Электрическая печь сопротивления типа 'Миксер'

Вид работы:

Дипломная (ВКР)
Предмет:

Другое
Язык:

Русский
,
Формат файла:
MS Word

99,87 Кб
Опубликовано:

2016-01-15

Все дипломные работы по другим направлениям

Скачать дипломную работу Читать текст online Заказать дипломную
*Помощь в написании! Посмотреть все дипломные работы

Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.

Электрическая печь сопротивления типа 'Миксер'

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - УПИ»

Факультет заочного отделения

Кафедра электротехники и электротехнологических систем

Дипломный проект

Электрическая печь сопротивления типа «МИКСЕР»

Студент гр.ЭВ 53022 КУ А.Я. Черкасов

Екатеринбург 2007 г.

Аннотация

Черкасов Алексей Яковлевич. Электрическая печь сопротивления типа «Миксер».

В дипломном проекте приведены сведения о технологическом процессе производства алюминиевых слитков, являющихся основной товарной продукцией завода УАЗ. Проведён анализ требований к электропечи и определена её конструкция. Выполнена проектно-расчётная часть, которая включает в себя: тепловой расчёт, проектирование силовой электрической части с расчётом нагревательных элементов, заменой контактора на тиристорный преобразователь напряжения. Также предложена модернизация схемы управления привода разливочного конвейера с целью осуществления плавного пуска с ограничением тока, регулирования скорости в широких пределах, отсутствия ударных нагрузок.

В результате полученных энергетических характеристик произведён расчёт экономической эффективности проекта и срока его окупаемости. Отражен вопрос безопасности и экологичности проекта.

Перечень используемых символов

- толщина слоя футеровки, м

- температура слоя, ºС

- средняя температура слоя, ºС

- коэффициент теплопроводности, Вт/м·ºС

- мощность потерь, Вт

- площадь поверхности,

- высота проема, м

глубина проема, м

- время нагрева металла в ванне печи, с

- приведенный коэффициент излучения, Вт/м·ºК

- коэффициент диафрагмирования

- энтальпия, кДж/кг

- удельная теплоемкость, кКал/кг·ºС

- масса нагреваемого алюминия, кг

- коэффициент

- КПД

- производительность, т/ч

- удельный расход энергии, кВт·ч/т

- номинальная мощность печи, кВт

- питающее линейное напряжение, В

- удельное сопротивление, Ом·м

- длина дуги арки свода, м

- допустимая удельная поверхность, Вт/см*2

- толщина ленты нагревателя, мм

- сопротивление, Ом

- сечение ленты нагревателя, мм*2

- длина фазы, м

- периметр нагревателя, м

- вес нагревателя, кг

- коэффициент взаимного облучения

- расчетный ток нагрузки, А

- допустимый длительный ток, А

- предельная сила тока тиристора

К_с - количество затрат, руб

Э_эф - экономическая эффективность

Т_ок - срок окупаемости, год

Введение

Электропечи сопротивления (далее ЭПС) являются наиболее распространенным видом электрических печей. Они применяются для нагрева различных изделий и плавки металлов и сплавов. Основные схемы нагрева представлены на рис.В.1.

Рис. В.1 Схемы нагрева сопротивлением: а - прямой нагрев; б - косвенный нагрев; в - нагрев конвекцией с калорифером; г - электродный нагрев в жидкой среде; д - нагрев в жидкой среде с внешним обогревом; е - нагрев в псевдокипящем слое, ж - электрошлаковый нагрев. 1 - контактная система; 2 - нагреваемое тело; 3 - нагреватель; 4 - футеровка; 5 - рабочее пространство; 6 - вентилятор; 7 - калорифер; 8 - электрод; 9 - жидкая среда; 10 - мелкие частицы; 11 - решетка; 12 - расходуемый электрод; 13 - слиток; 14 - шлаковая ванна; 15 - волоохлаждаемый кристаллизатор; 16 - жидкая металлическая ванна; 17 - поддон.

Нагрев сопротивлением основан на законе Джоуля - Ленца, согласно которому при протекании тока в проводнике выделяется тепло, пропорциональное электрическому сопротивлению, квадрату тока и времени прохождения тока. Ток может протекать по самому нагреваемому телу - прямой нагрев или по специальному нагревателю, от которого выделяемое тепло передается к нагреваемому телу теплообменом, такой нагрев называется косвенным.

При косвенном нагреве различают три вида теплообмена: излучением, конвекцией и теплопроводностью. При высоких температурах определяющее значение имеет нагрев излучением. В нагреве излучением выделяется инфракрасный нагрев, основанный на подборе спектрального состава излучения с учетом свойств материалов избирательно поглощать или пропускать его.

Основными параметрами установок печей сопротивления являются: номинальная температура; установленная мощность печи; число тепловых зон; мощность зоны; число фаз и напряжение на нагревательных элементах. Номинальной температурой (ГОСТ 11995-66) называется длительная эксплуатационная температура рабочего пространства, на которую рассчитана печь. Под установленной мощностью ЭПС понимают мощность, обозначенную в паспорте печи. ГОСТ 17658-72 допускает увеличение мощности на +10% при номинальном напряжении в связи с возможными отклонениями при изготовлении нагревательных элементов по сечению и физико-химическим свойствам.

Тепловая зона ЭПС представляет собой участок печи с независимыми питанием и аппаратурой для включения, управления и регулирования температуры.

Основным родом тока для питания ЭПС служит трех- или однофазный ток частотой 50 Гц.

Согласно ГОСТ 17658-72 основным напряжением для питания нагревательных элементов ЭПС является напряжение 380 В. При отличии напряжения нагревательных элементов от напряжения питающей сети применяют трансформаторы или автотрансформаторы. Номинальной мощностью трансформаторов считают мощность на высшей ступени напряжения: на остальных ступенях мощность, как правило, падает пропорционально снижению вторичного напряжения.

По принципу действия все печи сопротивления можно разделить на подгруппы (рис.В.2).В ЭПС периодического действия изделия загружаются в рабочее пространство и нагреваются в нем, не перемещаясь.

Температуры различных точек рабочего пространства в ЭПС периодического действия в каждый момент времени одинаковы или имеют определенные значения, однако могут изменяться во времени.

В ЭПС прямого действия происходит выделение теплоты в твердых или жидких телах, включенных непосредственно в электрическую цепь, при протекании по ним электрического тока.

Рис.В.2 Классификация электрических печей сопротивления

ЭПС состоят из следующих основных частей:

.Футеровка печи, состоящая из огнеупорной и теплоизоляционной части.

.Каркас печи.

.Жароупорные детали для поддержания или перемещения нагреваемых изделий в печи.

.Нагревательные элементы и их крепление.

Цель дипломного проекта - определение энергетических характеристик проектируемой установки, конструкция и основные узлы которой приняты на основании действующей печи, а также модернизация схемы управления. В наше время рыночных отношений конкурентоспособность предприятия на рынке, а следовательно его рентабельность, на прямую зависит от себестоимости выпускаемой продукции. Установка тиристорного преобразователя вместо контактора в схеме управления должна снизить затраты на расходные материалы и электроэнергию, и следовательно, получить экономический эффект. Целесообразность внедрения необходимо подтвердить расчетом срока окупаемости.

1. Электрические печи сопротивления периодического действия

Широкое распространение электропечей периодического действия (садочных электропечей) обусловлено сравнительной простотой их конструкции, относительно невысокой стоимостью и постоянно увеличивающимся объемом проведения общепромышленных процессов термической обработки в условиях мелкосерийного производства, ремонтно-восстановительных, инструментальных участков[8]. Наиболее распространенные виды электрических печей сопротивления представлены на рис.1.1.

Рис.1.1 Основные виды электрических печей сопротивления

Диапазоны параметров общепромышленных печей - номинальная температура от 250 до 1500°С; размеры и масса обрабатываемых садок соответственно от 300 мм до 3 м и от 80 кг до 10 т - отличают общепромышленные электропечи, с одной стороны, от лабораторных и других специальных электропечей, с другой стороны, от крупногабаритных садочных электропечей, предназначенных для многотоннажных изделий (например, в металлургической промышленности или тяжелом машиностроении); атмосфера в рабочем объеме печи - воздушная или специальная контролируемая, в том числе защитная[8].

В промышленных ЭПС могут осуществляться три группы процессов, связанных с нагреванием металла при проведении которых целесообразно применение контролируемых атмосфер: термическая обработка изделий, химико-термическая обработка изделий и специальные технологические процессы.

При термической обработке посредством нагрева до определенной температуры и последующего охлаждения производят желаемое изменение строения металла с целью получения нужных свойств. При высокой температуре происходит взаимодействие поверхности металла с атмосферой электропечи и в первую очередь, окисление. При обработке сталей одновременно происходит обезуглероживание поверхности. Интенсивность этих двух процессов зависит от температуры, состава обрабатываемой стали и состава атмосферы печи[10].

ЭПС типа «Миксер», косвенного нагрева, среднетемпературная, предназначена для усреднения и рафинирования расплава алюминия, отстоя его и розлива.

ЭПС косвенного нагрева являются наиболее массовыми представителями электротермического оборудования и вместе с тем весьма разнообразны по технологическому назначению и конструкциям.

Для печи периодического действия (садочной) характерно неизменное положение нагреваемого тела (садки) в течение всего времени пребывания в печи. Цикл работы печи включает загрузку, тепловую обработку по заданному режиму и выгрузку. Печь может работать круглосуточно (тогда циклы непрерывно следуют друг за другом) или с перерывами - в одну или две смены.

Среднетемпературные печи имеют верхнюю температурную границу 1200 - 1250°С, определяемую возможностью применения для нагревательных элементов специальных сплавов сопротивления. Технологические применения этих печей весьма обширны. В средне- и высокотемпературных печах теплообмен внутри печи осуществляется в основном излучением, а доля конвективного теплообмена незначительна. Основные схемы садочных печей представлены на рис.1.2.

Рис.1.2 Схемы печей периодического действия а - камерная с загрузкой через окно; б - камерная с выдвижным подом; в - шахтная; г - элеваторная; д - колпковая. 1 - каркас печи с футеровкой; 2 - нагреваемые тела (загрузка); 3 - дверца; 4 - загрузочный проем (окно); 5 - выдвижной под; 6 - рельс; 7 - крышка; 8 - опускающийся под; 9 - механизм опускания; 10 - стенд; 11 - съемный колпак.

Проектируемая печь относится к плавильным электрическим печам сопротивления. Эти не отличаются таким разнообразием типов, как термические, что вполне естественно, учитывая однообразие формы обрабатываемого продукта. Из металлов с большей температурой плавления в печах сопротивления плавят алюминий, магний и их сплавы. Для плавления магниевых сплавов, таких как электрон, применяются обычно тигельные(шахтные) печи с узким высоким тиглем из жароупорной стали и с внешним обогревом. Для переплавки алюминия требуются, наоборот, печи с плоской формой ванны, так как это облегчает удаление при переплавке из металла окклюдированных в нем газов. Поэтому для плавления алюминия в больших количествах применяются печи камерного или ванного типа (рис.1.3), в которых металл расплавляется непосредственно в футеровке.

Применение ЭПС для плавки алюминия и его сплавов позволяет лучше по сравнению с пламенными и индукционными печами того же назначения проводить процессы рафинирования. Поэтому эти ЭПС получили наибольшее распространение при производстве высококачественных алюминиевых отливок.

К преимуществам плавильных ЭПС следует отнести также сравнительную простоту конструкции.

Основными недостатками электропечей подобного типа следует считать низкую производительность в связи с повышенной длительностью плавки, невысокую стойкость нагревательных элементов и футеровки.

Удельный расход электроэнергии при плавлении алюминия в ванных ЭПС составляет 600 - 650 кВт×ч/кг, а КПД таких печей 60 - 65 % .

Печи ванного типа состоят из одной или двух форкамер и собственно ванны или металлоприемника ( рис.1.3).

Рис.1.3 Ванная электропечь для плавления алюминия 1 - ванна печи; 2 - форкамера; 3 - загрузочное окно; 4 - летка; 5 - привод наклона печи; 6 - нагревательные элементы.

Форкамеры представляют собой наклонные плоскости, обращенные скатом к ванне, на которые загружается расплавляемый металл, и он по мере плавления стекает в металлоприемник, в то время как окислы остаются на поду форкамеры. По расплавлении всего металла и после требуемой технологической выдержки печь наклоняется на роликах и металл выливается из летки в раздаточные тигли или в изложницы. Более крупные печи применяют для переплавки алюминия на слитки, в этом случае металл выливается из печи в специальные изложницы. Нагреватели в такого рода печах расположены под сводом, и нагрев металла осуществляется сверху вниз излучением. При такой конструкции благодаря малому коэффициенту поглощения алюминия между ним и нагревателями образуется большая разность температур (200-250°С), вследствие чего нихром работает в этих печах при предельной температуре. Поэтому необходимо при расчете нагревателей таких печей брать пониженную удельную поверхностную мощность. Кроме того, в целях защиты от брызг жидкого алюминия, интенсивно разъедающего нихром, нагреватели часто утапливают в пазах специальных фасонных сводовых камней, что еще более затрудняет теплопередачу от нагревателей к алюминию. Печи для плавления алюминия выпускаются нашими заводами мощностью от 90 до 600 кВт[21].

электрический печь тиристорный привод

2. Проектно-расчетная часть

.1 Тепловой расчет печи

Целью теплового расчета электрической печи обычно служит определение ее потребной и установленной мощности, а также определение ее тепловых параметров, в том числе удельного расхода электроэнергии, теплового коэффициент полезного действия и времени разогрева печи.

Если же установленная мощность печи известна, то в результате теплового расчета определяется возможная производительность и тепловые параметры печи.

Основное содержание теплового расчета заключается в составлении теплового баланса печи, включающего все статьи расхода и прихода тепловой энергии или тепловой мощности печи.

Строгий расчет тепловых потерь через многослойную стенку осложняется тем, что величины коэффициентов теплопроводности, зависящие от температуры, должны приниматься условно по предварительно намеченным температурным перепадам в отдельных слоях футеровки с последующей проверкой и уточняющим пересчетом[1].

Значения коэффициентов теплопроводности принимаю по справочным данным литературы - [12], [8].

В ЭПС основными составляющими тепловых потерь являются потери через футеровку пода, боковых стен и свода, потери через рабочее окно, загрузочное отверстие.

Расчет площади поверхности пода

Графическое изображение поверхности футеровки представлено на рис.2.1

Рис.2.1 Футеровка пода

Площадь наклонной поверхности пода рассчитываю по формуле , где a - высота наклонной части, b - длина наклонной части, с - ширина наклонной части. Площадь горизонтальной поверхности пода , где - длина футерованной ванны, и - длины наклонных частей, с - ширина футерованной ванны.

Площадь внутренней поверхности пода:

; (2.1)

; (2.2)

; (2.3)

, (2.4)

где , - площадь внутренней поверхности наклонной части пода;

- площадь внутренней поверхности горизонтальной части пода.

Площадь поверхности пода на границе магнезит - шамотный порошок:

; (2.5)

; (2.6)

, (2.7)

где - толщина слоя магнезитового кирпича.

, - площадь поверхности наклонной части пода на границе магнезит - шамотный порошок;

- площадь поверхности горизонтальной части пода на границе магнезит - шамотный порошок.

; (2.8)

==; (2.9)

- площадь поверхности на границе шамотный порошок - слой шамотного кирпича.

- площадь поверхности на границе слой шамотного кирпича - слой диатомитового кирпича.

Площадь наружной поверхности пода:

; (2.10)

; (2.11)

; (2.12)

,(2.13)

где , - площадь наружной поверхности наклонной части пода;

- площадь наружной поверхности горизонтальной части пода.

Определение площадей расчетных поверхностей:

Слой магнезитового кирпича:

; (2.14)

Слой шамота:

; (2.15)

Слой диатомитового кирпича:

; (2.16)

Слой асбеста:

. (2.17)

Тепловой расчет пода [12]

Толщина слоя огнеупора (кирпич магнезитовый):

Толщина слоя шамотного порошка:

Толщина слоя шамотного кирпича (ШБ-1):

Толщина слоя диатомитового кирпича (К-2):

Толщина слоя асбеста:

Температура внутренней поверхности футеровки (рабочего пространства печи):

Температура между слоями огнеупора и шамотного порошка:

Температура между слоями шамотного порошка и шамотного кирпича (ШБ-1):

Температура между слоем шамотного кирпича (ШБ-1) и слоем диатомитового кирпича (К-2):

Температура между слоем диатомитового кирпича (К-2) и слоем асбеста:

Температура окружающей среды

Слой из магнезитового кирпича,[8]:

Коэффициент теплопроводности:

, (2.18)

где - средняя температура слоя

Слой шамотного порошка,[8]:

Коэффициент теплопроводности:

, (2.19)

где -средняя температура слоя

Слой шамотного кирпича, [8]:

Коэффициент теплопроводности:

, (2.20)

где - средняя температура слоя.

Слой диатомитового кирпича:

Материал: диатомит марки 500 ,[1]

Коэффициент теплопроводности:

, (2.21)

где - средняя температура слоя.

Слой из асбеста:

Материал: картон асбестовый [8]

Коэффициент теплопроводности:

, (2.22)

где - средняя температура слоя.

Мощность потерь через под печи

(2.23)

Распределение температур между слоями при :

, (2.23)

где - мощность потерь, Вт,

- толщина соответствующего слоя футеровки,

- коэффициент теплопроводности соответствующего слоя футеровки,

- расчетная площадь поверхности соответствующего слоя футеровки.

.; (2.24)

.; (2.25)

; (2.26)

. (2.27)

Расчет площади поверхности футеровки стенки печи

Графическое изображение поверхности футеровки представлено на рис.2.2

Площадь поверхности футеровки стенки печи находится по формуле , где - высота футеровки.

Расчет внутренней поверхности:

.; (2.28)

; (2.29)

Рис.2.2 Футеровка стенки печи

где - высота расчетной части футеровки,

- длина расчетной части футеровки.

, (2.30)

где , - площадь внутренней поверхности стенок футеровки правой стороны.

.; (2.31)

; (2.32)

; (2.33)

, (2.34)

где , , - площадь внутренней поверхности стенок футеровки левой стороны.

Суммарная площадь внутренней поверхности стенок футеровки:

. (2.35)

Расчет площади на границе магнезит - плита муллито-кремнеземистая:

.; (2.36)

, (2.37)

где - ширина соответствующего слоя футеровки пода.

, (2.38)

где , - площадь поверхности стенок футеровки правой стороны на границе магнезит - плита муллито-кремнеземистая.

.; (2.39)

; (2.40)

; (2.41)

, (2.42)

где , , - площадь поверхности стенок футеровки левой стороны на границе магнезит - плита муллито-кремнеземистая.

Суммарная площадь поверхности стенок футеровки на границе магнезит - плита муллито-кремнеземистая:

. (2.43)

Расчет площади на границе плита муллито-кремнеземистая - кирпич диатомитовый:

.; (2.44)

; (2.45)

, (2.46)

где , - площадь поверхности стенок футеровки правой стороны на границе плита муллито-кремнеземистая - кирпич диатомитовый.

.; (2.47)

; (2.48)

; (2.49)

, (2.50)

где ,

, , - площадь поверхности стенок футеровки левой стороны на границе плита муллито-кремнеземистая - кирпич диатомитовый.

Суммарная площадь поверхности стенок футеровки на границе плита муллито-кремнеземистая - кирпич диатомитовый:

. (2.51)

Расчет площади наружной поверхности:

; (2.52)

, (2.53)

где , - площадь наружной поверхности стенок футеровки левой и правой стороны стороны.

Определение расчетных поверхностей:

Слой магнезитового кирпича:

; (2.54)

Слой муллито-кремнезема:

; (2.55)

Слой диатомитового кирпича:

; (2.56)

Слой асбеста:

. (2.57)

Тепловой расчет боковых стенок печи,[12]:

Толщина слоя огнеупора(магнезитовый кирпич):

Плита муллито-кремнеземистая (2 слоя):

Кирпич диатомитовый:

Толщина слоя асбеста:

Температура внутренней поверхности футеровки:

Температура между слоями магнезитового кирпича и первым слоем утеплителя (плита муллито-кремнеземистая (2 слоя)):

Температура между слоями муллито-кремнезема и диатомита:

Температура между слоем диатомитового кирпича (К-2) и слоем асбеста:

Температура окружающей среды:

Слой из магнезитового кирпича,[8]:

Коэффициент теплопроводности:

, (2.58)

где - средняя температура слоя.

Плита муллито-кремнеземистая,[8]:

, (2.59)

где - средняя температура слоя.

Слой диатомитового кирпича:

Материал: диатомит марки 500,[1]

Коэффициент теплопроводности:

, (2.60)

где - средняя температура слоя.

Слой из асбеста:

Материал: картон асбестовый ,[8]

Коэффициент теплопроводности:

, (2.61)

где - средняя температура слоя.

Мощность потерь через стенки

(2.62)

Распределение температур между слоями при :

; (2.63)

где - мощность потерь, Вт,

- толщина соответствующего слоя футеровки,

- коэффициент теплопроводности соответствующего слоя футеровки,

- расчетная площадь поверхности соответствующего слоя футеровки.

.; (2.64)

; (2.65)

. (2.66)

Расчет площади поверхности футеровки заливочного кармана

Графическое изображение поверхности футеровки представлено на рис.2.3

Площадь поверхности футеровки заливочного кармана рассчитываю по формуле

где - высота футеровки кармана, - длина футеровки.

Рис 2.3 Футеровка заливочного кармана

Расчет внутренней поверхности стенок футеровки кармана:

; (2.67)

; (2.68)

; (2.69)

,(2.70)

где , , - площадь внутренней поверхности стенок заливочного кармана.

Под кармана (внутренняя поверхность):

. (2.71)

Суммарная площадь внутренней поверхности футеровки кармана:

; (2.72)

Расчет площади стенок кармана на границе магнезит-шамотный порошок:

; (2.73)

; (2.74)

; (2.75)

,(2.76)

где , , - площадь поверхности стенок заливочного кармана на границе магнезит-шамотный порошок.

Под кармана (граница: магнезит-шамотный порошок):

. (2.77)

Суммарная площадь поверхности футеровки кармана на границе магнезит-шамотный порошок:

; (2.78)

Расчет площади стенок кармана награнице шамотный порошок-диатомит:

; (2.79)

; (2.80)

; (2.81)

, (2.82)

где , , - площадь поверхности стенок заливочного кармана на границе шамотный порошок-диатомит.

Под кармана (граница: шамотный порошок-шамотный кирпич):

. (2.83)

Суммарная площадь поверхности футеровки кармана на границе шамотный порошок-шамотный кирпич:

; (2.84)

. (2.85)

Расчет площади футеровки наружной поверхности кармана:

; (2.86)

; (2.87)

; (2.88)

, (2.89)

где , , - площадь наружной поверхности стенок заливочного кармана.

Под кармана(наружная поверхность):

. (2.90)

Суммарная площадь наружной поверхности футеровки кармана:

; (2.91)

. (2.92)

Определение расчетных поверхностей:

Слой магнезитового кирпича:

. (2.93)

Слой шамота:

. (2.94)

Слой диатомитового кирпича:

. (2.95)

Слой асбеста:

. (2.96)

Тепловой расчет заливочного кармана,[12]:

Толщина слоя огнеупора (кирпич магнезитовый):

Толщина слоя шамотного порошка:

Толщина слоя шамотного кирпича (ШБ-1):

Толщина слоя диатомитового кирпича (К-2):

Толщина слоя асбеста:

Температура внутренней поверхности футеровки (рабочего пространства печи):

Температура между слоями огнеупора и шамотного порошка:

Температура между слоями шамотного порошка и шамотного кирпича (ШБ-1):

Температура между слоем шамотного кирпича (ШБ-1) и слоем диатомитового кирпича (К-2):

Температура между слоем диатомитового кирпича (К-2) и слоем асбеста:

Температура окружающей среды:

Слой из магнезитового кирпича,[8]:

Коэффициент теплопроводности:

, (2.97)

Слой шамотного порошка,[8]:

Коэффициент теплопроводности:

, (2.98)

где -средняя температура слоя.

Слой шамотного кирпича,[8]:

Коэффициент теплопроводности:

, (2.99)

где - средняя температура слоя.

Слой диатомитового кирпича:

Материал: диатомит марки 500,[1]

Коэффициент теплопроводности через под кармана:

, (2.100)

где - средняя температура слоя.

Коэффициент теплопроводности через стенки кармана:

, (2.101)

где - средняя температура слоя.

Слой из асбеста:

Материал: картон асбестовый,[8]

Коэффициент теплопроводности

, (2.102)

где - средняя температура слоя.

Мощность потерь через загрузочный карман

(2.103)

Распределение температур между слоями при :

; (2.104)

где - мощность потерь, Вт,

- толщина соответствующего слоя футеровки,

- коэффициент теплопроводности соответствующего слоя футеровки,

- расчетная площадь поверхности соответствующего слоя футеровки.

.; (2.105)

; (2.106)

(2.107)

; (2.108)

Расчет площади поверхности футеровки свода печи

Графическое изображение поверхности футеровки представлено на рис.2.4

Рис. 2.4 Футеровка свода печи

Свод (внутренняя поверхность):

Размер арочной составляющей площади:

, (2.109)

где - высота(длина) арочной составляющей.

- радиус кривизны арки.

, (2.110)

где - количество проемов в своде.

Свод (граница: шамотный кирпич - диатомитовый кирпич):

. (2.111)

Свод (граница: диатомитовый кирпич - муллито-кремнезем):

. (2.112)

Свод (граница: муллито-кремнезем - минеральная вата):

; (2.113)

Свод (наружная поверхность):

; (2.114)

; (2.115)

; (2.116)

где , , - площадь наружных поверхностей свода.

Определение расчетных поверхностей:

Слой шамота:

; (2.117)

Слой диатомита:

; (2.118)

Слой муллито-кремнезема:

; (2.119)

Слой минеральной ваты:

; (2.120)

Слой асбеста:

; (2.121)

Тепловой расчет свода печи,[12]:

Толщина слоя шамотного кирпича:

Толщина слоя диатомитового кирпича:

Плита муллито-кремнеземистая (2 слоя):

Минеральная вата:

Толщина слоя асбеста:

Температура внутренней поверхности футеровки:

Температура между слоями шамотного кирпича и диатомитового кирпича:

Температура между слоями диатомитового кирпича и муллито-кремнезема:

Температура между слоями муллито-кремнезема и минеральной ваты:

Температура между слоями минеральной ваты и асбеста:

Температура окружающей среды:

Слой шамотного кирпича,[8]:

Коэффициент теплопроводности:

, (2.122)

где - средняя температура слоя.

Слой диатомитового кирпича:

Материал: диатомит марки 500,[1]

Коэффициент теплопроводности:

, (2.123)

где - средняя температура слоя.

Плита муллито-кремнеземистая,[8]:

, (2.124)

где - средняя температура слоя.

Слой минеральной ваты,[8]:

Коэффициент теплопроводности:

, (2.125)

где - средняя температура слоя.

Слой из асбеста:

Материал: картон асбестовый ,[8]

Коэффициент теплопроводности:

, (2.126)

где - средняя температура слоя.

Мощность потерь через свод

(2.127)

Распределение температур между слоями при

; (2.128)

где - мощность потерь, Вт,

- толщина соответствующего слоя футеровки,

- коэффициент теплопроводности соответствующего слоя футеровки,

- расчетная площадь поверхности соответствующего слоя футеровки.

; (2.129)

; (2.130)

; (2.131)

. (2.132)

Расчет суммарных потерь теплопроводностью через футеровку печи

, (2.133)

где - мощность потерь через под печи.

- мощность потерь через стенки печи.

- мощность потерь через загрузочный карман печи.

- мощность потерь через свод печи.

Расчет потерь конвекцией через открытый проем форкамеры

Тепловые потери через загрузочный проем и проем открытой форкамеры определяются составляющими теплообмена печного пространства и окружающей среды - конвективной и излучения. Конвективную составляющую (за счет газообмена между печной камерой и окружающим пространством) определяют на основе экспериментальной формулы Доброхотова[8].

, (2.134)

где - площадь сечения проема фркамеры.

- высота проема форкамеры.

- средняя температура камеры печи.

глубина проема форкамеры.

- время, в течение которого форкамера открыта.

- время нагрева металла в ванне печи.

. (2.135)

Расчет потерь излучением через открытый проем форкамеры, [12]

, (2.136)

где - приведенный коэффициент излучения.

- температура в камере печи.

- температура окружающего воздуха.

- коэффициент диафрагмирования, учитывающий глубину проема и экранирующее действие его стенок;

Расчет потерь конвекцией через открытый проем загрузочного кармана

, (2.137)

где - площадь сечения проема кармана.

- высота проема кармана.

- средняя температура камеры печи.

- глубина проема кармана.

- время, в течение которого карман открыт.

- время нагрева металла в ванне печи.

Расчет потерь излучением через открытый проем загрузочного кармана

, (2.138)

где - приведенный коэффициент излучения.

- температура в пространстве загрузочного кармана.

- температура окружающего воздуха.

- коэффициент диафрагмирования, учитывающий глубину проема и экранирующее действие стенок загрузочного кармана.

Расчет суммарных потерь излучением и конвекцией

.2 Расчет мощности печи

Расчет полезной мощности, расходуемой на подогрев металла

Полезное тепло, расходуемое на нагрев загрузки, может выражаться либо в виде энергии, если речь идет о нагреве определенного количества материала безотносительно ко времени, либо в виде мощности, если речь идет о нагреве определенного количества материала в единицу времени[1].

- энтальпия жидкого алюминия при ;

- удельная теплоемкость алюминия в жидком состоянии;

- масса нагреваемого алюминия;

- конечная температура нагрева;

- начальная температура нагрев;

- время, за которое металл нагревается до конечной температуры.

. (2.140)

Расчет потребляемой мощности

Для определения потребной мощности садочной печи необходимо помимо данных теплового баланса знать время, в течение которого должна выделяться максимальная потребная мощность. Обычно это время равно времени нагрева загрузки; одновременно с загрузкой необходимо нагревать вспомогательные устройства, компенсировать тепловые потери печи, а в случае необходимости нагревать или подогревать остывшую футеровку [1].

- мощность потерь через футеровку печи.

- мощность потерь через рабочие проемы печи излучением и конвекцией.

- полезная мощность, расходуемая на нагрев металла.

. (2.141)

Расчет установленной мощности

При выборе установленной мощности печи следует иметь в виду, что излишняя установленная мощность не только не дает повышения удельного расхода энергии, но, наоборот, в ряде случаев позволяет снизить расход энергии за счет возможности форсирования режима нагрева и сокращения длительности разогрева печи[1].

(2.141)

где = 1,25 - коэффициент избытка мощности (коэффициент запаса)[1], учитывающий постепенное увеличение (в результате окисления) сопротивления нагревательных элементов и, как следствие, уменьшение первоначально принятой мощности, а также изменение свойств сплавов высокого сопротивления. В процессе эксплуатации возможно временное падение напряжения питающей сети, что тоже приводит к снижению мощности.

Расчет технико-экономических показателей

Время одного цикла состоит из следующих составляющих:

- время загрузки и выгрузки металла.

- время нагрева металла в печи от начальной до конечной температуры.

- время технологической выдержки.

- время цикла.

Производительность: ; (2.142)

Тепловой КПД печи: ; (2.143)

Удельный расход энергии: . (2.144)

Коэффициент полезного действия и удельный расход энергии в значительной мере отражают степень технико-экономического совершенства печи. Однако более показателен в этом отношении удельный расход энергии, поскольку он в явном виде характеризует тепловую эффективность печи.

.3 Расчет нагревательных элементов

Исходные данные:

- номинальная мощность печи;

- питающее напряжение.

Характеристики нагревателя из сплава Х20Н80,[8]:

- максимально-допустимая температура нагревателя;

- удельное сопротивление при температуре 700ºС;

- плотность нагревателя.

Тип соединения нагревателей - зиг-заг. Схема соединения - треугольник.

- температура металла в печи.

- температура камеры печи.

Площадь поверхности свода:

. (2.145)

Длина дуги арки свода:

. (2.146)

Для данной температуры печи, по графику [8],прилож.24, определяю допустимую удельную поверхностную мощность для идеального нагревателя при нагреве алюминия (рис.2.5).

Для ленточного зигзагообразного нагревателя, при нагреве алюминия( - коэффициент лучеиспускания),определю рекомендуемое отношение по [8]. Отсюда найду поверхностную мощность для реального нагревателя