Особенности разработки тигельной печи сопротивления

Задание

 

Спроектировать тигельную печь сопротивления для плавки сплавов на основе алюминия.

Печь - аналог САТ - 0,1;

Емкость тигля 100 кг;

Производительность 35 кг/час.

Содержание

 

Введение

1. Классификация металлургических печей

1.1 Классификация печей по принципу теплогенерации

1.2 Классификация печей по технологическому назначению

1.3 Классификация печей по режимам тепловой работы

2. Конструктивные и тепловые расчеты

2.1 Расчеты размеров печи

2.2 Тепловой баланс печи

2.3 Расчет тепловых потерь через футеровку печи

2.4 Определение количества теплоты, переданного теплопроводностью через под печи

2.5 Определение количества теплоты, переносимого теплопроводностью через крышку

2.6 Тепловые потери излучением

2.7 Потери на тепловое замыкание

2.8 Расход энергии на расплавление и перегрев

3. Расчет электронагревателей

3.1 Проверка возможности размещения нагревателей на стене печи

3.2 Вариант расчет ленточного зигзагообразного нагревателя на керамической полочке

4. Контрольно-измерительные приборы и их назначение

5. Охрана окружающей среды

6. Техника безопасности

Список используемых источников

Введение

В металлургии и машиностроении, при производстве различных строительных материалов и во многих других отраслях промышленности одним из основных видов оборудования является печи - агрегаты, в которых осуществляется тепловая обработка различных материалов. Во многих производствах качество работы печей определяет качество готовой продукции. Все промышленные печи работают при высоких температурах, благодаря чему основная доля тепла передаётся излучением. Явления излучения, происходящие в металлургических печах и других теплотехнических агрегатах, по существу одинаковы. Однако при разработке методов расчета теплообмена агрегатов приходится учитывать специфические различия, свойственные для каждого типа печи в отдельности. Эти различия большей степенью бывают связаны с явлением внутреннего теплообмена, т.е. с процессами теплоотдачи в самом нагреваемом материале. Первоначально методы расчета теплообмена были разработаны для топок котлов, причем явление внутреннего теплообмена не рассматривались. Принималось, что температура поверхности нагрева низка и её роль в теплообмене очень мала. В дальнейшем влияние температуры поверхности на теплообмен стали учитывать.

Явления внутреннего теплообмена в печах играют в большинстве случаев весьма значительную роль. Поэтому при создании методов расчета лучистого теплообмена в печах необходимо решать одновременно задачи теплообмена в рабочем пространстве печи и внутреннего теплообмена.

В литейном производстве применяются различные типы печей, в зависимости от технологии плавки и типа сплава. К примеру для плавки стали широкое применение нашли дуговые (ДСП), индукционные (ИСТ) печи, для плавки цветных сплавов используются электрические печи сопротивления (тигельные, камерные, барабанные), дуговые (ДМБ) и т.д.

тигельная печь сопротивление электронагреватель

Печи являются весьма энергоёмким оборудованием, потребляющим значительное количество электроэнергии, в целом около 15 % всей потребляемой электроэнергии нашей промышленностью расходуется на цели электротермии.

Почти нет такого производства, в котором в том или ином виде не применялся бы электронагрев.

Электронагрев применяется для расплавления металлов, для нагрева различных материалов, заготовок или изделий под пластическую деформацию или термическую обработку, для сушки материалов и изделий. Ряд технологических процессов требует очень тонкой выдержки заданного температурного режима и высокой степени равномерности нагрева изделий: регулировать этот режим и обеспечить его равномерность и точность в электрической печи намного легче, чем в топливной. Кроме того, электрическую печь легче герметизировать и создать в ней нужную газовую атмосферу или вакуум; при помощи электронагревательных устройств можно получить избирательный нагрев, нагрев отдельных участков изделия или его поверхности.

Электрические печи, получили очень широкое распространение в промышленности, транспорте, сельском хозяйстве и быту. Они применяются во многих отраслях металлургической промышленности для проведения самых разнообразных технологических процессов, начиная с различных видов термообработки и плавки металлов и сплавов, кончая нанесением покрытий методами вакуумного напыления.

В данной работе рассматриваются особенности тигельной печи сопротивления, используемой преимущественно для плавки алюминиевых сплавов, а также некоторые особенности данного вида печей, их преимущества и недостатки.

1. Классификация металлургических печей

Классификация взята из [3].

Печь - это агрегат с изолированным от окружающей среды рабочим пространством, в котором получают из того или иного вида энергии тепло и передают его материалу, подвергаемому тепловой обработке в технологических целях. Ее основное назначение заключается в создании наиболее благоприятных условий для реализации технологического процесса с наименьшими энергозатратами и минимальным воздействием на окружающую среду. Металлургические печи классифицируют по ряду технологических особенностей.

1.1 Классификация печей по принципу теплогенерации

По виду источника тепла печи делят на:

топливные;

работающие за счет использования химической энергии сырьевых; материалов;

электрические.

Топливные печи

Топливные печи дополнительно подразделяются на топливные печи черной металлургии и топливные печи цветной металлургии.

Все топливные печи черной металлургии могут быть подразделены на две большие группы: слоевые и пламенные.

В слоевых печах с плотным (фильтрующим) слоем используется твердое кусковое топливо. Их применяют для выплавки чугуна из руды, расплавления металла перед литьем, обжига железных руд, известняка, магнезита и доломита. В топливных печах с разуплотненным слоем, которые применяют в цветной металлургии крайне редко, предпочтение отдают газообразному, реже жидкому топливу. Слоевые печи относятся к шахтным печам, важнейшими из которых являются доменные печи - основные агрегаты любого предприятия с полным металлургическим циклом.

В пламенных печах используется газообразное или жидкое топливо, которое сжигается с образованием пламени (факела) в рабочем пространстве печей. Факельный метод сжигания топлива применяют в мартеновских печах при выплавке стали, в нагревательных печах прокатных и кузнечных цехов, в печах для термической обработки стали.

Печи, работающие за счет использования химической энергии сырьевых материалов

Печи, в которых основным источником тепла служит химическая энергия сырьевых материалов, широко применяют в металлургии меди, никеля, свинца, и ряда других металлов. В большинстве случаев в них перерабатывают сульфидное сырье и промежуточные продукты металлургических переделов. Режимы теплогенерационных процессов зависят от химического состава, физических свойств и состояния перерабатываемых материалов, которые поступают в печь в виде кусков, мелкодисперсного концентрата или расплава. При переработке сульфидов различают четыре разновидности режимов их окисления: в плотном, кипящем, взвешенном и барботажном слоях.

В плотном слое кускообразный материал и фильтрующийся через него газ движутся навстречу друг другу. Шихта, медленно продвигающаяся вниз под действием тяжести, взаимодействует с газообразным теплоносителем, кислородом дутья и другими компонентами газовой среды; меняя состав и форму, она постепенно переходит в расплавленное состояние. Агрегаты, в которых происходят подобные процессы, принято называть печами шахтного типа.

Печи кипящего слоя являются основными агрегатами для высокотемпературного обжига (окисления) полидисперсных сульфидных концентратов, используемых в качестве сырья при производстве цинка, меди, никеля, молибдена и ряда других металлов. Их название связано с особым аэродинамическим состоянием зоны технологического процесса, при котором перерабатываемый материал и газообразный окислитель образуют псевдогомогенную (внешне однородную) систему, ведущую себя подобно кипящей жидкости. Процесс образования кипящего слоя происходит в период пуска печи, за счет динамического воздействия на огарок, подаваемого через перфорированную подину газообразного сжижающего реагента, являющегося одновременно окислителем поступающих в слой сульфидов.

Во взвешенном слое окисление сульфидов обычно сопровождается плавлением материала. Шихта вместе с окислителем вдувается в рабочее пространство печи, образуя гетерогенный факел, в котором одновременно присутствуют газовая фаза, твердые частицы шихты и капли расплава. Форма и расположение факела зависят от состава дутья. Когда в качестве окислителя используют технически чистый кислород, применяют печи с горизонтальным расположением факела. В печах, работающих на подогретом воздушном дутье, при обогащении дутья кислородом или в случае смешанного режима отопления, когда в печь подают природный газ, мазут или угольную пыль, технологический факел располагают вертикально.

Барботажный слой образуется при окислении сульфидов, находящихся в жидком состоянии, когда дутье подается непосредственно в расплав. По такому режиму работают конвертеры, применяемые для переработки штейнов различного состава. Технологический процесс осуществляется за счет тепловой энергии, выделяемой непосредственно в среде барботируемого газообразным окислителем шлак-штейнового расплава. В качестве окислителя в печи в зависимости от состава сырья используется воздух, дутье, обогащенное кислородом, или технически чистый кислород.

Электрические печи

Электрические печи разнообразны по назначению, конструктивному исполнению, размерам и характерным признакам Электрические печи классифицируются по способу преобразования электрической энергии в тепловую с учетом взаимного расположения зоны генерации тепла и зоны технологического процесса, схемы подвода энергии для теплогенерации и режима тепловой работы согласно общей теории М.А. Глинкова:

Печи сопротивления, в которых в результате кондукционного (контакта) подвода энергии W, за время t теплогенерация происходит по закону Ленца - Джоуля при прохождении тока I по активному сопротивлению R.

Печи сопротивления с прямым подводом энергии, когда обеспечивается теплогенерация в зоне технологического процесса, являются печами-теплогенераторами, работающими в электрическом режиме. Печи сопротивления с косвенным подводом энергии, когда теплогенерация происходит во вспомогательной зоне генерации тепла в виде твердого или жидкого нагревателя, являются печами-теплообменниками, работающими в конвективном (низкотемпературные циркулирующие печи) или радиационном (средне и высокотемпературные печи) режиме.

Индукционные печи, в которых теплогенерация происходит по закону Ленца - Джоуля в результате индукционного подвода энергии переменного электромагнитного поля, создаваемого специальным устройством в виде индуктора, Индукционные печи могут быть печами-теплогенераторами с электрическим режимом тепловой работы. Однако промышленные индукционные нагревательные печи имеют смешанные энергетические условия, поскольку теплогенерация зависит от условий преобразования электрической энергии в зоне технологического процесса, в которой нагреваемый материал может иметь различное агрегатное состояние: твердый в индукционных нагревательных установках, жидкий в индукционных плавильных печах, ионизированный в высокочастотных плазмохимических установках. В ряде случаев, когда прямой индукционный подвод энергии в зону технологического процесса невозможен по электротехническим причинам или нежелателен по технологическим причинам, применяют индукционные печи-теплообменники, имеющие зону генерации тепла в виде специального нагревателя. Режим тепловой работы таких печей определяется теплопроводностью в индукционных плавильных печах с электропроводным (металлическим или графитовым) тиглем или излучением в индукционных нагревательных печах для спекания керамики.

Установки диэлектрического нагрева, в которых теплогенерация происходит за счет электрической поляризации диэлектрика, расположенного в переменном электрическом поле конденсатора. Установки диэлектрического нагрева являются печами-теплообменниками, обеспечивающими равномерный или избирательный нагрев в зависимости от распределения диэлектрических свойств по объему зоны технологического процесса.

Дуговые печи, в которых теплогенерация происходит за счет энергетических преобразований дугового разряда, существующего в воздухе, инертной атмосфере или парах переплавляемых металлов. Дуговой разряд является зоной генерации тепла. В дуговых печах прямого действия дуговой разряд существует на границе (печи с открытой дугой) и даже внутри зоны технологического процесса, под слоем шихтовых материалов (печи с закрытой дугой). При нагреве в таких печах материалов с достаточной электрической проводимостью в зоне технологического процесса возможна дополнительная теплогенерация по закону Ленца - Джоуля. Поэтому тепловой режим работы дуговых печей прямого действия может иметь смешанную схему. Дуговые печи косвенного действия, имеющие некоторое применение в машиностроении, являются печами-теплообменниками и работают в радиационном режиме. Разновидностью дуговых печей являются плазменно-дуговые печи, в которых в качестве энергоносителя используют потоки газоразрядной низкотемпературной плазмы с температурой (0,5 - 2) ∙10⁴ К и которые работают как печи-теплообменники в конвективном или радиационном режиме в зависимости от силы тока и длинны столба дуги.

Электронно-лучевые установки, в которых происходит преобразование энергии электрического поля высокого напряжения в кинетическую энергию быстролетящих электронов, формируемых в виде электронного луча, с последующим ее рассеянием в тепло про попадании на поверхность нагреваемого металла. Такие установки могут рассматриваться как печи-теплогенераторы условно, поскольку для зоны технологического процесса в виде массивного твердого или жидкого тела прямая теплогенерация имеет место только в поверхностном слое на глубине внедрения ускоренных электронов в кристаллическую решетку нагреваемого тела (для металлов - несколько микрометров), а остальной объем зоны нагревается в результате теплопереноса.

Лазерные установки, то есть установки нагрева когерентным излучением оптического квантового генератора.

1.2 Классификация печей по технологическому назначению

Деление печей на классы по технологическому назначению производят по виду реализуемых в них технологических процессов; любой из которых с энергетических позиции можно представить как преодоление сил, препятствующих его протеканию. Природа преодолеваемых сил может быть различной. Например, ими могут быть силы, препятствующие деформации металла; силы трения, возникающие в потоке движущейся жидкости; химические связи между компонентами реагирующих веществ и пр. При протекании технологического процесса они преодолеваются за счет непосредственного использования того или иного вида энергии, который в общей теории печей принято называть рабочим видом энергии.

По характеру протекания процессов, идущих с потреблением тепла, печи делят на:

нагревательные

плавильные

В плавильных печах, когда тепло является единственным рабочим видом энергии, его расходуют на нагрев и плавление металла для того, чтобы получить внутри или вне агрегата слитки и отливки необходимых размеров и формы.

1.3 Классификация печей по режимам тепловой работы

В общей теории печей, анализируя тепловую работу конкретного агрегата, в его рабочем пространстве условно выделяют зоны технологического процесса и генерации тепла. Взаимодействие между ними осуществляется вследствие протекания процессов, именуемых определяющими. Названы они так потому, что от них зависит возникновение тепла в зоне технологического процесса, использование которого - необходимое условие нормальной работы агрегата. Основу определяющих процессов составляют различные физические явления, природа которых служит отличительным признаком при делении печей на классы.

В зависимости от взаимного расположения зон различают три класса печей:

печи-теплообменники;

печи-теплогенераторы;

печи смешанного типа.

К первому классу относят печи-теплообменники - агрегаты зоны технологического процесса и теплогенерации, которых разделены в пространстве и определяющими служат процессы теплообмена. Дополнительными классификационными признаками печей-теплообменников, с помощью которых оценивают режим их тепловой работы, служат вид и условия протекания определяющих процессов. Их функции обычно выполняют излучение и конвекция, так как роль теплопроводности во внешнем (относительно зоны технологического ответственно процесса) теплообмене сравнительно невелика. Различают радиационный и конвективный режимы тепловой работы печей. В результате их комбинации возможен смешанный режим, при котором в рабочем пространстве печи преобладает сложный радиационно-конвективный теплообмен.

Следующие два класса составляют агрегаты, у которых указанные зоны полностью или частично совмещены. Если они полностью совмещены и имеют одинаковые объемы, то определяющими будут процессы выделения тепла, и агрегаты образуют класс печей-теплогенераторов. Остальные случаи характерны для печей смешанного типа, зона технологического процесса которых неоднородна в энергетическом отношении. Ее условно делят на два участка. В одном из них тепло возникает в процессе его генерации, к границам второго оно поступает благодаря теплообмену.

Конструкция печи сопротивления

Электрические печи сопротивления предназначены для переплава и перегрева алюминия и его сплавов, поддержание температуры расплавленного металла перед разливкой в формы.

Тигельная печь сопротивления (рис.1) состоит из следующих конструктивных элементов:

каркаса и кожуха печи;

футеровки;

нагревателей;

тигля;

системы электропитания.

Рис.1 Общий вид печи САТ:

- кожух; 2 - футеровка; 3 - теплоизоляционный слой (шлаковая вата); 4 - нагреватели; 5 - чугунное кольцо; 6 - тигель; 7 - хромель-алюмелевые термопары; 8 - аварийное отверстие.

Каркас и кожух - несущие конструкции и служат для размещения и закрепления на них остальных элементов печи. Каркас изготовлен из металлических (стальных) стоек, горизонтальных балок и связей различной конфигурации или листов с ребрами жесткости. Форма и габаритные размеры каркаса определяются емкостью электропечи, характером процесса, условиями эксплуатации, наличием вспомогательных механизмов и многими другими менее значительными обстоятельствами. Кожух изготавливают в виде цилиндра с минимальным количеством сварных соединений. Материалом является листовая нержавеющая или малоуглеродистая сталь. На торцах кожуха крепятся днище и крышка, которые могут иметь плоскую, эллиптическую или сферическую форму.

Футеровка - предназначена для уменьшения тепловых потерь, передаваемых электропечью в окружающую среду, которая выполнена из шамотного легковесного кирпича. При разогреве электропечи до установившегося режима футеровка аккумулирует большое количество тепла. Пространство между огнеупорной кладкой и кожухом электропечи заполнено шлаковой ватой, которая служит в роли теплоизоляционного материала.

На поверхности футеровки размещают нагреватели с рабочей температурой до 850-1000°С, изготовленные из хромоникелевого сплава, которые уложены на полочках фасонных шамотных кирпичей и укреплены металлическими крючками, имеющими на конце огнеупорную изоляцию. Расход энергии составляет 650-850 квт∙ч/т.

Тигли могут быть различной емкости. Тигли, выполняют из жаропрочного чугуна или графита. Основными преимуществами металлических тиглей являются их высокая теплопроводность и малая теплоемкость, что способствует сокращению времени, идущего на расплавление садки, поэтому целесообразно использовать чугунный тигель. Тигель устанавливают и укрепляют внутри футерованной шахты электропечи.

Основные преимущества этих печей перед печами с другими энергоносителями следующие:

Простота регулирования температуры и передаваемой в шихту мощности. Применяемые в настоящее время схемы автоматического регулирования теплового режима работы электропечи просты в изготовлении и надежны в эксплуатации.

Легко достигается равномерное или в зависимости от технологических требований желательное распределение температуры в отдельных тепловых зонах камеры.

В большинстве случаев печи сопротивления косвенного нагрева питаются непосредственно от заводских сетей переменного тока напряжением 380/220 В или 500 В.

При достаточной герметизации печей наблюдается незначительный угар расплавленного металла (потери в процессе расплавления в результате окисления, испарения и т.д.) и малое насыщение газами.

Высокий коэффициент полезного действия.

Улучшение санитарно-гигиенических условий труда в литейных цехах.

Печи сопротивления типа САТ относятся к печами косвенного нагрева. Поэтому основными недостатками печей этого типа являются некоторый угар металла, который составляет порядка 2%, недостаточная стойкость футеровки

2. Конструктивные и тепловые расчеты

Конструктивные и тепловые расчеты печи ведем по методике, изложенной в [1].

2.1 Расчеты размеров печи

) Объём расплавленного металла находим с помощью формулы:

где, G - масса расплавленного металла, равная G = 100 кг;  - плотность расплавленного металла,  = 2400 кг/м³.

Объём расплавленного металла составляет:

 = 0,042 м³.

) Объём тигля находим исходя из равенства:

 = 0,063 м³.

Объём тигля также можно определить из следующей формулы (объём цилиндра):

,

где, h - высота тигля, которую можно определить исходя из соотношения

 .

) Подставив предыдущие выражение в формулу для расчета объёма тигля, находим средний внутренний диаметр тигля:

 = 0,38 м = 380 мм.

) Определяем высоту тигля:

= 1,45 ∙ 380 = 551 мм.

Принимаем: толщину стенки тигля δ = 15 мм; высоту тигля h = 551 мм; средний внутренний диаметр тигля D = 380 мм.

) Высота уровня металла в тигле:

 = 0,37 м = 370 мм.

Полученные результаты сводим в таблицу:

Таблица 1 - размеры тигля

Емкость тигля, кг	Толщина стенки δ, мм	Внутренние размеры
		Высота тигля h, мм	Диаметр тигля , мм Высота уровня металла Н, мм
100	15	551	380	370

Тигель имеет специальные выступы, с помощью которых он крепится к печи (съёмный тигель), а снизу он упирается в специальную стойку. В печи также есть специальные кронштейны, на которых держится тигель, выполненные из огнеупорного материала. По данным, полученным в результатах расчетов, строим эскиз печи (рис.2), предварительно приняв, что стены и свод выполнены из шамота толщиной 115 мм и шлаковой ваты толщиной 120 мм; расстояние от стенки тигля до внутренней стенки печи принимаем 150 мм. Следовательно, с учетом размеров тигля и всех принятых расстояний, можно определить внутренние и внешние размеры печи (рис.2).

Внутренние размеры печи:

 = 710 мм;

 = 716 мм.

Внешние размеры печи:

 = 710 + 230 + 240 = 1180 мм;

 +  = 716 + 115 + 120 = 951 мм.

Таблица 2 - внутренние и внешние размеры печи

Внутренние размеры печи		Внешние размеры печи
Dвн, мм	hвн, мм	Dвн, мм	hвн, мм
710	716	1180	951

) Время цикла определяем исходя из общей производительности:

 = 2,8 ч.

) Время плавления:

 = 1,96 ч,

где 0,7 - коэффициент резерва

) Время вспомогательных операций:

= 0,84 ч.

) Производительность по расплавлению:

 = 51 кг/ч.

2.2 Тепловой баланс печи

Методика составления теплового баланса печи изложена в [1].

В электрических печах он составляется с целью определения мощности печи (в топливных печах с целью определения расхода топлива).

Он состоит из статей прихода тепла и статей расхода тепла.

Статьи прихода тепла включает в себя, количество теплоты, принимаемое печью, статьи расхода включают в себя количество теплоты, расходуемое на расплавление и перегрев металла, а также потери тепла теплопроводностью через стены, под и крышку печи, потери тепла излучением, потери тепла на тепловые короткие замыкания. Обычно тепловой баланс рабочего пространства печи представляют в виде таблицы.

 

.3 Расчет тепловых потерь через футеровку печи

Температуру на наружной поверхности кладки принимаем равной

t_нар = 70°С, температуру окружающей среды t_окр = 20°С, температуру внутренней поверхности кладки, с учетом того что t_{пл (Al)} = 660°C и необходимости перегрева расплава, принимаем равной t_кл = 800°С.

Коэффициент теплопроводности шамотного кирпича:

, Вт/ (м ∙°С).

Коэффициент теплопроводности шлаковой ваты:

, Вт/ (м ∙°С).

Сопротивление слоев стенки в холодном состоянии:

 ;

 .

где,

δ₁ и δ₂ толщина слоя шамотного кирпича и шлаковой ваты.

Следовательно, тепловое сопротивление всей стенки:

 ;

Находим температуру на границе раздела слоев:

 =

= 70 + (800 - 70) ∙ 0,95 = 763,5°С.

Средняя температура слоёв:

°С;

°С.

Коэффициенты теплопроводности в горячем состоянии.

Шамотного кирпича:

 Вт/ (м ∙°С).

Шлаковой ваты:

 Вт/ (м ∙°С).

Плотность теплового потока через стенку:

 = 561,5 Вт/м².

Находим уточненное значение температур на границах раздела слоев футеровки по формуле:

°С.

Уточняем значение температур на наружной поверхности стенки:

, где α₂ = 10 + 0,06 ∙ t_нар = 10 + 0,06 ∙ 70 = 14,2 Вт/ (м ∙°С). °С.

Определяем уточненное значение средних температур слоев и их коэффициентов теплопроводности:

°С;

°С;

 Вт/ (м ∙°С);

 Вт/ (м ∙°С).

Найдем уточненное значение плотности теплового потока через стенку:

= 569,2 Вт/м².

Уточняем α₂ = 10 + 0,06 ∙ t_нар = 10 + 0,06 ∙ 60 = 13,6 Вт/ (м ∙°С).

При этом тепловой поток от стенки в окружающую среду:

 Вт/м².

Тогда расхождение:

∙ 100 % = 4,43 %.

Поскольку расхождение менее 5 % то уточнение температур и материалов огнеупоров не требуется. Так как печь имеет цилиндрическую форму, то, следовательно, для нахождения площади наружной поверхности печи воспользуемся формулой:

,

где, R = 590 мм - внешний радиус печи; H = 951 мм - высота печи.

Следовательно, площадь наружной поверхности печи равна:

Тепловой поток через стенку:

 = 2003,584 Вт.

2.4 Определение количества теплоты, переданного теплопроводностью через под печи

Принимаем, что под печи выполнен из шамота толщиной 115 мм и шлаковой ваты толщиной 120 мм; расстояние от нижней части тигля печи принимаем 150 мм.

Так как под печи выполнен из такого же материала, что и стены и той же толщины, следовательно, плотность теплового потока от подины в окружающую среду будет равна, плотности теплового потока от стенок в окружающую среду, с учетом коэффициента 0,7 и, следовательно:

13,6 ∙ 0,7∙ (60 - 20) = 380,8 Вт/м².

Тогда расхождение:

∙ 100 % = 33 %.

Тогда задаемся другой температурой, t_нар пода принимаем 75°С.

Найдем уточненное значение плотности теплового потока через стенку:

= 557,6 Вт/м².

Уточняем α₂ = 10 + 0,06 ∙ t_нар = 10 + 0,06 ∙ 75 = 14,5 Вт/ (м ∙°С).

При этом тепловой поток от пода в окружающую среду:

14,5 ∙ 0,7∙ (75 - 20) = 558,25 Вт/м².

Тогда расхождение:

∙ 100 % = 0,12 %.

Следовательно перерасчет делать ненужно.

Так как печь имеет цилиндрическую форму, следовательно, площадь пода можно определить:

 = 1,09 м^2,

где

D - внешний диаметр печи.

Тепловой поток через подину:

= 557,6 ∙ 1,09 = 607,78 Вт.

 

.5 Определение количества теплоты, переносимого теплопроводностью через крышку

Принимаем, что крышка выполнена из шлаковой ваты толщиной 80 мм, наружную температуру t _{к. н.} принимаем равной 70°С.

Коэффициент теплопроводности шлаковой ваты:

, Вт/ (м ∙°С).

Средняя температура равна:

 = 435°C,

где, t_к = 800 С°.

 = 0,1 Вт/ (м ∙°С).

При этом плотность теплового потока:

= 912,5 Вт/м².

Находим α₂ = 10 + 0,06 ∙ t_нар = 10 + 0,06 ∙ 70 = 14,2 Вт/ (м ∙°С).

При этом = 1,3 ∙ 14,2 ∙ (70 - 20) = 923 Вт/м².

Расхождение:

∙ 100 % = 1,14 %.

Погрешность составляет менее 5 %, значит толщина крышки выбрана правильно. Площадь крышки:

Принимаем D_кр = 825 мм.

 = 0,534 м^2,где D - диаметр крышки.

Тепловой поток через крышку определяем по формуле:

 = 341 Вт.

2.6 Тепловые потери излучением

Тепловые потери излучением определяем по методике, изложенной в [1].

Величина результирующего потока излучением соответствует:

,

где, константа излучения, равная ; T_п - температура печи = t_кл = 800 + 273 = 1073 К; Т_окр - температура окружающей среды Т_окр = = 20 + 273 = 293 К; F - площадь зеркала расплава, м², которую можно определить, зная что средний диаметр составляет:  = 380 мм. Следовательно, площадь зеркала расплава равна:

 = 0,113 м^2,

где Ф - коэффициент диафраграмирования, можно определить, зная, что средняя высота уровня металла, составляет  = 322,75 мм, а, следовательно, = 551 - 322,75 = 228,25 мм, поэтому l/d = 228,75/380 = 0,6 следовательно, пользуясь графиком [2, стр.42], определяем коэффициент диафрагмирования, который приближенно равняется: Ф = 0,64.

∙0,113∙0,064 = 5,67∙ (13255,58 - 73,7) ∙0,113∙0,64 =

= 5,67∙13181,88∙0,113∙0,64 = 5405,29 Вт.

При этом действительный лучистый поток:

 = 1621,6 Вт.

2.7 Потери на тепловое замыкание

Потери на тепловое замыкание принимаются, равными 70 % от потерь теплопроводностью через все поверхности [1]:

 

Q_кз = 0,7 ∙ (Q_ст + Q_под + Q_кр) = 0,7 ∙ (2003,584 + 607,78 + 341) = 2066,65 Вт.

 

.8 Расход энергии на расплавление и перегрев

Принимаем удельный расход на расплавление одной тонны алюминия 200 кВтч/т, а на перегрев на 1°С - 0,298 кВт∙ч/т, при этом полезная энергия равна [1]:

 

Q_пол = Q_распл + Q_пер

Время плавления металла составляет ч, из которых на расплавление уходит 1,4 ч, и на перегрев 0,56 ч.

Следовательно, полезная энергия:

∙ 100 = 14,3 + 4,52 = 18,82 кВт.

Общие потери определяют сложением всех затрат:

Q_общ = Q_пол + Q_ст + Q_под + Q_кр + Q₁ + Q_кз =

= 18,82 + 2,003584 + 0,60778 + 0,341 + 1,6216 + 2,06665 = 25,46 кВт.

При этом мощность печи:

Р_общ = Q_общ ∙ К = 25,46 ∙ 1,2 = 30,56 кВт,

где К - коэффициент запаса.

Тепловой коэффициент полезного действия:

 ∙ 100 % = 77 %.

Результаты расчета теплового баланса тигельной печи сопротивления представлен в таблице 2.

Таблица 3 - тепловой баланс тигельной печи сопротивления

Статья прихода	%	Статья расхода	кВт	%
Теплота, вносимая в печь	25,46	100	Теплота на расплавление и перегрев металла	18,82	73,92
			Потери теплоты теплопроводностью
			а) через стенки	2,003584	7,87
			б) через под	0,60778	2,39
			в) через крышку	0,341	1,34
			Потери теплоты излучением	1,6216	6,37
			Потери на тепловые короткие замыкания	2,06665	8,12
Итого	25,46	100	Итого	25,46	100

 

3. Расчет электронагревателей

Расчет электронагревателей ведем по методике, изложенной в [1].

Определяем рабочую температуру нагревателя по формуле:

 + 100°С,

где  - конечная температура нагрева металла;

 

t_н = 760 +100 = 860°С.

Пользуясь справочными данными выбираем материал нагревателя - используем электронагреватель из нихрома Х15Н60.

Определяем величину удельного электросопротивления:

 860 = 1,226 ∙ 10^-6 Ом∙м

Определяем удельную поверхностную мощность идеального нагревателя:

,

где,

С₀ = 5,67 - коэффициент излучения абсолютно черного тела;  - степень черноты нагревателя;  - степень черноты тигля; Т_н = 1133 К  - температура нагревателя; Т_м = 1033 К - температура тигля.

Удельная поверхностная мощность:

= 19,25 кВт/м².

Выбираем тип нагревателя. Для этого определяем относительную мощность стены:

где, Р_общ = 30,56 кВт - мощность печи;  - площадь поверхности стены (внутренней), которую можно определить исходя из того, что диметр внутренней поверхности печи составляет D_вн = 0,71 м, а высота  м.

Площадь внутренней поверхности стены:

 1,596 м².

Относительная мощность стены:

кВт.

Выбираем проволочную спираль на керамической полочке. В зависимости от выбранного типа нагревателя, пользуясь справочными данными, находим коэффициент , который составляет: .

С помощью , находим удельную поверхностную мощность:

 кВт/м².

Принимаем схему электрического соединения нагревателей "треугольником" при:

В, кВт/м²,  Р_общ / 3 =

= 30,56/3 = 10,18 кВт.

Определяем диаметр проволоки:

= 3,8∙10^-3 м.

Длина проволоки:

128,72 м.

В случае соединения "звезда" принимаем:

В, , 10,18 кВт.

При этом диаметр проволоки равен:

= 5,5∙10^-3 м.

Длинна проволоки:

Принимаем схему "звезда", с диаметром проволоки 5,6 мм и длиной 89,5 м. Проводим уточненный расчет для принятого нагревателя диаметром 5,6 мм:

10,18 кВт, , В,

Сопротивление фазы:

4,75 Ом.

Уточненная длина нагревателя на одну фазу:

,

где S - площадь сечения нагревателя.

 = 2,46∙10^-5 м^2,

 м.

Удельная поверхностная мощность принятого нагревателя:

,

где, F - площадь нагревателя для фазы, определяемая по формуле:

 м².

Удельная поверхностная мощность:

 кВт/м².

Полученная удельная поверхностная мощность примерно равна допустимой удельной поверхностной мощности (6,35 ≈ 6,06) кВт/м², поэтому перерасчет не делаем.

Таким образом, при соединении по схеме "звезда" диаметр и длина нагревателя составляют: d = 5,6 мм; L_ф = 95,3 м.

Выбираем следующие параметры спирали для одной фазы:

  =

,6 ∙ 10^-3 м;  м;

Суммарная длина оси спирали равна:

7,23 м.

Число витков нагревателя:

 = 903,28.

 

.1 Проверка возможности размещения нагревателей на стене печи

Проверку ведем по методике, изложенной в [1].

Проволочный нагреватель, размещенный на керамических полочках, диаметром 5,6 мм имеет при отношении , максимальную длину нагревателя, размещенного на 1 м² поверхности футеровки 200 м. При общей длине нагревателя  м, это потребует площадь поверхности стен 285,9/200 = 1,42 м². Полученная поверхность соответствует геометрическим размерам печи:

1,596 м².