Металлургическая теплотехника: Рабочая программа. Задание на курсовой проект

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ЗАОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра металлургии и литейного производства

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ ТЕПЛОТЕХНИКА Рабочая программа Задание на курсовой проект

Факультет - Технологии веществ и материалов Специальности: 110400 - Литейное производство черных и цветных металлов 120800 - Материаловедение в машиностроении Направление: 550500 - Металлургия Факультет - Экономики, менеджмента и автомобильного транспорта Специальность: 060800 - Экономика и управление на предприятии ( по отраслям) Специализация: 060802 - Экономика и управление на предприятиях металлургии Направление: 521500 - Менеджмент

Санкт -Петербург, 2000

2

Утверждено редакционно-издательским советом института УДК 669.04 (075.8); 681,3 Металлургическая теплотехника. Рабочая программа. Задание на курсовой проект.- СПб.: СЗПИ, 2001, - с. Методический сборник предназначен для студентов, обучающихся без отрыва от производства по специальностям: 110400 - литейное производство черных и цветных металлов, 120800 - материаловедение в машиностроении , 060800 - экономика и управление на предприятии и направлениям , соответственно 550500 - металлургия ,521500 – менеджмент и 551600 – материаловедение и технология новых материалов. Рассматриваются вопросы теплообмена в рабочем пространстве металлургических печей, изложены основы нагрева металла, приведено оборудование для тепловой обработки материалов и изделий. Рабочая программа составлена в соответствии с Государственными общеобразовательными стандартами высшего профессионального образования по специальностям и направлениям подготовки. Рассмотрено на заседании кафедры металлургии и литейного производства "19 " июня 2000г. ( протокол № 10 ). Одобрено методической комиссией факультета технологии веществ и материалов " 28 " июня 2000г. Рецензенты: кафедра металлургии и литейного производства СЗПИ (зав.кафедрой А.А.Яценко, канд.техн.наук, доц.); Б.А.Шеверда, канд.техн.наук, директор Ассоциации "Литье сервис" Составители: Ю.Н.Зинин , канд.техн.наук, доц. В.В.Дембовский , канд.техн.наук, проф. В.Т.Сенченко , канд.техн.наук, доц.

© Северо-Западный заочный политехнический институт, 2001

3

ПРЕДИСЛОВИЕ Цель преподавания дисциплины. Преподавание дисциплины заключается в изучении закономерностей процессов горения топлива и механики движения газов в металлургических печах, теплопередаче, нагреву и охлаждению металла, изучению основ тепловой работы печей, конструкций металлургических печей, принципу их проектирования. Знания, приобретенные при изучении дисциплин "Металлургическая теплотехника", "Тепломассообмен и теплотехника", "Технологическое оборудование и автоматизация процессов нагрева материалов и изделий" используются при изучении специальных дисциплин по технологии металлургического производства, физико-химии металлургических систем и процессов, обработке металлов давлением, эксплуатации литых заготовок, а также при выполнении курсового и дипломного проектов. Место дисциплины в учебном процессе. Преподаванию данной дисциплины должно предшествовать изучение инженерной графики, высшей математики, общего курса теплотехники, физики, химии, теоретической механики, программирования. В связи с большим объемом дисциплин их изучение разделено на две части. Часть I включает разделы: - основы термодинамики, - основы тепломассообмена. Часть II - в зависимости от дисциплины: - металлургическая теплотехника, - устройство и принцип действия металлургических печей, - технологическое оборудование и автоматизация процесса нагрева металла и изделий. 1. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА (объем 174 часа) Введение (1 час) [1], с. 5…6 Основные задачи курса. История и роль теплотехники в совершенствовании металлургических процессов. Вклад русских и советских ученых в развитие теплотехники металлургического производства. Связь печной теплотехники со смежными науками и ее место среди других наук.

4

1.1.

Классификация и общая характеристика тепловой работы печей (5 час) [1], с. 190…205; [3], с. 9…25

Классификация металлургических печей в зависимости от технологического назначения, вида использованной энергии, характера производства, способа перемещения заготовок внутри печи, рода использованного топлива, принципа работы и др. Основные узлы и конструктивные элементы печей. Схемы и принцип действия нагревательных печей. Теплотехнические характеристики работы печей. Тепловой баланс. Расход топлива и его определение. 1.2.

Теплогенерация за счет химической энергии топлива и электроэнергии (10 час) [1], с. 154…183; [3], с. 517…526, 540…542, 550…553, 568..579

Общие сведения о топливе, классификация, состав. Теплота сгорания топлива, методы ее определения. Основы теории горения топлива. Температура воспламенения. Понятия о факельном процессе, длине факела. Устройства для сжигания жидкого и газообразного топлива: горелки и форсунки низкого и высокого давления. Электронагрев при прохождении электрического тока через газ, жидкое или твердое тело. Дуговой и плазменный электронагрев. Тепловыделение в металле, находящемся в электрическом поле. Индукционные электронагревательные печи и устройства. 1.3.

Движение газов в металлургических печах (20 час) [1], с. 9…50; [2], с. 66…68, 72…76, 82..94, 96…103, 133…137

Физические свойства газов. Уравнение состояния газа. Силы, действующие в газе. Вязкость газов. Ламинарное и турбулентное движение. Критерий Рейнольдса. Уравнение движения газов Бернулли. Измерение давлений. Потери давления при движении газов и жидкостей. Устройства, приводящие газы в движение. Работа дымовой трубы. Движение газов в рабочем пространстве печи. Свободные и ограниченные струи. Струйные аппараты. Истечение газов через отверстия в стенках печи. Газослив. Распределение газовых потоков по параллельным каналам. Правило Лукашевича-Грум-Гржимайло.

5

1.4.

Основы теории подобия и моделирования (4 час) [1], с. 52…70; [2], с. 140…156

Понятие физической и математической модели. Требования, предъявляемые к модели. Геометрическое подобие. Подобие физических величин. Размерные и безразмерные величины. Критерии гидродинамического и теплового подобия. Условия подобия физических величин. Методы физического моделирования. Критериальные уравнения. 1.5. Тепломассообмен в металлургических печах (42 час) [1], с. 70…139; [2], с. 155…157, 160…214, 233…244, 261…265 Общая схема передачи тепла нагреваемому металлу в рабочем пространстве печи. Тепловой поток. Стационарные и нестационарные процессы теплообмена. Способы теплопередачи. Понятие "внешнего" и "внутреннего" теплообмена. Конвективный теплообмен. Уравнение Ньютона. Факторы, определяющие значение коэффициента теплоотдачи по эмпирическим формулам. Применение теории подобия для исследования процессов конвективного тепло-и массообмена. Критерии Нуссельта, Рейнольдса, Грасгофа, Фурье, Пекле. Конвективный режим работы печей. Теплообмен излучением. Излучение твердых тел. Поглощение, отражение и пропускание лучистой энергии. Абсолютно белые, абсолютно черные и серые тела. Законы теплового излучения: Планка, Вина, Стефана-Больцмана, Кирхгофа, Ламберта, Кеплера. Излучение и поглащение энергии серыми телами. Теплообмен излучением в замкнутом пространстве печей при отсутствии лучепоглащающей среды. Угловые коэффициенты излучения. Их свойства и методика определения. Излучение через отверстия в печных стенках. Коэффициенты диафрагмирования. Теплообмен между газами и твердыми телами. Излучение и поглащение лучистой энергии дымовыми газами. Понятие о степени черноты газов и ее определение. Излучение пламени. Карбюрация. Теплообмен излучением в рабочем пространстве печи при наличии лучепоглащающей среды. Радиационный режим работы печей. Теплопроводность. Коэффициент теплопроводности. Передача тепла от одной среды к другой через плоскую однослойную и многослойную стенки. Теплотехническая роль кладки. Пути уменьшения тепловых потерь.

6

1.6.

Нагрев металла (30 час) [1], с. 139…154; [2], с. 346…373

Физическая сущность процесса нагрева. Температурные режимы нагрева. Простейшие случаи нагрева.Симметричный режим нагрева. Коэффициент формы. Несимметричный нагрев тел. Основы правильной технологии нагрева. Скорость нагрева металла. Факторы, влияющие на скорость нагрева: температура печи, способ укладки заготовок на поду печи, материал, размеры заготовок и др. Температурные напряжения. Расчет времени нагрева "тонких" и массивных заготовок. Методика расчета по Б.В.Старку, Н.Н.Доброхотову, Н.Ю.Тайцу и др. Графики Д.В.Будрина. Окисление, обезуглероживание, перегрев и пережог металла. Методы борьбы: скоростной, безокислительный и малоокислительный нагрев металла. Нагрев металла в защитных атмосферах. 1.7.

Устройство и принцип работы металлургических печей (30 час) [3], с. 265…267, 279…295, 334…339, 395…398, 404…410, 517…522, 540…542, 550…559, 566…574

Конструкции нагревательных и термических печей. Печи для нагрева заготовок под прокатку и ковку (нагревательные печи): нагревательные колодцы, методические нагревательные печи, толкательные, с шагающим подом. Печи для термообработки материалов и изделий: камерные садочные печи с выдвижным и неподвижным подом, проходные конвейерные печи. Устройства для утилизации тепла отходящих дымовых газов: регенараторы, рекуператоры. Схемы движения теплоносителя. Основы расчета. Плавильные печи. Доменные печи, вагранки (для получения и плавки чугуна). Мартеновские, электродуговые, индукционные печи, конвертеры (для получения и плавки стали). 1.8.

Огнеупорные материалы для сооружения печей (10 час) [1], с. 206…236; [3], с. 86…115, 119…126

Развитие огнеупорной промышленности в России. Классификация и область применения огнеупорных материалов. Рабочие и физические свойства. Служба огнеупоров в металлургических печах. Теплоизоляционные материалы.

7

Перечень лабораторных работ (20 час) №№ 1. 2. 3.

4.

5.

6.

Тема Кол-во часов Компьютерное моделирование процесса горения 4 жидкого и газообразного топлива (программа P27). Исследование влияния эффективности горения 2 топлива на величину удельного теплового потока к металлу (программа P28). Компьютерное моделирование процесса нагрева 4 тел различной формы (пластина, цилиндр, шар) при краевых условиях I рода (Тпов = const) – программы P42, P42а) Компьютерное моделирование процесса нагрева 4 тел различной формы (пластина, цилиндр, шар) при краевых условиях II рода (q = const ) – программы P42, P42а Компьютерное моделирование процесса нагрева 4 тел различной формы (плита, цилиндр, шар) при краевых условиях III рода (Тпеч.= const) – программы P42, P42а. 2 Исследование влияния формы тела, толщины заготовок, теплопроводности материала, коэффициента теплоотдачи, удельного теплового потока на продолжительность нагрева при краевых условиях I, II, III рода (программы P42, P42а).

Примерный перечь практических работ (16 час) №№ 1. 2. 3. 4.

Тема Расчет горения топлива (жидкого, газообразного). Выбор типа, потребного количества топливосжигающих устройств (горелок, форсунок). Тепловой расчет теплообменных аппаратов (рекуператоров, регенераторов). Тепловой баланс рабочего пространства печи.

Кол-во часов 4 4 4 4

8

ЛИТЕРАТУРА Основная 1. Кривандин В.А., Марков Б.Л. Металлургические печи. - М.: Металлургия, 1977. 2. Металлургическая теплотехника, т.1 (под редакцией В.А.Кривандина).М.: Металлургия, 1986. 3. Металлургическая теплотехника, т.2 (под редакцией В.А.Кривандина).М.: Металлургия, 1986. К курсовому проекту 4. Расчеты нагревательных печей/под ред. проф. Н.Ю.Тайца - Киев: Гостехиздат, 1969. 5. Теплотехника и теплоэнергетика, ч.II. Методические указания к выполнению курсового проекта. - СПб.: РИО СЗПИ, 1988. Тематический план лекций для студентов очно-заочной формы обучения (36 час) №№ 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Тема Кол-во часов Введение. Классификация металлургических 4 печей. Основные показатели тепловой работы печей. Топливо. Основы теории горения. Устройства для 6 сжигания топлива. Движение газов в металлургических печах. Теплопередача в металлургических печах. 10 Нагрев и охлаждение металла. Режимы нагрева. 8 Окисление, обезуглероживание, перегрев и пережог металла. Устройство и принцип действия металлурги6 ческих печей: нагревательных, плавильных. Огнеупорные материалы. Классификация, 2 свойства.

2. ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ Номер варианта курсового проекта выбирается по последней цифре шифра студента, номер задания - по предпоследней цифре шифра. Причем следует выбирать по предпоследним цифрам от 1 до 5 "Задание 1", а от 6 до 10

9

- "Задание 2". (Например, если последние две цифры шифра 34, то это значит, что нужно выбирать: вариант 4, задание 1). Курсовой проект должен содержать пояснительную записку объемом 20…30 страниц рукописного текста с полным расчетом и описанием конструкции печи и чертеж - разрез печи в трех проекциях (один лист формата А1). Варианты задания на курсовой проект приведены в табл.1. Таблица 1 Задания на курсовой проект Номер

1 I II III IV V VI VII VIII IX X

Задания

2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2

3

Среднеуглеродистая

Варианта

Марка стали

Масса садки, т

Размер заготовок,мм Диаметр

Длина

4 10 10 10 15 15 15 20 20 20 25 25 25 30 30 30 35 35 35 40 40

5 350 350 400 400 450 450 400 400 450 450 450 450 475 475 500 500 450 475 500 500

6 1500 2000 1500 2000 1500 2000 1500 2000 1500 2000 1500 2000 1500 2000 1500 2000 2000 2000 2000 2000

Месторождение природного газа

7 Ставропольское Джебольское Елшанское Карадагское Нибельское Небит-Дагское Шебелинское Дашавское Южно-Сухумское

Газлинское Верховское Михайловское Джебольское Дашавское Тунгорское Чуэльское Шебелинское Нибельское Газлинское Джебольское

ТемпераТура подоГрева возДуха,ºС

8 250 250 250 250 250 250 250 250 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300

Пояснительная записка должна быть оформлена на листах формата А4 и сброшюрована. В титульном листе должно быть указано: тема, дисциплина, кафедра, специальность, Ф.И.О и шифр исполнителя, город (Приложение II).

10

Текст следует оформлять без рамок, но с соблюдением полей: левое 20мм, правое - 10мм, верхнее - 15мм, нижнее - 20мм. В тексте пояснительной записки должны быть ссылки на использованные литературные источники. Содержание пояснительной записки: Введение. 1. Расчет горения топлива (состав газообразного топлива -см.Приложение I). 2. Определение основных размеров печи. 3. Расчет внешнего теплообмена в рабочем пространстве печи. 4. Расчет нагрева металла. 5. Тепловой баланс печи. 6. Выбор и расчет количества топливосжигающих устройств.

11

Приложение I Состав сухого газообразного топлива Наименование месторождения природного газа 1.Ставропольское 2.Джебольское 3.Елшанское 4.Карадагское 5.Нибельское 6.Небит-Дагское 7.Тунгорское 8.Шебелинское 9.Дашавское 10.ЮжноСухумское 11.Газлинское 12.Верховское 13.Михайловское 14.Тунгорское 15.Чуэльское

CO2

N2

CH4

C2H6

C3H8

C4H10

C5H12

0,2 0,1 0,2 0,1 0,07 2,0 18,6 0,1 0,1 4,3

1,2 2,8 2,2 10,3 1,1 0,8 1,2 2,6

98,0 81,8 94,0 97,0 87,0 91,2 75,4 93,0 97,9 63,7

3,8 2,5 1,8 2,3 3,0 2,3 4,4 0,5 12,6

7,7 0,7 0,8 0,25 1,8 1,1 0,8 0,2 9,7

0,6 3,7 0,3 0,2 0,05 1,2 1,0 0,6 0,1 4,6

0,1 0,1 0,1 0,03 0,8 0,5 0,3 2,5

0,1 0,1 0,5 18,6 0,22

0,8 0,7 2,64 1,1 3,0

95,6 98,5 96,4 75,4 95,5

2,7 0,6 0,3 2,3 0,8

0,3 0,1 0,1 1,1 0,4

0,5 0,05 1,0 0,08

0,01 0,5 -

12

Приложение II Титульный лист курсового проекта МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ЗАОЧНЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ Кафедра металлургии и литейного производства

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ По дисциплине На тему:

Факультет технологии веществ и материалов Выполнил: студент III курса, спец. 110400 Шифр ( фамилия) Проверил: (фамилия, имя, отчество преподавателя)

Санкт-Петербург, 2000г

13

СОДЕРЖАНИЕ Предисловие 3 1. Рабочая программа 3 Введение 3 1.1. Классификация и общая характеристика тепловой работы печи 4 1.2. Теплогенерация за счет химической энергии топлива и электроэнергии 4 1.3. Движение газов в металлургических печах 4 1.4. Основы теории подобия и моделирования 5 1.5. Тепломассообмен в металлургических печах 5 1.6. Нагрев металла 6 1.7. Устройство и принцип работы металлургических печей 6 1.8. Огнеупорные материалы для сооружения печей 6 Перечень лабораторных работ 7 Примерный перечень практических работ 7 Литература 7 Тематический план лекций 8 2. Задание на курсовой проект 8 Приложение I. Состав сухого газообразного топлива 11 Приложение II. Титульный лист курсового проекта 12

14