2.9. Пример расчета нагревательной толкательной печи

Исходные данные:
назначение печи — нагрев слябов перед прокаткой на широкополосном стане;
размеры нагреваемых слябов, м: толщина S=0,25, ширина 6=1,85, длинаl=10,5;
качество металла — низкоуглеродистая сталь;
начальная температура металла 20°С (холодный посад);
конечная температура поверхности металла 1220°С;
допустимый конечный перепад температур по сечению металла 40 °С;
нагрев — без ограничений;
производительность стана при прокатке таких слябов (в пересчете на всад) Р_ст= 1125 т/ч;
топливо — природный газ с теплотой сгорания Q_ph=35 МДж/м3;
температура подогрева воздуха г_в=400°С. Принимаем для нагрева слябов однорядные толкательные печи с нижним обогревом, с торцевой посадкой и выдачей, с пятью зонами отопления (см. рис. 2.1, г)

Принимаем трехзонный режим нагрева с температурами продуктов сгорания (см. табл. 1.2): томильной зоны 1250 °С; сварочной зоны 1300°С; методической зоны — повышение температуры с 1000 до 1300°С.

Для расчета нагрева металла разбиваем график распределения температур на четыре расчетных участка (рис. 2.3).

Методическая зона:

участок I —неотапливаемая зона с повышением температуры продуктов сгорания от 1000 до П00°С;

участок II — 1-я зона отопления с повышением температуры продуктов сгорания от 1100 до 1300°С.

Сварочная зона:

участок III — 2-я зона отопления с температурой продуктов сгорания 1300°С.

Томильная зона:

участок IV — участок одностороннего нагрева на монолитном поду при температуре продуктов сгорания 1250°С.

По табл. 1.4 для слябов низкоуглеродистой стали толщиной 0,25 м, нагреваемых в толкательной печи, удельное время нагрева принимаем ζ=8,5 мин/см. По формуле (1.1) общая продолжительность нагрева τ=8,5 X X 25=212,5 мин = 3,55 ч.

Относительные длины зон принимаем согласно табл. 2.2: неотапливаемая зона 14 %; 1-я зона отопления 32%; 2-я зона отопления 32 %; томильная зона 22 %.

Исходя из принятых относительных размеров зон, продолжительность нагрева на расчетных участках составит:

участок I: τ _м=3,55*14/100=0,5 ч;

участки II и III: τ_с = 3,55*32/100= 1,14 ч;

участок IV: τ_т=3,55*22/100=0,78 ч.

Принимаем τ_м = 0,5 ч; τ_с = 1,15 и 1,1 ч; τ_Т=0,8 ч. Тогда общая продолжительность нагрева τ=0,5+1,15+ 1,1+0,8=3,55 ч.

Расчет теплообмена излучением в рабочем пространстве печи для каждого расчетного участка сведен в табл. 2.3.

Окончательный вариант расчета нагрева металла по участкам приведен в табл. 2.4.

Конечный перепад температур по толщине металла определяем как разность температур верхней и нижней поверхностей сляба, так как температура нижней ненагреваемой поверхности оказалась ниже, чем температура центра.

Расчет показывает, что принятое распределение температуры газов обеспечивает получение заданного конечного температурного состояния металла.

Рис. 2.3. Распределение температур в толкательной печи:
1- температура продуктов сгорания; 2 и 3 — температуры поверхности и середины металла: 4— средняя по сечению температура металла с учетом охлаждающего влияния подовых труб

Расчет конечного распределения температур в металле с учетом охлаждающего влияния подовых труб приведен в табл. 2.5.

Диаметр подовых труб 2R=0,146 м и расстояние между ними 2L= 1,1 м определяют из их прочностного расчета.

Диаметр изолированной трубы 2R₁=2R+2σ=0,146+2*0,06=0,266 м, где σ - толщина изоляции, м.

Температуру поверхности изолированной трубы t_ОП в конце сварочной зоны принимаем равной 1150°С.

Расчет произведен для изолированных и неизолированных подовых труб. Результаты расчета показывают, что заданное качество нагрева — перепад температур по сечению сляба, не превышающий 40°С, — обеспечивается только при полностью изолированных трубах.

Расчет размеров печи сведен в табл. 2.6.

Расчет статей прихода тепла приведен в табл. 2.7; подогрев воздуха принимаем равным 400 °С.

Расчет расхода тепла на нагрев металла представлен в табл. 2.8.

Расчет потерь тепла через кладку приведен в табл. 2.9, а через монолитный под участка IV (томильной зоны) — на стр. 35.

Расчет потерь тепла на охлаждение неизолированных и изолированных подовых труб приведен в табл. 2.10, а на нагрев воды, охлаждающей различные элементы печи, — в табл. 2.11. При расчете принято, что вода в охлаждаемых элементах нагревается на 20 °С.

ТАБЛИЦА 2.3 РАСЧЕТ ТЕПЛОООМЕНА ИЗЛУЧЕНИЕМ В РАБОЧЕМ ПРОСТРАНСТВЕ ПЕЧИ

Участок I:

приход тепла, кВт: 5,92(V_Г4 + V_Г3 +V_Г2)= 5,92 (905 + 10640 + 6130) = 104642;
расход тепла, кВт: 4978+5,28(V_Г4 + V_Г3 +V_Г2)+ 271 + 5720+719+366 + 1205 = 106588.
Невязка составляет, %: [(106588— 104642)/106588] * 100= 1,83.
Проверяем дополнительно расходы топлива, м3/ч: суммарный по зонам V_Г4 + V_Г3 +V_Г2=905+10640+6130=17675; на всю печь V_Г = 18000. Невязка составляет, %:
[(18000— 17675) /180001]100 = 1,8.

Тепловая мощность зон

Участок IV (томильная зона), кВт:
Q₄=1,1*9,71V_Г4 = 1,1*9,71*905 = 9670
Участок III, кВт:
Q₃=1,1*9,71V_Г3=1,1*9,71*10 640 = 113 650
Участок II, кВт:
Q₂= 1,1*9,71V_Г2 = 1,1*9,71*6130 = 66 500

Для того чтобы определить тепловую мощность верхних и нижних зон отопления раздельно, подсчитаем раздельно статьи расхода тепла для верхней и нижней половин участков. Расчет сведен в табл. 2.15.

Для определения потребления тепла печью при расчетной производительности необходимо составить тепловой баланс печи при изолированных подовых трубах.

Уменьшение расхода тепла (кВт) при изоляции подовых труб

ΔQ_охл1=42 600 - 13 020 = 29 580,

где потери тепла на охлаждение подовых труб в целом по печи соответственно при неизолированных и изолированных подовых трубах (см. табл. 2.10, п. 8)

С учетом неучтенных потерь уменьшение составитΔQ_охл1= 1,1 -29580= 32540 кВт.

Уравнение теплового баланса для печи примет вид 5,93V_Г= 106735—32540, V_Г  = 12500м³/ч. При расчетной производительности потребление тепла печью Q_потр=9,71 *12500= 121,5 МВт.

Удельный расход тепла определяем по формуле (1.10): q = 3,6-121500/225 = = 1940 кДж/кг.