К оценке температуры теплоотдающего тела при разработке температурного графика теплотехнологий нагрева и термообработки металла Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

т е п л о э н е р г е т и к а

УДК 669.041

К ОЦЕНКЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕПЛООТДАЮЩЕГО ТЕЛА ПРИ РАЗРАБОТКЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ГРАФИКА ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЙ НАГРЕВА И ТЕРМООБРАБОТКИ МЕТАЛЛА

Докт. техн. наук, проф. НЕСЕНЧУК А. П., кандидаты техн. наук РЫЖОВА Т. В., КРАЕЦКАЯ О. Ф., магистры техн. наук КОВАЛЕВ С. С., БЕГЛЯК А. В.

Белорусский национальный технический университет, ОАО «Минский автомобильный завод», УП «Авторемпромпроект»

При построении (разработке) температурного графика нагрева металла под горячее формообразование и термическую обработку существенное значение имеет температура теплоотдающего тела. Величина этой температуры наряду с интенсификацией процессов теплообмена может оказать пагубное влияние на качество нагрева высокоуглеродистых и легированных сталей, а также процесс дальнейшего формообразования (ковка, штамповка, прокатка).

Реализация температурного графика теплотехнологии нагрева начинается сразу же при оценке величины потока теплоты к поверхности садки, куда входит

С08 Пг,м

а =-

100

Т

м 100

" С°°8«кл,м

Тт (т

100

100

Т - Т

изл м

(1)

ал = С08 „г,

( Т

100

Т

м 100

при Тг,м,кл = Тпе

С08печ

Т

печ 100

Тм м

100

при 8 печ = 8

„г,м

(2)

где £„гм, вИклм - степени черноты (приведенные значения) системы тел,

участвующих в тепловом излучении «излучающий газ - поверхность металла» и «излучающая кладка (футеровка) - лучевоспринимающая поверхность металла»; Тг, Ткл, Тм - соответственно термодинамические темпера-

туры излучающих газов и кладки, а также поверхности нагреваемого металла; Тизл - температура излучающей системы; Тпеч - термодинамическая температура системы серых тел (температура печи, технологической зоны рабочего пространства), К.

Как видно из (1) и (2), нагрев садки (металлических заготовок или изделий) осуществляется за счет первичного источника энергии (продуктов сгорания органического топлива) и «переизлучателя» энергии футеровоч-ного слоя рабочей камеры технологической зоны. Иными словами, садка получает суммарный поток теплоты, температура которого называется температурой печи ¿печ.

Наряду с (1) и (2) существует расчетная формула, позволяющая с достаточной точностью для инженерных расчетов находить значение теплового потока, не прибегая к величинам 8Игм, 8Иклм и вИгми1, а следовательно,

и значениям угловых коэффициентов ф системы серых тел. Эта формула имеет вид [1]

С08м8г

-^(1 - 8г ) + 1

ю

- (1 -8г )0м +8г (1 -8м )]-

ю -1

т у ( т

печ _ м

100 I I100

Т™, - т.

(3)

где АТпеч(А^печ) - температурный напор печи, К.

Обычно значение Тпеч подчиняется неравенству Тм < Тпеч < Тг. Поскольку степень черноты печных газов (продуктов сгорания органического топлива) мала (вг = 0,08-0,35), а степень черноты поверхности футеровочного слоя кладки составляет величину порядка 0,80-0,95, значение температуры печи Тпеч весьма близко к Ткл. В ряде случаев неравенство Тм < Тпеч < Тг нарушается (Тг < Ткл), и несоблюдение этого условия приводит к нарушению реализации температурного графика в условиях промышленной эксплуатации печи (рис. 1).

Рис. 1. Температура излучающей футеровки печи с шагающими балками (относительно излучающих стен с таким же футеровочным покрытием), по данным С. С. Ковалева и Т. В. Рыжовой: 1 - излучающая футеровка (горелочные камни) с температурой 1530-1550 °С; 2 - то же с температурой 1135-1350 °С

Также нарушения сказываются при нагреве садки, когда Б1 > Б1кр. В этих случаях существенно растет время выдержки твыд и увеличивается удельный расход натурального топлива на нагрев. При этом определяющим скорость нагрева и величину потока теплоты на поверхность садки является поток от поверхности излучающего слоя футеровочного материала рабочей камеры.

С целью повышения точности расчетов при разработке температурного графика, который в конечном итоге ложится в основу составления теплового баланса печи и оценку удельного расхода натурального топлива на нагрев, запишем расчетные формулы для нахождения АГпеч(А^печ).

Теперь для плоскопараллельного расположения излучающей футеровки печи и нагреваемой поверхности садки запишем формулы для оценки приведенной степени черноты, входящей в (3).

Имеем в самом общем случае

8.8 + 8 .8. ф . + 8 8. ф.

г,ф г,м г,ф ф,м т м,ф г,м ф,м т ф,м / л\

8 «гФ, =-^-ф-(4)

8 . + 8. ф.

г,ф ф,м т ф,м

При Фм,м = 0 > Фм,ф = 1

8.8 + 8 8. ф.

г,ф г,м г,м ф,м тф,м

8пгф =-ф—. (5)

"г-ф-м 8 ф + 8ф фф г,ф ф,м т ф,м

При фм,м = 0 и фф,ф = 0 , а также фф,м = фм,ф будем иметь

8 .8 + 8 А8А + 8 8.

г,ф г,м г,ф ф,м г,м ф,м /^Ч

8 = —ф-^-(6)

"г,ф,м р I р

&г,ф ^ &ф,м

При подстановке в (1)-(3) приведенных значений 8ф,м, 8г,м и 8г,ф используем общеизвестные формулы [2]:

_ = 8ф8м (1 - 8г ) . (7)

ф,м = 1 -(1 - 8г )2 (1 - 8ф )(1 - 8м ) . ()

8г8м [1 + (1 - 8г )(1 - 8ф)] 8г8ф [1 + (1 - 8г )(1 - 8м )]

8гм = 1 -(1 - 8г )2 (1 - 8ф )(1 - 8м ) ' 8гф = 1 -(1 - 8г )2 (1 - 8ф )(1 - 8м ) .

Также представим связь между температурами печи ^еч и излучающих газов tг. Имеем

Т 4 - Т 4

печ м = К (О)

гр4 гр4 ~ печ' У '

г м

где Кпеч - коэффициент, устанавливающий связь между значениями приведенных степеней черноты системы серых тел.

Имеем

Т! = Т4 + (Т4 - тм4) Киеч . (10)

Определяем Киеч для плоскопараллельного расположения греющей футеровки и поверхности садки в соответствии с выражением

К _ ^Г,ф,м

печ

е..

м

При Фм,м * 0 и Фф,ф _ 0

Кпеч _ "Г--Т . (11)

ег +Фф,мем(1 -ем)

При Фм,м _ 0 и Фф,ф * 0

К _ ег [1 + фф,м(1 -егТ] (12)

печ ег +Фф,м(1 -ег) [1 -(1 -ег)(1 -ем)]' ' '

В (8) и (9) значения фф,м находятся в соответствии с [2, с. 315].

Формулы, аналогичные (11)-(13), могут быть предложены для цилиндрической полости.

Расчеты, связанные с оценкой температуры печи ¿печ, указывают, что при построении температурного графика и его практической реализации нужно в качестве температуры излучателя использовать значение ¿печ. Как правило, это значение подчиняется неравенству tф > ^еч > ^. Только в исключительных случаях, когда вг = 1 и фпеч _ 1, имеем tпеч _ 1т (ТЛеч _ Тг) . В действительности ег □ (0,1-0,3). Тогда Тпеч > Тг (tпеч > tг) (рис. 1).

В Ы В О Д

В работе рассмотрена методика оценки температуры теплоотдающего тела ^еч, учитывающая температуры излучающей поверхности футеровки самой нагреваемой садки ^ и излучающих газов tг.

Приводится формула для расчета температуры теплоотдающего тела «газ - футеровка (кладка) - металл».

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. В ы с о к о т е м п е р а т у р н ы е теплотехнологические процессы и установки: учеб. пособие / А. П. Несенчук [и др.]; под общ. ред. В. Г. Лисиенко. - Минск: Вышэйш. шк., 1988. - 320 с.

2. Т е п л о- и м а с с о о б м е н: учеб. пособие: в 2 ч. - Ч. 1 / Б. М. Хрусталев [и др.]; под общ. ред. А. П. Несенчука. - Минск: БНТУ, 2007. - 606 с.

Представлена кафедрой ПТЭ и ТТ Поступила 06.12.2010