Харьков 2008

Методические указания самостоятельной работы и практических занятий по курсу “Технология нагрева и нагревательных устройств КШЦ” по образовательной программе подготовке бакалавра. МУ-ХПИ-МТ. ОМД23.12.2007. Составили В.И. Кузьменко, Тихомиров Ю.С. – Харьков: НТУ “ХПИ”, 2008.

Составители: В.И. Кузьменко. Ю.С. Тихомиров. Рецензент: В.Н. Левченко Кафедра “Обработка металлов давлением”

2

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………...…5

1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ КУРСА………………………………… …………6

1.1.Характеристики нагрева…………………………………… ……………..……6

1.2.Топливо. Вид, состав и расчет горения. …………………………………… 7

1.2.1.Вид и состав топлива…………………………………………………….…… 7

1.2.2.Теплота сгорания топлива…………………………………………………… 8

1.2.3.Топливо для печей………………………………………………………..…10

1.3.Топливосжигающие устройства………………………………………………11

1.3.1.Требования к горелкам, форсункам и их лассификация……...…….…11

1.4.Расчет нагрева и охлаждения металла…………………………………...……13

1.4.1.Температурные режимы нагрева стальных изделий в печах……….……13

1.4.2.Анализ решения дифференциального уравнения теплопроводности…...14

1.5.Огнеупорные материалы……………………………………………………… 15

1.5.1.Основные классификационные признаки огнеупорных материалов……………………………………………………………………. .……15

1.5.2.Огнеупорные изделия…………………………………………………. ……16

1.5.3.Строительные материалы…………………………………………...… ……17

1.5.4.Металлы…………………………………………………………………….…17

1.6.Элементы нагревательных печей………………………………………..……19

1.6.1.Фундаменты и футеровка печей……………………………………………19

1.6.2.Каркасы печей…………………………………………………………..……20

1.6.3.Рамы, заслонки рабочих окон и механизмы подъема заслонок……...…20

1.7.Теплообменные аппараты…………………………………………………..…20

1.8.Пламенные нагревательные печи……………………………………….……21

1.8.1. Требования, предъявляемые к печам. Классификация печей…….… … 21 1.8.2. Камерные печи с постоянной температурой рабочего пространства….….22

1.9.Основы проектирования печей…………………………………….…………24

1.9.1.Выбор типа печи……………………………………………………..….……24

1.9.2.Порядок проектирования печей………………………………………… …25

1.9.3.Определение основных размеров печи………………………………...……27

1.9.4.Эскиз печи………………………………………………………………….…27

1.10.Определение расхода топлива. Тепловой баланс печи………………….…28

2.ЗАДАНИЕ. ДАННЫЕ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАДАНИЯ……………...……...29

3.РАСЧЕТ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА………………………………………… …...…29

3.1.Расчет горения газообразного топлива…………………………………… .…29 3.1.1 Состав заданного вида топлива ………………………………………… …..29 3.1.2 Определение количества воздуха необходимого для полного сгорания топлива…………………………………………………………… …...…29

3.1.3 Количество и состав продуктов горения (ПГ) …………………………...…30

3

3.1.4 Определение температуры горения топлива………………………… ……..31 3.2. Расчет горения жидкого топлива………………………………………… ...…33

3.2.1Определение состава рабочей массы топлива заданного вида……… …….33

3.2.2Состав рабочей массы топлива заданного вида……………………… …….33

3.2.3Определение количества воздуха необходимого для полного

сгорания топлива………………………………………………………… …………33

3.2.4Количество и состав продуктов горения (ПГ) …………………………...…34

3.2.5Определение температуры горения топлива………………………… …..…36

4. РАСЧЕТ ВРЕМЕНИ НАГРЕВА ЗАГОТОВКИ В КАМЕРНОЙ ПЕЧИ……....37 4.1. Выбор температурного режима ковки:………………………………….…….37

4.1.1.Температура начала ковки и конца ковки (tн.к., tк.к.)……………………..37

4.1.2.Температура рабочего пространства печи……………………………. ..…..38

4.1.3.Температура конца нагрева…………………………………………… …….38

4.1.4.Температура начала нагрева tм.н……………………………………………38 4.2 Критерий Био………………………………………………………………… …38 4.3. Определение времени нагрева…………………………………………………40

4.3.1.Аналитический расчет времени нагрева заготовок…………………...……40

4.3.2.Определение времени нагрева заготовок в печи по справочным данным……………………………………………………………………………….42

4.3.3. Выполнить расчет на ЭВМ, с помощью программы ²Камерный нагрев²………………………………………………………………………..………43

5.ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ РАБОЧЕГО ПРОСТРАНСТВА ПЕЧИ……….43

5.1.Весовая производительность печи…………………………………….………43

5.2.Величина садки…………………………………………………………………43

5.3.Активная площадь пода……………………………………………………..…43

5.4.Коэффициент загрузки пода………………………………………...…………43

5.5.Площадь пода………………………………………………………………...…44

5.6.Весовая производительность пода…………………………………….………44

5.7.Окончательное определение размеров рабочего пространства печи……….44

5.8.Окончательная площадь пода…………………………………….……………45

5.9.Эскиз пода.…………………………………………………………… ……...…45

6.ВЫБОР КЛАДКИ. КОМПАНОВКА ПЕЧИ……………………………………46

6.1.Стены…………………………………………………………………… ………46

6.2 Свод………………………………………………………………………………46

6.3.Под……………………………………………...………… …………… ………47

6.4.Размеры окна загрузки/выгрузки……………...…………………….……...…48

6.5.Эскиз печи……………………………………………...………………… ……48

7.ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДА ТОПЛИВА……………49

4

7.1.Приходные статьи баланса…………………………...………….…… …….…49

7.1.1.Химическая теплота топлива……………………………………………...…49

7.1.2.Тепло вносимое подогретым воздухом (физическое)…………………….. 49

7.1.3.Тепло от экзотермической реакции горения железа………………….……49

7.2.Расходные статьи баланса…………………………………………………...…49

7.2.1.Тепло затрачиваемое на нагрев стали…………………………………….…49

7.2.2.Потери тепла с уходящими газами………………...……………… ……….49

7.2.3.Потери тепла от химической неполноты сгорания топлива…………….…50

7.2.4.Потери тепла через кладку, открытое окно и прочие потери………...……50

7.3Уравнение теплового баланса………………...…………… …………… …….53

8. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ ПЕЧИ…………………………………………………………………………………54

8.1Термический КПД……………………………...………………….……… ……54

8.2Эффективный КПД…………………………………………………………...…54

8.3Удельный расход топлива………………………………………………………54

8.4Удельный расход условного топлива………………...………………… ….…54

8.5.Напряженность площади пода…………………...………… ………… …...…54 9.ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ………………...……………..………… ……...55

Приложение 1 Удельный вес сталей……………………………………………….56 Приложение 2 Средняя удельная теплоёмкость сталей……………………..……57 Приложение 3 Варианты заданий……………………………………………..…...58 Приложение 4 Пример расчета………………………………………….……….... 62

5

ВВЕДЕНИЕ

Методические указания предусматривают выработку навыков решения практических задач теплотехники и выполнения самостоятельной работы по проектированию пламенных печей кузнечно-штамповочного производства студентами в процессе изучения курса “Технология нагрева и нагревательные устройства кузнечно-штампованных цехов”. Служит для закрепления знаний, полученных студентами на лекционных занятиях и в процессе изучения специальной литературы. Методические указания содержат индивидуальные задания, основные положения для выполнения работы, примеры расчета для всех этапов проектирования нагревательной печи, значительный объём справочных данных и определяют порядок выполнения задания и оформления работы.

6

происходит окисление железа и оплавления легкоплавких эвтектик на границах зёрен, связь между зернами ослабевает, сталь теряет пластичность, становится хрупкой и теряет сплошность в случае последующей ковки. Пережженные заготовки отправляют на переплавку в сталеплавильные цехи (неисправимый брак).

Большое значение имеет также скорость нагрева, т. е.скорость изменения температуры тела. Различают скорость нагрева в данный момент времени и за какой-либо период.Процесс нагрева следует проводить с максимально допустимой скоростью, что обеспечивает повышение производительности печи, снижение окисления и уменьшение расхода топлива. Повышение температуры печных газов и увеличение коэффициента теплопередачи позволяет ускорить нагрев в пламенных печах. Коэффициент теплоперетдачи возможно увеличить, например, за счет увеличения скорости движения газового потока, интенсивной циркуляции теплоносителя по поверхности тела, или перехода к лучистому теплообмену, путём использования радиационных горелок излучающих свода и пода.

Нагрев заготовок осуществляют в специальном тепловом устройстве, именуемом печью. Конструкции печей разнообразны. Данная работа посвящена нагреву заготовок в пламенных печах, т.е. таких, в которых в качестве источника тепла используют жидкое и газообразное топливо. Заготовки для штамповки поковок машиностроительного производства имеют относительно небольшие размеры и изготовляют их, в основном, из углеродистых и низко- и среднелегированных сталей, что позволяет отнести их к термически «тонким» или близким к ним телам, которые нагревают с использованием камерного режима , при постоянной температуре рабочего пространства печи. Заготовки больших размеров, а также заготовки из высоколегированных сталей греют с использованием методического и полуметодического режимов нагрева.

Расчет и проектирование печи включают в себя: расчет горения топлива, определение температуры горения, расчет времени нагрева, компановка и определение размеров рабочего пространства печи, выбор огнеупорных материалов и кладки печи, использование вторичного тепла, вычисление основных наружных размеров печи и теплового боланса с основными показтелями работы спроектированной печи и её эскиз.

1.2.ТОПЛИВО. ВИД, СОСТАВ И РАСЧЕТ ГОРЕНИЯ.

1.2.1. ВИД И СОСТАВ ТОПЛИВА

Топливо — горючее вещество, выделяющее при сгорании значительное количество теплоты и используемое как источник получения энергии.

Топливо по агрегатному состоянию подразделяют на твердое, жидкое и газообразное. Оно может быть естественным, используемым в том состоянии, в

8

каком оно находится в природе, и искусственным, переработанным из естественных видов топлива.

К твердому естественному топливу, применяемому для отопления различных печей, относят дрова, торф, антрацит, бурые и каменные угли; к твердому искусственному топливу — древесный уголь, кокс, термоантрацит, брикеты и пыль из бурого и каменного углей. В качестве жидкого искусственного топлива используют мазут и различные смолы. Газообразное топливо может быть естественным, например природный газ, и искусственным, например газы, получаемые в доменных печах (доменный или колошниковый), в коксовых печах (коксовый) и в газогенераторах (генераторный).

Для отопления кузнечных, прокатных и термических печей используют только газообразные и жидкие топлива.

1.2.2. ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ ТОПЛИВА

Теплотой называют то количество теплоты Q, кДж, которое выделяется при полном сгорании 1 кг жидкого или 1 м3 газообразного топлива.

В зависимости от агрегатного состояния влаги в продуктах сгорания различают высшую и низшую теплоту сгорания. Если в продуктах сгорания влага находится в жидком виде, то теплота сгорания будет высшей: QB; при парообразном состоянии влаги теплота сгорания будет низшей: QH.

Влага в продуктах сгорания жидкого топлива образуется при горении водорода НР, а также при испарении начальной влаги топлива WР. В продукты сгорания попадает также и влага воздуха, использованного для горения. Однако ее обычно не учитывают. При содержании в топливе НР кг водорода при горении образуется 9НР кг влаги. При этом в продуктах сгорания содержится (9НР + WР) кг влаги. На превращение 1 кг влаги в парообразное состояние затрачивается ~2500 кДж теплоты. Если конденсация паров воды не произойдет, то теплота, затраченная на испарение влаги, не будет использована. В этом случае получим низшую теплоту сгорания. Обычно в печах температура газов значительно выше температуры конденсации водяных паров. Поэтому основной характеристикой топлива будет низшая теплота сгорания.

Теплота сгорания (в кДж) может быть отнесена к любой массе топлива, но чаще всего ее относят к рабочей массе.

Можно записать, что

QHP = QBP 25−( H P W P )

В этой формуле содержание НР и WР выражено в процентах, поэтому сомножитель перед скобками уменьшен в 100 раз. Аналогичным образом можно выразить разницу между высшей и низшей теплотой сгорания газообразного топлива.

Существует два метода определения теплоты сгорания: экспериментальный и расчетный.

9

При экспериментальном определении теплоты сгорания навеску топлива сжигают в приборах, называемых калориметрами. Теплота, выделяющаяся при горении топлива, поглощается водой. Зная массу воды, по изменению ее температуры можно вычислить теплоту сгорания. Достоинство метода — его простота. Для определения теплоты сгорания по этому методу достаточно иметь данные технического анализа.

При использовании расчетного, более быстрого метода теплоту сгорания определяют по формулам, но для этого нужны данные элементарного анализа. Существует большое число формул, но для жидкого и твердого топлива чаще используют формулу Д. И. Менделеева:

где СР, НР, ОР, SР и WР — соответственно содержание углерода, водорода, кислорода, серы и влаги в рабочем топливе, %.

Формула учитывает тот факт, что небольшая часть углерода и водорода находится в топливе в соединении с другими элементами, образуя негорючие соединения.

Формула для определения теплоты сгорания газообразного топлива построена по такому же простому принципу, что и формула Д. И. Менделеева. Ею суммируются количества теплоты, выделяющейся при горении отдельных составляющих топлива. Естественно, что количество выделившейся теплоты зависит не только от величины теплового эффекта реакции горения того или иного компонента, но и от его количества в топливе. Поэтому в правой части формулы находятся члены, представляющие собой произведение теплового эффекта реакции горения на содержание газа в топливе в процентах.

Для газообразного топлива теплота сгорания, кДж/м3

QHP = 127 CO + 108 H 2 + 358CH 4 + 590 Cm H n + 560 C2 H 2 + 636 C2 H6 + + 913C3 H8 + 1185 C4 H10 + 1465 C5 H12 + 234 H 2 S

Если в природном газе содержится до 3 % Cm Hn (непредельных углеводородов неизвестного состава), то их можно принять за этилен (С2Н4). Поэтому в формулу будет входить слагаемое 590Cm Hn .

В коксовом газе состав непредельных углеводородов сложнее. Они имеют повышенную теплоту сгорания. Поэтому при их содержании до 3 % в

формулу вводят слагаемое 710Cm Hn .

Значение теплоты сгорания газа, вычисленное по формуле, немного меньше значения, определенного с помощью калориметра. При вычислениях по формуле не учитывается наличие в газах смол и паров жидких углеводородов.

Различные топлива имеют различную теплоту сгорания. Для нормирования и учета расхода топлива используют понятие условного топлива.

10

Условным принято называть топливо с низшей теплотой сгорания (29 310 кДж/кг). Для перевода любого топлива в условное следует разделить его теплоту сгорания на 29 310 кДж/кг, т. е. найти эквивалент данного топлива: для мазута он равен 1,37—1,43, для природных газов 1,2—1,4.

1.2.3. ТОПЛИВО ДЛЯ ПЕЧЕЙ

Мазут. Для отопления печей используют мазут, являющийся продуктом переработки нефти. Средний состав мазута: 8580 % СГ; 10-12,5 % НГ; 0,5-1,0 % (ОГ + NГ); 0,4-2,5 % SГ; 0,1-0,2 % АР; 2 % WР. Теплота сгорания мазута равна 39 —42 МДж/кг. В зависимости от процентного содержания серы мазут подразделяют на малосернистый (<0,5 % SР), сернистый (0,5-1 % SР) и высокосернистый (>1% SР). Содержание влаги в мазуте, отправляемом с нефтеперегонного завода, не должно превышать 2 %.

Мазут подразделяют также по содержанию парафина и способу переработки нефти. Различают мазут прямой перегонки - маловязкий и крекингмазут, обладающий повышенной вязкостью. В зависимости от вязкости"; мазут классифицируют по маркам. Номер марки мазута показывает условную вязкость при температуре 50 °С (ВУ50). Вязкость определяют с помощью приборов— вискозиметров. За условную вязкость принимают отношение времени истечения 200 см3 нефтепродукта при температуре испытания ко времени истечения такого же объема воды, имеющей температуру 20 °С. По этому показателю мазут подразделяют на марки 40, 100, 200 и МП (мазут для мартеновских печей).

С увеличением номера марки мазута увеличивается его плотность, которая составляет 0,95—1,05 г/см3 при 20 °С; с повышением температуры плотность уменьшается.

Рассмотрим некоторые свойства мазута. Плотность мазута влияет на способ подготовки его к сжиганию, заключающийся в отстое и фильтрации мазута для отделения воды и механических примесей (песка, глины и т. д.). Мазут отделяют от воды при повышенной температуре, выбор которой зависит от его марки и плотности. Вязкость и плотность мазута при нагреве уменьшаются, вследствие чего он всплывает вверх. Внизу емкости скапливается влага, вверху — обезвоженный мазут.

Вязкость мазута имеет большое значение при его сливе из железнодорожных цистерн, при подаче по трубопроводам из заводских и цеховых емкостей к печам, а также при распыливании форсунками. Мазут обычно сжигают в распыленном состоянии с помощью форсунок.

На перекачку и распыление мазута затрачивается тем меньше энергии, чем ниже его вязкость, зависящая от температуры; чем выше температура, тем ниже вязкость. Температуру выбирают по графикам вязкости, исходя из обеспечения условной вязкости мазута 5—10 ед. Недогрев вязкого мазута затрудняет его использование, а перегрев сильно обводненного мазута вызывает

11

его вспенивание, что опасно с точки зрения техники безопасности и может привести к пульсирующему горению.

При разогреве надо учитывать температуру вспышки мазута, т. е. температуру нагрева, при достижении которой начинается интенсивное выделение летучих составляющих, способных загораться от искры или пламени. Она обычно изменяется в пределах 80—190°. Температуру вспышки следует отличать от температуры воспламенения, под которой понимают температуру нагрева, при Достижении которой (500 °С) мазут самопроизвольно воспламеняется и при благоприятных условиях продолжает гореть.

Газообразное топливо. Это топливо обладает многими преимуществами по сравнению с жидким топливом. Подогревая газ и воздух, идущие на горение, можно получить высокую температуру горения. Процесс сжигания газа легко автоматизируется. При использовании газообразного топлива облегчается управление составом печной атмосферы, улучшаются санитарно-гигиенические условия работы обслуживающего персонала. Однако при этом повышаются требования техники безопасности.

Печи отапливают природным газом и газом, получаемым при добыче и переработке нефти. Кроме того, печи металлургических заводов отапливают доменным и коксовым газами и их смесями.

Природный газ добывают из чисто газовых месторождений или вместе с нефтью (попутный газ). В первом случае основной горючей составляющей является метан, содержание которого может доходить до 95—98 %. Попутные газы помимо метана содержат значительные количества других углеводородов: этан C2H10, пропан С3Н8, бутан С4Н10, пентан С5Н12 и др. Попутные газы имеют высокую теплоту сгорания, но в качестве топлива их используют редко. Их применяют в основном в химической промышленности.

Природный газ, добываемый из газовых месторождений — самое дешевое топливо.

1.3. ТОПЛИВОСЖИГАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

Нагрев заготовок, поковок, деталей в пламенных печах осуществляется за счет теплоты, выделяющейся в результате сгорания топлива (газообразного, жидкого), которое сжигают с помощью специальных топливосжигающих устройств: горелок и форсунок.

1.3.1. ТРЕБОВАНИЯ К ГОРЕЛКАМ, ФОРСУНКАМ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

Горелки для газа и форсунки для мазута предназначены для ввода топлива и воздуха в топку или рабочее пространство печи, перемешивания горючего с кислородом и воспламенения горючей смеси.

12

Самой важной задачей топливосжигающих устройств является обеспечение условий образования горючей смеси топлива с воздухом.

Процесс горения мазута более сложный, чем процесс горения газообразного топлива. Мазут — смесь сложных жидких углеводородов, при горении, как и газообразное топливо, он подвергается своеобразной «газификации» с образованием активных центров.

При горении жидкого топлива можно выделить следующие стадии: распыление топлива и смешивание его с воздухом, подогрев смеси и испарение легких фракций, термическое расщепление и горение газовой фазы. Эти стадии взаимосвязаны между собой и в какой-то степени совмещены. Для создания условий полной «газификации» мазута необходимо, чтобы процесс нагревания и испарения капель топлива протекал быстро и при необходимом количестве кислорода. Несоблюдение этих условий может привести к полному разложению углеводородов с образованием трудносжигаемых крупных частиц сажистого углерода. Тонкое распыление мазута резко уменьшает размер отдельных капель, что ускоряет их прогрев, испарение и горение.

Таким образом, топливосжигающие устройства в первую очередь должны обеспечить создание нормальных приведенных выше условий горения различных топлив. Разработано множество различных конструкций горелок и форсунок, среди которых нужно выбрать наиболее эффективные для конкретного печного агрегата.

Газовые горелки по способу перемешивания подразделяют на пламенные (без предварительного перемешивания) и беспламенные (с предварительным перемешиванием). Горелки также классифицируют и по другим признакам, например по давлению газа или по конструктивным особенностям.

В характеристику горелок включают:

1)рабочее давление газа;

2)рабочее давление воздуха;

3)размеры горелки;

4)размеры образующегося факела, позволяющие определить его границы

итеплоотдачу.

Пригодность горелок определяется допустимыми пределами регулирования производительности горелок, границы которой зависят от устойчивости процесса горения по условиям отрыва факела от горелки при больших нагрузках и от стойкости горелки по условиям обгорания при затягивании факела в ее устье при малых нагрузках. Особенно важны эти данные, когда выбирают горелки для работы в системе автоматического регулирования процесса сжигания топлива.

13

1.4.РАСЧЕТ НАГРЕВА И ОХЛАЖДЕНИЯ МЕТАЛЛА

1.4.1.ТЕМПЕРАТУРНЫЕ РЕЖИМЫ НАГРЕВА СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ

ВПЕЧАХ

Под режимом нагрева понимают закон изменения температуры печи в процессе нагрева. Он определяет скорости нагрева изделий до заданной температуры, количество, продолжительность и температуры выдержек, а также общую продолжительность процесса.

Режим определяется маркой стали, формой и размерами изделий, их расположением относительно друг друга, конструкцией и назначением печи.

В практике нагрева стальных изделий и слитков известны одно-, двух-, трех- и многоступенчатые режимы нагрева. Выбор того или иного режима в значительной мере определяется величиной термических напряжений, возникающих при нагреве вследствие неоднородного температурного поля по сечению изделия.

Нагрев тел сопровождается увеличением их объема. Наружные слои, имеющие температуру большую, чем средние, стремятся расшириться, но за счет воздействия на них внутренних слоев находятся в сжатом состоянии. Внутренние слои имеют температуру ниже средней, поэтому будут растягиваться. Следовательно, причина возникновения температурных напряжений температурный градиент по сечению тела. Величина напряжений зависит также от механических свойств стали.

Кроме температурных напряжений, в изделии могут быть и структурные напряжения, обусловленные структурными превращениями в металле.

Термические напряжения, возникающие при нагреве тонких тел, незначительны. Поэтому скорость нагрева в этом случае может быть максимальной. Режим, удовлетворяющий этому условию, характеризуется постоянной температурой греющей среды либо во времени, либо по длине рабочего пространства. Такой режим называют одноступенчатым. Его целесообразно применять для нагрева термически тонких тел в современных механизированных и автоматизированных проходных печах.

Возникновение температурных напряжений в термически массивных телах особенно опасно при нагреве до температур порядка 500 °С, пока сталь не станет пластичной, поэтому скорость нагрева необходимо снижать в указанном температурном интервале с целью получения нужного градиента температур по сечению изделия, что достигается применением двухступенчатого режима. Он характеризуется пониженной температурой печи в начале процесса и медленным ее повышением до наступления пластичного состояния стали. В первый период температура печи медленно повышается от минимальной до максимальной. Скорость повышения температуры печи определяется маркой стали и размерами изделий. После достижения пластичности изделие нагревают

14

при максимальной температуре печи, но так, чтобы к концу нагрева перепад температур по сечению t не превышал заданного значения.

По двухступенчатому режиму работают методические кузнечные печи, кузнечные печи для нагрева садок средних и крупных заготовок или слитков, печи с выдвижными подами.

Трехступенчатый режим применяется для нагрева очень крупных слитков в камерных печах или для нагрева заготовок в современных высокопроизводительных печах. Здесь помимо периода медленного нагрева, периода ускоренного нагрева имеется еще период выдержки, предназначенный для уменьшения перепада температур по сечению и реализуемый при пониженной температуре печи.

Температурный режим печи обязательно связан с тепловым, с подачей в печь топлива или электроэнергии в определенном количестве для всех стадий или периодов нагрева.

1.4.2. АНАЛИЗ РЕШЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО УРАВНЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

В теории теплопроводности известна формула для расчета продолжительности нагрева термически тонких тел:

где k1 — коэффициент формы. Для пластины k1 = 1, а для цилиндра k1 = 2.

s-толщина нагрева, s=R-при нагреве цилиндрических заготок; c-средняя удельная теплоёмкость;

p-средний удельный вес;

a-средний коэффициент передачи тепла на поверхность нагреваемой заготовки tпеч- температура рабочего пространства печи;

tнач.- начальная температура заготовки; t-конечная температура заготовки.

Из этого уравнения видно, что время нагрева или охлаждения термически тонких тел пропорционально s или R, т. е. линейному размеру тела, и что при s = R цилиндр нагревается или охлаждается в 2 раза быстрее пластины. Этими уравнениями можно пользоваться до значений Bi Ј 0,25.

Уравнение пригодно и для тел другой формы, если ввести в него соответствующее значение величины k1 .

Знание времени нагрева и основных размеров нагреваемой заготовки позволяет осуществить компоновку заготовок на поду печи и определить размеры пода и рабочего пространства печи.

15

Переходим к выбору огнеупорных и строительных материалов, а затем и компановке печи.

1.5.ОГНЕУПОРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

1.5.1. ОСНОВНЫЕ КЛАССИФИКАЦИОННЫЕ ПРИЗНАКИ ОГНЕУПОРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Неметаллические материалы с огнеупорностью не ниже 1580 °С называют огнеупорными. Они предназначены для использования в тепловых агрегатах и устройствах в качестве защиты от воздействия высоких температур

иагрессивных сред (газовых, жидких, твердых).

Взависимости от специфики производства, изделия из огнеупоров должны быть достаточно прочными, обладать высокой температурой плавления, не разрушаться при резких изменениях температуры, не взаимодействовать со шлаками и газами, иметь нужную теплопроводность, точные размеры и требуемую форму. Многочисленность требований и сложность их выполнения обусловили создание большого числа различных видов огнеупоров. Это определяет необходимость их классификации. В настоящее время огнеупоры подразделяют по ОСТ 1446 на огнеупорные изделия (формованные), имеющие определенную геометрическую ферму, размеры, и неформованные огнеупоры.

Взависимости от области применения огнеупоры подразделяют на два вида: общего назначения и для определенных тепловых агрегатов и устройств.

Огнеупорные изделия по специальным признакам классифицируют в зависимости от способа упрочнения, способа формования, по форме и размерам

иот способа дополнительной обработки огнеупоров.

При этом огнеупорные изделия в зависимости от способа упрочнения бывают:

-бетонные, которые состоят из огнеупорного заполнителя, связки (гидратационной или химической) и пластифицирующих добавок, регулирующих скорость схватывания и твердения; структурообразующих добавок и т. д.. Они обретают заданные свойства в результате твердения при нормальной температуре или нагреве не выше 600 °С;

-безобжиговые, которые состоят из огнеупорных компонентов и связки (коагуляционной или органической). Они обретают заданные свойства при сушке или коксовании при температуре не выше 600 °С;

-обожженные, подвергнутые спеканию в процессе обжига при температуре, обеспечивающей заданные свойства;

-горячепрессованные, подвергнутые спеканию в процессе прессования;

-из расплава затвердевшие.

В свою очередь, огнеупорные бетонные и безобжиговые изделия подразделяют в зависимости от типа связки.

16

Огнеупорные изделия в классификации по специальным признакам подразделяют также в зависимости от способа формования. Полусухим способом формования изготовляют изделия из порошкообразных, малопластичных или непластичных масс (в том числе из плавленых материалов) методами механического, гидравлического, изостатического прессования, вибропрессования, трамбования, виброуплотнения и т. п.

Изготовляют огнеупорные изделия из пластических масс пластическим формованием (выдавливанием, допрессовкой, термопластическим прессованием и др.); литьем и вибролитьем из текучих масс; горячим прессованием. Сюда же относят плавленолитые огнеупоры и пиленые из естественных горных пород или предварительно изготовленных блоков.

По форме и размерам огнеупорные изделия (с учетом их массы) подразделяют на прямые нормальных размеров 230 X (114; 115) X (65; 75) мм; клиновые нормальных размеров 230 X (114; 115) X 65 (55) X 65 (45) X 75 (65) X 75 (55); мелкоштучные разного назначения массой преимущественно менее 1 кг; фасонные изделия простой, сложной и особосложной конфигурации; прямые и клиновые специальные изделия; изделия имеющие другие элементы сложности (пазы, шпунты, отверстия, криволинейные поверхности и др.); рулонные и листовые изделия; блочные изделия массой от 10 до 1000 кг; крупноблочные изделия массой свыше 1000 кг.

1.5.2. ОГНЕУПОРНЫЕ ИЗДЕЛИЯ

Технология изготовления огнеупорных изделий включает процессы: обработка сырья (измельчение, обогащение); приготовление массы; формование (литье, горячее прессование); сушка кирпича-сырца; обжиг изделий; твердение (упрочнение в зависимости от вида связки).

Наиболее распростронены алюмосиликатные изделия: полукислые, шамотные, муллито-кремнеземистые, муллитовые, муллитокорундовые. При нагреве под ковку (штамповку) чаще применяют шамотные и полукислые огнеупорные материалы Огнеупорная основа шамотных и полукислых огнеупоров — муллит (3Al2О3·2SiО2), кремнезем (SiО2) и корунд (А12О3)..

Шамотными называют огнеупорные изделия с содержанием Al2О3 от 28 до 45 %, полученные из огнеупорных глин (или каолинов), смешанных с шамотом, т. е. с предварительно обожженными в кусках и измельчёнными теми же глинами. Чем больше Al203 в глине, тем выше огнеупорность изделий.

Огнеупоры, в составе которых более 80 % шамота, применяют для изготовления изделий, которые должны обладать высокой плотностью, прочностью и малой усадкой (0,5—1 %). Шамотные изделия по огнеупорности делят на классы: А — имеет огнеупорность не ниже 1730 °С; Б - 1670 °С и В — 1610 °С. Однако из-за большого температурного интервала, в котором происходит потеря механической прочности под нагрузкой, предельные рабочие

17

температуры шамота приняты 1350 —1450 °С. Муллитокремнеземистые изделия имеют улучшенные свойства по сравнению с обычными шамотными.

1.5.3. СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Кроме огнеупорных и теплоизоляционных изделий для промышленных печей применяют строительный (красный) кирпич. Его используют для строительства фундаментов, боровов, выстилки подов, низкотемпературных печей и сушил. Для футеровки стволов дымовых труб применяют специальный лекальный кирпич. Допустимая температура применения строительного кирпича 600 °С, средний коэффициент теплопроводности 0,8 Вт/(м·К), объемная масса 1800 кг/м3.

Силикатный кирпич используют для постройки дымовых труб низкотемпературных печей, а клинкерный применяют для футеровки боровов и дымовых труб, температура газов в которых до 900 °С.

Бутовый камень (массой 15—40 кг) получают из кусков горных пород. Песчаниковый камень применяют до температур 600 °С, а известковый до 200 °С. Из них строят фундаменты печей, подпорные стены и различные коммуникации.

Обычные строительные бетоны изготовляют из цемента, воды и заполнителя (песка, щебня, гравия). Прочность заполнителя должна быть выше прочности проектируемого бетона. Основа бетонной смеси — цемент. Наиболее широкое распространение получил портландцемент. Из марок портландцемента 200, 250, 300, 400, 500 и 600 последние — лучшие. На базе портландцементов приготовляют бетоны с особыми свойствами: плотные, водонепроницаемые, морозостойкие, пластифицированные и др.

Для изоляции от грунтовых вод в печных конструкциях используют гидроизоляционные материалы: толь, кровельный картон, пропитанный мягкими нефтяными битумами, борулин (асбестовое волокно, пропитанное битумами) и др. Для защиты от атмосферной коррозии каркасов печей, воздухо- и газопроводов применяют лаки (например, масляный), для горячих поверхностей применяют краски.

1.5.4. МЕТАЛЛЫ

Малоуглеродистые и среднеуглеродистые стали используют в печестроении для возведения наружных металлоконструкций (каркасов, кожухов печей, площадок и т. п.). Стали марки Ст2, СтЗ и др. применяют в виде стальных листов толщиной от 4 до 30 мм (для особо ответственных кожухов печей). Обычные стали и чугуны используют при температурах до 300—400 °С. С повышением температуры происходит интенсивное окисление металла, и условия эксплуатации узлов и деталей печей осложняются. Поэтому возникает

18

необходимость применения легированных и высоколегированных сталей и сплавов.

Квысоколегированным сталям условно отнесены сплавы с содержанием

вних железа более 45 %, а легирующих элементов (в сумме) не менее 10 % при содержании одного из элементов не менее 8 % по нижнему пределу.

В зависимости от основных свойств стали и сплавы подразделяют на группы. Наиболее применяемые для промышленных печей— стали и сплавы жаростойкие (группа II) и жаропрочные (Ш).

Жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы обладают стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах выше 550°С и могут работать в ненагруженном или слабонагруженном состоянии. К ним относят хромистые стали. При содержании хрома от 6 до 14 % стали 15X5, 30X13 имеют ограниченную сопротивляемость окислению до 700 °С. При увеличении Сr > 15 % сопротивляемость стали 6X18 возрастает, и ее можно применять до 900 °С. Стали с содержанием углерода (до 0,15 %) хорошо обрабатываются, но сильно подвержены ползучести, что ограничивает их применение под нагрузкой. Повышение содержания хрома до 25—30 % в сталях 15X28, 15Х25Т увеличивает сопротивляемость окислению, но их механическая прочность того же порядка. Теплопроводность хромистых сталей меньше, чем у обычных углеродистых. Теплопроводность малолегированных уменьшается с повышением температуры. Удельное электрическое сопротивление высокохромистых сталей намного больше, чем углеродистых. Среднелегированные стали хорошо свариваются электродами того же состава, но требуют специальных флюсов и отжига сварных швов. Высокохромистые стали лучше сваривать в подогретом состоянии хромоникелевыми электродами. Литые хромистые стали мало отличаются от кованых сплавов. С увеличением содержания углерода материал становится тверже, и при С ≈1 % отливки очень трудно обрабатывать.

Таким образом, хромистые стали могут применяться там, где главным образом требуется сопротивляемость окислению, причем при температурах выше 800 °С их можно применять только в ненагруженном состоянии.

Значительное улучшение обрабатываемости сталей, их механических свойств при высоких температурах, особенно красноустойчивости, получают путем добавления никеля в хромистые жаростойкие стали.

Для деталей, работающих в печах под значительной нагрузкой (конвейеры, поддоны, ролики и др.), используют стали и сплавы жаропрочные, к ним относятся хромоникелевые стали. В печах с температурой до 800 °С можно применять хромоникелевые стали, которые отличаются друг от друга содержанием углерода, а также титана (до 0,8 %). Теплоемкость этих сталей существенно зависит от температуры, и при нормальной температуре равна 5∙102 Дж/(кг∙К). Теплопроводность увеличивается с температурой и может быть

19

теплоизоляции. Минимальная толщина облицовки должна определяться предельно допустимой температурой на стыке огнеупорного и теплоизоляционного слоев, а также строительной прочностью огнеупорного слоя.

1.6.2. КАРКАСЫ ПЕЧЕЙ

Для предохранения кладки печи от разрушения при тепловом расширении необходимо скреплять ее прочным каркасом, который возводят обычно на фундаменте. Каркасы в зависимости от их конструкции бывают с гибкими или жесткими связями и каркасы-кожухи для обеспечения большей герметичности рабочего пространства. В последнем случае по наружной поверхности стен размещают стальные листы, образующие кожух.

1.6.3. РАМЫ, ЗАСЛОНКИ РАБОЧИХ ОКОН И МЕХАНИЗМЫ ПОДЪЕМА ЗАСЛОНОК

Любая печь имеет рабочие окна для загрузки и выгрузки изделий. Оконный проем перекрывают арками в один или два слоя (оката).

Окна закрывают заслонками, которые всегда имеют большую массу. Чтобы не повредить кладку при подъеме заслонки снаружи оконного проема устанавливают рамы, имеющие наклон к вертикали 4—5°, что обеспечивает плотное прилегание заслонки к раме. Рамы изготовляют литыми из чугуна или сварными. Последние могут быть и водоохлаждаемыми.

1.7. ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

Для отопления нагревательных и термических печей расходуют значительное количество природного газа и мазута. Печи эти работают с весьма низким термическим КПД (20-40 %) вследствие больших потерь тепла с отходящими продуктами сгорания, достигающими иногда 65 % от общего количества подводимого в печь топлива.

Эффективный способ повышения термического КПД печи — возврат в рабочее пространство теплоты, уносимой отходящими дымовыми газами. Осуществляют это путем нагрева в рекуператорах воздуха или газа, используемых для отопления печи. Рекуператоры устанавливают на пути отвода дымовых газов над сводом или в боровах печей. В рекуператорах тепло от горячей среды (дымовых газов) передается другой, холодной среде (воздуху, горючему газу).

Ктеплообменным аппаратам, используемым для нагрева воздуха, относят

ирегенераторы. Их устанавливают главным образом в сталеплавильных и крупных нагревательных печах для подогрева воздуха и газа до высоких температур. Регенераторы дороги и сложны в изготовлении и управлении.

21

Подогрев воздуха обеспечивает экономию топлива за счет внесения физической теплоты в печь. При этом повышается теоретическая температура горения топлива, что усиливает теплоотдачу от газов к нагреваемым изделиям и тем самым увеличивает производительность печи.

1.8.ПЛАМЕННЫЕ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ ПЕЧИ

1.8.1.ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ПЕЧАМ. КЛАССИФИКАЦИЯ ПЕЧЕЙ

Промышленная печь — энергетический и технологический агрегат, в котором в результате горения топлива или преобразования электроэнергии выделяется теплота, используемая для тепловой обработки материалов или изделий.

Печи должны удовлетворять следующим основным требованиям:

1)обеспечение высокой производительности при заданных технологических условиях нагрева (температуре, перепаде температур по сечению и др.);

2)минимальный удельный расход топлива;

3)возможности изменения производительности и сортамента нагреваемых изделий;

4)наличие механизации загрузки и выгрузки изделий;

5)простота и безопасность обслуживания и ремонтов;

6)возможность автоматического управления печью;

В кузнечных цехах используют большое число разнообразных печей, что заставляет их классифицировать по технологическим, конструктивным или иным признакам.

По технологическим признакам печи подразделяют на прокатные, кузнечные ( для нагрева металла под ковку и штамповку и термические).

По конструктивным особенностям печи подразделяют на кузнечные горны, очковые, щелевые, камерные, методические, полуметодические, карусельные и др. В кузнечных цехах крупносерийного и массового производства большое распространение получили печи, имеющие высокую производительность, такие как методические, полуметодические и карусельные. В проходных печах (методических и карусельных) загрузка и выгрузка изделий осуществляются непрерывно. В цехах с индивидуальным и мелкосерийным производством используют камерные и щелевые печи; в небольших кузницах — кузнечные горны и очковые печи. В камерных печах загрузка изделий периодическая. Их можно подразделить на два вида. В печах с постоянной температурой рабочего пространства загрузку и выгрузку заготовок осуществляют через одно и то же окно, изделия в процессе нагрева остаются неподвижными. В камерные печи с переменной температурой рабочего пространства загружают партию (садку) изделий. Заготовки из таких печей обычно выдают поштучно. Для нагрева цветных металлов и сплавов в куз-

22

нечных цехах используют электрические печи, позволяющие проводить процесс нагрева в защитных атмосферах.

По виду энергоносителя печи подразделяют на пламенные и электрические, а первые, в свою очередь, делят на газовые и мазутные. Иногда пламенные печи классифицируют по способу утилизации теплоты отходящих газов: рекуперативные и регенеративные.

Имеется множество других признаков классификации печей, однако они имеют второстепенное значение.

Более общим признаком классификации служит температурный режим печи, в соответствии с которым все нагревательные печи подразделяют на три класса: с постоянной температурой рабочего пространства; с переменной температурой рабочего пространства и проходные печи. Для первого класса печей характерен одноступенчатый режим нагрева, второго — многоступенчатый. В проходных печах могут быть реализованы как одноступенчатые, так и многоступенчатые режимы нагрева.

1.8.2. КАМЕРНЫЕ ПЕЧИ С ПОСТОЯННОЙ ТЕМПЕРАТУРОЙ РАБОЧЕГО ПРОСТРАНСТВА

Для нагрева заготовок под высадку и штамповку массой до нескольких килограммов часто используют очковые печи, которые могут быть поворотными или неподвижными. В стенках печи имеются отверстия — очки, в которые вставляют нагреваемые заготовки. Отапливают печи газом или мазутом. Горелочный камень располагают в поду. Продукты сгорания нагревают заготовки, а затем удаляются в трубчатый рекуператор, в который по воздухопроводу подается холодный воздух. По воздухопроводу нагретый воздух подается к топливосжигающему устройству. Очистку подины от окалины проводят через отверстия, закрываемые кирпичами.

Печи имеют мощность 100—150 кВт, обладают высокой производительностью и низким КПД, не превышающим 15 % вследствие малой эффективности рекуператора. Газы выходят из очков и смешиваются с окружающим воздухом. Затем смесь удаляется через рекуператор под зонт печи.

Камерные печи широко используют в кузницах многономенклатурного основного производства, а также в ремонтных мастерских.

Рабочее пространство печи имеет размеры: длину А, ширину Б и высоту

В.

Газ или мазут подаются в печь через горелочный камень. Продукты сгорания по каналам и поступают в рекуператор. Рабочее окно печи закрывается заслонкой.

Загрузку и выгрузку мелких изделий осуществляют вручную. Если масса заготовки превышает 10 кг, печь снабжают средствами внешней механизации. При отводе продуктов сгорания вниз, в боров печь устанавливают на

23

фундамент, а если они удаляются под зонт, то печи фундамента не имеют и устанавливаются на ножках. (рис. 1).

Разработаны конструкции двух- и трехкамерных печей. Использование этих печей выгоднее вследствие экономии места и теплоты.

Рисунок. 1 – Двухкамерная кузнечная печь

В двухкамерной печи горелки 5 и каналы для отвода продуктов сгорания 2 расположены на одной стенке, что создает подковообразное движение газов, поступающих в рекуператор 3. Окна закрыты заслонками 7, которые скользят по рамам 6. Перемещение заслонки осуществляется секторным механизмом 4.

Производительность печи при нагреве стали под обработку давлением доходит до 200 (легированная сталь) и 400 кг/(м2∙ч) (углеродистая и низколегированная стали). Число горелок или форсунок зависит от длины пода. Поверхность нагрева рекуператора равна 5 м2/м2 площади пода. Расход топлива зависит от площади пода и определяется следующими величинами:

24

Камерные щелевые печи используют для нагрева концов заготовок под ковку, штамповку или высадку. Печи этого типа устанавливают на пол цеха на ножках. Горелки устанавливают в боковых стенках в шахматном порядке. Продукты сгорания поступают в рекуператор, размещенный над печью. Для защиты обслуживающего персонала от излучения окна снабжаются передвижными водяными или воздушными завесами.

Производительность печей при нагреве углеродистых и низколегированных сталей составляет примерно 400 кг/(м2∙ч). При нагреве легированных сталей она снижается вдвое. Число форсунок или горелок равно (ширина РП)/4. Площадь нагрева рекуператора составляет 5 м2/м2 площади пода. Расход топлива составляет: мазута 110—125 кг/т; природного газа 130—150 м3/т. При нагреве легированных сталей расход топлива увеличивается вдвое.

Для нагрева концов штанг перед обработкой на горизонтально-ковочных машинах используют щелевые механизированные конвейерные печи. Они могут быть горизонтальными или вертикальными. Для горизонтальных печей длина рабочего пространства А изменяется от 1044 до 1972 мм, ширина Б от 580 до 2204 мм и высота В от 800 до 1800 мм с площадью пода от 0,6 до 4,4 м2.

1.9.ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПЕЧЕЙ

1.9.1.ВЫБОР ТИПА ПЕЧИ

На машиностроительных заводах используют разнообразные по конструкции и размерам печи. Это вызвано большим разнообразием форм и размеров нагреваемых заготовок и деталей, масштабов производства, технологических режимов горячей обработки изделий.

При выборе вновь проектируемой печи (кузнечной для горячей объемной штамповки) целесообразно воспользоваться рекомендациями А. М. Мансурова и Я. Я. Голомба, которые все заготовки по характеру их нагрева подразделили на пять групп:

1 — однократно нагревается один конец;

2 — многократно нагревается один конец;

3 — однократно нагреваются оба конца;

4 — нагревается средняя часть;

5 — заготовка нагревается целиком.

Заготовки первой группы подразделяют на две подгруппы:

1. Длина нагреваемого конца lн < 5d, а длина всей заготовки lз = (5—10)d, где d — диаметр заготовки. Обычно у этих заготовок высадкой на горизонтально-ковочных машинах делают утолщение на одном конце. При мелкосерийном производстве подобные заготовки целесообразно нагревать в газовых очковых печах, а при массовом — в индукционных нагревателях или печах скоростного нагрева;

25

размер и массу заготовок, начальную и конечную температуру нагрева, производительность печи или массу садки, вид энергоносителя, теплотехнические показатели расход топлива, перепад температур по сечению заготовок, аппаратуру для контроля теплового режима печи, способ механизации обслуживания печи, мероприятия по технике безопасности.

При выполнении проекта рекомендуется максимально использовать справочные данные и нормали проектных организаций на печи, детали и узлы печей.

Расчетная часть записки включает расчет горения топлива с определением количества и состава продуктов сгорания. По справочным или опытным данным ориентировочно выбирают площадь пода печи и высоту рабочего пространства, т. е. внутренние размеры печного пространства. По этим размерам, составу и температуре печных газов определяют значения коэффициентов лучистой и конвективной теплоотдачи от теплоносителя к поверхности нагреваемых изделий.

Вторым этапом будет расчет нагрева металла. Для этого необходимо знать способ размещения изделий на поду печи, температуру теплоносителя, выбрать из справочных данных теплофизические свойства металла. После определения числа Био следует выбрать необходимую методику расчета, позволяющую вычислить продолжительность нагрева и перепад температур по сечению изделия.

Расчет нагрева металла позволяет уточнить размеры пода печи с учетом заданных производительности и перепада температур по сечению изделия.

Третьим этапом проектирования является составление эскиза печи с указанием толщины печных ограждений, толщин их отдельных слоев и выбранных огнеупорных и теплоизоляционных материалов. На эскизе указывается размещение топливосжигающих устройств, рабочих окон, заслонок и их изоляции, каналов для отвода продуктов сгорания.

Наличие эскиза печи позволяет провести расчет теплового баланса, о чем сказано ниже. Этот расчет дает возможность определить расход топлива на печь, вычислить объем продуктов сгорания и коэффициент полезного действия печи.

По вычисленному суммарному расходу топлива выбирают тип горелок. Их число указывают на эскизе. Запас горелок по производительности должен составлять 20—30 %. Для электрических печей рассчитывают и выбирают нагреватели.

По выходу продуктов сгорания и температуре газов, уходящих из печи, проводится расчет теплообменного аппарата с определением поверхности нагрева и аэродинамического сопротивления как воздушного, так и дымового трактов.

Расчетная часть заканчивается определением потерь давления по воздушному и дымовому трактам, выбором вентилятора и вычислением высоты дымовой трубы.

27

Проект состоит из расчетно-пояснителыюй записки и необходимого числа чертежей. Проекты подразделяют на технические и рабочие. Графическая часть технического проекта включает чертеж общего вида печи с необходимыми разрезами, теплообменным аппаратом, механизмами для транспортирования изделий в печи, каркасом, рамами, заслонками и механизмами для перемещения заслонок и т. д. Рабочий проект включает рабочие чертежи всех узлов и деталей.

1.9.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ПЕЧИ

Размеры рабочего пространства печи должны удовлетворять двум основным требованиям. Длина L и ширина В пода должны обеспечивать заданную производительность печи по нагретому металлу G. Высота рабочего пространства Н должна быть такой чтобы обеспечить полное сгорание топлива и теплообмен между газами и нагреваемыми изделиями или заготовками. Ее следует выбирать также с учетом размещения садки в рабочем пространстве.

Размеры пода зависят главным образом от продолжительности нагрева τ, которую можно определить по зависимостям, приведенным в п.5 – «Определение размеров рабочего пространства печи».

1.9.4. ЭСКИЗ ПЕЧИ

На эскизе печи указывают размеры рабочего пространства печи и внешние габаритные размеры, т. е. наносят размеры кладки пода, стен и свода. Толщину печных стенок принимают с учетом строительной прочности и температуры в рабочем пространстве печи. С точки зрения строительной прочности необходимо принимать во внимание высоту вертикальных стен и ширину пролета, перекрываемого арочным сводом, а также его кривизну, характеризуемую центральным углом а.

Взависимости от температуры внутренней поверхности кладки стенки нагревательных печей могут быть выложены из различных материалов. При температуре газов в печи до 1000 °С свод можно выкладывать из шамота классов Б и В, а при более высоких температурах — из кирпича класса А., или динасового. В качестве изоляции стен и сводов можно использовать диатомитовые изделия и засыпку.

Впечах периодического действия внутренний слой кладки стен целесообразно выполнять из легковесных огнеупорных материалов, несмотря на их повышенную стоимость. Это позволит снизить расход топлива на разогрев печи до рабочего состояния и сократить продолжительность разогрева.

Правильность выбора толщины стенки контролируют по температуре наружной поверхности стенки. Она не должна превышать 60 °С. Этой температуре соответствует плотность теплового потока во внешнюю среду q, равная 500 Вт/м2.

28

На эскизе указываются места размещения горелок, каналов для отвода продуктов горения, рабочих и кантовальных окон.

Равномерный нагрев изделий обеспечивается рассредоточенным подводом топлива в печь несколькими горелками или форсунками. Первые должны иметь производительность по природному газу 10—50 м3/ч, а вторые 15 —50 кг/ч. Обычно оси горелок или форсунок в камерных и проходных печах, исключая методические, отстоят друг от друга на расстоянии 400—700 мм. Часто между горелками размещают каналы для отвода продуктов горения. В печах с нижними топками расстояние между осями горелок составляет обычно 810 мм.

При составлении эскиза печей с выкатными подами следует предусмотреть интенсивную циркуляцию газов в рабочем пространстве, обеспечивающую омывание газами всех изделий.

1.10. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДА ТОПЛИВА. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПЕЧИ

Расход топлива наиболее точно можно определить на основании расчета теплового баланса, состоящего из двух количественно одинаковых частей:

топливом, подогретым воздухом и экзотермическими реакциями, а в расходную

— расход ее на нагрев обрабатываемого материала и на потери в окружающую среду.

Перед расчетом теплового баланса необходимо иметь эскиз рассчитываемой печи с размерами кладки, окон и каналов для удаления продуктов сгорания.

Для печей непрерывного действия баланс составляют на 1 с или 1 ч работы печи, а периодического действия — на цикл работы или операцию (отжиг и т. д.).

Зависимости необходимы для расчета теплового баланса печи рассмотрены в п.5 - «Тепловой баланс. Определение расхода топлива».

29

2.ЗАДАНИЕ.

ДАННЫЕ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАДАНИЯ

Все студенты получают индивидуальное задание в соответствии с порядковым номером в журнале академической группы. Исходные данные приведены в приложении 2.

Выполненное задание должно содержать следующие разделы:

1.Расчет горения топлива.

2.Расчет времени нагрева заданной заготовки для ковки (штамповки) в камерной печи

3.Определение размеров рабочего пространства печи. Эскиз пода печи (с расположенными на нем заготовками).

4.Выбор кладки. Компоновка печи. Эскиз печи.

5.Тепловой баланс. Определение расхода топлива.

6.Основные технико-экономические показатели работы печи.

Исходные данные для выполнения расчетного задания приведены в таблице 1 (Приложение 3).

3.РАСЧЕТ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА

3.1.Расчет горения газообразного топлива.

3.1.1Записать состав топлива соответствующий заданию (№ варианта): CH4 + СmHn + СО + Н2 + H2S + SO2 + CO2 + О2 + N2 = 100 %.

3.1.2Определение количества воздуха необходимого для полного сгорания топлива.

1) Количество кислорода необходимое для горения:

VO2 = 0,01[0,5(H2 + CO + 3H2 S) + (m + n / 4)å Cm Hn − O2 ]

2) Количество теоретически необходимого воздуха:

L0 = (1+ κ ) VO2 ,

где k- отношение объемного содержания азота к кислороду в обычном воздухе, не обогащенного кислородом, k = 3,76

30

3) Действительное количество воздуха необходимого для горения:

Lα = αL0,

где α – коэффициент избытка воздуха заданный в условии задачи, предусматривающий некачественное смесеобразование.

3.1.3 Количество и состав продуктов горения (ПГ):

Продукты горения содержат следующие элементы и соединения: RO2

(RO2=CO2+SO2), Н2О, N2 и О2.

1) Объем RO2 (RO2=CO2+SO2), в м3/м3:

VRO2 = 0,01(CO2 + CO + må Cm Hn + SO2 + H 2 S) .

2) Водяной пар образуется при горении углеводородов, водорода и сероводорода. Тогда количество водяного пара в продуктах полного горения, м3/м3:

VH2O = 0,01(H2 + H 2 S + 0,5nå Cm Hn ) .

3) Объем азота, м3/м3:

VN2 = 0,01N2 + κ VO2 .

4) Объем избыточного кислорода, м3/м3:

VOизб2 = (α - 1) × VO2

5) Объем избыточного азота, м3/м3:

VNизб2 = k × VOизб2

6) Суммарный объем азота, м3/м3:

VNсум2 = VN2 + VNизб2

7)Теоретическое количество продуктов сгорания (дыма):

V0 = VRO2 + VH2O + VN2

31

8) Общее количество продуктов сгорания (дыма):

Vα = V0 + VOизб2 + VNизб2

9) Состав продуктов сгорания (дыма), %:

CO2 = VRO2 ×100

Vα

V сум ×100

N2 = N2Vα

V изб ×100

O2 = O2 Vα

10)Плотность продуктов сгорания, кг/м3:

ρ0 = 0,01(44CO2 + 28 N2 + 18 H2O + 32O2 ) / 22,4

3.1.4Определение температуры горения топлива по формуле Менделеева:

1) Теплота сгорания газа, кДж/м3:

QHP = 127 CO + 108 H 2 + 358CH 4 + 590 Cm H n + 560 C2 H 2 + 636 C2 H6 + + 913C3 H8 + 1185 C4 H10 + 1465 C5 H12 + 234 H 2 S

2)Химическая энтальпия продуктов сгорания, кДж/м3 : ix = Qнр /Vα

3)Энтальпия воздуха, кДж/м3(в случае его подогрева):

32

L iв = Св × tв × Vα ,

α

где С – теплоемкость воздуха при заданной температуре tв, находим ее из таблицы приведенной ниже, tв – температура воздуха заданная в условии задачи.

4)Энтальпия продуктов сгорания, кДж/м3: i = ix+iв

5)Теоретическая температура сгорания, 0С:

Определив энтальпию продуктов сгорания i, методом интерполирования на интервале находим по таблице теоретическую температуру сгорания:

Принцип метода интерполирования рассмотрим на примере:

Допустим мы получили i = 3055 кДж/м3

1.По таблице выбираем интервал на котором присутствует i = 3055 кДж/м3, это интервал между 2955 кДж/м3 и 3170 кДж/м3.

2.Затем определяем сколько 0С приходится на 1 кДж/м3 на этом интервале, делаем это следующим образом: (1900-1800)/(3170-2955)=0,4651 0С

3.Определяем сколько 0С приходится на участок от 2955 кДж/м3 до 3055 кДж/м3

tint=(3055-2955)*0,4651=100*0,4651=46,51 0С

4.Находим температуру соответствующую i = 3055 кДж/м3. Т.к. При i = 2955 кДж/м3 температура t = 1800 0С, а на интервале от 2955 кДж/м3 до 3055 кДж/м3 приходится Δt = 46,51 0С. То наша искомая температура t = 1800+46,51 = 1846,51 0С

6)Действительная температура сгорания, 0С:

Действительная температура горения tn, наблюдаемая в печи, всегда ниже теоретической, так как процесс горения сопровождается потерей

33

теплоты печью в окружающую среду: чем больше теряется теплоты, тем ниже практическая температура сгорания:

tn=ηt

где η − пирометрический коэффициент; для нагревательных печей он равен 0,65—0,75.

Меньшие значения η принимают для камерных печей, большие – для методических, карусельных и т.п. печей. В нашем случае используется камерная печь, η принимаем равным 0,65. Если же температура горения недостаточна, то коэффициент η необходимо повысить, приведя соответствующую мотивировку или повысить температуру подогрева воздуха.

3.2. Расчет горения жидкого топлива.

3.2.1 Определить состав рабочей массы топлива:

Следует сразу отметить что содержание азота и кислорода задано в виде (О2+N2)Г, поэтому для дальнейших расчетов необходимо разделить азот и кислород 50:50. Например вам задан (О2+N2)Г=0,9% тогда после разделения мы получим О2Г=0,45% и N2Г=0,45 %

В условиях заданий состав топлива зада в виде горючей массы топлива (СГ, НГ, SГ, О2Г , N2Г), поэтому необходим пересчет состава топлива на рабочую массу, формула для пересчета имеет следующий вид:

ХР=ХГ(100-WР-АР)/100

3.2.2Записать состав рабочей массы заданного топлива:

Ср + Нр + Ор + Nр + Sр + АР + Wр = 100%

3.2.3Определение количества воздуха необходимого для полного сгорания топлива.

1) Количество кислорода необходимое для горения:

VO2 = 0,01(1.867C p + 5.6H ð + 0,7S ð − 0,7Î ð )

2) Количество теоретически необходимого воздуха:

L0 = (1 + κ ) VO2 ,

34

где k- отношение объемного содержания азота к кислороду в обычном воздухе, не обогащенного кислородом, k = 3,76

3) Действительное количество воздуха необходимого для горения:

Lα = αL0,

где α – коэффициент избытка воздуха заданный в условии задачи

3.2.4Количество и состав продуктов горения (ПГ):

1)Объем СO2, м3/кг:

VCO2 = 0,01× 1,867 × C P .

2) Суммарное количество водяного пара в продуктах горения, м3/кг:

VH2O = 0,01[11,2H р + 1,24W p ] ,

где WФ водяной пар вносимый в топливо при разогреве. В нашем случае считаем что топливо не требует разогрева, принимаем WФ=0.

3) Объем SO2, м3/кг:

VSO2 = 0,007 × S P .

4) Объем избыточного кислорода, м3/кг:

VOизб2 = (α - 1) × VO2

5) Объем азота, м3/кг:

VN2 = 0,01× 0,8N p + κ VO2

6) Объем избыточного азота, м3/м3:

VNизб2 = k × VOизб2

7) Суммарный объем азота, м3/м3:

35

VNсум2 = VN2 + VNизб2

8) Теоретическое количество продуктов сгорания (дыма):

V0 = VCO2 + VH2O + VSO2 + VN2

9) Суммарный объем продуктов сгорания, м3/кг:

Vα = V0 + VOизб2 + VNизб2

10) Состав влажных продуктов сгорания), %:

11) Состав сухих продуктов сгорания, %:

36

Результаты расчетов влажных и сухих продуктов сгорания записать в таблицу:

12) Плотность продуктов сгорания, кг/м3:

ρ 0 = 0,01(44CO2В + 28N2В + 18H2OВ + 32O2В + 64SO2В ) / 22,4 , где CO2В , N2В , H2OВ , O2В , SO2В - процентное содержание

соединений во влажных ПГ.

3.2.5Определение температуры горения топлива:

1)Теплота сгорания мазута, кДж/м3:

QНР = 340СР + 1030Н Р − 109(ОР − S Р ) − 25W Р

2)Химическая энтальпия продуктов сгорания, кДж/м3 : ix = Qнр /Vα

3)Энтальпия воздуха, кДж/м3:

L iв = Св × tв × Vα ,

α

где С – теплоемкость воздуха при заданной температуре tв, находим ее из таблицы приведенной ниже, tв – температура воздуха заданная в условии задачи.

37