1. Конструкция роликовых печей.

1. Конструкция роликовых печей.

Для термообработки горячекатаных листов применяют садочные колпаковые и проходные, главным образом роликовые, печи.

В печах с роликовым подом, широко применяемых для нагрева листов, сорта, рельсов, бунтов проволоки, металл прямо с рольганга поступает на ролики печи, вращающиеся по несколько штук от одного привода или от индивидуальных приводов. Скорость вращения роликов может быть различной. Ролики обычно выполняют из жаропрочной стали (например, содержащей 20 – 30 % Ni и 20 – 25 % Cr).

Роликовая печь – проходная печь непрерывного действия, подина которой состоит из большого числа вращаемых специальным приводом роликов, выполненных из жаропрочной стали или водоохлаждаемых. Роликовые печи отапливаются, главным образом, газообразным топливом с использованием большого числа горелок или радиационных труб, расположенных на продольных стенах печи выше и ниже роликов; существуют также электрические печи. Роликовые печи применяют для термической обработки металлических изделий и, реже, для нагрева металла перед горячей обработкой давлением.

Преимущество роликовой печи перед другими печами проходного типа одно: роликовая подина наилучшим образом соответствует условиям поточного производства, т.к. она легко встраивается в цеховые рольганги.

В частности, роликовая печь лучше других печей подходит под роль подогревательной печи полураската. Самым ответственным элементом роликовой печи являются ролики.

Их стойкость зависит от температуры в печи и ширины печи. Печи с температурой газа 800-1000 °С оснащают неохлаждаемыми роликами, а с температурой 1000-1200 °С – роликами с водоохлаждаемым несущим валом, пространство между которым и бочкой заполнено теплоизолятором.

В любом случае в роликах охлаждают цапфы (для справки: цапфа – часть оси или вала, опирающаяся на подшипник). В подавляющем большинстве случаев ролики делают водоохлаждаемыми, с гладкой бочкой из жаропрочной хромоникелевой стали. Во избежание деформации бочки ролика, он должен вращаться постоянно, – остановки допустимы не дольше, чем на 3-4 минуты.

Кладка рабочего пространства печи выполняется из шамотного кирпича (внутренний слой) и любого теплоизоляционного материала (наружный слой). Пример роликовой печи приведён на рис. 1.

Печь предназначена для нагрева под закалку листов, пачек листов и сортового проката. Габариты рабочего пространства 2×2×20 метров. В отличие от обычных конструкций термических печей, в данной конструкции горелки создают факел прямо в рабочем пространстве, т.е. отсутствуют форкамеры, радиационные трубы и подподовые топки. Такая конструкция больше подходит для нагрева металла перед деформацией, но в отдельных случаях с особой осторожностью может использоваться и для сложной термообработки типа отжиг.

Конструкция роликов зависит от назначения и температуры рабочего пространства печи. В печах для термообработки тонкого листа применяют ролики с дисками. Диски располагаемые в шахматном порядке заходят друг за друга и препятствуют попаданию листа под ролики. Печи для толстого листа (рельсов, сорта) с рабочей температурой 800 – 1000 ⁰С оборудуют роликами с неводоохлаждаемой бочкой. Для температуры печи 1000 – 1200 ⁰С ролик выполняют с водоохлаждаемым несущим валком и укрепленной на нем жаропрочной бочкой. Пространство между бочкой и валом заполняют теплоизоляцией (шамотным или диатомитовым порошком).

Производство различных транспортных и формующих роликов, валков прокатных станов является высокотехнологичной областью применения центробежного литья.

Конструкция роликов зависит от назначения и температуры рабочего пространства печи. В печах для термообработки тонкого листа применяют ролики с дисками. Диски располагаемые в шахматном порядке заходят друг за друга и препятствуют попаданию листа под ролики. Печи для толстого листа (рельсов, сорта) с рабочей температурой 800 – 1000 ⁰С оборудуют роликами с неводоохлаждаемой бочкой. Для температуры печи 1000 – 1200 ⁰С ролик выполняют с водоохлаждаемым несущим валком и укрепленной на нем жаропрочной бочкой. Пространство между бочкой и валом заполняют теплоизоляцией (шамотным или диатомитовым порошком).

Потенциальные возможности данной печи для проведения качественной изотермической выдержки заложены в двустороннем по длине печи дымоотборе и организации прямо-противоточного режима тепловой обработки металла в среде продуктов горения.

В зависимости от взаимного направления движения проката и воды различают два типа камер: прямоточные и противоточные. В прямоточных камерах движение воды направлено в сторону моталок или холодильника, поэтому для сбора отработанной воды применяются специальные устройства механического дробления струи. Это приводит к удлинению участка охлаждения и повышению стоимости установки. Так как охлаждение проката на участках дробления часто носит неупорядоченный характер, то нарушается равномерность отбора теплоты от поверхности металла и, соответственно, происходит ухудшение свойств проката по периметру и длине. Преимуществом прямоточных камер, особенно при охлаждении длинномерного проката перед холодильником, является наличие гидротранспортирования проката.

Противоточный способ охлаждения является более эффективным, с точки зрения теплообмена. В процессе эксплуатации промышленных противоточных охлаждающих устройств выявились их некоторые технологические и теплотехнические преимущества. Скорость охлаждения поверхности металла в противоточных устройствах приблизительно в 4 – 5 раз выше, чем в прямоточных, при одном и том же расходе воды. Длина камеры охлаждения значительно меньше, что создает предпочтение при размещении этих устройств на действующих прокатных станах.

Недостатком такого способа являются трудности со сбором отработанной воды, особенно в случае многоступенчатого охлаждения, но проблема частично может быть снята при размещении камеры возле клети, когда струя воды из камеры бьет в калибр клети.

Также применяется смешанный прямо-противоточный режим в одном устройстве, где встречные потоки воды взаимопоглощаются. Общий расход воды при этом увеличивается, причем половину его потребляет менее эффективный прямоточный участок из-за необходимости соблюдать равенство кинетических энергий встречных потоков.

Нарушение этого условия может привести к преобладанию прямо- или противотока и вытеканию воды в обратном направлении.

В некоторых прямо-противоточных устройствах из-за наличия взаимного подпора воды возрастает гидравлическое сопротивление охлаждающих камер, что приводит к увеличению энергетических затрат, уменьшению скорости воды и, как следствие, снижению охлаждающей способности устройства.

Охлаждающие установки могут быть как односекционными, так и многосекционными. Применение многосекционных установок является более эффективным, так как охлаждение проката в каждой из отдельных секций ведется с собственной для нее интенсивностью, что обеспечивает переход от прерванной к прерывистой закалки. Еще одно преимущество многосекционных установок термического упрочнения заключается в более гибком управлении процессом упрочнения.

Печь работает следующим образом. Металл для термообработки поступает на приёмный стол прямо с рольганга, если печь встроена в технологическую линию, или подаётся краном (например, пачки листов). Заслонка торца посада открывается и металл заходит в печь в дополнение к имеющейся садке; заслонка опускается. Металл постепенно проходит по постоянно вращающимся роликам и нагревается до необходимой температуры (1150 °С). Благодаря боковому расположению горелок, возможен не только простой нагрев под закалку (нормализацию) или высокий отпуск, но и более сложный изотермический отжиг (нагрев до 750-800 °С, выдержка, охлаждение до 600-700 °С, выдержка).

После завершения термообработки готовый металл выдаётся на рольганг выдачи, соединённый с камерой ускоренного водяного охлаждения (закалка). Таким образом, печь постоянно пополняется холодным металлом и постепенно выдаёт нагретый металл.

Продукты горения топлива образуются непосредственно в рабочем пространстве печи от работы двухпроводных пламенных горелок. Приблизительно до середины печи дым идёт навстречу металлу (в противотоке), а далее в прямотоке. Дым удаляется из печи вниз по вертикальным каналам в районе торцов печи, далее соединяется в единый поток, проходит рекуператор для подогрева воздуха и через дымовую трубу выбрасывается в атмосферу.

Для сокращения расхода топлива возможны следующие варианты:

1. Уменьшение поверхности (диаметра) теплообмена роликов и количества роликов исходя из расчётной механической прочности при минимальных коэффициентах запаса прочности;

2. Создание эффективной теплоизоляции бочки роликов;

3. Сокращение времени термообработки за счёт повышения качества нагрева. Качество возможно повысить заменой обычных горелок на горелки с форкамерами или на радиационные трубы;

4. Интенсификация конвективного теплообмена в рабочем пространстве печи (создание развитой рециркуляции, струйный нагрев сводовыми горелками в первом периоде нагрева и т.п.).

Рис. 1. Схема роликовой печи:

1 – приёмный стол; 2 – механизм подъёма заслонки; 3 – площадка для обслуживания термопар; 4 – горелки; 5 – ролики; 6 – отверстия для термопар; 7 – дымовой боров; 8 – подвод и отвод охлаждающей воды; 9 – устройство для вращения роликов.

Расчет горения топлива .

Теплота сгорания – 35587 кДж/м³

СН4	С2Н6	С3Н8	С4Н10	СО2	Н2S	N2	CO	Тяжелые углеводороды
90,4	1,9	1,1	0,6	4,7	-	1,1	-	0,2

t_т = 100^oC – температура подогрева топлива;

t_в = 400^оС – температура подогрева воздуха;

α = 1,1 – коэффициент расхода воздуха;

N₂ = 79 % - содержание азота в воздухе;

O₂ = 21 % - содержание кислорода в воздухе;

k = 3,672 – доля кислорода в воздухе;

Q_x/Q_pn = 0,02 – химический недожог.

Теоретический расход кислорода, необходимый для сжигания единицы газообразного топлива м³/м³

;

V^o_O2 = 0,01*(2*90,4 + 3,5*1,9 + 5*1,1 + 6,5*0,6 + 4*0,2) = 1,9765 м³/м³.

Действительный объем сухого воздуха, необходимого для сжигания единицы топлива м³/м³

,

где k - доля кислорода в воздухе; а - коэффициент избытка или расхода воздуха (для газообраз­ного топлива его выбирают в пределах 1,05...1,15, для жидкого - 1,15,.. 1,25, для твердого 1,2...1,3); V₀₂ – теоретический расход кислорода на сжигание соответствующего топлива, м³/м³.

L_α = (1 +3,672)*1,1*1,9765 = 10,353 м³/м³.

Количество продуктов полного сгорания для каждой составляющей

;

; ; ;

где d - влагосодержание воздуха, кг/м³. Практически влагосодержание воздуха может быть принято в пределах 0,009...0,016 кг/м³.

V _CO2 = 0,01*(4,7+90,4+2*1,9+3*1,1+4*0,6+4*0,2) = 1,054 м³/м³

V _O2 = (1,1 – 1)*1,9765 = 0,19765 м³/м³

V _N2 = 0,008*1,1 +1,1*3,672*1,9765 = 8,1877 м³/м³

V_H2O = 0,01*(2*90,4+3*1,9+4*1,1+5*0,6) + 0,075*10,353*0,012 = 1,9483 м³/м³

Общее количество продуктов сгорания при полном сжигании еди­ницы топлива (при α> 1) определяется выражением, м³/м³

;

V_д = 1,054+0,1977+8,1877+1,9483 = 11,388 м³/м³

Состав влажных продуктов сгорания в объемных процентах опреде­ляется по выражениям:

; ; ; .

СО₂ = 100*1,054/11,388 = 9,256 %

Н₂О = 100*1,9483/11,388 = 18,209 %

N₂ = 100*8,1877/11,388 = 71,800 %

O₂ = 100*0,1977/11,388 = 1,736 %

CO₂ + H₂O + N₂ + O₂ = 100 %

Состав сухих продуктов сгорания определяется по формулам:

; ; .

СО₂ = 100*1,054/9,439= 11,166 %

N₂ = 100*8,1877/9,439 = 86,74 %

O₂ = 100*0,1977/9,439 = 2,094 %

CO₂ + N₂ + O₂ = 100 %

Плотность продуктов сгорания рассчитывается с учетом их состава

,

где – плотность продуктов сгорания, кг/м³;СO₂, Н₂O, N₂, O₂ - содержание соответствующего газа в продуктах сгорания, % по объему.

ρ_д = (0,44*9,256 + 0,18*17,109 + 0,28*71,9 + 0,32*1,73)/22,4 = 1,24 кг/м³

Удельная теплоемкость топлива:

С_р(СН₄) = 1,5277 + 0,8793*10^-3*100 + 0,1074*10^-5*100² – 0,9184*10^-9*100³ = 1,625 кДж/(м³*^оС)

С_р(С₂Н₆) = 2,1971 + 0,3133*10^-2*100 – 0,6297*10^-6*100² – 0,1999*10^-9*100³ = 2,504 кДж/(м³*^оС)

С_р(С₃Н₈) = 3,0448 + 0,4883*10^-2*100 – 0,1588*10^-5*100² – 0,1098*10^-9*100³ = 3,517 кДж/(м³*^оС)

С_р(С₄Н₁₀) = 4,1255 + 0,5971*10^-2*100 – 0,1563*10^-5*100² – 0,1647*10^-9*100³ = 4,707 кДж/(м³*^оС)

С_р(СО₂) = 2,5211 – 0,7986*10^-3*100 + 0,6721*10^-6*100² – 0,1433*10^-9*100³ = 2,448 кДж/(м³*^оС)

С_р(N₂) = 1,2674 + 0,1283*10^-3*100 + 0,1641*10^-9*100² – 0,4857*10^-11*100³ = 1,28 кДж/(м³*^оС)

,

С_t = 0,01*(90,4*1,625 + 1,9*2,504 + 1,1*3,517 + 0,6*4,707 + 4,7*2,448 + 1,1*1,28) = 1,713 кДж/(м³*^оС)

Физическое тепло, вносимое подогретым воздухом и топливом, из расчета на единицу топлива:

,

С_в – удельная теплоемкость воздуха.

Из таблицы находим

С_в = 1,3012 + 0,6728*10^-5*400 + 0,209*10^-6*400² - 0,1078*10^-9*400³ =

= 1,33 кДж/(м³*^оС)

Q_ф = 1,33*400+1,713*100 = 703 кДж/кг

,

где 0,02 – химический недожог.

i_n = (35587+703 – 35587*0,02)/11,39 = 3124 кДж/м³

Задаются приближенно температурой продуктов горения t₂и опре­деляют соответствующую ей энтальпию i_n(2)

t₂ = 1900 ^oC

Удельная теплоемкость продуктов сгорания:

С_р(СО₂) = 2,5211 – 0,7986*10^-3*1900 + 0,6721*10^-6*1900² – 0,1433*10^-9*1900³ = 2,447 кДж/(м³*^оС)

С_р(N₂) = 1,2674 + 0,1283*10^-3*1900 + 0,1641*10^-9*1900² – 0,4857*10^-11*1900³ = 1,478 кДж/(м³*^оС)

С_р(Н₂О) = 1,6977 – 0,2568*10^-3*1900 + 0,3533*10^-6*1900² – 0,7911*10^-11*1900³ = 2,431кДж/(м³*^оС)

С_р(О₂) = 1,3029 + 0,2478*10^-3*1900 – 0,8136*10^-7*1900² + 0,1268*10^-11*1900³ = 1,489 кДж/(м³*^оС)

Средняя удельная теплоемкость продуктов сгорания:

С_v = 0,01*(9,256*2,447+17,209*2,431+71,9*1,478+1,736*1,489) = 1,731 кДж/(м³*^оС)

i_n2 = 1900*1,731 = 3289 кДж/м³

Задаются температуройt₁и по формуле
определяют эн­тальпиюi_n(1)при температуреt₁.

Температуруt₁выбирают так, чтобы она отличалась от предыдущей t₂на 100 °С и чтобы выполнялось условиеi_n(1)<i_n<i_n(2).t₁ = 1800 ^oC

Удельная теплоемкость продуктов сгорания:

С_р(СО₂) = 2,5211 – 0,7986*10^-3*1800 + 0,6721*10^-6*1800² – 0,1433*10^-9*1800³ = 2,426 кДж/(м³*^оС)

С_р(N₂) = 1,2674 + 0,1283*10^-3*1800 + 0,1641*10^-9*1800² – 0,4857*10^-11*1800³ = 1,47 кДж/(м³*^оС)

С_р(Н₂О) = 1,6977 – 0,2568*10^-3*1800 + 0,3533*10^-6*1800² – 0,7911*10^-11*1800³ = 2,334 кДж/(м³*^оС)

С_р(О₂) = 1,3029 + 0,2478*10^-3*1800 – 0,8136*10^-7*1800² + 0,1268*10^-11*1800³ = 1,493 кДж/(м³*^оС)

Средняя удельная теплоемкость продуктов сгорания:

С_v = 0,01*(9,256*2,426+17,209*2,334+71,9*1,47+1,736*1,493) = 1,707 кДж/(м³*^оС)

i_n1 = 1800*1,707 = 3072 кДж/м³

Калориметрическая температуру методом интерпретации определяют по формуле

,

t_k = 1900 – (3124 – 3117)*(1900 – 1800)/(3124 – 3072) = 1824^oC

Действительную температуру в топке или печи определяют с учетом потерь на диссоциацию и теплопередачу в окружающую среду

,

где – опытный пирометрический коэффициент, зависящий от конструк­ции топливосжигающих устройств или печи ( = 0,62...0,82).для проходных пе­чей = 0,72...0,76.

t_д = 0,75*1824 = 1368^oC

Дата добавления: 2015-09-29