2.3. Расчёт нагрева металла

Д

Температура,

ля облегчения расчёта нагрева металла для углеродистой стали построим зависимость теплосодержания i (рис. 2) и коэффициента теплопроводности λ (рис.3) от температуры.

Рис.2. Зависимость λ = f(t)

Температура,

Рис.3. Зависимость i = f(t)

Среднемассовая конечная температура заготовки:

,

где – заданный конечный перепад температур в заготовке

Удельный тепловой поток к поверхности металла в конце нагрева:

где λ– коэффициент теплопроводности металла при ;

S – ½ полной толщины металла.

Определяем из рис. 2: λ = ;

Расчетная температура газов в сварочной зоне:

Коэффициент использования химической энергии топлива (КИТ) в сварочной зоне:

η

где – количество тепла, уносимого уходящими газами из сварочной зоны.

где – энтальпия продуктов сгорания, соответствующая температуре.

– количество тепла излучаемого из сварочной зоны в методическую.

кВт,

– удельный тепловой поток излучения ( = 150кВт/м²);

– площадь поперечного сечения рабочего пространства на границе сварочной и методической зон.

– общая тепловая мощность печи:

где – удельный расход тепла (для предварительного расчёта выбираем b=2500 кДж/кг);

G – производительность печи, кг/ч.

η

КИТ в печи:

η

– количество тепла, уносимое уходящими газами из печи,

где – энтальпия продуктов сгорания, соответствующая ;

η .

Изменение теплосодержания металла в печи:

,

где i₀, i₃ – теплосодержание металла, соответствующее начальной t₀ и конечной

температурам, кДж/кг.

Изменение теплосодержания металла вместе с образовавшейся окалиной:

где δ – угар металла. (δ=2 %);

С_ок – теплоемкость окалины, С_ок = 1 кДж/(кг·К);

m – коэффициент, учитывающий сколько окалины образуется из окисления 1 кг железа; (m = 1,38).

Приращение теплосодержания металла в методической зоне:

Приращение теплосодержания в сварочной зоне:

Нагрев металла в методической зоне

Удельный тепловой поток в начале зоны:

Удельный тепловой поток в конце зоны:

где – средняя температура металла в конце методической зоны, соответствующая:

Из рис.3: Т_М1=410+273=683 К.

λ – теплопроводность металла, соответствующая температуре ,

λ

Уравнение для решается методом последовательных приближений. В первом приближении находим , полагая . Затем, подставив полученное значение , получаем уточнённое . Окончательное значение определяется после подстановки в уравнение .

Температура поверхности металла в конце зоны:

Перепад температур по сечению металла в конце зоны:

Температура оси металла в конце зоны:

Средний тепловой поток в методической зоне:

Время нагрева металла в методической зоне:

где ρ – плотность металла; К_ф – коэффициент формы ( для пластины =00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001).

Участок сварочной зоны с монолитным подом

Время нагрева металла на этом участке:

где – длина монолитного пода ( = 5 м)

Критерий Фурье:

Fo .

Физические константы принимаются при среднемассовой конечной температуре .

Теплоемкость металла:

Коэффициент температуропроводности:

м²/час;

Из рис.2 .

м²/час;

Fo

Критерий Био:

Bi .

Коэффициент теплоотдачи в конце нагрева:

Bi

Из приложения 9:

Перепад температур в начале участка:

Удельный тепловой поток в начале участка:

Температура поверхности металла при переходе на монолитный под:

Среднемассовая температура металла:

Температура на оси заготовки:

Участок сварочной зоны с двухсторонним обогревом

Средний тепловой поток на участке:

, соответствующие t_М2, определяем по рис.3.:

Приращение теплосодержания:

Время нагрева на участке:

Общее время нагрева:

Удельная продолжительность нагрева: