Определение времени нагрева металла в сварочной зоне

Найдём степень черноты дымовых газов при t_г=1300°C

По приложениям 1-3 при t_г=1300°C находим:

.

Тогда

Принимаем температуру поверхности металла в конце сварочной зоны °С, температуру в центре сляба в конце сварочной зоны 850°С.

Приведённая степень черноты сварочной зоны равна:

Находим среднюю по сечению температуру металла в начале сварочной (в конце методической) зоны

Находим температурный критерий для поверхности слябов

Так как при средней температуре металла:

согласно приложению 4 теплопроводность углеродистой стали равна λ = 31,9 Вт/(м·К), а коэффициент температуропроводности α = 4,56·10^-6 (м² /с), то

Теперь по номограмме приложения 5 находим критерий Фурье Fo=2,4

Время нагрева в сварочной зоне

Определяем температуру в центре сляба в конце сварочной зоны. По номограмме приложения 6 при значениях Bi=0,708 и Fo=2,4 находим θ_ц = 0,4, с помощью которого определяем

3. Определение времени томления металла

Перепад температур по толщине металла в начале томильной зоны составляет

∆t_нач = 1000 - 932 = 68°С. Допустимый перепад температур в конце нагрева составляет ∆t_кон = 30 = (из задания) °С.

Степень выравнивания температур равна

При коэффициенте несимметричности нагрева, равном μ = 0,55 критерий Fo для томильной зоны согласно номограмме приложения 7 (кривая 3) равен Fo = 0,1.

При средней температуре металла в томильной зоне

где – разность температур в конце выдержки (из задания).

Из приложения 4: λ = 28,3 Вт/(м·К), α = 5,75·10^-6 (м² /с)

Время томления:

Полное время пребывания металла в печи равно:

Определение основных размеров печи

Для обеспечения производительности Р = 80 т/ч в печи должно быть одновременно находиться следующее количество металла:

Масса одной заготовки равна:

Где ρ=7850 кг/м³ – плотность стали.

Количество заготовок, одновременно находящихся в печи:

При однорядном расположении заготовок общая длина печи:

При ширине печи B_печи =4 м площадь пода F=BL=4·42,7=192,15 м². Высоты отдельных зон печи оставляем такими же, что были приняты при ориентировочным расчете. Длину печи разбиваем на зоны пропорционально времени нагрева металла в каждой зоне.

Длина методической зоны:

Длина сварочной зоны:

Длина томильной зоны:

В рассматриваемом случае принята безударная выдача слябов из печи. В противном случае длину томильной зоны следует увеличить на длину склиза L_ск=1,5 м.

Свод печи выполняем подвесного типа из каолинового кирпича толщиной 300 мм. Стены имеют толщину 460 мм, причём слой шамота составляет 345 мм, а слой изоляции (диатомитовый кирпич), 115 мм. Под томильной зоны выполняем трехслойным: тальковый кирпич 230 мм, шамот 230 мм и тепловая изоляция (диатомитовый кирпич) 115 мм.

Тепловой баланс

При проектировании печи за определением основных размеров следует конструктивная проработка деталей. Поскольку в данном примере такая проработка не проводится, некоторые статьи расхода тепла, не превышающие 5% от всего расхода, будем опускать.

Приход тепла

1. Тепло от горения топлива:

Здесь B – расход топлива, м³ /с, при нормальных условиях.

2. Тепло, вносимое подогретым воздухом;

3. Тепло экзотермических реакций (принимая, что угар металла составляет α=1%):

Расход тепла

1. Тепло, затраченное на нагрев металла:

Где =750,6 кДж/кг – энтальпия углеродистой стали из приложения 4 по средней температуре , при .

2. Тепло, уносимое уходящими дымовыми газами:

Энтальпию продуктов сгорания при температуре t_ух =1050°C находим с использованием приложения 8:

= 0,0876·2356,0 = 249,74

= 0,1725·1813,5 = 304,67

= 0,0173·1560,6 = 12,48

= 0,7225·1470,0 = 1055,46

______________________

3. Потери теплоты теплопроводностью через кладку.

Потерями теплоты через под в данном примере пренебрегаем. Рассчитываем только потери теплоты через свод и стены печи.

Потери теплоты через свод

Площадь свода принимаем равной площади пода F = 192,15 м²(см.выше); толщина свода 0,3 м, материал каолин. Принимаем, что температура внутренней поверхности свода равна средней по длине печи температуре газов, которая равна:

Если считать температуру окружающей среды равной t_ок=30°С, то температуру поверхности однослойного свода можно принять равной t_нар=340°С

При средней по толщине температуре свода t_к=0,5(1175+340)=782,5 °С коэффициент теплопроводности каолина согласно приложению 9 равен λ_к=1,75+0,86·782,5·10^-3=2,42 Вт/(м·К)

Тогда потери тепла через свод печи будут равны

Где , согласно формуле:

(10+0,06∙t_нар)

Потери тепла через стены печи

Стены печи состоят из слоя шамота толщиной δ_ш=0,435 м. и слоя диатомита, толщиной δ_д=0,115 м.

Наружная поверхность стен равна:

Методическая зона:

Сварочная зона:

Томильная зона:

Торцы печи:

Полная площадь стен равна:

Для вычисления коэффициентов теплопроводности, зависящих от температуры, необходимо найти среднее значение температуры слоев. Средняя температура слоя шамота равна , а слоя диатомита , где - температура наружной поверхности стен, которую можно принять равной 160^оС.

Коэффициент теплопроводности шамота:

Коэффициент теплопроводности диатомита:

В стационарном режиме:

Подставляя значения коэффициентов теплопроводности:

или

Решение этого квадратного уравнения дает значение:

Тогда

Окончательно получаем:

Количество тепла, теряемое теплопроводностью через стены печи, равно

где α = 10+0,06 ∙ 160 = 19,6 Вт/(м² ∙К).

Общее количество тепла, теряемое теплопроводностью через кладку:

4. Потери тепла с охлаждающей водой по практическим данным принимаем равным 10% от тепла, вносимого топливом и воздухом:

5. Неучтенные потери:

Уравнение теплового баланса :

Откуда

Результаты расчетов сведем в таблицу 2

Таблица 2