Расчёт металлургической печи

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра теплофизики

Курсовая работа

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

по теплотехнике

на тему:

«Расчёт металлургической печи»

Липецк 2001

Аннотация

С. 36, рис. 6, табл. 3, прил. 2, библ. 8 назв.

 В данной работе рассчитывается методическая печь с двусторонним обогревом, предназначенная для нагрева изделий из углеродистой стали Ст20 размерами 230´850´9200. Производительность рассчитываемой печи составляет 155 т/ч. Печь обогревается продуктами сгорания смеси природно-доменного газа.

Содержание.

1. Расчёт горения топлива……………………………………….….…4

2. Расчёт нагрева металла……………………………………..……...10

2.1. Расчёт основных размеров рабочей камеры и

параметров внешнего теплообмена…………………………….…….10

2.2. 1-я ступень нагрева – методическая зона …………………11

 2.3. 2-я ступень нагрева – сварочная зона ……………………….……..14

2.4. 3-я ступень нагрева – томильная зона..……………………….….…17

3. Тепловой баланс методической печи….……………………...…..19

4. Расчёт керамического рекуператора …….……………………….30

4.1.Определение коэффициента теплоотдачи

продуктов сгорания……………………………………………………...31

4.2. Определение требуемой поверхности теплообмена……………...31

4.3. Определение размеров рекуператора……………………………...33

4.4. Окончательные размеры рекуператора……………………………34

4.5. Расчет аэродинамического сопротивления воздушного тракта…35

4.6. Расчет аэродинамического сопротивления тракта продуктов сгорания……………………………………………………………………...…...36

5. Выбор горелочных устройств …….………………………..…….37

6. Расчет газового, воздушного и дымового

трактов нагревательных печей………………...…………….…………...38

6.1. Определение размеров газо- и воздухопроводов …………40

6.2.  Расчет дымового тракта…………………………………….40

6.3.Аэродинамический расчёт дымового тракта……………...……..41

Библиографический список….………….…….………………………….42

Приложения………………………..…….………………………….…….45

1. Расчёт горения топлива.

Производим расчет горения смеси природно-доменного газа с теплотой сгорания Q^p_н=8100 кДж/м³ в нагревательном колодце для нагрева слитков до 1230^оС.

В нагревательных колодцах применяют горелки без предварительного смешения газа с воздухом, поэтому принимаем коэффициент расхода воздуха a=1,1.

Из справочной литературы берем состав сухих газов.

Таблица 1

Состав сухих газов

Принимаем влажность газов:

- доменного W₁=30 г/м³,

-  природного W₂=10 г/м³.

Определяем содержание влаги во влажном газе:

доменном

Н₂О=100×W₁/(803,6+ W₁)=3,598 %,

природном

Н₂О=100×W₂/(803,6+ W₂)= 1,229 %.

Пересчитаем состав сухих газов на влажные.

Доменный газ.

Содержание СО₂ во влажном газе:

 =9,64 %.

Аналогично находим содержание других компонентов во влажном доменном газе.

Химический состав влажного доменного газа, %:

СО₂^Р СО^Р СН₄^Р Н₂^Р N₂^Р Н₂О Всего

9,64 26,41 0,867 3,18 56,29 3,598 100

Таким же путем определяем состав влажного природного газа:

СН₄^Р С₂Н₆^Р N₂^Р С₄Н₁₀^Р Н₂О Всего

91,06 0,79 5,926 0,987 1,229 100

Определяем низшую теплоту сгорания газов:

- доменного

Q_н^Р=126,45×СО+107,6×Н₂+358×СН₄=3992,712 кДж/м³

- природного

Q_н^Р=358×СН₄+635× С₂Н₆+1253,36× С₄Н₁₀=34340,34 кДж/м³

Находим долю доменного газа в смеси:

=0,864

Доля природного газа (1-)=0,135.

Определяем состав смеси влажного газа:

Х=×Х₁+(1-)×Х₂,

где Х₁-содержание данного компонента (например СО₂,% ) в доменном газе;

 Х₂-то же, в природном газе.

Находим содержание СО₂ в смешанном газе:

=0,864×9,64+0=8,329 %

Аналогично определяем содержание других компонентов смешанного газа и получаем его состав, %:

СО₂ СО СН₄ Н₂ N₂ С₂Н₆ С₄Н₁₀ Н₂О Всего

 8,329 22,82 13,07 2,748 49,44 0,106 0,133 3,27 100

Для проверки точности расчета определяем теплоту сгорания смешанного газа:

Q_н^Р=126,45×СО+107,6×Н₂+358×СН₄+635× С₂Н₆+1253,36×С₄Н₁₀=8095,6кДж/м³

Определяем ошибку теплоты сгорания:

dQ=×100=5,4×10^-4 %<0,5%.

Разность между расчетной и заданной теплотой сгорания смешанного газа не превышает ± 0,5 %.

Табличным способом рассчитываем удельное теоретическое количество воздуха и продуктов горения (табл. 2)

Таблица 2

Расчет горения топлива

Используя данные табл.2, определяем удельное действительное количество воздуха, количество и состав продуктов горения для принятого коэффициента расхода воздуха a=1,1.

Удельное количество воздуха:

V_В=V_В⁰+(a-1)× V_В⁰=1,1×1,911=2,102 м³

Удельное количество продуктов горения:

V_п= V_п⁰+(a-1)×V_В⁰=2,785+0,1×1,911=2,976 м³/м³.

Удельное количество азота:

V_N= V_N⁰+(a-1)×V_NВ⁰=2,005+0,151=2,155 м³/м³.

Удельное количество кислорода:

V_О= (a-1)×V_ОВ⁰=0,0401 м³/м³.

Удельное количество других компонентов продуктов горения (табл. 2):

=0,4497 м³/м³

=0,3315 м³/м³.

Состав продуктов горения:

СО₂= /V_п×100%=15,11%,

N₂=V_N2/V_п×100%=72,41%,

Н₂О=/V_п×100%=11,14%,

О₂=V_О2/ V_п×100%=1,34%.

Плотность среды:

+ +m_Н2О×Н₂О/(100×22,4)=2674,381/2240=1,194 кг/м³.

r_во=1,293 кг/м³ - плотность воздуха.

Плотность продуктов сгорания:

=2936,026/2240=1,31 кг/м³.

Точность расчета проверяем составлением материального баланса горения на 1 м³ газа. Поступило:

- газа r_ГО×V_Г=1,194×1=1,194 кг;

- воздуха r_во×V_В=2,102×1,293=2,718 кг.

Всего: М_у=1,194+2,718=3,912 кг.

Получено продуктов сгорания:

 М_п=r_по×V_п=2,976×1,310=3,9 кг.

Баланс выполнен, если невязка меньше 0,5%:

.

Расчет калориметрической температуры горения.

Энтальпия продуктов горения:

i_п=Q^p_н/V_п=8095,6/2,976=2720,295 кДж/м³.

Предварительно принимаем температуру t₁=1700°C и находим энтальпию продуктов горения:

=(4087,1×15,11+2486,28×72,4++2632,09×11,139+3203,05×1,347)×10^-2=2754,3 кДж/м³.

Так как i₁>i_п, то действительная калориметрическая температура горения меньше 1700°C.

Повторно принимаем t₂=1600°C.

Энтальпия продуктов горения при t₂=1600°C:

i₂=(3815,86×15,11+2328,65×72,4+2463,97×11,139+2979,13×1,347)×10^-2= =2577,427 кДж/м³.

Имеем i₂<i_n<i₁,следовательно, t₂k1.

 Интерполяцией находим:

=1700 – 19,225=1680,775°С.

Требуемая калориметрическая температура:

=(1230+100)/0,7=1900°С,

где t_М=1230 – температура нагрева сляба,

 Dt=100 – т.к. методическая печь с трех ступенчатым режимом нагрева,

 h=0,7 – т.к. методическая печь.

Т.к. t_k < t_k^ТР , то необходим подогрев воздуха.

Энтальпию продуктов горения при t_k^ТР=1900°С находим экстраполяцией:

=3105,035 кДж/м³.

Определяем минимальную необходимую температуру подогрева воздуха:

 кДж/м³.

Принимаем при t¢₁=400°C i¢₁=532,08кДж/м³ и при t¢₂=500°C i¢₂=672,01кДж/м³,

а затем интерполяцией находим:

=454,34°С.

Следовательно, для получения температуры печи 1330°С температура подогрева воздуха должна быть 454°С.

2. Расчёт нагрева металла.

2.1 Расчёт основных размеров рабочей камеры и параметров

теплообмена.

 Примем напряжённость рабочего пода P=600

 Площадь рабочего пода:

 Длина рабочего пода:

где l – длина заготовки, м.

 Допускаемая длина рабочего пода:

где d - толщина заготовки, м;

 k – коэффициент, характеризующий наклон пода к горизонтали (2. стр.27).

 Так как L_pпр, принимаем однорядную укладку заготовок, n_р=1.

 Ширина пода при e=0,2 м:

где е – промежуток между стенкой печи и металлом и между рядами заготовок.

Размеры нагреваемого сляба: d×B×l=230´850´9200 (мм).

Посад холодный, температура нагрева Ме – 1230 °С.

Производительность печи: 155 т/ч.

Состав стали: С=0,3%; Si=0,15%; Mn=0,3 %.

Теплопроводность углеродистой стали при 0°С:

l=70-10,1×С-16,8×Mn-33,8×Si=70-10,1×0,3-33,8×0,15=56,86 Вт/(м²×К).

Метод нагрева в печи принимается двусторонний. Коэффициент несимметричности нагрева m=0,55 при двустороннем нагреве на поду из водо-охлаждаемых труб. Подогреваемая толщина изделия:

S=m×d=0,55×0,23=126,5 мм.

Максимальная рабочая температура газов (печи) - t_п=1330°С.

2.2 1-я ступень нагрева – методическая зона.

Начальные температуры металла: поверхности t_ми=0°С

 середины t_см=0°С .

Конечная температура середины заготовки – t_ск=600°С .

Разность температур между поверхностью и серединой заготовки (700-800)×S принимаем равной 90°С. Тогда конечная температура поверхности заготовки – t_мк=690°С. Средняя теплопроводность металла в процессе нагрева данной ступени: l=0,9×56,86=51,174 Вт/(м²×К).

Конечная средняя по массе температура металла:

`t_к=( t_ск+ t_мк)/2=(600+690)/2=645°С.

Конечное теплосодержание металла при 645°С принимаю:

Средняя теплоемкость металла от начальной температуры 0°С до конечной 640°С:

.

Средний коэффициент температуропроводности металла:

а_ср=l/(С×r)=51,174/(0,5826×10³×7800)=0,011259×10^-3 м²/с.

На основе анализа рекомендуемых чертежей принимаем высоту свободного пространства над металлом H₀=1 м.

 Эффективная длина луча:

Произведение эффективной длины на парциальное давление излучающих газов:

При температуре печи (газов) 1100°С степень черноты а поправка для

Степень черноты газов:

а степень черноты металла принимается e_м=0,8.

Степень развития кладки:

Приведённый коэффициент излучения:

где С₀=5,7–коэффициент излучения абсолютно чёрного тела.

Начальное значение коэффициента теплоотдачи излучением (при t₀=1000°C, t_п=0°C) и конечное значение - (при t₀=1330°C, t_п=690°C) рассчитываем соответственно по формулам:

Среднее значение коэффициента теплоотдачи излучением вычисляем по формуле:

.

Коэффициента теплоотдачи конвекцией принимается a_КОН =15 Вт/(м²×К).

Суммарное значение коэффициента теплоотдачи:

.

Определяем критерий БИО по формуле:

.

Температурный критерий для середины заготовки:

.

По графикам Д.В. Будрина (2,прил.5) для Bi=0,3304 и q=0,4849; критерий Фурье равен Fo=2,8.

Время нагрева металла в методической зоне печи определяется как:

.

При значениях Bi=0,3304 и Fo=2,8 по графику Д.В. Будрина для поверхности пластины (2,прил.5) температурный критерий q_п=0,42. Откуда:

=1165-1165×0,42=675,7°С.

Ранее была принята =690°С. Расхождения между принятой и полученной температурами составляет 14,3°С, и оно не может отразиться на результатах расчета.

2.3 2-я ступень нагрева – сварочная зона.

Температура металла начальная:

t_cн=600°С и t_пн=675°С, t_м=1230°С .

Конечная температура середины металла - t_cк=1165°С.

Средняя температура металла по массе и времени:

Средняя теплопроводность металла:

l₉₁₃=0,68×l₀=0,68×56,86=38,664 Вт/(м²×К).

Начальная средняя по массе температура металла:

t_cр=(600+675)/2=637,5°С.

Начальное теплосодержание металла при 637,5°С (2, прил.3):

.

Конечная средняя по массе температура металла:

t_cр=(1230+1165)/2=1197,5°С.

Конечное теплосодержание металла при 1197,5°С (2, прил.3):

.

Средняя теплоемкость металла от начальной температуры 637,5°С до конечной 1197,5°С:

.

На основе анализа рекомендуемых чертежей принимаем высоту свободного пространства над металлом в сварочной зоне H₀=1,7 м.

 Эффективная длина луча:

Произведение эффективной длины на парциальное давление излучающих газов:

При температуре печи (газов) 1330°С степень черноты а поправка для -  (2,прил. 4).

Степень черноты газов:

а степень черноты металла принимается e_м=0,8.

Степень развития кладки:

Приведённый коэффициент излучения:

где С₀=5,7–коэффициент излучения абсолютно чёрного тела.

Средний коэффициент температуропроводности металла:

а_ср=l₉₁₃/(С₆₃₇×r)=38,664 /(×10³×7800)= 5,9291×10^-6 м²/с.

Начальное значение коэффициента теплоотдачи излучением (при t₀=1330°C, t_п=675°C) и конечное значение - (при t₀=1330°C, t_п=1230°C) рассчитываем соответственно по формулам:

Среднее значение коэффициента теплоотдачи излучением вычисляем по формуле:

.

Коэффициента теплоотдачи конвекцией принимается a_КОН =15 Вт/(м²×К).

Суммарное значение коэффициента теплоотдачи:

.

Определяем критерий БИО по формуле:

.

Температурный критерий для поверхности заготовки:

По графикам Д.В. Будрина (2,прил.7) для Bi=0,8584 и q=0,1526; критерий Фурье равен Fo=2,6.

Время нагрева металла в сварочной зоне печи определяется как:

.

При значениях Bi=0,8584 и Fo=2,6 по графику Д.В. Будрина для поверхности пластины (2,прил.6) температурный критерий для середины заготовкиq_с=0,21. Откуда:

=1330-1330×0,21=1176°С.

Ранее была принята =1165°С. Расхождения между принятой и полученной температурами составляет 11°С, и оно не может отразиться на результатах расчета.

При нагреве заготовок перепад температур по толщине заготовки принимаем Dt_м=(250¸300)×S=(31,6¸37,95)°C, выбираем Dt_мк=30°C.

2.4 3-я ступень нагрева – томильная зона.

Температуры металла:

- начальные t_мн=1230°С , t_cн=1176°С;

- конечные t_мк=1230°С , t_cк=1200°С.

Средняя температура металла по массе и времени:

Средняя теплопроводность металла:

l₁₂₀₉=0,72×l₀=0,72×56,86=40,939 Вт/(м²×К).

Начальная средняя по массе температура металла:

t_cр=(1230+1176)/2=1203°С.

Конечная средняя по массе температура металла:

t_cр=(1230+1200)/2=1215°С.

Полученные температуры мало отличаются между собой, так что теплоемкость от 1203°С до 1215°С можно принимать равной теплоемкости от 0 до (1203+1215)/2=1209°С.

Теплосодержание стали при 1209°С (2,прил.3):

.

Средняя теплоемкость металла от 0 до 1209°С:

.

Средний коэффициент температуропроводности металла:

 а_ср=l₁₂₀₉/(С×r)=40,939 /(0,7×10³×7800)= 7,498×10^-6 м²/с.

Степень выравнивания температур:

,

где = t_МН – t_СН=1230 – 1176=54°С.

По графику (2,прил.6) для коэффициента несимметричности нагрева m = 0,5 находим критерий Fo по формуле:

.

Продолжительность выдержки металла в томильной зоне:

.

Общее время нагрева металла в печи:

St=t₁+t₂+t₃=1,105+1,949+0,414=3,469ч

3. Тепловой баланс методической печи.

Приход тепла.

1)Определим химическое тепло топлива:

где В(м³/с) – расход газа подаваемого па печь.

 2)Физическое тепло воздуха:

где i_В – энтальпия воздуха при t_В=454 ^оС (3. стр.37).

 3)Тепло экзотермических реакций:

где а=0,012 – доля окисленного металла (4. стр.8);

 5650 – тепловой эффект окисления 1 кг железа,  (3. стр.8);

 G=155 т/ч – производительность печи.

 Общий приход тепла:

 Расход тепла.

 1) Расход тепла на нагрев металла:

где i_к=861(кДж/кг) и i_н=0(кДж/кг) - энтальпия металла в конце и начале нагрева.

2) Потери тепла на нагрев окалины:

где m – количество окалины от окисления 1 кг железа, m=1,38

 С₀ – теплоёмкость окалины, С₀=1

 t_м=1503(К) и t_н - температура окалины, принимается равной температуре поверхности металла соответственно в начале и конце нагрева.

 3) Потери тепла с уходящими газами:

Энтальпия уходящих газов:

4)Потери тепла через кладку теплопроводностью.

Стены печи двухслойные выполненные:

- внутренний слой – ША h=348 мм;

- внешний – диатомитовый кирпич h=116 мм.

Под печи трехслойный:

- первый (внутренний) слой – хромомагнезитовый кирпич;

- второй (рабочий) слой – ШБ (шамотный кирпич класса Б);

- третий слой – Д-500 теплоизоляционный диатомитовый кирпич.

Свод печи однослойный выполнен из каолинового кирпича: ШБ 300 мм.

 Формулы для расчёта теплопроводности материалов кладки:

 Шамотный кирпич ША:

 Хромомагнезитовый кирпич:

 Шамотный кирпич ШБ :

 Диатомовый кирпич Д-500:

Каолиновый кирпич:

где - средняя по толщине температура слоя.

 а)Расчет стены печи: