毕业论文时产量100t步进梁式加热炉项目设计(终稿)06326

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1、100t/h加热炉项目设计摘 要本钢特钢厂准备对小棒轧制生产线进行改造，所以需要在小棒轧机入口前重新建造一座加热炉。加热炉初步选型为步进梁式，小时产量是100t/h，采用燃料为高焦炉混合煤气。本次设计的炉子为四段式加热，分别为预热段、加热二段、加热一段和均热段。空气预热器选用管状换热器。排烟系统为地下烟道排烟，预热器同样设在地下。设计说明书主要包括设计和计算两大类。设计内容包括炉子的选型，进出料方式，预热器的选择，排烟方式的确定等。计算内容包括炉子尺寸的计算，空气量及燃烧生成量的计算，料坯加热时间的计算，炉子热平衡计算，空气预热器的计算，排烟系统的流体力学计算，风机系统的流体力学计算，燃烧装置

2、计算，推钢机的选择计算，和水管强度的校核计算。关键词：混和煤气；热工计算；燃烧器；预热器；排烟。2目 录一、设计依据3二、燃料燃烧计算3（一）煤气干湿成分的换算3 (二) 煤气低发热值4（三）煤气重度4（四）空气需要量4（五）燃烧产物生成量及成分5（六）燃烧产物重度6三、炉膛热交换计算6（一）确定炉膛有关尺寸6（二）求炉气黑度7（三）炉壁对金属的角度系数9（四）求导来辐射系数C9四、金属加热计算10（一）金属均热段末（界面4）各有关参数11（二）金属一加热段末（界面3）各有关参数11（三）金属二加热段末（界面2）各有关参数13（四）金属预热段末（界面1）各有关参数14（五）金属预热段开始（界面

3、0）各有关参数16（六）各段平均热流及加热时间17五、确定炉子的主要尺寸18（一）炉子有效长度18（二）有效炉底强度19六、炉子热平衡计算19（一）热收入项计算19（二）热支出项计算20七、 换热器计算32（一）计算依据32（二）设计计算32八、排烟系统流体力学计算37（二）阻力计算38（三）烟囱计算42九、供风系统流体力学计算44（一）空气管道内径45（二）空气管道阻力损失46十、 炉底水管的校核49十一、烧嘴计算51十二、 风机选择52十三、选用装料机和出钢机53（一）推钢机的选用53（二）出钢机的选用53结论：54参考文献55一、设计依据1、炉子生产率：G=100t/h 2、加热钢种：优

4、质碳素结构(20#钢)3、钢坯尺寸：200mm200 mm9100 mm和200mm200 mm4000 mm的标准坯。4、燃料：(1)种类：高焦炉混合煤气(2)低发热量：213341.8=8916kJ/Nm35、加热参数：(1)金属开始加热(入炉)温度：t始=20(2)金属加热终了(出炉)表面温度：t终=1200(3)金属加热终了(出炉)断面温差：t15(4)空气预热温度t=400 (5)出炉烟气温度t=900 二、燃料燃烧计算按以上设计依据和设计方案进行如下热工计算。高焦炉煤气的体积成分如表2.1。表2.1 高焦炉煤气的体积成分（）干成分H2N2CH4COCO2C2H4C2H6C3H6C3

5、H8体积百分比30.9631.479.4514.4912.460.800.330.030.01（一）煤气干湿成分的换算换算关系式5： (3.1)式中：g煤气含水量，g/m3； Xs湿煤气中各成分的体积，； Xg干煤气中各成分的体积，；已知高焦炉混合煤气温度为20，g=18.9g/Nm3。求得高焦炉混合煤气成分列入表3.2中。表2.2 高焦炉混合煤气中各种成分体积 （）高焦炉混合煤气H20.97730.96=30.25C2H40.9770.80=0.78N20.97731.47=30.55C2H60.9770.33=0.32CH40.9779.45=9.23C3H60.9770.03=0.03C

6、O0.97714.49=14.56C3H80.9770.01=0.01CO20.97712.46=11.98H2O0.97718.90.124=2.29(二) 煤气低发热值计算公式：Qd=30.2CO+25.8H2+85.6CH4+142.9C2H4+152C2H6+207.7C3H6+218C3H8 =30.214.56+25.830.25+85.69.23+142.90.78+1520.32+207.70.03+2180.01=2130kcal/Nm3=8916kJ/Nm3 （三）煤气重度=(2H2+28N2+16CH4+28CO+44CO2+28C2H4+30C2H6+42C3H6+44

7、C3H8+18H2O)=(230.25+2830.55+169.23+2814.56+4411.98+280.78+300.32+420.03+440.01+182.29)=0.93kg/（四）空气需要量1、理论空气需要量L0= (3.3) = 0.530.25+0.514.56+29.23+30.78+3.50.32+4.50.03+50.01=2.12Nm3/Nm3 则有L0=2.12Nm3/Nm3 。2、实际空气需要量取空气系数n=1.08则有Ln=L0n=2.121.08=2.29 Nm3/Nm3（五）燃烧产物生成量及成分1、1Nm3的煤气完全燃烧产物中各种成分的体积 = (CO+CO

8、2+CH4+2C2H4+ 2C2H6+3 C3H6+3 C3H8) 0.01 = (14.56+11.98+9.23+20.78+20.32+30.03+30.01) 0.01= 0.3809 Nm3/Nm3= (H2+2CH4+2C2H4+ 3C2H6+3 C3H6+4 C3H8+H2O) 0.01 = (30.25+29.23+20.78+30.32+30.03+40.01+2.29) 0.01= 0.5365 Nm3/Nm3=2.1146 Nm3/Nm3=0.01=0.0356 Nm3/Nm32、燃料产物生成量=0.3809+0.5365+2.1146+0.0356=3.07 Nm3/N

9、m33、燃烧产物中各成分的百分含量=100%=12.41 =100%=17.48=100%=1.16=100%=68.95（六）燃烧产物重度 (3.4)=1.26kg/三、炉膛热交换计算 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C，其计算过程如下：（一）确定炉膛有关尺寸1、 炉膛宽度 （3.5）式中：n料坯排数，n=1；L料坯长度为，L=9.1m；料坯与炉膛、料坯与料坯间的距离，按经验数据=0.2-0.3m，取0.25mB=19.1+ (1+1) 0.25=9.6 m取炉膛宽度B=10m1、炉膛高度按经验选取：采用吊挂平顶结构，故只在预热段采用压下炉型，取预热段H上预

10、=1 m均热段H上均 =1.5m， 加热段H上加 =1.5m，所有的下加热采用同一高度，取值H下=2.2 m。2、炉底面积设加热段长度为L加，均热段长度为L均，预热段长度为L预。炉底： 一加热段 F底加1=BL加1=10L加1 m2二加热段 F底加2=BL加2=10L加2 m2预热段 F底预=BL预=10L预 m2均热段 F底均=BL均=10L均 m23、炉墙和炉顶内表面积炉墙： 一加热段 F墙加1 =2H加1 L加1=21.5L加1m2=3L加1 m2二加热段 F墙加2 =2H加1 L加2=21.5L加2m2=3L加2 m2预热段 F墙预 =2H预 L预 =21.0L预m2=2L预 m2均热

11、段 F墙均 =2H均L均=21.5L均m2=3L均 m2炉顶： 一加热段F顶加1=B L加1=10L加1 m2 二加热段F顶加2 =B L加2 =10L加2 m2预热段F顶预 =B L预 =10L预 m2均热段F顶均 =B L均 =10L均m24、炉气外围总的表面积一加热段 F加1 =F墙加1 + F顶加1 + F底加1=3L加1 +10L加1 + 10L加1=23 L加1二加热段 F加2 =F墙加2 + F顶加2 + F底加2=3L加2 +10L加2 + 10L加2=23 L加2预热段 F预 =F墙预+ F顶预 + F底预 =2L预+ 10L预+10 L预=22 L预均热段 F均 =F墙均

12、+ F顶均 + F底均=3L均+ 10L均+10 L均=23 L均 5、炉膛被炉气充满的体积一加热段 二加热段 预热段 均热段 （二）求炉气黑度1、平均有效射线长度一加热段 m二加热段 m预热段 m均热段 m2、辐射气体分压与平均有效射线长度之积 由燃烧计算得： 大气压 大气压一加热段： 大气压 大气压二加热段： 大气压 大气压预热段： 大气压 大气压均热段： 大气压 大气压（3） 炉气黑度由工业炉设计手册知，炉温与钢材表面温度之差为温度位差，对于一般加热炉，一般不超过 50100，1、设二加热段炉气温度比加热终了时金属表面温度高50t气加2=t表终+50=1200+50=12502、设一加热

13、段炉气温度比二加热段炉气温度高50t气加1= t气加2+30=1250+50=13003、设预热段炉气温度近似为线形t气预=0.5(t气加2+t烟)=0.5（1250+900）=10754、设均热段炉气温度比金属加热终了时的表面温度高50t气均= t表终+50=1200+50=1250（4）求炉气黑度按各段炉气的平均温度和辐射气体分压与有效射线长度之积，查6图2-20，2-21得：二加热段： 2 一加热段： 均热段： 2 预热段： （三）炉壁对金属的角度系数二加热段： 一加热段： 预热段： 均热段： （四）求导来辐射系数C取金属表面黑度 计算公式： （3.6）二加热段：kcal/m2.h.k4

14、=2.87W/m2.K4 一加热段：kcal/m2.h.k4=2.87W/m2.K4 均热段： kcal/m2.h.k4=2.82W/m2.K4预热段： kcal/m2.h.k4=2.75W/m2.K4W/m2.K4 四、金属加热计算金属加热计算是连续加热炉热工计算的重要内容，其主要目的是计算出金属的加热时间，以此为依据计算炉子的有效长度；同时可求出不同加热时间的金属表面温度，中心温度和表面热流。由于钢材加热是在分段连续加热炉内进行的，加热炉内温度随加热段位置不同而不同，因此采用分段计算的方法对金属进行加热计算。现将加热炉用界面将炉膛分成4段：预热段开始为0界面；预热段终了二加热段开始为1界面

15、；二加热段终了一加热段开始为2界面；一加热段终了均热段开始为3界面；均热段终了为4面。如图4.1所示。图4.1 加热炉简图本设计计算中,采用“平均热流法”，计算金属加热时间和炉长。1、均热段选定均热度求出均热时间2、加热段按第二类边界条件传给无限大平板（钢坯）的热流密度等于常数。（一）金属均热段末（界面4）各有关参数1、炉气向金属表面的热流q4由设计依据得： 由于 查5表3-7得热焓量kcal/kg=823 kJ/kg金属表面的热流 （3.7）式中：S料坯的受热深度，S=0.1m； 金属平均温度在1190时所对应的导热系数； 对于钢20，查表3-75得热导率：时，4=25.6kcal/m.h.

16、=107 W/m.则有：kcal/m2.h=32100 W/ m22、推算均热段炉气温度 =-273 =1228前面假设温度为1250，误差为 5% 故不必再重新假设。（二）金属一加热段末（界面3）各有关参数1、设整个均热段表面温度恒定，故一加热段末金属表面温度。由前面所设的一加热段的炉气温度t气加1=1300，可得： （3.8） =2.45 =36457 kcal/ m2. h =42290 W/ m22、一加热段末金属端面温差 （3.9）式中：导热系数，可以用渐进法求解；设一加热段末金属平均温度t3=1150。对钢20 ： kcal/m.h=105.5 W/m.代入上式得：则有： 前面假设

17、温度为1150，误差为 5% 故不必再重新假设。由t3=1150,查5表3-7得一加热段末的热焓量：=189.75kcal/kg=793kJ/kg3、均热段加热时间由公式： （3.10）式中：傅立叶准数，；均热度，；查6图2-37得： ，由公式： m2/h式中：导温系数；CP4平均比热，kcal/kg=0.69； 金属重度（t=1190），=7490kg/m3； 金属平均温度(t=1190)时的导热系数，=25.6kcal/m.h.=107 W/m.代入上式得： m2./h均热段加热时间h（三）金属二加热段末（界面2）各有关参数取二加热段末金属表面温度则金属表面热流：q2 =68026kcal

18、/m2h=78910W/m2取金属平均温度=900，查5表3-8得金属导热系数：=22.7kcal/h=94.9W/m2，热焓量=151.2kcal/kg则有：与前所设的一致，故不必重新计算。（四）金属预热段末（界面1）各有关参数1、金属在预热段内的热焓增量（1）炉子的燃料利用系数 （3.11）式中：湿燃料的低发热量，=2130kcal/Nm3=8916；预热空气带入炉内的物理热量，由于本设计只预热空气，故带入炉内的物理热量为：由燃烧计算得知：实际空气消耗量空气预热温度，查5表2-4得湿空气比热：=0.319 kcal/Nm3=1.335kJ/Nm3则有： =2.290.319400=292.

19、2kcal/Nm3=1223kJ/Nm3烟气出口温度，查表2-45得此温度下的烟气平均比热：kcal/Nm3=1.532 kJ/Nm3从而可得出炉烟气带走的热量： kcal/Nm3 =4233 kJ/Nm3则炉子的燃料利用系数：（2）界面“1-4”段的燃料利用系数由t气加2=1250可查5表2-4得烟气的平均比热为：Ca=0.375 kcal/kg则有： kcal/Nm3=6015kJ/Nm3；设界面“1”的辐射面积Ff ，二加热段向预热段辐射的热量： W通常，该辐射热流kcal/Nm3，本设计取12000kcal/Nm3本设计中此处的辐射面积：辐射热量：Qf=12000030=36105kc

20、al/h=41.76105W按经验选取其单位热耗b=500=2093kJ/kg可求得炉子热负荷：kcal/h=6.69107W将上述结果代入中，即有 =0.462-0.06=40.2%（3）金属在预热段内的热焓增量=196.8-2=194.8kcal/kg2、金属平均温度由kcal/kg,查5表3-7得金属平均温度=5603、金属表面热流 W/m （3.12）式中：，时，=134.7W/m.； kcal/m2h.k4；可得金属表面温度：将C，用逼近法解：首先令，代入上式后所求出的结果依次为：；q1n=110687；至此，认为已能满足计算精度要求，所以取q1=110687kcal/m2.h=12

21、8396W/m24、金属断面温差表面温度，以及中心温度 （五）金属预热段开始（界面0）各有关参数1、金属的温度参数,2、金属表面热流q0q0=C预 =43562kcal/m2h=50532W/m2（六）各段平均热流及加热时间1、预热段平均热流：=80549W/m2加热时间：（3.13）式中：金属的重度，查表3-25=7780kg/m3； K透热系数，平板K=1；代入上式得：2、二加热段平均热流：加热时间：式中：金属的重度，=7600kg/m3；代入上式得：3、一加热段平均热流：加热时间：式中：金属的重度，=7575kg/m3；kcal/kg代入上式得：h金属在炉内的总加热时间h4、相对加热时间

22、Z五、确定炉子的主要尺寸（一）炉子有效长度计算公式：（3.14）式中：G炉子的产量100000kg/h。 e料坯间隙，本设计取50mm； 总加热时间， =2.4h； b料坯的宽度，b=0.2m； g料坯的重量，g=s.b.l.=0.20.29.17490=2726kg； n料坯的排数，n=1；代入公式得：1、炉子全长： 按经验取炉子到出钢槽中心的距离A=2.5m L=22+2.5=24.5m2、炉子各段长度：预热段长度： 二加热段长度： 一加热段长度： 均热段长度： =22-7.9-5.8-5.3=3m（二）有效炉底强度1、炉底利用率： （3.15）式中：钢压炉底面积，；有效炉底面积，；故其炉

23、底利用率为：2、钢压炉底强度 kg/m2.h3、有效炉底强度 kg/m2.h六、炉子热平衡计算（一）热收入项计算1、燃料燃烧的化学热W （3.16）式中： B燃料总耗量，； =8916kJ/Nm3；2、预热空气带入的物理热 （3.17）式中：空气需要量，； i空空气热含量，按查5表3-7得： 代入上式得：3、金属氧化反应放热（3.18）式中： 1350每千克铁氧化放出的热量，W/m2；金属在炉内的烧损率，一般=0.010.03，本设计取=0.02；钢坯装料量；代入上式得：（二）热支出项计算1、加热金属的有效热 （3.19）式中：G炉子产量，G=100000；金属在炉内总的热焓增量，；代入上式得

24、：100000194.8=2、烟气带走的热量 （3.20）式中： 燃烧产物生成量，；t烟烟气的热焓量按，查得=1379kJ/Nm3；代入上式得： Q烟=3、经炉体传导的热损失（1）炉墙的表面温度 K （3.21）式中：金属表面的平均温度，K 炉气的平均温度，K 与炉气黑度，金属黑度，角度系数有关的系数； 炉气黑度； 金属表面黑度，本设计取=0.8；炉壁对金属的角度系数。预热段： 将数据代入计算公式中，得： 二加热段：= 1110.5K 将数据代入计算公式中，得：一加热段：=1423K将数据代入计算公式中，得：均热段：=将数据代入计算公式中，得： 炉体的散热损失： W （3.22）式中： 炉子砌

25、体的散热损失， W炉子砌体内表面温度，外界空气温度，砌体的散热面积，S砌体厚度，m砌体的平均温度导热系数， W/m.（2）炉体的耐火材料炉体各部分耐火材料如表6.1所示。表6.1 耐火材料厚度（mm）名称（g/m） W/（m）代号墙232普通耐火粘土砖2100（NZ）3550纤维毡130116硅藻土550B 级底116镁砖28004-1.510-3t(MZ)-87(2)136普通耐火粘土砖2100（NZ）35340轻质粘土砖400(QN)-0.410纤维毡130顶300粘土浇注料2300NL150磷酸盐珍珠岩砖220（3）以二加热段为例计算炉墙损失炉顶：粘土浇注料 300mm kcal/m.h

26、.珍珠岩 50mm kcal/m.h.F砌 =10L加2 =105.8=58m2令 再计算令=881 前面假设温度为881，误差为 5% 故不必再重新假设。=60685W炉墙：普通耐火粘土砖 232mm 纤维毡 50mm /1.16硅藻土 116mm (B级)T墙=1101 t空=20 S1=0.232mm ，S2=0.05mm ，S3=0.116mmm2设=950 =750所得结果与前面假设温度、误差均惯性矩：J=cm4纵水管的最大挠度： （3.36） 式中： E钢管的弹性模数，E=1.7106kg/cm2；J为钢管的惯性矩；则： 最大挠度与跨度比值： 校核结果： W；因此选用10820的钢管是满足要求的。十一、烧嘴计算计算依据1. 炉子燃料消耗量：B22866Nm3/h2. 炉子空气需要量：V空57600Nm3/h3. 空气预热温度：t空=4004. 热负荷分配：上加热：40%