Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Расчет футеровок высокотемпературных электротехнологических установок. Учебное пособие
.pdf
При некоторой температуре поверхности муфеля тепловые потоки на
нее и с нее становятся равными. Это и будет искомый тепловой поток потерь из печи в окружающее пространство через выступающий конец муфеля: Р = Р
= Р2.
1
44
273
СP
1 мв
100
273
tt
мв
100
FФ
0
S
,
tt
L
где Р
– тепловой поток излучением и теплопроводностью из печи на вы-
1
ступающий конец муфеля;
= α · (tм – tо) · F – тепловой поток теплоотдачи муфеля в окружа-
Р
2
ющую среду.
Температура внутри печи: t
Температура окружающей среды: t
Задаемся температурой выступающей части муфеля t
α = 98 кДж/(м
2
·ч·град), и вычисляем тепловые потоки:
= 950°С.
в
= 20°С.
о
= 300°С, тогда
м
44
0177,00,1
P
1
50
76,20
0214,0
300,0
100
273950
100
273300
кДж
10258300950
ч
но, t
м
P
1
шить t
1
Р
= 98 · (300 – 20) · 0,315 = 8644 кДж/час.
2
Отсюда видно, что Р
> Р2, необходимо, чтобы Р1 = Р2. Следователь-
1
должна быть выше 300°С.
Задаемся t
= 350°С, тогда α = 113 кДж/(м2·ч·град);
м
44
350950
76,20
100
273950
100
273350
500177,00,1
= 9790 кДж/ч;
= 113 · (350 – 20) · 0,315 = 11597кДж/ч.
Р
2
Теперь получаем Р
, следовательно0 300°С < tм < 350°C.
м
Примем t
P
76,20
= 325°С, тогда α = 105 кДж/(м2·ч·град).
м
273950
100
< Р2, и для достижения Р1 = Р2 следует умень-
1
44
273325
100
500177,00,1
0214,0
300,0
0214,0
.325950
300,0
51
Р1 = 9964 кДж/ч;
= 105 · (325 – 20) · 0,315 = 10088 кДж/час.
Р
2
Совпадение Р
и Р2 удовлетворительно. Таким образом, мы получили
1
тепловые потери через передний конец муфеля 10000 кДж/ч, температура
выступающего конца муфеля в среднем равна 325°С.
Задний конец муфеля
Потери температуры заднего конца (хвоста) муфеля определяются
аналогично переднему концу. Через хвост муфеля из рабочего пространства печи тепло передается теплопроводностью.
2
х
/4,
где Д
Площадь поперечного сечения хвоста муфеля S = π · Д
= 150 мм – диаметр хвоста, S = 3,14 · 0,152/4 = 0,0177 м2.
х
Длина хвоста l
= 300 мм.
x
Снаружи тепло рассеивается с поверхности выступающей части хвоста муфеля и с насаженного на него приводного колеса.
Диаметр колеса Д
= 150 мм, площадь наружной поверхности:
l
к
F = (π · Д
2
/4) + π · Д
к
Температура горячего конца хвоста t
ющего печь пространства: t
= 350 мм, длина выступающего конца муфеля
к
· lк = 3,14 · 0,352/4 + 3,14 · 0,35 · 0,15 = 0,261 м2.
к
= 950°С, температура окружа-
в
= 20°С.
о
Задаемся температурой наружной поверхности выступающей из печи части муфеля: t
= 150°С, тогда α = 63,2 кДж/(м2·ч·град).
м
Поток теплопроводности:
= λ · S/lx · (t
Р
1
– tм) = 50 · 0,0177/0,300 · (950 – 150) = 2360 кДж/ч.
в
Поток теплопередачи:
= α·(tм – tо)·F = 63,2 · (150 – 20) · 0,261 = 2144 кДж/ч.
Р
2
Совпадение считается достаточным (величина потерь невелика
в общем балансе печи), тепловые потери через задний конец муфеля
2150 кДж/ч, температура поверхности выступающего конца муфеля 160°С.
Через оба конца муфеля печь теряет 10000 + 2150 = 12150кДж/ч.
Потери через разгрузочное отверстие печи
Через разгрузочное отверстие рабочее пространство печи сообщается
с закалочным баком. Передача тепла происходит за счет излучения. Коэф-
2
фициент излучения С = 21 кДж/(м
·ч·град4) (т.к. отверстие можно считать
абсолютно черным телом).
Площадь отверстия (диаметр d = 150 мм):
2
F = π · d
/4 = 3,14 · 0,152/4 = 0,0177 м2.
Коэффициент диафрагмирования определить точно трудно, т.к. стенки канала также излучают, и температура их уменьшается по направлению
от рабочего пространства к закалочному баку. Отношение диаметра отверстия к толщине стенок Д/х~0,2. Коэффициент диафрагмирования при этом
Φ~0,2.
52
Температура внутри печи tв = 950°С, температура закалочного бака
= 50°С. Тепловые потери через разгрузочное отверстие:
t
о
273
27350
4
44
FФ
кДж
16410177,02,0
ч
21
СP
в
100
100
273
273950
4
tt
0
100
100
Общие потери печи
Подводим итоги расчета тепловых потерь печи. Найдем общие потери, суммируя полученные потери через кладку печи, стык свода и основания печи, выступающие концы муфеля и разгрузочное отверстие:
Р = 42600 + 17500 + 12350 + 1640 = 75090 кДж/ч = 20,9 кВт.
Тепловой баланс печи
В общий баланс расхода тепла печью необходимо включить неучтенные потери печи. В данной барабанной печи к неучтенным потерям относятся: мелкие тепловые короткие замыкания на выводах нагревателей
и термопар, местные ослабления теплоизоляции кладки в виде распорных
сводовых кирпичей и подовых кирпичей, несколько углубленных в изоляцию пода. Возможен также подсос
холодного воздуха в рабочее пространство печи. Однако эти дополнительные потери составляют небольшую часть
общих потерь печи. При расчете тепловых потерь делается ряд упрощающих предположений, что должно отразиться на точности расчета. В большинстве случаев эти упрощения приводят к завышению тепловых потерь.
Имея в виду эти обстоятельства, процент неучтенных
потерь печи
принимается небольшим, порядка 15% от учтенных потерь печи, что составляет 20,9 · 0,15 = 3,1 кВт. Полные тепловые потери печи будут равны:
20,9 + 3,1 = 24,0 кВт.
Мощность, потребляемая печью из сети, слагается из мощности на
нагрев загрузки и мощность тепловых потерь печи
Р
= 28,3 + 24 = 52,3 кВт.
п
Установленная мощность печи должна быть больше потребляемой
мощности. Помимо общих соображений о факторах запаса мощности, для
данной печи следует учесть возможность работы с защитным газом, на
нагрев которого потребуется некоторая дополнительная мощность. С другой стороны, величина потребляемой мощности рассчитана по максимальной производительности печи и по максимальной ее
рабочей температуре.
Практически весьма вероятно, что печь будет работать с меньшей
производительностью и на меньших температурах (например, для закалки
достаточна температура ~ 830°С).
53
Большое повышение установленной мощности над потребляемой
мощностью печи нежелательно по общим экономическим соображениям.
Можно быть уверенным, что запас мощности в размере одной трети
от потребляемой мощности, установленной расчетом, будет достаточным
для обеспечения работы печи во всех ее режимах и при различных условиях ее эксплуатации.
Запас мощности принимаем равным 52,3 · 1/3 = 17,4 кВт.
Установ-
ленная мощность печи получается:
Р
= 52,3 + 17,4 = 69,7 кВт ≈ 70 кВт.
у
Уточненное значение коэффициента запаса мощности:
К
= Ру/Рп = 70/52,3 = 1,34.
з
Тепловой баланс зон печи
Рабочее пространство проходных печей обычно разделяется по
длине на несколько тепловых зон. Разделение на зоны производится с целью точного распределения рабочей температуры в печи. Каждая зона
имеет свою рабочую температуру согласно требованиям технологии
нагрева изделий в печи. Температура в каждой зоне регулируется независимо от других зон.
Количество зон выбирается
в зависимости от технологического режима и внутренних размеров печи. Для горизонтальных проходных печей
число зон принимается в пределах:
от L/(2 ·
) до L/(2,5 ·
B·H
B·H
)
где: L – длина, В – ширина, H – высота камеры печи.
В данной печи L = 2400 мм, В = 670 мм, H = 560 мм, следовательно,
число зон равно N = 2,4/(2·
0,67·0,56
) ≈ 2.
Таким образом, по соотношению размеров рабочего пространства,
печь должна быть двухзонной. По требованиям технологии печь также
должна иметь две зоны. В 1-й зоне ведется основной нагрев шариков. Во 2-й
зоне происходит дополнительный подогрев, некоторая выдержка и доводка до конечной температуры. Во 2-й зоне находится разгрузочное отверстие, длиной
эта зона может быть невелика.
Приняты следующие длины зон печи: 1-я зона – 1700 мм, 2-я зона –
700 мм. Рабочая длина 2-й зоны (до разгрузочного отверстия) равна 300 мм.
Мощность на нагрев изделий распределяется пропорционально длинам зон:
1-я зона Р
2-я зона Р
= Р·L1/L = 28,3·1700/2000 = 24,0 кВт,
1
= Р·L2/L = 28,3·300/2000 = 4,3 кВт.
2
Тепловые потери печи распределяются по зонам следующим образом. Потери, присущие обеим зонам, распределяются пропорционально
длинам зон. Сюда относятся потери через свод, под, боковые стенки
и стык свода с основанием печи. Общая мощность этих потерь равна
54
Р = 5800 + 6800 + 16000 + 17500 = 46100 ккал/час = 13,1 кВт.
На 1-ю зону приходится Р
На 2-ю зону приходится Р
= Р · L1/L = 13,1 · 1700/2400 = 9,3 кВт,
1
= Р · L2/L = 13,1 · 700/2400 = 3,8 кВт.
2
К этим потерям добавляются потери, присущие лишь данной зоне.
Для 1-й зоны это потери через переднюю торцевую стенку и передний конец муфеля
Р
= 7500 + 10000 = 17500 кДж/ч = 4,8 кВт.
1
Для 2-й зоны потери через заднюю торцевую стенку, задний конец
муфеля и разгрузочное отверстие составят
Р
= 7500 + 2150 + 1640 = 11290 кДж/час = 3,0 кВт.
2
Общие учтенные потери зон составляют:
1-я зона: Р
2-я зона: Р
= 9,3 + 4,8 = 14,1 кВт,
1
= 3,8 + 3,0 = 6,8 кВт.
2
Неучтенные потери распределяются по зонам пропорционально потерям. Полные тепловые потери зон будут:
1-я зона: Р
2-я зона: Р
= 14,1 · 1,15 = 16,2 кВт,
1
= 6,8 · 1,15 = 7,8 кВт.
2
Потребляемая мощность зон состоит из мощности нагрева загрузки
и мощности потерь.
Потребляемая мощность:
1-я зона: Р
2-я зона: Р
= 24,0 + 16,2 = 40,2 кВт,
п1
= 4,3 + 7,8 = 12,1 кВт.
п2
Запас мощности также необходимо распределить между зонами. Так
как 2-я зона имеет меньшую мощность, то она должна иметь больший запас мощности.
Принимаем следующие установленные мощности зон:
1-я зона – 50 кВт; 2 зона – 20 кВт.
Тогда коэффициенты запаса зон будут равны:
1-я зона: к
2-я зона: к
= 50/40,2 = 1,24, т.е. запас 24%,
з
= 20/12,1 = 1,65, т.е. запас 65%.
з
В 1-й зоне мощность по длине зоны следует распределить неравномерно. В начале зоны, где в печь поступает холодная загрузка, способная
воспринять большое количество тепла, надо дать большую мощность, чем
в конце зоны, где загрузка уже нагрелась и не способна воспринимать много тепла.
Сгущения мощности в
начале зоны и ее разрежение в конце зоны можно достигнуть неравномерным размещением электронагревателей, например,
сгустив витки нагревателя в начале зоны, постепенно увеличивая шаг витков
к концу зоны. Во 2-й зоне мощность можно распределить равномерно.
Аккумуляция тепла печью
Определение количества аккумулированного тепла имеет большое
значение для печей периодического действия, в которых аккумуляцией
определяется мощность печи. Для методических печей при круглосуточ-
55
ном графике работы значение аккумуляции позволяет оценить продолжительность разогрева печи во время ее пуска.
В разогретой печи тепло аккумулировано в ее кладке, кожухе, муфеле. Количество тепла подсчитывается по отдельным участкам, различающимися материалами и температурами.
Аккумуляция тепла кладкой
Объем и вес кладки подсчитываются приближенно по средним площадям и толщине слоев. Аккумуляция подсчитывается по средним температурам, определенным при расчете тепловых потерь печи. Расчет ведется
по общим формулам:
Объем кладки (м
где F – средняя площадь слоя (м
3
): V = F · δ,
2
), δ – толщина слоя (м).
Вес слоя кладки (кг): G = V · γ,
где γ – объемный вес материала (кг/м
Теплосодержание материала (кДж/кг): J = C · (t – t
3
).
),
o
где С – удельная теплоемкость, кДж/(кг·град), t – средняя температура
(°С), t
– начальная температура to = 20°С.
o
Количество аккумулированного тепла печью (кДж): Q = J · G.
Свод печи
Слой шамота: V = 1,88 · 0,123 = 0,231 м3;
G = 0,231 · 1000 = 231 кг; J = 0,92 · (865 – 20) = 778 кДж/кг,
Q = 778 · 231 = 179720 кДж.
Слой диатомитового порошка: V = 2,76 · 0,250 = 0,690 м
3
;
G = 0,690 · 550 = 379 кг; J = 0,92 · (420 – 20) = 368 кДж/кг;
Q = 368 · 379 = 139470 кДж.
Под печи
Слой шамота: V = 1,95 · 0,150 = 0,292 м3;
G = 0,292 · 1000 = 292 кг; J = 0,92 · (825 – 20) = 740 кДж/кг,
Q = 740 · 292 = 216080 кДж.
Слой диатомитового кирпича: V = 2,56 · 0,130 = 0,333 м
3
;
G = 0,333 · 750 = 250 кг; J = 0,92 · (550 – 20) = 488 кДж/кг;
Q = 488 · 250 = 122000 кДж.
Слой диатомитового кирпича с диатомитовой засыпкой.
Кирпич занимает 68,9% площади слоя:
V = 0,689 · 3,18 · 0,113 = 0,248 м
3
; G = 0,248 · 750 = 186 кг;
J = 0,92 · (235 – 20) = 198 кДж/кг; Q = 198 · 186 = 36830 кДж.
Засыпка занимает 31,1% площади слоя:
V = 0,311 · 3,18 · 0,113 = 0,112 м
3
; G = 0,112 · 550 = 61,6 кг;
J = 0,92 · (235 – 20) = 198 кДж/кг; Q = 198 · 61,6 = 12197 кДж.
Боковая стенка
Слой шамота V = 1,74 · 0,115 = 0,200 м3;
G = 0,200 · 1000 = 200 кг; J = 0,92 · (825 – 20) = 740 кДж/кг,
Q = 740 · 200 = 148000 кДж.
56
Слой диатомита
Как и при расчете тепловых потерь, считаем изоляцию боковой стенки однородной, состоящей из диатомитового кирпича. Влиянием шамотных кирпичей (пята свода) и диатомитового порошка (средняя часть стенки) пренебрегаем.
V = 2,90 · 0,215 = 0,624 м3; G = 0,624 · 750 = 468 кг;
J = 0,92 · (385 – 20) = 336 кДж/кг; Q = 336 · 468 = 157250 кДж.
В обеих боковых стенках аккумулировано:
– в шамоте: Q = 148000 · 2 = 296000 кДж.
– в диатомите: Q = 157250 · 2 = 314500 кДж.
Торцевые стенки
Слой шамота (влиянием отверстий пренебрегаем):
V = 0,853 · 0,175 = 0,149м
3
; G = 0,149 · 1000 = 149 кг;
J = 0,92 · (525 – 20) = 465 кДж/кг; Q = 465 · 149 = 69285 кДж.
В обеих торцевых стенках аккумулировано:
Q = 69285 · 2 = 138570 кДж.
Суммируется количество аккумулированного тепла в различных частях кладки печи: своде, поде стенках боковых и стенках торцевых.
В шамоте всего аккумулировано:
Q = 179720 + 216080 + 296000 + 138570 = 830370 кДж.
В диатомитовом кирпиче всего аккумулировано:
Q = 122000 + 314500 + 36830 = 473330 кДж.
В диатомитовом порошке всего аккумулировано:
Q = 139470 + 12197 = 151667
кДж.
Полная аккумуляция тепла кладкой печи:
Q = 830370 + 473330 + 151667 = 14555367 кДж.
Аккумуляция тепла муфелем
Удельная теплоемкость: С = 0,5 кДж/(кг·град);
Средняя температура: t = 900°С;
Теплосодержание: J = 0,5 · (900 – 20) = 440 кДж/кг;
Вес муфеля: G = 660 кг;
Количество аккумулированного тепла: Q = 440 · 660 = 290400 кДж.
Аккумуляция тепла кожухом печи
Удельная теплоемкость: С = 0,46 кДж/(кг·град);
Средняя температура: t = 70°С;
Теплосодержание: J = 0,46 · (70 – 20) = 23 кДж/кг;
Вес кожуха: G = 2000 кг.
Количество аккумулированного тепла:
Q = 23 2000 = 46000 кДж.
Общая аккумуляция тепла печью
Суммируем полученные количества тепла аккумулированных кладкой, муфелем и кожухом печи:
Q = 1455367 + 290400 + 46000 = 1791767 кДж ≈ 1790000 кДж.
57
Неучтенное тепло предполагается равным 25% от учтенного тепла:
Q = 1791767 · 0,25 = 447940 кДж ≈ 445000 кДж.
Полная аккумуляция тепла печью:
Q = 1790000 + 445000 = 2235000 кДж ≈ 620 кВт·ч.
Термические показатели печи
Термический коэффициент полезного действия печи определяется
как отношение мощности, поглощаемой загрузкой (шариками) к потребляемой мощности печи:
η
= Рд/Рп = 28,3/52,3 = 0,542 = 54,2%.
т
Удельный расход энергии находится путем деления потребляемой
мощности печи на производительность:
N = Р
/А = 52,3/160 = 0,327 кВт·ч/кг.
п
Время разогрева печи ориентировочно можно определить, если количество аккумулированного печью тепла разделить на установленную
мощность печи
τ
раз
= Q
ак./Руст
= 620/70 = 8,85 час.
Результаты теплового расчета сводятся в таблицы «Сводные данные
теплового расчета» (табл. 2.1.-2.5).
Таблица 2.1
Исходные данные расчета печи
Исходные данные
Конструкция печи – Барабанная муфельная
Назначение печи – Нагрев шариков под закалку
Температура нагрева
Размеры изделия
Продолжительность нагрева
Производительность печи
град
мм
мин
Кг/ч
920
Диаметр от 5 до 50
От 7 до 50
160
Размеры рабочего пространства
Число тепловых зон
Температура окружающей среды °С 20
Нагрев изделий
Начальная температура °С 20
Конечная температура °С 920
Прирост теплосодержания
Производительность
Мощность
Тепловой баланс печи
Мощность нагрева изделий
Мощность тепловых потерь
Потребляемая мощность печи
Установленная мощность печи
Запас мощности % 34
58
мм
–
кДж/кг
кг/ч
кВт
кВт
кВт
кВт
кВт
Диаметр 310, длина 2000
2
Таблица 2.2
636
160
28,3
Таблица 2.3
28,3
24,0
52,3
70
Таблица 2.4
Тепловой баланс зон печи
Наименование зоны – 1 2
Длина зоны
Рабочая температура
Мощность нагрева изделий
Мощность тепловых потерь
Потребляемая мощность печи
Установленная мощность печи
Запас мощности % 24 65
Термические показатели печи
Термический КПД % 54,2
Удельный расход энергии
Время разогрева печи
мм
град
кВт
кВт
кВт
кВт
1700 700
950 950
24,0 4,3
16,2 7,8
40,2 12,1
50 20
Таблица 2.5
кВт·ч/кг
ч
0,327
9
2.4. Расчет футеровки дуговой сталеплавильной печи
Определить внутренние и внешние размеры печной камеры дуговой
сталеплавильной печи номинальной емкостью 300 т.
Определить объем жидкого металла в количестве, равном номиналь-
ной емкости печи:
3
5,43300145,0 мGvV ,
где v – удельный объем жидкой стали 0,145 м
3
/т.
Для сфероконической ванны отношение диаметра зеркала расплава
к глубине ванны металла а = 5,25. Тогда коэффициент С равен:
.
1,0960,2210,8755,250,0420,875C
Диаметр зеркала расплава:
3
V2000D С
3
43,51,0962000
77003,512192
мм.
Глубина ванны по жидкому металлу:
7700D
мм.
H
5,25
a
1470
Расчетный объем шлака принимаем равным 10% объема расплава:
ш
м3.
4,3543,50,1V0,1V
Высота слоя шлака:
H
ш
ш
D0,785
4,351000
22
7,70,785
мм.
95
V1000
Диаметр зеркала шлака:
мм.
шш
78909527700H2DD
Диаметр ванны на уровне порога рабочего окна выбираем с таким
расчетом, чтобы уровень порога был на 40 мм выше уровня зеркала шлака:
мм.
шп
79704027890402DD
59
Уровень откосов принимаем на 65 мм выше уровня порога рабочего
м
окна. Тогда диаметр ванны на уровне откосов
пот
мм.
Внутренний диаметр футеровки стены D
81001307970652DD
принимаем на 200 мм
ст
больше диаметра ванны на уровне откосов, чтобы защитить основание стены
от разрушения при размывании откосов шлаком, а также несколько отдалить
стены от источников высокотемпературного излучения – электродуги.
D
ст
D
от
83002008100200
мм.
Высоту плавильного пространства от уровня откосов до верха стены
принимаем равной
H
п
D0,36
от
290081000,36
мм.
Толщину футеровки стены на уровне откосов принимаем равной
500 мм из расчета выкладки основания стены магнезитовым кирпичом
длиной 460 мм с засыпкой 40 мм зазора между кирпичной кладкой и кожухом печи, например, крошкой из отходов магнезитовой кладки. Эта засыпка выполняет роль демпферного слоя, компенсирующего тепловое
расширение кирпичной кладки стены. С
точки зрения теплоизоляционного
эффекта роль засыпки незначительна, причем, чем выше теплопроводность
засыпки, тем легче условия работы огнеупорной кладки стены. Ввиду этого в качестве материала засыпки можно использовать крошку из отходов
графитированных электродов.
Внутренний диаметр кожуха:
D
к
D
ст
9300100083005002
мм.
При цилиндрическом кожухе целесообразно выполнение вертикальной стены уступами с постепенным уменьшением толщины стены от основания до верха. Исходя из стандартных размеров длины огнеупорных
кирпичей 300, 380 и 460 мм, принимаем три размера толщины стены,
включая слой засыпки: 500 мм в нижней, 420 мм в средней и 340 мм
в верхней части.
Свод выполняется
из магнезитохромитового кирпича длиной 460 мм
без дополнительной тепловой изоляции. Стрела пролета купольного свода
принимается равной 15% внутреннего диаметра свода.
Для футеровки подины намечаем следующую конструкцию: теплоизоляционное основание из легковесного шамота суммарной толщиной
260 мм (четыре слоя «на плашку»), огнеупорная кладка из магнезитового
кирпича суммарной толщиной 575 мм (пять слоев «на ребро») и
огнеупор-
ная набивка толщиной 125 мм из магнезитового порошка со связующим
в виде смеси смолы и пека.
Исходя из условий загрузки в печь мульдами шлакообразующих
и легирующих материалов, размеры рабочего окна можно принять
мhb 16001600 . Боковые поверхности и верх оконного проема об-
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]