Файл: Задание на выполнение курсовой работы.docx

,

в конце методической зоны:

Q_ф^к= 5,7[0* (2059/100)⁴ + 0,33*(1 – 0)(1373/100)⁴] = 66493Вт/м².

Принимая коэффициент теплоотдачи конвекцией от факела к кладке равным α^конв.= 150 Вт/(м²*К), найдём конвективный тепловой поток Q_ф^к_конв.

Для этого ориентировочно зададимся температурой кладки

t_кл = 0,5(t_ф^/+ t_ф^//) = 0,5(1601 + 800) = 1200 ⁰С.

В н а ч а л е м е т о д и ч е с к о й з о н ы:
Q_ф^к_конв.= α^конв.(t_ф^/- t_кл) = 150(1601 – 1200) = 60150 Вт/м².

По формуле ( 17 ) найдём температуру кладки:
(24)
где ε_миε_к- степень черноты металла и кладки, соответственно; примем

ε_м= ε_к= 0,8.

Т_к= 100{60150/(5,67*0,75) + 1/5,67*[24802 + 0,75*5,67[(0 + 273)/100]⁴ (1 – 0)(1 – 0,33)]}^0,25

Т_к = 1167 K = 894 ⁰C.

Так как получено большое расхождение между принятым (1200 ⁰С) и

рассчитанным (894 ⁰C) значениями t_к, принимаем новое значение температуры, равное среднеарифметическому из двух:

t_к = 0,5(1200 + 894) = 1047 ⁰С.

Q_ф^к_конв.= 150(1601 – 1047) = 83100 Вт/м².

Т_к= 100{83100/(5,67*0,75) + 1/5,67*[24803 + 0,75*5,67[(0 + 273)/100]⁴ (1 – 0)(1 – 0,33)]}^0,25

Т_к = 1244 К = 971 ⁰С.

Уточняем:

Δt = ((1047 - 971)/1047)*100% = 7%.

Принимаем окончательно температуру кладки t_к = 971 ⁰С.

Схема теплообмена для печи с плоскопараллельными горелками приведена на рисунке 3.1.



Рис. 3.1. Теплообмен в печи
Результирующий тепловой поток на металл для печи с плоскопараллельными горелками найдём по формуле:



, ( 25 )

( 26 )

ε_ф^/и Т_ф^/- степень черноты и температура газов в зоне горения, рис. 2.1;

ε_ф^// и Т_ф^// - то же, в зоне теплообмена;

Q_ф^к_конв.- конвективный тепловой поток от факела на кладку, Вт/м²;

ε_миε_к - степень черноты металла и кладки соответственно.

По уточнённому значению t_к находим конвективный поток:

Q_ф^к_конв.= 150(1601 – 971) = 94500 Вт/м².

Рассчитываем приведенный коэффициент излучения системы:

---

С_пр= 5,67 – [(1 – 0,75)/0,75]*94500/[(971 + 273)/100]⁴ = =4,355Вт/(м²*К⁴).

При условии, что ранее получено – ε^/= 0, определим результирующий тепловой поток на металл в начале методической зоны по формуле ( 18 ):

q_м= 0,75{[4,355[(71 + 273)/100]⁴ - 5,67[(0 + 273)/100]⁴ ]–

- 0,33[4,355[(971 + 273)/100]⁴ - 5,67[(800 + 273)/100]⁴]} =

= 68371 Вт/м².

В к о н ц е м е т о д и ч е с к о й з о н ы:

ориентировочно зададимся температурой кладки

t_кл = 0,5(t_ф^/+ t_ф^//) = 0,5(1601 + 1100) = 1350⁰С.

Q_ф^к_конв.= α^конв.(t_ф^/- t_кл) = 150(1601 – 1350) = 37650 Вт/м².

Q_ф^к = 5,67*0,33[(1100 + 273)/100]⁴ = 66493 Вт/м².

Т_к= 100{37650/(5,67*0,75) + 1/5,67*[66493 + 0,75*5,67[(600 + 273)/100]⁴ (1 – 0)(1 – 0,32)]}^0,25

Т_к= 1198К = 925 ⁰С.

Так как получено большое расхождение между принятым (1350 ⁰С) и

рассчитанным (925 ⁰C) значениями t_к, принимаем новое значение температуры, равное среднеарифметическому из двух:

t_кл= 0,5(1350 + 925) = 1138⁰С.

Q_ф^к_конв.= 150(1601 – 1138) = 69450 Вт/м².

Т_к= 100{69450/(5,67*0,75) + 1/5,67*[66493 + 0,75*5,67[(600 + 273)/100]⁴ (1 – 0)(1 – 0,32)]}^0,25

Т_к= 1295 К = 1022 ⁰С.

Уточняем:

Δt = ((1138 - 1022)/1138)*100% = 10%.

Принимаем окончательно температуру кладки t_к = 1022 ⁰С.

Q_ф^к_конв.= 150(1601 – 1022) = 86850 Вт/м².

По формуле (26) рассчитываем приведенный коэффициент излучения системы:

С_пр= 5,67– [(1 – 0,75)/0,75]*86850/[(1022 + 273)/100]⁴ = 4,6 Вт/(м²*К⁴).

Результирующий тепловой поток на металл в конце методической зоны по формуле ( 18 ) и при ε^/= 0 будет равен:

q_м= 0,75{[4,641[(1022 + 273)/100]⁴ - 5,67[(600 + 273)/100]⁴ ]–

- 0,32[4,641[(1022 + 273)/100]⁴ - 5,67[(1100 + 273)/100]⁴]}=

= 120368 Вт/м².
Средний по длине методической зоны результирующий тепловой поток на металл, согласно уравнению ( 19.1 ) составит:

q_{м ср} = (120368 – 68371)/ln (120368/68371) = 91867 Вт/м².
Найдём температуру центра сляба в конце методической зоны по формуле:

t^цент =t^пов - q_мS/2λ, ( 27 )
где t^пов - температура поверхности металла в рассматриваемом сечении печи, по заданию t^пов= 600 ⁰С;

q_м - результирующий тепловой поток на металл в том же сечении,

по расчётам у нас q_м = 120368 Вт/м²;

λ -коэффициент теплопроводности металла в том же сечении, Вт/(м*К).

S- расчетная толщина сляба, м:

В печи с шагающим подом изделия лежат на поду с зазором

---

а, который принимаем равным толщине сляба, т. е. а= δ. По таблице 7 в [ 2 ] находим коэффициент несимметричности нагрева μ = 0,57. Тогда

S = μδ = 0,57*0,12 = 0,068 м.

Коэффициент теплопроводности легированной стали при 600 ⁰С, согласно приложению IX в [1] равен λ = 32,6 Вт/(м²*К). По формуле ( 20 )

t^цент = 600 – (120368*0,068)/(2*32,6) = 474 ⁰С.

Cредняя температура металла в конце зоны:

t_кон^ср= 0,5(600 + 474) = 537 ⁰С.

в начале зоны:

t_нач= 0 ⁰С. (по заданию)

t_кон=600-(2/3)*(600 - 474) = 516 ⁰С.

по длине зоны:

t_м^ср= 0,5(0+516) = 259 ⁰С.

При этой температуре по приложению IXв [ 2 ]находим для легированной стали с₂₅₉ = 0,513 кДж/(кг*К).

По формуле ( 18 ) находим время нагрева металла в методической зоне:

τ_м = (0,068*0,513*7800*(516 – 0)*10³)/91867 = 1528 с или 25 мин.

Здесь плотность легированной стали по данным [ 4 ] ρ = 7800 кг/м³.

3.2.2 Расчёт времени нагрева металла в сварочной зоне

Так как началом сварочной зоны является конец методической, то из предыдущего расчёта заимствуем – для начала сварочной зоны: ε _ф ^/= 0,32, t_фнач^/= 1100 ⁰С, t_м = 600 ⁰С, t_к = 1022 ⁰С, q_св^нач = 120368 Вт/м².

В к о н ц е с в а р о ч н о й з о н ы:

t_м^пов= 1180 ⁰С; t_{ф кон} ^//= 0,5(1601 + 1180) = 1390 ⁰С,

По графикам на рис. 21, 22 и 23 в [ 2 ] при t_{ф кон} ^//= 1390 ⁰С и

р_СО2S_эф^// = 17,12*1,404 = 24,04 кН/м², р_Н2О S_эф^// = 18,1*1,404 = 25,38 кН/м²

находим: ε _СО2= 0,13, ε _Н2О = 0,142, β = 1,12. Тогда

ε _ф ^// = 0,13 + 1,12*0,142 = 0,29.

Задаваясь значением температуры кладки в конце сварочной зоны

t_к = 0,5(t_ф^/+ t_ф^//) = 0,5(1601 + 1390) = 1495 ⁰С,

находим:

Q_ф^к_конв.= 150(1601 – 1495) = 15900 Вт/м²,

Q_ф^к= 5,67*0,29*(1 – 0)[(1390 + 273)/100]⁴ = 125762 Вт/м².

T_к = 100{15900/(5,67*0,75) +1/5,67*[125765+0,75*5,67[(1180 + 273)/100]⁴ (1 – 0)(1 – 0,29)]}^0,25

T_к = 1492 К = 1219 ⁰С.

Так как получено большое расхождение между принятым (1495 ⁰С) и

рассчитанным (1219⁰C) значениями t_к, принимаем новое значение температуры, равное среднеарифметическому из двух:

t_кл= 0,5(1495 + 1219) = 1357 ⁰С.

Q_ф^к_конв.= 150(1601 – 1357) = 36600 Вт/м²,

то есть, уточняем температуру кладки:

T_к = 1528 К = 1255 ⁰С.

По уточнённому значению температуры Т_к находим:

Q_ф^к_конв.= 150(1601 – 1255) = 51900 Вт/м²

---

,

С_пр= 5,67 – [(1 – 0,75)/0,75]*51900/[(1255+ 273)/100]⁴ = 5,3 Вт/(м²*К⁴).

q_св^кон = 0,75{[5,35[(1255 + 273)/100]⁴ – 5,67[(1180 + 273)/100]⁴] –

- 0,29[5,35[(1255 + 273)/100]⁴ – 5,7[(1390 + 273)/100]⁴]}=

= 70474 Вт/м².

Средний по длине сварочной зоны результирующий тепловой поток на металл:

q_св^ср = (120368 – 70474)/ln(120368/70474) = 93260 Вт/м².

Температура центра сляба в конце сварочной зоны:

t^цент = 1180 – (70474*0,068)/(2*32,6) = 1106 ⁰С.

Cредняя температура металла в конце зоны:

в начале зоны:

t_нач= 516 ⁰С. (по заданию)

t_кон=1180-(2/3)*(1180 - 1106) = 1130 ⁰С.

по длине зоны:

t_м^ср= 0,5(1130+516) = 823 ⁰С.

При этой температуре по приложению IXв [ 2 ]находим для легированной стали с₈₂₃ = 0,693 кДж/(кг*К).

По формуле ( 18 ) находим время нагрева металла в методической зоне:

τ_м = (0,068*0,693*7800*(1130 – 516)*10³)/93260 = 1528 с или 25 мин.

3.2.3 Расчёт времени нагрева металла в томильной зоне

Определим перепад температур по сечению металла:

в начале томильной зоны:Δt_нач= 1180 – 1106 = 74 ⁰С.

в конце зоны, принимаем:Δt_кон = 50 ⁰С.

Степень выравнивания температуры

δ_выр= Δt_кон / Δt_нач= 50/74 = 0,67.

По графику на рис. 27 в [ 2 ] находим критерий Фурье:

Fo = 0,5.

При средней температуре металла

t_ме^ср = 0,25(1180 + 1106 + 1180 + 1140) = 1151 ⁰С

по приложению IX в [ 2 ] находим коэффициент температуропроводности хромоникелевой стали при 1151⁰С:

а= 2,1*10^-2 м²/ч.

Время томления металла:

τ_т = FoS²/а = (0,5*0,068² )/ 0,021 = 0,14 час.=8,4 мин.

Общее время нагрева сляба:

τ = τ_м + τ_св + τ_т = 25 + 40 + 8,4 = 1,22 час.

Распределение температур по длине печи приведено на рисунке 3.2.


Рис. 3.1. Распределение температур по длине печи с шагающим подом

---

4. Определение основных размеров и предварительное

конструирование печи

Для обеспечения производительности Р = 40 т/час в печи должно находиться следующее количество металла:

G = Pτ= 40*1,22 = 48,8 т.

Масса одного сляба

g = bδlρ = 1*0,12*6*7,8 = 5,616 т.

Число слябов, одновременно находящихся в печи:

n = G / g = 48,8 / 5,616 = 9 шт.

При однорядном расположении заготовок длина печи будет равна:

L = n*b = 9*1 = 9 м.

Ширина печи В = 6,4 м, площадь пода F = BL = 6,4*9 = 57,6 м².

Высоту всех зон над уровнем пода оставляем равной Н = 1 м.

Длину печи разбиваем на зоны пропорционально времени нагрева:

- длина методической зоны

L_м=Lτ_м / τ= (9*0,42)/1,22 = 5 м,

- длина сварочной зоны

L_св=Lτ_св / τ= (9*0,66)/1,22 = 7,3 м,

- длина томильной зоны

L_т=Lτ_т / τ= (9*0,14)/1,22 = 1 м.

Напряжение пода

р = Р/F = 40 000/57,6 = 694 кг/(м²*час).

Принимаем, что свод печи выполнен из шамота класса А толщиной 300 мм. Стены имеют толщину 460 мм, при этом слой шамота составляет 345 мм и слой тепловой изоляции (диатомит) - 115 мм.

Под печи двухслойный: высокоглиноземистый кирпич толщиной 230 мм и диатомитовый слой толщиной 115 мм.

5. Тепловой баланс и определение теплотехнических характеристикработы печи

Поскольку распределение топлива по зонам печи с плоско- пламенными горелками неизвестно, составим позонные балан­сы, определяя расход топлива для каждой зоны отдельно. При составлении балансов принимаем некоторые упрощения: пре­небрегаем переносом тепла излучением из зоны в зону, перено­сом тепла в зоне горения, так как размеры зоны горения малы (Н^/=0,1 м) и температура зоны горения принята одинаковой по всей длине печи (t_д=1786 ⁰С). Потери тепла через под печи проводим, как «неучтённые». Будем опускать статьи расхода тепла, не превышающие 5% от всего расхода.
5.1. Томильная зона
А. П р и х о д т е п л а

1. Тепло горения топлива:

Q_т^хим= 13550 В_т кВт, ( 28 )

где В_т - расход топлива в томильной зоне, м³/с.

2. Окислением металла пренебрегаем.
Б. Р а с х о д т е п л а

1. Тепло, затраченное на нагрев металла:

---