Поверочный расчет тепловых режимов в ПСН

2.2 Поверочный расчет тепловых режимов в ПСН

Нагрев металла в печах – распространенная операция (применяется при отжиге, нормализации, плавке и т.д.). Металл желательно нагревать быстро, т.к. в этом случае уменьшается его угар, увеличивается производительность печи и уменьшается удельный расход топлива на нагрев. Из этих соображений целесообразно выбирать оптимальный температурный режим печи, обеспечивающий, с одной стороны, быстрый нагрев металла, а с другой, не создающий в нагреваемом металле чрезмерных механических напряжений, которые могут привести к образованию трещин.

При рассмотрении процесса нагрева металла в печи необходимо учитывать законы теплового излучения, передачу теплоты теплопроводностью и конвекцией, движение газов в печном пространстве, взаимодействие печных газов с металлом и т.д. Процессу теплообмена должны быть подчинены: горение топлива – превращение химической энергии в тепловую, движение газов в рабочем пространстве печи и т.д.

Конструкции промышленных печей постоянно совершенствуются в направлении интенсификации процессов теплообмена при непрерывном повышении уровня их автоматизации и механизации.

Данные рассуждения вылились в современную теорию печей [3], основные принципы которой заключаются в следующем:

создание наилучших условий для обеспечения максимального теплового потока к нагреваемому материалу;

интенсивный подвод теплоты в печь при возможно более полном ее использовании в рабочем объеме печи;

обеспечение развитого принудительного движения газов в печи;

совмещение топочного пространства с рабочим пространством печи;

возможно более полная герметизация печи для устранения выбивания печных газов и подсасывания атмосферного воздуха.

Проведем упрощенный поверочный расчет теплового режима для прогрева валка из стали 75ХМФ диаметром 1200 мм на глубину 120 мм до температуры 920С.

К горелкам печи подводится газовоздушная смесь, содержащая 10% природного газа (в расчетах принимаем метан) и 90% атмосферного воздуха. Теплота, выделяемая при горении 1кг такой смеси:

(Дж),

где q_МЕТ – удельная теплота сгорания метана.

Потери теплоты на нагрев воздуха, подходящего к горелке не учитываем, считая, что он полностью расходуется на поддержание горения и в процессе передачи тепла к валку не участвует.

Теплота, необходимая для прогрева валка с указанными выше параметрами:

,

где с_СТАЛЬ – удельная теплоемкость стали 75ХМФ,

с_СТАЛИ=0.385 кДж/кгС;

m_ВАЛКА – масса прогреваемой части валка, кг;

Т₁=450С и Т₂=920С – соответственно начальная и конечная температура валка, С.

Определим (приблизительно) массу прогреваемой части валка:

,

где _СТАЛИ=7850 кг/м³ – плотность стали 75ХМФ;

V – объем прогреваемой части бочки валка, м³,

,

где h=1500 мм – длина бочки валка;

R=600 мм – внешний радиус бочки;

r=540 мм – внутренний радиус прогреваемой части.

(м³);

(кг);

(Дж).

Теплота от горелок к бочке валка передается конвекцией, теплопроводностью и излучением. В наибольшей степени сказывается конвекция и теплопроводность, причем теплопроводность оказывает скорее отрицательное влияние – из-за нагрева воздуха в рабочем пространстве печи до валка доходит гораздо меньшее количество теплоты, чем отдают горелки. Определим потери теплоты на нагрев воздуха в печи, учитывая, что он разогревается от нормальной температуры 20С до конечной температуры поверхности валка:

Обозначения аналогичны формуле (2. ).

(кг);

(Дж).

Если учесть постоянное вентилирование рабочего пространства печи, обеспечивающее трехкратный обмен атмосферы в течение часа, то получаем:

(Дж).

Таким образом, необходимое количество теплоты для нагрева валка:

(Дж).

Исходя из проведенных расчетов, определим необходимую величину подачи газовоздушной смеси к горелкам и необходимую скорость вращения валка для равномерного распределения градиента температур по поверхности бочки валка.

Как было указано выше, из проведенных экспериментальных исследований становится ясно, что оптимальным временем прогрева для валков из стали 75ХМФ является величина порядка 1.5 – 2 часа при интенсивности нагрева 250 – 300 С/ч.

Разность температур валка при его загрузке в ПСН и выдаче в спрейерную установку составляет 920-450=470 С. При прогреве с интенсивностью 250 С/ч время прогрева составит около 2 часов, учитывая возможные потери теплоты.

Определим необходимую подачу газовоздушной смеси. Потребление теплоты в час:

(Дж).

Учитывая КПД горелки, равный _ГОР=0.75, получаем:

(Дж).

Масса газовоздушной смеси:

(кг),

и ее объем:

(м³).

Таким образом, часовое потребление газовоздушной смеси составит 7.272 м³, из них: 0.7272 м³ – природного газа (метана) и 6.5448 м³ – воздуха для поддержания горения.

Для равномерного распределения градиента температур на поверхности бочки валка необходимо поддержание скорости вращения валка с заданной точностью на заданном уровне. В целом, закон изменения скорости вращения валка в зависимости от прогрева поверхностного слоя довольно сложен и описывается дифференциальными уравнениями II порядка, но для ориентировочного расчета применим упрощенную методику.

Допустимая неравномерность температуры по поверхности валка составляет _t=5С. Для нагрева на 5С необходимо сгорание 0.0033 кг газовоздушной смеси (или 0,0029 м³). При расходе R=7.272 м³/ч такое количество газа сгорит за

(ч) или t₅=39 (с).

Следовательно, за это время валок должен сделать три четверти оборота, отсюда, полный оборот будет совершен за

(с),

т.е. минимальная скорость вращения валка:

(с^-1).

При этом неравномерность распределения градиента температур по поверхности бочки валка составит не более _t=5С.