Применение камерной печи с выдвижным подом для отжига, отпуска и закалки тяжелых деталей. Расчет горения топлива, рабочего пространства и теплового баланс печи, тепла, необходимого на нагрев режущего инструмента. Выбор материала для конструкции печи.
Аннотация к работе
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. Печь питается от сети трехфазного тока напряжением 380 В. 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 Напряжение пода равно Заготовки на поду располагаем в 2 ряда по 3 заготовки в ряд. Расход тепла в печи равен где Qпол - полезное тепло, затраченное на нагрев металла;В курсовой работе был произведен расчет камерной электрической печи сопротивления. Мной был произведен расчет следующих параметров печи: 1.
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 - тп.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 подъема 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.
4. Тепловой расчет печи
При двустороннем нагреве площадь тепловоспринимающей поверхности металла равна м2 и теплоотдающей поверхности печи м2
Учитывая, что степень черноты футеровки равна ?п=0,8, а степень черноты стали в защитной атмосфере ?м=0,45, находим
Средний коэффициент теплоотдачи излучением находим по формуле
Принимая коэффициент теплоотдачи конвекцией равным ?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 Fo=10. Коэффициент температуропроводности, входящий в критерий Фурье, равен
Продолжительность нагрева заготовок в печи
По номограмме находим температурный критерий для центра нагреваемых заготовок: при Ві=0,28 и Fo= 10 ?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 Qпол - полезное тепло, затраченное на нагрев металла;
Qтепл - потери тепла теплопроводностью через кладку;
Qt.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 ? 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 ток=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 камерная печь выдвижной под
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
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;
Fct - площадь поверхности стены (свода, пода), на которой расположены нагреватели, м2.
Fct = 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.
Проволочный зигзагообразный нагреватель
При нагреве стали в защитной атмосфере при использовании проволочного зигзагообразного нагревателя ? = 0,49.
Тогда Поскольку питание печи производится трехфазным током с линейным напряжением Uc=380 В, то мощность, приходящаяся на одну фазу, составит Nф=N/3=29/3=9,7 КВТ.
Uф=Uc=380 В
Зная мощность печи или зоны N КВТ, напряжение питающей сети U, В, удельное сопротивление выбранного нагревателя ?, 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 подъема 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.
8. Разработка конструкции камерной электропечи
Камерная электропечь сопротивления предназначена для нагрева стальных изделий до температуры 10000С в защитной среде под закалку, отжиг и др.
Камерная электропечь (рисунок 1) с металлическими нагревателями и защитной атмосферой имеет герметичный каркас 4 и герметичную заслонку 1, футерованную шамотным и диатомитовым огнеупором. В заслонке предусмотрено смотровое окно. Металлические нагреватели 2, 3, 8 расположены на своде, боковых стенах и на поду. Детали загружаются и разгружаются вручную, на жароупорную плиту, защищающую подовые нагреватели от попадания на них окалины. Футеровка печи 5 выполнена огнеупорным шамотным и легковесным огнеупорным и диатомитовым теплоизоляционным материалами. Подача защитного газа в печное пространство осуществляется газопроводом 7. Загрузочное окно печи оборудовано газовой завесой 10. Завеса включается автоматически и перекрывает плоским факелом проем загрузочного окна при поднимании заслонки. Одновременно при поднимании заслонки автоматически отключаются нагреватели печи во избежание поражения током в момент загрузки и выгрузки деталей. Электропитание к нагревателям подводится токопроводом 6. Подъем и опускание заслонки осуществляется вручную при помощи рукоятки 9.
Рисунок 1 - Камерная электропечь сопротивления
Назначение: 1. Электропечи сопротивления камерные находят широкое применение в различных отраслях промышленности.
2. В электропечах сопротивления предусмотрен нагрев изделий в защитной атмосфере до температуры 10000С и 12000С.
3. Применение защитной атмосферы в электропечах позволяет получить после нагрева чистые (без окалины) изделия. Потемнение поверхности обрабатываемых изделий может происходить за счет контактирования с воздухом при переносе их из печи в закалочный бак.
4. Применение защитной атмосферы устраняет угар металла, который при термической обработке стальных изделий в атмосфере воздуха составляет в среднем 1…3%. Кроме того, наличие защитной атмосферы позволяет значительно снизить объем механической обработки и расход режущего инструмента.
Вывод
В курсовой работе был произведен расчет камерной электрической печи сопротивления.
Мной был произведен расчет следующих параметров печи: 1. Размеров рабочего пространства печи
2. Мощность печи
3. Электрически расчет печи, выбор электронагревателя
В результате расчетов были получены следующие данные: длина рабочего пространства 1,7 м, ширина 0,7 м, высота рабочего пространства 0,5 м. Мощность камерной электропечи равна 29КВТ.
В соответствии с полученным значением относительной мощности стен, несущих нагреватели, был выбран проволочный зигзагообразный нагреватель.
Список литературы
1.Кривандин В.А., Марков Б.Л. Металлургические печи. М.:Металлургия, 1977, 464 с.
2.Кривандин В.А., Филимонов Ю.П. Теория, конструкции и расчеты металлургических печей. Т1. М.:Металлургия, 1978, 360 с.
3.Мастрюков Б.С. Расчеты металлургических печей.Т2. М.:Металлургия, 1986, 376 с.
4.Вишняков Д.Я., Ростовцев Г.Н., Неуструева А.А. Оборудование, механизация и автоматизация в термических цехах. - М.: Металлургиздат, 1964.
5.Гусовский В.Л. Современные нагревательные и термические лечи. Справочник. - М.: Машиностроение, 2001.
6.Мастрюков Б.С. Теплотехнические расчеты промышленных печей. М.:Металлургия, 1972, 368 с.
7.Кривандин В.А. Металлургическая теплотехника. М.:Металлургия, 1986, 464 с.
8.Телегин А.С., Авдеева В.Г. Теплотехника и нагревательные устройства. М.: Машиностроение, 1985, 248 с.
9. Кривандин В.А., Арутюнов В.А. и др. Металлургическая теплотехника. М.:Металлургия, 1986, 425 с.
10. Термическая обработка в машиностроении. Справочник (под ред. Ю.М. Лахтина, А.Г. Рахштадта). - М: Машиностроение, 1980. - 783 с.
11.Марочник сталей и сплавов. 2-е изд. Под ред. А.С. Зубченко. М: Машиностроение, 2003. - 784с.
12.Металловедение и термическая обработка стали. Спр. т. 2, кн. 1 (Бернштейн М.Л., Бокштейн Б.С., Бокштейн С.З. и др.). Изд. 4-е,перераб., доп. - М.: Металлургия, 1995.-336 с.