2.4. Последовательность расчета нагрева металла

Рис. 2.1. Профили основных типов нагревательных толкательных печей (значения размеров в табл. 2.2):
а — двухзонная печь без нижнего обогрева, с наклонным подом, с боковой загрузкой и выдачей; б — трехзонная печь с нижним обогревом, с торцовой загрузкой и боковой выдачей; в — четырехзонная печь с нижним обогревом, с торцовой посадкой и выдачей; г— пятизонная печь с нижним обогревом, с торцовой посадкой и торцовой выдачей при помощи машины выдачи; 1 — рольганг загрузки; 2 — толкатель; 3— нагреваемый металл; 4 — окно выдачи; 5 — рольганг выдачи; 6 — штанги машины выдачи; 7 —томильная зона; 8 — сварочная зона; 9 — верхняя сварочная зона; 10— нижняя сварочная зона; 11 — 1-я верхняя сварочная зона; 12 — 2-я верхняя сварочная зона; 13— 1-я нижняя сварочная зона; 14 — 2-я нижняя сварочная зона

При расчете нагрева металла во вновь проектируемой печи обычно известны размеры, физические и теплофизические свойства нагреваемого металла, а также его начальное и конечное температурные состояния (холодный или горячий посад, конечная температура поверхности, допустимый конечный перепад температур по сечению). Кроме того, должны быть известны технологические ограничения, накладываемые на процесс нагрева.

ТАБЛИЦА 2.2. ОСНОВНЫЕ РАЗМЕРЫ РАБОЧЕГО ПРОСТРАНСТВА НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ТОЛКАТЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ

Для расчета необходимо, прежде всего, задаться распределением температуры продуктов сгорания по длине печи. С этой целью следует выбрать режим нагрева металла (двухзонный или трехзонный) согласно рекомендациям (см. разд. 1.4) и принять значения температуры продуктов сгорания в зонах (см. разд. 1.6). Затем полученный график распределения температуры продуктов сгорания делят на расчетные участки (см. разд. 1.5). На каждом участке принимают расчетную схему нагрева по табл. 2.1.

Далее предварительно определяют общую продолжительность нагрева металла в печи по формуле (1.1) и продолжительность нагрева металла на расчетных участках в соответствии с их разбивкой. Так как расчетные участки целесообразно совмещать с зонами отопления, то при определении продолжительности нагрева на расчетных участках можно пользоваться практическими данными об относительной длине зон отопления нагревательных толкательных печей, приведенными в табл. 2.2.

Расчет нагрева металла в печи ведут по расчетным участкам, начиная с первого по ходу металла. Сначала на этом участке производят расчет теплообмена излучением в рабочем пространстве, согласно методике, изложенной в разд. 13.1.4, в результате чего находят приведенный коэффициент излучения. Необходимые для этого расчета размеры рабочего пространства (ширину и высоту) определяют по методике, описанной в разд. 1.8.

Затем для первого по ходу металла расчетного участка задаются конечной температурой поверхности металла. Эта температура необходима для того, чтобы определить усредненные на расчетном участке теплофизические свойства металла и коэффициенты теплоотдачи. Усредненные теплофизические свойства металла определяют по табл. V.46—V.51 при средней на расчетном участке температуре поверхности металла.

Коэффициенты теплоотдачи определяют по методике, изложенной в разд. 13.3.4. При этом теплоотдачу конвекцией не учитывают (=0), а принимают ее в запас расчета. Коэффициент теплоотдачи излучением, определяемый по формуле (13.48), находят для начала и конца расчетного участка. Усредненный коэффициент теплоотдачи на расчетном участке находят путем арифметического усреднения коэффициентов теплоотдачи излучением в начале и в конце участка.

Затем определяют массивность нагреваемого тела по методике, изложенной в разд. 13.3.3. Входящая в числа Био и Старка величина расчетной толщины металла равна полной толщине металла при одностороннем нагреве и половине толщины при двустороннем нагреве. Расчет нагрева тонкого металла ведут по закону излучения (см. разд. 13.3.5).

При расчете нагрева массивного металла по усредненным значениям теплофизических свойств металла (коэффициенты теплопроводности и температуропроводности) и коэффициента теплоотдачи излучением определяют значения чисел Био и Фурье по формулам (13.44) и (13.66). Затем согласно принятой для расчетного участка схеме нагрева по табл. 13.5 подбирают подходящее решение уравнения теплопроводности й критериальной форме.

По графикам рис. 1.16—1.54 исходя из известных значений чисел Био и Фурье находят значения функций, входящих в решение. В результате получают температуры поверхности и центра металла, а также среднюю по сечению температуру, которая необходима в дальнейшем для составления теплового баланса зон печи.

Полученную расчетом конечную температуру поверхности металла сравнивают с предварительно заданной, и если они сильно различаются, то задаются новой конечной температурой поверхности металла, более близкой к полученной, а расчет повторяют заново. Практически совпадение заданной и полученной расчетом температур должно быть в пределах 15—20 °С. Если такое совпадение получено, переходят к расчету нагрева металла на следующем по ходу металла расчетном участке.