Глава 2. Нагревательные толкательные печи
НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ ТОЛКАТЕЛЬНЫЕ ПЕЧИ
2.1. Характеристика толкательных печей
Толкательные печи установлены перед большинством мелкосортных, проволочных, сортовых и листовых станов на отечественных металлургических заводах. Эти печи характеризуются противоточным движением нагреваемого металла и продуктов сгорания, а также наличием в начале печи (со стороны посада металла) развитой неотапливаемой методической зоны, вследствие чего их часто называют методическими печами. В современных нагревательных толкательных печах не всегда эти принципы строго соблюдают. Например, создают прямоточные и смешанные прямо-противоточные зоны отопления, устанавливают горелки в методической зоне. Однако в целом отличительные черты этих печей сохраняются, и основные принципы расчета остаются прежними.
2.2. Классификация печей и условия нагрева металла
Нагревательные толкательные печи классифицируют по наличию нижнего обогрева и по теплотехническому режиму нагрева металла (двухзонный и трехзонный режимы). Кроме того, печи разделяют по способу отопления (торцевое, сводовое и боковое), а при торцевом отоплении, когда зоны отопления четко выражены конструктивно, печи классифицируют также по числу зон отопления (двух, трех и т.д.). На рис. 2.1 приведены профили основных типов нагревательных толкательных печей.
Наличие нижнего подогрева определяет характер граничных условий для нагреваемого металла. Металл толщиной до 100 мм нагревают с одной стороны в печах без нижнего подогрева, а толщиной > 100 мм — с двух сторон в печах с нижним подогревом.
При этом для организации нижнего подогрева металл проталкивают над нижними зонами по водоохлаждаемым подовым трубам. В результате охлаждающего и экранирующего действия подовых труб на металле образуются относительно холодные участки — «темные пятна». Для их ликвидации и повышения равномерности нагрева в конце печи (по ходу металла) создают участок одностороннего нагрева на монолитном поду, где в отсутствие подовых труб происходит выравнивание температур в металле. Таким образом, неравномерность температур, создаваемая подовыми трубами, существенно влияет на распределение температур в металле и тем самым на продолжительность нагрева. Поэтому влияние подовых труб на температурное поле в металле необходимо учитывать при расчете.
Характеристика теплотехнических режимов нагрева металла (двухзонного и трехзонного) была дана в разд. 1.4.
Способ отопления и количество зон отопления определяют распределение температуры продуктов сгорания по длине печи.
2.3. Расчетная схема нагрева металла
Для составления расчетной схемы нагрева металла в соответствии с условиями, для которых получены аналитические решения (см. разд. 5. Введения), принимают следующие допущения.
Поскольку заготовки в толкательной печи образуют сплошной плот, а толщина заготовок значительно меньше, чем длина и ширина плота, то металл в печи рассматривают как неограниченную пластину.
Распределение температур над и под металлом на участке двустороннего обогрева считают одинаковым.
ТАБЛИЦА 2.1. РАСЧЕТНЫЕ СХЕМЫ НАГРЕВА МЕТАЛЛА (ПЛАСТИНЫ) В ТОЛКАТЕЛЬНЫХ ПЕЧАХ
Учитывая условия и теплотехнический режим нагрева в нагревательной толкательной печи, расчетную схему нагрева металла в теплотехнических зонах принимают в соответствии с табл. 2.1.
2.4. Последовательность расчета нагрева металла
Рис. 2.1. Профили основных типов нагревательных толкательных печей (значения размеров в табл. 2.2):
а — двухзонная печь без нижнего обогрева, с наклонным подом, с боковой загрузкой и выдачей; б — трехзонная печь с нижним обогревом, с торцовой загрузкой и боковой выдачей; в — четырехзонная печь с нижним обогревом, с торцовой посадкой и выдачей; г— пятизонная печь с нижним обогревом, с торцовой посадкой и торцовой выдачей при помощи машины выдачи; 1 — рольганг загрузки; 2 — толкатель; 3— нагреваемый металл; 4 — окно выдачи; 5 — рольганг выдачи; 6 — штанги машины выдачи; 7 —томильная зона; 8 — сварочная зона; 9 — верхняя сварочная зона; 10— нижняя сварочная зона; 11 — 1-я верхняя сварочная зона; 12 — 2-я верхняя сварочная зона; 13— 1-я нижняя сварочная зона; 14 — 2-я нижняя сварочная зона
При расчете нагрева металла во вновь проектируемой печи обычно известны размеры, физические и теплофизические свойства нагреваемого металла, а также его начальное и конечное температурные состояния (холодный или горячий посад, конечная температура поверхности, допустимый конечный перепад температур по сечению). Кроме того, должны быть известны технологические ограничения, накладываемые на процесс нагрева.
ТАБЛИЦА 2.2. ОСНОВНЫЕ РАЗМЕРЫ РАБОЧЕГО ПРОСТРАНСТВА НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ТОЛКАТЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ
Для расчета необходимо, прежде всего, задаться распределением температуры продуктов сгорания по длине печи. С этой целью следует выбрать режим нагрева металла (двухзонный или трехзонный) согласно рекомендациям (см. разд. 1.4) и принять значения температуры продуктов сгорания в зонах (см. разд. 1.6). Затем полученный график распределения температуры продуктов сгорания делят на расчетные участки (см. разд. 1.5). На каждом участке принимают расчетную схему нагрева по табл. 2.1.
Далее предварительно определяют общую продолжительность нагрева металла в печи по формуле (1.1) и продолжительность нагрева металла на расчетных участках в соответствии с их разбивкой. Так как расчетные участки целесообразно совмещать с зонами отопления, то при определении продолжительности нагрева на расчетных участках можно пользоваться практическими данными об относительной длине зон отопления нагревательных толкательных печей, приведенными в табл. 2.2.
Расчет нагрева металла в печи ведут по расчетным участкам, начиная с первого по ходу металла. Сначала на этом участке производят расчет теплообмена излучением в рабочем пространстве, согласно методике, изложенной в разд. 13.1.4, в результате чего находят приведенный коэффициент излучения. Необходимые для этого расчета размеры рабочего пространства (ширину и высоту) определяют по методике, описанной в разд. 1.8.
Затем для первого по ходу металла расчетного участка задаются конечной температурой поверхности металла. Эта температура необходима для того, чтобы определить усредненные на расчетном участке теплофизические свойства металла и коэффициенты теплоотдачи. Усредненные теплофизические свойства металла определяют по табл. V.46—V.51 при средней на расчетном участке температуре поверхности металла.
Коэффициенты теплоотдачи определяют по методике, изложенной в разд. 13.3.4. При этом теплоотдачу конвекцией не учитывают (=0), а принимают ее в запас расчета. Коэффициент теплоотдачи излучением, определяемый по формуле (13.48), находят для начала и конца расчетного участка. Усредненный коэффициент теплоотдачи на расчетном участке находят путем арифметического усреднения коэффициентов теплоотдачи излучением в начале и в конце участка.
Затем определяют массивность нагреваемого тела по методике, изложенной в разд. 13.3.3. Входящая в числа Био и Старка величина расчетной толщины металла равна полной толщине металла при одностороннем нагреве и половине толщины при двустороннем нагреве. Расчет нагрева тонкого металла ведут по закону излучения (см. разд. 13.3.5).
При расчете нагрева массивного металла по усредненным значениям теплофизических свойств металла (коэффициенты теплопроводности и температуропроводности) и коэффициента теплоотдачи излучением определяют значения чисел Био и Фурье по формулам (13.44) и (13.66). Затем согласно принятой для расчетного участка схеме нагрева по табл. 13.5 подбирают подходящее решение уравнения теплопроводности й критериальной форме.
По графикам рис. 1.16—1.54 исходя из известных значений чисел Био и Фурье находят значения функций, входящих в решение. В результате получают температуры поверхности и центра металла, а также среднюю по сечению температуру, которая необходима в дальнейшем для составления теплового баланса зон печи.
Полученную расчетом конечную температуру поверхности металла сравнивают с предварительно заданной, и если они сильно различаются, то задаются новой конечной температурой поверхности металла, более близкой к полученной, а расчет повторяют заново. Практически совпадение заданной и полученной расчетом температур должно быть в пределах 15—20 °С. Если такое совпадение получено, переходят к расчету нагрева металла на следующем по ходу металла расчетном участке.
2.5. Порядок учета влияния подовых труб
Учет влияния подовых труб производят по методике, изложенной в разд. 13.3.10. Расчет ведут на изолированные и неизолированные трубы. При определении температурного фактора стока температуру поверхности неизолированных труб принимают равной 300°С. Температуру поверхности изоляции для изолированных подовых труб необходимо рассчитывать. Для сварочной зоны с температурой продуктов сгорания 1300—1350°С температуру поверхности изоляции подовых труб принимают равной 1150—1200 °С.
О степени неравномерности нагрева металла на подовых трубах судят по величине неравномерности средних по толщине металла температур над подовой трубой и посередине между подовыми трубами, т. е. в сечениях, где влияние подовых труб соответственно наибольшее и наименьшее. Неравномерность нагрева по длине определяют только в конце нагрева. Обычно эта величина не должна превышать заданной конечной неравномерности по сечению металла. Неравномерность нагрева по длине в основном определяется относительной продолжительностью нагрева металла на монолитной подине.
2.6. Последовательность уточнения результатов и алгоритм расчета нагрева металла
Когда закончен расчет нагрева металла на всех участках, сравнивают конечное температурное состояние металла на последнем участке с заданным по технологии нагрева. Если полученная расчетом конечная температура поверхности металла окажется ниже заданной, то необходимо увеличить относительную продолжительность нагрева в сварочной зоне за счет методической (температура поверхности металла в томильной зоне мало меняется) или поднять температуру продуктов сгорания в сварочной зоне, и наоборот.
Когда рассчитанный перепад температур по толщине металла окажется больше допустимого, необходимо увеличить общую продолжительность нагрева металла.
Если полученная расчетом неравномерность нагрева по длине окажется выше допустимой, необходимо увеличить относительную продолжительность нагрева в томильной зоне (на монолитной подине).
Когда окажутся невыполненными технологические ограничения, накладываемые на процесс нагрева, необходимо выполнить повторный расчет при измененных температуре продуктов сгорания и (или) соотношении зон. Например, если скорость нагрева или перепад температур по сечению металла в процессе нагрева окажутся выше допустимых, необходимо снизить температуру сварочной зоны или увеличить продолжительность нагрева в методической зоне за счет сварочной. При этом может потребоваться увеличение общей продолжительности нагрева.
Таким образом, варьируя температурой продуктов сгорания, общей продолжительностью нагрева и относительной продолжительностью нагрева в различных зонах, можно получить необходимое конечное температурное состояние металла и соблюсти технологию нагрева.
Алгоритм расчета нагрева металла в нагревательной толкательной печи приведен на рис. 2.2.
2.7. Основные размеры рабочего пространства печи
Садку печи или группы печей определяют по методике, изложенной в разд. 1.7.
Длину полезного пода для толкательных печей определяют (см. рис. 2.1): при боковой загрузке — от оси окна загрузки; при торцевой загрузке—от наружного края окна загрузки; при боковой выдаче — до оси окна выдачи; при торцевой выдаче — до изгиба пода при выдаче на склиз или до крайнего положения в печи штанг машины безударной выдачи.
Длину полезного пода печи или группы печей подсчитывают по формулам (1.3) или (1.4).
Коэффициент заполнения полезной длины ,в толкательной печи учитывает неплотную укладку заготовок, вызванную их кривизной, и принимается в пределах 0,98—1.
Длину полезного пода одной печи ограничивают по условиям проталкивания. Максимальная длина проталкивания LT по отношению к толщине заготовок S должна быть в следующих пределах: при толкании заготовок квадратного или близкого к квадратному сечения по горизонтальному поду LT≤220S; при толкании слябов по горизонтальному поду LT≤250S; при толкании заготовок квадратного или близкого к квадратному сечения по наклонному поду с углом наклона 6° в печах с нижним обогревом или 7—8° в печах без нижнего обогрева LT≤250S; при толкании тех же заготовок по лекальному поду с максимальным углом наклона в стороне загрузки 10° LT≤300S.
Максимальная длина полезного пода одной печи Lmaxn1=LT при боковой загрузке и Lmaxn1=LT-LC при торцевой загрузке, где LC - расстояние от оси загрузочного рольганга до наружного края окна загрузки, м (см. рис. 2.1).
Если полученная расчетом по формулам (1.2) или (1.3) необходимая длина полезного пода больше, чем максимальная длина полезного пода одной печи (LП>Lmaxn1)то следует устанавливать две или более печей.
Длину габаритного пода LГ определяют по длине полезного пода в соответствии с рекомендациями, приведенными в табл. 2.2. В этой таблице приведены практические данные о высоте рабочего пространства для различных типов печей. При сводовом отоплении высоту рабочего пространства принимают равной 1,25—1,75 м.
Ширину рабочего пространства, площади и напряжения активного и габаритного пода определяют по методике и формулам, приведенным в разд. 1.8.
2.8. Тепловой баланс
Тепловой баланс толкательной печи рассчитывают по методике, приведенной в гл. 15.
Угар металла в толкательных печах принимают равным 1 %.
Для определения расхода тепла на нагрев металла подсчитывают изменение теплосодержания по изменению средней по сечению температуры металла с учетом влияния охлаждаемых подовых труб. Тепловые балансы составляют для неизолированных подовых труб с тем, чтобы максимальная производительность печи была обеспечена при любых условиях.
При определении потребления тепла печью тепловой баланс составляют для изолированных подовых труб. Подсчитанные при этих условиях потребление и удельный расход тепла будут минимальными. В случае, если разрушившаяся изоляция подовых труб не будет своевременно восстановлена, потребление и удельный расход тепла соответственно возрастут.
При расчете тепловой мощности печи и зон отопления руководствуются рекомендациями, приведенными в разд. 1.9.
Для печей с нижним обогревом отдельно рассчитывают тепловые балансы верхних и нижних половин расчетных участков (верхних и нижних зон отопления), так как в нижних зонах отопления в расходную часть теплового баланса добавляются потери тепла через охлаждаемые подовые трубы, поэтому тепловые мощности верхних и нижних зон отопления могут существенно отличаться.
Рис. 2.2. Алгоритм расчета нагрева металла в нагревательной толкательной печи
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) Рст= 1125 т/ч;
топливо — природный газ с теплотой сгорания Qph=35 МДж/м3;
температура подогрева воздуха гв=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: τс = 3,55*32/100= 1,14 ч;
участок IV: τт=3,55*22/100=0,78 ч.
Принимаем τм = 0,5 ч; τс = 1,15 и 1,1 ч; τТ=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 tОП 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
© 2008 - 2024 «Тула-Терм»
