Электроснабжение цеха

 

Изобретение относится к металлургической теплотехнике, в частности к печам для  обжига, отпуска и закалки изделий.

 

Извесна печь для термической обработки  крупногабаритных изделий, содержащая выкатной под с горизонтальными каналами для отвода дымовых газов, перекрытых сверху стальными плитами. При этом плиты выполнены с продольными ребрами, перекрывающими боковые стенки каналов. Печь содержит также теплоизолированную рабочую камеру, горелочные устройства,расположенные в боковых стенах камеры, отводы продуктов горения на уровне пода и огнеупорные стенки, расположенные перед горелками.

Недостаток такой  конструкции печи в том, что поток  дымовых газов направляется сначала  на верхнюю часть изделий, а затем, смывая нижнюю часть, уходит в дымопад. Верхняя часть изделия смывается более высокотемпературными газами, чем нижняя часть. Это приводит к неравномерному нагреву изделия по высоте, создается опасность местного перегрева тй части изделия, которая непосредственно обращена к боковым стенкам камеры. Все это ухудшает качество нагрева изделий.

Наиболее  близкой к предложенной является печь для термиеской обработки изделий, содержащая рабочуу камеру с дымообводом  на уровне пода, горелочные устройства, размещенные на уровне пода и под сводом, распределительные стенки с отверстиями, установленные перед горелками.

Цель  изобретения – повышение качества нагрева путем сохранения направленности потока дымовых газов, улучшения равномерности прогрева садки, и устранения местного перегрева отделений изделий садки.     

Данные  печи:

1.Полезная  мощность   Р_пол=100 кВт

2.Максимальная  рабочая температура  Т_раб=900°С

3.Напряжение  сети  U_c=380В  

4.Габаритные  размеры  2000*2250*1800 мм

 

4.2 Разработка  структурной схемы технологического процесса.

Технологический процесс электронагрева представляет собой совокупность приёмов и операций, направленных на перевод материала или продукта из исходного состояния к необходимому конечному состоянию.

Рисунок 1— Структурная схема электротермического процесса

 

После загрузки нагреваемого объекта  в электротермическую установку, задаём номинальную температуру и продолжительность последнего периода цикла (соответственно техпроцессу) с помощью задатчиков. Подаём питание от источника питания исполнительному органу (схема управления). Чувствительный элемент (датчик температуры) будет подавать сигнал на регистрирующий орган, который в свою очередь сравнивает это значение с заданным и в случае совпадения, подаёт сигал исполнительному органу. После чего исполнительный орган подаст сигнал исполнительному элементу на начало отсчета времени, а так же прервет работу нагревательного элемента ЭТУ. Через некоторый промежуток времени после того, как значение измеряемой температуры станет отличной от заданной, регистрирующий орган, через управляющий орган подаст сигнал исполнительному органу, который в свою очередь включит Нагревательный элемент ЭТУ. Такой цикл работы будет поддерживаться до окончания отсчета времени исполнительным элементом. По окончании работы ЭТУ производится выгрузка потребителю.

Данная печь предназначена для  отжига стали и стальных изделий, а так же для плавки стальных изделий. Заготовки из стали при помощи электротали загружают в печь, затем  с помощью коммутационной аппаратуры включаются нагреватели, и температура в камере печи постепенно увеличивается до 900°С. Весь процесс отжига стали, длится в течение одного часа. После того как температура достигает 900°С, автоматический температурный переключатель отключает часть нагревательных элементов, при этом температура в камере печи снижается до 800°С. После того как температура достигает 800°С автоматический переключатель снова выключает часть нагревательных элементов, и температура в печи снова понижается. Так в течение часа температура постепенно понижается, и после одного часа работы все нагреватели отключатся полностью. Затем идет процесс охлаждения: сначала в камере в течение трех часов, затем на воздухе. 

 

 

 

 

 

 

 

4.3 Разработка  схемы автоматизации.

 

Мощность  современных электрических печей  сопротивления колеблется от сотен  ватт до нескольких мега ватт.

Для печей сопротивления применяют  автоматические регуляторы температуры ПТК. Исполнительным органом ПТК является контактор включения нагревателей. Датчиком температуры служит термопара. Основной задачей применения ПТК является в обеспечении заданного температурного режима нагрева во времени. В соответствии с технологическим процессом, требования к характеру режима и точности его выполнения могут изменяться в широких пределах. В одних случаях нужно лишь нагреть изделие, в других, вслед за нагревом следует режим выдержки и охлаждения, в третьих необходимо программное регулирование, то есть изменение температуры печи по заранее заданному закону.

Схема цепи управления и сигнализации питается напряжением 380В и содержит: автоматический выключатель; прибор теплового контроля (с датчиком температуры печи); катушка контактора и промежуточное реле; сигнальные лампы (зеленая), (красная), (желтая). Схема обеспечивает ручное и дистанционное управление тепловым процессом печи. Выбор вида управления осуществляется универсальным переключателем на три положения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.4 Tепловой расчет установки.

Тепловой расчет установки сводится выбору толщины  слоя огнеупорного материала, в данном случае шамот, и толщины слоя теплоизоляционного материала, в данном случае зонолита.

Определяем  полезную мощность печи по формуле:

Р_пол=m*c*(Т°_к-Т °_н)/ t                                   (4.1)

где: m-масса материала, (m=150 кг)

       с-теплоемкость стали, (с=3,1 Дж/кг*К)

      Т°_к-конечная температура изделия при нагреве, (Т°_к=900°С)

      Т°_н-начальная температура изделия до нагрева, (Т°_н=20°)

       t-время воздействия на материал, (t=3600с)

       Р_пол=150*3,1(900-20)/3600=110 кВт

Определяем  потребляемую мощность печи по формуле

         Р_потр = Р_пол+ΔР_т+ΔР_э                                   (4.2)

где: Р_пол-полезная мощность печи, кВт;

       ΔР_т-тепловые потери в окружающую среду, кВт, (ΔР_т=20%Р_пол);

       ΔР_э-электрические потери печи, кВт, (ΔР_э=12%Р_пол);

       ΔР_т=0,2*110=22 кВт

       ΔР_э=,12*110=13 кВт

       Р_потр=110+22+13=145 кВт

Определяем  тепловой КПД установки по формуле:

       η_т=Р_пол/Р_потр*100%                                           (4.3)

где: Р_пол- полезная мощность печи;

        Р_потр- потребляемая мощность печи;

    η_т=110/145*100%=76% 

 

 

 

Выбираем толщину  слоя шамота θ=0,2.Примем ориентировочную температуру на границе слоев изоляции Т°_ш=400°С. Определяем среднюю температуру шамота при нагреве по формуле:

Т°_{ср. ш}=(Т°_ш+Т°_к)/2                                         (4.4)     

где: Т°_ш – температура на границе слоев;

Т°_к – температура печной камеры при нагреве;

Т°_ср.ш =(400+900)/2=750°С

Определяем  внутренний объем печной камеры по формуле:

V=a*b*c                                (4.5)

где:a=0,8(ширина), b=1,25(высота), c=0,9(длина).

V=0,8*1,25*0,9=0,9 м³

Определяем  теплопроводность шамота при температуре  Т°_ср.ш  по формуле:

λ_ш=0,7+0,64*10^-3*Т°_ср.ш                                          (4.6)

λ_ш=0,7+0,64*10^-3*750=1,5 Вт/м*с

Определяем  площадь наружной поверхности слоя шамота по формуле:

А_ш.н =6*(а+2*θ_ш)²                                                     (4.7)

где: а – ширина камеры, м

θ_ш – толщина слоя шамота, м.

А_ш.н=6*(0,8+2*0,2)²=8,64 м²

Определяем  площадь внутренней поверхности  слоя шамота по формуле:

А_{ш. вн}=6*b²                                                         (4.8)

где: b – высота камеры, м.

А_{ш. вн}=6*1,25²=9,4 м³

Рассчитаем  площадь шамота по формуле:

А_{ш. расч}=  А_{ш. н}*А_{ш. вн}                                                                               (4.9)

А_{ш. н}  - площадь наружной поверхности слоя;

А_{ш. вн} – площадь внутренней поверхности слоя;

  А_{ш. расч}= 8,64*9,4=9м²

Определим термическое сопротивление слоя шамота по формуле:

R_{т. ш.}=θ_ш/(λ_ш*А_ш.расч)_.                                                                           (4.10)

θ_ш – толщина слоя шамота;

А_ш.расч. – площадь слоя шамота;

λ_ш – теплопроводность шамота при Т°_{ср. ш}=600°С

R_{т. ш.}=0,2/(1,5*9)=0,015°С/Вт

Определяем  температуру на границе слоев  изоляции:

Т°_гр.сл.=Т°_к-ΔР*R_т.ш.                                                     (4.11)

где: ΔР=35кВт – общая мощность потерь;

R_т.ш. – термическое сопротивление слоя шамота;

Т°_к  - температура печной камеры при нагреве.

Т°_гр.сл.=900 - 35*10³*0,015= 375°С

Температура на границе  слоев изоляции, полученная при расчетах, оказалась меньше выбранной заранее температуры, поэтому толщину, выбранную ранее, можно оставить прежней θ_ш=0,2 м.

Определяем необходимое  термическое сопротивление слоя теплоизоляционного материала (зонолита) методом мощности потерь по формуле:

R_{т. з.} =(Т°_к - Т°_нар)/ΔР – R_{т. ш.}                                   (4.12)

где: Т°_к – температура печной камеры при нагреве;

Т°_нар.=50°С – наружная температура печи;

ΔР – мощность потерь;

R_{т. ш.} – термическое сопротивление огнеупорного слоя шамота.

R_{т. з.} =(900-50)/35*10³ – 0,015=0,01 °С/Вт

  Определяем среднюю температуру  зонолита по формуле:

Т°_{з. ср.} =(Т°_{гр. сл.} +Т°_нар.)/2                                         (4.13)

где: Т°_{гр. сл.} – температура на границе слоев изоляции

Т°_{з. ср.} =(375+50)/2=212,5°С

  Определим теплопроводность зонолита при средней температуре по формуле:

λ_з=0,072+0,255*10^-3*Т°_{з. ср.}                                     (4.14)

λ_з=0,072+0,255*10^-3*212,5=0,126°С/Вт

Необходимую толщину  зонолита определяем методом последовательных приближений. Для этого принимаем  необходимую толщину слоя зонолита, находим ее термическое сопротивление и сравниваем с вычисленными ранее значением R_{т. з.}=0,0093°С/Вт. Примем приближенную толщину слоя зонолита θ_з. =0,05 м.

  Площадь внутренней поверхности  зонолита равна внешней поверхности  слоя шамота А_{з. вн.}= А_{ш. нар}.=8,64 м².

Определяем площадь наружной поверхности зонолита по формуле:

А_{з. нар.}=6*(а + 2*θ_ш. +2*θ_з.)²                                       (4.15)

где: а – ширина печи;

θ_ш. – толщина слоя шамота;

θ_з. – толщина слоя зонолита.

А_{з. нар.}=6*(0,8 +2*0,2+2*0,05)²=10,14 м²

Рассчитаем  площадь поверхности слоя зонолита по формуле:

А_{з. расч.}= А_з.вн.*А_з.нар.                                              (4.16)

где: А_з.вн – площадь внутренней поверхности зонолита;

 А_з.нар – площадь наружной поверхности зонолита.

А_{з. расч}=  8,64*10,14=9,36 м²

  Определим термическое сопротивление  зонолита при θ_з= 0,05м по формуле:

R'_т.з.= θ_з./(λ_з* А_{з. расч})                                      (4.17)

R'_т.з=0,05/(0,126*9,36)=0,04°С/Вт

 Сравнивая полученное значение  R'_т.з со значение R_т.з  найденным ранее. Так как 0,04 °С/Вт > 0,01 °С/Вт, следовательно, принятое значение толщины слоя зонолита  θ_з.=0,05м можно оставить прежним.

Таким образом, толщина  огнеупорного слоя (шамота) в нашей  печи равна 0,2м, а толщина теплоизоляционного слоя (зонолита) равна 0,05м.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.5 Электрический расчет печи сопротивления.

Рассчитаем  нагревательные элементы камеры печи при номинальной мощности печи Р_н=100кВт. Нагреватели выполнены из проволочной спирали сплава Х20Н80. В камере расположено   9   нагревателей, максимальная температура печной камеры  Т°_к=900°С, Номинальное напряжение сети U_н=380В.

  Рассчитаем приведенный коэффициент  излучения системы нагреватель  - нагреваемый материал по формуле:

С_пр=5,7/[1/Е_н.т.+А_н.т./А_ст.*(1/Е_и – 1)]                        (4.18)

где: Е_н.т – коэффициент теплового излучения нагреваемого тела (Е_н.т=0,65 по таблице2,1 (3) )

Е_и – коэффициент теплового излучения изделия (Е_и=0,75 по таблице 2,1 (3))

А_н.т./А_ст – площадь поверхности занятой нагреваемым телом по отношению к площади стен печи (А_н.т./А_ст=0,5 по условию).

С_пр=5,7/[1/0,65+0,5+(1/0,75-1)]=3,34 Вт/м²*К⁴

  Определяем температуру изделия  при нагреве по формуле :

Т°_u=Т°_к.+273                                     (4.19)

Т°_u=900+273=1173К

  Определяем температуру нагревателей  из нихрома Х20Н80 во время нагрева:

Т°_н=Т°_м.н.+273                                   (4.20)