2. Расчёт нагрева металла.

2.1 Расчёт основных размеров рабочей камеры и параметров теплообмена.

Для методической прокатной печи задано:

Часовая производительность: Р=155т/ч.

Материал заготовок: сталь 2

Размер заготовок: В=1,28 м; l=9,7 м.

Размеры нагреваемого сляба: l=32012809700 (мм).

Посад холодный, температура нагрева Ме – 1250 С.

Состав стали: С=0,13%; Si=0,15%; Mn=0,33 %.

Теплопроводность углеродистой стали при 0С:

=70-10,1С-16,8Mn-33,8Si=70-10,10,13-16,8*0,33-33,80,15=58,1 Вт/(м²К).

Метод нагрева в печи принимается двусторонний. Коэффициент несимметричности нагрева =0,55 при двустороннем нагреве на поду из водо-охлаждаемых труб. Подогреваемая толщина изделия:

S==0,550,32=176,0 мм.

Максимальная рабочая температура газов (печи) - t_п=1350С.

Ширина пода:

2. 1-я ступень нагрева – методическая зона.

Начальные температуры металла: поверхности t_ми=0С

середины t_см=0С .

Конечная температура середины заготовки – t_ск=600С .

Разность температур между поверхностью и серединой заготовки (700-800)S принимаем равной 132С. Тогда конечная температура поверхности заготовки – t_мк=732С. Средняя теплопроводность металла в процессе нагрева данной ступени: =0,8258,1=47,642 Вт/(м²К).

Средняя температура по массе и времени:

Средняя теплопроводность металла в процессе нагрева данной ступени:

Вт/(м*К);

Конечная средняя по массе температура металла:

t_кср=( t_ск+ t_мк)/2=(600+732)/2=666С.

Вт/(м*К);

Конечное теплосодержание металла при 666С принимаю:

Средняя теплоемкость металла от начальной температуры 0С до конечной 666С:

.

Средний коэффициент температуропроводности металла:

а_ср=(С)=47,642/(0,58710³7800)=10,40510^-6 м²/с.

На основе анализа рекомендуемых чертежей принимаем высоту свободного пространства над металлом H₀=1,0 м.

Эффективная длина луча:

Произведение эффективной длины на парциальное давление излучающих газов:

Степень черноты а поправка для

Степень черноты газов:

а степень черноты металла принимается _м=0,8.

Степень развития кладки:

Приведённый коэффициент излучения:

где С₀=5,7–коэффициент излучения абсолютно чёрного тела.

Начальное значение коэффициента теплоотдачи излучением (при t₀=1000C, t_п=0C) и конечное значение - (при t₀=1350C, t_п=732C)рассчитываем соответственно по формулам:

Среднее значение коэффициента теплоотдачи излучением вычисляем по формуле:

.

Коэффициента теплоотдачи конвекцией принимается _КОН =15 Вт/(м²К).

Суммарное значение коэффициента теплоотдачи:

.

Определяем критерий БИО по формуле:

.

Температурный критерий для середины заготовки:

.

По графикам Д.В. Будрина [2,прил.5] для Bi=0,43 и =0,5; критерий Фурье равен Fo=2,8.

Время нагрева металла в методической зоне печи определяется как:

.

При значениях Bi=0,43 иFo=2,8 по графику Д.В. Будрина для поверхности пластины [2,прил.5] температурный критерий_п=0,42. Откуда:

=1175-11750,4=705С.

Ранее была принята =732С. Расхождения между принятой и полученной температурами составляет 28С (менее 50) и оно не может отразиться на результатах расчета.

2.3 2-я ступень нагрева – сварочная зона.

Температура металла начальная:

t_cн=600С и t_пн=705С, t_м=1250С .

Конечная температура середины металла принимается на 40-50 градусов меньше температуры металла- t_cк=1210С.

Средняя температура металла по массе и времени:

Средняя теплопроводность металла:

₉₁₃=0,68₀=0,6858,1=39,51 Вт/(м²К).

Начальная средняя по массе температура металла:

t_cр=(705+600)/2=652,5С.

Начальное теплосодержание металла при 652,5С [2, прил.3]:

.

Конечная средняя по массе температура металла:

t_cр=(1250+1210)/2=1230С.

Конечное теплосодержание металла при 1230С [2, прил.3]:

.

Средняя теплоемкость металла от начальной температуры 652,5С до конечной 1230С:

.

Средний коэффициент температуропроводности металла:

а_ср=(С)=39,51/(0,810³7800)=6,3310^-6 м²/с.

На основе анализа рекомендуемых чертежей принимаем высоту свободного пространства над металлом в сварочной зоне H₀=1,7 м.

Эффективная длина луча:

Произведение эффективной длины на парциальное давление излучающих газов:

При температуре печи (газов) 1330С степень черноты а поправка для - [2,прил. 4].

Степень черноты газов:

а степень черноты металла принимается _м=0,8.

Степень развития кладки:

Приведённый коэффициент излучения:

где С₀=5,7–коэффициент излучения абсолютно чёрного тела.

Начальное значение коэффициента теплоотдачи излучением (при t₀=1350C, t_п=705C) и конечное значение - (при t₀=1350C, t_п=1250C)рассчитываем соответственно по формулам:

Среднее значение коэффициента теплоотдачи излучением вычисляем по формуле:

.

Коэффициента теплоотдачи конвекцией принимается _КОН =12 Вт/(м²К).

Суммарное значение коэффициента теплоотдачи:

.

Определяем критерий БИО по формуле:

.

Температурный критерий для поверхности заготовки:

По графикам Д.В. Будрина [2,прил.7] для Bi=0,91 и =0,16; критерий Фурье равен Fo=2,8.

Время нагрева металла в сварочной зоне печи определяется как:

.

При значениях Bi=0,91 иFo=2,8 по графику Д.В. Будрина для поверхности пластины [2,прил.6] температурный критерий для середины заготовки_с=0,16. Откуда:

=1350-13500,16=1134С.

Ранее была принята =1134С. Расхождения между принятой и полученной температурами составляет 96С, и оно не может отразиться на результатах расчета.

При нагреве заготовок перепад температур по толщине заготовки принимаем t_м=1250C -1230C =20C, выбираем t_мк=20C.

Так как разница t_м ,следовательно томильная зона не нужна.

Общее время нагрева:

Рис.1. Температурная и тепловая диаграмма нагрева заготовок.