увеличиться до 1050 - 1160 млн.т. Поэтому проблемы энергосбережения выходят на первый план.

Повышение энергетической эффективности экономики является центральной задачей страны. Россия располагает большим потенциалом энергосбережения. Реализация освоенных на практике организационных и технологических мер экономии энергоресурсов, как показано в Энергетической стратегии России на период до 2020 года, способна уменьшить современный их расход в стране на 40-48%, или на 360-340 млн. т условного топлива в год.

На металлургические производства в целом по России попадает примерно 40,5% всех расходуемых промышленностью энергоресурсов. Расход природного газа составляет 56,3%. Как видно металлургия является одной из наиболее энергоёмких отраслей, и вопросы энергосбережения для нее крайне актуальны. Наибольший вклад в программу энергосбережения можно достичь путем рационального использования природного газа.

Долгосрочные политики открытого акционерного общества «Северсталь» в области энергосбережения и качества основываются на на принципах:

- эффективное использование энергетических ресурсов при производстве, переработке, транспортировке, хранении и потреблении и снижение их удельных расходов на единицу продукции;

- создание и применение энергоэффективных технологий, оборудования, теплоизоляционных материалов, строительных конструкций и систем автоматизированного управления процессами;

- производство продукции, полностью удовлетворяющей требованиям каждого потребителя;

- сохранение и расширение рынков сбыта выпускаемой продукции;

- обеспечение стабильности показателей качества выпускаемой продукции;

- сокращение вредных воздействий на окружающую среду.

На сегодняшний день наметился спад потребления металлопродукции. В условиях рыночной экономики это приводит к росту конкуренции между производителями металла, что стимулирует улучшение качества металла при одновременном снижении его себестоимости. Таким образом, чтобы выдержать конкуренцию на рынке металла, необходимо усиливать инновационную деятельность в части технического преобразования основного производства на базе новейших высокоэффективных технологий, способствующих наиболее рациональному использованию энергетических ресурсов.

Окисление металла при нагреве в печах приносит большой ущерб производству, т. к. при горячей обработке давлением 3 - 5% металла уходит в окалину. Кроме того, образование окалины приводит к ухудшению качества проката, снижению стойкости печей (разрушается кладка) и сокращается время межремонтных пробегов.



1. Нагревательные печи лиц-1

1.1 История листопрокатного цеха №1

Днем рождения листопрокатного цеха №1 (ЛПЦ-1) считается 15 ноября 1959 года. В этот день на стане “2800” был прокатан первый лист из череповецкой стали. Несмотря на то, что в цехе уже шло строительство толстолистового стана “1700” и агрегата поперечной резки, прокатчики уже в декабре 1959 отгрузили потребителям 27 тысяч тонн товарного листа.

28 июня 1960 года государственная комиссия подписала акт о приемке в эксплуатацию шести клетьевого стана “1700” и агрегата поперечной резки. Коллектив цеха преодолевал трудности организационного периода и из месяца в месяц улучшал свои производственные показатели.

В настоящее время ЛПЦ-1 входит в состав открытого акционерного общества «Северсталь» и является крупнейшим производителем листового и полосового проката в мире. В 2004 году в ЛПЦ-1 было произведено около 1700 тысяч тонн готового проката.

Сегодня листопрокатный первый оснащен:

пятью методическими печами для нагрева слябов и выдачи их в прокатку;

комбинированным полунепрерывным станом 2800/1700. Стан «2800» предназначен для прокатки толстого листа толщиной от 7 до 50 мм, стан «1700» - горячая прокатка стальной полосы от 1 до 8 мм со смоткой в рулон;

линией резки для обрезки продольной и поперечной кромки и придания листу товарного вида;

термическим отделением для качественной термической обработки металла;

адьюстажем для обработки рулонного металла, упаковки листов в пачки и отгрузки потребителю.

Вся управленческая деятельность ЛПЦ-1 строится на основе разработанных стратегических программ развития ОАО «Северсталь».

Высокие качественные характеристики продукции цеха позволяют использовать ее для изготовления труб для газопроводов, работающих в условиях низких температур; емкостей для нефти и газа; судовой стали всех категорий прочности; мостовых конструкций; железнодорожных вагонов.

Продукция листопрокатчиков котируется во всём мире. В настоящее время первый листопрокатный поставляет толстый лист во многие страны мира: Эстония, Италия, Финляндия, Польша, Норвегия, Уругвай, Эквадор, США, Германия, Канада и другие.

На внутреннем рынке крупными потребителями проката являются:

Курганхиммаш, Волгоград, Воронежстальмост - прокат для мостостроения;

Санкт-Петербург - для производства экскаваторов и тракторов;

Челябинск и Выкса - получают металлопрокат на нефте- и газотрубы для «Нефтегазпрома»;

“Уральский вагонный завод” - крупнейший потребитель котельного проката.

Судосталь, производимая в ЛПЦ-1, аттестована и признана как Российским Регистром судоходства, так и мировыми (США, Англия, Норвегия, Франция).

Крупными потребителями спецстали являются:

Северодвинск - подводные лодки, понтоны;

С-Петербург - «Балтийский завод» - плавбуровые;

Волгоград - ремонт и строительство военных судов;

Сормово - сухогрузы.

Тонкий лист, используемый для изготовления труб, профилей и других металлоизделий поставляется в Марокко, Нигерию, Гватемалу, Вьетнам, Иорданию, Турцию, Чили и другие страны мира. Основными потребителями тонколистового проката на внутреннем рынке являются трубные заводы России: Волгоград, Волгореченск, Бор, Челябинск.

Технологический процесс производства проката в ЛПЦ-1 начинается с печного участка. Ведь от качества нагрева металла зависят и качество листа и затраты производства на прокатку.

Основное назначение нагревательных печей - это равномерный нагрев исходной заготовки до необходимой температуры горячей прокатки на станах.

Главная задача любой печи - нагревать металл. В цехе их пять. 1, 2 печи - подинные, универсальные для короткого и длинного металла стана “1700” и “2800”, производительностью 110 т/час. 3, 4, 5 печи - бесподинные, для длинного металла стана “1700”, производительностью по 120 т/час.

1.2 Принципы действия и характеристики методической печи №1

Нагревательные печи непрерывного действия предназначены для нагрева металла перед горячей обработкой давлением. В прокатном производстве черной металлургии основными типами нагревательных печей являются толкательные печи, печи с шагающим подом и шагающими балками, кольцевые печи.

Методическая печь № 1 установлена в одном ряду с четырьмя действующими толкательными печами. Она предназначена для нагрева слябов перед прокаткой. Методическая печь является печью непрерывного действия с противоточным движением нагреваемого металла и продуктов сгорания в рабочем пространстве. Это рекуперативная, двухрядная с двухсторонним нагревом, торцевым посадом и выдачей металла, четырехзонная с торцевым отоплением зон. Основные технические показатели печи до реконструкции представлены в таблице 1.1.



Таблица 1.1

Техническая характеристика печи №1

№ п/п	Наименование	Единицы измерения	Параметры печи
1	Назначение печи	Нагрев слябов перед прокаткой
2	Размеры слябов: - толщина - ширина - длина	мм мм мм мм	104 - 250 940 - 1550 1600 - 2500 (стан 2800) 3700 - 5500 (стан 1700)
3	Масса слябов, макс.	т	7,0
4	Температура нагрева металла	?С	1280
5	Тепловая мощность печи	ГДж/ч	272
6	Максимальная производительность печи	т/ч	110
7	Активная площадь пода	м2	165
8	Активные размеры пода	м х м	30,27 х 5,5
9	Напряженность активного пода	кг/м2ч	650 - 700
10	Вид топлива и его теплота сгорания	МДж/м3	природный газ 33,465
11	Максимальный расход газа на печь	м3/ч	8125
12	Максимальный расход воздуха на печь	м3/ч	74500
13	Температура подогрева воздуха	?С	300
14	Тип горелок I, II, III зоны	«труба в трубе» по 6 шт.
15	Тип горелок IV зона	турбулентные низкого давления
16	Количество зон автоматического регулирования тепловой нагрузкой: - верхних - нижних	шт шт	3 1
17	Удаление продуктов сгорания и их утилизация	по системе боровов через рекуператор и котел-утилизатор в дымовую трубу
18	Охлаждение элементов печи	подовые трубы - испарительное охлаждение; гарнитура - водяное

Двухсторонний нагрев слябов обеспечивается наличием верхних и нижних зон отопления по всей длине печи. Нижний нагрев слябов осуществляется с помощью 3 дутьевых горелок В100/15 большой тепловой мощности типа «труба в трубе», которые установлены в торце печи под наклоном 7°.

Нагрев слябов сверху в томильной зоне осуществляется с помощью 3 турбулентных горелок низкого давления с трубной вставкой в газовом сопле, установленных в торце печи под углом 12°, а в подогревательной и сварочной зонах - 8 дутьевых горелок типа «труба в трубе» под углом наклона 15°.

Нижние и верхние зоны конструктивно представляют собой общие камеры, горелки которых объединены в отдельные регулируемые зоны. Печь имеет четыре зоны отопления и регулирования. Они имеют следующую нумерацию по ходу движения металла: верхние - 1,2,4; нижняя зона - 3.

Тепловой и температурный режим работы методической печи неизменны во времени. Вместе с тем температура в методической печи значительно меняется по длине печи. Металл поступает в зону наиболее низких температур и, продвигаясь навстречу дымовым газам, температура которых все время повышается, постепенно нагревается.

Первая по ходу металла не отапливаемая зона с изменяющейся по длине температурой называется методической зоной. Постепенный нагрев металла в методической зоне, представляющей собой противоточный теплообменник, обеспечивает безопасный режим нагрева. Металл нагревается дымовыми газами, иначе говоря, металл утилизирует тепло дымовых газов, отходящих из зоны высоких температур. Общее падение температуры дымовых газов в методических зонах весьма значительно от 1300 - 1400 °С до 750 - 1000 °С. Методические зоны значительно увеличивает коэффициент использовании топлива.

Следующая по ходу металла подогревательная зона (1) и нагревательные (2, 3) называются зонами высоких температур или сварочными зонами. Они предназначены для быстрого нагрева поверхности заготовки до конечной температуры, которая составляет 1150 - 1250°С. Для интенсивного нагрева поверхности металла до этих температур необходимо обеспечивать температуру в рабочем пространстве печи на 150 - 250 градусов выше, то есть температура в сварочных зонах должна быть 1300 - 1400°С.

Четвертая зона - томильная служит для выравнивания температуры по сечению металла. В сварочных зонах до высоких температур нагревается только поверхность металла, температура середины металла значительно отстает от температуры поверхности. Тем самым создается большой перепад температур по сечению металла, недопустимый по технологическим требованиям. В томильную зону металл поступает со значительным перепадом температур по толщине. Температуру в рабочем пространстве томильной зоны следует поддерживать всего на 50 - 70 градусов выше необходимой температуры нагрева металла. Поэтому температура поверхности металла в томильной зоне не меняется и поддерживается на достигнутом в сварочной зоне уровне, происходит только выравнивание температуры по толщине металла.

Загрузка и проталкивание слябов по печи осуществляется толкателями по глиссажным трубам. На начальном участке глиссажных труб установлены рейтера высотой 50 мм, а на участке выдачи печи - рейтера высотой 120 мм. В связи с охлаждающим действием глиссажных труб в нижнюю часть сварочной зоны печи необходимо подавать больше тепла, чем в верхнюю.

На печи применяется испарительное и водяное охлаждение элементов. На испарительном охлаждении работают продольные (глиссажные) и поперечные подовые трубы. Все охлаждаемые подовые трубы разделены на 17 самостоятельных контуров, которые могут работать как при охлаждении технической водой, так и при испарительном охлаждении. Технической водой охлаждаются: балки посада и выдачи, балка торца загрузки; механизмы подъема заслонок окна посада и выдачи; склизы и змеевик. Циркуляция химочищенной воды в системе испарительного охлаждения (СИО) - естественная.

Загрузочная машина (укладчик слябов) предназначена для загрузки слябов с загрузочного рольганга в печь , в нужное место. Применяется векторное управление асинхронного привода с импульсным датчиком скорости, что позволяет регулировать независимо ток намагничивания и активный ток, демонстрируя высокие показатели регулирования скорости и момента с высокой динамикой, стабильностью, линейностью и большим диапазоном регулирования. Загрузочная машина может управляться в автоматическом и в ручном режимах. Основным является автоматический, ручной режим позволяет оператору продолжить загрузку в случае нестандартной ситуации, когда управление не может быть осуществлено из программы. Именно с использованием программы загрузочной машины происходит управление заслонок загрузки, запрос на блокирование шагающих балок и рольганга во время проведения загрузки.

В ручном режиме оператор сам управляет движениями загрузочной машины с помощью программного продукта на экране монитора. Контроллер выполняет запрашиваемые команды, совершает необходимый контроль и блокировки. Для поступательного движения загрузочной машины оператор располагает соответствующей командой на пульту, позволяющей перемещение загрузочной машины с двумя различными скоростями. Перемещение осуществляется к загрузочному рольгангу перед печью. Два скребка расположенные перед передними колесами предохраняют их от налипания окалины. По мере приближения к слябу на рольганге скорость перемещения уменьшается. Машина загрузки подталкивает сляб в зону действия лазеров для точного позиционирования его перед печью. Это возможно благодаря наличию четырех штанг (пальцев загрузочной машины), соединенных по две посредством двух синхронизирующих валов. В этот момент происходит также выравнивание сляба с помощью четырех конечных выключателей, помещенных на уровне бортов пальцев загрузочной машины. Затем загрузочная машина отъезжает назад на расстояние, которое рассчитано с учетом потерь на окалину сляба, находящегося над рабочей поверхностью штанг.

По окончании хода назад загрузочная машина получает команду на подъем сляба. Движение подъема и опускания слябов на загрузочной машине осуществляется благодаря четырем гидроцилиндрам, по два на каждую пару штанг (пальцев). Пока штанги загрузочной машины находятся в верхнем положении, шагающие балки печи остановлены в положении покоя, а заслонка полностью открыта, дается команда продвижения загрузочной машины в печь в заданное место. По окончании поступательного движения вперед, дается команда опускания штанг загрузочной машины для посада сляба. Как только штанги загрузочной машины находятся в низком положении (ниже уровня сляба), система слежения за продуктом САУ печи получает информацию о том, что сляб загружен в печь. Дается команда заднего хода загрузочной машины в исходное положение и неполного закрытия заслонок. После выхода загрузочной машины из печи дается команда полного закрытия заслонок.

Для осуществления принудительной циркуляции смонтировано 3 насоса НКУ-140. При переводе печи на дежурный газ или при полной ее остановке печь переводят на принудительную циркуляцию.

Кладка стен рабочего пространства печи выполнена из хромомагнезитового кирпича (нижняя зона) и шамотного кирпича класса А и Б. В качестве теплоизоляции применяется шамотный легковесный кирпич ШЛ-1 и муллитокремнеземистый войлок МКРВ-200. В целом толщина боковых стен с изоляцией в верхних зонах составляет 580 мм, а в нижних - 700мм. Подина нижних зон выполнена из хромомагнезитового кирпича, шамотного класса Б и шамотного легковесного кирпича. Общая толщина подины нижних зон - 518 мм. Монолитная подина печи в IV (томильной) зоне выложена из элекроплавленных литых корундовых блоков размером 200х300х600 мм, уложенных на шамотный кирпич. Теплоизоляционный слой из шамотного легковесного кирпича. Общая толщина подины томильной зоны 605 мм.

Печь отапливается природным газом с удельной объемной теплотой сгорания от 32657 до 34332 кДж/м³. Давление газа перед печью должно быть не менее 9,81 кПа. Для подачи воздуха на горение установлено два вентилятора (один рабочий и один резервный) типа ВД-15,5. Нагрев воздуха на горение осуществляется в трубчатом трехсекционном металлическом петлевом рекуператоре.

Для использования тепла продуктов горения, а в частности для выработки пара установлен котел-утилизатор типа КУ-80-У-1 производительностью 20 т/ч. Перед дымовой трубой и на участке котла-утилизатора имеются два шибера, позволяющие направлять продукты горения непосредственно в дымовую трубу или котел-утилизатор. При работе печи с котлом-утилизатором шибер на дымовую трубу должен быть закрыт, и наоборот: при ремонте КУ шибер на котел полностью закрыт, а на дымовую трубу полностью открыт.

Регулирование давления в печи осуществляется направляющим аппаратом дымососа - при работе печи с КУ или шибером на дымовую трубу - при остановке КУ.

Дымовые газы из рабочего пространства печи через рекуператор и дымовой тракт удаляются в дымовую трубу высотой 80 метров.

На печи предусмотрена система контроля и автоматического регулирования основных параметров её работы на базе регулирующего микропроцессорного контроллера Ремиконт - Р-112.

В качестве датчиков температуры в рабочем пространстве печи установлены платинородий -- платиновые термопары типа ТПП-0679, установленных в I, III и IV зонах в своде; во II зоне - в боковых стенах. Для измерения температуры нагретого воздуха и дымовых газов используются хромель-алюмелевые термопары ТХА-0800. Регулирование температуры в зоне осуществляется путем изменения расхода топлива на зону регулирующим клапаном с помощью исполнительного механизма.

Регулирование соотношения «газ - воздух» по зонам печи осуществляется установлением на задатчике ЗУ-05 величины коэффициента расхода воздуха в соответствии требованиями.

Система автоматического регулирования давления воздуха на печь: производят отбор давления воздуха в общем коллекторе перед печью. Сигнал от датчика сравнивается с заданным на задатчике и имеющееся рассогласование поступает на регулятор, который воздействует на исполнительный механизм дроссельного клапана.

Для обеспечения безопасной работы печи изготовлена сигнализация (световая и звуковая) падения давления газа и воздуха в печных коллекторах.



2. Конструктивные недостатки работы печи

Методическая толкательная нагревательная печь № 1 была выполнена по проекту института "Стальпроект" и пущена в работу в 1959 году. За время эксплуатации печи был выявлен ряд существенных конструктивных недостатков, основными из которых являются:

· высокий удельный расход топлива. Фактический удельный расход условного топлива в среднем составляет 130 кг условного топлива на тонну годного металла;

· низкая температура подогрева воздуха до 200 - 270°С в рекуператоре;

· повышенные потери с угаром металла, которые составляют около 2%;

· невозможность чистки подины от окалины в нижних зонах без остановки печи;

· подстуживание слябов у окна выдачи при снижении темпа выдачи и простоях стана;

· высокое нерегулируемое давление в рабочем пространстве печи из-за недостаточного ресурса по дымоудалению;

· неравномерность нагрева слябов, что обусловлено наличием "темных" пятен на нижних гранях слябов от подовых труб;

· несовершенство системы автоматики, не обеспечивающей оптимальное управление тепловым режимом печи в системе "печь-стан".

2.1 Методы снижения окалинообразования в методических печах

В результате окисления и обезуглероживания поверхности сляба до 2% получаемого проката теряется в виде окалины. Кроме прямых потерь металла, имеют дополнительные затраты, обусловленные повышением брака металла в связи с закатыванием окалины при прокатке, а также быстрым износом оборудования при горячей обработке металла и уменьшением скорости нагрева слябов. Окисление металлов при нагреве в печах происходит в основном вследствие воздействия химически агрессивной газовой среды - смесь кислорода, углекислого газа и паров воды.

Предохранить металл от окисления и обезуглероживания можно, создавая определенную атмосферу в печи, которую называют контролируемой или защитной. Контролируемую атмосферу в печи создают с помощью защитных газов, получаемых вне печи в специальных установках. Главным образом в черной металлургии применяются водородные и азотные защитные газы, которые получают путем неполного сжигания природного газа с б = 0,6 - 0,85 с последующей осушкой продуктов сгорания; диссоциацией аммиака; электролизом воды; из ВРУ.

Уже много лет, как разработан и применяется при термообработке безокислительный нагрев металла в атмосфере продуктов неполного сгорания газа. В камере нагрева газ с высокой теплотой сгорания сжигают с коэффициентом избытка воздуха = 0,5, получая при этом газ с соотношением CO/CO₂ = 2,5 - 3,2 и H₂/H₂O = 1,2 - 1,3, предохраняющий металл от окисления. Необходимая температура в рабочем пространстве достигается путём подогрева воздуха, идущего на горение, до 800 - 1000°С за счёт тепла, получаемого от дожигания продуктов неполного сгорания газа, так называемое двухступенчатое горение топлива. Также обеспечить необходимую температуру в печи можно с использованием воздуха, обогащенного кислородом.

Таким образом, первый метод снижения окалинообразования является более дорогим, технологически и эксплуатационно сложным, т. к. защитные газы приходится получать в специальных установках и транспортировать их на расстояния. При двухступенчатом горении топлива, обеспечивающем безокислительный нагрев металла, все процессы происходят в печи.



3. Тепловой расчет печи

Исходные данные:

· назначение печи - нагрев слябовых заготовок перед прокаткой на стане;

· размеры нагреваемых слябов: толщина д = 0,25 м, ширина b_м = 1,4 м, длина l_м = 5,5 м;

· качество металла - низкоуглеродистая сталь;

· начальная температура поверхности металла t_н = 20 єС (холодный посад);

· конечная температура поверхности металла t_м.пов = 1260 єС;

· допустимый конечный перепад температур по сечению металла t_м.кон = 20 єС;

· нагрев металла - без ограничений;

· производительность печи для таких слябов Р_п = 110 т/ч;

· топливо - природный газ;

· коэффициент расхода воздуха у горелок б_в = 0,5;

· температура подогрева воздуха t_в = 800єС.

· Нагрев слябов осуществляется в однорядной толкательной печи с торцевой загрузкой и торцевой выдачей, с четырьмя зонами отопления, с нижним обогревом в сварочной зоне и монолитной подиной в томильной зоне.

· Тепловой расчет ведется по методике, изложенной в литературе [].



3.1 Расчет горения топлива

Для отопления нагревательной печи применяется природный газ, характеристики которого приведены ниже:

Объемная доля компонентов, %:

· Метан СН₄ ……………………………………………... 92,3

· Этан С₂Н₆ ………………………………………............. 0,7

· Пропан С₃Н₈ ……………………………………............ 0,5

· Бутан С₄Н₁₀ …………………………………………….. 0,5

· Пентан С₅Н₁₂ ……………………………………............ 0,2

· Азот N₂ …………………………………………………. 5,3

· Водяные пары Н₂О …….………………………………. 0,5

· Низшая теплота сгорания влажного газа Q_н^р, кДж/м³, …….. 35000

· Низшая теплота сгорания сухого газа Q_н^с, кДж/м³, ……… 35150

Методика расчета приведена ниже,

Расчет полного сгорания топлива при б = 1,0.

Теоретическое количество кислорода, необходимое для сгорания газа при коэффициенте избытка воздуха б = 1,0 определяем по формуле, м³/м³ газа:

, (3.1)

где СО, Н₂, С_mH_n, Н₂S, О₂^т - объемные доли соответствующих простых газов, %.

(м³/м³)

Количество азота, поступившего с воздухом при б = 1,0 определяем по формуле, м³/м³:



, (3.2)

Стехиометрическое количество воздуха, м³/м³:

, (3.3)

(м³/м³).

Количество продуктов сгорания определяем по формулам:

- выход сухих трехатомных газов, м³/м³:

, (3.4)

(м³/м³);

- объем азота в дымовых газах, м³/м³:

, (3.5)

(м³/м³);

- выход водяных паров, м³/м³:

, (3.6)

(м³/м³);

- объем кислорода в дымовых газах, м³/м³:



, (3.7)

(м³/м³).

Выход продуктов полного сгорания, приходящийся на 1 м³ топлива, определяем для конкретного б по формуле:

, (3.8)

(м³/м³).

Расчет неполного сгорания газа при б = 0,5.

В равновесных условиях состав продуктов неполного сгорания определяется компонентами реакции водяного газа. Для расчета состава продуктов неполного сгорания топлива составляем балансы углерода, водорода и кислорода и решаем балансовые уравнения относительно V_СО2:

; (3.9)

; (3.10)

, (3.11)

где - объем СО₂, СО, Н₂О и Н₂, получаемых при неполном сгорании, м³/м³ газа; - объем СО₂, Н₂О и О₂ при полном сгорании газа, м³/м³.

Константа равновесия реакции водяного газа равна

(3.12)

При температуре продуктов сгорания 1300 єС принимаем К = 2,965.

Решая уравнение (2.12) относительно V_СО2, получаем объем трехатомных газов в продуктах неполного сгорания:

, (3.13)

где .

(м³/м³)

Содержание СО определяем по формуле (3.9):

(м³/м³);

Объем водяных паров - по формуле (3.10):

(м³/м³);

Количество водорода - по формуле (3.11):

(м³/м³).

Константа равновесия по формуле (3.12) будет равна:

,

что практически совпадает с предварительно принятой К = 2,965, следовательно, окисление металла происходит не будет.

Количество азота в продуктах сгорания подсчитываем по формуле, м³/м³:

, (3.14)

где - количество азота в газообразном топливе, м³/м³; - количество азота, поступающего с воздухом при б = 1.

(м³/м³)

Количество влажных продуктов сгорания при б = 0,5, м³/м³:

(3.15)

(м³/м³);

Объемный состав продуктов неполного сгорания, %:

(3.16)

(3.17)

(3.18)

(3.19)

(3.20)

%

%

%

%

%

Калориметрическая температура неполного горения газа.

Теплоту сгорания защитного газа определяем по формуле, кДж/м³:

, (3.21)

(кДж/м³)

или на 1 м³ исходного газа, кДж/м³:

, (3.22)

(кДж/м³).

Выделено тепла при неполном сгорании газа, кДж/м³:

, (3.23)

(кДж/м³).

Физическое тепло воздуха, идущего на горение с б = 0,5, кДж/м³:

, (3.24)

где - средняя теплоемкость воздуха при температуре воздуха = 800 єС;

(кДж/м³).

Энтальпия продуктов сгорания при температуре дымовых газов t_д, кДж/м³:

, (3.25)

где - средние теплоемкости соответствующих простых газов при температуре , кДж/(м³·К);

(кДж/м³);

(кДж/м³);

(кДж/м³).

Энтальпия продуктов сгорания при калориметрической температуре вычисляем по формуле, кДж/м³:

, (3.26)

(кДж/м³).

Так как удовлетворяет условию - , то калориметрическую температуру продуктов сгорания находим интерполяцией:

єС.

Калориметрическая температура неполного сгорания топлива, єС:

, (3.27)

где - средние теплоемкости соответствующих простых газов при , кДж/(м³·К);

= 1742 єС.

Действительная температура продуктов сгорания, єС:

, (3.28)

где - эмпирический пирометрический коэффициент, для методических печей его обычно принимают равным 0,7 - 0,75;

єС.

Плотность исходного газа, кг/м³:

, (3.29)

(кг/м³);

- продуктов сгорания при б = 1, кг/м³: , (3.30)

где - массовое количество продуктов сгорания, кг/м³, вычисляется по формуле:

, (3.31)

(кг/м³);

(кг/м³).

Плотность продуктов сгорания при б = 0,5, кг/м³:

(кг/м³)

Расчет дожигания продуктов неполного горения ведем по изложенному ранее методу расчета полного горения газообразного топлива.

Состав дожигаемого газа, %: СО₂ = 2,77; СО = 12,05; Н₂ = 17,31; Н₂О = 11,83; N₂ = 56,04; б = 1.

Теоретическое количество кислорода, необходимое для сгорания этого газа определяем по формуле (2.1), м³/м³ газа:

, (м³/м³)

Количество продуктов сгорания определяем по формулам (3.4), (3.5), (3.6), м³/м³:

- сухих трехатомных газов: (м³/м³);

- объем азота: (м³/м³);

- выход водяных паров: (м³/м³).

Выход продуктов полного сгорания, приходящийся на 1 м³ топлива, определяем по формуле (3.8):

(м³/м³).

Для определения количества продуктов дожигания на 1 м³ исходного природного газа необходимо рассчитанные объемы умножить на величину (м³/м³).

Объемный состав продуктов сгорания, %, определяем по формулам (3.16), (3.18), (3.20):

%;

%;

%.

3.2 Расчет нагрева слябов

Расчет нагрева слябов ведем по ниже приведенной методике.

Принимаем трехзонный режим нагрева слябовых заготовок с температурами продуктов сгорания: в томильной зоне - 1280 єС; в сварочной - 1300 єС; в конце печи - 1000 єС.

Нагрев слябов разбиваем на четыре расчетных участка: первый участок - неотапливаемая зона с повышением температуры продуктов сгорания от 1000 до 1100 єС, второй участок - подогревательная зона с повышением температуры продуктов сгорания от 1100 до 1300 єС, третий участок - сварочная зона с температурой продуктов сгорания 1300 єС и четвертый участок - томильная зона с температурой продуктов сгорания 1280 єС.

Рассчитываем теплообмен только излучением, принимая теплообмен конвекцией в запас расчета.

Ширину рабочего пространства рассчитываем по формуле, м:

, (3.32)

где - число рядов заготовок в печи; - длина нагреваемой заготовки, м; - расстояние от концов заготовок до стен печи (принимается равным 0,2 ч 0,4 м), м.

(м)

Принимаем среднюю высоту рабочего пространства: на первом расчетном участке - Н₁ = 1,3 м; на втором участке - Н₂ = 2 м; на третьем - Н₃ = Н₂ = 2 м; на четвертом - Н₄ = 1,4 м.

Первый расчетный участок. Начальная температура продуктов сгорания t_г.нач1 = 1000 єС. Конечная температура продуктов сгорания t_г.кон1 = 1100 єС.

Средняя температура продуктов сгорания t_г.ср1 = єС.

Расчетная схема нагрева металла на данном участке - двухсторонний нагрев при линейном изменении температуры окружающей среды и равномерном начальном распределении температур.

Угловой коэффициент излучения кладки на металл находим по формуле:

, (3.33)

.

Эффективная длина пути луча:

, (3.34)

где - объем, в котором заключены продукты сгорания (на 1 м длины печи), м³, определяем по формуле: ; - площадь поверхности, ограничивающей объем продуктов сгорания (на 1 м длины печи), м², определяется из формулы: .

(м³)

(м²)

(м)

Принимаем коэффициент расхода воздуха в продуктах сгорания б = 1,0. По расчету дожигания продуктов неполного горения природного газа (табл. 2.1) при б = 1,0 в продуктах сгорания СО₂ = 9,54%, Н₂О = 18,76%.

Степень черноты диоксида углерода и водяного пара , в зависимости от температуры газа и произведения парциального давления р соответствующего газа на эффективную длину пути луча l - или определяем по графикам. Степень черноты СО₂ при t_г.ср1 = 1050 єС и Па·м .

Степень черноты Н₂О при t_г.ср1 = 1050 єС и Па·м

.

В степень черноты водяного пара вносим поправку в на его парциальное давление, эта поправка определяется по графикам при и Па·м > в₁ = 1,085.

Степень черноты продуктов сгорания находим по формуле:

, (3.35)

.

Приведенный коэффициент излучения от продуктов сгорания на металл с учетом тепла, отраженного от кладки печи на металл, для протяжных печей, определяем по формуле:

, (3.36)

где Вт/(м²·К⁴) - коэффициент излучения абсолютно черного тела, - степень черноты металла, принимаем равной 0,8.

Вт/(м²·К⁴)

Задаемся конечной температурой поверхности металла на первом участке t_м.пов1 = 580 єС.

Средняя температура поверхности металла на первом участке:

єС.

По таблице физических свойств углеродистых сталей при средней температуре поверхности металла єС определяем коэффициент теплопроводности низкоуглеродистой стали л₁ =48,3 Вт/(м·К) и коэффициент температуропроводности стали а₁ = 0,0417 м²/ч.

Расчетную толщину металла при нагреве его на водоохлаждаемых трубах определяем по формуле, м:

, (3.37)

где - коэффициент неравномерности нагрева, для двухстороннего нагрева на водоохлаждаемых трубах принимаем в пределах 0,55 - 0,60; - фактическая толщина металла, м.

(м)

Число Старка определяем по формуле:

, (3.38)

,

так как рассчитанное число Старка 0,209 > 0,15, то нагреваемые слябы являются теплотехнически массивными телами.

На последующих расчетных участках в связи с тем, что температура продуктов сгорания растет, теплопроводность металла уменьшается, а приведенный коэффициент излучения меняется мало, слябы остаются теплотехнически массивным телом.

Для расчета теплотехнически массивного тела при принятой расчетной схеме нагрева необходимо предварительно задаться продолжительностью нагрева на первом расчетном участке - ф₁ = 0,9 ч.

Тогда число Фурье можно найти по формуле:

, (3.39)

.

Коэффициент теплоотдачи излучением находим по формуле, Вт/(м²·К):

, (3.40)

- в начале участка:

Вт/(м²·К);

- в конце участка:

Вт/(м²·К);

- средний:

Вт/(м²·К).

Число Био:

(3.41)

Конечную температуру поверхности металла определяем из решения уравнения теплопроводности в критериальной форме, єС:

, (3.42)

где - соответственно начальное и конечное значение окружающей среды, єС; t - искомая температура, єС; t_н - начальная температура тела, єС; и - относительная избыточная температура, єС; Цґ - температурная функция для поверхности тела, при линейном изменении температуры окружающей среды.

Относительные температуры, входящие в решение уравнения теплопроводности:

, (3.43)

, (3.44)

;

.

Функции для вычисления температуры поверхности металла и и Цґ находятся по графикам в зависимости от рассчитанных значений чисел Bi и Fo. В данном случае при Bi = 0,39 и Fo = 1,99: и = 0,44 и Цґ = 0,35.

Отсюда конечная температура поверхности металла равна, єС:

єС,

что практически совпадает с предварительно принятой (590 єС).

Функции для вычисления температуры середины металла и и Цґ находятся по графикам при Bi = 0,39 и Fo = 1,99: и = 0,52 и Цґ = 0,345.

Отсюда конечная температура середины металла равна, єС:

єС.

Аналогично рассчитываем второй, третий и четвертый участки. Тепловой расчет сведен в таблицу 3.2.

На втором расчетном участке (двухсторонний нагрев при линейном изменении температуры окружающей среды и параболическом начальном распределении температур) решение уравнения теплопроводности в критериальной форме имеет вид:

, (3.45)

- температурная функция для поверхности тела при параболическом начальном распределении температур; - начальная температура соответственно поверхности и середины тела, єС.

На третьем расчетном участке (двухсторонний нагрев при постоянной температуре окружающей среды и параболическом начальном распределении температур):



, (3.46)

Таблица 3.2

Расчет теплообмена излучением в рабочем пространстве печи

№ п/п	Наименование	Обоз- наче- ние	Ед. изме-рения	Расчетные участки
				I	II	III	IV
1	2	3	4	5	6	7	8
1	Длина расчетного участка	L	м	6,75	7,75	9,00	6,74
2	Длина нагреваемой заготовки	lм	м	5,5
3	Толщина нагреваемой заготовки	д	м	0,25
4	Начальная температура металла	tн	єС	20	603,8	1004,9	1250
5	Температура продуктов сгорания: - начальная	tг.нач	єС	1000	1100	1300	1280
6	- конечная	tг.кон	єС	1100	1300	1300	1280
7	- средняя	tг.ср	єС	1050	1200	1300	1280
8	Ширина рабочего пространства печи	В	м	6,1
9	Средняя высота рабочего пространства печи	Н	м	1,3	2,0	2,0	1,4
10	Угловой коэффициент излучения кладки на металл (на 1м длины печи)	цк.м1		0,632	0,544	0,544	0,618
11	Объем, в котором заключены продукты сгорания (на 1м длины печи)	V	м3	7,93	12,2	12,2	8,54
12	Площадь поверхности, ограничи- вающей объем продуктов сгорания (на 1м длины печи)	F	м2	14,80	16,2	16,2	15,0
13	Эффективная длина пути луча	l	м	1,93	2,711	2,711	2,050
14	Коэффициент расхода воздуха в продуктах сгорания	б		1,0	1,0	0,5	0,5
15	Содержание СО2 продуктах сгорания		%	9,54	9,54	2,77	2,77
16	Содержание Н2О в продуктах сгорания		%	18,76	18,76	11,83	11,83
17	Степень черноты СО2			0,125	0,125	0,078	0,070
18	Степень черноты Н2О			0,200	0,215	0,184	0,1375
19	Поправочный коэффициент	в		1,085	1,085	1,070	1,075
20	Степень черноты продуктов сгорания	ег		0,342	0,358	0,275	0,22
21	Приведенный коэффициент излучения	Сг.к.м	Вт/м2*К	3,179	3,366	2,891	2,405
22	Конечная температура поверхности металла	tпов.м	єС	590	990	1260	1250
23	Средняя температура поверхности металла	tм.ср	єС	305	797	1132,5	1250
24	Коэффициент теплопроводности металла	л	Вт/м*К	48,3	30,22	28,9	29,8
25	Коэффициент температуропро- водности	а	м2/ч	0,0417	0,0160	0,0210	0,022
26	Расчетная толщина металла	S	м	0,1375	0,1375	0,1375	0,25
27	Число Старка	Sk		0,214	0,489	0,535	0,754
28	Продолжительность нагрева	ф	ч	0,90	0,90	1,30	0,8
29	Число Фурье	Fo		1,99	0,76	1,44	0,28
30	Коэффициент теплоотдачи излу- чением: - в начале участка	бизл.нач	Вт/м2*К	84,95	200,98	338,56	-
31	- в конце участка	бизл.кон	Вт/м2*К	186,94	388,47	433,21	-
32	- средний	бизл.ср	Вт/м2*К	135,95	294,72	385,89	351,44
33	Число Био	Bi		0,39	1,34	1,83	2,95
34	Относительные температуры, входящие в решение уравнения теплопроводности	И		0,9074	0,7127	-	-
35		И'		0,0926	0,2873	-	-
36		И''		-	0,1274	0,3843	1,678
37	Функции для вычисления темпе- ратуры поверхности металла	и		0,44	0,345	0,11	0,345
38		Ц'		0,35	0,50	-	-
39		Ц''		-	0,27	0,118	-
40		Ц'''		-	-	-	0,23
41	Температура поверхности металла	tм.пов	єС	603,8	1004,9	1254,2	1261,1
42	Функции для вычисления температуры середины металла	и		0,52	0,555	0,22	0,7
43		Ц'		0,345	0,520	-	-
44		Ц''		-	0,430	0,215	-
45		Ц'''		-	-	-	0,47
46	Температура середины металла	tм.сер	єС	515,1	890,5	1210,7	1241,8
47	Функции для вычисления температуры нижней поверхности металла	иниз		-	-	-	0,345
48		Ц'''низ		-	-	-	0,54
49	Температура нижней поверхности металла	tм.низ	єС	-	-	-	1247,7

На четвертом участке (односторонний нагрев при постоянной температуре окружающей среды и параболическом начальном распределении):

, (3.47)

где - температурная функция для поверхности тела при параболическом начальном распределении температур и последующем одностороннем нагреве.

В результате теплового расчета печи получили, что:

- конечная температура поверхности металла t_м.пов4 = 1261,1 єС;

- конечная температура середины металла t_м.сер4 = 1241,8 єС;

- конечная температура нижней поверхности металла t_м.низ4 = 1247,7 єС.

Следовательно, самая низкая температура в середине металла и максимальный конечный перепад температур равен

єС < 20 єС,

т. е. удовлетворяет заданному условию расчета.

Общая продолжительность нагрева слябов составила:

(ч).

3.3 Определение слоя образовавшейся окалины

Для нагревательных печей непрерывного действия слой «печной» окалины можно определить по формуле, мм:

, (3.48)

где индексы «т» и «н» соответствуют томлению и нагреву; - постоянная окалинообразования, , определяем по графику ; Т - средняя на участке температура поверхности металла, К; С - постоянная равная 10125; ф - время нагрева, ч.

При осуществлении неполного горения топлива на третьем и четвертом расчетных участках печи окисление нагреваемого металла будет происходить только на первом и втором участках, поэтому слой окалины рассчитываем только в методической зоне печи.

Средняя температура поверхности на первых двух участках будет равна (табл. 3.2):

єС

(мм²)

(мм)

В печи до реконструкции окисление происходит во всех зонах. Нагрев слябов осуществляется до t_м.пов4 = 1280 єС, общее время нагрева ф_н = 3,04 ч, томления - ф_т = 0,88 ч, тогда средняя температура поверхности составляет:

єС

Слой образующейся окалины:

(мм²)

(мм).

Следовательно, при применении в методической печи системы безокислительного нагрева слябов образование окалины уменьшается в 0,0343/= 46 раз.

3.4 Тепловой баланс печи. Определение расхода топлива

Тепловой баланс печи составляют для определения расхода топлива на нагрев слябовых заготовок и выявления влияния различных статей теплового баланса на удельный расход тепла.

При составлении теплового баланса заданными считают вид топлива, теплоту сгорания, производительность печи и условия сжигания топлива.

Тепловой баланс выполняем по методике, изложенной в. Поскольку в расходной части баланса значительную долю составляют потери тепла на охлаждаемые подовые трубы, то выделяем их отдельной статьей, причем максимальный расход топлива на печь определяем при сохранении 80 % изоляции.

Приход тепла.

Химическое тепло топлива, МДж/ч:

, (3.49)

где - расход топлива, м³/ч; - низшая теплота сгорания, МДж/ч.

(МДж/ч)

Физическое тепло воздуха, идущего на горение, МДж/ч:

, (3.50)

где - коэффициент расхода воздуха по подаче в горелку; - теоретическое количество воздуха (при = 1), необходимое для сгорания 1м³ топлива, м³/ м³; с_в - средняя теплоемкость воздуха, кДж/(м³·К); t_в - температура подогрева воздуха, поступающего в горелки, єС.

(МДж/ч)

Тепло экзотермических реакций окисления железа, МДж/ч:

, (3.51)

где а - угар металла, %; Р - производительность печи, т/ч.

(МДж/ч)

Расход тепла.

Тепло, затраченное на нагрев металла, МДж/ч:

, (3.52)

где - соответственно конечная и начальная средняя теплоемкость металла, кДж/(кг·К), определяется в зависимости от качества металла и температуры соответственно, єС.

(МДж/ч)

Тепло, уносимое уходящими продуктами сгорания, МДж/ч:

, (3.53)

где - энтальпия уходящих продуктов сгорания на 1 м³ газа (п. 3.1 при б = 1,15), кДж/м³.

(МДж/ч)

Потери тепла теплопроводностью через кладку, МДж/ч:

, (3.54)

где - удельный тепловой поток через кладку, Вт/м²; - площадь теплоотдающей поверхности кладки, м².

Удельный тепловой поток через кладку определяем по формуле, Вт/м²:

, (3.55)

где t_вн - температура внутренней поверхности кладки, єС; t_окр - температура окружающей среды, єС; д_i - толщина i-того слоя кладки, м; л_i - коэффициент теплопроводности i-того слоя кладки, Вт/(м·К), определяется в зависимости от материала и средней температуры слоя; б_нар - общий коэффициент теплоотдачи излучением и конвекцией от наружной поверхности кладки в окружающую среду, Вт/(м²·К), для приближенных расчетов

, (3.56)

где t_нар - температу

ра наружной поверхности кладки, єС.

Для определения коэффициентов теплопроводности слоев кладки и общего коэффициента теплоотдачи от наружной поверхности кладки температурами на границах слоев предварительно задаются, а затем проверяют по формуле, єС:

, (3.57)

Потери тепла через кладку рассчитываем для каждого расчетного участка: верхнюю и нижнюю часть боковых стен, свод и под печи.

Боковые стены печи выполнены из хромомагнезитового кирпича (нижние зоны) и шамотного класса А; теплоизоляция - шамотный легковесный кирпич ШЛ - 1,0 (толщина 116 мм) и муллитокремнеземистый войлок МКРВ - 200 (толщина 120 мм). Толщина боковых стен с изоляцией: верхних зон - 580 мм; нижних - 700 мм.

Свод также многослойный и состоит из фасонного шамотного кирпича с индивидуальной подвеской и шамотного легковеса, общая толщина с изоляцией 346 мм.

Толщина подины нижних зон, состоящей из хромомагнезитового кирпича, шамотного кл.А и шамотного легковесного, составляет 518 ...