Разработка конструкции электродной печи-ванны

Тепловой баланс электродной печи-ванны. Определение показателя эффективности работы конструкции. Расчет продолжительности нагрева заготовки, элементов сопротивления, размеров рабочего пространства печи. Вопросы экологии и безопасных условий труда.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

Белорусский национальный технический университет

Кафедра Материаловедение в машиностроении

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ (РАБОТА)

по дисциплине: Металлургическая теплотехника и теплоэнергетика

Тема: Разработка конструкции электродной печи-ванны

Исполнитель:

Дробов Андрей Николаевич

Руководитель проекта

Иваницкий Николай Иванович

Минск 2013

Введение

В данном курсовом проекте рассчитывается электродная печь-ванна. Результатом расчета являются основные размеры печи и показатель эффективности печи.

В исходных данных задаётся производительность печи, источник тепловой энергии, технологическое назначение, материал и размеры заготовок.

Расчёт включает в себя: расчёт продолжительности нагрева заготовки, расчёт размеров рабочего пространства, тепловой баланс печи, расчет элементов сопротивления.

1. Обоснование выбора типа печи

Ванная печь - печь для нагрева материалов в жидкой среде. Применяются в термических цехах для нагрева металлических деталей под закалку, отпуск, нормализацию, обжиг, цианирование, цементацию, а также для патентирования проволоки и ленты.

Наиболее употребительные среды: для нагрева от 700 до 1300 °С -- хлористые и углекислые соли, от 160 до 500 °С -- азотнокислые соли, до 250 °С -- масла; применяют также расплавленные металлы (свинец, сплавы свинца с оловом и силумин).

Преимуществом нагрева в жидких средах по сравнению с нагревом в обычных печах являются быстрота и равномерность нагрева, отсутствие окисления поверхности деталей.

Печи-ванны подразделяются на пламенные и электрические. Пламенная имеет тигель из жароупорной стали с толщиной стенки 15--30 мм. Обогревается тигель пламенем от форсунки или горелки.

Электрические бывают двух типов -- с генерацией тепла в нагревательных элементах (например, проволочного или ленточного типа), расположенных вне ванны (с внешним обогревом тигля), и с генерацией тепла в самой жидкой среде путём подвода тока с помощью электродов (с внутренним обогревом). Встречаются также печи с внутренним обогревом трубчатыми нагревательными элементами, располагаемыми внутри футерованного тигля. Электрические печи с внешним обогревом по конструкции (кроме устройств для обогрева тигля) аналогичны пламенным печам-ваннам.

Наиболее широкое распространение в промышленности получили одно- и трёхфазные электродно-соляные печи-ванны, в которых нагревателем является расплавленная соль, загружаемая в рабочую камеру (круглого, прямоугольного или шестиугольного сечения), выложенную из фасонного шамотного кирпича, или в тигель из жароупорной стали. Электрический ток напряжением 6--24В через массивные стальные электроды подводится непосредственно к соли. Наиболее совершенны электродные печи-ванны с опущенными электродами. Электрический ток, проходя через соль, вызывает энергичное перемешивание расплавленной соли и обеспечивает равномерность температуры ванны. Электродные печи применяются для нагрева до температуры от 40 до 1300°С.

печь ванна электродный нагрев

2. Расчет продолжительности нагрева заготовки

Определяем продолжительность нагрева заготовки из стали У8 до температуры отжига (800 ⁰С). Размеры заготовки d=90 мм, l=450 мм.

- температура отжига для стали У8.

1) Выбираем тип расплава по t=800 ⁰С:

KCl;

2) Определяем б по типу расплава:

б=324 Вт/м²;

3) Определяем среднее значение температуры:

t_ср=2/3 (Т_м^к + Т_м^н);

t_ср=2/3 (800+20)=547⁰С;

Вт/м К;

Вт/м К;

Вт/м К;

4) Определяем критерий Био (Bi):

;

Нагреваемая заготовка - занимает промежуточную область. Расчет ведем по методике для массивных тел.

5) Определяем критерий Фурье:

;

6) Определяем критерий И:

7) Находим критерий Фурье по номограмме Будрина:

Тогда ф центра и поверхности:

8) Коэффициент температуропроводности (а):

где:

кг/см³;

Вт/м К;

с⁵⁰⁰=561Дж/кг К;

с⁶⁰⁰=598 Дж/кг К;

с⁵⁴⁷=Дж/кг К;

м²/с;

9) сек = 16 мин;

сек = 18 мин;

3. Расчет размеров рабочего пространства печи

Материал - Сталь У8

Производительность печи (G) - 380 кг/ч

мин мин.

d=90 мм l=450 мм

1) Определяем массу одной заготовки:

кг/см³

;

;

;

2) Определяем штучную производительность печи:

шт./ч;

3) Определяем количество заготовок, одновременно находящихся в печи для обеспечения заданной производительности:

4) Определяем массу садки изделий:

кг;

5) Находим объем расплава:

м³;

м;

м;

4. Тепловой баланс печи

Q₁ - тепло расходуемое на нагрев металла;

Q₅ - потери тепла в окружающую среду;

Q_неучт - неучтенные потери тепла;

- конечное и начальное теплосодержание нагретого металла

Q₁=0.105(557-9.72)=57.46 кВт;

С₀=5,7 Вт/м²

м²

ф = 1 (так как отверстие всегда открыто)

кВт;

Q_кл = Q_свод + Q_под + Q_стен = Q_под + Q_стен

Стены и пол

Футеровка печи из:

Стены:

д₁ = 230мм (Шамот)

д₂ = 120мм (Динас)

t₁=800⁰C t₃=90⁰C

Поскольку теплопроводность зависит от температуры, то необходимо брать среднее по толщине значение величину коэффициента теплопроводности. Для определения среднего значения коэффициента теплопроводности необходимо знать температуру на границе слоев. Поэтому для определения этой температуры делаем допущении, что температура от t1 до t3 изменяется по прямой линии. Далее исходя из геометрических соображений определяем t2:

Проверка:



< 5%

Расчет принимается. q_стен=2015.503 Вт/м²

Под:

д₁ = 420мм (Шамот)

д₂ = 120мм (Динас)

t₁=800 ⁰C t₃=90 ⁰C

Проверка:

q_под=1319,79 Вт/м²

Q_стен = q_стен + F_стен

Q_под = q_под + F_под



ф_разогр=8 ч.

(шамот)

(динас)

5. Расчет элементов сопротивления

При составлении теплового баланса электропечей определяется расходная часть и по расходной части с учетом коэффициента запаса мощности определяют мощность:



K=1,3-1,4

Принимаем К=1,3

Находим рабочую температуру по формуле:

Выбираем сплав Х20Н80, для которого рекомендуется рабочая температура 1100 ⁰С.

Удельное сопротивление сплава при рабочей температуре

Находим удельную мощность идеального нагревателя, принимая температуру изменения равной 800⁰С (в этом случае температура нагревателя будет наивысшей):

- степень черноты нагревателя и изделия

Нагревательные элементы в печи располагаются на стенах, своде и поду рабочего пространства. Относительная мощность стен, несущих нагреватели ровна:

,

где N - мощность нагревателя, кВт;

F_n - площадь поверхности стены, на которой располагаются нагреватели, м²

При нагреве стали с использованием проволочного нагревателя б=0,46, тогда:

Поскольку питание печи производится трехфазным током с линейным напряжением U_c=380 В, то мощность, приходящаяся на одну фазу равна:

В случае соединения нагревателей по схеме «треугольник»:

N_ф=92,13В; N_ф= N_с=380 В

Тогда

Геометрические размеры нагревателя находим по следующим соотношениям: b/a=m; m=10

Толщина:

Длина: