Расчет и проектирование камерной печи сопротивления термического участка машиностроительного предприятия

Расчетно-пояснительная записка содержит страниц, рисунков, используемых источников литературы.

Спроектирована камерная печь сопротивления модели СНЦА-5.10.5/10 для закалки деталей «кольцо».

Произведен расчет основных размеров рабочего пространства печи, а также размеров приспособления для термообрабатываемых деталей.

Выполнены расчет времени термической обработки деталей, тепловой расчет печи.

Составлен тепловой баланс печи.

Произведен и расчет потерь тепла на аккумуляцию его кладкой печи.

2. ВВЕДЕНИЕ

Основными направлениями экономического развития нашего государства предусмотрено обновление производства на основе его технического перевооружения, повышения уровня механизации и автоматизации, повсеместное внедрение энергосберегающих видов техники, улучшение пользования вторичных ресурсов, широкое внедрение робототехнических комплексов и микропроцессорной техники. Это требует повышения темпов совершенствования технологии и оборудования для термической обработки, которая занимает значительный объем в машиностроении.

Термическая обработка стали основана на превращениях, совершающихся в металле при его нагревании и охлаждении. Стремление к повышению качества изделий машиностроения, увеличению их надежности и долговечности, снижению расхода металла и энергетических ресурсов было основной целью термической обработки сплавов.

Механические свойства деталей могут быть получены путем термообработки, которая невозможна без применения нагревательных устройств. В связи с повышением качества продукции возрастает требования к оборудованию для нагрева и термообработки металлов и сплавов, которые необходимо учитывать при его проектировании.

Оборудование должно быть экономичным, обеспечивает наиболее высокую эффективность использования энергии, топлива материалов, а также обеспечивать высокое качество обработки.

В настоящее время широкое применение получили печи с использованием электронагрева, что объясняется относительной простотой конструкции, возможностью высоких скоростей нагрева, получением особо чистых металлов.

Многочисленные научно-исследовательские работы показывают, что термообработка позволяет значительно увеличить срок службы деталей, повысить их контактную и усталостную прочность, износоустойчивость.

3.ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПЕЧИ, УКАЗАННОЙ В ЗАДАНИИ

Тип печи выбирается для каждой операции в соответствии с разработанным технологическим процессом термообработки деталей и техническими условиями их изготовления.

При проектировании печи, кроме быстрого нагрева необходимо предусмотреть механизм загрузки, автоматическое регулирование температуры, точность и равномерность нагрева. Кроме того, печь должна иметь минимальную стоимость затрат на ее изготовление, включая весь комплекс оборудования, а в цехе она должна занимать минимальную площадь пола.

В данном случае руководствуемся заданным технологическим параметром термообработки Тзак = 850 ?C (температурой нагрева под закалку). Технические характеристики печи по возможностям нагрева должны несколько превышать заданную температуру. Учитывая то, что в задании предложены печи с максимальной температурой рабочего пространства 600 ?C, 700 ?C и 1000 ?C, выбираем печь СНЦА - 5.10.5/10. Маркировка: С - нагрев сопротивлением, Н - камерная нагревательная печь, Ц - цементационный газ, А - агрегат. Цифры в числителе обозначают соответственно ширину, длину и высоту рабочего пространства в дм. В нашем случае 500х1000х500 мм. Знаменатель - максимальная температура рабочего пространства в сотнях градусов Цельсия (1000 ?C).

Камерные печи применяются как для нагрева, так и для термообработки слитков, труб готовых изделий большой массы и сложной конфигурации. Чаще всего в них нагревают металл, поступающий небольшими партиями, отличающимися по размерам и режимам нагрева или термообработки.

Камерные печи получили огромное распространение в промышленности, что вызвано следующими достоинствами:

- Универсальность, т.е. возможность загружать в них каждый раз различные изделия, в том числе и неудобные для транспортирования в непрерывных печах.

- Возможность варьировать режимы нагрева или термообработки в широкиххпределах.

4. Расчет размеров приспособления для термической обработки деталей

Детали размещаются в приспособлении, ширина которого составляет В=0,50 м длина L=1,0 м и высота H=0,50 м. Размещение деталей будет осуществляться вплотную.

Толщина листа приспособления = 5 мм.

Масса приспособления:

М_пр=20 % *Мсадки.

Приспособление сделано из стали 65Г, с=7850кг/м³, С=705Дж/кг•гр:

Расчет массы одной детали:

М_дет =V_дет*с_дет;

V= 3,14* r?*H,м3;

М_дет=0,1 кг.

Мсадки =N* М_дет

N-количество деталей;

N=800шт.

Мсадки =800*0,1=80кг

М_пр=20% *80 =16 кг. 1 ящик - 8кг.

5. Расчет основных размеров рабочего пространства печи

Расчет общей ширины внутреннего пространства печи:

В_общ=В_под+2Ю₁,

где В_под - ширина подовой плиты, м;

Ю₁-зазор между плитой и стенками печи, Ю₁=0,035 м.

В_общ=0,5+2•0,035 =0,57 м.

Расчет общей длины внутреннего пространства печи:

L_общ=L_под+2Ю₂,

где L_под - длина подовой плиты, м;

Ю₂ - зазор между плитой и торцевыми стенками печи, Ю₂=0,010 м.

L_общ=0,98+2•0,010=1,0 м.

6. Расчет времени термической обработки детали

камерная печь тепловой баланс

Определяем массивность термообрабатываемой детали.

Для этого рассчитываем коэффициент Вi = б•S_эф/л_ср,

Где S_эф- эффективная толщина детали, м;

S_эф = d/2 = 10/2=5мм=0,05м;

б= бконв+бизл. ср.

б_изл..ср- излучения среды.

Для камерных печей:

при скорости V>4,65м/c

б_{конв..- =7,53*v =7,53*10 =45,37}

_{По закону Стефана}-_{Больцмана:}

б_{изл.=5,67Епр . [}((Т_п/100)⁴-(Т_ср/100)⁴)/tn-tм];

_{Епр .= 1/} ((1/Е1)-(F1/F2)(1/E2)-1)=0,996

Е1, E2 - степень черноты футеревки детали;

Сталь: E2=0,8

Печь: Е1=0,8

F1, F2-площадь печи и деталей

F1=2*(0,5*1)+2*(1*0,5)=2мм?

б_{изл. н}.=147,708 _-при начальной температуре

б_{изл. к.}=58,42 -при конечной температуре

б_{изл. ср =} (б_{изл. н} +б_{изл. к}) =103,064

б=45,37+103,064=148,434

Bi = 147,434•0,05/28 = 0,20

Т.к. Bi = 0,184, т.е. меньше 0,25, то тело считается тонким. Исходя из этого время нагрева, считается по формуле:

ф_н = Fo (S?_эф •с • г)/л ;

ф_н = 8,4•(0,05?•7850•705)/28= 4150,688сек.

Время выдержки рассчитывается по формуле:

ф_в=0,25 • ф_н = 0,25•4150,688 = 1037,67 сек = 17,29 мин.

Рассчитываем время загрузки-выгрузки деталей:

ф_з-в=0,15• ф_н = 0,15•4150,688 = 622,6сек = 10,38 мин.

Общее время нагрева детали

ф_общ = ф_н+ф_в+ф_з-в;

ф_общ = 69,18+17,29+10,38 = 96,85 мин = 1,6 часа.

6.1 Расчет потери тепла на нагрев детали

Q_д=Р_д*С_д*(t_м.к-t_м.н), где

Р_д=М_д/(т_н +ф_в)=80/(4150,668+1037,67)=0,01542кг/с;

Q_д=0,01542*0,750*(850-20)=9,599кВт;

6.2 Расчет потери тепла на нагрев приспособления для термической обработки деталей

Q_ящ=Р_ящ*С_ящ* (t_мк-t_мн);

Р_ящ=М_ящ/фобщ.=16/5811=0,0028кг/с;

Q_ящ=0,0028* 0,705* (850-20) =1,638 кВт.

Расчет потери тепла через открытое загрузочное окно:

Q=С_о*((Т_п/100)⁴-(Т_ср/100)⁴)* Ф * F *Z; где

Со- коэффициент излучения абсолютно черного тела; Со=5,7Вт/(м?*град)

Т_п- температура печи в ^оК.

Т_п=850+273=1123К.

Т_ср- Температура среды вокруг печи Т=20+273=293К

F-площадь загрузочного окна, через которое проходит поток энергии.

Ф-коэффициент диафрагмирования оконного проема:

Z=ф_з-в/ф_общ=10,38/96,85=0,108

F₁=2*0,78*0,37+2*0,45*0,37=0,9102м²;

Х=(4*0,351*0,37)/0,9102=0,570м.

Ф=0,8

F=0,61*0,57=0,3477м².

Q=5,7*((1123/100) ⁴-(293/100)⁴)* 0,8*0,351*0,108=2736,513Вт=2,736кВт

Расходные статьи баланса

Предназначенная мощность расходится на:

1.Нагрев детали

Q_дет=9,599кВт

2.На нагрев приспособления :

Q_ящ=1,638 кВт.

3.На футеровку печи

Q_фут=Q_ст.бок+Q_{ст.торц}.+Q_пода+ Q_{св +} Q_зс+ Q_дв =

=2*4,347+1,392+1,299+2,119+2,119=15,623кВт

4.На открытое загрузочное окно

Q_от.з.ок= 2,736кВт

Это все составляет уточненный расход тепла

Q_уч=9,599+1,638 +15,623+2,736=29,596кВт

В общий баланс расхода тепла необходимо ввести неуточненные потери тепла, которые составляют в камерной печи 0,15 -0,2 от уточненных

Q_нуч=Q_уч*0,17= 29,596*0,17=5,031кВт

Общие затраты тепла составляют

Q_расх=Q_уч+Q_нуч=29,596+5,031=34,627кВт

Дополнительно учитываются потери в электрических кабелях, которые составляют 1,6% от общего расхода тепла. Приход тепла должен быть равен расходу:

Q_прих=1,016*34,627=35,181кВт.

Определяем установленную (номинальную) мощность печи:

N_уст=К*Q _прих; где К- коэффициент запаса,

N_уст =1,4*35,181=49,253кВт

6.3 Тепловой баланс печи

6.4 Расчет потери тепла через футеровку печи

Выбираем материал футеровки, температура которого выдерживает температуру печи:

1слой-шамот

л₁=0,7+0,00064t1 Вт/м*C;

с=400 кг/м³;

С=220 Дж/кг*C;

Т=900^оС.

2слой- диатомитовый кирпич

л₂=0,116+0,00015t2 Вт/м*C;

с=1800кг/м³;

С=220 Дж/кг*к;

Т=900^оС.

Расчет потерь тепла через боковую стенку печи:

Предполагаемые температуры слоев:

Т_п=900^оС

Т₁₂=770^оС

Т₂₃=56^оС

Т_н=20^оС

Толщины слоев:

S₁=0,8м; S₂=0,1м;

Расчет средних температур слоев боковой стенки:

Т_ср1=835^оС

Т_ср2=413^оС

Тепловой поток через боковую стенку печи:

Q_{бок ст} =4,347 кВт

Расчет потерь тепла через заднюю стенку печи:

т_п=900^оС, Толщины слоев равны: S₁=0,8м

т₁₂=380^оС, S₂=0,1м

т₂₃=50^оС; т_н=20^оС

Средние температуры слоев задней стенки печи

t_ср1=640 ^оС

t_ср2=215 ^оС

Тепловой поток через заднюю стенку печи:

Q_{задн ст}=2,119кВт

Расчет потерь тепла через под печи:

Толщины слоев:

S₁=0,8м

S₂=0,1м

Предполагаемые температуры:

t_п=900^оС;

t₁₂=370^оС;

t₂₃=58 ^оС;

t_н=20^оС.

Расчет средних температур слоев

t_ср1=635^оС;

t_ср2=214^оС;

Теплового потока через под печи

Q_под=1,392Вт

Расчет потери тепла через свод

Толщины слоев:S₁=0,8м;

S₂=0,1м.

Предполагаемые температуры слоев:

t_п=900^оС;

t₁₂=390^оС;

t₂₃=50^оС.

t_н=20 ^оС

Расчет средних температур слоев

t_ср1=645^оС;

t_ср2=220^оС;

Расчет теплового потока через дверцу печи:

Q_двери=1,299 кВт

Расчет потери тепла через дверь

Толщины слоев:S₁=0,8м;

Предполагаемые температуры слоев:

t_п=900^оС;

t_н=20

Расчет теплового потока через дверцу печи:

Q_двери=2,119кВт

7. Расчет электронагревательных элементов

Выбираем вид нагревателя -проволочный спиральный

Р₁=N_уст/n *3; кВт

где

n-число нагревателей =3;

3- число фаз

Р₁=49,253/3 *3= 6,108кВт

T н.э. =tм +(20-100)= 850 +50 =900 С

Выбираем материал нагревательного элемента, который выдержит эту температуру:

Х22Ю5Т, удельное сопротивление которого =1,5 мкОм*м ;

плотность=7270 кг/м3;степень черноты E н =0,74

Площадь стен, на которых расположены нагреватели:

Fст =2(5,192+7,856) =26,096 м2

Диаметр проволоки:

V- напряжение питающей сети в В;

Р - мощность печи в кВт;

d= 39,66мм

Сечение проволоки:

qпр.=(3,14* d?)/4=(3,14*4?)/4= 13,6мм?

D=Kc * d= 5*4= 20мм

h=Кн. * d = 3*4=12мм

Длина витка:

Lвит=3,14*D=3,14*20=62,8мм

Длина выводов нагревателя:

Lвыв=b+100=0,9+100=100,9мм;

b - толщина стены печи в мм.

Длина проволоки в спирали без выводов:

Lсп=L*1000+2L = 0,004*1000+2*100,9=205,8мм

Количество витков в спирали:

r= Lсп/ Lвит =205,8/62,8=3

Длина спирали:

l= h*r=12*3/28=39,36мм

G=(7,1*25,2*3,6)/1000=0,64кг

Lоб = 3 * Lф = 3,6м

Lф = N * Lпв = 3*0,4=1,2м

8. Расчет потери тепла на аккумуляцию печью

Расчет потри тепла на аккумуляцию по формуле:

Q_акк.ст. =V_сл.г_слC_сл(t_ср-t_ц);

где

V-объем соответствующего слоя;

Рассчитываем отдельно по каждому слою.

Расчет потери тепла на аккумуляцию боковой стенки:

Q_{акк.б.ст1}=C_ст*с_{ст *}V_ст *т_ср;

т_ср=(т_п+т₁₂)/2 -20

Q_{акк.б.ст. 1}=0,22*1800*5,192*0,8*((900+835)/2 -20 ) =1393989,696 кДж

Q_{акк.б.ст2}=0,22*500*7,856*0,1* ((900+413)/2-20 ) =55003,784 кДж.

Расчет потери тепла на аккумуляцию пода печи:

Q_{акк.под1}=0,22*1800*1,885*0,8*((900+635)/2-20 )= 446383,08кДж

Q_{акк.под2}=0,22*500*3,094*0,1*((900+214)/2-20)= 18276,258кДж

Расчет потери тепла на аккумуляцию свода печи:

Q_{акк.св1 =0,22*1800*1,58*0,8*((900+645)/2-20)=376659,36 кДж}

Q_{акк.св2 =0,22*500*2,594*0,1*((900+220)/2-20)=15408,36 кДж}

Расчет потери тепла на аккумуляцию задней стенки печи

Q_акк.зс1 = 0,22*1800*2,629*0,8*((900+640)/2-20)=624650,25 кДж

Q_{акк.зс2 =0,22*500*4,543*0,1*((900+215)/2-20)=26860,4875 кДж}

Расчет потери тепла на аккумуляцию через дверцу печи

Q_акк.дв=0,22*500*0,3477*0,57*((900+20)/2-20)=9592 кДж

Определяем потери тепла на аккумуляцию кожухом печи:

Q_{акк.кож}=V_кож*с_кож*С_кож(t_п-t_ц)

с-плотность материала кожуха ;с=7850кг/м³ .Кожух выполнен изстали 15КП

С=573Дж/гр*к=0,573кДж/гр*к.

Толщина кожуха =0,01 м

Площадь кожуха наружная :

F вн кож= 2F н б.с. + F н з.с. + Fн т.с. +Fн св + Fн пода

Fн б.с. =(Нобщ +0.01 )*(Lобщ+0,01 )=2,15001*2,30001 =4,945*2 =9,89 м2

Fн з.с. =( Нобщ +0.01)*(Вобщ+0,01)= 2,15001* 1,50001 = 3,225 м2

Fн св.= (В общ +0,01)*( L общ +0,01 )= 1,50001*2,30001 =3,45 м2

Fн пода =( Вобщ +0,01)*(Lобщ +0,01) =1,50001*2,30001 =3,45 м2

Fкож нар.= 9,89 +3,225 +3,45 +3,45 =20,015 м2

V_{кож.нар}= 0,31 м³

V_кож.вн=(2 Fкож нар б.с+Fкож нар т.с.+Fкож нар з.с+Fкож нар св+Fкож нар п)*0,01=2*9,89+ 3,225+ 3,45+3,45=29,9*0,01=0,299 м³

V_кож=0,31-0,299=0,02м³

Qакк.кож.=0,11*7850*0,573*(900-20)=435411,24кДж

Определение потерь тепла на аккумуляцию кладкой

Q_акк.кл=Q_акк.уч+Q_{акк.нуч}

Q_{акк.нуч}=Q_акк.уч*(0,15-0,2)

Q_акк.уч= 2Q_{акк.ст.б}+Q_{акк.ст.тор}.+Q_аккз.с.+Q_акк.св.+Q_акк.п+Q_{акк.кож}

Q_акк.уч =2(1393989,696+55003,784)+( 446383,08+18276,258)+(_376659,36 +_15408,36) +(624650,25+_{26860,4875) =}4406225,02кДж

Q_акк.уч=4406225,02кДж

Q_{акк.нуч}=4406225,02*0,15=660933,753кДж

Q_акк.кл=4406225,02+660933,753= 5067158,773кДж

Определяем время, требуемое для разогрева печи:

ф_раз=Q_акк.кл/(N_уст*3600);час

ф_раз=5067158,773/(49,253*3600)=28,6час

8. Технико-экономические показатели работы печи

Определяем тепловой коэффициент полезного действия печи:

з=(Q_дет/Q_прих)*100%=(9,599/35,181)*100%=27,3%

Оределяем удельный расход электроэнергии

N=(Q_прих/N_уст)= 35,181/49,253=0,714

Определяем производительность печи:

Р_п=(м_дет*n)/ф_общ=(0,1 *800)/5811=0,0138 кг/сек=50 кг/час

Определяем энергетичность печи:

W=N_уст/Р_п=49,253/0,0138=3569,058 кВт *сек/кг =0,985 кВт *час/кг

ВКЛЮЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ОДНОЗОННОЙ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ПЕЧИ

Схема управления печью размещается в щитах управления (ЩУ). В некоторых случаях для удобства управления печью монтажные схемы управления устанавливаются на пультах управления.

Изображенная схема содержит следующие элементы:

9. Техника безопасности

1. К работе по выполнению операцией термической обработки допускаются лица не моложе 18 лет, прошедшие обучения и проверку знаний правил безопасности при эксплуатации электрического оборудования квалификационной комиссией и имеющие I квалификационную группу электробезопасности. Лица работающие на газопотребляющем оборудовании и пользующиеся в работе подземно - транспортным механизмами и сосудами под давлением должны быть обучены и аттестованы с выдачей удостоверения.

2. Термист выполняющий операции термической обработки - закалку и отпуск, должен быть ознакомлен с "Инструкцией по безопасности труда для термистов" (Н 13.4.66-99) и строго ее выполнять.

3. При сильном вспенивании масла во время закалки деталей (признак попадания воды в масло) необходимо прекратить работу и сообщить об этом мастеру .

4. Термист должен знать расположение рубильника для экстренного отключения грузоподъемных механизмов на своем рабочем месте.

5. Перед выполнением любой другой работы смежной термист должен быть обучен по этой профессии с оформлением результатов обучения в карточке технического обучения.

6. Во время работы термисту не разрешается:

1) устранять неисправимости на механизмах печей при включенной гидравлике.

2)поднимать корзину с деталями после закалки при кипящем масле т.к. может произойти его выброс.

3)поправлять детали или приспособления в электропечи, предварительно не обесточив ее.

4) выключать кнопки управления механизмов печей и агрегатов с помощью случайных предметов.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Рустем С.Л. Оборудование и проектирование термических цехов. - М.: Машгиз, 1962.-540 с.

2. Соколов К.Н. Оборудование термических цехов.-М.: Машгиз, 1957.-416 с.

3. Стародубов К.Ф. и др. Дипломное проектирование термических цехов. Издательское объединение «Вища школа», 1974.- 160 с.

4. Расчет нагревательных и термических печей / Справочник под редакцией Тымчака В.М.-М.: Металлургия, 1983.- 480 с.

5. Кривандин В.А., Марков Б.Л. Металлургические печи. / Учебное пособие под ред. Кривандина В.А. - М.: Металлургия, 1977. - 475 с.

6. Лебедев Н.С., Телегин А.С. Нагревательные печи. - М.: Машгиз, 1962. - 344 с.

7. Методические указания к расчету курсового проекта “Печи термические” по курсу “Нагревательные устройства” для студентов специальности 0407 “Металловедение, оборудование и технология термической обработки металлов” / Сост. В.Ф. Зозуля. ? Харьков: ХПИ, 1987. ? 20 с.

Размещено на Allbest