3 Выбор параметров нагрева и их расчет

Расчет параметров нагрева сводится к определению температуры металла в конце нагрева, времени основного нагрева и времени выдержки металла в печи, построению температурного графика нагрева, расчету интенсивности внешнего теплообмена в зонах рабочего пространства печи.

3.1 Предварительный расчет параметров нагрева

Для проведения расчетов необходимо знать теплофизические свойства нагреваемого металла:

λ – коэффициент теплопроводности, Вт/м^.°С;

с – теплоемкость, кДж/кг^.°С;

ρ – плотность, кг/м³;

а – коэффициент температуропроводности, м²/с.

По заданию курсовой работы материалом заготовок является сталь марки Ст4. Для данной стали по справочной литературе определяются теплофизические параметры [4]:

λ = 35,65 Вт/м^.°С; с = 606 кДж/кг^.°С; ρ = 7850 кг/м³ (по ГОСТ 4543-71).

Коэффициент температуропроводности можно определить по формуле [4]:

м²/с; (3.1)

По формуле (3.1):

м²/с.

В теории наорева металла рассматриваются случаи нагрева тонких и массивных тел. Поэтому при решении задачи о нагреве тела важное значение имеет оценка его термической массивности.

Для установления границ тонких и массивных тел пользуются критерием Био, характеризующим соотношение между количеством тепла, полученным поверхностью (α), и количеством тепла, отведенным внутрь (λ/S), т.е. между внешним и внутренним теплообменом [4]:

(3.2)

где α – суммарный коэффициент теплоотдачи к телу, характеризующий интенсивность внешнего теплообмена, Вт/м^2.°С;

λ – коэффициент теплопроводности, Вт/м^.°С;

S – расчетная толщина нагреваемого тела, м.

Суммарный коэффициент теплоотдачи к телу для кузнечной камерной печи можно приближенно определить по формуле [3]:

Вт/м^2.°С, (3.3)

где Т_печ – температура печного пространства, К.

При расчете горения топлива определено, что температура печного пространства равна 1350°С. Тогда с учетом перевода температуры печного пространства в кельвины по формуле (3.3) получим:

Вт/м^2.°С.

Расчетная толщина нагреваемого тела равна [4]:

м, (3.4)

где μ – коэффициент несимметричности нагрева;

δ – толщина нагреваемого тела или его диаметр, м.

Для двухстороннего нагрева, металла, характерного для камерных печей, коэффициент несимметричности нагрева принимается равным [4]: μ = 0,5. По заданию курсовой работы диаметр нагреваемого прутка d = 75 мм. Тогда расчетная толщина нагреваемого тела в соответствии в формулой (3.4) равна:

м.

Критерий Био при таких условиях по формуле (3.2) равен:

Критерий Био равен критическому значению, следовательно, нагреваемое

тело следует отнести к термически переходной области.

Приближенное время нагрева металла для термически таких тел можно определить по следующей формуле [4]:

с, (3.5)

где S – расчетная толщина нагреваемого тела, м;

с – средняяя теплоемкость тела, кДж/кг^.°С;

ρ – плотность тела, кг/м³;

m – коэффициент формы нагреваемого тела;

α – суммарный коэффициент теплоотдачи, Вт/м^2.°С;

k – коэффициент массивности тела;

t_печ – температура печного пространства, °С;

и – температура металла соответственно в начале и в конце нагрева, °С.

Коэффициент формы тела определяют по справочной литературе [4]:

m = 2 для цилиндрических изделий.

Коэффициент массивности определяют по следующему выражению:

(3.6)

Коэффициент массивности по формуле (3.6):

Температура печного пространства, определенная при расчете горения топлива, составляет t_печ = 1380 °С. В данной курсовой работе принята начальная температура металла = 20 °С. Конечная температура нагрева металла должна соответствовать максимальной температуре начала ковки. По справочной литературе для стали Ст3 эта температура равна: = 1280 °С.

В таком случае, предварительное время нагрева по формуле (3.5) будет равно:

с = 0,172 ч.

Кроме основного времени металл находится в печи еще некоторое время,

называемое временем выдержки, необходимое для доведения температуры геометрического центра садки до температуры операции. Это время составляет одну четверть от основного времени, т.е.:

с;

с = 0,0434 ч.

Приближенно время нагрева металла в камерных печах можно также определить по эмпирической формуле Доброхотова [4]:

ч, (3.7)

где k – коэффициент, зависящий от типа стали;

D – диаметр или толщина заготовки, м.

Коэффициент k для конструкционных углеродистых и низколегированных сталей принимают равным [4]: k = 10.

Тогда приближенное время нагрева по формуле Доброхотова (3.7):

ч.

Поскольку диаметр заготовки меньше ста миллиметров, погрешность расчета по этой формуле значительна.