Теплотехника. Тепловой расчет печей периодического действия

УДК 669.041.001.24 
Г96 

Р е ц е н з е н т 
лоц^ит 
В.М.Клемперт 

Гусовский В.Л., Лифшиц А.Е. 

Г96 
Теплотехника. Тепловой расчет печей периодического дейст
вия: Учеб.-метод. пособие. - М.: МИСиС, 2003. - 72 с. 

Приведены общая характеристика нечей, технологические требования 
но температурам и режимам нагрева и охлаждения металла, нринцины выбора садки нечи, особенности расчета теплообмена в рабочем пространстве и 
распределения температур в садке. Дана последовательность расчета нагрева 
и охлаждения металла, определения продолжительности производственного 
цикла, производительности печи, тепловой мощности и расхода топлива, 
других характеристик печи. Приведены примеры расчета камерной печи с 
выкатным подом и колпаковой печи. 

Может быть использовано при курсовом и дипломном проектировании. 
Предназначено для студентов всех специальностей направления «Металлургия». 

© Московский государственный институт 
стали и сплавов (Технологический 
университет) (МИСиС), 2003 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие 
4 

1. Основные положения расчета печей периодического 

действия 
5 

1.1. Назначение печей периодического действия 
5 

1.2. Температуры нагрева и термообработки. Порядок 

расчета нагрева и охлаждения металла 
5 

1.3. Садка и производительность печей периодического 

действия 
6 

1.4. Тепловой баланс и удельный расход тепла для печей 

периодического действия 
7 

2. Расчет нагревательных колодцев 
9 

3. Расчет камерных печей 
11 

3.1. Характеристика камерных печей 
11 

3.2. Особенности теплового расчета камерных печей 
11 

3.3. Пример расчета камерной печи с выкатным подом 
13 

4. Расчет колпаковых печей 
40 

4.1. Характеристика колпаковых печей 
40 

4.2. Определение основных размеров и параметров 

колпаковой печи 
42 

4.3. Расчет теплообмена под муфелем при нагреве рулонов 
43 

4.4. Расчет теплообмена при охлаждении рулонов 
46 

4.5. Расчет температурного поля в рулоне 
49 

4.6. Тепловой баланс колпаковой печи 
51 

4.7. Пример расчета колпаковой печи 
52 

Библиографический список 
71 

3 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Настоящее учебно-методическое пособие, посвященное тепловому расчету нагревательных и термических печей периодического действия, является заключительным этапом разработки учебнометодических пособий по курсу «Теплотехника», выпущенных 
МИСиС в 2002 году. Предыдущие выпуски охватывали проблемы 
теоретических основ расчета печей [4], выбора и расчета элементов 
печей [3], теплового расчета печей непрерывного действия [1]. 

Комплекс разработанных пособий охватывает все основные 
аспекты конструирования и теплового расчета нагревательных и термических печей различного назначения, знание которых необходимо 
студентам всех специальностей по направлению «Металлургия». 

В настоящем пособии даны основные сведения, касающиеся 
назначения печей периодического действия, особенностей садки и 
определения производительности этих печей, составления их теплового баланса и расчета удельного расхода тепла. 

Отражены особенности расчета нагревательных колодцев и 
камерных печей различного назначения. Исходные теоретические 
положения конкретизируются описанием теплового расчета камерных печей, включающего расчет нагрева металла, теплового баланса 
периодов нагрева, выдержки и определения параметров печи. 

Рассмотрены характеристики колпаковых печей и особенности их теплового расчета при различных условиях нагрева и охлаждения рулонов. 

Исходные теоретические положения конкретизируются подробными примерами тепловых расчетов камерной печи с выкатным 
подом и одностопной колпаковой печи для отжига рулонов стальной 
полосы при принудительной циркуляции защитного газа. 

Примеры увязаны с формулами и теоретическими положениями, приведенными в предыдущих выпусках, с соответствующими 
многочисленными ссылками, которые помогут студентам в выполнении расчетов и усвоении учебного материала. 

4 

1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАСЧЕТА ПЕЧЕЙ 
ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ 

1.1. Назначение печей периодического действия 

В печах периодического действия металл, подвергаемый тепловой обработке, неподвижен, а тепловой и температурный режим 
работы печи является переменным во времени. Нагрев и охлаждение 
металла происходят вместе с печью. Загрузку печей осуществляют 
только после разгрузки предыдущей садки. 

В печах периодического действия нагревают такой металл, 
который трудно транспортировать через печь непрерывного действия, или металл, требующий длительных режимов нагрева или термообработки. Применение печей периодического действия целесообразно также для небольших партий металла, требующих различных режимов нагрева или термообработки. В этом случае печи периодического действия оказываются более универсальными. 

Основные виды печей периодического действия, применяемые в прокатном производстве черной металлургии, - это нагревательные колодцы, колпаковые и камерные печи. В этих печах обычно нагревают крупные слитки, подвергают термообработке рулоны 
полосы, пакеты прутков или труб, бунты проволоки, стопы слябов, 
крупные и имеющие сложную форму готовые изделия. Чаще всего 
печи периодического действия располагают в печном отделении 
большими группами (отделение нагревательных колодцев, отделение 
колпаковых печей). 

1.2. Температуры нагрева и термообработки. 
Порядок расчета нагрева и охлаждения металла 

Температуру нагрева под прокатку и режим термообработки 
определяют в зависимости от качества металла так же, как в непрерывных печах, предназначенных для тех же целей. Необходимую 
температуру средств нагрева и охлаждения выбирают в зависимости 
от вида этих средств и заданного режима аналогично непрерывным 
печам [1]. 

В печах периодического действия обычно нагревают садку 
сложной формы, поэтому значительную трудность представляет определение расчетных размеров и расчетных 
теплофизических 
свойств садки. Для получения этих данных можно пользоваться указаниями, приведенными в п. 13.3.2 [2]. В некоторых случаях, напри
5 

мер для нагревательных колодцев, определение характеристики садки настолько затруднительно, что в расчетах предпочитают пользоваться практическими данными. 

Порядок расчета нагрева и охлаждения в печах периодического действия зависит от массивности изделия и режима нагрева 
или охлаждения (регламентированный или сколь угодно быстрый). 
Этот порядок такой же, как и в печах непрерывного действия [1]. 

1.3. Садка и производительность печей 
периодического действия 

В печах периодического действия садку одной печи выбирают из условий рационального размещения изделий в рабочем пространстве печи и обеспечения необходимой интенсивности и равномерности их нагрева. Для некоторых печей периодического действия, например колпаковых печей для отжига рулонов полосы, величина садки полностью определяется конструкцией печи. 

Приняв величину садки одной печи, определяют ее производительность (т/ч) по формуле 

P = G/x, 
(1.1) 

где G - масса садки одной печи, т; 

т - продолжительность полного производственного цикла, ч, 
включающая продолжительность загрузки, технологического 
цикла, выгрузки и подготовки к следующей загрузке (например, 
очистка и заправка пода, охлаждение или подогрев и т.д.). 

Если в печи нагревают или подвергают термообработке металл разных видов при различных режимах, то среднюю производительность определяют по формуле 

m 

P = Х«iPi, 
(1.2) 

i=1 

где m - число видов металла, отличающихся качеством, размерами, 
температурой посада, режимами нагрева или термообработки и т.д.; 
ai - ДОЛЯ металла i-ro вида в программе печи, %; 
Pi - производительность печи, т/ч, на металле i-ro вида, подсчитанная по формуле (1.1). 

Размеры рабочего пространства печи определяются размерами размещаемой в рабочем пространстве садки. 

6 

1.4. Тепловой баланс и удельный расход тепла 
для печей периодического действия 

Тепловой баланс для печей периодического действия составляют по методике, изложенной в гл. 1 [3]. 

В связи с тем, что расход топлива в печах периодического действия за время нагрева и выдержки меняется в широких пределах, 
обычно составляют отдельно тепловой баланс периодов нагрева и выдержки, а иногда приходится составлять несколько тепловых балансов. 

При нагреве садки вместе с печью учитывают потери тепла 
на аккумуляцию тепла кладкой печи по методике, приведенной в 
гл. 1 [3], где даны расчетные формулы и графики для однослойной 
кладки. В случае многослойной кладки необходимо привести ее к 
однослойной той же толщины с эквивалентными свойствами: 

эквивалентный коэффициент теплопроводности 

^экв ~ 
, 
(1.3) 

i=1 
i 

эквивалентная плотность 

р^^^ = i 1 
, 
(1.4) 

эквивалентная теплоемкость 

n 
i9iсi 

cэкв=i^1 
, 
(1.5) 

эквивалентный коэффициент температуропроводности (м^ч) 

3,6}^ 

aэкв= 
. 
(1.6) 

''эквРэкв 

Здесь 5-толщина стенки, м; 
n - число слоев; 
5i, Xi, Pi, d - соответственно толщина, м; коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); плотность, кт1м\ и теплоемкость, кДж/(кг-К), 
i-ro слоя. 

7 

Начальный период нагрева характеризуется интенсивным потреблением тепла металлом и аккумуляцией тепла кладкой. Тепловой баланс в начальный период нагрева позволяет определить максимальный расход топлива на печь и тепловую мощность печи. 

Период выдержки характеризуется минимальным потреблением тепла. Из теплового баланса в период выдержки определяют 
минимальный расход топлива на печь и необходимые пределы регулирования средств нагрева. 

Тепловой баланс за весь период нагрева и выдержки дает 
возможность рассчитать средний расход топлива на печь и удельный 
расход тепла (кДж/кг), который для печей периодического действия 
определяют по формуле 

q = 3,6 (QнагрХнагр + Qвыд^выд)/ G, 
(1 7 ) 

где Qнагр И Qвыд - потребление тепла соответственно за период нагрева и выдержки, кВт*; 
Тна:р и теь:д " продолжитсльность cooTBCTCTBCHHO псриода нагрсва 
и выдержки, ч; 
G - масса садки, т. 

Далее рассмотрим особенности расчета конкретных печей 
периодического действия. 

Потребление тепла определяется в единицу времени, поэтому измеряется в киловаттах. 
8 

2. РАСЧЕТ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ КОЛОДЦЕВ 

Нагревательные колодцы служат для нагрева слитков перед 
обжимными станами (блюмингами и слябингами). В них нагревают 
слитки массой от 2 до 25 т и толщиной от 350 мм и более. В каждый 
нагревательный колодец сажают от 4 до 24 слитков, которые устанавливают в вертикальном положении вдоль боковых стен. Число и 
расположение слитков в колодце зависят от размеров слитков и рабочего пространства нагревательного колодца. Слитки в колодец загружают только после того, как вся предыдущая садка выдана. В нагревательные колодцы поступает значительная часть (до 95 %) слитков горячего посада с температурой поверхности 950... 1000 °С. 

Температура нагрева слитков под прокатку зависит прежде 
всего от качества нагреваемого металла и соответствует температуре 
нагрева под прокатку в непрерывных нагревательных 
печах 
(см. § 3.2 [1]). Температуру в рабочем пространстве колодца принимают на 50... 100 °С выше конечной температуры нагрева поверхности слитков. 

Режим нагрева слитков состоит из периода собственно нагрева до достижения заданной температуры поверхности слитков и периода выдержки или томления при постоянной температуре поверхности слитков. 

Расчет теплообмена в рабочем пространстве нагревательного 
колодца представляет большие трудности из-за неравномерности 
температуры продуктов сгорания в объеме колодца и нерегулярности 
расстановки слитков на поду колодца. Не меньшие трудности возникают при расчете нагрева металла, так как все грани слитка находятся в существенно различных условиях теплообмена. Особенно сложен расчет нагрева слитков горячего посада из-за того, что их начальное температурное состояние является неизвестным и может 
сильно отличаться для слитков одной садки. 

В связи со сложностью процессов и неопределенностью исходных данных расчет нагрева слитков в нагревательных колодцах 
не дает необходимой точности и в инженерных расчетах используют 
практические данные о продолжительности нагрева слитков в нагревательных колодцах (см. § 10.5 [2]). 

Садку одного нагревательного колодца находят путем размещения в рабочем пространстве слитков заданных размеров. Расстояние между слитками из условий захвата слитка клещами колод
9 

цевого крана должно быть не менее 200 мм, а оптимальное с точки 
зрения равномерного обогрева слитков - 300…400 мм. 

Производительность одного нагревательного колодца определяют по формуле (1.1). Продолжительность полного производственного цикла (оборота) колодца 

Т = Тз + Тнагр + Хр + Тп, 
(2.1) 

где Тз - продолжительность загрузки (посадки) слитков в колодец, ч; 
Хнагр - продолжительность нагрева слитков, ч, определяется в зависимости от размера слитков, марки стали, температуры посада, 
количества слитков в колодце и вида колодца по рис. 10.2 10.22 [2]; 
тр - продолжительность разгрузки (выдачи) слитков из колодца, ч; 
т„ - продолжительность подготовки колодца (удаление шлака и 
заправка), отнесенная к одному всаду, ч. 

Тепловую мощность нагревательного колодца определяют по 
практическим данным, ее принимают из расчета 60...80 кВт на 1 т 
слитков садки. Среднее потребление тепла колодцами составляет 
1,6…2,2 МДж/кг. 

10 

3. РАСЧЕТ КАМЕРНЫХ ПЕЧЕЙ 

3.1. Характеристика камерных печей 

Камерные печи применяются как для нагрева, так и для термической обработки слитков, слябов, труб, готовых изделий большой массы и сложной конфигурации. Обычно печи имеют большую 
садку, изделия в них загружают в пакетах или стопами. Чаще всего в 
них нагревают металл, поступающий небольшими партиями, отличающимися по размерам и режимам нагрева или термообработки. 

Достоинством камерных печей является их универсальность, 
т.е. возможность загружать в них каждый раз различные изделия, в 
том числе и неудобные для транспортирования в непрерывных печах, и варьировать режимы нагрева или термообработки в широких 
пределах. Камерные печи чаще всего устанавливают группами, однако возможно использование единичных отдельно стоящих печей. 

Различают вертикальные (шахтные) и горизонтальные камерные печи. Последние классифицируют по способу подачи в печь 
и выдачи из нее нагреваемых изделий: печи с выкатным подом и печи с внешней механизацией, в которых загрузка и выгрузка производится специальными механизмами, расположенными вне печи. 

Система отопления камерных печей предназначена для создания максимальной равномерности температур в рабочем пространстве печи, поэтому ее выполняют рассредоточенной. В низкотемпературных печах применяют подподовые топки, внешнюю и внутреннюю циркуляцию печной атмосферы. 

3.2. Особенности теплового 
расчета камерных печей 

Расчет теплообмена излучением и конвекцией в рабочем пространстве печи производят по методике, изложенной соответственно 
в гл. 1 и 2 [4]. 

Особенностью расчета теплообмена излучением для камерных печей с нагревом в продуктах сгорания является то, что кладка в 
этих печах не является адиабатной, а в процессе нагрева и охлаждения поглощает или отдает тепло. Кладка печи остывает во время загрузки и при посаде холодного металла, поэтому в первый период 
нагрева она является существенным потребителем тепла и ее температура сильно отличается от температуры адиабатной кладки, рас
11 

считанной по формуле (1.22) [4]. С течением времени кладка прогревается и ее температура приближается к адиабатной. 

В общем случае суммарный удельный тепловой поток (Вт/м2) 
излучением от продуктов сгорания и кладки на металл в камерной 
печи можно определить по формуле 

qизл = с 

+Cs в 

А 
t^ +273^ 
100 
) 

tм + 273 V 

t + 273 

100 

100 

i^ 100 

, 
(3.1) 

где Cs = 5,77 Вт/(м2-К4) - коэффициент излучения абсолютно черного 
тела; 
tv, tк, tм - температуры соответственно продуктов сгорания, кладки и металла, °С; 

A = BA[1 + (1-sJ(1-sJф,J 

B = 

М 

B A ( 1 - S J 

м 

M = 1 - (1 - S J 1 - S J 1 - ф,,^) - (1 - S J2(1 - s^ )(1 - S J9,,^ ; 

(3.2) 

(3.3) 

(3.4) 

s„ SK, S« - степени черноты соответственно продуктов сгорания, 
кладки и металла; 
Фкм - угловой коэффициент излучения кладки на металл. 

Для расчета суммарного удельного теплового потока температурами продуктов сгорания, кладки и металла необходимо предварительно задаться. 

Коэффициент теплоотдачи излучением [Вт/(м2-К)] 

«изл = qиз/( tт- 
tм). 
(3.5) 

Расчет нагрева и охлаждения металла проводят в зависимости от его массивности по формулам и графикам гл. 3 [4]. 

12