Ниже приведен пример расчета камерной печи с выкатным подом для отжига слябов после горячей прокатки.
Исходные данные:
годовой объем производства Ргод = 30000 т;
годовой фонд рабочего времени Тгод= 6000 ч;
размеры нагреваемых слябов, м: длина l=4,85, ширина b = 1,1, толщина S= 0,145;
масса сляба М = 6 т;
качество металла — низколегированная марганцовистая сталь;
начальная температура металла 20°С (холодный посад);
режим термообработки: а) нагрев слябов при посадке в холодную печь до 750°С со скоростью 35—40°С/ч; б) выдержка при 750°С продолжительностью 8 ч; в) охлаждение слябов в печи подсосом наружного воздуха с 750 до 150°С; г) выдержки при 150°С продолжительностью 5 ч;
топливо — природный газ с теплотой сгорания Qр н=35 МДж/м3.
Таблица 1. Расчет теплообмена в рабочем пространстве печи в период нагрева
| П.п | Наименование, единица измерения | Обозначение | Расчетные участки | Примечания, расчетные формулы | |||
Температура металла в печи,  :
Начальная
Конечная
|
| ||||||
| Температура металла по участкам, :
Начальная
Конечная
Средняя
|
| Принимаем | |||||
| Температура продуктов сгорания, :
Начальная
Конечная
Средняя
|
| Принимаем | |||||
| Эффективная длина пути луча, м | l | 
| h=a=0,1 | ||||
| Коэффициент расхода воздуха в продуктах сгорания | 
| 1,1 | Принимаем | ||||
| Поправочный коэффициент для природного газа | 
| 0,9 | |||||
| Приведенная толщина слоя продуктов сгорания | 0,16 | 
| |||||
| Степень черноты продуктов сгорания | 
| 0,153 | 0,14 | 0,13 | 0,13 | ||
| Отношение высоты прокладки к ширине сляба a/b | 0,1/1,1=0,091 | ||||||
| Отношение длины слябп к его ширине l/b | 4,85/1,1=4,4 | ||||||
| Коэффициент взаимного облучения кладки | 
| 0,035 | |||||
Угловой коэффициент излучения кладки на металл 
| 0,482 | 
| |||||
| Коэффициенты: M A B | 0,9 0,149 0,601 | 0,896 0,135 0,613 | 0,895 0,126 0,621 | 0,895 0,126 0,621 |
| ||
| Удельный тепловой поток излучением на металл, Вт/м2 | 
| ||||||
| Коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 К): Излучением к металлу конвекцией |
| 7,6 | 25,6 | 66,3 | Принимаем | ||
| Вид теплообмена | Теплообмен излучением и конвекцией соизмерим | Преобладает теплообмен излучением | |||||
| Условный коэффициент теплоотдачи конвекцией в единицах коэффициента излучнием, Вт/(м2 К4) | 
| 0,532 | 0,362 | ||||
| Приведенный коэффициент излучения, Вт/(м2 К4) | 
| 2,04 | 1,88 | 1,78 | 1,78 | ||
| Приведенный коэффициент излучения с учетом конвекции, Вт/(м2 К4) | 
| 2,35 | 2,1 |
Таблицы 2. Расчет нагрева металла.
| П.п | Наименование, единица измерения | Обозначение | Расчетные участки | Примечания, расчетные формулы | |||
| Расчетная схема нагревания металла | Двусторонний нагрев в среде с постоянной температурой | ||||||
| Расчетная толщина сляба, м | Sрасч | 0,145/2=0,0725 | Двусторонний нагрев сляба | ||||
| Коэффициент теплопроводности металла при средней температуре на участке, Вт/(м К) | 
| 37,6 | 34,8 | 31,6 | |||
| Число Старка | Sk | 0,0081 | 0,0171 | 0,0286 | 0,0437 | ||
| Число Био | Bi | 0,0247 | 0,027 | 0,0292 | 0,0321 | ||
| Числовое значение соотношения для определения области «тонких» тел | 0,103 | 0,168 | 0,249 | 0,356 | |||
| Методика расчета нагрева металла | С раздельным учетом излучения и конвекции | По закону излучения | Табл. 1, п. 16 | ||||
| Формула для расчета продолжительности нагрева | 
| ||||||
| Средняя теплоемкость металла на участке кДж/(кг К) | см | 0,51 | 0,552 | 0,639 | 0,903 | ||
| Плотность металла, кг/м3 | 
| ||||||
| Относительная температура металла: В начале участка В конце | 
| 0,482 0,86 | 0,672 0,968 | 
| |||
| Отношение Bi/Sk: В начале участка В конце | 4,75 2,06 | 2,23 1,16 | |||||
| Температурный фактор: В начале участка В конце | Ф | 0,115 0,48 | 0,29 0,91 | ||||
| Температурный фактор, К-3 : В начале участка В конце | 
| 0,118 0,18 | 0,098 0,16 | ||||
| Продолжительность нагрева, ч: По участкам Общая по печи |
| 6,37 19,3 | 6,07 19,3 | 2,64 19,3 | 4,2 19,3 | Табл. 2, п. 8 | |
| Средняя скорость нагрева, /ч
| 
| (750-20)/19,3=38 | По заданию 35-40 /ч; режим нагрева выбран верно
|
Таблица 3. Статьи теплового баланса периода нагрева.
| П.п | Наименование, единица измерения | Обозначение | Вычисляемая величина | Примечания, расчетные формулы |
| Приход тепла | ||||
| Химическое тепло топлива, кВт | Qх | 
| ||
| Угар металла, % | a | 0,35 | Принимаем | |
| Тепло экзотермических реакций окисления железа, кВт | Qэкз | 
| ||
| Расход тепла | ||||
| Расход тепла на нагрев металла:
Температура металла, :
Начальная
Конечная
Средняя теплоемкость металла, кДж/(кг К)
Продолжительность нагрева, ч
Садка печи, т
Затраченное тепло, кВт
|
G
|
0,665
19,3
| ||
| Тепло уносимое уходящими продуктами сгорания:
Тепмература продутков сгорания,
Энтальпия продуктов сгорания, мДж/м3
Потери тепла, кВт
|
|
12,5
|
Принимаем
| |
| Потери тепла теплопроводностью через кладку:
Температура внутренней повернхности кладки,
Стен
Свода
Пода
Материал (толщина, мм) кладки:
Стен
Свода
Пода
Удельный тепловой поток через кладку, кВт/м2 :
Стен
Свод
Пода
Поверхность кладки, м2 :
Стен
Свода
Пода
Потери тепла, кВт:
Стен
Свода
Пода
Общие
|
| Шамот кл. Б (232) и диатомит Д-500 (116) Шамотный легковес ШЛ-1,3 (300) Шамот кл. А (348) и диатомит Д-500 (232) 0,58 0,87 0,32 90,5 62,0 62,0 52,5 53,9 | Принимаем усредненное значение за период нагрева | |
| Потери тепла на нагрев опорных устройств, кВт | 
| 
| Масса опорных устройств (прокладок) Gоп =9,4 т; остальные данные см. табл. 3 п. 4 | |
| Тепло аккумулированное кладкой:
Конечная температура внутренней поверхности кладки, :
Стен
Свода
Пода
Конечная температура наружной поверхности кладки, :
Стен
Свода
Пода
Средняя температура кладки в конце нагрева, :
Стен
Свода
Пода
Коэффициент теплоотдачи конвекцией от внутренней поверхности кладки к воздуху, Вт/(м2 К):
Стен
Свода
Пода
Полная продолжительность периода охлаждения кладки, ч
Полная толщина кладки, м:
Стен
Свода
Пода
Средний коэффициент теплопроводности кладки, Вт/(м К):
Стен
Свода
Пода
Эквивалентная теплопроводность кладки, Вт/(м К):
Стен
Пода
Число Био для внутренней поверхности кладки:
Стен
Свода
Пода
Теплоемкость материала кладки, кДж/(кг К):
Температуропроводность, м2/ч:
Шамот
Шамотный легковес
Диатомит
Эквивалентная температуропроводность кладки, м2/ч:
Стен
Свода
Пода
Число Фурье кладки:
Стен
Свода
Пода
Объем слоев кладки, м3 :
Стен
Свода
Пода
Масса слоев кладки, т:
Стен
Свода
Пода
Функция:
Стен
Свода
Пода
Функция:
Стен
Свода
Пода
Температура среды печи в конце периода охлаждения,
Усредненная температура среды печи за период нагрева и охлаждения,
Средняя температура кладки в конце периода охлаждения, :
Стен
Свода
Пода
Тепло аккумулированное кладкой, кВт:
Стен
Свода
Пода
Общее
Тепло, аккумулированное каркасом, кВт
Общая аккумуляция тепла печью, кВт
|
|
17,4
17,4
17,4
8,3+5+4=17,3
0,348
0,3
0,58
1,153-шамот кл. Б;
0,189-диатомит
0,643-ШЛ-1,3
1,165-шамот кл. А;
0,191-диатомит
0,348/(0,232/1,153+0,116/0,189)=0,427
0,58/(0,348/1,165+0,232/0,191)=0,383
0,92
0,0024
0,00194
0,0015
0,002
0,00194
0,0019
14,5-шамот кл. Б;
9,4-диатомит
18,0-ШЛ-1,3
18,1-шамот кл. А;
13,2-диатомит
0,11
0,028
0,27
0,37
0,42
0,3
20+(800-20)0,11+(450-20)0,37=269
20+(800-20)0,028+(450-20)0,42=223
20+(800-20)0,27+(450-20)0,3=360
|
Принимаем из условий скорости прососа воздуха 4-6 м/с и температуры воздуха от20 до 400 оС
Табл. 3, п. 6
Принимаем одинаковую для всей кладки
Принимаем
| |
| Неучтенные тепловые потери, кВт | 
| 
| ||
| Уравнение теплового баланса | 
| |||
| Расход газа на печь, м3/ч | 
| |||
| Химическое тепло топлива, кВт | 
| 
| Табл. 3, п. 1 | |
| Тепло, уносимое уходящими продуктами сгорания, кВт |
| 
| Табл. 3, п. 5 |
Таблица 4. Тепловой баланс периода нагрева.
| Приход тепла | Расход тепла | ||||
| Наименование | кВт | % | Наименование | кВт | % |
| 1. Химическое тепло топлива | 98,3 | 1.Нагрев металла | 42,4 | ||
| 2.Тепло окисления металла | 1,7 | 2. Тепло, уносимое продуктами сгорания | 35,1 | ||
| 3. Потери тепла теплопроводностью через кладку | 5,3 | ||||
| 4. Потери тепла на нагрев опорных устройств | 2,8 | ||||
| 5. Тепло, аккумулированное кладкой и каркасом печи | 8,5 | ||||
| 6. Неучтенные потери | 5,9 | ||||
| Итого | Итого |
Таблица 5. Статьи теплового баланса периода выдержки
| П.п | Наименование, единица измерения | Обозначение | Вычисляемая величина | Примечания расчетные формулы |
| Приход тепла | ||||
| Химическое тепло топлива, кВт |
|
| ||
| Угар металла, % | а | 0,1 | Принимаем | |
| Тепло экзотермических реакций окисления железа, кВт | 
| 
| ||
| Расход тепла | ||||
| Температура уходящих продуктов сгорания, оС |
| Принимаем | ||
| Потери тепла с уходящими продуктами сгорания, кВт |
| 
| Табл. 3, п. 5 | |
| Тепловые потери через кладку теплопроводностью, кВт |
| Табл. 3, п. 6 | ||
| Неучтенные тепловые потери, кВт |
| 
| ||
| Уравнение теплового баланса | 
| |||
| Расход газа на печь, м3/ч |
| 17,8 | ||
| Химическое тепло топлива, кВт |
| 
| Табл. 5, п. 1 | |
| Потери тепла с уходящими продуктами сгорания, кВт |
| 
| Табл. 5, п. 5 |
Таблица 6. Тепловой баланс периода выдержки.
| Приход тепла | Расход тепла | ||||
| Наименование | кВт | % | Наименование | кВт | % |
| 1. Химическое тепло топлива | 86,1 | 1. Тепло, уносимое продуктами сгорания | 30,8 | ||
| 2. Тепло окисления металла | 13,9 | 2. Потери тепла теплопроводностью через кладку | 62,7 | ||
| 3. Неучтенные потери | 6,5 | ||||
| Итого | Итого |
Таблица 7. Расчет числа и характеристик печей.
| П.п | Наименование, единица измерения | Обозначения | Вычисляемая величина | Примечания, расчетные формулы |
| Годовая производительность отделения, т | 
| Исходные данные | ||
| Годовой фонд рабочего времени, ч | 
| Исходные данные | ||
| Часовая производительность отделения, т/ч | 
| 30000/6000=5 | ||
| Полный производственный цикл работы печи, ч | 
| 19,3+8+8,3+5+4=44,6 | Табл. 4 | |
| Часовая производительность печи, т/ч | P | 144/44,6=3,23 | ||
| Число печей, шт | N | 
| 
| |
| Максимальная тепловая мощность печи (период нагрева), МВт | 
| 2,33 | Табл. 3, п. 12 | |
| Минимальная тепловая мощность (период выдержки), МВт | 
| 0,173 | Табл. 5, п. 10 | |
| Пределы регулирования | K | 
| 
| |
| Удельный расход тепла, кДж/кг | q | 
|
Задаемся обшей продолжительностью загрузки и разгрузки печи 
. Принимаем укладку садки на поду в четыре стопы: две по длине и две по ширине печи. В стопе 6 слябов, уложенных на 6 прокладок (из блюмов) толщиной a = 0,1 м; схема рабочего пространства печи с садкой приведена на рис. 11.3.
Тогда длина рабочего пространства печи L = 2l+2 . 0,2 + 0,4=2 . 4,85 + 2 . 0,2+0,4.10,5 м, где 0,2 м - зазор между торцевой стенкой и стопой, 0,4 м —зазор между стопами. Ширина рабочего пространства печи B=2b + 2 . 0,65+1,0=2 . 1,1+2 . 0,6+1,0=4,5 м, где 0.65 м-зазор между боковой стеной и стопой, 1,0 м —зазор между стопами. Высота рабочего пространства печи Н = 6S + 6a + 0,23 = 6 • 0,145 + 6 . 0,1+0.23=1,7 м, где 0,23 м –зазор между сводом и стопой. Садка печи G = 6 
4M= 
= 144 т.
Изменением температуры продуктов сгорания и кладки задаемся (см. рис.).
Расчет теплообмена в рабочем пространстве печи в период нагрева приведен в табл.1, а расчет нагрева металла — в табл.2.
Статьи теплового баланса печи и расчет расхода топлива в период нагрева даны в табл.3, а тепловой баланс периода нагрева — в табл. 4.
Статьи теплового баланса печи и расчет расхода топлива в период выдержки приведены в табл. 5, а тепловой баланс периода выдержки — в табл.6.
Расчет необходимого числа и характеристик печей представлен в табл.7.
Следует учитывать, что расчет дает нам средний расход топлива за период нагрева в то время как текущий расход топлива сильно меняется с течением времени и особенно велик в начальный период нагрева. Поэтому для более правильного определения тепловой мощности почти необходимо составить тепловой баланс и определить расход топлива на I расчетном участке.