Нагревательные толкательные печи характеризуются противоточным движением нагреваемого металла и продуктов сгорания, а так же наличием в начале печи (со стороны посада металла) развитой не отапливаемой методической зоны, вследствие чего их часто называют методическими печами.

Методические печи по числу зон нагрева могут быть двух-, трёх - и многозонными с односторонним и двусторонним нагревом металла. При трёхзонном режиме нагрева имеются три теплотехнические зоны, по ходу металла: методическая, в которой повышается температура, сварочная с высокой постоянной температурой и томильная с постоянной температурой, близкой к заданной конечной температуре поверхности металла. Металл толщиной до 100 мм нагревают с одной стороны в печах без нижнего нагрева, а толщиной больше 100 мм - с двух сторон (с нижним нагревом).

Большое значение для работы методических печей имеет способ выдачи металла из печи. Различают торцевую и боковую выдачу металла. При торцевой выдаче необходим толкатель, который и выполняет роль выталкивателя.

Конструкцию методических печей выбирают в зависимости от типа стана и вида топлива. Тип стана определяет производительность печей толщину применяемой заготовки, температуру нагрева металла и его сортамент. От вида используемого топлива зависит конструкция горелочных устройств и применение рекуператоров. При использовании трёх зонных методических толкательных печей на среднесортных и крупносортных станах под печи выполняют прямым, с торцевой подачей и выдачей металла.

Расчет горения топлива
Рассчитаем процесс горения природного газа следующего состава:
СО2 = 2,5%; СН4 = 84,0%; С2Н6 = 4,0%; С3Н8 = 3,0%; С4Н10 = 3,5%;
N2 =3,0%.

Содержание влаги W= 11,5 г\м3

Коэффициент расхода воздуха б =1, 20

Температура подогрева воздуха tв0 = 400 0С

Определяем:

Низшую теплоту сгорания топлива, Qнр.

Расход воздуха на горение: - теоретический L0

- практический Lб

3. Расход продуктов горения: - теоретический V0

- практический Vб

4. Состав продуктов горения.

5. Температура горения топлива, tж.

Коэффициент перерасчета сухого на влажный газ:

Состав влажного воздуха:

Всего: 100%

Отношение в дутье

К1=0,21,

Где К1 доля О2 в воздухе

Теоретический расход воздуха на горение 1 м3 газа:

Практический расход воздуха:

Определим количество продуктов горения при б = 1,0

Определим количество продуктов горения при б =1,2

Действительный выход влажных продуктов горения м3/м3

Определим процентный состав влажных продуктов горения при б =1.0

Всего: 100%

Найдем процентный состав продуктов сгорания при б = 1,2;

Всего: 100%

Проверим правильность расчета составлением материального баланса:

Поступило: топливо (природный газ)

Плотность продуктов сгорания:

Получим:

Определим низшую теплоту сгорания топлива (Qnp) ^

Начальная энтальпия продуктов сгорания для расчета температур жаропроизводительной и калориметрической iж0; ik0^

Определим температуру жаропроизводительности (tж0);

Зададимся tж0 = 2000 0С, найдем q = ip, где р - массовая доля компонента в продуктах горения и I - теплосодержание компонента (из табл)

Зададимся tж0 = 2100 0С, тогда составит

21000С<iж0 >20000С

Определим калориметрическую температуру горения (t k0)

Зададимся t k0 = 21000С, тогда q=im составит

Пусть t k0 = 20000С, тогда q=im составит

Действительная температура горения:

Где з-пирометрический поправочный коэффициент для методических печей

Определение времени нагрева металла

Выберем температурный график процесса нагрева. Температуру уходящих из печи газов примем равной 8000С, а температуру в томильной зоне на 500С выше, чем температуру нагрева металла, то есть 12300С. На основании выше изложенного действительная температура горения 1315 0С.

Методическую зону условно разделим на 3 участка и усредним температуру в печи в пределах каждого из них. Для предварительного определения основных размеров печи зададимся величиной напряженности Н габаритного пода, H=P/F=500 кг/м2. тогда площадь пода будет равна F=120000/500=240 м2

Выполняем печь с однорядным расположением заготовок;

Определим ширину В и длину L печи.

Длина заготовок - l =4,3 м

Ширина печи В= l+д2=4,3+2*0,28 =4,86м

Где д - зазор между заготовками и стенами печи.

l - длина заготовки.

Длина печи

Рис.1 Температурный график нагрева печи

I-V - температурные участки методической печи:

1 - температура печи: 2 - температура поверхности металла.

Для определения степени развития кладки щ примем высоту печи h равной:

- в методической зоне нагрева - 1,0 м;

- в сварочной зоне нагрева - 2,0 м;

- в томильной зоне нагрева - 1,3 м;

Тогда степень развития кладки по зонам будет равной:

Эффективная толщина газового слоя для каждой из зон печи находим из выражения:

Где V - объем зоны, м3;

F - суммарная площадь стен, свода и пода данной зоны, м2;

з - поправочный коэффициент, равный 0,9.

Для методической зоны с длиной Lм эффективная толщина газового слоя

Определяем время нагрева для I участка методической зоны.

Находим степень черноты газов еГ:

tr =8860С

По номограммам находим

Откуда

Принимаем степень черноты металла

определим величину коэффициента Ск. г. м.:

Коэффициент теплоотдачи излучением на первом участке методической зоны будет равен при tпов=(20+300) /2=1600С

Для определения критерия Вi и коэффициента температуропроводности находим из приложений VI иVII коэффициенты теплопроводности и теплоемкости (по средней температуре металла на участке 1600С):

Отсюда для двухстороннего нагрева критерий Вi будет равен:

- тонкое тело

Где: S=0,37*0,55=0,2 м

Из величины критерия Вi следует, что на первом участке методической зоны заготовки греются как тонкое тело и время нагрева следует определять по формуле:

где G - вес заготовки, кг

поскольку тонкое тело греется без перепада t0 по сечению, средняя температура по сечению металла к концу I участка нагрева составит 3000С.

Определим время нагрева для II участка методической зоны:

tг=10580C; tме=4500С.

По номограммам находим

Откуда

Принимаем степень черноты металла

определим величину коэффициента Ск. г. м.:

Отсюда для двухстороннего нагрева критерий Вi будет равен:

На данном участке заготовка греется как массивное тело. Определим величину температурного критерия для поверхности металла.

По номограмме для поверхности пластины по значениям Bi и

Находим величину критерия Фурье. F0=0,8

Коэффициент температуропроводности будет равен

Определим температуру центра металла, к концу нагрева на II участке методической зоны, для чего по значениям F0=0,8 и Bi=0,5, пользуясь номограммой для центра пластины, найдем:

следовательно

Определим время нагрева в первой сварочной зоне (участок III)

tг=12300C; tме=7400С.

По номограммам находим

Откуда

Принимаем степень черноты металла

определим величину коэффициента Ск. г. м.:

Для определения критерия Bi и коэффициента температуропроводности б находим из приложения VI и VII

Коэффициенты теплопроводности и теплоемкости (по средней температуре металла на участке 740 0С):

Коэффициент температуропроводности будет равен

Для двухстороннего нагрева критерий Bi будет равен

тело массивное

Определяем величину температурного критерия для поверхности металла.

По номограмме для поверхности пластины находим величину критерия Фурье. F0=0,4, отсюда

По номограмме для центра пластины по значениям F0 и Bi найдем

Следовательно температура центра,

Определим время нагрева в сварочной зоне (IV участок)

tг=13150С;

Степень черноты газов

По номограмме находим

Откуда

Принимаем степень черноты металла определим величину коэффициента Ск. г. м.:

Для определения критерия Bi и коэффициента температуропроводности б находим из приложения VI и VII

Коэффициенты теплопроводности и теплоемкости (по средней температуре металла на участке 1000 0С):

Отсюда критерий Вi будет равен:

Коэффициент температуропроводности будет равен

По номограмме для поверхности пластины находим величину критерия Фурье. F0=0,8

По номограмме для центра пластины по значениям F0 и Bi найдем

Следовательно температура центра,

Определим время выдержки (томления), пользуясь номограммой. Разность температур по сечению металла в начале выдержки составит:

Определим допустимую разность температур в конце выдержки, учитывая условие 2000С на 1м толщины заготовки;

2000С - 1 м

Тогда:

При

Средняя температура поверхности металла по толщине в зоне выдержки равна:

Находим коэффициенты теплопроводности и теплоемкости (по средней температуре металла на участке 11110С):

Коэффициент температуропроводности будет равен:

Время выдержки будет равно:

Таким образом время пребывания металла в печи составит:

Определение основных размеров печи

Для обеспечения заданной производительности 120т/ч

В печи постоянно находится следующее количество металла.

Масса одной заготовки равна

Найдем число заготовок в печи:

При однорядном расположении заготовок:

Длина печи

Ширина печи В= l+д2=4,3+2*0,28 =4,86м

Площадь активного пода

Площадь габаритного пода

Высоту печи принимаем ту, что была принята при предварительном расчете.

Всю длину печи делим на зоны пропорционально времени нагрева:

Длина методической зоны

Длина I-ой сварочной зоны

Длина II-ой сварочной зоны

Длина томильной зоны

Напряженность габаритного пода печи

Т. е значение близко к тому, которое задавалось при предварительном расчете.

Выберем для печи следующую футеровку:

Свод подвесного типа из шамота класса А, толщиной 300 мм, стены двухслойные (шамот класса А д = 3345 мм). И тепловая изоляция из диатомита д = 115 мм, под томильной зоны трехслойный (тальк д = 230 мм, шамот класса Б д = 230 мм, диатомит д = 115 мм).

Составление теплового баланса печи

Выполняем конструктивную разработку печи. В данном примере расчета это сделать не возможно. При составлении теплового баланса печи приходилось отпускать некоторые статьи расхода тепла, не превышающие 5% всего расхода.

Приход тепла:

тепло от сжигания топлива:

где В - искомый расход топлива, м/ч3

тепло, вносимое подогретым воздухом:

тепло экзотермических реакций (примем угар 1%, теплота сгорания железе 5650кДж/кг)

Расход тепла:

При составлении теплового баланса опущены следующие статьи расхода:

А) потери тепла излучением через открытые окна;

Б) потери от химической неполноты сгорания;

В) потери от механической неполноты сгорания.

1. тепло, затрачиваемое на нагрев металла:

при

2. тепло, уносимое уходящими газами. Определим теплоемкость дымовых газов при tух =8000С;

3. потери тепла через кладку теплопроводностью.

Потери через свод

Толщина свода 0,3 м, материал шамот. Принимаем, что температура внутренней поверхности свода равна температуре газов.

Средняя температура в печи:

Если считать, что температура наружной поверхности кладки около 500С, то средняя температура огнеупорного материала свода ~5900C.

По этой температуре выбираем коэффициент теплопроводности шамотного материала:

Таким образом, потери через свод составляют:

где б - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности стен к окружающему воздуху, равный 71,2 кДж/(м2*ч*0С)

Потери через стены. Кладка стен выполнена двухслойной (шамот 345 мм, диатомит 115 мм)

Площадь стен, м2:

Методической зоны

Сварочной зоны

Томильной зоны

Торцевых

Полная площадь стен 162,73 м2

При линейном распределении температуры по толщине стены средняя температура шамота будет равна 5500С, а диатомита 1500С.

Следовательно.

Полные потери через кладку

4. Потери тепла с охлаждающей водой по практическим данным принимаем равным 10% Qх прихода, то есть Qх+Qр

5. Неучтенные потери принимаем в размере 15% Q прихода тепла

Составим уравнение теплового баланса печи

Тепловой баланс печи сведем в табл.1; 2

Таблица 1

Приход, к, Дж/ч	%
1. Тепло, получаемое от сгорания топлива	81,4
2. Тепло, вносимое подогретым воздухом	13,45
3. Тепло экзотермических реакций	5,06
Итого:	100

Таблица 2

Расход кДж/ч	%
Тепло затрачиваемое на нагрев металла	53
тепло уходящих газов	26
потери через кладку	1,9
потери с охлаждающей водой	6,7
неучтенные потери	10,6
Итого:	100

Удельный расход тепла на нагрев 1 кг металла составит

Выбор и расчет горелок

Принимаем, что в печи установлены горелки типа «труба в трубе».

В сварочных зонах 16 штук, в томильной 4шт. общее количество горелок 20шт. Определим расчетное количество воздуха приходящее на одну горелку.

где,

Vв - часовой расход воздуха;

ТВ - 400+273=673 К - температура подогрева воздуха;

N - количество горелок.

Давление воздуха перед горелкой принимаем 2,0 кПа. Следует что, требуемый расход воздуха обеспечивает горелка ДБВ 225.

Определим расчетное количество газа на одну горелку;

Где,

VГ =В=2667 часовой расход топлива;

ТГ =50+273=323 К - температура газа;

N - количество горелок.

8. Расчет рекуператора

Для подогрева воздуха проектируем металлический петлевой рекуператор из труб диаметром 57/49,5 мм с коридорным расположением их шагом

Исходные данные для расчета:

Часовой расход топлива В=2667 кДж/ч;

Расход воздуха на 1 м3 топлива Lб = 13,08 м3/м3;

Количество продуктов сгорания от 1 м3 горючего газа Vб =13,89 м3/м3;

Температура подогрева воздуха tв = 4000С;

Температура уходящих газов из печи tух=8000С.

Расчет:

Часовой расход воздуха:

Часовой выход дыма:

Часовое количество дыма, проходящего через рекуператор с учетом потерь дыма на выбивание и через обводной шибер и подсоса воздуха.

Коэффициент m, учитывая потери дыма, принимаем 0,7.

Коэффициент , учитывающий подсос воздуха в боровах, примем 0,1.

Температура дыма перед рекуператором с учетом подсоса воздуха;

где iух - теплосодержание уходящих газов при tух=8000С

Этому теплосодержанию соответствует температура дыма tД=7500С. (см. Рис.67(3))

5. Температура дыма за рекуператором

Где - теплосодержание воздуха при tВ=4000С;

- теплосодержание холодного воздуха

- коэффициент, учитывающий тепловые потери рекуператора в окружающую среду равный 0,9.

Этому теплосодержанию соответствует температура дыма tД=4400С.

Среднелогарифмический напор

коэффициент теплопередачи в рекуператоре

где, б` - коэффициент теплопередачи на дымовой стороне;

б`` - то же, на воздушной стороне,

где, - коэффициент теплоотдачи излучением,

- коэффициент теплоотдачи конвекцией.

Определим эффективную толщину газового слоя S

Средняя температура дыма в рекуператоре

При tД=5950С, S=0, 193 и бизл=9 Вт/(м2град)

Величина определяется по формуле

где, С=1+0,1*Х1/d=1+0,1*2=1,2

принимаем скорость дыма

Общий коэффициент теплоотдачи на дымовой стороне

Коэффициент теплоотдачи на воздушной стороне

Средняя температура воздуха

Принимаем скорость воздуха

Коэффициент теплопередачи

Поверхность нагрева рекуператора;

Произведем компоновку редуктора

Число U образных элементов

Средняя поверхность нагрева одного трубного элемента

Средняя длина одного трубного элемента

Число труб в ряду перпендикулярные движению дыма

Число труб по ходу дыма в каждой секции рекуператора

Ширина рекуператора равна

Определим радиус Rср трубы длиной Lср.

По счету она будет 8, тогда

Следовательно, высота рекуператора равна

Длина рекуператора равна

Расчет дымового тракта

Исходные данные для расчета:

1. Количество продуктов реакции горения тракта VД = 37044 м3/ч

2. Плотность дымовых газов PД=1,24 кг/м3

3. Размеры рабочего пространства в конце печи 4,86 х 1,3 м

4. Температура дыма в конце печи 1073К

5. Температура дыма в вертикальных каналах

6. Падение температуры дыма в рекуператоре складывается из потерь:

А) на трение;

Б) на местных сопротивлениях;

В) на преодоление геометрического напора (разряжение)

Схема дымового тракта рис.2.

Скорость движения дымовых газов в конце печи с четом уменьшения сечения рабочего пространства печи за счет нагревающихся заготовок, толщиной а=0,37 м, составит:

Скорость движения в вертикальных каналах принимаем равной

Тогда площадь сечения каждого канала

где, n=6 число вертикальных каналов.

Размеры вертикальных каналов принимаем следующими:

а=0,9 м; b=0,9 м

Fверт= аb=0,9*,09=,81 м2

И высота Hверт= 3 м; тогда приведенный диаметр равен

Потери давления на трение составляют:

Где для кирпичных каналов

средняя температура в канале.

Потери давления в канале при повороте из печи в вертикальные каналы на 900 с сужением.

Для случаяиз рис.91(5)

Потери на преодоление геометрического давления составляют:

Суммарные потери давления в вертикальных каналах:

Определим потери давления при движении дымовых газов от вертикальных каналов до рекуператора, которые складываются из потерь при повороте на 900 с изменением сечения при входе в боров, потерь на трение и поворот на 900 в борове без изменения сечения, то есть:

Скорость движения дыма в борове принимаем

Сечение борова

Высоту борова принимаем равной h=2м. Ширина борова

Приведенный диаметр борова

Потери давления при входе в боров

Где, для случая

Принимаем падение температуры дыма 2К на 1 м длины борова. При длине борова от вертикальных каналов до рекуператора 11м, падение температуры дыма равно 22К. Температура дыма перед рекуператором составляет:

Средняя температура дыма в борове

Потери давления на трение

Потери давления при повороте борова на 900

Где, для случая (см. приложение V,6)

Суммарные потери давления на участке от вертикальных каналов до рекуператора составят:

Потери в рекуператоре складываются из потерь при внезапном расширении на входе в камеру рекуператора, потерь при внезапном сужении при выходе из камеры рекуператора и потерь давления при поперечном омывании дымом коридорного пучка труб.

Размеры камеры для установки рекуператора равны:

Наружный диаметр труб составляет:

Температура дыма на выходе в рекуператор на выходе:

Скорость движения дыма в рекуператоре принимаем равной, :

Число рядов труб по ходу дыма n=2*15=30 шт.

Потери давления при внезапном расширении (изменении скорости) при входе в рекуператор

Где, для случая (см. приложение V,6)

При поперечном омывании дымом коридорного пучка труб

Где:

n=30 число труб по ходу дыма

б=0,11; в=1,0 коэффициенты, определяемые по рис112(5)

х1=2d; х2=2d шаг пучка труб перпендикулярно и по ходу дыма соответственно.

Потери давления при сужении на выходе из камеры рекуператора в боров

Где, для случая (см. приложение V,6)

Скорость движения дыма в камере рекуператора за трубами составляет:

Потери давления в рекуператоре составляют:

Определим потери давления на участке от рекуператора до шибера.

Принимаем падение температуры дыма на этом отрезке 1,5К на 1 м длины борова (длина борова 6 м). Тогда средняя температура на этом участке составит:

При этом же сечении борова, что и до рекуператора, потери на трение составляют:

Общие потери давления при движении продуктов сгорания от рабочего пространства до шибера составляют:

Рис.2 Схема дымового тракта методической печи: l-печь; 2-вертикальные каналы; 3-рекуператор; 4-боров; 5-шибер; 6 - труба дымовая.

Расчет дымовой трубы

Определим высоту дымовой трубы, предназначенной для удаления продуктов сгорания из методической нагревательной печи. Общая потеря давления при движении дымовых газов.

Температура дыма перед трубой ТГ1=704К.

Плотность дымовых газов РГО=1,24.

Температура окружающего воздуха ТВ=293К

Количество продуктов сгорания, проходящих через трубу:

Найдем площадь сечения устья трубы, принимая скорость движения дыма в устье равным

Диаметр устья трубы

Диаметр основания трубы находим из соответствия

то есть

Скорость движения дымовых газов в основании трубы составляет:

Действительное разряжение, создаваемое трубой должно быть на 50-60%

больше потерь давления дымовых газов, то есть

Определим температуру газов в устье трубы, для чего ориентировочно принимаем по графику(рис.3) высоту дымовой трубы Н= 50м.

Падение температуры для кирпичной трубы принимаем равной 1,0-1,5К на

1 м высоты трубы:

Тогда температура газов в устье трубы равна:

Средняя температура газа составит:

Средний диаметр трубы составляет:

Тогда:

Средняя скорость движения дымовых газов в трубе составляет:

Определение высоты дымовой трубы.

Коэффициент трения для кирпичных труб примем равным

Выбор вентилятора

Для вентилятора воспользуемся таблицей выбора вентиляторов рис.8ст.50(6).

По характеристикам, соответствующим параметрам печи (часовым расходом воздуха Vв=2667 м3/ч и давлением перед горелками 4кПа) выбираем вентилятор ВВД-5 с клиноременной передачей.

Технико-экономические показатели печи

№	Показатель	Величина
1	Производительность	120 т/ч
2	Часовой расход газа	2667 м3/ч
3	Удельный расход тепла	1483,3 кДж/кг
4	КПД печи	53%

13. Список использованной литературы
1. Кривандин В.А., Марков Б. л. Металлургические печи. М; Металлургия, 1977.46 с.

2. Мастрюков Б.С. Расчет металлургических печей.

М; Металлургия. 1986.376 с.

3. Тайц Н.Ю., Розенгарт Ю.И. Методические нагревательные печи. М Металлургиздат, 1964.408 с.4. Тымчак В.Н. Гусовский В.Л. Расчет нагревательных и термических печей. Справ. Изд. М; Металлургия, 1983, 480 с.

4. Детали машин. Атлас конструкций под редакцией Решетова Д.Н. М. Машиностроение, 1979 г.