Проект термического отделения высокотемпературного отжига анизотропной электротехнической стали толщиной 0,35 мм. Годовая программа 150 тысяч тонн (стр. 14 из 22)
Qпр. = Qрасх.(3)
В электропечах Qпр. равно мощности печи, а расходное тепло определяется по статьям
Qрасх. = Qм + Qкл + Qну,(4)
где Qм – тепло, затраченное на нагрев металла, кВт;
Qкл – потери тепла теплопроводностью через кладку, кВт;
Qну – неучтенные потери, кВт.
Тепло, затраченное на нагрев металла, определяется по формуле
Qме = G ´ (C2tк – С1tн)/r,(5)
где G – масса садки, кг;
r – время нагрева металла, с;
С1, С2 – удельные теплоемкости металла соответственно при начальной и конечной температурах, кДж/(кг ´ °С);
tр, tк – начальная и конечная температуры металла, °С.
Потери тепла теплопроводностью через кладку определяем по формуле
Qкл =
,(6)где qкл – удельный тепловой поток через кладку, Вт/м2;
Fкл – площадь поверхности кладки, м2.
Площадь кладки печи
Fcтен = 2 ´ 2 ´ (4,88 + 1,6) = 25,92 м2
Fсвода = 4,88 ´ 1,6 = 7,81м2
Расчет плотности теплового потока q методом последовательного приближения и температур Т1 и Т2 на границах слоев кладки выполняется с применением IBM PS по программе, приведенной в [14].
Потери тепла через стену
Рис. 10. Схема слоев кладки стеныКладка печи
1. Огнеупорный слой – корунд:
lк = 0,710 + 0,000118t,
2. Теплоизоляционный слой – минеральная вата
lв = 0,063 + 0,0005t.
Данные, полученные при расчете по программе, приведенной в [14], температур на границах слоев и плотности теплового потока: Т1 = 552,04 °С, Т2 = 61 °С, q = 1351,17 Вт/м2.
Потери тепла через стены определяем по формуле
Q1 = q × Fстен, (7)
Подставив имеющиеся данные, получаем
Q1 = 1351,17 ´ 10 - 3 ´ 25,92 = 35,02 кВт.
Потери тепла через свод
Рис. 11. Схема слоев кладки сводаДанные, полученные при расчете по программе, приведенной в [14], температур на границах слоев и плотности теплового потока: Т1 = 699,8 °С, Т2 = 61 °С, q = 791,2 Вт/м2.
Потери тепла через свод определяются по формуле
Q2 = q × Fсвода(8)
Подставив имеющиеся данные, получаем
Q2 = 791,2 × 10 - 3 × 7,81 = 6,18 кВт.
Потери тепла через стенд принимаются равными 75% от потерей тепла через стены и свод и определяются по формуле
Q3 = 0,75 × (Q1 + Q2)(9)
Подставив имеющиеся данные, получаем
Q3 = 0,75 × (35,02 + 6,18) = 30,9 кВт.
Общие потери тепла через кладку теплопроводностью определяются по формуле
Qкл = Q1 + Q2 + Q3 (10)
Подставив имеющиеся данные, получаем
Qкл = 35,02 + 6,18 + 30,9 = 72,1 кВт.
Неучтенные потери составляют 10% от суммы всех статей расходной части и определяются по формуле
Qну = 0,1 × (Qм + Qкл)(11)
Подставив имеющиеся данные, получаем
Qну = 0,1 × (239,3 + 72,1) = 31,14 кВт.
Суммарный расход тепла
Qрасх = 239,3 + 72,1 + 31,14 = 342,54 кВт.
Коэффициент полезного действия печи
η =
× 100%,(12)Подставив имеющиеся данные, получаем
η = 239,3/342,54 × 100% = 69,86%.
3.3 Расчет электрических нагревателей
Электронагреватели колпака и стенда мощностью 650 кВт составляют три электрические зоны. Нагревательный колпак имеет две электрические зоны (II и III) по 250 ± 25 кВт, соединённые в " треугольник ". Стенд имеет одну зону мощностью 150 кВт, соединение в " звезду ". Напряжение питания 380 В, 50 Гц от сети переменного тока. Нагреватели должны работать при температуре 1300 °С в защитной среде. Они должны обеспечить длительную бесперебойную службу при заданном тепловом режиме. Поэтому необходимо выбирать материал нагревательных элементов в зависимости от температуры нагрева и характера среды, в которой должны работать нагреватели [15]. Выбираем:
материал – нихром Х25Ю5А;
удельное сопротивление – r = 1,46 Ом × мм2/м;
плотность – f = 7,19 г/см3.
Первая электрическая зона (стенд).
Однофазная электрическая сеть
Uл = 380 В, Pн = 150 кВт, Tраб =1200 °С, Тмах =1300 °С.
Мощность одного нагревателя
Рф = Рн/n,(13)
где n – число нагревателей, n = 3;
Рф = 150/3 = 50 кВт.
Фазовое напряжение
Uф = Uл(14)
Uф = 380 В.
Сила тока, проходящего через нагреватель
Jф = 103 × Pф/Uф(15)
Jф = 50 × 103/380 = 132 А.
Сопротивление электронагревателя
R = Uф2/1000Рф(16)
R = 2,9 Ом.
Диаметр нагревателя
d = (4 × 105 × r × Pф2/p2 × Uф2 × Y)1/3,(17)
где r - удельное сопротивление материала, Ом × мм2/м;
Pф – мощность печи, кВт;
Uф – фазовое напряжение, В;
Y – удельная поверхностная мощность нагревателя, Вт/см2;
d = 9,35 мм. Принимаем d = 10 мм.
Длина элемента сопротивления в одной ветви равна
L1 = R×S/r = p × d2 × R/4 × r;(18)
L1 = 3,14 × 102 × 2,9/4 × 1,46 = 155,92 м.
Масса нагревателя равна
M = f × L1 × p × d2/4 × 10 - 3 = 88 кг,(19)
где f – плотность нихрома, f = 7,19 г/см3;
L1 – длина нагревателя, см;
D – диаметр проволоки, мм.
Удельная поверхностная мощность W, Вт/см2
W = 100 × Рф/F = 100 × Рф/(p × d × L1);(20)
W = 100 × 50/3,14 × 1 × 15592 = 0,102 Вт/см2.
Удельная поверхностная мощность в пределах допустимой (0,102 < 1,46). Проволочные электронагреватели располагаем в печи в виде цилиндрических спиралей (рис. 12).
Рис. 12. Схема проволочного нагревателя: d – диаметр проволоки, D – диаметр спирали, h – шаг спирали, L – длина спирали
Для проволочных элементов сопротивления характерны 2 коэффициента
Кс = D/d – коэффициент сердечника, Кс = 5 [8, c. 9].
Км = h/d – коэффициент плотности намотки, Км = 4 [8, c. 9].
D = Кс × d(21)
D = 5 × 10 = 50 мм.
h = Км × d(22)
h = 4 × 10 = 40 мм.
Длина витка спирали
Lвит = p × D(23)
Lвит = 3,14 × 50 = 157 мм.
Длина выводов нагревателя
Lвыв = В + 100,(24)
где В – толщина стены печи, мм.
Lвыв = 300 + 100 = 400 мм.
Длина проволоки в спирали без вывода определяется по формуле
L1 = Lвит × n, (25)
где n – число витков.
Отсюда
n = 155,92 × 103/157 = 993 витка.
Площадь поверхности излучения спирали
Fпов = p × d × L1, (26)
Fпов = 3,14 × 10 × 10 - 3 × 155,92 = 4,9 м2.
3.4 Расчет количества оборудования по нормам времени и укрупненным показателям
Расчет основного оборудования производится на основании производственно программы, спроектированного технологического процесса термической обработки, режима работы отделения и фонда времени оборудования.
Необходимо различать календарный, номинальный и действительный фонды времени работы оборудования [16].
Полный календарный фонд времени равен
Фк = 365 × 24 = 8760 ч
Номинальный фонд времени – это количество часов в году в соответствии с режимом работы без учета потерь. Так как термическое отделение высокотемпературного отжига анизотропной электротехнической стали работает непрерывно, то номинальный фонд равен полному календарному, то есть
Фн = Фк = 8760 ч.
Действительный фонд времени равен тому времени, которое может быть полностью использовано для производства. Величина этого фонда равна номинальному фонду с вычетом потерь времени на простой оборудования, связанных с его ремонтом и наладкой
Фд = Фн - (ts - te),(27)
где Ts – технические простои, ч;
Te – технологические простои, ч.
Обычно сумма этих потерь принимается от 4 до 12% от номинального фонда времени [16].
Фд = 8760 - (8760 × 0,12) = 7708 ч.
За основу расчета по укрупненным показателям принимается удельная (часовая) производительность печей. Часовая производительность оборудования определяется по формуле
Q = G/τ,(28)
где Q – часовая производительность, кг/ч;
G – масса садки, кг;
τ – технологическое время, ч.
Q = 45000/250= 180 кг/ч.
Задолженность оборудования, т.е. время, необходимое для термической обработки изделия заданной программы, определяется по формуле
Z = W/Q,(29)
где Z – задолженность оборудования, ч;
W – годовая программа, кг.
Z = 150 × 106/180 = 833334 ч.
Количество единиц оборудования определяется по формуле
Пр = Z/Фд,(30)
где Пр – расчетное количество единиц оборудования, шт;
Фд – действительный годовой фонд времени работы оборудования, ч.
Пр = 833334/7708 = 108 шт.
Для того, чтобы коэффициент загрузки был в пределах нормы, принимаем, что для выполнения годовой программы в 1500000 тонн необходимо 130 печей.
Принятое количество печей Пп = 130 шт.
Для определения степени загруженности печей во времени рассчитывается коэффициент загрузки по формуле
Кз = Пр/Пп,(31)
Кз = 108/130 = 0,83.
Средний коэффициент загрузки оборудования по цеху должен составлять 75 – 85%. Данный коэффициент удовлетворяет этому условию.
В соответствии с годовой программой и принятым количеством основного оборудования определяем наличие в отделении высокотемпературного отжига дополнительного, силового и подъемно - транспортного оборудования.
К дополнительному оборудованию относятся: