Проектирование шахтной печи типа СШЦМ 8.12/9,5 для деталей типа "поршневой палец"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Обоснование целесообразности применения печи, указанной в задании

2. Расчет размеров приспособления для термообработки деталей

2.1 Характеристика изделия

2.2 Термическая операция

2.3 Расчет массы одной детлали

2.4. Расчет массы садки

2.5 Расчет массы приспособления

2.6 Уточнение массы садки

3. Расчет основных размеров рабочего пространства печи

3.1 Расчет полезных размеров печи

3.1.1 Расчет полезного диаметра печи

3.1.2 Расчет полезной высоты

3.2 Расчет общих размеров печи

3.2.1 Расчет общего диаметра печи

3.2.2 Расчет общей высоты печи

3.3 Определение коэффициента использования рабочего пространства печи

3.4 Схема приспособления

4. Расчет времени термической обработки деталей

4.1 Расчет коэффициента теплоотдачи конвекцией

4.2 Расчет коэффициента теплоотдачи излучением

4.3 Расчет суммарного коэффициента теплоотдачи

4.4 Определение среднего коэффициента теплопроводности

4.5 Определение критерия Био

4.6 Температурный критерий поверхности детали

4.7 Определение критерия Фурье

4.8 Определение времени нагрева деталей

4.9 Расчет времени выдержки

4.10 Расчет времени загрузки - выгрузки деталей

4.11 Расчет общего времени термообработки

5. Тепловой расчет печи

5.1 Расчет полезно затраченного тепла на нагрев детали

5.2 Расчет потери тепла на нагрев приспособления

5.3 Расчет потери тепла через футеровку печи

5.3.1 Расчет потери тепла через боковые стенки печи

5.3.2 Расчет потери тепла через под печи

5.3.3 Расчет потери тепла через свод печи

5.4 Расчет потери тепла через футеровку печи

5.5 Расчет потери тепла через открытое загрузочное окно

5.6 Тепловой баланс печи

5.7 Определение номинальной мощности печи

5.8 Таблица теплового баланса печи

6. Расчет электронагревателей печи

6.1 Вид нагревателя

6.2 Расчёт мощности поверхностная мощность

6.3 Диаметр проволоки

6.4 Длина нагревателя

6.5 Общая длина нагревателя

6.6 Действительная удельная мощность

6.7 Вес нагревателя

6.8 Диаметр спирали

6.9 Длина витка спирали

6.10 Длина выводов нагревателя

6.11 Длина провода на всех нагревателях

6.12 Шаг спирали

6.13 Схема подключения нагревательных элементов

7. Расчет потери тепла на ее аккумуляцию печью и время ее разогрева

7.1 Расчет аккумуляции тепла боковой стенкой печи

7.2 Расчет аккумуляции тепла подом печи

7.3 Расчет аккумуляции тепла сводом печи

7.4 Расчет аккумуляции тепла кожухом печи

7.5 Расчет общей аккумуляции

7.6 Время разогрева печи

8. Технико-экономические показатели

8.1 Определение коэффициента полезного действия печи

8.2 Определение удельного расхода электроэнергии

8.3 Определение производительности печи

8.4 Определение энергетичности печи

9. Контрольно-измерительные и регулирующие приборы и подключение их к сети

10. Охрана труда и техника безопасности

Список источников информации

шахтный электропечь термообработка

ВВЕДЕНИЕ

Актуальными в настоящее время являются вопросы повышения надёжности и долговечности машин, приборов, установок, повышение их качества и эффективности работы, а следовательно, вопросы экономии металлов, борьбы с коррозией и износом деталей машин. Роль этих проблем в долговечности машин и механизмов, приборов и других особенно возросла в настоящее время, так как развитие большинства отраслей промышленности (авиационная, ракетная, теплоэнергетика, атомная энергетика, радиоэлектроника и др.) связано с повышением нагрузок, температур, агрессивности сред, в которых работает деталь. Решение этих проблем прежде всего связано с упрочнением поверхностных слоёв изделий.

Изменить свойства поверхности можно различными способами: нанесением на поверхность нового материала с необходимыми свойствами; изменением состава поверхностного слоя металла.

Во втором случае поверхностные слои металла подвергают диффузионной химико-термической обработке (ХТО), в результате которой на поверхности изделия образуется новый, отличающийся от сердцевины, сплав.

ХТО позволяет получить в поверхностном слое изделия сплав практически любого состава и, следовательно, обеспечить комплекс необходимых свойств - физических, химических, механических и других.

Одним из распространённых методов ХТО является цементация. Процесс цементации широко применяют в промышленности благодаря его высокой эффективности и доступности. Он позволяет создавать на рабочей поверхности детали слой, обладающий высокой твёрдостью после закалки, износостойкостью, эрозионной стойкостью, контактной выносливостью и усталостной прочностью при изгибе. Эти свойства обеспечиваются при относительно мягкой и вязкой сердцевине, придающей детали необходимую конструктивную прочность.

1. 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. Выбор оборудования зависит от производительности, размеров и форм нагреваемых изделий, от характера работы агрегатов, обслуживающих печь.

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.Электропечи сопротивления шахтного типа СШЦМ предназначены для цементации, нитроцементации и нагрева изделий под закалку в безокислительной атмосфере. Отличительными особенностями данных печей является: равномерное распределение температуры в зоне нагрева, точная цифровая регулировка параметров процесса, высокая равномерность образующегося цементованного слоя. В данном проекте термической обработке подлежит сталь 20ХН3А. Для этой цели применяем шахтную печь

СШЦМ-8.12/9.5

Регулировка и контроль температуры нагревательных устройств производится автоматически самозаписывающими приборами, со шкалой не выше 1000°С, класса точности 0,5 (ошибка измерений не более 0,5 % от значений шкалы) так, что точность измерения температуры лежит в пределах ±3°С.

Тепловой КПД повышен в результате улучшения теплоизоляции. Каркас печи металлический сварной.

2. РАСЧЕТ РАЗМЕРОВ ПРИСПОСОБЛЕНИЯ ДЛЯ ТЕРМООБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ

2.1 Характеристика изделия:

Наименование: поршневой палец;

Марка стали: 20ХН3А;

Плотность стали: г = 7850 кг/м3.

2.2 Термическая операция: цементация д=1,2-1,5 мм; t = 920°С

2.3 Расчет массы одной детали:

M = г·Vдет = 7850·0,0000975 = 0,765 кг.

2.4 Расчет массы садки:

Мсад =m·N,

где N - количество деталей в приспособлении.

Размеры приспособления - o740?550 мм.

Количество приспособлений - 2 шт.

Детали расположены в поддоне в 5 слоев. В одно приспособлении находится 220 деталей, общее количество деталей 440шт., следовательно,

Мсад = 0,765·440 = 336,6 кг

2.5 Расчет массы приспособлений:

Приспособление изготовлено из стали 20Х23Н18, с=7880 кг/м3

Мпр = Мтруб+ Мдна

Дно решетчатое - 50% от массы.

Мпр = 0.853·44+33.873·0.5=54.5 кг

2.6 Уточняем массу садки

М?сад = Мсад + 2·Мпр = 336,6+2·54.5= 445.5 кг

Рисунок 2.1 - Эскиз детали

3 РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ РАБОЧЕГО ПРОСТРАНСТВА ПЕЧИ

3.1 Расчет полезных размеров печи

3.1.1 Расчет полезного диаметра

Dпол = Dпод=0.74 м

где Dпод - диаметр поддона;

3.1.2 Расчет полезной высоты

Нпол = Нпод·К1,

где Нпод - высота поддона, м; К1 - количество поддонов по высоте, К1= 2;

Нпол = 0,55·2=1,1 м

3.2 Расчет общих размеров печи

3.2.1 Расчет общего диаметра печи

Dобщ=Dпол+2Ю1,

где Dпол - полезный диаметр, м;

Ю1 - зазор между приспособлением и стенками печи, Ю1=0,03 м

Dобщ = 0,74+2·0,03 = 0,8м

3.2.2 Расчет общей высоты печи

Нобщ=Нпол+Ю2,

где Нпол - полезная высота печи, м;

Ю2 - зазор между ящиком и сводом печи, Ю2=0,1 м;

Нобщ=1,1+0,1=1,2 м

3.3 Определение коэффициента использования рабочего пространства печи

Кисп=Vпол/Vобщ,

где Vпол - объем полезного пространства печи, м3;Vобщ - объем общего пространства печи, м³;

Vпол = ·Нпол = 0,4729 м³

Vобщ=·Нобщ = 0,6029 м³

Кисп=0,77

Рисунок 3.1 - Эскиз рабочего пространства печи

4. РАСЧЕТ ВРЕМЕНИ ТЕРМООБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ

Исходные данные:

Tме.н = 20 °С;

Tме.к = 920 °С;

Tп = Тме.к + (20-100) °С = 920+30=950 °С

mдет = 0,765 кг;

Мсад = 445,98 кг

Физические свойства стали 20ХН3А

- коэффициент теплопроводности л20 = 36 Вт/м·°С; л920 = 28 Вт/м·°С

- коэффициент теплоемкости с =577,5 Дж/кг·°С;

- плотность с=7850кг/м3;

- коэффициент черноты детали ед=0,8

- коэффициент черноты печи еп = 0,9

- скорость печной среды: V = 12 м/с.

4.1 Расчет коэффициента теплоотдачи конвекцией

Для V = 12 м/с

к = 52,31 Вт/м2С.

4.2 Расчет коэффициента теплоотдачи излучением:

,

,

где Fд - площадь излучающей поверхности детали;Fп - площадь излучающей поверхности печи;

Fд = р·d·H·(N/5) = 3,14·0,045·0,5·(440/5) = 6,22 м2

Fп = р·D·H = 3,14·0,8·1,2= 3,02 м2

Вт/м2 ·С;

Вт/м2 ·С;

Вт/м2 ·С;.

4.3 Расчет суммарного коэффициента теплоотдачи :

Вт/м2 ·С;.

4.4 Расчет среднего коэффициента теплопроводности:

Вт/м2 гр.

4.5 Определяем критерий Био для деталей:

;

Sэф =

Ві?0,25 - следовательно тело считается тонким

4.6 Находим температурный критерий поверхности детали:

;

4.7 Из графика Будрина определяем критерий Фурье

Fo = 20

4.8 Определяем время нагрева деталей:

4.9 Расчет времени выдержки:

Принимаем скорость цементации Vцем=0,1 мм/час

4.10 Расчет времени загрузки - выгрузки деталей:

з-в = 15мин =0,25 ч

4.11 Расчет общего времени термообработки:

общ =нд + з-в + в = 12,4 ч

I - зона нагрева детали;

II - зона выдержки;

III - зона загрузки-выгрузки

Рисунок 4.1 - График зависимости времени нагрева от температуры

5. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ПЕЧИ

5.1. Расчет тепла, затраченного на нагрев деталей:

д= д·с tмк - tмн,

где кг/с;

с - теплоемкость стали деталей: с = 577,5 Дж/кг·С;

tмк - конечная температура нагрева деталей: tмк = 920 С;

tмн - начальная температура деталей: tмн = 20 С;

д = 0,00754·577,5·920 ? 20 = 3919,08 Вт.

5.2 Расчет потери тепла на нагрев приспособления для термообработки деталей:

дет =пр спр (tмк пр - tмн пр),

где кг/с;

спр= 538 Дж/кг С;

пр = 0,00244·538·(920 - 20) = 1182,3 Вт.

5.3 Расчет потери тепла через футеровку печи

Qф= Qб.ст+Qп+Qсв. = 2634,7 Вт

5.4 Расчет потери тепла через загрузочное окно:

Размер загрузочного окна: Dок = 0,95 м;

Толщина футеровки: S1 =0,54м;

где с0 = 5,6710-8 Вт/м2·С - коэффициент излучения абс. черного тела;

Тц = tц + 273 = 20 + 273 = 293 К - температура цеха;

F - площадь загрузочного окна, через которое проходит лучистый поток энергии;

Ф - коэффициент диафрагмирования оконного проема,

где y1-2 - угловой коэффициент излучения через оконный проем:

где х - характеристический размер оконного проема,

где V - объем оконного проема

V = S F = 0,54 0,71=0,38м3;

f - площадь, охватывающая рассчитанный объем:

f = 2F+Fбок=3.02 м2;

Расчет доли времени открытого окна:

5.5 Тепловой баланс печи

Тепловой баланс печи учитывает две статьи: статью прихода и расхода тепловой энергии

,

,

где Qд=3,919 кВт

Qпр=1,182 кВт

Qф=2,635 кВт

Qок=1,337 кВт

Qуч=9,073 кВт

Qнеуч=(0,3?0,6) Qуч=2,722 кВт

кВт

кВт

5.6 Определяем номинальную мощность печи

кВт

Тепловой баланс печи

Статьи прихода	Единицы измерения	Статьи расхода	Единицы измерения
	кВт	%		кВт	%
Общий приход тепла	11,984	100	1. Потери на нагрев детали Qд 2. Потери на нагрев приспособления Qп 3. Потери тепла через футеровку Qф 3.1. Потери через боковые стенки 3.2. Потери через под печи 3.3. Потери через крышку печи Общие потери тепла через футеровку 4. Потери тепла через загрузочное окно 5. Неучтенные потери Qнеуч ВСЕГО	3,919 1,182 1.675 0.533 0.427 2,635 1,337 2,722 11,795	33,22 10,01 14,21 4,51 3,62 22,34 11,34 23,09 100

6. РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЕЙ ШАХТНОЙ ПЕЧИ

6.1 Выбираем вид нагревателей - проволочный спиральный

кВт

Выбираем материал нагревательных элементов, которых смогут выдержать эту температуру:

Х20Н80: с = 1.13 мкОм·м

г = 8400 кг/м3

ен = 0,75

6.2 Расчёт мощностей:

Поскольку Рном>15кВт печь трехфазная.

Мощность фазы:

кВт

При напряжении в сети 380В, напряжение в нагревательных элементах нужно понизить до 220В. Это достигается соединением их в звезду. Тогда фазовое напряжение будет:

где Vф - линейное напряжение сети 380В

Сопротивление фазы будет:

Ом

6.3 Диаметр проволоки.

Согласно таблицы 55, Рустем с.172 для температуры 1000 С и материала нагревателей Х20Н80 принимаем d=4мм

6.4 Длина нагревателя:

где Rф - сопротивление фазы, в кВт

q-площадь сечения, в мм

урасч - расчётное удельное электросопротивление

6.5 Общая длина нагревателя печи:

lобщ=Lф·3,

где 3 - количество фаз

lобщ=74,8·3=224,5 м

6.6 Вес нагревателя в печи:

G= lобщ ·q·г,

где г = 8400 кг/м3

G = 224,5·0,00001256·8400 = 23,6 кг

6.8 Диаметр спирали:

D = kc·d = 5·4 = 20 мм

6.9 Длина витка спирали:

Lвит = р·D = 3,14·20 = 62,8 мм

6.10 Длина выводов нагревателей:

Lвыв = д+100 = 640 мм,

где д - толщина стенки печи

6.11 Длина провода на всех нагревателях:

мм

6.12 Шаг спирали:

h=4·d=4·4=16 мм



Рисунок 6.1 - Схема подключения нагревательных элементов

7. РАСЧЕТ ПОТЕРИ ТЕПЛА НА АККУМУЛЯЦИЮ ТЕПЛА ПЕЧЬЮ И ВРЕМЯ ЕЕ РАЗОГРЕВА

Расчет потри тепла на аккумуляцию кладкой по формуле:

Qакк.ст. =Vсл.гслCсл(tср-tц); где

V-объем соответствующего слоя

1слой-шамот-легковес

С= 0,96 кДж/кгС,

г= 400 кг/м3.

2слой-диатомит

С=0,84 кДж/кгС

г =600 кг/м3

7.1 Расчет аккумуляции тепла боковой стенкой

7.1.1 Слой шамот-легковеса

V1 = F12 · д1 = 4,314·0.28 = 1,21 м3

7.1.2 Слой диатомит

V2 = F23 · д2 = 5,43·0.26 = 1,41 м3

Следовательно,



7.2 Расчет аккумуляции тепла подом печи

7.2.1 Слой шамот-легковеса

V1 = F12 · д1 = 1,394·0.28 = 0,39 м3

7.2.2 Слой диатомит

V2 = F23 · д2 = 1,705 ·0.26=0,44 м3

Следовательно,

7.3 Расчет аккумуляции тепла сводом печи

7.3.1 Слой шамот-легковеса

V1 = F12 · д1 = 1,23·0.28 = 0,34 м3

7.3.2 Слой диатомит

V2 = F23 · д2 = 1,23 ·0.26=0,32 м3

Следовательно,

7.5 Определяем потери тепла на аккумуляцию кожухом печи:

где Gкож = Vкож·г,

Vкож = (Fб.ст+Fп+Fсв)дкож = 8,29·0,005=0,0415 м3

г-плотность материала кожуха ;г=7850 кг/м3 .Кожух выполнен из стали 15КП

С = 0,598 кДж

Gкож = 0,0415·7850 = 325,2 кг

7.6 Определяем общую аккумуляцию тепла

Неучтенная аккумуляция тепла

Полная аккумуляция тепла

7.7 Определяем время, требуемое для разогрева печи:

8. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ

8.1 Определяем тепловой коэффициент полезного действия печи:

з=(Qдет/Qприх)·100%=(3,919/11,984)·100%=33%

8.2 Определяем удельный расход электроэнергии

N=(Qприх/Nуст)= 11,984/17,377=0,69.

8.3 Определяем производительность печи:

Рп=(Мдет·n)/фобщ=(0,765·440)/12,4=27,15 кг/час

8.4 Определяем энергетичность печи:

W=Nуст/Рп=17,377/27,15 =0,64 кВт·час/кг

9. КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ И РЕГУЛИРУЮЩИЕ ПРИБОРЫ И ПОДКЛЮЧЕНИЕ ИХ К СЕТИ

9.1 Схема включения основных и вспомогательных потребителей и подключение их к печи

Схема управления печью и вспомогательным оборудованием размещается на щитах управления.

Изображенная схема содержит следующие элементы:

Термопара

Щит управления

Обозначение трехфазного напряжения.

Нагревательные элементы при этой схеме включены «звездой». Данная печь состоит из одной зоны, к которой подсоединена термопара, подключенная к электронному потенциометру типа ЭПД-17, в котором уравновешивание ЭДС термопары производится непрерывно, а роль нуль-прибора выполняет электронный усилитель, приводящий к действию балансировочный двигатель. Этот потенциометр находится на щите управления и показывает данные на дисковой диаграмме в полярных координатах.

9.1 Схема подключения термопары:

E - источник напряжения

R - резистор

Rк - контрольное сопротивление

Rр - реохорд

D - движок реохорда

НГ - нуль-гальванометр

НЭ - норм. элемент

ЭП - электропечь

Т - термопара

10. ОХРАНА ТРУДА И ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

В конструкции печи должно быть предусмотрено лучшее использование электроэнергии, хорошей изоляцией токоведущих проводов, а также достаточную изоляцию в наружном слое кладки.

Разность температур поверхности печи и воздуха не должна превышать 30-40°С для помещения. Все управляющие механизмы печей должны быть установлены так, чтобы рабочий не подвергался действию высоких температур и вредных газов.

Преступая к работе на печах необходимо проверить:

1)исправность изоляции и наличие ограждений всех токоведущих частей печи;

2)заземление ограждений и др. металлических частей печи;

3)исправность блокировки для автоматического включения тока при открывании загрузочного окна;

4)исправность измерительных приборов, сигнальных ламп автоматических устройств;

5)работу вентиляции.

В начале работы при термообработке включить вентиляцию и разогреть печь до заданной температуры. Загрузить в печь обезжиренные и просушенные детали с помощью кран балки, зацепа и др.

Ремонтные работы проводить только при выключенной электрической энергии и полного охлаждения печи.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ ИНФОРМАЦИИ

1. Рустем С.Л. «Оборудование и проектирование термических цехов». - М.; 1973

2. Расчет нагревательных и термических печей/ справочник под ред. Тымчака В.М. - М.;1983

3. Методические указания к расчету курсового проекта «Печи термические»/ по курсу «Нагревательные устройства»/ под ред. Зозули В.Ф. - Х.;1987

4. «Марочник сталей и сплавов»/ под ред. Солонина В.Г.-М: Маш-ие, 1989

5. Соколов К.Н. «Оборудование термических цехов» - М.:Машгиз 1957

6. Казанцев Е.И. «Промышленные печи» - М: Металлургия; 1975

7. Лебедев Н.С., Телегин А.С. «Нагревательные печи» - М: Машгиз; 1962

8. Исаченко В.П. и др. «Теплопередача» - М: Энергия;1975

9. Михеев М.А. «Основы теплопередачи» - М-Л: Госэнергоиздат; 1989

Размещено на Allbest.ru