2. Розрахунок теплових втрат під час виплавки сталі 12х25н16г7 в індукційній тигельній печі

   1. Розрахунок розмірів робочого простору індукційної тигельної печі

На рисунку 2.1 відображені основні геометричні розміри робочого простору індукційної тигельної печі.

Рисунок 2.1 – Основні геометричні розміри робочого простору індукційної тигельної печі

Приймаємо, що тигель має форму циліндра з внутрішнім діаметром половинного перерізу зрізаного конуса тигля, тоді об’єм металу складе:

(2.1)

де - номінальна маса металу, кг;

- густина рідкого металу, .

Оцінку густини рідкого сплаву12Х25Н16Г7АР проводимо як середньозважену величину по відомим густинам чистого хрому, чистого нікелю і чистого заліза при співвідношенні частин хрому, нікелю і заліза - як 2:2:5. Тоді:

; ;

;

м³.

Форму тигля характеризує співвідношення діаметру тигля до висоти рідкого металу .Дане співвідношення визначається за формулою:

, (2.2)

Тоді, згідно формули 2.2:

.

За графіком дане співвідношення має значення . Для розрахунку обираємо значення . Таким чином:

;

(2.3)

м.

Приймаємо значення діаметру тигля м. Визначимо висоту рідкого металу:

м.

Приймаємо для розрахунку значення висоти рідкого металу рівним м.

Висота тигля з урахуванням висоти можливого меніску на дзеркалі рідкого металу, з урахуванням завантаження етало шихти і за конструктивними вимогами печей, складає:

(2.4)

м.

Приймаємо для розрахунку значення висоти тигля рівним м.

Кут α, між утворюючими і віссю тигля складає (2÷5)̊. Найбільш прості формули товщини стіни тигля запишемо у вигляді:

; (2.5)

; (2.6)

; (2.7)

де G – ємність печі у тонах.

Порівняльна характеристика результатів обчислення товщини стінки за формулами 2.5-2.7 наведена у таблиці 2.1.

Таблиця 2.1 – Порівняння оцінок товщини стінки тигля

Метод оцінки	Формула 1	Формула 2	Формула 3	За графіком
Товщина футеровки, м	0,09	0,1053	0,1054	0,1792

Приймаємо товщину футеровки рівною м.

Внутрішній діаметр індуктора складе:

м.

Висоту індуктора оцінюємо за допомогою емпіричної формули:

; (2.8)

де - емпіричний коефіцієнт.

Тоді:

м.

Приймаємо для розрахунку м.

Проведемо перевірку умови для прийнятного КПД індукційної сталеплавильної печі:

;

, умова виконується.

2. Тепловий розрахунок індукційної печі

Розрахуємо теплові втрати через стінку тигля і через подину. Тепловий опір мідної стінки індуктора дуже малий у порівнянні з тепловим опором шарів, тому її величиною під час розрахунку нехтуємо. Середню температуру рідкого металу приймаємо рівною 1853 К. Стіни тигля складаються з таких компонентів:

1. магнезитова набивка (0,09 м);

2. азбестовий картон (0,005 м);

3. захисна обкладка індуктора – динасовий насип (0,005 м).

Подина складається з:

1. робочий шар подини – магнезит (0,16 м);

2. азбестовий картон (0,01 м);

3. жаростійкий бетон (0,05 м);

4. азбоцементна плита (0,04 м).

З урахуванням початкових умов, визначимо діаметри зовнішніх шарів футеровки стіни тигля за формулою:

(2.9)

де - діаметр попереднього шару, м;

- товщина шару, м.

Визначимо товщини шарів за формулою 2.9:

м;

м;

м.

Задаємо розподіл температур по межах шарів футеровки стіни: Т₁ = 1380̊ К, Т₂ = 370̊ К, Т₃ = 320̊ К. Температура води в індукторі складе Т_В = 315̊ К. Визначимо середні температури по шарах футеровки:

̊ К;

̊ К;

̊ К.

Знайдемо теплопровідності шарів за емпіричними формулами [8,9]:

;

;

.

Визначимо співвідношення діаметрів зовнішніх і внутрішніх шарів футеровки:

Оскільки усі співвідношення мають значення менше за 1,8, то теплові опори кожного шару R_i визначаємо з урахуванням середньої (розрахункової) площі шару. Середня площа шару визначається за формулою:

, (2.10)

де - внутрішній діаметр шару, м;

- зовнішній діаметр шару, м;

- висота ванни рідкого металу, м.

Таким чином, за формулою 2.10, розрахуємо середні площі шарів:

м²;

м²;

м².

Розрахуємо теплові опори кожного шару бічної стінки тигля за формулою:

, (2.11)

де - товщина шару, м;

- теплопровідність, ;

- середня площа поверхні, м².

За допомогою формули 2.11 розрахуємо теплові опори кожного шару:

;

;

.

Потужність теплових втрат через бічну стінку визначається за формулою:

(2.12)

Таким чином, потужність теплових втрат через бічну стінку складе:

.

Перевіримо прийняті значення температур на межах шарів за допомогою теплового потоку, з урахуванням відповідного теплового опору, за формулою:

. (2.13)

Таким чином прийняті температури матимуть значення:

;

;

.

З урахуванням припустимої погрішності визначення температури (менше ±25̊К) розрахунок проведений коректно.

Визначимо теплові втрати випромінюванням у дзеркалі ванни рідкого металу. Загальні втрати енергії випромінюванням розраховуються за формулою:

(2.14)

де - приведений ступінь чорноти робочого простору індукційної печі при випромінюванні в навколишнє середовище з температурою Т_В;

Т_В – температура навколишнього середовища (Т_В = 295̊К);

- коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла;

- площа дзеркала металу, м²;

- час, с.

Приведений ступінь чорноти для індукційних печей залежить від співвідношення розмірів діаметру тигля і різниці висоти тигля і висоти металу в тиглі:

.

З урахуванням даного співвідношення, приймаємо, що коефіцієнт діафрагмування простору складе 0,28. Тоді, загальні втрати випромінюванням за формулою 2.14 складе:

Теплові витрати через футеровку подини визначають за формулою:

(2.15)

де - коефіцієнт тепловіддачі з поверхні тигля напрямленої донизу,;

- температура повітря в зоні дна печі, ̊К;

-площа зовнішньої поверхні подини, м².

Температуру повітря в зоні дна печі приймаємо рівною 295̊ К, коефіцієнт тепловіддачі - . Задамо розподіл температур по перетину шарів подини: Т₁ = 1750̊ К, Т₂ = 605̊ К, Т₃ = 580̊ К, Т₄ = 340̊ К. Також розрахуємо середні температури шарів та коефіцієнти теплопровідності шарів [8-10]:

̊ К;

̊ К;

̊ К;

̊ К.

;

;

;

.

Приймаємо значення діаметрів шарів таким чином: Тоді площі поверхонь шарів будуть дорівнювати:

Визначимо теплові опори шарів подини:

;

;

.

;

.

Таким чином, теплові втрати через футеровку подини визначимо за формулою 2.15:

Проведемо перевірку прийнятих значень температур шарів за тепловим потоком, за формулою 2.13:

;

;

.

.

З урахуванням припустимої погрішності визначення температури (менше ±25̊К) розрахунок проведений коректно.

Загальні теплові витрати для печі складуть:

Активна потужність необхідна для компенсації теплових втрат змінюється залежно від товщини реальної футеровки тигля. В кінці кампанії печі теплові втрати можуть збільшитися на (10-20) %. З урахуванням цього :

Розраховані геометричні розміри робочого простору індукційної тигельної печі наведені на рисунку 2.2.

Рисунок 2.2 – Основні розраховані геометричні розміри робочого простору трьохтонної індукційної тигельної печі

СПИСОК ДЖЕРЕЛ

1. Зубченко А. С. Марочник сталей і сплавів. 2-е вид., доп. і випр./А.С. Зубченко, М.М. Колосков, М28. Під загальною ред. А.С. Зубченко. – М.: «Машинобудування», 2003. - 784 с.: іл.

2. Шишков М. М. Марочник сталей і сплавів провідних промислових країн. Довідник. 3-е вид., доп./М. М. Шишков, А. М. Шишков. – Донецьк: «Юго-восток», 2005. – 577 с.

3. ГОСТ 5905-2004. Хром металічний. Технічні вимоги і умови поставки – Замість ГОСТ 5905-79; введ. 01.07.2005. – Мінськ: Стандартінформ, 2006. – 11 с. – (Міждержавний стандарт).

4. ГОСТ 977-88. Виливки стальні. Загальні технічні вимоги – Замість ГОСТ 977-75, ГОСТ 2176-77; введ. 01.01.90. – Москва: ІПК видавництво стандартів, 2004. – 35 с. – (Міждержавний стандарт).

5. ГОСТ 849-97. Нікель. Цинк. Технічні вимоги. Марки – Замість ГОСТ 849-70; введ. 01.07.1998. – Москва: ІПК видавництво стандартів, 2004. – 20 с. – (Міждержавний стандарт)

6. ГОСТ 1415-93. Феросиліцій. Технічні вимоги і умови поставки. – Замість ГОСТ 1415-78; введ.01.01.1997. – Мінськ: ІПК Видавництво стандартів, 1996. – 11 с. – (Міждержавний стандарт).

7. ГОСТ 6008-90. Марганець металічний і марганець азотований – Замість ГОСТ 6008-82; введ.01.07.91. – Москва: ІПК Видавництво стандартів, 2002. – 7 с. – (Міждержавний стандарт).

8. Казанцев Е. І. Промислові печі. Довідковий посібник для розрахунків і проектування. 2-е вид., доп. і випр. – М., «Металургія», 1975. – 368 с.

9. Ісаченко В. П. Теплопередача. 3-е вид. доп і випр../В. П. Ісаченко, В. А. Осипова, А. С. Сукомел. – М.: «Енергія», 1975, - 483 с.

10. Чіркін В. С. Теплофізичні властивості матеріалів ядерної техніки. Довідник./Чіркін В. С. – М.: «Атомвидат», 1968. – 484 с.