4. Производительное II. Печи и продолжительность производственного цикла
Производительность
камерной печи определяют по формуле,
при этом принимают коэффициент
использования для камерных печей
= 0,9.
Продолжительность полного производственного цикла, ч:
где
— продолжительность загрузки садки;
— продолжительность технологического
периода (нагрев, выдержка, охлаждение);
—продолжительность разгрузки садки и
подготовки печи к новой загрузке.
Число печей в печном отделении определяют по методике, изложенной в разд. 9.3, а размеры рабочего пространства камерном печи — исходя из принятых размеров и размещения садки.
5. Тепловой баланс
Тепловой баланс камерной печи составляют в соответствии с указаниями гл. 15. Для термических печей составляют отдельно тепловой баланс периодов нагрева и выдержки.
В расходной части теплового баланса необходимо учитывать тепло, аккумулируемое кладкой. Методика расчета аккумулированного тепла приведена в разд. 15.9, где даны расчетные формулы и графики для однослойной кладки В случае многослойной кладки необходимо привести ее к однослойной той же толщины с эквивалентными свойствами: эквивалентный коэффициент теплопроводности, Вт/(м- К):
эквивалентная плотность, кг/м3 :
эквивалентная теплоемкость, кДж/(кг.К):
Эквивалентный коэффициент теплопроводности, м2 /ч:
где
—толщина стенки, м; m
— число слоев;
—
соответственно толщина, коэффнциент
теплопроводности, плотность, теплоемкость
и коэффициент температуропроводности
i-того
слоя.
6. Пример расчета камерной печи с выкатным подом
Ниже приведен пример расчета камерной печи с выкатным подом для отжига слябов после горячей прокатки.
Исходные данные:
годовой объем производства Ргод = 30000 т;
годовой фонд рабочего времени Тгод= 6000 ч;
размеры нагреваемых слябов, м: длина l=4,85, ширина b = 1,1, толщина S= 0,145;
масса сляба М = 6 т;
качество металла — низколегированная марганцовистая сталь;
начальная температура металла 20°С (холодный посад);
режим термообработки : а) нагрев слябов при посадке в холодную печь до 750°С со скоростью 35—40°С/ч; б) выдержка при 750°С продолжительностью 8 ч; в) охлаждение слябов в печи подсосом наружного воздуха с 750 до 150°С; г) выдержки при 150°С продолжительностью 5 ч;
топливо — природный газ с теплотой сгорания Qр н=35 МДж/м3.
Таблица 1. Расчет теплообмена в рабочем пространстве печи в период нагрева
П.п |
Наименование, единица измерения |
Обозначение |
Расчетные участки |
Примечания, расчетные формулы |
|||
1 |
2 |
3 |
4 |
||||
1 |
Температура
металла в печи,
Начальная
Конечная |
|
20
750 |
|
|||
2 |
Температура металла по участкам, : Начальная
Конечная
Средняя |
|
20
250
135 |
250
480
365 |
480
615
545 |
615
750
680 |
Принимаем |
3 |
Температура продуктов сгорания, : Начальная
Конечная
Средняя |
|
250
420
335 |
420
590
505 |
590
700
645 |
700
800
750 |
Принимаем |
4 |
Эффективная длина пути луча, м |
l |
|
h=a=0,1 |
|||
5 |
Коэффициент расхода воздуха в продуктах сгорания |
|
1,1 |
Принимаем |
|||
6 |
Поправочный коэффициент для природного газа |
|
0,9 |
|
|||
7 |
Приведенная толщина слоя продуктов сгорания |
|
0,16 |
|
|||
8 |
Степень черноты продуктов сгорания |
|
0,153 |
0,14 |
0,13 |
0,13 |
|
9 |
Отношение высоты прокладки к ширине сляба a/b |
|
0,1/1,1=0,091 |
|
|||
10 |
Отношение длины слябп к его ширине l/b |
|
4,85/1,1=4,4 |
|
|||
11 |
Коэффициент взаимного облучения кладки |
|
0,035 |
|
|||
12 |
Угловой коэффициент
излучения кладки на металл
|
|
0,482 |
|
|||
13 |
Коэффициенты: M
A
B |
|
0,9
0,149
0,601 |
0,896
0,135
0,613 |
0,895
0,126
0,621 |
0,895
0,126
0,621 |
|
14 |
Удельный тепловой поток излучением на металл, Вт/м2 |
|
1500 |
3640 |
6690 |
9330 |
|
15 |
Коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 К): Излучением к металлу конвекцией |
|
7,6 14 |
25,6 14 |
66,3 14 |
134 14 |
Принимаем |
16 |
Вид теплообмена |
|
Теплообмен излучением и конвекцией соизмерим |
Преобладает теплообмен излучением |
|
||
17 |
Условный коэффициент теплоотдачи конвекцией в единицах коэффициента излучнием, Вт/(м2 К4) |
|
|
|
0,532 |
0,362 |
|
18 |
Приведенный коэффициент излучения, Вт/(м2 К4) |
|
2,04 |
1,88 |
1,78 |
1,78 |
|
19 |
Приведенный коэффициент излучения с учетом конвекции, Вт/(м2 К4) |
|
|
|
2,35 |
2,1 |
|
:
Таблицы 2. Расчет нагрева металла.
П.п |
Наименование, единица измерения |
Обозначение |
Расчетные участки |
Примечания, расчетные формулы |
|||
1 |
2 |
3 |
4 |
||||
1 |
Расчетная схема нагревания металла |
|
Двусторонний нагрев в среде с постоянной температурой |
|
|||
2 |
Расчетная толщина сляба, м |
Sрасч |
0,145/2=0,0725 |
Двусторонний нагрев сляба |
|||
3 |
Коэффициент теплопроводности металла при средней температуре на участке, Вт/(м К) |
|
41 |
37,6 |
34,8 |
31,6 |
|
4 |
Число Старка |
Sk |
0,0081 |
0,0171 |
0,0286 |
0,0437 |
|
5 |
Число Био |
Bi |
0,0247 |
0,027 |
0,0292 |
0,0321 |
|
6 |
Числовое значение соотношения для определения области «тонких» тел |
|
0,103 |
0,168 |
0,249 |
0,356 |
|
7 |
Методика расчета нагрева металла |
|
С раздельным учетом излучения и конвекции |
По закону излучения |
Табл. 1, п. 16 |
||
8 |
Формула для расчета продолжительности нагрева |
|
|
|
|
|
|
9 |
Средняя теплоемкость металла на участке кДж/(кг К) |
см |
0,51 |
0,552 |
0,639 |
0,903 |
|
10 |
Плотность металла, кг/м3 |
|
7800 |
|
|||
11 |
Относительная температура металла: В начале участка
В конце |
|
0,482
0,86 |
0,672
0,968 |
|
|
|
12 |
Отношение Bi/Sk: В начале участка
В конце |
|
4,75
2,06 |
2,23
1,16 |
|
|
|
13 |
Температурный фактор: В начале участка
В конце |
Ф |
0,115
0,48 |
0,29
0,91 |
|
|
|
14 |
Температурный фактор, К-3 : В начале участка
В конце |
|
|
|
0,118
0,18 |
0,098
0,16 |
|
15 |
Продолжительность нагрева, ч: По участкам
Общая по печи |
|
6,37
19,3 |
6,07
19,3 |
2,64
19,3 |
4,2
19,3 |
Табл. 2, п. 8 |
16 |
Средняя скорость нагрева, /ч |
|
(750-20)/19,3=38 |
По заданию 35-40 /ч; режим нагрева выбран верно |
|||
Таблица 3. Статьи теплового баланса периода нагрева.
П.п |
Наименование, единица измерения |
Обозначение |
Вычисляемая величина |
Примечания, расчетные формулы |
Приход тепла |
||||
1 |
Химическое тепло топлива, кВт |
Qх |
|
|
2 |
Угар металла, % |
a |
0,35 |
Принимаем |
3 |
Тепло экзотермических реакций окисления железа, кВт |
Qэкз |
|
|
Расход тепла |
||||
4 |
Расход тепла на нагрев металла: Температура металла, : Начальная
Конечная
Средняя теплоемкость металла, кДж/(кг К)
Продолжительность нагрева, ч
Садка печи, т
Затраченное тепло, кВт |
G
|
20
750
0,665
19,3
144
|
|
5 |
Тепло уносимое уходящими продуктами сгорания: Тепмература продутков сгорания,
Энтальпия продуктов сгорания, мДж/м3
Потери тепла, кВт |
|
800
12,5
|
Принимаем
|
6 |
Потери тепла теплопроводностью через кладку: Температура внутренней повернхности кладки,
Стен
Свода
Пода
Материал (толщина, мм) кладки: Стен
Свода
Пода
Удельный тепловой поток через кладку, кВт/м2 : Стен
Свод
Пода
Поверхность кладки, м2 : Стен
Свода
Пода
Потери тепла, кВт: Стен
Свода
Пода
Общие |
|
600
600
600
Шамот кл. Б (232) и диатомит Д-500 (116) Шамотный легковес ШЛ-1,3 (300) Шамот кл. А (348) и диатомит Д-500 (232)
0,58
0,87
0,32
90,5
62,0
62,0
52,5
53,9
20
126 |
Принимаем усредненное значение за период нагрева |
7 |
Потери тепла на нагрев опорных устройств, кВт |
|
|
Масса опорных устройств (прокладок) Gоп =9,4 т; остальные данные см. табл. 3 п. 4 |
8 |
Тепло аккумулированное кладкой: Конечная температура внутренней поверхности кладки, : Стен
Свода
Пода
Конечная температура наружной поверхности кладки, : Стен
Свода
Пода
Средняя температура кладки в конце нагрева, : Стен
Свода
Пода
Коэффициент теплоотдачи конвекцией от внутренней поверхности кладки к воздуху, Вт/(м2 К): Стен
Свода
Пода
Полная продолжительность периода охлаждения кладки, ч
Полная толщина кладки, м: Стен
Свода
Пода
Средний коэффициент теплопроводности кладки, Вт/(м К): Стен
Свода
Пода
Эквивалентная теплопроводность кладки, Вт/(м К): Стен
Пода
Число Био для внутренней поверхности кладки: Стен
Свода
Пода
Теплоемкость материала кладки, кДж/(кг К): Температуропроводность, м2/ч: Шамот
Шамотный легковес
Диатомит
Эквивалентная температуропроводность кладки, м2/ч: Стен
Свода
Пода
Число Фурье кладки: Стен
Свода
Пода
Объем слоев кладки, м3 : Стен
Свода
Пода
Масса слоев кладки, т: Стен
Свода
Пода
Функция: Стен
Свода
Пода
Функция: Стен
Свода
Пода
Температура среды печи в конце периода охлаждения, Усредненная температура среды печи за период нагрева и охлаждения, Средняя температура кладки в конце периода охлаждения, : Стен
Свода
Пода
Тепло аккумулированное кладкой, кВт: Стен
Свода
Пода
Общее
Тепло, аккумулированное каркасом, кВт Общая аккумуляция тепла печью, кВт |
|
800
800
800
84
105
60
17,4
17,4
17,4
8,3+5+4=17,3
0,348
0,3
0,58
1,153-шамот кл. Б; 0,189-диатомит 0,643-ШЛ-1,3
1,165-шамот кл. А; 0,191-диатомит
0,348/(0,232/1,153+0,116/0,189)=0,427 0,58/(0,348/1,165+0,232/0,191)=0,383
0,92
0,0024
0,00194
0,0015
0,002
0,00194
0,0019
14,5-шамот кл. Б; 9,4-диатомит
18,0-ШЛ-1,3
18,1-шамот кл. А; 13,2-диатомит
0,11
0,028
0,27
0,37
0,42
0,3
100
20+(800-20)0,11+(450-20)0,37=269
20+(800-20)0,028+(450-20)0,42=223
20+(800-20)0,27+(450-20)0,3=360
|
Принимаем из условий скорости прососа воздуха 4-6 м/с и температуры воздуха от20 до 400 оС
Табл. 3, п. 6
Принимаем одинаковую для всей кладки
Принимаем
|
9 |
Неучтенные тепловые потери, кВт |
|
|
|
10 |
Уравнение теплового баланса |
|
|
|
11 |
Расход газа на печь, м3/ч |
|
240 |
|
12 |
Химическое тепло топлива, кВт |
|
|
Табл. 3, п. 1 |
13 |
Тепло, уносимое уходящими продуктами сгорания, кВт |
|
|
Табл. 3, п. 5 |
Таблица 4. Тепловой баланс периода нагрева.
Приход тепла |
Расход тепла |
||||
Наименование |
кВт |
% |
Наименование |
кВт |
% |
1. Химическое тепло топлива |
2330 |
98,3 |
1.Нагрев металла |
1006 |
42,4 |
2.Тепло окисления металла |
41 |
1,7 |
2. Тепло, уносимое продуктами сгорания |
833 |
35,1 |
|
|
|
3. Потери тепла теплопроводностью через кладку |
126 |
5,3 |
4. Потери тепла на нагрев опорных устройств |
65 |
2,8 |
|||
5. Тепло, аккумулированное кладкой и каркасом печи |
201 |
8,5 |
|||
6. Неучтенные потери |
140 |
5,9 |
|||
Итого |
2371 |
100 |
Итого |
2371 |
100 |
Таблица 5. Статьи теплового баланса периода выдержки
П.п |
Наименование, единица измерения |
Обозначение |
Вычисляемая величина |
Примечания расчетные формулы |
Приход тепла |
||||
1 |
Химическое тепло топлива, кВт |
|
|
|
2 |
Угар металла, % |
а |
0,1 |
Принимаем |
3 |
Тепло экзотермических реакций окисления железа, кВт |
|
|
|
Расход тепла |
||||
4 |
Температура уходящих продуктов сгорания, оС |
|
800 |
Принимаем |
5 |
Потери тепла с уходящими продуктами сгорания, кВт |
|
|
Табл. 3, п. 5 |
6 |
Тепловые потери через кладку теплопроводностью, кВт |
|
126 |
Табл. 3, п. 6 |
7 |
Неучтенные тепловые потери, кВт |
|
|
|
8 |
Уравнение теплового баланса |
|
|
|
9 |
Расход газа на печь, м3/ч |
|
17,8 |
|
10 |
Химическое тепло топлива, кВт |
|
|
Табл. 5, п. 1 |
11 |
Потери тепла с уходящими продуктами сгорания, кВт |
|
|
Табл. 5, п. 5 |
Таблица 6. Тепловой баланс периода выдержки.
Приход тепла |
Расход тепла |
||||
Наименование |
кВт |
% |
Наименование |
кВт |
% |
1. Химическое тепло топлива |
173 |
86,1 |
1. Тепло, уносимое продуктами сгорания |
62 |
30,8 |
2. Тепло окисления металла |
28 |
13,9 |
2. Потери тепла теплопроводностью через кладку |
126 |
62,7 |
|
|
|
3. Неучтенные потери |
13 |
6,5 |
Итого |
201 |
100 |
Итого |
201 |
100 |
Таблица 7. Расчет числа и характеристик печей.
П.п |
Наименование, единица измерения |
Обозначения |
Вычисляемая величина |
Примечания, расчетные формулы |
1 |
Годовая производительность отделения, т |
|
30000 |
Исходные данные |
2 |
Годовой фонд рабочего времени, ч |
|
6000 |
Исходные данные |
3 |
Часовая производительность отделения, т/ч |
|
30000/6000=5 |
|
4 |
Полный производственный цикл работы печи, ч |
|
19,3+8+8,3+5+4=44,6 |
Табл. 4 |
5 |
Часовая производительность печи, т/ч |
P |
144/44,6=3,23 |
|
6 |
Число печей, шт |
N |
|
|
7 |
Максимальная тепловая мощность печи (период нагрева), МВт |
|
2,33 |
Табл. 3, п. 12 |
8 |
Минимальная тепловая мощность (период выдержки), МВт |
|
0,173 |
Табл. 5, п. 10 |
9 |
Пределы регулирования |
K |
|
|
10 |
Удельный расход тепла, кДж/кг |
q |
|
|
Задаемся обшей
продолжительностью загрузки и разгрузки
печи
.
Принимаем укладку садки на поду в четыре
стопы: две по длине и две по ширине печи.
В стопе 6 слябов, уложенных на 6 прокладок
(из блюмов) толщиной a
= 0,1 м; схема рабочего пространства печи
с садкой приведена на рис. 11.3.
Тогда длина рабочего
пространства печи L = 2l+2.0,2
+ 0,4=2.4,85
+ 2.0,2+0,4.10,5
м, где 0,2 м - зазор между торцевой стенкой
и стопой, 0,4 м —зазор между стопами.
Ширина рабочего пространства печи B=2b
+ 2.0,65+1,0=2.1,1+2.0,6+1,0=4,5
м, где 0.65 м-зазор между боковой стеной
и стопой, 1,0 м —зазор между стопами.
Высота рабочего пространства печи Н =
6S
+ 6a + 0,23 = 6 • 0,145 + 6.0,1+0.23=1,7
м, где 0,23 м –зазор между сводом и стопой.
Садка печи G = 6
4M=
= 144 т.
Изменением температуры продуктов сгорания и кладки задаемся (см. рис.).
Расчет теплообмена в рабочем пространстве печи в период нагрева приведен в табл.1, а расчет нагрева металла — в табл.2.
Статьи теплового баланса печи и расчет расхода топлива в период нагрева даны в табл.3, а тепловой баланс периода нагрева — в табл. 4.
Статьи теплового баланса печи и расчет расхода топлива в период выдержки приведены в табл. 5, а тепловой баланс периода выдержки — в табл.6.
Расчет необходимого числа и характеристик печей представлен в табл.7.
Следует учитывать, что расчет дает нам средний расход топлива за период нагрева в то время как текущий расход топлива сильно меняется с течением времени и особенно велик в начальный период нагрева. Поэтому для более правильного определения тепловой мощности почти необходимо составить тепловой баланс и определить расход топлива на I расчетном участке.