Курсовая работа (т): Расчет теплового баланса камерной печи

Расчет теплового баланса камерной печи

Аннотация

В курсовой работе рассмотрены особенности нагрева заготовок из стали ШХ15 в камерной печи сопротивления. В технологическую часть входит описание стали, справочные данные, таблицы, диаграммы распада переохлажденного аустенита, а также данные по прокаливаемости стали. Рассчитано время нагрева заготовок в печи и время выдержки для более полного выравнивания температуры по сечению изделия.

При расчете теплового баланса печи были рассмотрены основные статьи расхода тепла, вычислена необходимая для бесперебойной работы установленная мощность печи, коэффициент расходования мощности на фактический нагрев металла, т.е. полезная мощность установки.

Анализ полученных данных указывает на возможность сокращения потерь тепла и бесполезного расхода электроэнергии путем улучшения конструкции печи, изменения режима термической обработки или же изменения принципа укладки заготовок в рабочем пространстве печи, с целью получения большего коэффициента полезного действия, а равно более экономичного расходования электроэнергии.

ВВЕДЕНИЕ

Камерные печи являются одним из наиболее распространённых видов электропечей периодического действия, используемых в промышленности. Разнообразие конструкций камерных печей и их назначений, простота обслуживания и удобство в использовании обеспечили широкую популярность и востребованность подобных устройств.

В зависимости от области применения камерной печи, особенностей процессов нагрева и работы с изделиями, существуют различные типы подобных электроустройств: печи для термообработки металлов, печи для запекания эмали, отжига опок, спекания металлов, запекания краски на стекле и прочее. Если говорить в целом, то камерные печи предназначены для проведения самых разнообразных термических процессов: от отжига керамики до термообработки металлов.

В курсовой работе рассмотрены особенности нагрева заготовок из стали ШХ15 в камерной печи сопротивления. Как видно из названия, шарикоподшипниковую сталь применяют главным образом для изготовления шариков, роликов и колец подшипников. Но номенклатура марок стали данного вида достаточно широка. Это объясняется разнообразием требований к эксплуатационным свойствам подшипников со стороны традиционных, а также новых отраслей промышленности и сельского хозяйства.

Путем составления теплового баланса определена экономическая целесообразность проведения нагрева в таком типе печи.

1       ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Сталь ШХ15 - заэвтектойдная конструкционная подшипниковая сталь.

Как видно из названия, шарикоподшипниковую сталь применяют главным образом для изготовления шариков, роликов и колец подшипников. Но номенклатура марок стали данного вида достаточно широка. Это объясняется разнообразием требований к эксплуатационным свойствам подшипников со стороны традиционных, а также новых отраслей промышленности и сельского хозяйства. Химический состав в массовых процентах материала ШХ15 (ГОСТ 801 - 78) приведен в табл.1.

Таблица 1 - Химический состав, % [1]

Критические температуры стали ШХ15 приведены в табл. 2.

Таблица 2 - Критические температуры, оС [1]

Кроме изготовления деталей подшипников сталь ШХ15, например, также применяется также для производства игл распылителей форсунок, обратных клапанов и подушек впрыскивающих систем, валиков топливных насосов, роликов, осей различных рычагов и других деталей, от которых требуется высокая твёрдость и хорошее сопротивление износу.

В зависимости от назначения подшипниковая сталь поставляется в виде горячекатаных прутков круглого и квадратного (больших размеров) сечений, в виде горячекатаной полосы, горячекатаных и холоднокатаных труб и крупногабаритных поковок, а также холоднотянутой проволоки в мотках и прутках.

Технические требования к качественным показателям сортового проката из сталей типа ШХ15 и ШХ15СГ (в т. ч. и ШХ4), нормы и методы контроля основных свойств его указаны в ГОСТ 801-68, труб в ГОСТ 800-78, проволоки в ГОСТ 4727-67; к стали ШХ15ШД вакуумно-дугового переплава - в ГОСТ 21022-75.

Кроме того, имеется ещё целый ряд технических условий, содержащих дополнительные требования к качеству полуфабрикатов из стали этих марок, полученных другими методами рафинирующих переплавов или отражающих особенности новых технологических процессов получения заготовок.

Требования, предъявляемые к состоянию поверхности прутков, труб, проволоки подшипниковой стали, предусматривают отсутствие грубых дефектов типа нарушения сплошности или ограничивающие допустимость менее опасных дефектов незначительной глубины. На поверхности прутков не допускаются раскованные и раскатанные загрязнения, пузыри, трещины, корочки, закаты, плены и другие дефекты, возникающие при переделе слитка или промежуточной заготовки.

Несмотря на тщательный контроль на металлургических предприятиях, брак по этим дефектам составляет наибольший процент от общего количества стали, рекламируемой подшипниковыми заводами. Особенно велик этот процент для калиброванной стали.

Не обнаруженные при контроле в прутках и трубах поверхностные дефекты раскрываются в процессе дальнейшей механической обработки, пластической деформации, термической обработки или в процессе эксплуатации подшипников.

К допустимым дефектам на поверхности прутков и труб относятся мелкие отпечатки, рябизна, царапины. Глубина залегания таких дефектов в стандартах дифференцируется в зависимости от диаметра прутков и от состояния поставки.

Многими авторами было доказано благоприятное влияние повышенного содержания серы (до 0,15%) на долговечность и обрабатываемость подшипниковых сталей, хотя стали с таким содержанием серы пока не применяются.

В подшипниковых сталях, полученных по обычной технологии, содержится около 0,005% О2, 0,01-0,02% N2, 0,0001-0,0005% Н2. Кислород находится в виде окислов и его количество зависит от технологии раскисления. При вакуумировании содержание кислорода уменьшается до 0,002%, а при ВДП - до 0,001%.

Водород отрицательно влияет на качество стали ввиду того, что снижение растворимости его при снижении температуры металла вызывает повышенные локальные давления в металле, приводящие к образованию флокенов. При исследовании подшипниковых сталей отечественных и зарубежных фирм было установлено отрицательное влияние повышенных содержаний азота и суммы азота и кислорода на долговечность подшипников. Микропористость может приводить к образованию питтинга и снижению долговечности подшипника.

Неметаллические включения в подшипниковых сталях являются концентраторами напряжений и могут в некоторых случаях являться причиной появления микротрещин, образующихся от повышенной концентрации мозаичных напряжений, резкого охлаждения при закалке и др. в общем же случае стараются, чтобы неметаллические включения имели глобулярную форму. Наиболее пагубное воздействие на качество подшипников оказывают включения оксидов и нитридов алюминия.

В настоящее время наиболее полно удовлетворяют требованиям по содержанию вредных включений стали, произведённые методами ЭШП и ВДП. Однако этот металл слишком дорогой и, кроме того, не установлены экономически целесообразные требования по чистоте металла.

Технологические свойства шарикоподшипниковой стали ШХ15 [1]

.        Температура ковки, оС: начала 1150; конца 800. Сечения до 250 мм охлаждаются на воздухе, 251-350 мм - в яме.

.        Свариваемость - способ сварки - КТС.

.        Обрабатываемость резанием - в горячекатанном состоянии при HB 202 и σв = 740 МПа Кυ тв. спл = 0,90, Кυ б. ст = 0,36

.        Склонность к отпускной хрупкости - склонна.

.        Флокеноустойчивость - чувствительная.

.        Шлифуемость - хорошая.

Плотность  при 20  = 7800  [2]

Теплофизические характеристики стали указаны в таблицах 3 и 4. [2]

Таблица 3 - Теплопроводность

Таблица 4 - Теплоемкость

Механические свойства в зависимости от термической обработки приведены в табл. 5

Таблица 5 - Механические свойства стали ШХ15 при различных режимах термообработки [1]

Прокаливаемость стали

Таблица 6 - Прокаливаемость стали. Закалка 850 оС. Твердость для полос прокаливаемости, HRC [1]

Рисунок 1 - Диаграммы изотермического распада переохлажденного аустенита

заготовка сталь камерный печь

2       РАСЧЕТ ВРЕМЕНИ НАГРЕВА ЗАГОТОВКИ ИЗ СТАЛИ ШХ15

Проводится расчет времени нагрева заготовок высотой 55 мм, шириной 110 мм и длиной 450 мм из стали ШХ15, заготовки укладываются в рабочем пространстве печи в соответствии с рис.2.

Рисунок 2 - Эскиз укладки заготовок в печи

При определении времени нагрева нужно определить, необходимо ли учитывать перепад температуры по сечению изделия, т.е. является изделие «тонким» или «массивным». Для этого рассчитывается критерий Био.

За условную границу между «тонкими» и «массивными» изделиями принимают такое сечение, для которого число Био равно 0.25. Если  расчеты выполняются по формулам для тонких изделий, если  - по методике, принятой для массивных изделий.

                                                                                          (1)

где  - коэффициент теплоотдачи, ;

 - коэффициент теплопроводности, ;