Расчет трёхзонной методической печи с двухсторонним обогревом

Федеральное государственное бюджетное  образовательное учреждение высшего  профессионального образования

«Южно-Уральский государственный  университет»

(нац. исследовательский университет)

Факультет «Заочный инженерно-экономический»

Кафедра «Промышленная теплоэнергетика»

 

 

 

 

 

Расчет трёхзонной методической печи с двухсторонним обогревом

 

Пояснительная записка

к курсовой работе

по дисциплине «энергоиспользование в энергетике и технологии»

ЮУрГУ–140104.2013.14.00. ПЗ

 

 

 

 

 

 

 

Нормоконтролёр

Реш А.Г 

«___»____________2013 г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Руководитель

Реш А.Г.

«___»____________2013 г.

 

автор проекта

студент группы ЗФ - 415

Малова Ю.А.

«___»____________2013 г.

 

Проект защищён с  оценкой

______________________

«___»____________2013 г.

 

 

Министерство образования  Российской Федерации

Южно-Уральский государственный  университет

Кафедра «Промышленная  теплоэнергетика»

 

ЗАДАНИЕ

на курсовую работу

по дисциплине «Энергоиспользование в энергетике»

для студентов специальности 140104

 

 

Факультет: Заочный инженерно - экономический

Группа: ЗФ – 415

     Студент: Малова Ю.А

 

Исходные данные:

1. Наименование печи: трёхзонная методическая печь с двухсторонним обогревом.  
2. Производительность:         180 т/ч
3. Нагреваемый металл:         20 Г
4. Начальная температура материала:      t_н =15 ºС
5. Конечная температура материала (поверхности):    t_пк = 1200°С 
6. Конечный перепад температур по сечению слитка, заготовки: Δ t_к = 30°С 
7. Вид топлива, калорийность: доменный – 70 % ; коксовый– 30 % 
8. Химический состав газов, %

 

газ	СН4	C2Н6	СО2	О2	СО	Н2S	Н2	N2	Влажность
Доменный	0.3	─	12.5	0.2	27.0	─	5.0	55.0	40
Коксовый	25.5	2.3	2.4	0.5	6.5	─	59.8	3.0	35

9. Температура уходящих газов: 900°С  
10. Температура подогрева воздуха: 400 ⁰С и газа: 200 ⁰С

 

Руководитель курсовой работы:      Реш А.Г.

 

Зав. кафедрой ПТЭ        Торопов Е.В.

 

Дата сдачи:            

 

Аннотация.

Малова Ю.А. Расчет трёхзонной методической печи с двухсторонним обогревом . – Челябинск: ЮУрГУ,  ЗФ,  2013,  30 с. Библиографический список  –  4  наименования.

 

В пояснительную записку входит расчет основных размеров печи, продолжительности нагрева заготовки в различных зонах печи. Определение приходных и расходных статей баланса и на их основе определение расхода топлива, технологического КПД и коэффициента использования топлива.

. 

Содержание.

 

Введение.

 

Основной задачей управления процессом  нагрева металла в методической печи является выбор и поддержание  такого теплового режима, чтобы получить металл, прогретый равномерно по сечению до заданной температуры, с заданной кристаллической структурой и обладающий заданными не химическими свойствами, а также обеспечить нужный процесс и до минимума уменьшить угар (окисление) металла,  создать экономичную, безопасную и безаварийную работу печи. Система регулирования температуры предназначена для поддержания заданной температуры в каждой зоне печи в отдельности, с учетом изменения производительности. Поддержание температуры в каждой зоне производится изменением подачи газа в каждую зону. Температура в печи должна поддерживаться с высокой точностью.

При увеличении температуры металл теряет свою кристаллическую решетку,  она начинает распадаться, будет  происходить оплавление слитков, они становятся мягкими и теряют свои характеристики. Так же будет увеличиваться количество угара. Кроме получения бракованных слитков идет перерасход топлива, что ведет к неэкономной работе печи.

При уменьшении температуры в рабочем  пространстве печи, слиток не равномерно прогревается по сечению. Непрогретый металл имеет жесткую форму и происходит коррозия металла, что приводит к невыполнению дальнейшей обработки.

В период нагрева металла, когда  его температура и температура  в печи ниже заданной, в печь подается максимально допустимое количество топлива. В период выдержки в верхней зоне регулятор обеспечивает необходимую температуру, изменяя расход газа. По мере прогрева металла тепловая нагрузка в печи снижается тогда, когда температура в печи становится меньше заданной. Величина максимальной тепловой нагрузки определяется стойкостью конструктивных элементов кладки, свода. При нагреве холодных заготовок из высокоуглеродистой и легированных сталей необходимо ограничивать скорость подъема температуры и тепловой нагрузки, чтобы избежать расстрескивание заготовок из-за возникновения больших термических напряжений.

На температуру и на ее изменения  влияют:

• изменение марки, размера заготовки;
• изменение производительности печи;
• открытие окон при загрузке, выгрузке заготовок и контроля параметров печи;
• изменения параметров топлива (состав, давление, температура, теплота сгорания);
• изменение параметров воздуха (давление, температура, влажность);
• изменение соотношения “газ-воздух”;
• изменение тяги дымовой трубы.

Методическая печь, как объект регулирования является объектом статистическим, т.е. имеет самовыравнивание. Это объект большой емкости и обдает большим запаздыванием. В процессе нагрева изменяются динамические параметры, коэффициент передачи и постоянная времени, что требует перенастройки средств регулирования в процессе работы.

Методические печи применяются, для  нагрева металла перед прокаткой  на сортовых и листовых прокатных  станах.

Методическая печь разделена  на зоны. Металл нагревается непрерывно, постепенно перемещаясь из одной зоны в другую. В каждой зоне поддерживается заданная для нее температура. Зоны имеют разное назначение:

а) методическая зона или зона предварительного нагрева:

Как правило, эта зона не отапливается. Нагрев металла осуществляется за счет тепла отходящих дымовых газов, поступающих из других зон.

б) сварочная зона:

Металл нагревается интенсивно за счет подачи тепла от теплоносителя.

в) томильная зона:

Происходит полный нагрев заготовки. Чем толще заготовка, тем больше температура и тепла необходимо для ее нагрева.

 г) нижняя сварочная зона:

Служит для интенсивного нагрева  металла снизу.

В методические печи загружают холодные или горячие (600-800 ⁰С) заготовки. Заготовки подаются в печь через окно посада наиболее холодную часть печи, т.е. со стороны методической зоны так, чтобы их продольные оси были перпендикулярны продольной оси печи, а боковые грани соприкасались по всей длине. Уложенные таким образом заготовки занимают всю активную площадь печи. Когда очередная заготовка подается в печь, толкатель продвигает все заготовки вдоль печи в более горячую часть – к окну выдачи и выдается одна нагретая заготовка. Продвигаясь в печи, металл нагревается постепенно до определенной температуры за счет сгорания топлива, поступающего через инжекционные горелки, которые устанавливаются по шесть штук в верхней и нижней зонах по ширине печи. Для наилучшего горения в горелки поступает воздух из атмосферы. Перед тем, как топливо поступает в горелки, его подогревают в рекуператоре. Рекуператор нагревается с помощью отходящих дымовых газов. Температура нагрева воздуха должна быть не менее 300 ⁰С. Это придает топливу эффективное и экономическое горение при нагреве металла.

Нагрев каждой марки стали, осуществляется по специальной инструкции.

При нагреве металла в сварочной зоне температура поверхности заготовки приближается к заданной, т.е. 1300 ⁰С, в то время температура середины заготовки может быть еще низкой. Для ускорения нагрева заготовки служит нижняя сварочная зона, при наличии этой зоны в методической и сварочной зонах, заготовка лежит на водоохлаждаемых трубах. По ним слябы продвигаются в печи. А в области контакта с этими трубами на заготовки образуются холодные пятна. С целью выравнивания температуры по сечению заготовки и устранения холодных пятен предусматривается часть печи, где заготовку выдерживают на томильном огнеупорном поде. Эту часть печи конструктивно оформляют, как отдельную зону – томильная, с индивидуальным отоплением.

 Продукты сгорания топлива, сжигаемого в томильной и сварочной зонах, отводятся через методическую зону, таким образом, в печи заготовка и продукты сгорания движутся противоточно.

После того, как металл нагрели  до определенной температуры, его при  помощи все тех же толкателей выталкивают  из печи и по рольгангам он поступает на многоклетьевой стан.

 

 

1. Расчёт горения топлива

 

Целью расчета является определение расхода воздуха, количества и состава продуктов сгорания.

Для отопления нагревательных печей главным образом применяют  газообразное топливо. Состав газообразного топлива задается в виде процентного содержания составных компонентов смеси. Влага задается в виде массы воды на единицу объема сухого газа W, г/м³.

 

1) Пересчитаем состав сухого газа на влажный, для этого определим содержание водяного пара в газах (формула 1.1 [1])

 

а) Доменный :

б) Коксовый :

и состав влажных газов (формула 1.2 [1])

 

где: x_i^вл, x_i^с – объёмные доли компонента соответственно во влажных и сухих газах. Пересчитанные составы сводим в таблицу 1:

Таблица 1

газ	СН4	C2Н6	СО2	О2	СО	Н2	N2	Н2О	Сумма
Доменный	0,29	-	11,910	0,190	25,72	4,760	52,340	4,74	100%
Коксовый	24,4	2,20	2,29	0,47	6,22	57,28	2,87	4,17	100%
Смешанный	7,52	0,66	9,01	0,27	19,80	20,51	37,74	4,56	100%

2) Рассчитаем теплоту  сгорания коксового, природного  газов и их смеси (формула 1.5 [1]).

 

Где : - доли компонентов входящих в состав газа , в %

а) доменный газ:

б) коксовый газ:  

в) смешанный:

 

3) Рассчитаем состав смешанного  газа  (формула 1.4 [1]):

%

%

%

%

%

%

%

%

4) Расход кислорода на горение смешанного газа (формула 1.6 [1]):

5) Действительный расход воздуха (формула 1.7 [1]):

 

 – коэффициент расхода воздуха

k – отношение объёмных содержаний N₂, O₂ в дутье

6) Объём компонентов продуктов сгорания: (формула 1.8 [1]

       

7) Общий объём продуктов сгорания (формула 1.9 [1]):

 

8) Состав продуктов сгорания (формула 1.10 [1])

 

компоненты				сумма
СО2	Н2О	N2	O2	%
13,72	15,32	69,52	1,35	100

2. Температурный режим  нагрева металла.

Под режимом нагрева подразумевают характер изменения температуры печных газов и металла во времени. Характер температурного режима нагревательной печи определяется пластичностью материала, массивностью нагреваемых изделий, начальным и требуемым конечным состоянием металла, конструктивными особенностями печи.

При трехступенчатом режиме имеются  три теплотехнические зоны: методическая, сварочная и томильная.

Трёхступенчатый режим нагрева металла.

– начальная температура металла (15°С)

– температура уходящих газов (900°С)

– температура сварочной зоны (1300°С)

– конечная температура поверхности металла (1200°С)

– температура газов в томильной зоне (1250°С)

– конечный перепад температур по сечению слитка (30°С)

– температура поверхности металла

– температура середины материала.

3.Нагрев металла.

 3.1 Методическая зона.

Одним из факторов, лимитирующих скорость нагрева металла, являются термические напряжения, обусловленные разностью температур. Наружные, более нагретые слои, стремятся расшириться и находятся, поэтому в сжатом состоянии. Внутренние, более холодные слои, подвержены при этом растягивающим усилиям. Если эти напряжения не превосходят предела упругости, то с выравниванием температуры по сечению термические напряжения исчезают. Сталь (за исключением некоторых специальных марок) обладает упругими свойствами до температуры 450 ¸ 500 ⁰С, выше этой температуры переходит в пластическое состояние. Следовательно, температурные напряжения должны учитываться до перехода металла из упругого состояния в пластическое. Поэтому рекомендуется медленный (методический) нагрев заготовок до тех пор, пока температура центра не превысит 500 ⁰С.