2. Определение времени нагрева металла и размеров печи

При проведении расчётов нагрева обычно известны геометрические размеры и форма нагреваемого металла, его марка, начальная и конечная температура, конечная разность температур по сечению. Остальные величины вычисляются. Наряду с теоретическими методами определения продолжительности нагрева на заводах часто используют эмпирические формулы, в основу которых положены опытные данные или данные заводской практики.

Для камерных печей наиболее распространена формула Н.Н. Доброхотова

, час

где - время нагрева от 0 до С,

4. толщина металла, м

К- коэффициент ( для железа и мягкой стали К=10, для высоколегированной стали К=20).

Для методических печей пользуются формулой, выведенной Н. Ю. Тайцем:

, мин

где - толщина слитков, см

Определив ориентировочное время нагрева деталей и зная производительность печи, можно рассчитать вес садки и количество деталей в печи. Выбрав расположение изделий на поду печи и выполнив эскиз, определяют основные размеры - длину, ширину и высоту рабочего пространства печи.

В практических расчётах высоту камерных пламенных печей определяют по формуле:

, м

где H — высота печи, м;

h — толщина металла, м;

A — коэффициент, равный 0.5 - 0.6; меньшее значение для температуры С, большее для С;

B — ширина печи, м;

t — температура печи, С.

Для методических пламенных печей начало ( место посадки металла ) имеет высоту 1.2 - 1.5 м; высота сварочной зоны 2.2 - 2.4 м; высота томильной зоны 1.3 - 1.7 м.

Для проходных электрических печей обычно принимают, что при ширине печи Dпеч.=0.5 - 0.6 м высота рабочего пространства Нпеч.=0.4 - 0.45 м. При Dпеч.=0.8 - 1.2 м, Нпеч.=0.5 - 0.55 м. При увеличении Dпеч. до 1.4 - 1.5 м высота печи может быть принята равной 0.6 м.

В конце расчёта строится температурный график нагрева металла, по горизонтальной оси откладывается время, а по вертикальной — температура в С.

ПРИМЕР

Определить время нагрева заготовок из стали 50 размером мм до температуры С. Производительность 50 т/час.

Расчет ведем по методике, описанной в [2].

Температуру уходящих газов из печи примем С, а температуру в томильной зоне на С выше, чем конечная температура нагрева металла — С.

Исходя из практических рекомендаций (1 мм металла прогревается за 1 минуту), при однорядном расположении заготовок (рис. 2) и при двухстороннем нагреве (т.е. толщина нагреваемого металла S=0.1 м), общее ориентировочное время нагрева составит 100 минут или 1.7 часа. Зная производительность и ориентировочное время нагрева, можно определить вес металла, одновременно находящегося в печи:

, кг

Вес одной заготовки:

, кг

где - плотность стали 50;

- объём заготовки.

кг

Выберем температурный график нагрева (рис. 1).

Рис. 1. Температурный график нагрева

I, II, III участки — методическая зона 20- С

IV участок — сварочная зона 850- С

V участок — томильная зона С

Рис. 2. Эскиз детали

Определим количество заготовок в печи:

шт.

Таким образом, ширина печи м (ширина заготовки плюс два зазора до стен по 0.25 м). Высоту методической зоны примем м, сварочной- м, томильной- м (рис. 3).

Рис. 3. Схема расположения заготовок в печи

Определим степень развития кладки ,

где - теплоизлучающая поверхность кладки, ;

- тепловоспринимающая поверхность металла, .

две боковые стены и свод (под закрыт металлом и поэтому не принимает участия в излучении)

основная тепловоспринимающая поверхность металла (боковой поверхностью пренебрегаем)

;

;

Эффективная толщина газового слоя для определённой зоны печи может быть найдена из выражения:

, м

где - объём зоны, ;

- суммарная площадь стен свода и пода зоны, ;

- поправочный коэффициент, равный 0.9.

Для методической зоны:

;

.

Аналогично

1.Определим время нагрева на первом участке методической зоны.

Найдём степень черноты газов при t_г ^ср= 890 ^оС: .

Парциальное давление газов при этой температуре:

;

По номограммам находим ; .

где =1.08

Принимая степень черноты металла =0.8, определим приведённый коэффициент излучения газов и кладки на металл:

=5,7 - коэффициент излучения абсолютно черного тела

Коэффициент теплоотдачи излучением на 1 участке методической зоны будет равен:

где - температура газа в печи, С

- температура металла, С

( берутся средние значения для данного участка, т. е. С, С)

Находим критерий Био:

,

где - толщина нагреваемого металла, м (S=0.1м);

- коэффициент теплопроводности, ;

При С, .

Следовательно, на данном участке тело греется как термически тонкое и время нагрева определяется по формуле Старка:

, час

где - вес металла, кг ( );

- теплоёмкость, , для данной марки стали с=0.524 , но т.к. измеряется , то ; .

час

Поскольку тонкое тело греется без перепада температур по сечению, средняя температура к концу 1 участка методической зоны составит С.

2. Определим время нагрева для 2-го участка методической зоны.

Средняя температура печи- С; металла- С.

;

; ;

Следовательно, на этом участке тело греется как термически массивное.

Определим величину температурного критерия для поверхности металла:

По номограмме по значениям Bi и находим величину критерия Фурье, .

Коэффициент температуропроводности

ч; ч

Определим температуру центра металла к концу нагрева на 2-ом участке методической зоны, для чего по значениям и Bi=0.43, пользуясь номограммой для центра пластины найдём безразмерный температурный критерий для центра

Следовательно

;

3. Определим время нагрева для 3-го участка методической зоны.

Аналогично предыдущей зоне получим:

;

При — ;

Следовательно, на данном участке тело греется как термически массивное

;

По номограмме и значениям Bi=0.77 и определим

;

Таким образом, полное время нагрева металла в методической зоне печи составит:

.

4.Определим время нагрева в сварочной зоне.

;

;

t_п=1350 ^оС;

(t_м^н=850 ^оС; t_м^к=1200 ^оС; t_ц^н=780 ^оС)

;

При — ;

;

;

Температурный критерий для центра пластины при и Bi=1.06 будет равен .

Отсюда

5.Определим время выдержки (томления).

Разность температур по сечению металла в начале выдержки составит

Примем допустимую разность температур в конце выдержки .

Тогда величина .

Соответственно критерий Фурье составит (Bi=1.06).

Средняя температура металла в зоне выдержки составит

Для этой температуры ;

Время выдержки будет равно

Таким образом время пребывания металла в печи составит

В конце расчета построим температурный график нагрева металла (рис. 4)

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ПЕЧИ

Для обеспечения заданной производительности Р=50т/ч в печи постоянно должно находиться следующее количество металла:

вес одной заготовки:

Найдём число заготовок в печи

При однорядном расположении заготовок длина печи ; ширина печи ; площадь активного пода ;

площадь габаритного пода . Высоту печи принимаем ту, что была принята при предварительном расчёте.

Всю длину делим на зоны пропорционального нагрева:

длина методической зоны ;

длина сварочной зоны ;

длина томильной зоны .

Напряжённость габаритного пода .

Рис. 4. Уточненный график нагрева