Thiết kế lò nung liên tục để nung thép cán

Tính toán sự cháy của nhiên liệu 2.. Tính thời gian nung kim loại 3.. Cấu trúc lò , chọn vật liệu xây lò , tính cân bằng nhiệt 4.. Tính thiết bị đốt nhiên liệu 5.. Tính cơ học khí đườnng

Nguyễn Đức Mỹ VLH – Nhiệt Luyện K47 1

Bộ Môn Kỹ Thuật Nhiệt Độc lập – Tự Do – Hạnh Phúc

THIẾT KẾ LÒ NUNG KIM LOẠI

Họ và tên : NGUYỄN ĐỨC MỸ

Khoá : K47 Nghành : Vật liệu ; Khoa : Khoa học & Công nghệ Vật liệu

Đề tài đồ án : THIẾT KẾ LÒ NUNG LIÊN TỤC ĐỂ NUNG THÉP CÁN

I Những số liệu ban đầu :

- Năng suất lò : P = 9 t/h

- Nhiên liệu Dầu FO có thành phần :

Nguyên tố Cd Hd Od Nd Sd Ad Wd

- Vật nung : Thép cácbon có thành phần : C= 0,12%; Si = 0,10% ; Mn =0,1 %

- Kích thước vật nung : 110x110x2400mm

- Nhiệt độ vào và ra lò của vật nung : tđầu = 200 C ; tcuối = 12000 C

- Nhiệt độ nung trước : + Không khí : tKK = 350 0C nung 100%

+ Nhiên liệu : tđầu = 1100C nung 100%

Nung 1 mặt , xếp 1 hàng phôi , nhiệt dung riêng của dầu CP= 2,17 [kJ /kg.K]

II Nội dung thiết kế :

1 Tính toán sự cháy của nhiên liệu

2 Tính thời gian nung kim loại

3 Cấu trúc lò , chọn vật liệu xây lò , tính cân bằng nhiệt

4 Tính thiết bị đốt nhiên liệu

5 Tính cơ học khí đườnng khói và đường cấp không khí

III Bản vẽ : 1 bản vẽ tổng thể của lò ( A 0 )

IV Thời gian thiết kế :

V Cán bộ hướng dẫn : Th.s Lại Ngọc Anh

Hà nội 29/12/2004

Nguyễn Đức Mỹ VLH – Nhiệt Luyện K47 2

CHƯƠNG 1 : TÍNH TOÁN SỰ CHÁY CỬA NHIÊN LIỆU

1.1 Các số liệu ban đầu

- Năng suất lò : P = 9 t/h

- Nhiên liệu dầu FO có các thành phần cho trong bảng 1-1

- Vật nung thép cácbon có thành phần : C=0.12% , Si = 0.10% , Mn = 0,1%

- Kích thước vật nung : 110 x 110 x 2400

- Nhiệt độ vào và ra lò của vật nung tđầu = 20 0C , tcuối = 1200 0C

- Nhiệt độ nung trước + không khí tkk = 350 0 C nung 100 %

+ nhiên liệu tdầu = 110 0 C nung 100 %

- Nung một mặt , xếp 1 hàng phôi , nhiệt dung riêng của dầu CP = 2,17 [kJ/kg.K]

1.2 Tính toán sự cháy của nhiên liệu

1.2.1 Tính nhiệt trị thấp của nhiên liệu

Qdt = 339Cd + 1030Hd - 109( Od - Sd) - 25 Wd [ kJ/kg]

Trong đó các trị số 339, 1030, là lượng nhiệt toả ra khi đốt cháy một đơn

vị [kg] cácbon (C) , Hiđrô (H) [kJ/kg]

Cd , Hd , Od là các thành phần dùng của nhiên liệu

Thay các giá trị trên vào công thức tính Q ta được

Qdt = 339x88.50 + 1030x5,4 - 109 ( 0 - 1,0) - 25 x 1,0 = 35647,5 [kJ/kg]

1.2.2 Chọn hệ số tiêu hao không khí n

Trong bản thiết kế này ta sử dụng dầu FO bằng mỏ phun thấp áp nên ta chọn hệ

số tiêu hao không khí n = 1,2

1.2.3 Bảng tính toán sự cháy của nhiên liệu ( Bảng 1.2)

Nguyễn Đức Mỹ VLH – Nhiệt Luyện K47 3

H2

h T ổng

8,755+32,936

N2

8,755x3,762

523 79

O2 kmol 7,375 2,700 0,031 _ _ _ 8,755 10,506 21

kmol 7,375 2,700 0,031 0,071 _ 0,056

Nguyễn Đức Mỹ VLH – Nhiệt Luyện K47 4

1.2.4 Bảng cân bằng khối lƣợng

Bảng 1-3

Chất tham gia cháy

Chất Công thức tính Đơn vị

[kg]

Nhiên

Liệu Dầu

FO 100

Không O2 10,506.32 336,192

Khí

N2 39,523.28 1106,644

 A = 1542,836

Sản phẩm cháy tạo thành

Chất Công thức Đơn vị

[kg]

CO2 7,375 44 324,500

H2O 2,756 18 49.608

N2 39,608 28 1109,024

O2 1,745 32 55,840

SO2 0,031 64 1,924

SPC = 1540,896

B = SPC + Ad = 1540,896 + 2,1 = 1542,996

Đánh giá sai số

 % =

1542,836 1542,996

1542,836

 



A

Nhận xét

Sai số %0,0103% nhỏ chứng tỏ các số liệu tính toán trong bảng 1.2 là đáng

tin cậy

Bảng cân bằng khối lƣợng

Nguyễn Đức Mỹ VLH – Nhiệt Luyện K47 5

1.2.5 Khối lƣợng riêng của sản phẩm cháy

sử dụng công thức

0

 =

100

Vn [

3

/

kg m ]

Thay số ta có

0

 =1542,996 1160,382 =1,329 [

3 /

1.2.6 Nhiệt độ cháy của nhiên liệu

a) Nhiệt độ cháy lý thuyết

công thức tính nhiệt độ cháy của lý thuyết

ilt =

1

 



trong đó

tlt: nhiệt độ cháy lí thuyết của nhiên liệu

i1,i2:Entanpi của sản phẩm cháy tương ứng với nhiệt độ t1,t2[kg/m3tc]

Công thức tính i 

i  =

.ln.

d

Trong đó

Qdt : Nhiệt trị thấp của dầu FO, Qdt = 35647,5[kj/kg](xem I.1)

f : Tỷ lệ lung trước không khí f = 1(nung 100% không khí )

tnl : Nhiệt độ nung trước của nhiên liệu (dầu FO) tdầu=110%

cnl : Nhiệt dung riêng của nhiên liệu (dầu FO)

Cp (dầu)=2,17[kj/kg.k]

ikk: Entanpi của không khí ở nhiệt độ tkk=3500c

từ (phụ lục ) bảng 15 trang 47[1].ta có ikk= 463,75[kj/m3tc]

inl : entanpi của dầu FO ở nhiệt độ tđầu inl=cnl.tnl

Vn=11,603[m3/m3tc]

Ln.lượng tiêu haokhông khí thực tế dùng đốt một đơn vị nhiên liệu

Nguyễn Đức Mỹ VLH – Nhiệt Luyện K47 6

Từ bảng II2 ta có Ln = 11,206 [m /kg]

 i =  35647,5 2,17.110 463,75.11, 206

3540,720 11,603

[kj/m3tc]

i = 3540,720 [kJ/m 3tc]

* Tính nhiệt hàm i 1 và i 2

Giả thiết nhiệt độ cháy lí thuyết của nhiên liệu nằm trong khoảng :t1<tlt<t2

Chọn : 21000C < tl t < 22000C  i1< i<i2

Ta phải tìm Entanpy của các khí thành phần ứng với hai nhiệt độ này

Theo bảng 16 trang 48[1] ta có entanpi của sản phẩm cháy ứng với t1 =21000Cvà

t2 = 22000C

Với các giá trị entanpi vừa tìm được ta có

- i1= i2100 =0,01(CO2.iCO2+ H2O.iH2O+N2.iN2 +O2.iO2+ SO 2.iSO2)

3 tc

= 0,01(14,316 5186,8+5,349 4121,8+76,886 3132,0+3,387.3314,9+0,060 4049,9)

=3485,79 [kj/m ]

- i2 = i2200 = 0,01(CO2.iCO2+ H2O.iH2O+N2.iN2 +O2.iO2+ SO 2.iSO2)

Entanpy i [kj/m3tc]

Khí thành phần

t1 = 21000 C t2 = 2200 0C

CO2 5186,8 5464,2

N2 3132,0 3295,8

Nguyễn Đức Mỹ VLH – Nhiệt Luyện K47 7

2

2

i =0,01(14,316.5446,2+5,349.4358,8+76,886.3295,8+3,387.3487,4+0,060.4049,9)

i =3669,96 [kj/m3tc]

Như vậy i1 = 3485,79< i2 = 3669,96 Thoả mãn giả thiết đã chọn

Tính tlt

tlt = 1

2 1

(

 



i i

i i t2-t1) + t1 =

3540,720 3485,79

(2200 2100) 2100 3669,96 3485,79



tlt =2129,82[0C]

b ) Nhiệt độ cháy thực tế của nhiên liệu

- Trong thực tế nhiệt lượng sinh ra do đốt cháy nhiên liệu ngoài việc tăng nhiệt độ sản phẩm cháy còn thất thoát ra môi trường xung quanh Vậy nhiệt độ thực tế thấp hơn nhiệt độ lý thuyết vừa tính được

Sử dụng công thức : ttt = tlt

Trong đó  : Hệ số nhiệt độ nó phụ thuộc vào loại lò Ở đây loại lò là lò liên tục nên ta chon  = 0,7

Vậy ttt = 0,7 x 2129,82 = 1490,874 [0 C]

Bảng tóm tắt tính toán sự cháy của nhiên liệu

CHƯƠNG 2 TÍNH THỜI GIAN NUNG KIM LOẠI

2.1 Các số liệu ban đầu

- Năng suất của lò P = 9 t/h

- Kích thước vật nung 110 x 110 x 2400 mm

-Thành phần của thép C = 0,12 % , Si = 0,10% , Mn = 0,1%

- Nhiệt độ ra lò của vật nung : tc

kl

= 1200 oC Thành phần của sản phẩm cháy

Thành phần của sản phẩm cháy đã đượctính ở chương 1 bảng 1-2

Nhiệt độ [0C] Sản phẩm cháy [%]

Ln Vn 

[m3tc/kg] [m3tc/kg][kg/m3tc] tlt ttt CO2 H2O O2 N2 SO2

11,206 11,603 1,327 2141,25 1498,875 14,316 5,349 3,387 76,886 0,060

Thành phần thể tích của sản phẩm cháy [%]

Giá trị [%] 14,24 5,349 0,060 3,387 76,886

Nguyễn Đức Mỹ VLH – Nhiệt Luyện K47 8

2.2 Tính thời gian nung 2.2.1 Chọn giản đồ nung Để tránh gây ứng suất nhiệt bên trong kim loại và để có thể tăng tốc độ nung bằng cách chọn nhiệt độ lò lớn nhờ đó mà ta có thể rút ngắn thời gian nung vậy ta chọn giản đồ nung 3 giai đoạn ( giản đồ nung được trình bày ở hình H 2-1)

t2 k

tm3

t1k

Trong bản thiết kế này ta nung thép trong lò liên tục và sử dụng giản đồ nung 3 giai đoạn vậy dựa vào bảng 26 trang 65 [1] ta có thể chọn - Vùng sấy nhiệt độ từ 700 – 950 0 C ta chọn t1k = 700 0-C Hình 2-1 giản đồ nung 3 giai đoạn t4k t4 m t4t t2t t2m t3k tt3 1400 1200 1000 800 600 400 200

200

t1

t

=

t1

m

Thời gian sấy Thời gian nung Thời gian đoạn nhiệt

Nguyễn Đức Mỹ VLH – Nhiệt Luyện K47 9

- Vùng nung nhiệt độ bắt đầu từ 1300 – 1350 ta chọn t2k = 1350 0C

- Nhiệt độ cuối vùng nung t

3-k

= 1350 0C

- Nhiệt độ cuối vùng đồng nhiệt t4k = 1300 0C

- t1

m

, tt1 :Nhiệt độ bề mặt và nhiệt độ tâm của phôi ở đầu vùng sấy

t1m = t1t = 20 0C

t2m Nhiệt độ bề mặt của phôi ở đầu vùng nung t2m = 600 0C

t3

m

Nhiệt độ bề mặt của phôi ở đầu vùng đồng nhiệt tm3 = 1200 0C

t4m Nhiệt độ bề mặt của phôi ở cuối vùng đồng nhiệt t4m = 1200 0C

t2

t

Nhiệt độ tâm phôi ở cuối vùng sấy

t3t Nhiệt độ tâm phôi ở đầu vùng đồng nhiệt

t4t Nhiệt độ tâm phôi ở cuối vùng đồng nhiệt

Phôi vào lò có nhiệt độ t1

m

= tt1 = 20 0C Phôi được nung một mặt và được xếp 1 hàng phôi

Nhiệt độ tâm phôi được chọn theo độ chênh lệch nhiệt độ cho phép giữa bề mặt và tâm [t] = 15 [ 0C /dm ]

Phôi có chiều dày thấm nhiệt St =  S [m]

Trong đó

St : Chiều dày thấm nhiệt của phôi nung [m]

 : Hệ số không đối xứng do cấp nhiệt một phía nên  = 1

S : Chiều dày phôi , S = 0,11 [m]

 St = 1 0,11 = 0,11 [m] = 1,1 [dm]

Vậy độ chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và tâm phôi cuối giai đoạn đồng nhiệt t = S [t] 1,1 15 = 16,5 [0C]

Mặt khác ta có

t = t4

m

- t4 t

 tt4 = 1200 – 16,5 = 1183,5 [0C]

Vậy tt4 = 1183,5 [0C]

2.2.2 Tính thời gian nung

a ) Các kích thước cơ bản của nội hình lò

- Chiều ngang lò được xác định theo công thức

B = n.l + (n – 1) c + 2.b [m] (2.1)

Trong đó

n : số dãy phôi n = 1

l : chiều dài phôi nung l = 2,4 [m ]

b : khoảng cách giữa đầu phôi và tường lò b = 0,25 (Bảng 29 trang [1]0

c : Khoảng cách giữa các dãy phôi c = 0 do n = 1

Vậy B = 1 x 2,4 + 0 + 2 x 0,25 = 2,9 [m]

Nguyễn Đức Mỹ VLH – Nhiệt Luyện K47 10

B = 2,9 [m]

- Chiều cao lò

 Chiều cao vùng sấy Hs [m]

Chiều cao vùng sấy hiệu quả của vùng sấy được xác định theo công thức

Hsch = 10-3 tktb ( A + 0,05B) (2.2)

Trong đó tktb : Nhiệt độ trung bình của sản phẩm cháy trong vùng sấy

tktb = 1 2 700 1350 0

1025

t t

C

A : Hệ số thực nghiệm : Khi tktb = 1025 oC ta có A = 0,6 ( bảng 28 )

B : Chiều ngang lò B = 2,9 [m]

Vậy HSch = 10-3 1025 ( 0,6 + 0,05.2,9) = 0,764 [m]

 Chiều cao thực tế của vùng sấy

HStt = n.HSch + S

Trong đó n : Số mặt nung n = 1

S : Chiều dày phôi S = 0,11 [m]

HStt = 1 0,764 + 0,11 = 0,874 [m]

 Chiều cao vùng nung Hn (m);

Chiều cao có hiệu của vùng nung được xác định theo công thức

Hnch = (0,4 -:- 0,6).B,[m]

Trong đó đến 0,4 _Hệ số dùng cho lò xếp hai hàng

Đến 0,6_Hệ số dùng cho lò xếp một hàng

 HnH = 0,6.2,9 = 1,74 [m]

Chiều cao thực tế của vùng nung;HnH =n.Hnch +S

HnH = 1.1,74 +0,11 = 1,85 [m]

 Chiều cao vùng đồng nhiệt Hđn [m]

Chiều cao có hiệu của vùng đồng nhiệt được xác định theo công thức ;

Hđnch =10-3.tktb(A +0,05.B)[m]

Trong đó

tktb :Nhiệt độ cháy trong vùng đồng nhiệt

tktb = 3 4 1350 1300

= 1325[0c]

A: Hệ số thực nghiệm khi tktb=13250c ta có A = 0,6 bảng 28[1]

B: Chiều ngang lò :B = 2,9 (m)

Vậy ta có

Hđnch =10-3 tktb (A +0,05.B) =10-3.1325(0,6+0,05.2,9)

Hđnch = 0,987 [m]

Chiều cao thực tế của vùng đồng nhiệt ; Hđntt

Nguyễn Đức Mỹ VLH – Nhiệt Luyện K47 11

Hđntt =n Hđnch +S =1.0,987 +0,11 =1,097[m]

22.3.Tính thời gian nung phôi trong vùng sấy

- Nhiệt độ trung bình của sản phẩm cháy trong vùng sấy

1025

k tb

C

- Nhiệt độ trung bình của bề mặt phôi trong giai đoạn sấy

tb

2.2.3.1 Độ đen của sản phẩm cháy trong vùng sấy (k)

Độ đen của khí lò được xác định theo công thức :

k co2H O2

Trong đó:

k- Độ đen của khí lò

2

co

 : Độ đen của khí CO2

 Hệ số hiệu chỉnh

2

H O

 : Độ đen của H2O

Từ bảng 1-2 ta có % CO2 = 14,316 % nên

2

CO

P = 0,14316 [at]

% H2O = 5,349% nên P H O2 = 0,05349 [at]

Chiều dày có hiệu của lớp khí bức xạ : (Shq) đối với lò liên tục ta có

 2.



S ch

ch

BH S

Trong đó

: Hệ số điền đầy khí trong lò thường lấy  = 0,9

B, HSch : chiều ngang và chiều cao có hiệu của vùng sấy

2.2,9.0,764



hq

S

Vậy S hq= 1,088 [m]

Tích số M :

M = P.S S : Chiều dày có hiệu của lớp khí [m]

Với

2

2

0,155[ ]

0,058[ ]





CO

H O

- Với nhiệt độ trung bình của sản phẩm cháy tktb=10250C

và tích số M CO2  0,155[ ]at m

H O

theo các giản đồ hình 24,25,26 trang 16,17[1] ta có

Nguyễn Đức Mỹ VLH – Nhiệt Luyện K47 12

2

2

0,1 0,07 1,03













co

H O

0,1921





k

2.2.3.2 Hệ số bức xạ quy dẫn (Cqd[W/m2.K4])

- Độ phát triển của tường lò

n l

- Hệ số bức xạ quy dẫn

 

0

1

1 1

0,8

1,845 1 0,1921

1 0,1921

0,1921





 



 

k

qd kl

k

k kl

qd

C

Vậy : Cqd=2,065 [W/m2.K4]

2.2.3.3 Hệ số trao đổi nhiệt tổng cộng ( [w/m.K]

 bxdl

Ở nhiệt độ cao coi  đl =0,1bx do đó hệ số bức xạ tổng nhiệt là  =1,1 bx

Hệ số truyền nhiệt bức xạ xác định theo công thức:

 bx =Cqd

1 2

t t

2

.c]

Trong đó : t1,T2 - Nhiệt độ trung bình của môi trường lò 0C , K

t2,T2 - Nhiệt độ trung bình của bề mặt kim loại 0C, K

Cqd - Hệ số bức xạ qui dẫn ứng với nhiệt độ của môi trường lò

Thay số với t1=tktb =1025[0C]T1=1025+273=1298 K

t2=tmtb=407[0C] T2=407+273=680 K

Cqd =2,065 [w/m2.K4]

Nguyễn Đức Mỹ VLH – Nhiệt Luyện K47 13

 bx =2,065

54201.103

87.865



Vậy bx=87,865[w/m2.K4]

 = 1,1  bx =1.1.87,865= 96,651[w/m2.k]

2.2.3.4 Hệ số dẫn nhiệt  [w/m2.K]

- Hệ số dẫn nhiệt  đặc trưng cho khả năng truyền nhiệt ở bờn trong kim loại hệ số này phụ thuộc vào thành phần của kim loại và trạng thỏi nhiệt của kim loại đú

- Hệ số truyền nhiệt dẫn nhiệt của thộp cacbon ở điờự kiện nhiệt độ khụng đổi được xỏc định theo cụng thức:

 0 =69,8-10,12C-16,75Mn-33,72Si(w/m.K)

Trong đú : C , Mn Si thành phần của cacbon , mangan, silic

 0 hệ số dẫn nhiệt của thộp ở 00C

0 69,8 10,12.0,12 16,75.0,1 33,72.01 63,741[ / ]    w m K

Bảng hệ số dẫn nhiệt của thộp cacbon ở nhiệt độ t0C

Bảng 2.1

Nhiệt độ phụi thộp [0C] Cụng thức tớnh Giỏ trị t [ư/m.K]

200 0,95 0 60,554

400 0,85 0 54,179

600 0,75 0 47,805

800 0,68 0 43,344

1000 0,680 43,344

Đồ thị biểu hiện sự phụ thuộc của hệ số dẫn nhiệt vào

nhiệt độ

 [w/m.K]

63,741

60,554

54,179

Nguyễn Đức Mỹ VLH – Nhiệt Luyện K47 14

47,805

46,531

43,344

200 400 600 800 1000 1200 t[0C]

2.2.3.5 Các tiêu chuẩn nhiệt độ và nhiệt độ tâm phân phối cuối giai đoạn sấy ; a)_Tiêu chuẩn nhiệt độ bề mặt phôi nung :

Tiêu chuẩn nhiệt độ được xác định theo công thức

2

1

1025 600

0, 423

1025 20

tb

tb

t t

t t

b)_Tiêu chuẩn Biô sơ bộ

ta có công thức : Bi = .S T

sb





Trong đó ;

: Hệ số truyền nhiệt tổng cộng =96,651[w/m.K]

ST: chiều dày thấm nhiệt của vật nung [m], ST=0,11[m]

sb

 :hệ số dẫn nhiệt trung bình của phôi thép Do chua biết nhiệt độ tâm phôi nên tính  sơ bộ

sb = 1 1 2 2 20 20 700 502,4



TRa giản đồ hình 2.1 và dùng phương pháp nội suy ta có

400 600

502,4 400 102, 4

200

=54,179 54,179 47,805.102, 4 50,915

200



 502,4=50,915 [w/m.0C]

 63, 422 63, 422 45,575 50,915 55,833

4

 cx 55,833[ / w m 0C]

Hình 2.1 Sự phụ thuộc của  vào nhiệt độ