5.4. Расчет времени нагрева

Полное время пребывания металла в печи можно определить по следующей формуле

_, (14)

где время нагрева, с;

время томления теплотехнически массивного тела, с;

время технологической выдержки , с;

– время охлаждения металла в печи, с;

время загрузки и выгрузки металла из печи, с.

При выполнении курсового проекта рассматривается время нагрева, время томления и время технологической выдержки.

Под временем томления понимается время, необходимое для выравнивания температуры по сечению теплотехнически массивной заготовки между поверхностью и центром до заданной степени равномерности, длительность которого зависит:

– от исходного перепада температуры по сечению загрузки к моменту начала выравнивания температуры ;

– от конечного перепада температуры по сечению загрузки, определяемого условиями технологии нагрева ;

– от условий ведения процесса выравнивания температуры: с подводом или без подвода тепловой мощности;

– от степени массивности загрузки.

Под технологической выдержкой необходимо понимать время, необходимое для осуществления структурных превращений в металле при его нагреве под термическую обработку и обработку давлением (прокатку, ковку, листовую и объёмную штамповку, волочение и прессование) или физико-химических процессов на поверхности металла при химико-термической обработке (цементация, нитроцементация и др.).

Время технологической выдержки для осуществления структурных превращений назначается по технологическим соображениям. В этом случае нужно использовать справочную литературу по термической обработке, например, [2].

Формула для расчёта времени нагрева (14) в зависимости от характера технологического процесса может принимать различный вид. Например, нагрев листа в термической роликовой печи в атмосфере печных газов – не требует томления и технологической выдержки и, поэтому, формула (14) примет вид

, (15)

Нагрев заготовки под обработку давлением в нагревательной печи с выкатным подом и фиксированной разницей температуры между поверхностью и центром металла, требует применения следующей формулы

. (16)

При химико-термической обработке теплотехнически тонкого металла расчет проводят по формуле

, (17)

Для расчёта времени нагрева металла в печи с постоянной температурой необходимо подготовить исходные данные, которые включают в себя десять параметров, перечень которых приведён в табл. 5. Общая схема расчёта времени нагрева представлена на рис.2.

Таблица 5

Исходные данные для расчёта времени нагрева

Наименование параметра	Размерность	Обозначение
Температура печи
Температура поверхности металла начальная
Температура поверхности металла конечная
Плотность металла
Удельная теплоёмкость металла
Коэффициент теплоотдачи суммарный
Коэффициент теплопроводности металла
Толщина нагреваемого слоя
Коэффициент формы	–
Безразмерная координата	–

Согласно рис.2 условия нагрева (однозначности) включают в себя:

– начальные условия, т.е. распределение температуры в нагреваемом металле в начальный момент времени;

– геометрические условия: форма и размер заготовок или деталей и способ их укладки в печи;

– физические параметры нагреваемого металла, греющей среды, футеровки печи (коэффициент теплопроводности, плотность, теплоёмкость, коэффициент кинематической вязкости, и др.).

– граничные условия, то есть условия теплового взаимодействия окружающей среды (рабочего пространства печи) с поверхностью нагреваемого изделия. Начальные и граничные условия объединяются термином «краевые условия». Далее, согласно рис.2, по блок-схеме, представленной на рис.3, необходимо рассчитать суммарный коэффициент теплоотдачи.

Рис. 1. Способы укладки изделий в садочных печах:а, б – литые электроды; в – слябы или блюмсы; г – листовой металл в стопе; д – круглая сортовая сталь; е – листовой металл в рулонах

Рис. 2. Общая схема расчёта времени нагрева

Если атмосфера печи не суммарный коэффициент теплоотдачи содержит водяных паров и углекислого газа (электрическая печь, печь с защитной атмосферой или вакуумом), приведённый коэффициент излучения вычисляют по формуле

, (18)

где – коэффициент излучения абсолютно чёрного тела, Вт/(м² ·К⁴);

– степень черноты поверхности нагреваемого металла;

– степень черноты внутренних стен печи;

– степень развития кладки.

(19)

где внутренняя поверхность печи, излучающая тепловой поток, м²;

наружная поверхность металла, воспринимающая тепловой поток, м².

Рис.3. Блок-схема для определения коэффициента теплоотдачи

Если атмосфера печи содержит пары и , то сначала необходимо найти интегральную степень черноты печных газов, как сумму степени черноты и степени черноты с учетом поправочного коэффициента для паров воды по формуле

, (20)

где – интегральная степень черноты печных газов;

– степень черноты углекислого газа;

– степень черноты паров воды;

– поправочный коэффициент.

Степень черноты углекислого газа , паров воды , как и поправочный коэффициент , определяют по номограммам из литературных данных [3]. Номограммы показывают степень черноты печных газов в зависимости от его содержания, температуры и эффективной толщины газового слоя. Интегральную степень черноты печных газов можно вычислить и по формуле

(21)

Приведённый коэффициент излучения при наличии в атмосфере печи углекислого газа и паров воды рассчитывается по формуле

(22)

В формулу (23) для определения коэффициента теплоотдачи излучением, подставляют приведённый коэффициент излучения , полученный либо по формуле (18), либо по формуле (22)

(23)

Для расчёта коэффициента теплоотдачи конвекцией необходимо определить вид этой конвекции в печи: естественная или вынужденная. Интенсивность конвективного теплообмена в рабочем пространстве печи зависит: