оС =28,2 Вт/(м.К), м2/с.
Тогда
.
Время нагрева металла во II сварочной зоне равно
с (0,727 ч).
Температура центра сляба в конце II сварочной зоны при значениях =1,61, =1,1, =0,4.
оС.
2.2.4 Определение времени томления металла
Перепад температур по толщине металла в начале томильной зоны составляет о. Допустимый перепад температур в конце нагрева составляет о.
Степень выравнивания температур равна
При коэффициенте несимметричности нагрева, равном =0,55 критерий =0,58, для томильной зоны.
При средней температуре металла в томильной зоне оС, =29,6 Вт/(м.К) и м2/с.
Время томления
с (0,383 ч).
Полное пребывание металла в печи равно
с (2,44 ч).
2.3 Определение основных размеров печи
Для обеспечения производительности 72,22 кг/с в печи должно одновременно находиться следующее количество металла
кг.
Масса одной заготовки равна
кг.
Количество заготовок, одновременно находящихся в печи
шт.
При однорядном расположении заготовок общая длина печи
м.
По ширине печи =10,9 м
м2.
Длину печи разбиваем на зоны пропорционально времени нагрева металла в каждой зоне.
Длина методической зоны
м.
Длина I сварочной зоны
м.
Длина II сварочной зоны
м.
Длина томильной зоны
м.
В рассматриваемом случае принята безударная выдача слябов из печи. В противном случае длину томильной зоны следует увеличить на длину склиза =1,5 м.
Свод печи выполняем подвесного типа из каолинового кирпича толщиной 300 мм. Стены имеют толщину 460 мм, причем слой шамота составляет 345 мм, а слой изоляции (диатомитовый кирпич), 115 мм. Под томильной зоны выполняем трехслойным: тальковый кирпич 230 мм, шамот 230 мм и тепловая изоляция (диатомитовый кирпич) 115 мм.
2.4 Тепловой баланс
Приход тепла
1. Тепло от горения топлива
В кВт,
здесь В – расход топлива, м3/с, при нормальных условиях.
2. Тепло, вносимое подогретым воздухом
В кВт.
3. Тепло экзотермических реакций (принимая, что угар металла составляет 1 %)
кВт.
Расход тепла
1. Тепло, затраченное на нагрев металла
кВт,
где =838 кДж/кг – энтальпия углеродистой стали при оС; =9,72 кДж/кг – то же, при оС.
2. Тепло, уносимое уходящими дымовыми газами
В кВт.
Энтальпию продуктов сгорания находим при температуре =1050оС
___________________________________
=1622,35 кДж/м3
3. Потери тепла теплопроводностью через кладку.
Потерями тепла через под в данном примере пренебрегаем. Рассчитываем только потери тепла через свод и стены печи.
Потери тепла через свод
Площадь свода принимаем равной площади пода 396,76 м2; толщина свода 0,3 м, материал каолин. Принимаем, что температура внутренней поверхности свода равна средней по длине печи температуре газов, которая равна
оС.
Если считать температуру окружающей среды равной =30оС, то температуру поверхности однослойного свода можно принять равной =340оС.
При средней по толщине температуре свода оС коэффициент теплопроводности каолина Вт/(м.К).
Тогда потери тепла через свод печи будут равны
кВт,
где Вт/(м2.К).
Потери тепла через стены печи
Стены печи состоят из слоя шамота толщиной =0,345 м и слоя диатомита, толщиной =0,115 м.
Наружная поверхность стен равна:
методическая зона
м2;
I сварочная зона
м2;
II сварочная зона
м2;
томильная зона
м2;
торцы печи
м2.
Полная площадь стен равна
м2.
Для вычисления коэффициентов теплопроводности, зависящих от температуры, необходимо найти среднее значение температуры слоев. Средняя температура слоя шамота равна , а слоя диатомита , где – температура на границе раздела слоев, оС; – температура наружной поверхности стен, которую можно принять равной 160оС.
Коэффициент теплопроводности шамота
, Вт/(м.К).
Коэффициент теплопроводности диатомита
, Вт/(м.К).
В стационарном режиме
.
Подставляя значения коэффициентов теплопроводности
или
.
Решение этого квадратичного уравнения дает значение
=728,8оС.
Тогда
оС,
оС.
Окончательно получаем
Вт/(м.К).
Вт/(м.К).
Количество тепла, теряемое теплопроводностью через стены печи, равно
кВт,
где Вт/(м2.К).
Общее количество тепла, теряемое теплопроводностью через кладку
кВт.
4. Потери тепла с охлаждающей водой по практическим данным принимаем равными 10 % от тепла, вносимого топливом и воздухом
В кВт.
5. Неучтенные потери определяем по формуле
В кВт.
Уравнение теплового баланса
.
Откуда
=5,46 м3/с.
Результаты расчетов заносим в таблицу
Таблица 1 –
Тепловой баланс методической печи
Статья прихода
кВт (%)
Статья расхода
кВт (%)
Тепло от горения топлива . . . . . . . .
Физическое тепло воздуха . . . . . . . .
Тепло экзотермических реакций . . . . . . . .
_____________________
Итого:
114114 (83, 82)
17948,06 (13, 18)
4080 (3, 00)
________________________
136142,06 (100, 0)
Тепло на нагрев металла . . . . . . . . .
Тепло, уносимое уходящими газами
Потери тепла теплопроводностью через кладку . . . . .
Потери тепла с охлаждающей водой . . . . . . . . . . .
Неучтенные потери
__________________________
Итого:
59820,2 (43, 94)
56602,83 (41, 16)
3908,5 (2, 87)
13206,16 (9, 70)
2604,43 (2, 33)
________________________
136142,06 (100,0)
Удельный расход тепла на нагрев 1 кг металла
кДж/кг.
2.5 Расчет рекуператора для подогрева воздуха
Исходные данные для расчета: на входе в рекуператор =0оС, на выходе =450оС. Температура дыма на входе в рекуператор =1050оС. Расход газа на отопление печи =5,46 м3/с. Расход воздуха на горение топлива м3/с. Количество дымовых газов на входе в рекуператор м3/с. Состав дымовых газов 10,6 % СО2; 16,8 % Н2О; 0,8 % О2 и 71,8 % N2.
Выбираем керамический блочный рекуператор. Материал блоков – шамот, марка кирпича Б-4 и Б-6. Величину утечки воздуха в дымовые каналы принимаем равной 10 %. Тогда в рекуператор необходимо подать следующее количество воздуха 29,8/0,9=33,1 м3/с.
Количество потерянного в рекуператоре воздуха
м3/с.
Среднее количество воздуха
м3/с.
Количество дымовых газов, покидающих рекуператор (с учетом утечки воздуха) равно
м3/с.
Среднее количество дымовых газов
м3/с.
Зададим температуру дымовых газов на выходе из рекуператора =650оС. При этой температуре теплоемкость дымовых газов
,
_____________________________
=1462 кДж/(м3.К)
Теплоемкость дыма на входе в рекуператор (=1050оС)
_____________________________
=1,538 кДж/(м3.К)
Теперь , где =1,3583 кДж/(м3.К) – теплоемкость воздуха при =650оС.
Решая это уравнение относительно , получим =651,3оС651оС.
В принятой конструкции рекуператора схема движения теплоносителей – перекрестный ток. Определяем среднелогарифмическую разность температур для противоточной схемы движения теплоносителей
;
о.
Найдя поправочные коэффициенты
и ,
, тогда оС.
Для определения суммарного коэффициента теплопередачи примем среднюю скорость движения дымовых газов =1,2 м/с, среднюю скорость движения воздуха =1,5 м/с.
Учитывая, что эквивалентный диаметр воздушных каналов равен =0,055 м =55 мм, находим значение коэффициента теплоотдачи конвекцией на воздушной стороне
=14 Вт/(м2.К).
Учитывая шероховатость стен, получим
Вт/(м2.К).
Коэффициент теплоотдачи на дымовой стороне находим по формуле
.
Учитывая, что гидравлический диаметр канала, по которому движутся дымовые газы равен =0,21 м, находим коэффициент теплоотдачи конвекцией на дымовой стороне
=6,4 Вт/(м2.К),
или с учетом шероховатости стен
Вт(м2.К).
Величину коэффициента теплоотдачи излучением на дымовой стороне определяем для средней температуры дымовых газов в рекуператоре, равной оС.
Среднюю температуру стенок рекуператора принимаем равной
оС.
Эффективная длина луча в канале равна
м.
При =850,5оС находим
=0,05; =0,035; =1,06.
.
При =537,75оС
.
Учитывая, что при степени черноты стен рекуператора , их эффективная степень черноты равна , находим коэффициент теплоотдачи излучением
Вт/(м2.К).
Суммарный коэффициент теплоотдачи на дымовой стороне равен
Вт/(м2.К).
При температуре стенки =537,75оС коэффициент теплопроводности шамота равен
Вт/(м.К)
С учетом толщины стенки элемента рекуператора =0,019 м находим суммарный коэффициент теплопередачи по формуле
Вт/(м2.К),
где и – соответственно основная поверхность теплообмена и оребренная, м2.
При
Вт/(м2.К).
Определяем поверхность нагрева и основные размеры рекуператора. Количество тепла, передаваемого через поверхность теплообмена, равно
кВт.
По следующей формуле находим величину поверхности нагрева рекуператора
м2.
Так как удельная поверхность нагрева рекуператора, выполненного из кирпичей Б=4 и Б=6, равна =10,3 м2/м3, можно найти объем рекуператора
м3.
Необходимая площадь сечений для прохода дыма равна
м2.
Учитывая, что площадь дымовых каналов составляет 44 % общей площади вертикального сечения рекуператора, найдем величину последнего
м2.
Принимая ширину рекуператора равной ширине печи, т. е. =10,9 м, находим высоту рекуператора
м.
Длина рекуператора
м.
2.6 Выбор горелок
В многозонных методических печах подводимая тепловая мощность (а следовательно, и расход топлива) распределяется по зонам печи следующим образом: в верхних сварочных зонах по 18 – 22%; в нижних сварочных зонах по 20 – 25% и в томильной зоне 12 – 18%.
Распределяя расход топлива по зонам пропорционально тепловой мощности, получим: верхние сварочные зоны по 1,09 м3/с; нижние сварочные зоны по 1,23 м3/с, томильная зона 0,82 м3/с.
Плотность газа 1,0 кг/м3, расход воздуха при коэффициенте расхода п=1,05 равен 5,46 м3/м3 газа.
Пропускная способность горелок по воздуху: верхние сварочные зоны м3/с; нижние сварочные зоны м3/с; томильная зона м3/с.
Расчетное количество воздуха определяем по формуле:
;
верхние сварочные зоны
м3/с;
нижние сварочные зоны
м3/с;
томильная зона
м3/с.
Заключение
Технико-экономическая оценка работы методических печей
Широкое применение методических толкательных печей вызвано тем, что эти печи обеспечивают достаточно высокую производительность при невысоком удельном расходе топлива, а также обеспечивают высокий коэффициент использования тепла в рабочем пространстве. Это объясняется наличием методической зоны.
Применение глиссажных труб с рейтерами повышает равномерность нагрева металла (без царапин и холодных пятен) и создает предпосылки для увеличения ширины и длины печи.
Однако все методические печи толкательного типа имеют недостатки, обусловленные невозможностью быстрой выгрузки металла из печи и трудностями перехода от нагрева слябов одного размера к нагреву слябов другого размера. Эти проблемы могут быть решены только при использовании методических печей с шагающим подом.
Список использованных источников
1 Кривандин В.А. Металлургические печи / В.А. Кривандин; профессор, доктор техн. наук. – Москва: Металлургия, 1962 г. – 461 с.
2 Кривандин В.А. Теория, конструкции и расчеты металлургических печей – 2 том / В.А. Кривандин; профессор, доктор техн. наук. – Москва: Металлургия, 1986 г. – 212 с.
3 Телегин А. С. Лебедев Н. С. Конструкции и расчет нагревательных устройств – 2-е издание переработанное и дополненное . Москва: Машиностроение, 1975 г. – 170 с.
