» » Два пути расчета размеров пламенной печи
02.06.2015

Теплопередача в пламенных печах происходит в основном лучеиспусканием.
Инженерные методы расчета процесса лучистого обмена возникли лишь в 30-х годах нашего столетия и для конкретных условий рабочего пространства заводской печи относительно сложны. Поэтому до самого последнего времени выбор площади пода (или сечений шахты) металлургических печей Р производили, исходя из необходимой производительности агрегата Р, т/час, и практических величин удельных проплавов р. т/м2*час:
Два пути расчета размеров пламенной печи

а высоту плавильного пространства (или шахты) принимали по аналогии с существующими печами.
В основе подобного статистического метода расчета лежат величины, взятые из практики действующих агрегатов и являющиеся результатом плавления в печи данной конструкции и при вполне определенном тепловом режиме шихты определенных свойств, загружаемой тем или иным методом. Очевидно, что при изменении тех или иных условий работы и, тем более, всей их совокупности статистический метод расчета печей может дать только крайне приближенные результаты.
Определение размеров рабочего пространства печи, на основании законов теплопередачи, также пока еще нельзя считать вполне точным. Однако поскольку этот метод базируется на общеизвестных физических законах и учитывает условия сгорания топлива, коэффициенты лучеиспускания пламени, шихты, шлака, кладки, геометрические условия теплообмена и пр., он позволяет оценивать влияние каждого из основных факторов на протекание процессов нагрева и плавления и устанавливать взаимосвязь действия различных факторов. Это открывает возможности сознательного влияния на происходящие в агрегате тепловые процессы и улучшения его конструкции (см. рис. 14 и 15).
При расчете размеров печи, обеспечивающих заданную производительность, необходимо согласованное решение двух задач теплопередачи: внешней и внутренней.
Внешняя задача требует создания таких условий теплообмена, при которых обеспечивается подвод к шихте в 1 час количества тепла Qпл необходимого для нагрева, плавления и перегрева Р, т. шихты:
Два пути расчета размеров пламенной печи

Внутренняя задача теплопередачи состоит в том, чтобы найти время т, час., необходимое для прогрева и расплавления слоя шихты, толщина которого х0 обеспечивает часовую производительность печи Р, т. Совершенно очевидно, что толщина эта
Два пути расчета размеров пламенной печи

Для обеспечения производительности печи Р необходимо в дальнейшем через каждые т час. загружать в печь слой шихты толщиной х0. При проектировании печи с заданной производительностью Р можно, задавшись площадью f, занимаемой шихтой, найти толщину загружаемых каждый раз слоев х0 и интервал между загрузками т, или же, задавшись х0 и найдя т, определить величину f.
При таких чисто физических процессах, как переплавка катодного цинка, когда никакие металлургические реакции протекать не должны, тепловые расчеты дают точный ответ на вопрос о необходимом времени пребывания материала в печи.
При нагреве тонких изделий, обладающих хорошей теплопроводностью (например, пластин красной меди), тепло после его восприятия поверхностью очень быстро распространяется внутри материала и температура средних слоев почти не отличается от поверхностной. Поэтому здесь скорость нагрева и производительность печи лимитирует только внешняя задача теплопередачи (от пламени или электроизлучателей к поверхности металла). При малотеплопроводных и толстых изделиях производительность печи лимитируется процессом распространения тепла внутри изделия.
В случае нагревательной печи находят время т, необходимое для равномерного прогрева слитка (см. ниже), причем учитывают физические свойства металла. Если вес слитка г, т, а площадь, занимаемая им на поду, равна f', м2, то в печи одновременно должно находиться
Два пути расчета размеров пламенной печи

Значительно сложнее обстоит дело при переработке обычной металлургической шихты. Время пребывания шихты в печи должно быть выбрано таким, чтобы в каждой частице шихты успели закончиться те технологические превращения, ради которых существует печь. Однако шихта состоит из неоднородного в минералогическом отношении основного материала, флюсов и оборотных материалов, имеющих различные гранулометрические характеристики и физические свойства, а в процессе плавления образуются новые жидкие и газообразные вещества, воздействующие на компоненты шихты. В таких сложных условиях рассчитать необходимое время пребывания шихты в плавильной печи на основании законов кинетики обычно не удается, и время это выбирают исходя из данных практики.
Это ни в какой мере не исключает, разумеется, необходимости поверочных расчетов прогрева частиц или слоев шихты в заданных условиях. Известно, что скорость большинства основных металлургических реакций сильнейшим образом зависит от температуры, которую имеет реагирующее вещество (закон Аррениуса). Так как в прогревающемся кусочке распределение температуры весьма неравномерно, то и скорость реакций на разных расстояниях от его поверхности будет различной и. кроме того, в каждой точке — переменной во времени. Следовательно, рассчитывая процесс прогрева сферической частицы шихты, мы можем определить время, когда температура, требующаяся для достаточно интенсивного протекания реакции, достигнет центра частицы. Это время, подсчитанное для наиболее крупной фракции шихты, позволит приближенно судить о необходимой длительности пребывания частиц шихты в печи. Почти всегда время, подсчитанное таким образом, будет большим, чем нужно для завершения реакции.
Объем (и площадь) ванны, наполненной расплавом, находят исходя из времени т', необходимого для перегрева расплава и расслоения его на металлическую и силикатную фазы, пользуясь, например, методом конечных разностей (см. ниже).
При расчетах необходимо учитывать совершенство расслаивания продуктов плавления, сильнейшим образом влияющее на безвозвратные потери металла с отвальным шлаком. Так как вязкость, т. е. подвижность расплава, весьма зависит от его температуры, то очень важно рассчитать температурные поля, например в массе, заполняющей шлаковый отстойник, чтобы соответствующим образом организовать его работу, избежать образования настылей, уменьшить содержание металла в отвальном шлаке и т. д.
Свободную высоту рабочего пространства печи определяют исходя из того, что газовый объем должен быть достаточен для сжигания в 1 час определенного количества топлива, т. е. по так называемой «видимой тепловом напряженности» ккал*10в3/м3*час. Газовое сечение печи должно быть таким, чтобы скорость газов не оказалась чрезмерной и это не привело бы к повышенному уносу пылеватой шихты. Вместе с тем следует иметь в виду, что принятая свободная высота рабочего пространства влияет на теплопередачу лучеиспусканием к шихте и ванне.