Нагрівання і плавлення металів

Нагрівання та плавлення легкоплавких металів.

Більшість технологічних процесів, пов'язаних з плавленням металів, передбачає попереднє нагрівання плавильних тиглів.

Приклад.

Сталевий плавильний тигель масою 61.4 кг містить 164 кг свинцю. Тигель ізольований 5-ти сантиметровою мінеральною ватою та має зовнішню сталеву оболонку з площею поверхні 1.86 м2. Верхня поверхня свинцю, що контактує з повітрям, має площу 0.28 м2. Потрібно визначити потужність, необхідну для нагрівання свинцю і тиглю від 21 °С до 427 °С за одну годину, а потім нагрівання і плавлення 113 кг свинцю, що додається, на годину (від 21 °С до 427 °С). Температура плавлення свинцю = 327 °С. Питома теплоємність твердого свинцю = 128 Дж/(кг*0С). Питома теплоємність рідкого свинцю = 159 Дж/(кг*0С). Питома теплота плавлення свинцю = 25 кДж/кг. Питома теплоємність сталевого тигля = 500 Дж/(кг*0С). Втрати з поверхні розплавленого свинцю = 10760 Вт / м2 (знаходимо за графіком 2). Поверхневі втрати із зовнішньої поверхні тигля = 640 Вт / м2 (знаходимо по кривій 2 графіка 1). Коефіцієнт запасу = 1.2.

Потужність, необхідна для початкового нагріву (Pп)

Pп =((Q1+ Q2+ Q3+ Q4)/t+0.5*( P1 + P2))*K

Де:

Q1=164кг*128 Дж/(кг*0С) *(327°С-21 °С) = 6424кДж - енергія, необхідна для нагрівання свинцю до температури плавлення

Q2=164кг*25 кДж/кг=4100кДж - енергія, необхідна для плавлення 164 кг свинцю

Q3= 164кг*159 Дж/(кг*0С) *(427°С-327 °С) = 2608кДж - енергія, необхідна для нагрівання 164 кг розплавленого свинцю до температури 427 °С

Q4=61.4кг*500 Дж/(кг*0С)*(427°С-21°С)=12464кДж -енергія, необхідна для нагрівання сталевого тиглю до температури 427 °С

P1 = 10760 Вт/м2 *0.28 м2=  3002 Вт - потужність втрат з поверхні свинцю за робочої температури 427 °С

P2 = 640 Вт/м2 * 1.86 м2 = 1245 Вт - потужність втрат із зовнішньої поверхні тигля при робочій температурі 427 °С

t – час попереднього нагрівання (1 год = 3600 с)

Отже, Pп =((6424кДж+4100кДж+2608кДж+12463кДж)/3600с+0.5*(3002 Вт+1245 Вт))*1.2=11080 Вт

Потужність, необхідна для робочого режиму (Po)

Po =(( Q5 + Q6+ Q7)/t+Plsl+ Plss)*K

Q5=113кг*128 Дж/(кг*0С) *(327°С-21 °С) = 4426 кДж - енергія, необхідна для нагрівання 113 кг доданого свинцю до температури плавлення

Q6 =113кг*25 кДж/кг=2825 кДж - енергія, необхідна для плавлення 113кг доданого свинцю

Q7=113кг*159 Дж/(кг*0С) *(427°С-327 °С) = 1797 кДж - енергія, необхідна для нагрівання 113 кг розплавленого доданого свинцю до температури 427 °С

P3= 10760 Вт/м2 *0.28 м2=  3002 Вт - потужність втрат з поверхні свинцю за робочої температури 427 °С

P4 =640 Вт/м2 * 1.86 м2 = 1190 Вт - потужність втрат із зовнішньої поверхні тигля при робочій температурі 427 °С

Po  = ((4426 кДж+2825 кДж+1797 кДж)/3600 с +3002 Вт+ 1190 Вт)*1.2=8046Вт

Отже, потужність, необхідна процесу пуску, перевищує потужність, необхідну робочого циклу. Тому слід вибирати нагрівальні елементи загальною потужністю 11 кВт. 

Графік 1. Втрати з ізольованих поверхонь стін печей, труб, ємностей тощо.

Графік 2. Втрати з поверхні розплавленого металу (свинець, бабіт, олово, припій тощо)

Температура навколишнього середовища 210С