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
Общая часть 3
Устройство камерной термической печи 3
Характеристика материалов, используемых
для футеровки печи 5
Тепловая работа печи 6
Специальная часть 7
Расчет горения природного газа 7
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 тру
бу 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(5Ч9)
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 Al2O3Ч2 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.
= 358Ч82,1+636Ч3,69+1465Ч2,2+1185Ч1,4=36600,84 кДж/м3
Находим объем воздуха, необходимый для сгорания топлива:
VO2=0,01Ч 
, м3/м3 (2)
Где CO, H2, H2S, CmHn- горючие составляющие топлива, %
m=1ч5; n=2ч12
VO2=0,01Ч 
=2,1056 м3/м3
Определяем объем сухого воздуха:
VB=αЧ 
Ч VO2 (3)
где k-постоянная, равна 3,762;
α- коэффициент расхода воздуха, задан (1,1). 
VB=1,1Ч 
Ч2,1056=11,03 м3/м3
Определяем объем образующихся продуктов сгорания:
VCO2=0,01Ч(CO2+SO2+CO+H2S+∑m *CmHn) (4)
VH2O=0,01Ч(H2O+H2+H2S+0,5Ч∑n *CmHn) (5)
VN2=0,01ЧN2+αЧkЧ VO2 (6)
V’O2= 
Ч VO2 (7)
где CO2, SO2, CO, H2S…-составляющие топлива, %
VO2 , α, k – формулы (2), (3).
VCO2=0,01Ч(0,5+0+0+0+1Ч82,1+2Ч3,69+3Ч1,5+4Ч1,4+5Ч2,2)=1,14 м3/м3
VH2O=0,01Ч 
=1,9997 м3/м3
VN2=0,01Ч0+1,1Ч3,762Ч2,1056=8,71 м3/м3
V’O2=(1,1-1)Ч2,1056=0,211 м3/м3
Vп.с.=VCO2+VH2O+ VN2+ V’O2 (8)
Vп.с.=1,11+1,9997+8,71+0,211=12,031 м3/м3
Процентное содержание продуктов сгорания:
VCO2= 
Ч100=9,226 %
VH2O= 
Ч100=16,62 %
VN2= 
Ч100=72,4 %
VO2= 
Ч100=1,75%
Правильность расчета определяем, сост
авляя материальный баланс процесса горения:
Поступило, кг
CH4 
Ч0,714=0,5862
C2H6 
Ч1,34=0,049
C3H6 
Ч1,875=0,0281
СО2
Ч1,964=0,00982
N2
Ч1,25=0,0938
C4H10
Ч2,589=0,0363
C5H12
Ч3,124=0,0707
Воздух11,03Ч1,29=14,229
Итого: 0,5862+0,049+0,0281+0,00982+0,0938+0,0363+0,0707+14,229=15,109
Получено, кг
VCO2=1,11Ч1,964=2,18
VH2O=1,9997Ч0,804=1,608
VN2=8,71Ч1,25=10,888
VO2=0,211Ч1,43=0,3017
Итого: 2,18+1,608+10,888+0,3017=14,98
Расхождение составляет:15,109-14,98=0,129кг
Определяем калориметрическую и действител
ьную температуры продуктов сгорания – tK, tg:
(9)
где t!! , t! – задаваемые калориметрические температуры, С
it… - 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 QPН СМ – низшая теплота сгорания смеси, задана в условиях, кДж/м3
VВ – смотреть формулу (3)
СВ , tB – 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):
it1800= 
Поскольку it1900 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):
tK=2000+ 
0С
Действительная температура продуктов сгорания в моментах их образования определяется по формуле (12):
Tg=n*tk
Где n – пирометрический коэффициент находится в пределах 0,7
0,8
tq=0,9 
2001,3=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)
FM=2*b*h+2*l*h + b*l, м2 (13)
FК=2*B*H+2*H*L+2H*L- b*1, м2 (14)
FM=2*1,25*0,2+2*3*0,2+1,25*3=5,45м2
FК=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 tk м, а температур дымовых газов примерно на 150 С выше принимаемых температур, формулы(17),(18),(19):
tCР.М.1=0,5*(600+tHм), ОС (17)
tCР.Г.1=0,5*
ОС, (18)
tCР.К.1=0,5*(tCР.М.1+ tCР.Г.1), ОС, (19)
tCР.М.1=0,5*(600+380)=490 ОС
tCР.Г.1=0,5*(750+800)=775 ОС
tCР.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:
РСО2* SЭФ.=9,051*3,803=34,42 кПа*м
РН2О* SЭФ.=16,904*3,803=62,004 кПа*м
По справочным данным (номограммам) определи
м 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;
ТСР.Г1, ТСР.М1, ТСР.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):
FoП.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)
tCР.М.2=0.5(594,7+650)=622,35 0С
tCР.Г.2=0.5(750+810)=780 0С
tCР.К.2=0.5(622,35+780)=701,2 0С
По ранее найденным произведениям парциального давления на эффективную длину луча (формулу 22), по tСР.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):
FoП.2= 0,5 
=0,94
Время нагрева металла:
Температура центра сляба в конце второго периода нагрева составит (формула 33):
tCР.М.2.Ц=780-0,94*(780-594,7)=605,82ОС
Перепад температур между поверхностью и центром сляба в корзине второго периода нагрева составляет:
t=tKМ - tCР.М.2.Ц, С (34)
t=650-605,82=44,18ОС
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
Аксельрод Л. М., Антонов Г. И., Гришенков Е. Е. и др. Служба огнеупоров – М.: Интермет Инжиниринг, 2002, - 656 с.
Григорьев В. П., Нечкин Ю. М., Егоров А. А., Никольский Л. Е. Конструкции и проектирование агрегатов сталеплавильного производства – М. МИСИС. 1995 – 512 с.
Губинский В. И., Тимошпольский В. И., Несенчук А. П. и др. Расчёты металлургических печей, справочник в 2 т. – М.: Теплотехник, 2009 – 512 с.
Кривандин В. А., Филимонов Ю. П. Теория и конструкции металлургических печей, т.1 – М.: Металлургия, 1986 – 479 с.
Мастрюков Б. С. Расчёты металлургических печей, т.2 – М.: Металлургия, 1986 – 376 с.
Филимонов Ю. П., Громов Н. С. Топливо и печи М.: Металлургия, 1987 – 320 с.
