Нагревательные печи прокатных цехов

 

По формуле (91,а)[1] рассчитаем состав влажного газа

Тогда состав влажного коксового  газа, %:

 

CH4	C2H6	C3H8	C4H10	C5H12	CO2	H2S	N2	H2O
97,12	0,078	0,003	0,0009	-	0,0986	-	1,2818	1,23

 

Низшую теплоту сгорания находим по формуле (93,а)[1]

По формуле (94,а)[1] находим расход кислорода для сжигания коксового газа при коэффициенте воздуха n=1,0

 

Расход сухого воздуха  при n=1,1(формула 95)[1]

По формулам (96,а)[1] находим состав продуктов сгорания:

Суммарный объем продуктов  сгорания равен (формула 97)[1]

Процентный состав продуктов  сгорания

Правильность расчета  проверяем составлением материального  баланса

Поступило, кг.                                                           Получено, кг.

Расхождение, определяемое погрешностью расчета составляет 0,09225кг.

Плотность газа равна ρ_г=0,8749кг/м³.

Плотность продуктов  сгорания ρ_п.с.=13,73815/10,948=1,2548кг/м³.

По формуле (99)[1] определяем истинную энтальпию продуктов сгорания

Зададим температуру  и при этой температуре по формуле (99,а)[1] находим энтальпию продуктов сгорания, используя приложение 2.

 

Поскольку принимаем температуру и снова находим энтальпию продуктов сгорания

Теперь по формуле (98)[1] определяем калориметрическую температуру горения газа рассматриваемого состава в заданных условиях

t_дейст=h_пир×t_к=(0,75¸0,85)t_к=0,80*2413,8=1931°С.

 

 

 

 

3. Расчёт времени нагрева металла.

Определим ориентировочные  размеры печи. При однорядном расположении металла ширина печи равна:

         B=l+2(0,2¸0.3)=10+2×0,25=10,5 м.

В печах с плоско-пламенными горелками свод выполняется не профилированным и по всей длине печи можно принять высоту свода равной Н=1 м.

Определение времени нагрева металла в печи:

 t=

 

- средняя в пределах зоны  плотность результирующего потока  на нагреваемый металл, Вт/м².

S – Расчетная толщина металла, м.

с средняя в интервале температур t_нач – t_кон теплоёмкость металла, КДж/кг×К.

r - плотность металла, кг/м³.

_кон – средняя по сечению температура металла в конце зоны, ⁰С.

_кон=

- то же в начале зоны, ^оС.

_нач=

Определим плотность  потока результирующего излучения  на металле:

,[ ]

 

- приведенный коэффициент излучения системы, Вт/м²К

С₀=5,7 [Вт/(м²К⁴)]

e_ф^’ и T_ф^’ – степень черноты и температура газов в зоне горения.

e_ф^’’ и T_ф^” – то же, в зоне теплообмена.

q^к_ф.конв. – плотность конвективного теплового потока от факела на кладку, Вт/м².

e_м и e_ф – степень черноты металла и кладки.

Определим температуру  кладки:

, [К]

q^к_ф – плотность потока излучения от факела на кладку, Вт/м²

Можно принять, что температура  зоны горения по всей длине печи равна действительной температуре  горения топлива.

t_дейст=h_пир×t_к=(0,75¸0,85)t_к

Температуру газов в зоне теплообмена  можно принять равной:

t_ф^’=t_действ=0,80×2413,8=1931^оС

t_ф^’’=0,5(t^’_ф+t_м^пов)

Из выражения следует, что температура зоны теплообмена  меняется по всей длине печи.

Определим температуру  центра изделия

t^пов – температура поверхности металла в сечении печи, ^оС.

q – плотность результирующего потока на металл в том же сечении, Вт/м².

l - коэффициент теплопроводности металла при средней температуре в рассматриваемом сечении, Вт/(м²К).

Принимаем, что проектируемая печь имеет три теплопроводные зоны: методическую, сварочную и томильную. В конце  методической зоны, температура поверхности  металла равна 600^оС, а в конце сварочной 1230^оС.

Время нагрева металла в методической зоне.

В начале методической зоны

t^’’_ф.нач=(t^’_ф+t^нач_м)×0,5=(1931+20)×0,5=975,5^оС

В конце методической зоны

t^’’_кон=(t^’_ф+t^кон_м)×0,5=(1931+1240)×0,5=1585,5^оС

Парциальные давления СО₂ и Н₂О в продуктах сгорания равны:

Р_СО2=СО₂*0,981=8,81*0,981=8,6 [кПа] , Р_Н2О=Н₂О*0,981=17,99*0,981=17,6 [кПа]

S_эф=1,8Н – эффективная длина луча.

Толщину зоны горения принимаем  равной Н^’=0,1м.

Толщина зоны теплообмена 

Н¢¢=Н - Н¢ - d=1-0,1-0,25=0,65 [м]

d - толщина металла, м.

Тогда S¢_эф=1,8×0,1=0,18 [м]; S¢¢_эф=1,8×0,75=1,35[м].

Для зоны горения 

Р_СО2× S¢_эф=8,6×0,18=1,55[кПа×м]

Р_Н2О× S¢_эф=17,6×0,18=3,17[кПа×м]

По графикам на рис. 13 – 15 [Л1], при t^’_ф=1931^оС находим: e_СО2<0,028, e¢_Н2О<0,021, b=1,12.

Принимаем e¢_ф=0 из-за малой толщины слоя.

Это означает, что теплообмен между зоной горения и поверхностью кладки происходит за счёт конвекции.

Для зоны теплообмена 

Р_СО2× S¢¢_эф=8,6×1,17=11,06[кПа×м]

Р_Н2О× S¢¢_эф=17,6×1,17=20,6[кПа×м]

По графикам на рис. 13 – 15 [Л1], находим в начале методической зоны (t^’’_ф=975,5) e_СО2=0,11, e¢_Н2О=0,18, b=1,09

e¢¢_ф=0,11+1,09×0,18=0,306

В конце методической зоны (t¢¢_ф=1585,5^о)

e_СО2=0,10, e¢_Н2О=0,14, b=1,09

e¢¢_ф=0,10+1,09×0,14=0,253

Плотность теплового  потока излучением на кладку равна:

В начале методической зоны:

В конце методической зоны

Принимая значение коэффициента теплоотдачи от факела к кладке равным a_конв=150 Вт/(м²К), найдем плотность конвективного теплового потока q^к_ф.конв.. Для этого ориентировочно зададимся значением температуры кладки t_к=0,5×(t¢_ф+t¢¢_ф)

в начале методической зоны

t_к=0,5(1931+975,5)=1453 ^оС

q^к_ф.конв=150×(1931 - 1453)=71700 Вт/м²

Определим температуру  кладки

При расчёте было принято, что e_м=e_к=0,8.

Поскольку получено большое  расхождение между принятым и расчётным t_к принимаем новое значение температуры, равное среднему арифметическому из двух предыдущих.

t_к=0,5×(1453+872,2)=1162,6^оС

тогда q^к_ф.конв=150×(1931 – 1162,6)=115260Вт/м²

Находим величину плотности  результирующего потока в металл в начале методической зоны. Для этого по уточнённому значению t_к находим:

q^к_ф.конв=150×(1931 – 969,2)=144270Вт/м²

и учитывая, что e¢_ф=0

в конце методической зоны:

t_к=0,5(1931+1145)=1538 ^оС

q^к_ф.конв=150×(1931 – 1538)=58950Вт/м²

Уточняем значение температуры  кладки, задаваясь новой величиной 

t_к=0,5(1538+954)=1246 ^оС, тогда

q^к_ф.конв=150×(1931 – 1246)=102750Вт/м²

Теперь

q^к_ф.конв=150×(1931 – 1056)=131250Вт/м²

Средняя по длине методической зоны плотность результирующего теплового  потока на металл:

Находим температуру центра заготовки в конце методической зоны:

t^цент=

t^цент=

l=37,1 Вт/м×К – коэффициент теплопроводности низкоуглеродистой стали при t=1240^оС.

m =0,55 - коэффициент несимметричности нагрева.

d=а=0,25м – зазор, принимаем толщину сляба.

S=m×d=0,55×0,25=0,138м – расчётная толщина сляба.

Находим среднею температуру  металла в начале зоны:

=0^оC

В конце зоны:

= ^оС

При средне температуре  металла по длине методической зоны по приложению IX[Л1], находим коэффициент теплопроводности низкоуглеродистой стали при температуре

0,5(0+734,6)=367,3^оС

l=51,3 Вт/(м×К), и удельную теплоемкость с=0,51 КДж/(кг×К).

Находим время нагрева  металла в методической зоне:

t_м=

Время нагрева металла в сварочной зоне.

Так как началом сварочной  зоны является конец методической, то из предыдущего расчёта берем:

e¢¢_ф=0,253, t^’’_ф=1585,5^оС, t^пов_м=1240_оС, t^цент_м=397,7^оС, t_к=1240 ^оС

В конце сварочной зоны:

t^пов_м=1230^оС, t¢¢_ф=0,5(1931+1230)=1580,5^оС.

По графикам на рис. 13 – 15 [Л1], находим в начале методической зоны (t^’’_ф=1580,5) e_СО2=0,078, e¢_Н2О=0,115, b=1,09

Р_СО2× S¢¢_эф=10,06[КПа×м]

Р_Н2О× S¢¢_эф=20,6[КПа×м]

e¢¢_ф=0,079+1,09×0,12=0,2098

Задаваясь значением t_к=(1931+1240)×0,5=1585^оС, находим:

q^к_ф.конв=150×(1931 – 1585)=18274Вт/м²

Уточняем значение температуры  кладки:

t_к=(1585+1258)×0,5=1421,5^оС, тогда

q^к_ф.конв=150×(1931 – 1421,5)=76425Вт/м²

По уточненному значению Т_к находим

q^к_ф.конв=150×(1931 – 1293,3)=95655Вт/м²

Определяем среднюю по длине  сварочной зоны плотность результирующего  теплового потока на металл:

Температура центра сляба  в конце сварочной зоны:

t^цент_м=

Определяем среднюю  температуру металла 

в начале зоны = =465^оС

в конце зоны = ^оС

по длине зоны

0,5(465+1135,9)=800,45^оС

При 800,45^оС находим

с=0,695 КДж/(кг×К)

Время нагрева металла  в сварочной зоне

 t_св= =

Время томления металла.

 Перепад температур  по сечению металла в начале  томильной зоны:

Dt^том_нач=1230 – 1088,9=141,1^оС

в конце зоны

Dt^том=35^оС.

Степень выравнивания температуры

d_выр=Dt^том/Dt^том_нач=35/141,1=0,25

По графику на рис. 19 [Л1], находим F₀=1,8

Определяем среднюю  температуру металла в томильной зоне:

=0,5[1135,9+1230- (1230-1195)]=1171,3^оС

а=5,83×10^-6м²/с.

тогда время томления металла:

Общее время нагрева

t=t_м+t_св+t_том=2682+6078+5879,8=14639,8с=4,07ч

Определим основные размеры  печи

Для обеспечения производительности 215т/ч=111,11кг/с в  печи должно одновременно находиться количество металла:

G=P×t=111,11×14639,8=1626,6·10³ кг

Масса одной заготовки

g=b×d×l×r=1,8×0,25×10×7800=35100 кг

Число заготовок одновременно находящихся в печи

n=G/g=1626,6·10³ /35100=46 шт.

С учётом зазоров (а=0,125)между заготовками длинна печи равна:

L=n(b+a)=46(1,8+0,125)=88,55 м