Проект тепловой работы камерной термической печи с выкатным подом ЭСПЦ ЧерМК ОАО Cеверсталь

ФГОУ СПО «Череповецкий металлургический колледж»

Специальность 150101 «Металлургия черных

металлов»

Проект тепловой работы камерной термической печи с выкатным подом ЭСПЦ ЧерМК ОАО «Cеверсталь»

КП 150101.01.40 ПЗ

Руководитель работы Медведева Л.В.,

преподаватель спец. дисциплин

Работу выполнил Александренков И.С.,

студент группы 3-МЧМ

Череповец 2010

Содержание

Стр.

Введение 2

1. Общая часть 3

1.1 Устройство камерной термической печи 3

1.2 Характеристика материалов, используемых

для футеровки печи 5

1.3 Тепловая работа печи 6

2. Специальная часть 7

2.1 Расчет горения природного газа 7

2.2 Определение времени термической обработки слябов 12

Заключение 23

Литература 24

Введение

Тепловая работа печи - это совокупность тепловых процессов, обеспечивающих решение поставленной технологической задачей. Технологический процесс в термических печах сводиться к определенному тепловому воздействию на обрабатываемый металл, т.е. к осуществлению какого-либо из графиков нагрева. Тепловое воздействие выражается в изменении температуры металла и, следовательно, в измерении его энтальпии.

Для решения технологической задачи требуется подвод определенного количества тепла к металлу. Это достигается благодаря тому, что температура в рабочей камере печи в периоды нагрева и выдержки превышает температуру поверхности металла, поскольку именно разность температур является движущей силой теплообмена.

Повышенная температура в печи достигается и поддерживается посредством генерации в ней тепла. Теплорегенерация производится либо за счет сжигания топлива (в топливных печах), либо путем превращения электроэнергии в тепло (в электрических печах). Далеко не все тепло, генерируемое в печи, расходуется на изменение энтальпии металла. Значительная его часть теряется в окружающее пространство через стенки печи, через открытые окна, уходит на нагрев разного рода устройств для перемещения металла через рабочую камеру, а в топливных печах еще и уходит с покидающим рабочую камеру дымовыми газами. Поэтому в печах всегда осуществляется генерация большого количества тепла, чем это нужно только для нагрева металла по заданному графику.

Температурный и тепловой режимы работы печи, обеспечивающие осуществление заданной технологии термической обработки, оказывают самое непосредственное влияние на такие важные показатели, как производительность и расход топлива или электроэнергии.

1 Общая часть.

1.1 Устройство камерной термической печи

Камерные термические печи ЭСПЦ являются печами периодического действия и предназначены для отжига слябов после машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) ЭСПЦ и отжига деталей.

Камерные печи получили широкое распространение в термических цехах благодаря своей универсальности и сравнительной простоте конструкции.

Печи рециркуляционные, камерные, С взаимозаменяемыми выкатными подинами, обслуживаемые трансбордерами.

Основным способом управления режимом работы печей является автоматическая система управления технологическим процессом (АСУ ТП) с использованием ПЭВМ. При неработоспособности АСУ ТП управление режимом работы печи осуществляется вручную.

Печи отапливаются природным газом. Газоснабжение печей осуществляется от цехового газопровода. Давление газа перед печью должно быть 700±50 кгс/м² (7000±500 Па), температура газа от 0 до +50⁰С.

На каждую горелку подаются рециркуляционные газы. Подача рециркуляционных газов осуществляется эксгаустером Э-5Б по системе трубопроводов. Продукты горения природного газа смешиваются с рециркулятором в вертикальных горелочных каналах сечения 232*348 и поступают в рабочее пространство печи.

Рабочее пространство печи условно разделено на 4 зоны продольной и поперечной вертикальной плоскостью. Каждая зона печи имеет индивидуальное регулирование температурного режима.

Удаление дымовых газов из рабочего пространства печи осуществляется посредством эксгаустера через систему боровов. Часть дымовых газов возвращается в печь для создания

рециркуляции, а часть уходит в дымовую трубу. Пропорции дымовых газов на рециркуляцию и уходящих в дымовую трубу определяется периодом отжига.

Для розжига газовых горелок и наблюдения за их работой в стенах термической печи устроены отверстия с крышками. Должна быть исключена возможность самопроизвольного открывания крышек.

Краткая техническая характеристика и описание технологического оборудования

Тип печи Рециркуляционная, камерная, с выкатным подом

Площадь пода, м² 45(5×9)

Размеры печи:

Длина (по кладке), мм 9860

Ширина (по кладке), мм 6496

Длина рабочего пространства, мм 9396

Ширина рабочего пространства, мм 5104

Средняя высота, м 2

Масса садки, т до 130

Производительность, т/ч 1,90-2,45

Температура максимальная:

-в рабочем пространстве, ⁰С 850

-дымовых газов за эксгаустером, ⁰С 450

Тип вентилятора для подачи воздуха к горелкам ВВД-8У

-максимальная производительность, м³/ч 4000

-давление воздуха, кгс/м² (кПа) 350(3,5)

Тип эксгаустера Э-Б5

-максимальная производительность, м³/ч 16 000

Топливо - природный газ

-удельная теплота сгорания, ккал/м³ 8000-8100

(МДж/м³)(33,5-33,9)

-Максимальный расход газа, м³/ч 350

-давление газа перед печью, кгс/м² (кПа) 800 (8)

Тип горелок ГНП-4

Количество горелок, шт. 14

Кладка печи шамот класса Б

Свод печи арочный

1.2 Характеристика материалов, используемых для футеровки печи

Для футеровки печи используются шамотные огнеупоры кала Б. Основой шамотных материалов служат оксиды алюминия и кремния (Al₂O₃ и SiO₂ ), причем содержание Al₂O₃ составляет в них от 28 до 45%. Шамотные изделия изготовляют из огнеупорных глин и минерала, называемого каолином. Это сырье подвергают предварительному отжигу, а затем размалывают и просеивают. Смесь обожженного и сырого материалов, взятых в равных количествах, увлажняют, и из этой массы посредством прессования под высоким давлением изготавливают изделия требуемой формы. Их сушат, а затем обжигают при температуре, возрастающей до 1400⁰С, в течение 70-120ч. В процессе обжига происходит перекристаллизация глинозема и образуется муллит 3 Al₂O₃×2 SiO₂, зерна которого

укрупняются и формируют кристаллический сросток. Муллит- Это прочное и тугоплавкое (температура плавления 1870⁰С) соединение. Оно и определяет в основном свойства шамотных изделий.

Применение и свойства шамотных огнеупоров. В настоящее время в мировом производстве огнеупоров шамотные изделия занимают по объему первое место(70-75%) и их широко применяют почти во всех отраслях промышленности, в том числе и при сооружении термических печей.

Они используются для футеровки практически всех частей печи (за исключением, в ряде случаев, пода), а также для кладки дымовых каналов, дымовых труб и т.д. Доступность и низкая стоимость (шамот - самый дешевый огнеупорный материал) также обусловливают их широкое распространение.

Шамотные огнеупоры имеют сравнительно невысокую предельную температуры службы (до 1500⁰С), небольшую усадку при повторном обжиге и хорошую термостойкость ( не менее 10 водяных теплосмен). Шамотные изделия плохо сопротивляются воздействию окалины.

Повышение содержания Al₂O₃ в шамотных огнеупорах и увеличение их плотности позволяет довести предельную температуру службы до 1500⁰С.

В термических печах различных типов шамот показывает достаточно хорошую стойкость и служит до 10-15 лет.

1.3 Тепловая работа печи

В печах с выкатным подом металл помещают на выдвигаемую из печи футерованную тележку - под, задвигают этот под обратно в печь и нагревают вместе с металлом. Горелки располагают в топочных нишах, образуемых специальными углублениями в кладке печей. Топочные ниши соединяются с рабочим пространством каналами. Через эти каналы в них подсасываются частично остывшие газы из рабочего пространства за счет инжектирующего действия вытекающих из горелок струй топлива и воздуха. Для усиления регуляции газов в рабочем пространстве используются и струи воздуха, вдуваемого через специальные сопла. Образующая смесь с пониженной

температурой вытекает с большой скоростью в рабочую камеру. В итоге обеспечивается интенсификация конвективного теплообмена и повышение равномерности температурного поля в печи.

Число горелок зависит от размеров печи и составляет 4-40.

Уходящие из печи дымовые газы удаляются через боров, расположенный под печью. В этот боров они попадают через вертикальные дымоотводящие каналы, выполненные в нижней части боковых стен печи в начале и конце рабочей камеры.

2 Специальная часть

2.1 Расчет горения природного газа

· Определяем низшую теплоту сгорания природного газа по формуле (1):

=127,7CO+108H₂+358CH₄+590C₂H₄+555C₂H₂+636C₂H₆+913C₃H₈+

+1185C₄H₁₀+1465C₂H₁₂+234H₂S , кДж/м³ (1)

Где CO,H₂, CH₄- горючие составляющие топлива, %;

127,7; 108; 338…- постоянные величины.

= 358×82,1+636×3,69+1465×2,2+1185×1,4=36600,84 кДж/м³

· Находим объем воздуха, необходимый для сгорания топлива:

VO₂=0,01×, м³/м³ (2)

Где CO, H₂, H₂S, C_mH_n- горючие составляющие топлива, %

m=1÷5; n=2÷12

VO₂=0,01×=2,1056 м³/м³

· Определяем объем сухого воздуха:

V_B=α×× VO₂ (3)

где k-постоянная, равна 3,762;

α- коэффициент расхода воздуха, задан (1,1).

V_B=1,1××2,1056=11,03 м³/м³

· Определяем объем образующихся продуктов сгорания:

VCO₂=0,01×(CO₂+SO₂+CO+H₂S+∑m*C_mH_n) (4)

VH₂O=0,01×(H₂O+H₂+H₂S+0,5×∑n*C_mH_n) (5)

VN₂=0,01×N₂+α×k× VO₂ (6)

V’O₂=× VO₂ (7)

где CO_2, SO_2, CO, H₂S…-составляющие топлива, %

VO₂ , α, k – формулы (2), (3).

VCO₂=0,01×(0,5+0+0+0+1×82,1+2×3,69+3×1,5+4×1,4+5×2,2)=1,14 м³/м³

VH₂O=0,01×=1,9997 м³/м³

VN₂=0,01×0+1,1×3,762×2,1056=8,71 м³/м³

V’O₂=(1,1-1)×2,1056=0,211 м³/м³

V_п.с.=VCO₂+VH₂O+ VN₂+ V’O₂ (8)

V_п.с.=1,11+1,9997+8,71+0,211=12,031 м³/м³

^· Процентное содержание продуктов сгорания:

VCO₂=×100=9,226 %

VH₂O=×100=16,62 %

VN₂=×100=72,4 %

VO₂=×100=1,75%

· Правильность расчета определяем, составляя материальный баланс процесса горения:

Поступило, кг

CH₄ ×0,714=0,5862

C₂H₆×1,34=0,049

C₃H₆×1,875=0,0281

СО₂×1,964=0,00982

N₂×1,25=0,0938

C₄H₁₀×2,589=0,0363

C₅H₁₂×3,124=0,0707

Воздух11,03×1,29=14,229

Итого: 0,5862+0,049+0,0281+0,00982+0,0938+0,0363+0,0707+14,229=15,109

Получено, кг

VCO₂=1,11×1,964=2,18

VH₂O=1,9997×0,804=1,608

VN₂=8,71×1,25=10,888

VO₂=0,211×1,43=0,3017

Итого: 2,18+1,608+10,888+0,3017=14,98

Расхождение составляет:15,109-14,98=0,129кг

· Определяем калориметрическую и действительную температуры продуктов сгорания – t_K, t_g:

(9)

где t^!! , t^! – задаваемые калориметрические температуры, С

i^t… - энтальпия продуктов сгорания по задаваемым температурам, кДж/м³

i₀ – истинная энтальпия продуктов сгорания, формула (10)

Сначала определяем истинную энтальпию продуктов сгорания по формуле (10)

(10)

где Q^P_{Н СМ} – низшая теплота сгорания смеси, задана в условиях, кДж/м³

­V_В – смотреть формулу (3)

С_В , t_B – удельная теплоемкость и температура подогретого воздуха.

I₀=

· Затем находим энтальпию продуктов сгорания и по задаваемым калориметрическим температурам, используя справочные данные и формулы (11):

(11)

Задаемся = 1900 C и при этой температуре находим по формуле (11):

i^t1800=

Поскольку i^t1900 больше i₀, принимаем t”_K = 2000 ⁰C и при этой температуре находим энтальпию продуктов сгорания, используя формулу (11)

I²⁰⁰⁰=

· Теперь можно определить калориметрическую температуру продуктов сгорания по формуле (9):

t_K=2000+⁰С

Действительная температура продуктов сгорания в моментах их образования определяется по формуле (12):

T_g=n*t_k

Где n – пирометрический коэффициент находится в пределах 0,70,8

t_q=0,92001,3=1801,17⁰С

2.2 Определение времени термической обработки слябов

По практическим данным, в период нагрева металла тепловая нагрузка печи(расход топлива) должна быть неизменной. В период выдержки тепловая нагрузка печи должна снижаться так, что температура дымовых газов, металла и футеровки должны оставаться постоянными.

· Определим тепловоспринимающую площадь поверхности металла и внутреннего рабочего пространства печи:

(размеры внутреннего рабочего пространства печи берем из технической документации)

F_M=2*b*h+2*l*h + b*l, м² (13)

F_К=2*B*H+2*H*L+2H*L- b*1, м² (14)

F_M=2*1,25*0,2+2*3*0,2+1,25*3=5,45м²

F_К=2*5,104*2+2*2*9,396+2*2*9,396 – 1,25*3=81,626м²

· Определите степень развития кладки (15):

(15)

· Эффективная длина луча будет:

, м (16)

где, B,H,L - размер рабочего пространства печи, соответственно ширина, высота и длина, м;

l,b,h – длина, ширина и толщина сляба, м;

м.

· Определим время нагрева в первом интервале.

Для этой цели найдем средние температуры поверхности металла, дымовых гозов и кладки, принимая температуру поверхности метала в конце первого периода нагрева на 70 С меньше t^k м, а температур дымовых газов примерно на 150 С выше принимаемых температур, формулы(17),(18),(19):

t_CР.М.1=0,5*(600+t^Hм), ^ОС (17)

t_CР.Г.1=0,5* ^ОС, (18)

t_CР.К.1=0,5*(t_CР.М.1+ t_CР.Г.1), ­^О­С, (19)

t_CР.М.1=0,5*(600+380)=490 ^ОС

t_CР.Г.1=0,5*(750+800)=775 ^ОС

t_CР.К.1=0,5*(775+490)=632,5 ^ОС

· Парциальное давление излучающих составляющих дымовых газов (СО₂ и Н₂О) будет:

, кПа (20)

, кПа (21)

где %СО₂, %Н₂О – ПУНКТ 2.1;

кПа

кПа

· Произведение парциального давления на эффективную длину луча будет:

Р_СО2* S_ЭФ.=9,051*3,803=34,42 кПа*м

Р_Н2О* S_ЭФ.=16,904*3,803=62,004 кПа*м

По справочным данным (номограммам) определим степень дымовых газов:

_{; ;}

(22)

· Для определения плотности результирующего излучения на металл предварительного определим комплексы M₁, B₁, A₁ используя формулы (23)-(25):

(23)

(24)

(25)

где - формула(22), для первого интервала;

- степень черноты кладки печи, справочные данные;

- степень черноты металла, справочные данные;

- формула(15);

· Теперь можно определить плотность результирующего излучения на металл (26):

Вт/м² (26)

где С₀ - постоянная Стефана – Больцмана, Вт/м²К;

Т_СР.Г1, Т_СР.М1, Т_СР.К1 – температуры соответственно дымов газов, металла и кладки для первого интервала нагрева, (17),(18),(19),К;

· Коэффициент теплоотдачи излучением в первом интервале периода нагрева можно определить по формуле (27):

, Вт/м²К (27)

Вт/м²К

· Поскольку в печи преобладает излучение, принимаем, что теплоотдача конвекцией составляет 10% от всего тепла, поступающего а печь. Тогда коэффициент теплоотдачи конвекций будет равен:

, Вт/м²К (28)

Вт/м²К

Суммарный коэффициент теплоотдачи конвекций будет равен:

Вт/м²К

· Для определения критерий Bi, для расчетов берем толщину сляба с учетом двустороннего нагрева, т.е.

, м (29)

где - коэффициент несимметричности нагрева, справочные данные;

h – толщина сляба, м

Тогда критерий Bi составит:

(30)

Где - коэффициент теплопроводности металла, определяют по средней температуре металла, справочные данные, Вт/м²К

· Температурный критерий для поверхности сляба определим по формуле (31):

^, (31)

· По справочным данным (монограммы Будрина) определим критерий Фурье для поверхности сляба, по которому найдем температурный критерий для центра сляба и время нагрева металла в первом интервале, используя формулу (32):

Fo_П.1=1; =0,79;

Время нагрева металла:

,С (32)

Где Fo – критерий Фурье, для первого интервала нагрева определен выше;

а – коэффициент температуропроводости металла, справочные данные, определяют по средней температуре металлов температурном интервале, цифру следуем умножить на 10^-6,м²/с;

· Температура центра сляба в коне первого периода нагрева составит:

, ⁰С (33)

,⁰С

· Определим время нагрева металла во втором температурном интервале, используя те же формулы.

Средние температуры дымовых газов, металла и кладки печи(17-19)

t_CР.М.2=0.5(594,7+650)=622,35 ⁰С

t_CР.Г.2=0.5(750+810)=780 ⁰С

t_CР.К.2=0.5(622,35+780)=701,2 ⁰С

· По ранее найденным произведениям парциального давления на эффективную длину луча (формулу 22), по t_СР.Г2 определим степень черноты дымовых газов:

=0,145; =0,3; =1,09

=0,145+0,3*1,09=0,472

· Определим комплексы М, В, А, используя формулы (23-25):

· Теперь можно определить плотность результирующего излучения на металл (формула 26):

· Коэффициент теплоотдачи излучением в первом интервале периода нагрева можно определить по формуле (27):

^ИЗЛ₂=

^К₂=0,1*128,5=12,85

Суммарный коэффициент теплоотдачи будет:

=128,5+12,85=141,7

· Для определения критерия Bi, для расчетов берем толщину сляба с учетом двустороннего нагрева

Тогда критерий Bi составит , формула (30):

Bi₂=

· Температурный критерий для поверхности сляба определим по формуле (31)

· По справочным данным (монограммы Будрина) определим критерий Фурье для поверхности сляба, по которому найдем температурный критерий для центра сляба и время нагрева металла во втором интервале, используя формулу (32):

Fo_П.2= 0,5 =0,94

Время нагрева металла:

· Температура центра сляба в конце второго периода нагрева составит (формула 33):

t_CР.М.2.Ц=780-0,94*(780-594,7)=605,82^ОС

· Перепад температур между поверхностью и центром сляба в корзине второго периода нагрева составляет:

t=t^K_М - t_CР.М.2.Ц, С (34)

t=650-605,82=44,18^ОС

· С учетом температур, определенных расчетом и практических данных, Принимаем, время выдержки металла при неизменной температуре рабочего пространства печи ориентировочно составляет примерно 0,5 времени нагрева. Тогда время пребывания сляба в печи составит:

,ч (35)

Строим температурный график

Заключение

В пояснительной записке представлен курсовой проект по дисциплине «Теплотехника», на тему «Проект тепловой работы камерной термической печи с выкатным подом ЭСПЦ ЧерМК ОАО «Северсталь».

Пояснительная записка содержит две части: общую и специальную.

В общей части представлена характеристика печи, футеровка печи, тепловая работа печи.

В специальной части приведен расчет горения топлива в результате которого получено, что для полного сгорания 1м³ природного газа требуется 11,03м³ воздуха, в результате образуется 12,031 м³ продуктов сгорания, состоящих из СО₂=9,226%; Н₂О=16,62%; N₂=72,4%; О₂=1,75%.

Литература

1. Аксельрод Л. М., Антонов Г. И., Гришенков Е. Е. и др. Служба огнеупоров – М.: Интермет Инжиниринг, 2002, - 656 с.

2. Григорьев В. П., Нечкин Ю. М., Егоров А. А., Никольский Л. Е. Конструкции и проектирование агрегатов сталеплавильного производства – М. МИСИС. 1995 – 512 с.

3. Губинский В. И., Тимошпольский В. И., Несенчук А. П. и др. Расчёты металлургических печей, справочник в 2 т. – М.: Теплотехник, 2009 – 512 с.

4. Кривандин В. А., Филимонов Ю. П. Теория и конструкции металлургических печей, т.1 – М.: Металлургия, 1986 – 479 с.

5. Мастрюков Б. С. Расчёты металлургических печей, т.2 – М.: Металлургия, 1986 – 376 с.

1. Филимонов Ю. П., Громов Н. С. Топливо и печи М.: Металлургия, 1987 – 320 с.