2. Расчет нагрева металла и теплообмена в печи

2.1 Время нагрева металла

металл нагрев рекуператор печь

Температуру уходящих из печи дымовых газов принимаем равной t_ух=1050 ^оC; температуру печи в томильной зоне на 50 ^оC выше температуры нагрева металла, т.е. 1295 ^оC. Распределение температур по длине печи представлено на рис. 1.

Рис. 1 Распределение температур по длине печи

Поскольку основным назначением методической зоны является медленный нагрев металла до состояния пластичности, то температура в центре металла при переходе из методической в сварочную зону должна быть порядка 400–500 ^оC.

Разность температур между поверхностью и серединой заготовки для методической зоны печей прокатного производства можно принять равной:

Δt=t_(ПОВ)-t_(Ц)=(700–800)·S, 2.1.1

где S – расчетная толщина изделия, м.

В рассматриваемом случае двухстороннего нагрева S=0,55×d=0,55×0,20=0,11 м.

Δt=700·0,11=77 ^оC.

Т.е. следует принять температуру поверхности металла в конце методической зоны равной 500 ^оC.

Определим ориентировочные размеры печи. При двурядном расположении заготовок ширина печи будет равна:

B=2∙l+3∙a, 2.1.2

где a=0,2 – зазоры между блюмами и стенками печи, м;

l – длина блюма, м.

B=2∙4,5+3∙0,2=9,6 м.

В соответствии с рекомендациями высоту печи принимаем равной:

в методической зоне – 1,6 м,

в сварочной зоне – 2,8 м,

в томильной зоне – 1,65 м.

Находим степени развития кладки (на 1 м длины печи) по формуле:

, 2.1.3

где H – высота печи для различных зон, м.

Для методической зоны  _м.=(2·1,6+9,6)/4,5=2,84 м.

Для сварочной зоны _св.=(2·2,8+9,6)/4,5=3,38 м.

Для томильной зоны _т.=(2·1,65+9,6)/4,5=2,87 м.

Определим эффективную длину луча по формуле:

2.1.4

методическая зона м;

сварочная зона м;

томильная зона м.

2.2 Определение времени нагрева металла в методической зоне

Находим степень черноты дымовых газов ɛ_г^м при средней температуре

t_г=0,5·(1459,06+1050)= 1255 ^оС.

Парциальные давления CO₂ и H₂O равны:

p_CO2=98,1·0,1114=10,93 кПа;

p_H2O=98,1·0,1634=16,03 кПа;

p_CO2·S_эф^м =10,93·2,47=27,0 кПа·м;

p_H2O·S_эф^м =16,03·2,47=39,57 кПа·м.

По номограммам на рис. 9–11 [2] находим: ɛ_CO2=0,12; ɛ'_H2O=0,16; β=1,059.

ɛ_г^м=ɛ_CO2+ β·ɛ'_H2O 2.2.1

ɛ_г^м =0,12+1,059·0,16=0,3.

Приведенная степень черноты рассматриваемой системы равна:

, 2.2.2

Степень черноты металла принимаем равной ɛ_м=0,8.

.

Средний по длине методической зоны коэффициент теплоотдачи определяем по формуле:

, 2.2.3

где C₀=5,7 Вт/(м²·K) – константа излучения абсолютно черного тела.

Вт/(м²·K).

Для среднеуглеродистой стали при средней по массе температуре металла:

2.2.4

.

По приложению VIII [2] находим коэффициенты теплопроводности λ=47,45 Вт/(м·K) и температуропроводности а=10,20·10^-6 м²/с.

Определяем температурный критерий q и критерий Bi по формулам:

q_пов 2.2.5

q_пов= .

, 2.2.6

где S – прогреваемый слой, м.

.

По найденным значениям q и Bi по номограммам на рис. 17 [2] для поверхности пластины находим критерий Фурье F₀=0,90. Тогда время нагрева металла в методической зоне печи равно:

2.2.7

с., 0,3 ч.

Находим температуру центра блюма в конце методической зоны. Согласно номограмме на рис. 19 [2] для центра пластины при F₀=0,90 и Bi=0,41 температурный критерий q_ц=0,76. Теперь найдем температуру центра блюма в конце зоны:

t_Ц^кон=t_Г-q_Ц·(t_Г-t_Ц^нач) 2.2.8

t_Ц^кон=1255–0,76·(1255–0)=301,2 ^оC.