Время нагрева металла в сварочной зоне

Исходные данные

 

Температурный режим печи разрабатывается в соответствии с параметрами технологических карт тепловой обработки заготовки в соответствии с рекомендациями литературы.

Вид заготовок – круглая заготовка Ст.20 диаметром 200 мм

Температура посада металла задается:

– t = 20 °С;

Причем температура в центре и на поверхности заготовки принимается одинаковой.

Температура поверхности металла в конце первой методической зоны при обычном нагреве составляет около 1000 °С.

Принимаем t = 900 °С.

Температура металла в центре на выходе из первой зоны (t ) является расчетной величиной и при построении температурного графика вначале наносится условно.

Температура поверхности металла при поступлении его в сварочную зону принимается равной температуре операции прокатки.

 

Принимаем t_опер= t = 1160 °С.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Лист

Температуру центра в конце сварочной зоны (t ) наносим на график условно и в дальнейшем производим перерасчет.

Температура металла в центре на выдаче из печи, то есть в конце томильной зоны по истечении времени выдержки принимает значение операции прокатки:

– t = 1150 °С;

Температура же металла на поверхности в конце зоны выдержки принимается в соответствии с допустимым перепадом температур по сечению согласно технологическим картам +/- 10°С или в соответствии с заданием ΔТ=20°С:

– t = 1160 °С.

На характер температурного графика значительно влияет температура дымовых газов в зонах. Ее абсолютное значение выбирается таким, чтобы между газами и поверхностью металла во всех сечениях зоны поддерживался определенный температурный напор. Этот напор для нагревательных печей определяется в соответствии с термофизическими свойствами нагреваемого металла и целым рядом факторов технологического характера.

Температурой дымовых газов на выходе из печи задаемся:

– t_г.ух. = 780 °С.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Лист

1.2. Расчет горения топлива

 

Состав природного газа, %:

Метан СН₄ 97,8;

Этан С₂Н₆ 0,5;

Пропан С₃Н₈ 0,2;

Изобутан С₄Н₁₀ 0,1;

Н.бутан С₅Н₁₂ 0,05;

Азот N₂ 1,3;

Углекислый газ СО₂ 0,05;

Итого 100.

 

Низшую теплоту сгорания топлива находим по формуле [1]:

= 358 СН₄ + 636 С₂Н₆ + 913 С₃Н₈ + 1185 С₄Н₁₀ + 1465 С₅Н₁₂

 

= 358 ∙ 97,8 + 636 ∙ 0,5 + 913 ∙ 0,2 + 1185 ∙ 0,1 + 1465 ∙ 0,05 =

= 35704,75 кДж/м³

 

Расход кислорода на горение по формуле, м³/м³

= 0,01 × (m + 0,25n) × åС_mН_n = 0,01 × (2СН₄ + 3,5С₂Н₆ + 5С₃Н₈ +
+ 6,5С₄Н₁₀ + 8С₅Н₁₂)

 

= 0,01 × (2 × 97,8 + 3,5 × 0,5 + 5 × 0,2 +6,5 × 0,1 +8 × 0,05) = 1,994 м³/м³

 

Теоретический расход воздуха по формуле, м³/м³

 

 

где k = 3,76 – отношение объемных содержаний N₂ и О₂ в дутье (для воздуха)

 

L₀ =4,76 × 1,994 = 9,49 м³/м³

 

Действительный расход воздуха, м³/м³

где a − коэффициент избытка воздуха, равен 1,05.

 

L_a = 1,05 × 9,49 = 9,96 м³/м³

 

Объемы отдельных составляющих продуктов сгорания, м³/м³

 

= 0,01 × (СО₂ + m åС_mC_n) = 0,01 × (CО₂ + СН₄ + 2С₂Н₆ + 3С₃Н₈ +
+ 4С₄Н₁₀ + 5С₅Н₁₂)

 

= 0,01 × (0,05 + 97,8 + 2 × 0,5 + 3 × 0,2 + 4 × 0,1 + 5 × 0,05) = 1,0 м³/м³

 

= 0,01 × (Н₂О + 0,5n åС_mC_n) = 0,01× (2СН₄ + 3С₂Н₆ + 4С₃Н₈ +
+ 5С₄Н₁₀ + 6С₅Н₁₂)

 

= 0,01 × (2 × 97,8 + 3 × 0,5 + 4 × 0,2 + 5 × 0,1 + 6 × 0,05) = 1,99 м³/м³

 

 

= 0,01 × 1,3 + 1,05 × 3,76 × 1,994 = 7,89 м³/м³

 

 

= 0,05 × 1,994 = 0,01 м³/м³

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Лист

Общее количество продуктов сгорания по формуле, м³/м³

 

,

 

= 1,0 + 1,99 + 7,89 + 0,01 = 10,89 м³/м³

 

Процентный состав продуктов сгорания:

 

 

 

Правильность расчета проверяем составлением материального баланса (таблица 1).

 

Таблица 1 – Материальный баланс.

Поступило, кг	Получено, кг
СН4	0,978 ∙ 0,716	0,7002	СО2	1,0 ∙ 1,964	1,964
С2Н6	0,005 ∙ 1,342	0,0067	Н2О	1,99 ∙ 0,804	1,6
С3Н8	0,002 ∙ 1,967	0,0033	N2	7,89 ∙ 1,251	9,87
С4Н10	0,001 ∙ 2,593	0,0026	О2	0,01 ∙ 1,428	0,014
С5Н12	0,0005 ∙ 3,218	0,0016	Итого		13,448
N2	0,013 ∙ 1,251	0,0163
СО2	0,0005 ∙ 1,964	0,001
Всего		0,7317
Воздух	9,96 ∙ 1,29	12,8484
Итого		13,5801

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Лист

Расхождение, определяемое погрешностью расчета, составляет 0,1321 кг.

Плотность газа равна r_г = 0,7317 кг/м³.

Плотность продуктов сгорания r_п.с. = 13,448/10,89 = 1,235 кг/м³.

По формуле определяем истинную энтальпию продуктов сгорания

 

 

где с_в = 1,3371 кДж/(м³ К) – удельная теплоемкость воздуха при t_в = 450^оС

 

Задаем t’_к = 2300 ^оС и при этой температуре по формуле находим энтальпию продуктов сгорания:

 

 

Поскольку i₂₃₀₀ > i₀ принимаем температуру t”_к = 2200^оС и снова находим энтальпию продуктов сгорания

 

 

По формуле определяем калориметрическую температуру топлива:

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Лист

1.3. Определение времени нагрева

 

Принимаем температуру зоны горения по всей длине печи равную действительной температуре горения топлива.

По формуле определяем действительную температуру продуктов сгорания

 

где h_пир – пирометрический коэффициент, для печей с методической зоной
h_пир = 0,70 ¸ 0,75.

 

Температуру в зоне теплообмена принимаем равной

Проектируемая печь имеет три тепловых зоны: методическую, сварочную и томильную; в конце методической зоны температура поверхности металла равна 900^оС, а в конце сварочной 1160^оС.

Находим поверхность свода (и пода) печи:

где D_ср − средний диаметр кольцевой печи (из чертежа),

B − ширина пода кольцевой печи (из чертежа)

 

 

Боковая поверхность футеровки (по наружному диаметру кольца):

 

 

где h − высота рабочего пространства печи

 

 

Боковая поверхность футеровки (по внутреннему диаметру кольца):

 

 

 

Полная поверхность футеровки составит:

 

 

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Лист

Находим угловой коэффициент с металла на металл:

 

 

 

 

Коэффициент теплообмена излучением запишется следующим образом:

 

 

Так как геометрия печного пространства одинакова во всех зонах, эффективная длина луча также будет одинакова. Пренебрегая объемом металла, находим объём заполненного газом рабочего пространства:

 

 

Поверхность металла в печи:

 

 

 

Суммарная поверхность, ограничивающая газовый объём:

 

 

 

 

Тогда средняя эффективная длина луча составит:

 

S”_эф = 3,6

S”_эф = 3,6 × = 1,69

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Лист

1.3.1 Время нагрева металла в методической зоне

Температура газов в зоне теплообмена равна:

в начале методической зоны t’_ф.нач = 780^оС;

 

Находим парциальные давления и

Имеем

 

 

где В – атмосферное давление, В = 100 кПа

Находим

кПа;

кПа.

Для зоны теплообмена рассчитываем значения произведений

в начале методической зоны (t”_ф = 780 °С)

0,12; 0,16; b =1,12

=1,12×0,12 + 0,16 = 0,29;

в конце сварочной зоны (t”_ф = 1210 °С)

0,09; 0,13; b =1,12

= 1,12 × 0,09 + 0,13 = 0,23

Коэффициент излучения газов в методической зоне:

 

 

= 2,76 Вт/(м²×К)

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Лист

Коэффициент излучения газов в сварочной зоне:

 

= 2,402 Вт/(м²×К)

 

Температуру газов в конце сварочной зоны принимаем на 50 °С выше температуры поверхности нагрева

 

°С

 

Температура газов в методической зоне:

 

°С

 

Средний коэффициент излучения по печи

 

2,84 Вт/(м²×К)

 

Средняя температура заготовки в конце нагрева

 

°С

 

Энтальпия Ст20 при 1155 °С составит 754,5 кДж/кг

Теплопроводность Ст20 при 1155 °С составит 28,5 Вт/(м×К)

Удельный тепловой поток в конце нагрева

 

= 5700 Вт/м²

Расчетная температура дымовых газов на выходе из сварочной зоны

 

 

 

 

= 1177 °С

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Лист

Удельный тепловой поток в начале методической зоны

 

 

= 36662,61 Вт/м

 

В конце методической зоны

 

= 67479,59 Вт/м

 

Средняя по длине методической зоны плотность результирующего теплового потока на металл равна

 

Вт/м²

 

Находим температуру центра заготовки в конце методической зоны по формуле

где S – расчетная толщина изделия, S = m d,

d – геометрическая толщина тела, м;

m − коэффициент несимметричности нагрева,

m = 0,55 ¸ 0,6;

S = 0,6 × 0,2 = 0,12 м

l − коэффициент теплопроводности металла при средней температуре в

 

рассматриваемом сечении l = 27,4 Вт/(м К).

 

°С

 

Средняя температура металла:

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Лист

в начале методической зоны °С;

в конце методической зоны

°С;

по длине зоны ^оС.

 

При средней температуре металла по длине методической зоны находим коэффициент теплопроводности и удельную теплоемкость для стали Ст20:

l = 45 Вт/(м К); с = 0,540 кДж/(кг×К).

 

Время нагрева металла в методической зоне находим по формуле:

с (1,12 ч)

 

 

Время нагрева металла в сварочной зоне

 

Средний тепловой поток в сварочной зоне

Вт/м²

Находим температуру центра заготовки в конце сварочной зоны

 

°С

 

Средняя температура металла:

в начале сварочной зоны °С;

 

в конце сварочной зоны °С;

по длине зоны °С.

 

При средней температуре металла по длине сварочной зоны находим коэффициент теплопроводности и удельную теплоемкость для стали Ст20.

l = 27,7 Вт/(м К); с = 0,695 кДж/(кг К).

 

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Лист

Время нагрева металла в сварочной зоне

с 1,79 ч)