CC BY
18
48 трубы
УДК 621.643
Разработка конструкции камеры печи для нагрева стальных труб
м.В. Калачев
магистрант1 bosch116@mail.ru
Л.Ю.Тихонов
заведующий лабораторией3 ofskr@mail.ru
И.А. Савин
к.т.н., доцент2
А.А. Новичков
студент2
кафедра «ПЛА», КНИТУ им. А.Н. Туполева-КАИ, Казань, Россия
2кафедра «КТМП», НЧФ КНИТУ им. А.Н. Туполева-КАИ, Набережные Челны,Россия 3ОАО «ТатНИИнефтемаш», Казань, Россия
С развитием промышленных отраслей РФ повышаются требования к качеству выпускаемой продукции, следовательно, повышаются требования к качеству выполняемых технологических операций, связанных с созданием данной продукции. В данной статье рассматриваются конструктивные особенности новой камеры печи для нагрева стальных труб, позволяющие повысить качество (равномерность) нагрева стальных труб, эффективность использования теплового потока (КПД) и уменьшить время нагрева стальных труб.
материалы и методы
Металлы и сплавы, данные промышленных исследований.
Ключевые слова
стальная труба, нагрев, полимеризация покрытия
Несмотря на то, что в последнее время широкое применение получили трубы из полимерных материалов, стальная труба своих позиций практически не утратила. Ряд свойств, которые присущи данному материалу, делает ее незаменимой во многих случаях, а полимерное покрытие на внутренней и наружной поверхностях стальной трубы устраняет ряд их недостатков, связанных с коррозией.
Однако технологический процесс производства таких труб подразумевает ряд этапов, где стальная трубная заготовка подвергается нагреву до определенных температур и выдержке.
Наиболее распространенным способом нагрева металлических длинномерных полых изделий является конвективный нагрев в печи.
На сегодняшний день существует множество видов печей для нагрева труб из сталей и сплавов.
Тем не менее, большинство печей для нагрева стальных труб имеет ряд схожих существенных недостатков.
Основным недостатком таких печей является неравномерный нагрев по всей площади нагреваемого изделия, за счет ламинарного движения потока нагретых газов, что значительно снижает качество и увеличивает время нагрева.
Также малая производительность печей, из-за долгого ожидания нагрева длинномерного изделия до заданной температуры, ввиду того, что большой объем тепла уходит на нагрев самой камеры печи;
Можно также выделить один из недостатков — это неэффективное использование выделяемого потока нагретого воздуха, так как:
1. Теплообмен при нагревании изделия происходит при ламинарном движении потоков нагретого воздуха, что так же увеличивает время нагрева и уменьшает производительность;
2. Большой объем тепла уходит на нагрев камеры печи, где находятся стальные трубы.
Можно сделать вывод, что для качественного, эффективного нагрева стальной трубы конструкция печи должна равномерно регулировать температуру и направление потоков нагретых газов.
Поставленную задачу мы решили, разработав новую конструкцию высокоэнергоэф-фективной печи с качественным, быстрым нагревом по всей площади изделия, использующей выделяемый поток нагретого газа от автономного источника.
Новизной данного конструкции является камера печи, позволяющая направлять поток нагретых газов, как на наружную, так и на внутреннюю поверхности длинномерного полого изделия, при этом регулируя угол атаки потока нагретых газов.
Камера печи — это помещение нагрева изделия (стальной трубы).
Воздуховод боковой направляет поток нагретых газов в камеру печи через боковое сопло.
Воздуховод нижний направляет поток нагретых газов в камеру печи через нижние жалюзийные решетки.
Боковое сопло установлено на одной из торцевых сторон камеры печи и направляет поток нагретых газов на внутреннюю поверхность трубы и регулирует угол атаки потока нагретых газов на внутреннюю поверхность трубы.
Нижние жалюзийные решетки установлены у основания камеры печи и направляют поток нагретых газов на наружную поверхность трубы и регулирует угол атаки потока нагретых газов на наружную поверхность трубы.
Стальная труба — нагреваемое изделие.
Дымоотвод направляет поток использованных для нагрева изделия (стальная труба) газов в дымоход.
Специальная оснастка предназначена для предания вращательного движения трубе и для сохранения наружной поверхности трубы от внешних контактов.
Подвесной конвейер предназначен для транспортировки трубы.
Дефлектор предназначен для создания дополнительной (искусственной) тяги в камере печи.
Шлюз предназначен для открытия/закрытия входа в камеру печи.
Перед началом работы, на концы стальной трубы устанавливают специальные оснастки, предусмотренные данным способом, предающие стальной трубе вращательное движение во время их нагрева.
В рабочем режиме потоки нагретых газов направляют в камеру печи через воздуховод боковой и воздуховод нижний, боковое сопло и нижние жалюзийные решетки. Боковое сопло регулирует направление потока нагретых газов, поступающих через воздуховод боковой, и регулирует угол атаки потока нагретых газов на внутреннюю поверхность стальной трубы. Нижние жалю-зийные решетки регулируют направление потока нагретых газов, поступающих через воздуховод нижний, и регулирует угол атаки потока нагретых газов на наружную поверхность стальной трубы.
Во время нагрева стальной трубы поток нагретых газов от автономного источника, поступающий через боковое сопло в камеру печи, направляют на внутреннюю поверхность стальной трубы, и направляют по спирали, чтобы предает потоку нагретых газов турбулентное движение. Это уменьшает время нагрева стальной трубы, способствуя повышению производительности печи и эффективному использованию тепла потока нагретых газов.
Во время нагрева стальной трубе предают вращательное движение с помощью специальных оснасток, установленных на концы стальной трубы 6, исключающих контакт наружной поверхности стальной трубы с иными поверхностями, что делает нагрев стальной трубы более качественным.
Продолжительность нагрева длинномерного изделия до заданной температуры является важным параметром, определяющим
производительность печи и ее габаритные размеры.
Расчет нагрева металла начинается с определения критерия Ж
Критерий Ы проводит границу «тонких» и «массивных» тел.
Ы < 0,25 — тело «тонкое» В> 0,5 — тело «массивное»
Ы = а * S/X где 5 — прогреваемая толщина стенки трубы, м. 5 = 0,01 м
X — средний коэффициент теплопроводности, Вт/
(м * С)
Х20 = 51,9 Вт/(м * оС) Х400 = 45 Вт/(м * °С)
К = (Хоо + К)/2 = (51,9 +45)/2 = = 48,45 Вт/(м * оС) а — коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м2 * оС) /при турбулентном движении в трубах или между ними находится в интервале - 12 - 115 Вт/(м2 * оС)/; возьмем значение ближе к максимальному 100 Вт/(м2 * оС).
Ы = 100 * 0,01/48,45 = 0,02 — тело «тонкое»
При расчете времени тонкостенных труб следует использовать формулу —
нагрева при т/й составляющем 1,0; 1,5; 2,0, коэффициент К' равен соответственно 0,5; 0,8; 1,0/;
m/d
: 0,475/0,325 ~ 1,5 ^ К' = 0,8
а — коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м2 * оС) / при турбулентном движении в трубах или между ними находится в интервале — 12 — 115 Вт/(м2 * оС)/; возьмем значение ближе к максимальному — 100 Вт/(м2*оС).
Так как нагрев производит при направлении потока нагретых газов, как к наружной, так и к внутренней поверхности стальной трубы, то время уменьшиться примерно 1,5-2,0 раза (среднее 1,75).
тЛ = т/1,75 =
факт.
17 мин
где 5 — прогреваемая толщина стенки трубы, м;
— наружный диаметр трубы, м; К' — коэффициент, учитывающий способ укладки труб и зависящий от относительного расстояния между центрами труб т/ёшр, где т — расстояние между центрами труб = 0,475 м, для одностороннего
Из таблицы видно, что производительность новой печи для нагрева стальных труб будет выше на 45-75% относительно известных аналогов.
Подведя итоги, можно сказать, что конструкция новой печи имеет ряд преимуществ относительно существующих аналогов.
Основное преимущество — это повышение качества нагрева наружной и внутренней поверхности стальной трубы, за счет:
Рис. 1 — эскиз камеры печи. 1 — рабочая камера печи; 2 — воздуховод боковой; 3 — воздуховод нижний; 4 — боковое сопло; 5 — нижние жалюзийные решетки;
1. Предания вращательного движения стальной трубе специальными оснастками;
2. Направления потока нагретых газов на наружную и внутреннюю поверхности стальной трубы;
3. Исключения контакта наружной поверхности стальной трубы с иными поверхностями;
А также уменьшение времени нагрева стальной трубы, за счет:
1. Предания вращательного движения стальной трубе специальными оснастками;
2. Направления потока нагретых газов на наружную и внутреннюю поверхности стальной трубы;
3. Турбулентного движения потока нагретых газов в камере печи;
Новая конструкция камеры печи повышает эффективность нагрева стальной трубы, за счет увеличения площади контакта стальной трубы с потоком нагретых газов, которое достигается, за счет направления потока нагретых газов непосредственно на наружную и внутреннюю поверхности стальной трубы.
Повышается производительность печи, за счет уменьшения времени нагрева стальной трубы.
Итоги
Предлагаемая печь для нагрева труб по сравнению с аналогами:
1. Повышает качество нагрева наружной и внутренней поверхности стальной трубы, за счет:
1.1. Предания вращательного движения стальной трубе специальными оснастками;
1.2. Направления потока нагретых газов на наружную и внутреннюю поверхности стальной трубы;
1.3. Исключения контакта наружной поверхности стальной трубы с иными поверхностями;
2. Уменьшает время нагрева стальной трубы, за счет:
2.1. Предания вращательного движения стальной трубе специальными оснастками;
2.2. Направления потока нагретых газов на наружную и внутреннюю поверхности стальной трубы;
2.3. Турбулентного движения потока нагретых газов в камере печи;
3. Повышает эффективность нагрева стальной трубы, за счет увеличения площади контакта стальной трубы с потоком нагретых газов, которое достигается, за счет направления потока нагретых газов
9 — подвесной конвейер; 10 — дефлектор; 11 — шлюз. непосредственно на наружную и внутрен-
нюю поверхности стальной трубы;
№ Диаметр трубы, Толщина стенки Время нагрева Время нагрева до 420оС, 4. Повышается производительность печи,
мм трубы, мм до 420оС, мин мин (новая печь для за счет уменьшения времени нагрева
(обычная печь) нагрева стальных труб) стальной трубы.
1 57 3,5 14 = 8,0
76 = 8,6 Выводы
2 4 = 15 Внедрение данной технологии позволит
3 89 5 = 17,5 = 10,0 повысить качество изготавливаемой про-
4 114 6 = 20 = 11,4 дукции, производительность. А повышение
эффективности использования теплового
5 159 7 = 22 = 12,8 потока уменьшит срок окупаемости данной
6 219 8 = 25 = 14,2 технологии.
7 273 9 = 28 = 15,6 Список используемой литературы
8 325 10 = 30 = 17 1. Калачев М.В., Калачев И.Ф., Савин
И.А., Новичков А.А. Заявка на патент РФ
Таб. 1 — Представлены наиболее часто применяемые стальные трубы и время их нагрева. № 2014103388 от 31.01.2014.
ENGLISH PIPES
Development of a design of the camera of the furnace for heating of steel pipes
UDC 621.643
Authors:
Maxim V. Kalachev — master1; bosch116@mail.ru Leonid Yu. Tikhonov — head of laboratory3; ofskr@mail.ru Igor A. Savin — ph.d., associate professor2; Alexander A. Novichkov — student2;
department of "PLA" Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev — KAI (KNRTU-KAI), Kazan, Russian Federation 2Department of "KTMP" Naberezhnye Chelny branch Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev — KAI (KNRTU-KAI), Naberezhnye Chelny, Russian Federation 3TatNIIneftemash JSC, Kazan, Russian Federation
Abstract
With development of industrial branches of the Russian Federation requirements to quality of products raise, therefore, requirements to quality of the carried-out technological operations connected with creation of this production raise. In this article design features of the new camera of the furnace for heating of the steel pipes, allowing to increase quality (uniformity) of heating of steel pipes, efficiency of use of a thermal stream (efficiency) and to reduce time of heating of steel pipes are considered.
Materials and methods
Metals and alloys, data of industrial researches.
Results
The offered furnace for heating of pipes in
comparison with analogs:
1. Increases quality of heating of an external and internal surface of a steel pipe, for the account:
1.1. Legends of a rotary motion to a steel pipe special equipments;
1.2. The directions of a stream of heated gases on external and internal surfaces of a steel pipe;
1.3. Exceptions of contact of an external surface of a steel pipe with other surfaces;
2. Reduces time of heating of a steel pipe, for the account:
2.1. Legends of a rotary motion to a steel pipe special equipments;
2.2. The directions of a stream of heated gases on external and internal surfaces of a steel pipe;
2.3. Whirl of a stream of heated gases in the furnace camera;
3. Increases efficiency of heating of a steel pipe, at the expense of increase in the area of contact of a steel pipe with a stream of heated gases which is reached, at the expense of the direction of a stream of heated gases directly on external and internal surfaces of a steel pipe;
4. Furnace productivity, due to reduction of time of heating of a steel pipe increases.
Conclusions
Introduction of this technology will allow to increase quality of made production, productivity. And increase of efficiency of use of a thermal stream will reduce a payback period of this technology.
Keywords
steel pipe, heating, covering polymerization
References Savin I.A., Novichkov A.A. Patent Federation No. 2014103388 of
1. Kalachev M.V., Kalachev I.F., application of the Russian 31.01.2014.
котутеко
www.komitex.ru
ЛИДЕР В ПРОИЗВОДСТВЕ НЕТКАНЫХ МАТЕРИАЛОВ В РОССИИ
Геотекстильные полотна «Геоком» для:
• строительства и ремонта автомобильных и железных дорог
• обустройства нефтяных, газовых и других месторождений и пр.
• нетканые полотна для строительства (обмотки трубопроводов; строительства бассейнов; при укладке тротуарной плитки; в инверсионной кровле и др.)
ОАО «Комитекс»
167981, г. Сыктывкар, ул. 2-я Промышленная, 10 тел. <8212) 286-513,286-547,286-575; факс 286-560 market@komitex.ru
' 41
¡л
