Расчёт и проектирование камерной электрической печи сопротивления с металлическими нагревателями

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Учреждение образования

«ГОМЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени П.О.СУХОГО»

Кафедра «Обработка материалов давлением»

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине

«Расчёты и конструкции нагревательных устройств»

На тему:

«Расчёт и проектирование камерной электрической печи сопротивления с металлическими нагревателями»

Выполнил студент гр.Д-41 Башак Ф.М.

Проверил: ст. преподаватель Валицкая О.М.

Гомель 2015



Содержание

агрегат топливо печь электроэнергия

Введение

1. Общая характеристика электрических камерных печей, виды нагревательных элементов

2. Расчет нагрева металла

2.1 Тепловой расчет печи

2.2 Электрический расчет печи

3. Техническая характеристика, конструкция, работа печи

3.1 Назначение печи

3.2 Техническая характеристика

3.3 Устройство и принцип работы

4. ТБ и ОТ при обслуживании печей

Список литературы

Приложение



Введение

Промышленная печь - энергетический и технологический агрегат, в котором в результате горения топлива или преобразования электроэнергии выделяется тепловая энергия, используемая для тепловой обработки металлов или изделий из оного.

Печи должны удовлетворять следующим требованиям:

Обеспечение высокой (максимально возможной) производительности при заданных технологических условиях нагрева (температуры, условия теплообмена, ограничения, налагаемые структурными преобразованиями металла и т.д.)

Минимальный удельный расход энергии на нагрев, возможность гибко изменять производительность и сортамент нагреваемых изделий, наличие механизма загрузки и выгрузки, оснащение печи контрольно - измерительной аппаратурой, позволяющей автоматизировать процесс нагрева.

Простота обслуживания, ремонта, эксплуатации и управления печью.

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

По технологическим признакам печи подразделяются на прокатные, кузнечные - для нагрева металла под ковку, штамповку и термические.

По конструктивным особенностям печи подразделяются на кузнечные горны, огневые, щелевые, камерные, методические, полуметодические, карусельные и др.

В цехах с индивидуальным и мелкосерийным производством используются камерные и щелевые печи, в небольших кузнечных цехах - кузнечные горны и огневые печи. Для нагрева цветных металлов и их сплавов в кузнечных цехах используются электрические печи, позволяющие проводить процесс нагрева в защитных атмосферах.

По виду энергоносителя печи подразделяются на пламенные и электрические, а первые в свою очередь делятся на газовые и мазутные. Иногда пламенные печи классифицируются по способу утилизации теплоты отходящих газов: рекуператорные и регенераторные. Электрические печи делятся по виду нагрева: индукциооного нагрева, печи сопротивления и СВЧ - печи.

Более общим признаком служит температурный режим, в соответствии с которым все нагревательные печи подразделяют на три класса:

С постоянной температурой рабочего пространства;

С переменной температурой рабочего пространства;

Проходные печи.



1. Общая характеристика электрических камерных печей, виды нагревательных элементов

Камерные печи

Для камерных печей сопротивления характерно значительное разнообразие конструкций, которое обусловлено особенностями нагреваемой садки, уровнем температуры рабочего пространства, требованием к равномерности нагрева и т.п. На (рис. 1) приведены схемы некоторых конструкций камерных печей, на которых зигзагами показано размещение электрических нагревателей.

Рисунок 1. Схемы электрических камерных печей.

Конструкция печи 1 - с постоянной температурой рабочего пространства и поштучной загрузкой и выгрузкой изделий. В зависимости от нагревателей и футеровки она может быть как низко, так и высокотемпературной. В последнем варианте печь имеет большую толщину футеровки из материалов с низкой теплопроводностью, т.е. обладающую повышенным тепловым сопротивлением.

Конструктивные особенности печей 2, 3 и 4 позволяют отнести их к садочным печам, в которых нагрев садки осуществляется по двух или трехступенчатому режимам.

Печь 2 является шахтной вследствие повышенной высоты ее рабочего пространства, достигающей в некоторых конструкциях 10 м. Загрузка и выгрузка длинных изделий производится в вертикальном положении мостовыми кранами, а сами тепловые агрегаты заглубляют в грунт, что экономит площадь в цеху. Для улучшения равномерности нагрева в таких печах по высоте устраивают несколько температурных зон. Нагреватели обычно размещают на боковых стенах.

В электрических печах можно также производить химико-термическую обработку стали, например газовую цементацию. С целью увеличения равномерности насыщения стали углеродом используют искусственную циркуляцию печной атмосферы с помощью вентилятора, который устанавливается на крышке печи. Обычно они относятся к среднетемпературным печам. Их конструкции выпускают серийно мощностью от 25 до 230 кВт.

Среднетемпературная печь 3 имеет выкатной под с размещением нагреваемых заготовок на нем, который перемещается вместе с торцевой стенкой.

Обычно эти печи используют для отжига крупногабаритных изделий. Их садка может достигать 100 т, а мощность печи 3000...5000 кВт. Нагреватели располагают на стенах, своде и поду печи. Если остывание крупной садки осуществляется на воздухе, то печь снабжают двумя подами (рабочий и резервный), что сокращает межоперационные простои и уменьшает расход электроэнергии на разогрев кладки печи.

Среднетемпературную печь 4 называют элеваторной. Футеровка печи, исключая под, размещается на колонах. Здесь под печи с садкой поднимается спомощью гидравлического подъемника и вводится в рабочее пространство снизу. После завершения операции тепловой обработки под опускается вниз и может быть перемещен по рельсам вдоль цеха. В таких печах часто проводят длительные операции термической обработки, например отжиг чугунных отливок на ковкий чугун. Они могут работать с защитной атмосферой.

Порядок расчета времени нагрева металла в таких агрегатах определяется условиями задания и исходными данными. Если в задании указана только единовременная садка, то, размещая нагреваемый металл на поду печи, определяют ее внутренние размеры (ширина, длина и высота). В соответствии с геометрическими размерами и формой садки нагреваемого металла предварительно намечается тип и наиболее рациональное размещение нагревательных элементов на внутренней поверхности футеровки, при которых можно ожидать наилучших условий теплообмена с металлом. На (рис. 2.2) приведены примеры рационального размещения нагревателей в наиболее часто встречающихся печах.

Рисунок 2 - Рекомендуемое размещение нагревателей в рабочем пространстве печей при нагреве различных типов садки.

При плоской форме металлической заготовки нагреватели следует размещать на своде и поду печи (рис. 2, а). Нередко нижний нагрев металла в сравнении с верхним оказывается менее эффективным из-за экранирования нагревателей подовыми плитами, устройствами для транспортирования металла в печи, меньшей мощности нагревателей (рис. 2, б). В таких случаях по толщине металл будет прогреваться несимметрично, и это необходимо учитывать при расчете времени нагрева.

При нагреве изделий из металла с соизмеримыми размерами в поперечном сечении печи нагреватели целесообразно размещать не только на своде и поду, но и на боковых стенках печи (рис. 2, в).

При нагреве металла с анизотропными свойствами нагреватели нужно размещать с тех сторон металла, в направлении которых у него присутствует наименьшее тепловое сопротивление. Например, при нагреве пакетов листов нагреватели следует размещать на боковых стенах печи (рис. 2, г). В этом случае на остальной футеровке печи иногда устанавливают нагреватели, но только с целью компенсации тепловых потерь.

При нагреве бандажей, проволоки в бунтах, колец и других подобных им изделий рекомендуется размещать нагреватели во внутренних полостях садки (рис. 2, д).

Виды нагревательных элементов

Нагревательные элементы для электрических печей бывают самыми различными по форме и размерам. Чтобы хорошо в них разобраться, следует поделить виды нагревателей по максимально используемым температурам:

- до 200 градусов, используются в основном тены. Применяют их в сушильных шкафах, термостатах, стерилизаторах, водяных банях. Если их правильно расположить по периметру рабочей камеры, то можно добиться лучшей равномерности температуры, чем при использовании вентилятора! Достигается это за счет грамотного нагрева воздуха по периметру рабочего пространства.

- до 350 (400) градусов, в основном, применяются нагреватели ленточного типа - ЭНГЛУ. Они наматываются по всему периметру рабочего пространства, обычно на сушильный шкаф на 50-70 литров хватает 10 метров гибкого нагревателя.

- до 600 градусов. Чтобы добиться такой температуры уже используется фехраль (нихром) и чтобы добиться равномерности температуры, нагреватели делают в основном открытого типа, наматывая их на трубки, либо помещая внутрь трубки. Основное применение - в сушильных шкафах, песчаных банях.

- до 1250 (редко 1300) градусов. Раньше использовали в электропечах нихром, но с открытием фехраля, который по себестоимости гораздо ниже, а диапазон температур выше, он постепенно вытеснил нихром. Сейчас уже редко можно встретить печь сопротивления оснащенную нагревателями их нихрома. Основная марка фехраля - суперфехраль. В электрических печах фехраль либо наматывают на керамические трубки внутри рабочей камеры, либо обматывают сам муфель. В зарубежных странах широкое распространение получил Кантал, который благодаря добавлению определенных видов металла намного долговечней чем фехраль, а максимальная температура использования достигает 1350 градусов!

- до 1700 градусов, данные нагреватели очень дороги, его сложно достать и многие российские предприятия покупают его заграницей. Нагревательные элементы, используемые в термическом оборудовании до 1700 градусов - это карбид-кремния, дисилицид молибдена, хромит лантана и другие.



2. Расчет нагрева металла

Исходные данные:

Принимаем камерную электропечь сопротивления для нагрева квадратных заготовок со стороной 0,2 м и толщиной 0,1 м перед обработкой давлением. Конечная температура нагрева металла . Начальная температура . Производительность печи Р=400кг/ч. Теплофизические параметры материала заготовок: средняя теплоемкость с=0,67 кДЖ/(кг*К); плотность с=7800 кг/; коэффициент теплопроводности л=31,4 Вт/(м*К). нагрев двусторонний в атмосфере продуктов сгорания керосина. Печь питается от сети трехфазного тока напряжения 380 В.

2.1 Тепловой расчет печи

Для печей данного типа при двухстороннем нагреве изделий напряжение активного пода 500-700 кг/(). Принимая р=600 кг/(, находим площадь пода, занятую металлом:

(1)

Нагрев заготовок производится на поддонах. Принимая ширину поддона равной 0,7 м, определим длину поддона:

(2)

Учитывая, что нагревательные элементы, расположенные на стенках печи, выступают внутрь стен рабочего пространства на 50-150 мм, а расстояние от нагревательных элементов до металла не должно быть меньше 100-250мм, принимаем ширину печи B=1,1 м, длину печи L=1,3 м.

При двустороннем нагреве нагревательные элементы расположены также на своде и на поду. Учитывая рекомендованные расстояния между нагревателями, стенками печи и нагревательным металлом, принимаем расстояние между сводом и нагреваемым металлом 0,35 м, расстояние между поддоном и подом 0,15м.

Тогда общая высота печи (с учетом толщины нагреваемого металла) равна Н=0,6м.

Принимая за теплоотдающую поверхность печи внутреннюю поверхность ее футеровки и считая газовую среду лучепрозрачной, найдем приведенный коэффициент излучения по формуле

(3)

Где - тепловоспринимающая поверхность нагреваемого металла;

-теплоотдающая поверхность печи (при двустороннем нагреве ;);

и -соответственно степени черноты поверхностей металла и футеровки печи. Для футеровки ; для cтали при нагреве в защитной атмосфере

Тогда:

Находим средний коэффициент теплоотдачи излучением по формуле:

(4)



Принимая коэффициент теплоотдачи конвекцией , находим суммарный коэффициент теплоотдачи к металлу:

Критерий Био:

(5)

Температурный критерий для поверхности заготовок:

По номограмме Будрина находим величину критерия Фурье

Рисунок 3 - Графическая зависимость для средины неограниченной пластины

Коэффициент температуропроводности, входящий в критерий Фурье, равен

(6)



Продолжительность нагрева

(7)

По монограмме (, рис. 20) находим температурный критерий для центра нагреваемых заготовок при

(8)

Откуда

Следовательно, температурный перепад по толщине заготовки не превышает заданного.

Для обеспечения заданной производительности в печи одновременно должно находиться следующее количество металла:

(9)

Масса одной заготовки

Одновременно в печи должно находиться:

(10)

При плотной укладке на поддоны 18 заготовок занимают площадь

Напряжение пода



. (11)

Восемнадцать заготовок на поддоне располагаем в шесть рядов по три заготовки в ряду.

Тогда ширина поддона длина поддона

Поскольку при температурах печи 1000-1200С рекомендуется использовать двухслойную футеровку, принимаем, что огнеупорная кладка выполняется из шамота класса А толщиной 0,115 м, а тепловая из диатомитового кирпича толщиной 0,3 м.

Мощность печи вычисляем по формуле:

(12)

Где - общий расход тепла, кВт,

-полезное тепло, идущее на нагрев металла, кВт;

-сумма потерь тепла теплопроводностью через кладку, излучением через окна, с охлаждающей водой и т.п., кВт;

-потери на тепловые короткие замыкания (можно принять равным 70% от потерь тепла теплопроводностью через кладку);

К-коэффициент запаса мощности, учитывающий возможность падения напряжения сети против номинального значения, увеличение сопротивления нагревателей с течением времени; К=1,2…1,3 для непрерывно работающих печей; К=1,4…1,5 для периодически работающих печей.

Расход тепла на нагрев металла в печь

(12)

Потери тепла теплопроводностью через кладку печи при стационарном режиме работы определяем по формуле:

(13)

Где -температура внутренней поверхности кладки, принятая равной температуре печи 1200С;

-температура окружающего воздуха (20);

-толщина слоев соответственно шамота и диатомита, м;

-коэффициенты теплопроводности соответственно шамота и диатомита, Вт/(м*К);

-коэффициент теплоотдачи конвекцией от наружной поверхности кладки в окружающую среду,

-наружная поверхность кладки печи,

С учетом принятой толщины стен наружная поверхность кладки

Принимаем толщину слоев кладки всех стен, пода и свода печи одинаковым.

Средняя температура слоя шамота

(14)

Средняя температура слоя диатомита ():

(15)

Здесь -температура на границе раздела слоев,

Коэффициент теплопроводности шамота

(16)

Коэффициент теплопроводности диатомита

(17)

Так как рассматриваем потери тепла через кладку в стационарном режиме, то можно записать:

(18)

Учитывая вышепреведенные выражения, можно записать:

Или

Решение данного уравнения дает

Тогда средняя температура слоя шамота :

Средняя температура слоя диатомита:

Коэффициент теплопроводности шамота равен:

Коэффициент теплопроводности диатомита равен:

Потери тепла теплопроводностью через кладку:

Потери на тепловые короткие замыкания принимаем равными 70% от потерь тепла через кладку:

Общий расход тепла в печи:

Мощность печи:

Коэффициент полезного действия печи определим по формуле

(19)

Рисунок 2.1 - Расположения заготовок на поддоне

Рисунок 2.2 - Габаритные размеры заготовки



Рисунок 2.3 - График нагрева заготовок

2.2 Электрический расчет печи

Нагревательные элементы.

Принимая рабочую температуру нагревательных элементов равной

(20)

По приложению XII выбираем сплав 0Х27Ю5А, для которого рекомендуемая рабочая температура . Удельное сопротивление сплава:

(21)

.

Относительная поверхностная мощность стен, несущих нагреватели, по формуле:

(22)

Где Р- мощность нагревателя, приходящаяся на данную стенку, кВт;

-площадь поверхности стены, на которой предполагается разместить нагреватели,

Где

Проволочный спиральный нагреватель. По (табл. 42, [1]) находим, то при нагреве стали в защитной атмосфере с использованием проволочного спирального нагревателя б=0,49.

Тогда по формуле

(23)

Где поправочный коэффициент б находим по (табл. 42, [1]) или графику на (рис 68, [1]). W=0.49*34.5=16.9 кВт/м2.

В случае соединения нагревателя по схеме «треугольник»

Рф=48,1 кВт, UФ= Uс=380 В, W=16,9 кВт/м2.

По номограмме приложения XIV находим, что этим исходным параметрам удовлетворяет проволочный нагреватель с диаметром 8 мм и длинной 104м или нагреватель с диаметром проволоки 8,5 мм и длиной116 м.

При соединении нагревателя по схеме «звезда»:

Рф=48,1 кВт, UФ= 220В, W=16,9 кВт/м2

При этих условиях требуется нагреватель с диаметром проволоки 12мм и длиной 75 м [1]. Из проволоки диаметром более 8 мм спиральные нагреватели, как правило, не изготовляются. При диаметре 8 мм и отношении t/d=2 на поверхности футеровки 1 м2 может быть размещено 100 м нагревателя (см. табл.44, [1]). при общей длине нагревателя 312 м необходима поверхность 315/100=3,12 м2.

При оптимальном отношении с оптимальная длина нагревателя, размещаемая на 1 м2 поверхности футеровки,составляет50 м. Следовательно, требуемая поверхность рабочего пространства печи равна 312/50=6,24 м2, т.е. необходимо увеличение геометрических размеров печи.

Если использовать проволочный зигзагообразный нагреватель с диаметром проволоки 12мм, подвешенный на крючках при e/d=2.75, то максимальная длина нагревателя, размещаемого на 1 м2 поверхности рабочего пространства печи 225/258=9м2, превышает существующие геометрические размеры печи. Таким образом, на основании сопоставления всех возможных типов нагревателей и схем их соединений следует выбрать либо ленточный зигзагообразный нагреватель сечением 2,5*25 мм длиной, приходящейся на одну фазу, 49,5м (схема соединения «звезда»), либо спиральный проволочный нагреватель диаметром 8 мм и длиной , приходящейся на одну фазу, 104 м (схема соединения «треугольник»). Последний нагреватель более проблематичен. Поскольку обеспечивает большой срок службы. Кроме того размещение спирального проволочного нагревателя с шагом t/d>2 позволяет приблизиться к оптимальному размещению нагревателя в печи (t/d=2,5ч4,5).

Уточненный расчет:

При 1250оС удельное сопротивление сплава ОХ27Ю5А равно:

С=1,4*10-6+5*10-11tн=1,4*10-6+5*10-11*1250=1,4625*10-6 Ом*м. (24)

Сопротивление одной фазы

Rф=Uф/103Рф=3802/103*48,1=3 Ом. (25)

Длина нагревателя, приходящаяся на одну фазу:

Lф= RфS/с=3.0*3.14*82*10-6/4*1.4625*10-6=103 м. (26)

Удельная поверхностная мощность

W= Rф/р Lф=48.1/3.14*8*10-3*103=18.6 кВт/м2. (27)



3. Техническая характеристика, конструкция, работа печи

3.1 Назначение печи

Электропечь сопротивления камерная лабораторная СНОЛ 12/12-В (СНОЛ 2. 3,5. 1,8/12-В) предназначена для термообработки изделий, не выделяющих агрессивных компонентов, в воздушной среде до температуры 1250 С.

3.2 Техническая характеристика

Максимальная температура, °С1250

Номинальная температура, °С1200

Номинальная мощность, кВт4,3

Напряжение питающей сети, В220

Число фаз1

Частота, Гц50

Среда в рабочем пространстве воздух

Размеры нагревательной камеры, мм

ширина600

длина1200

высота…….'400

Габаритные размеры, мм

ширина800

длина1500

высота765

Масса, кг, не более67



3.3 Устройство и принцип работы

Электропечь (рис. 4) состоит из металлического корпуса 1, в верхней части которого расположена нагревательная камера, в нижней части - блок управления. В блоке смонтирована пусковая и регулирующая аппаратура.

Электропечь загружается через проем, закрываемый дверцей 2. Футеровка 3 печи включает в себя два слоя: огнеупорный и теплоизоляционный из лёгких и сверхлёгких материалов на основе шамотно-волокнистых плит и муллитокремнеземистого волокна. В нагревательной камере установлены нагреватели 4 из сплава сопротивления, выполненные в виде спиралей и смонтированные на керамических трубках. Садка устанавливается на подовую плиту 5. На лицевой панели размещены регулятор температуры 6 и сетевой выключатель 7. В нагревательной камере на задней стенке расположена термопара 8. Для удаления продуктов сгорания из рабочей камеры печи предусмотрено вытяжное устройство 9.

В электрической схеме печи (рис.4) предусмотрен автоматический выключатель для подачи напряжения на силовые цепи и защиты их от короткого замыкания, симисторный контактор и магнитный пускатель в качестве исполнительного устройства, регулятор температуры для проведения технологического режима нагрева

Рисунок 4 - Электрическая схема печи 4 ТБ и ОТ при обслуживании печей



При обслуживании электрических печей основное внимание должно быть обращено на выполнение правил электробезопасности, оговоренных в Правилах устройства электроустановок.

Все токонесущие части электрических печей должны быть изолированы или ограждены. Ограждения и другие металлические токонесущие части должны быть заземлены. От токонесущих частей до ограждения в виде сетки должно быть расстояние не менее 100 мм, а в виде сплошных съемных кожухов -- не менее 50 мм.

Все электропечи должны быть снабжены автоблокировочным устройством, отключающим питание печи при открывании окон и заслонок.

В электропечах с вентиляторами, в рабочем пространстве которых циркулируют горючие или токсичные газы, при открывании заслонок должно автоматически отключаться электропитание вентиляторов.

В печах с механизированным подъемом и опусканием заслонок с помощью электропривода должно быть предусмотрено устройство, исключающее самопроизвольное опускание или подъем заслонки при отключении питания или неисправности механизмов.

При работе на индукционных установках, применяемых для закалки ТВЧ, необходимо выполнять следующие правила по технике безопасности. Запрещается работать на установках при неисправных приборах, электрооборудовании, блокировках. Категорически запрещается закорачивание блокировок на дверях, через-которые возможен доступ к шинам и токоведущим частям, находящимся под напряжением.

Все токоведущие части нагревательных устройств (индукторы, конденсаторы и др.) должны быть ограждены или размещены так, чтобы исключить возможность прикосновения к токоведущим частям при эксплуатации установки.

Запрещаются осмотр внутренних частей и любые исправления индукционной установки, находящейся под напряжением. Смену индуктора можно производить только после отключения напряжения. Рабочий должен работать пользуясь резиновыми рукавицами и стоять на резиновом коврике.

В аварийных случаях нужно немедленно прекратить нагрев и остановить закалочный станок.

Указания мер безопасности:

Электропечь необходимо эксплуатировать в соответствии с требованиями «Правил эксплуатации электроустановок потребителей» и «Межотраслевых правил по охране труда (правил безопасности) при эксплуатации электроустановок».

Запрещается эксплуатировать электропечь со снятым кожухом.

Запрещается эксплуатировать электропечь при ненадёжном заземлении.

При нарушении нормальной работы электропечи необходимо отключить ее от электросети и принять меры к устранению неисправностей. Ремонтные работы производить только при снятом напряжении.

Во избежание ожогов при загрузке и выгрузке необходимо пользоваться защитными рукавицами.

В случае использования электропечи для работы с опасными материалами пользователь сам разрабатывает дополнительные меры безопасности и отвечает за их правильность и достаточность, в том числе обеспечивает проведение соответствующей стерилизации материалов и оборудования, если в этом есть необходимость. Средства стерилизации не должны повреждать составные части электропечи



Рисунок 5 - Схема электрическая принципиальная



Список используемой литературы

1. Б.С.Мастрюков, В.А.Кривандин «Теория, конструкции и расчеты металлургических печей» т.2.Москва, «Металлургия», 1986г, стр. 375.

2. Я.М.Гордон, Б.Ф. Зобнин «Теплотехнические расчеты металлургических печей» Москва, «Металлургия», 1993г, стр. 362.

3. А.П.Несенчук, Н.П.Жмакин «Тепловые расчеты пламенных печей для нагрева и термообработки металла» Минск, «Вышэйшая школа», 1974г, стр. 280.

Размещено на Allbest.ru