毕业设计说明书热轧加热炉(模板).docx
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1、绪论1 工业炉的发展概况工业炉的用途:在工业生产中,利用燃料燃烧产生的热量, 或者将电能转化为热量对工件或物料进行加热的设备,称为工业炉。工业炉的技术进步对工业的发展起着十分重要的作用,炉子的结构类型、加热工艺、热工控制和炉内气氛都直接影响加工后的产品质量。工业炉的发展状况:以日本为例,1945 年以前,燃料为煤,单面加热的小炉子。1946-1955 年战后,燃料从发展到重油,引进国外技术,开始工业炉的现代化过程。1956-1965 年开始经济高速增长时期,炉子向大型化,双面加热,炉子段数也在增多,产量提高到 250 吨/小时。1966-1975 年,加热能力进一步提高,加热工艺更为先进, 结
2、构上出现了步进炉。1976 年以来,步进炉和步进底式炉进一步增加,并且把节能提上日程,发展节能型炉型。2 加热炉炉型分类按供热方式分工业炉可分为两类:一是火焰炉;二是电炉。常用的火焰炉炉型有环形炉、推钢炉及近些年来推广起来,步进炉。环形炉的炉子生产率一般较低,产量受到限制。步进炉和推钢炉相比,则具有明显优点,表现在:1) 工件依靠步进梁的运动在炉内前进,因此工件之间可以留出间隙,加热后的高温炉料不会相互粘连,还有于缩短加热时间,减少工件的氧化和脱碳。2) 工件和步进梁或炉底没有摩擦,避免加热过程中工件底面被划伤。3) 炉子长度不受推钢倍数的限制,但过长时工件跑偏量增大。第77页共 77 页4)
3、 外形不太规整和厚薄不同的工件在装炉条件上有较宽的适应性。5) 停炉时炉内工件可以利用步进机械全部出空,必要时可以将工件倒退一段距离,从而避免了工件在高温下停留时间过长或重复加热所造成的氧化损失。6) 通过改变工件之间的间隙、步进机械的水平行程和步进周期以调整炉子的生产能力。7) 可缩短凉炉检修和开炉升温周期、易于采用计算机对钢坯跟踪。由于以上优点步进炉得到了很快推广使用。这也是本设计以步进炉为设计题目主要依据。3 设计依据与方案的选择设计参数炉子生产率:G=240t/h。炉底强度P0=658kg/m2h。加热钢种:尺寸为230115010000,单重为20.7 吨的标准坯。板坯加热初始温度t
4、=20。板坯加热终了温度t=1200 。板坯加热终了断面温差30。空气预热温度t=450 。出炉烟气温度t=900 。燃料种类:高焦炉混合煤气,低发热值 Q=1800kcal/Nm3。步进梁步进行程:500mm;步进周期:45秒;步进梁升降高度:200mm。炉气温度t=1300。进出料方式为端进端出,预热空气选用金属管壁式换热器,采用上排烟方式。4 本次设计的主要内容:本设计共分为八部分:1 是燃料燃烧的计算,燃料燃烧部分的计算是整个设计的基础,在这部分确定了单位燃料空气需要量,及燃烧组分气体分压。这都是后续部分计算所必须的。2 是炉膛及金属加热部分的计算以及选取炉体材料,主要是金属加热部分的
5、计算,包括金属加热时间的计算和炉体尺寸的计算,在这部分中采用了用界面将炉膛分成几段,然后根据各段炉温特点分别计算的方法:如预热段和加热段炉温看成随加热时间呈线性变化,均热段看成恒温段。本设计中加热段分为第一加热段和第二加热段,则第一加热段可看成炉温随时间呈线性变化而第二加热段可看成恒温。只是遗憾的是没有搜集到将加热段分成两个不同计算段采取不同方法计算的相关资料。只好采取近似计算的方法,将加热段炉温作恒温处理。3 是炉子热平衡的计算,这部分主要确定燃料消耗量及空气需要量。同时这部分也能判断出设计的炉子性能:如炉外表面温度,燃料消耗量及热损失情况。4 是换热器的计算。5 是排烟系统的阻力损失计算,
6、主要确定排烟系统各部分阻力损失以便确定烟囱高度。6 是送风系统的计算,确定送风系统各部分阻力损失以便确定以便选择风机型号。7 烧嘴和风机的选择,这部分是上两部分的综合。8 是炉底水管强度的校核。9 为步进机构的选择。最后是专题步进炉的汽化冷却系统1燃料及燃烧1.1 求气体湿成分百分数1.1.1 高焦炉煤气中单一气体成分在混合气中所占体积百分比:COCO2H2CH4C H24O2N2H O221.59.417.67.20.50.243.62.3混合气体成分成分百分比%在进行燃料燃烧计算时必须用气体燃料的湿成分作为计算依据。因此应首先根据该温度下饱和水蒸气含量将干成分换算成湿成分水蒸气的干湿成分换
7、算公式:H OS=0.00124g 干 H 2O221 + 0.00124g 干 H O200C 下 1m3 干气体所吸收的水蒸气质量 g 干 H2O=18.9g/m3代入上式可得:H2OS =0.023气体燃料干湿成分的换算关系是:XS% =Xg%100 - H OS21001.1.2 则得气体湿成分体积百分比关系如下表:湿煤气成分COCO2H2CH4C2H4O2N2H2O组分百分21.59.417.27.20.50.243.62.3数1.2 混合煤气密度=1 (28 CO+44 CO +2 H +16 CH +28 C H0 煤22.4 10022+32 O2+28 N2+18 H2O)4
8、2 4=122.4 100(2821.5+449.4+217.2+167.2+280.5+320.2+2843.6+182.3)代入数据可得:0=1.06kg/Nm3煤1.3 空气需要量1.3.1 理论空气需要量:11L0 干=0.014.76 2 0.5CO+ 2 H2+3C2H4-O2在工业炉设计中常通入过量空气使空气系数a1.这是为了弥补各种不合理因素,使空气与燃料充分混合,混合程度越好, 则燃烧过程越短,单位时间内放出的热量就越多,燃烧温度就越高。本设计取 a=1.08.0则单位燃料实际空气需要量 La=aL计入水分时单位燃料实际空气需要量为:干=1.08L0 干0La=aL干(1+0
9、.00124g)代入数据后可得La=1.080.014.76( 11)21.5+17.2+30.5-0.222=1.85Nm3/Nm31.4 燃烧产物的生成量及成分1.4.1 1Nm3的煤气完全燃烧产物中各种成分和体积VCO2=(CO+CO2+CH4+2C2H4)/100代入数据后可得:VCO2=(21.5+9.4+7.2+20.5)/100=0.377同理可得VN2=1.89 VH2O=0.323 VO2=0.0351.4.2 燃烧产物生成量Va=VCO2+VH2O+VN2+VO2= 0.377+0.323+1.89+0.035=2.59Nm3/Nm31.4.3 组分含量CO2=VCO 2=
10、 0.377 100%= 0.377100%=14.58%Va2.592.59H2O=VCO 2= 0.32 100%=12.47%O2=VaVO 2 =2.590.035 100%=1.33%V2.59aVNN2=2= 1.89 1007%=2.95%Va2.591.4.4 烟气密度r =1 (44CO +18H O+32O +28N )022.4 100=122.4 1002222 (44 14.58+18 12.47+32 1.33+2872.95)3=1.32kg/Nm2炉膛热交换的计算炉膛热交换计算的目的:是为了确定炉气经过炉墙到金属总的导来辐射系数。2.1 确定炉膛有关尺寸2.1.
11、1 炉宽:炉宽 B 取决于料坯长度和料坯列数B=nL+(n+1)a式中 B 为炉子宽度(m),n 为炉内料坯列数(n=1),L 为料坯长度(L=10m),a 为每列料坯之间或料坯与侧墙之间间隙,一般取 a=0.2-0.3 之间。本设计取 a=0.25m则B=110+20.25=10.5(m )2.1.2 炉膛高度由于炉膛高度是各种各样的,无法从理论上计算,设计中常按照以炉建炉的原则并结合实际经验确定。设定:上部炉膛,预热段高H为 900mm ,加热段高H为上上2200mm ,均热段高 H为 1440mm上下部炉膛,预热段高H1800mm ,加热段高H下为2500mm ,下均热段高为 H2500
12、mm下2.1.3 炉底面积设:预热段长度为 Ly,加热段长度为Lr,均热段长度为 Lj.则炉底面积为:预热段 F加热段 F均热段 F2.1.4 炉墙和炉顶内表面积y=BL=10.5L m 2y底rr=BL=10.5L m 2底jj=BL=10.5L m 2底炉顶:预热段 F加热段 F=BLy=10.5L m 2y顶r=BLr=10.5L m 2顶均热段 F=BLj=10.5L m 2j顶HyHy炉墙:预热段 F 墙 y=2上 2下Ly =(0.9+1.8)Ly=2.7ymL2墙加热段 Fr=2HrLr=22.2Lr=4.4Lrm 2j均热段 F=2墙HHj上j下2Lj=21.442.52Lj=
13、4Ljm 22.1.5 炉气外围表面积预热段Fy=F y加热段Fr=F r+Fy底+Fr+Fy墙+F r=10.5Ly+2.7 Ly+10.5Ly=22.8 Lym 2顶=10.5Lr+4.4Lr+10.5Lr=25.4m 2底均热段Fj=Fj+Fj墙+Fj顶=10.5Lj+4L j+10.5Lj=24 m 2底墙顶2.1.6 炉气充满炉膛的体积预热段1Vy= 2 (Hy 上+Hy 下)BLy=14.2Ly加热段Vr=HrBL =23.1Lrr上均热段2.2 炉气黑度1Vj= 2 (Hj 上+Hj 下)BLj=20.7Lj说明:按照有关手册上提供的一般原则,在计算炉气黑度和求炉气射线程长时只需
14、计算上炉膛,对于上下炉膛高度差别较大的情况,可取其平均值的方法,不必分别计算。2.2.1 平均有效射线程长预热段S =3.6 Vy =3.6 0.9 + 1.8 10.5 Ly2=2.15y加热段Ay2 10.5Ly + (0.9 + 1.8)LyS =3.6 Vr =3.6 2.2 10.5 Lr=3.27r均热段Ar2 10.5 + 2 2.2 Lr1.44 + 2.5 10.5 LS =3.6 Vj=3.6 2j=2.99jjA2 10.5 + 2 1.44 + 2.5 22.2.2 辐射气体分压与平均射线程长之积由燃料燃烧计算可知生成物气体 CO2 和H2O 的分压力分别为PCO2=0
15、.1458 105Pa;PH2O=0.1247 105Pa则预热段:PCO2Sy=0.14582.15=0.2685;PH2OSy=0.1247 2.15=0.2685同理可得: 加热段:PCO2Sr=0.4773;PH2O Sr=0.4083均热段:PCO2Sj=0.45353;PH2OSj=0.37242.2.3 确定炉气温度由以知条件,加热段温度为 13000C(计算时视为恒温),并设定均热段温度比加热段温度低 500C,为 12500C 又知出炉烟气温度为 9000C,所以预热段的平均温度为 11000C按各段炉气的平均温度和辐射气体分压与有效射线程长之积查工业炉设计手册可得炉气黑度。
16、在炉气生成气中除了CO2 和 H2O 外,其他气体认为都是透明气体,故炉气黑度只与 CO2 和 H2O 有关。但 H2O 的分压较其辐射程长对黑度的影响要大, 所以需要进行修正,CO2 和 H2O 的辐射部分有小部分的重合, 故应减去。因而:=+-式中=0.020.04取=0.03炉气 CO2H2O2预热段:e CO =0.14H2O=0.15=1.067yCO2H2O =+-=0.14+1.067 0.15-0.03=0.27r加热段: =0.14+1.06 0.173-0.03=0.293j均热段: =0.14+1.06 0.171-0.03=0.2922.3 炉壁对金属的角系数在计算角系
17、数时只需计算上炉膛,而不必上下计算,但由于预热段和均热段上下炉膛高度差别较大,采用取其平均值计算炉内壁面积;另外在计算炉内壁顶面面积时采用在水平面上投影的方法。预热段: = Fy金属 =LLy=10=0.7576yFH+ H0.9 + 1.8 + 10.5y内壁F(2 y上y下2LLr+ B)Ly10加热段:均热段:=r金属 =rF(2Hr内壁上+ B)Lr=0.6712 2.2 + 10.5 = Fj金属 =LLj=10=0.693jFj内壁H+ H(2j上j下2+ B)Lj1.44 + 2.5 + 10.52.4 求解导来辐射系数按热流密度不变情况计算计算公式=5.68gq jj (1 -
18、 e ) + 1bq(w/m2k4 )(1 - ebq)e+ e (1 - egqg) + eq气式中e为炉气黑度,g 为钢材黑度,一般碳钢取 g=0.79,b 为炉壁对钢材的角系数。预热段:y =5.68 0.79 0.270.7576 (1 - 0.27) + 1 0.7576 (1 - 0.27) 0.79 + 0.27(1 - 0.79) + 0.27=2.5487(w/m2k4 )同理可得:rr加热段: =2.784(w/m2k4 ),合 =10 kJ/m2k4hjj均热段: =2.75(w/m2k4 )又 =9.9 kJ/m2k4h预热段与加热段交接面处的辐射系数 =1 ( + )
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