Расчет электрической камерной печи

2 Расчет печи

 

Спроектировать электрическую  камерную печь для нагрева стальных заготовок (Ст2) размерами: диаметр 100 мм, длина 600 мм под штамповку. Температура нагрева 1350ºС. Начальная температура 20ºС. Производительность печи 1240 кг/ч. Напряжение питающей сети 380В.

 

2.1 Размеры печи

 

Для печей данного типа напряжение активного пода равно 0,140—0,195 кг/(м²∙с) (500—700 кг/(м²∙ч)) [   ]. Принимая р^, = 0,166 кг/(м² ∙ч) находим площадь пода, занятую металлом:

 

где Р – производительность печи, кг/с

Р=1240/3600=0,344 кг/с   

 

Нагрев заготовок производится на поду. Принимая ширину пода равной В'=0,7 м, определим длину пода

 

 

Учитывая, что нагревательные элементы, расположенные на стенах печи выступают  внутрь стен рабочего пространства на 50-150 мм, а расстояние от нагревательных элементов до металла не должно быть меньше 100-250 мм, принимаем ширину печи равной

В^* = В' +2(0,1÷0,25)

В^* = 0,7 + 2∙0,2=1,1 м

а длину печи

L^* = L'_м+2(0,1÷0,25)

L^* = 2,96+2∙0,2 = 3,4 м

При двустороннем нагреве нагревательные элементы расположены не только на стенах, но и на своде и поду печи. Учитывая рекомендованные расстояния между нагревателями, стенами печи и нагреваемым металлом, принимаем  расстояние между сводом и нагреваемым  металлом равным 0,35 м.

Тогда общая высота рабочего пространства печи (с учетом толщины нагреваемого металла) равна Н = 0,6 м.

При одностороннем нагреве площадь тепловоспринимающей поверхности металла равна

F_м = F^’_м=2,072 м²

и теплоотдающей  поверхности печи

F_п =

F_п = м².

Учитывая, что степень черноты  футеровки (высокоглиноземистый огнеупор) равна ε_п=0,8, а степень черноты стали в защитной атмосфере       ε_м =0,45, [   ] по формуле  находим приведенную степень черноты,

 

 

Находим средний коэффициент теплоотдачи  излучением по формуле

,

где  С₀ – константа излучения абсолютно черного тела, Вт/(м²∙К⁴)

t_п – температуры печи, °С, равна 1450°С;

t^нач_м,  t^кон_м – температуры металла начальная и конечная соответственно равны 20°С и 1350 °С

 

Принимая коэффициент теплоотдачи  конвекцией равным                 α^конв =(10÷15%)∙α^изл, Вт/(м²∙К), находим значение суммарного коэффициента теплоотдачи к металлу

α^конв = 10%∙269,48=26,95 Вт/(м²∙К)

 

 Вт/(м²∙К).

Критерий Био равен

 

где S – линейный размер, м;  для цилиндрических слитков равен диаметру

λ – коэффициент теплопроводности стали, Вт/м∙К, принимается по справочным данным [   ], равен 28,5 Вт/м∙К

 

Температурный критерий для поверхности  заготовок

 

 

По монограмме [ ] находим величину критерия Фурье F₀=1,4. Коэффициент температуропроводности, входящий в критерий Фурье равен

,

где с – теплоемкость стали, кДж/(кг∙К)

ρ – удельная массовая плотность стали, кг/м³

 

Продолжительность нагрева заготовок в печи

 

 

По монограмме [  ] находим температурный критерий для центра нагреваемых заготовок: при и

 

 

Температурный перепад по сечению  заготовки равен

 

, а допустимый перепад составляет 50°С.

Степень выравнивания температуры  равна

 

 

При коэффициенте несимметричности нагрева μ=1 (для заготовок расположенных на поду томильной зоны) критерий Фурье для томильной зоны  согласно номограмме  [  ] равен F₀=0,1.

При средней температуре металла  в томильной зоне

 

Вычисляем время томления:

 

Полное  время пребывания металла в печи равно

 

Уточняем основные размеры печи. Для обеспечения заданной производительности в печи должно одновременно находиться следующее количество металла, кг

 

 

Учитывая, что масса одной заготовки  равна, кг

 

где V – объем заготовки (цилиндра), м³

 

 

 кг

Найдем число заготовок, одновременно  находящихся в печи, шт

 

 

При плотной укладке на поддоны  38 заготовки займут площадь,

F^’_м = 0,06∙38=2,28м²

Напряжение пода равно,

 

 

Полученная величина напряжения активного  пода близка к той, которая была принята  при ориентировочном расчете, поэтому  перерасчета времени нагрева  производить не надо.

Заготовки на поддоне располагаем в 3 ряда по 13шт  в двух рядах и 12 шт в одном ряду, расстояние между рядами принимаю 70мм. Эскиз расположения заготовок на подй печи представлен на рис. 2.1. Тогда ширина пода будет равной, м

В”_м =0,2∙2+0,1∙13= 1,7 м

а длина пода, м

L''_м =0,2∙2+0,6∙3+0,07∙2= 2,34 м

С учетом расположения нагревательных элементов на боковых стенах, своде  и поду печи ориентировочно принятые размеры рабочего пространства печи будем считать окончательными. Окончательные размеры печи принимаем в соответствие с толщиной футеровки. Футеровка боковой поверхности и пода выполнена из высокоглиноземистого огнеупора      ВГО-45 и шамота легковеса ШЛБ-0,4. Толщина огнеупорного слоя боковой поверхности - 0,46 м, пода – 0,13м; теплоизоляционного слоя боковой поверхности – 0,23м, пода – 0,13м. Таким образом, длина печи составит:

L = L''_м+ (0,46+0,23) ∙2= 2,34 + (0,46+0,23) ∙2 = 3,72 м

Ширина печи будет равной:

В= В''_м+ (0,46+0,23) ∙2= 1,7 + (0,46+0,23) ∙2 = 3,08 м

Футеровка свода выполнена из высокоглиноземистого огнеупора ВГО-72, толщиной 0,23м и  многошамотного изделия толщиной 0,23м. Тогда высота печи будет равна:

Н=0,6+ 0,23 ∙2+0,13 ∙2 = 1,32 м.

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2 Мощность печи

 

Мощность печи вычисляем по формуле 

 

где – расход тепла в печи, Вт

К - коэффициент запаса, принимаем равным К=1,2 [  ].

,

где   – полезное тепло, затраченное на нагрев металла в печи, Вт

- потери тепла  на тепловые токи короткого  замыкания, Вт

 – потери  тепла теплопроводностью через  кладку, Вт.

Расход тепла на нагрев металла  в печи равен

 

где   – энтальпии металла конечная и начальная соответственно,

  ,

где с_м – теплоемкость стали, кДж/(кг∙К)

 

 

 

 

Потери тепла теплопроводностью  через кладку печи при стационарном режиме работы определяем методом холодных сопротивлений отдельно для каждой поверхности печи.

 

2.2.1 Расчет потерь тепла через боковые поверхности печи методом холодных сопротивлений

Футеровка стен выполнена двухслойной. Огнеупорный слой представлен высокоглиноземистым огнеупором ВГО-45, толщиной 0,46м, коэффициент теплопроводности материала λ₁ = 0,84 + 0,00058 ∙ t_, Вт/(м ∙К). Теплоизоляционный слой выполнен из шамота легковеса ШЛБ-0,4, толщиной 0,23м, коэффициент теплопроводности λ₂ = 0,116 + 0,00016 ∙ t Вт/(м ∙К).

Принимаем температуру наружной поверхности 95°С, температура внутренней части рабочего пространства 1350 °С.

Находим разность температур, °С

                                       

где t₁, t₃ – соответственно температуры внутренней части рабочего пространства и наружной поверхности, °С.

 

Находим

 

где – толщина огнеупорного и теплоизоляционного слоев соответственно, м

 

Из соотношения 

 

находим

 

 

Находим разницу температур на границе  слоев футеровки

 

 

Находим средние температуры каждого слоя:

 

 

Подставляем найденные значения в  уравнения теплопроводности материалов:

λ₁ = 0,84 + 0,00058 ∙ 1214= 1,54 Вт/(м ∙К)

λ₂ = 0,116 + 0,00016 ∙ 586 = 0,26 Вт/(м ∙К).

Находим удельный тепловой поток , по формуле:

 

 

Проверяем значение принятой наружной поверхности. Для этого определяем удельный тепловой поток через уравнение:

 

где суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м² ∙ К), берется по справочным данным [   ] при температуре :   Вт/(м² ∙ К).

 

∆=0,42%, что  не превышает допустимых 6%, значит принятая температура подходит.

Находим тепловой поток, Вт

 

где F – площадь поверхности футеровки, м²

F=L∙H∙2+B∙H∙2

F=3,08∙1,32∙2+3,72∙1,32∙2 = 17,95 м²

 

2.2.2 Расчет потерь тепла через под печи методом холодных сопротивлений

Футеровка пода выполнена двухслойной. Огнеупорный слой представлен высокоглиноземистым огнеупором ВГО-45, толщиной 0,13м, коэффициент теплопроводности материала λ₁ = 0,84 + 0,00058 ∙ t_, Вт/(м ∙К). теплоизоляционный слой выполнен из шамота легковеса ШЛБ-0,4, толщиной 0,13м, коэффициент теплопроводности λ₂ = 0,116 + 0,00016 ∙ t Вт/(м ∙К).

Принимаем температуру наружной поверхности 130 °С, температура внутренней части рабочего пространства 1350 °С.

Находим разность температур, °С

 

Находим

 

Находим

 

 

Находим разницу температур на границе  слоев футеровки

 

Находим средние температуры каждого  слоя:

 

 

Подставляем найденные значения в  уравнения теплопроводности материалов:

λ₁ = 0,84 + 0,00058 ∙ 1276= 1,58 Вт/(м ∙К)

λ₂ = 0,116 + 0,00016 ∙ 666 = 0,22 Вт/(м ∙К).

Находим удельный тепловой поток 

 

Проверяем значение принятой наружной поверхности. Для этого определяем удельный тепловой поток 

Вт/(м² ∙ К).

 

∆=2,7%, что не превышает 6%, значит принятая температура подходит.

Находим площадь пода

F=3,08∙3,72 = 11,46 м²

Находим тепловой поток

 

2.2.3 Расчет потерь тепла через свод печи методом холодных сопротивлений

Футеровка свода выполнена двухслойной. Огнеупорный слой представлен высокоглиноземистым огнеупором ВГО-72, толщиной 0,23м,  коэффициент теплопроводности материала   λ₁ = 1,76  -  0,00023 ∙ t_, Вт/(м ∙К), теплоизоляционный слой выполнен из многошамотного изделия толщиной 0,23м,  коэффициент теплопроводности λ₂ = 1,04 + 0,00015 ∙ t Вт/(м ∙К).

Принимаем температуру наружной поверхности 100 °С, температура внутренней части рабочего пространства 1450 °С.

Находим разность температур, °С

 

Находим

 

Находим

 

 

Находим разницу температур на границе  слоев футеровки

 

Находим средние температуры каждого  слоя:

 

 

Подставляем найденные значения в  уравнения теплопроводности материалов:

λ₁ = 1,76 -  0,00023 ∙ 1199= 1,48 Вт/(м ∙К)

λ₂ = 1,04 + 0,00015 ∙ 524 = 1,12 Вт/(м ∙К).

Находим удельный тепловой поток 

 

Проверяем значение принятой наружной поверхности. Для этого определяем удельный тепловой поток 

Вт/(м² ∙ К).

 

∆=6%, что не превышает допустимых 6%, значит принятая температура подходит.

Находим площадь свода

F=3,08∙3,72 = 11,46 м²

Находим тепловой поток

 

 

 

 

 

 

 

Составляем  тепловой баланс и сводим в таблицу 2.1.

 

Таблица 2.1 – Тепловой баланс работы печи

 

Приход	Вт	%	Расход	Вт	%
Qобщ	403386,5	100	1.Полезное тепло, затраченное на  нагрев металла (Qпол)	312486,16	77,5
			2.Потери тепла теплопроводностью  через кладку (Qтепл )	53470,79	13,2
			3.Потери тепла на тепловые короткие  замыкания (Qт.з.к. )	37429,55	9,3
Итого:	403386,5	100	Итого:	403386,5	100