Оборудование термических цехов

Введение

 

Термическая обработка является одним  из наиболее распространенных способов получения заданных свойств металлов и сплавов. Термическая обработка  применяется либо в качестве промежуточной  операции для улучшения обрабатываемости давлением, резанием и др., либо как окончательная операция для придания металлу или сплаву такого комплекса механических, физических и химических свойств, который сможет обеспечить заданные эксплуатационные характеристики изделия.

В настоящем проекте  разработана конструкция камерной печи с выдвижным подом.

Камерные печи с выдвижным  подом получили широкое распространение  для отжига, отпуска и закалки  тяжелых деталей. Цель проекта:

-рассчитать горение  топлива

- рассчитать рабочее  пространство печи;

- рассчитать тепловой  баланс печи;

- рассчитать тепло  необходимое на нагрев режущего инструмента из стали ХВГ;

- произвести выбор  материала для конструкции печи.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Исходные  данные

 

Исходные данные для расчета  следующие

1. Вид термообработки – нагрев  под закалку;

2. Нагреваемые изделия: пуансоны  длиной 366 мм, шириной 145 мм, высотой  108 мм;

3. Марка стали: У10А;

4. Способ укладки заготовки –  на поду печи с зазорами  между заготовками равны  толщины заготовки;

5. Количество заготовок: 6 шт;

6. Начальная температура металла  – t₀ = 20⁰C;

7. Конечная температура нагрева  поверхности заготовки – t_п.к. = 790 ⁰С;

8. Производительность печи –  Р = 0,012 кг/сек;

9. Средняя теплоемкость –  ;

10. Коэффициент теплопроводности  –  ;

Печь питается от сети трехфазного тока напряжением 380 В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Размеры рабочего  пространства печи

 

Основными узлами камерных электропечей сопротивления являются кожух, футеровка, рабочее пространство, дверца с механизмом подъёма и опускания. Кожух печей герметичный, сварен из листовой и профильной стали.

Для печей данного  типа при двустороннем нагреве изделий  напряжение активного пода равно 0,140 – 0,195 кг/(м²*с) (500 – 700кг/(м²*ч)). Принимая находим площадь пода, занятую металлом

 

 м²

 

Заготовки располагаются  на поду печи в два ряда с зазорами, равными 1/2 толщины заготовки.

Длина рабочего пространства печи

 

 

 

Ширина рабочего пространства печи

 

 

Высота рабочего пространства

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Теплообмен  в камерных электропечах

 

Электрические печи широко распространены в промышленности. Очень важную роль в работе печей играет теплопередача к поверхности нагреваемого металла, называемая внешним теплообменом. Этот процесс слагается из теплообмена излучением и конвекцией. И излучение и конвекция протекают в соответствии с физическими законами, определяющими эти процессы.

Теплообмен  конвекцией зависит от температуры и от скорости перемещения воздуха. Стремясь усилить конвекцию, прибегают к интенсификации движения воздуха.

Передача  тепла излучением к поверхности  нагреваемого материала в электрических печах зависит от очень многих факторов. Все компоненты теплообмена в рабочем пространстве печей характеризуются излучением, отличающимся от излучения серого тела и имеют спектральные характеристики, изменяющиеся с изменением длины волны. Поэтому теплообменные процессы, протекающие в рабочем пространстве электрических печей, представляют собой очень сложное явление.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4Тепловой расчет печи

 

При двустороннем нагреве площадь  тепловоспринимающей поверхности  металла равна

 м²

и теплоотдающей поверхности  печи

 м²

Учитывая, что степень черноты  футеровки равна ε_п=0,8, а степень черноты стали в защитной атмосфере ε_м=0,45, находим

 

 

Средний коэффициент теплоотдачи  излучением находим по формуле

 

 

 

Принимая коэффициент  теплоотдачи конвекцией равным α^конв=11,63 Вт/(м²*К), находим значение суммарного коэффициента теплоотдачи к металлу

 

 

Критерий Био равен

 

 

Температурный критерий для поверхности заготовок

 

По номограмме находим  величину критерия Фурье F_о=10. Коэффициент температуропроводности, входящий в критерий Фурье, равен

 

 

Продолжительность нагрева заготовок  в печи

 

 

По номограмме находим  температурный критерий для центра нагреваемых заготовок: при Вi=0,28 и F_o= 10 θ_центр=0,08 и

 

 

Температурный перепад  по сечению заготовки равен

 

 

что не превышает заданного  значения.

Уточняем основные размеры  печи. Для обеспечения заданной производительности в печи должно одновременно находиться следующее количество металла:

 

 

Учитывая, что масса  одной заготовки равна g=41 кг, найдем число заготовок, одновременно находящихся в печи

 

 

При плотной укладке  на под 5 заготовок занимают площадь

 

 

Напряжение пода равно

 

 

Заготовки на поду располагаем  в 2 ряда по 3 заготовки в ряд.

5 Мощность печи

 

Мощность печи вычисляем по формуле:

 

 

Коэффициент запаса принимаем  равным К=1,4. Расход тепла в печи равен

 

где Q_пол – полезное тепло, затраченное на нагрев металла;

       Q_тепл – потери тепла теплопроводностью через кладку;

       Q_т.к.з – потери тепла на тепловые короткие замыкания.

Расход тепла на нагрев металла в печи равен

 

 

Потери тепла теплопроводностью  через кладку печи при стационарном режиме работы определяем по формуле

 

принимая , что температура  внутренней поверхности футеровки  равна 850 ⁰С, а температура наружной поверхности 170⁰С. При этой температуре α равен

 

 

Коэффициенты теплопроводности материалов вычисляем по формулам

 

 

 

Принимая в первом приближении линейное распределение  температуры по толщине футеровки, найдем температуру на границе раздела  слоев

 

Коэффициенты теплопроводности материалов слоев равны

 

 

 

Находим стационарное тепловое состояние

 

 

Температура окружающего  воздуха принята равной t_ок=20 ⁰С.

Уточним значение температуры  на границе раздела слоев футеровки, используя формулу

 

Температура наружной поверхности  футеровки

 

 

Тогда

 

 

 

 

 

Поскольку величины плотностей теплового потока отличаются друг от друга на 100(597,1-532,1)/597,1=10%, дальнейшего  уточнения проводить не будем.

С учетом принятой толщины  стен, найдем площадь наружной поверхности  футеровки 

 

Потери тепла теплопроводностью  через кладку печи равны

 

 

Потери на тепловые короткие замыкания принимаем равными 70% от потерь тепла теплопроводностью  через кладку.

 

 

Общий расход тепла в печи

 

 

Тогда мощность печи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6 Электрический расчет печи

 

6.1 Нагревательные элементы

Принимая рабочую температуру  нагревательных элементов равной

 

 

Выбираем сплав Х15Н60, для которого рекомендуемая рабочая температура составляет 900 ⁰С. Удельное сопротивление сплава при рабочей температуре

 

 

Находим удельную мощность идеального нагревателя.

 

 

 

Нагревательные элементы в рассматриваемой  печи располагаются на стенах, своде  и поду рабочего пространства. Относительная  мощность стен, несущих нагреватели, равна

 

,

 

где N – мощность нагревателя, приходящаяся на данную стенку, кВт;

       F_ст – площадь поверхности стены (свода, пода), на которой расположены нагреватели, м².

 

F_ст = 2*1,7*0,5+2*1,7*0,7+0,7*0,5=4,43 м²

 

В соответствии с полученным значением относительной мощности стен, несущих нагреватели, выбираем проволочный зигзагообразный нагреватель.

 

6.2 Проволочный зигзагообразный  нагреватель

 

При нагреве стали  в защитной атмосфере при использовании  проволочного зигзагообразного нагревателя  α = 0,49.

Тогда

Поскольку питание печи производится трехфазным током с  линейным напряжением U_с=380 В, то мощность, приходящаяся на одну фазу, составит N_ф=N/3=29/3=9,7 кВт.

U_ф=U_с=380 В

Зная мощность печи или  зоны N кВт, напряжение питающей сети U, В, удельное сопротивление выбранного нагревателя ρ, Ом*м, находим геометрические размеры нагревателя:

диаметр

 

 

длина

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7 Выбор   материала элементов конструкции  печи

 

Для нагрева средних  деталей применяют в термических  цехах при серийном производстве камерные электрические печи.

Камерные печи предназначены для нагрева изделий под закалку, требующих нагрева изделий до температуры 1000 ⁰С.

Печь возводится на фундаменте, служащем для равномерного распределения  на грунт от массы печи. Фундамент  печи выполнены из бетона и железобетона. Поверх фундамента выкладывается выстилка, которая является основанием для дальнейшей кладки печи. Толщина кладки печи в 2 кирпича.

Основными узлами камерных  печей являются кожух, футеровка, рабочее  пространство, нагреватели, дверца с  механизмом подъёма и опускания. Кожух печей герметичный, сварен из листовой и профильной стали.

Внутренние части топки, пода, стен, свода и других частей печи, нагревающихся до высокой температуры.  Стены и свод печи выложенные из шамота-легковеса и диатомитового кирпича. Свод выполнен арочным из шамота.

Подовая плита выполнена  из жаропрочного стального литья, в  целях безопасности соединена с  кожухом печи стальной жаропрочной  полосой.

Загрузка и выгрузка обрабатываемых деталей в печах  может быть механизирована, для чего в футеровке пода имеются специальные пазы для перемещения в них захватов механизмов загрузки – разгрузки.

Лучшим источником тепла  для термических печей является электроэнергия, которая обеспечивает высокую точность и равномерность  нагрева изделий, высокий к.п.д. печи, удобство эксплуатации и надежность автоматизации печей.

Недостатки электронагрева: большая стоимость электроэнергии по сравнению со стоимостью эквивалентного количества угля мазута и особого  газа; сложность изготовления, комплектации и эксплуатации оборудования.