Расчет методической толкательной печи

          Определяем температурный критерий  Q и критерий Bi по формулам

               и        

         Тогда  Q _пов=0,627 , Bi=0,859.

       Для углеродистой стали при средней по массе температуре металла: 

                

                             (2.2.6)

       =225°C,

по [1, приложение IX] находим l=47,55 Вт/(м·K) и a=11,39·10^-6 м²/с. 

         По найденным значениям Q и Bi по номограммам [1, рис 22]  для поверхности пластины находим  критерий Фурье F₀=0,4.Тогда время нагрева металла в методической зоне печи равно:

                                                                                                     (2.2.7)                                                           

      t_м=1699,74 с.

      Находим температуру центра заготовки в  конце методической зоны. Согласно номограмме [1, рис 24] для центра пластины при F₀=0,4 и Bi=0,680 температурный критерий Θ_ц=0,85. Теперь найдем температуру центра заготовки в конце зоны: 

                                         t_ц^кон =t_г-Θ_ц·(t_г-t_ц^нач)                                         (2.2.8)                                     

     t_ц=201,13°C. 

2.3.Определение  времени нагрева  металла в сварочной  зоне.

      Находим степень черноты дымовых газов e_г^м при температуре t_г=1631,75°С.

            Парциальные давления CO₂ и H₂O равны:

      p_CO2=98,1·0,117=11,477 кПа;

      p_H2O=98,1·0,148=14,518 кПа;

      p_CO2·S_эф.=11,477·4,112=47,19 кПа·м;

      p_H2O·S_эф. =14,518·4,112=59,695 кПа·м.

            По номограммам [1, рис.13-15] на находим

        e'_CO2=0,14 ;  e'_H2O=0,21;  b=1,04.

        Тогда по формуле (2.2.1)

        e_г^м=0,14+1,04+0,21=0,3584 .

      Приведенную степень черноты системы  находим  по формуле (2.2.2)

            Степень черноты металла принята равной  e_м=0,8.

      Отсюда e_пр=0,559

      Примем  температуры металла:

            Температура начала поверхности  -  t_пов^нач =500°C;

            Температура конца поверхности  -  t_пов^кон =1280 °C;

            Средний по длине методической зоны коэффициент теплоотдачи  определяем по формуле (2.2.3): a_изл=490,52 Вт/(м²·K)

      Находим среднюю по сечению температуру  металла в начале сварочной (в  конце методической) зоны:

                              t_св^нач=t_пов-

·(t_пов-t_ц)                                                  (2.3.1)

       _св^нач=300,95° C 

      Находим температурный критерий для поверхности  слябов по формуле (2.2.4)  

      Q_пов=0,26

      При средней температуре металла (см.формулу (2.2.6))

       _св=720,28 °C.

           По приложениюIX находим l=31,24 Вт/(м·K) и α=0,000005 м²/с.

        Отсюда по формуле (2.2.5)         Bi=3,45

      По  найденным значениям Q и Bi по номограммам [1, рис.22] для поверхности пластины находим критерий Фурье F₀=0,5. Тогда время нагрева металла в методической зоне печи равно (см.формулу (2.2.7)):

      t_св=4840 с.

      Находим температуру центра заготовки в  конце сварочной зоны. Согласно номограмме [1, рис.24] для центра заготовки при F₀=0,5 и Bi=3,45 температурный критерий Θ_ц=0,55. Теперь найдем температуру центра заготовки в конце сварочной зоны по формуле (2.2.8): 

      t_ц=899,81°C 
 
 
 
 
 
 

2.4. Определение времени  томления металла.

      Перепад температур  по  толщине  металла  в начале томильной зоны составляет Dt_нач=1280-899,81=380,18°C. Допустимый перепад температур в конце нагрева  составляет  Dt_кон=50°C. Степень выравнивания температур равна: 

                              

                                      (2.4.1)

        

      При коэффициенте несимметричности нагрева, равном m=3 критерий F₀ для томильной зоны согласно номограмме [1] равен F₀=0,45.При средней температуре металла в томильной зоне (см.формулу (2.2.6)) равной: 

       _т=1172,45°C 

            По приложениюIX:  λ=29,18 Вт/(м·К); a=0,00000556 м²/с

            Тогда время томления металла равно (см. формулу (2.2.7)):

      t_т=3917,27 с.

             Полное время пребывания металла в печи равно:

      t=t_м+t_св+t_т=1699,74+4840+3917,27=10457,0028 с.(2,905 ч.)

                       

                          
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                 3. Определение основных размеров печи.

      Для обеспечения производительности P=180 т/ч (50 кг/с) в печи одновременно должно находится следующее количество металла:

G=P·t=50∙10457,0028=522850,1399 кг

 

      Масса одной заготовки равна 

      g=l·b·h·r                                                                     (3.1)

      g=12∙0,4∙0,4∙7850=15072кг.

      Здесь l=12 м - длина заготовки, b=0,4 м - ширина заготовки, а h=0,4м – толщина заготовки; r=7850 кг/м³ -плотность заготовки.

      Количество  заготовок, одновременно находящихся  в печи:

      n=G/g                                                                     (3.2)

      n=34,69 штук. Принимаем n=35 штук

      При однорядном расположении заготовок  общая длина печи равна

      L=b·n,                                                                       (3.3)

      L=0,4∙35=14 м.

      При ширине печи B=12,4 м площадь пода равна F=B·L (3.4), F=173,6 м². Высоты отдельных зон печи оставляем теми же, что были приняты при ориентировочном расчете. Длину печи разбиваем на зоны пропорционально времени нагрева металла в каждой зоне, т.е.  

                            

                                                            (3.5) 

      Длина методической зоны L_м=2,28м. 

      Длина сварочной зоны L_св=6,48м.       

      Длина томильной зоны L_т=5,24м.         
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4. Тепловой баланс 

      При проектировании печи за определением основных размеров следует конструктивная проработка деталей. Поскольку в  данной работе такая проработка не проводится, некоторые статьи расхода тепла, не превышающие 5% от всего расхода, будем опускать. 

4.1. Приход тепла.

      4.1.1. Тепло от горения топлива.

      Q_хим=B·Q_н^р                                                                (4.1.1.1)

      где B- расход топлива, м³/с, при нормальных условиях.

      Q_хим=B·18841 кВт.

      4.1.2. Тепло, вносимое подогретым воздухом.

      Q_в=B·i_в·V_в .                                                              (4.1.2.1)

      Q_в=B·2328,94 кВт.

      4.1.3.Тепло  экзотермических  реакций.

      Принимая, что угар металла составляет 1%, имеем:

      Q_экз=5650·P·a,                                                          (4.1.3.1)

      где a-угар металла, P-производительность печи.

      Q_экз=2825 кВт. 

4.2. Расход тепла.

      4.2.1. Тепло, затраченное на нагрев  металла.

      Q_пол=P·(i_м^кон-i_м^нач),                                                          (4.2.1.1),

      где i_м^кон=875,4 кДж/кг - энтальпия углеродистой стали i_м^нач=0 кДж/кг- энтальпия углеродистой стали при t_м^нач=0°C заимствованы из [1, приложение IX.]

      Q_пол=43770 кВт.

      4.2.2. Тепло, уносимое уходящими дымовыми  газами.

      Q_ух=B·V_п.с·i_п.с (4.2.2.1).

      Энтальпию продуктов сгорания при температуре t_ух=1050°C находим с использованием [1, приложение IX.] 

 Таблица 4.1. 

              Энтальпия дыма и его составляющих при t_ух=1050°C

 
 
 
 
 

           Q_ух=B·7796,559кВт. 

           

           4.2.3. Потери теплопроводностью через кладку.

      Потерями  тепла через под в данной работе пренебрегаем. Рассчитываем только потери тепла через свод и стены печи. 

           4.2.3.1. Потери тепла через свод.

      Площадь свода принимаем равной площади пода F_св=173,6 м²; толщина свода d_д=0,3м, материал - каолин. Принимаем, что температура внутренней поверхности свода равна средней по длине печи температуре газов, которая равна.

       _г= ·(1050+1631,75+1310)=1317,28°C                                        (4.2.3.1.1).

      Если  считать температуру окружающей среды равной t_ок=30°C, то температуру поверхности однослойного свода можно принять равной t_нар=340°C.