Термическая обработка стали

Проводим закалку при температуре 850-900 С в масле. Затем отпуск при температуре 500С . После проведения термообработки получаем твёрдость порядка 310 НB. Схема термообработки приведена на рисунке 3 [2].

2.2 Описание выбранного оборудования

2.2.1 Описание основного оборудования

На проектируемом участке для закалки и отпуска применяют электропечь СТЗ-5.40 5/10-Б1. В таблице 8 приведены габаритные размеры печи, а так же размеры поддона.

Таблица 8 -габаритные размеры печи

В данной печи производится нагрев электрическими свободноизлучаемыми нагревателями до необходимой температуры, в данной работе нагрев для отпуска производится до температуры 500°С. Так же нагрев в печи производится в атмосфере эндогаза.

Следует уделить большое внимание технике безопасности при работе с электропечами. В процессе их эксплуатации должны соблюдаться правила, обеспечивающие безопасность работы и длительный срок их службы.

При обслуживании электрических печей основное внимание должно быть обращено на выполнение правил электробезопасности, оговоренных в правилах устройства электроустановок.

Все токонесущие части электрических печей должны быть изолированы или ограждены. Ограждения и другие металлические токонесущие части должны быть заземлены. От токонесущих частей до ограждения в виде сетки должно быть расстояние не менее 100 мм, а в виде сплошных съемных кожухов -- не менее 50 мм.

Все электропечи должны быть снабжены автоблокировочным устройством, отключающим питание печи при открывании окон и заслонок.

В электропечах с вентиляторами, в рабочем пространстве которых циркулируют горючие или токсичные газы, при открывании заслонок должно автоматически отключаться электропитание вентиляторов.

В печах с механизированным подъемом и опусканием заслонок с помощью электропривода должно быть предусмотрено устройство, исключающее самопроизвольное опускание или подъем заслонки при отключении питания или неисправности механизмов.

В таблице 9 представлены технические характеристики электропечи СТЗ-5.40 5/10-Б1.

Таблица 9- техническая характеристика печи

2.2.2 Описание вспомогательного оборудования

В термических цехах для подъема, а так же передачи деталей и поддонов от одной печи к другой применяется кран-балка. С помощью крана-балки выполняются транспортные операции при термической обработке (например, выгрузку деталей из печи, погружение их в закалочный бак. Ввиду того, что указанные операции должны производиться быстро, краны снабжаются специальными лебедками, обеспечивающие скорость подъема изделия 20-30 и опускания 40-60 м/мин. Учитывая относительно небольшую массу изделий и возможную необходимость ремонта печей выбираем грузоподъёмность 2т.

Для проверки твердости деталей, прошедших термообработку можно воспользоваться твердомером Бринелля (твердомер типа ТБ). Сущность метода заключается во вдавливании шарика в образец под действием нагрузки, приложенной перпендикулярно поверхности образца в течение определенного времени, и измерении диаметра отпечатка после снятия нагрузки [7]. Шарик изготовлен из стали ШХ15, подвергнутой закалке и низкому отпуску.

Стальной закаленный шарик может быть следующих диаметров:2,5; 5; 10 мм. Предел допускаемой погрешности твердомера составляет ±4% для НВ=200±50, НВ=400 ±50 при нагрузке 29420Н (Н- Ньютон). Контроль твердости проводят при температуре ,?С. Измерение осуществляется в одной или нескольких точках, для этого необходимо подготовить поверхность заготовки. При подготовке поверхности заготовки необходимо исключить изменение свойств металла из- за нагрева или наклепа. Толщина испытуемой заготовки должна не менее чем в восемь раз превышать глубину отпечатка. При измерении прибор должен быть защищен от ударов и вибрации. Опорные поверхности столика и подставки должны быть очищены от посторонних веществ (окалины, смазки). Заготовка должна быть установлена на столике или подставке устойчиво во избежание ее смещения и прогиба во время измерения твердости. При измерении твердости наконечник плавно приводят в соприкосновение с поверхностью заготовки и плавно прикладывают заданное усилие до тех пор, пока оно не достигнет необходимой величины. Продолжительность выдержки наконечника под действием заданного усилия составляет 10- 15 секунд. После измерения твердости на обратной стороне заготовки не должно быть пластической деформации от отпечатка. Диаметр отпечатка измеряют с помощью микроскопа.

Заточной станок используют для подготовки поверхности детали к контрольной проверки свойств. Преимущественное применение имеют заточные станки имеющие абразивные шлифовальные круги.

2.3 Расчет времени нагрева металла

Для того чтобы определить изделие тонкое или массивное нужно рассчитать критерий Био. За условную границу между тонкими и массивными изделиями принимают такое сечение, для которого число Био равно 0,0053.Если Bi<0.25 расчеты выполняются по формулам для тонких изделий, если Bi>25- по методике, принятой для массивных изделий.

Bi = == 0.0053 (1)

где:?-коэффициент теплоотдачи;

?-коэффициент теплопроводности;

S-характерный геометрический размер изделия.(для гильзы цилиндра это толщина стенки при двустороннем нагреве.)

Учитывая сложность теплового процесса на поверхности нагреваемого изделия, коэффициент теплоотдачи считают сложной величиной, которая равна сумме коэффициентов теплоотдачи лучеиспусканием- и конвекцией-

(2)

Для электрических печей с температурой выше 500 коэффициент теплоотдачи конвекцией- приближенно может быть принят 10…15 Вт/(м² К).

В частном случае при нагреве изделий в низкотемпературных конвекционных печах величины коэффициента теплоотдачи лучеиспусканием невелика из-за малой степени черноты изделий[5],

Вт/(м² К).

Найдем среднюю температуру металла:

(4)

где: t_мн- температура металла начальная, ⁰С;

t_мк- температура металла конечная,⁰С;

Рассчитаем приведенный коэффициент излучения:

(5)

где: -степень черноты кладки печи; -степень черноты нагреваемого металла; -константа излучения абсолютно черного тела; F_п- поверхность нагреваемой камеры, м²

Найдем величину тепловоспринимающей поверхности нагреваемого металла:

F_м=м² , (6)

где:r-радиус,м²;

l-длина,м²;

С учетом того что у нас 20 детали в сатке,

=1,97м²

Величина поверхности нагреваемой камеры:

Fп=2ВН+2LН+2LB=2·8,57·3,96+2·8,785·3,96+2·8,785·8,57=288,0265 м²

где В-ширина печи, м²

L-длина печи, м²

Н-высота печи, м²

В нашем случае Bi<0.0053 значит, ведем расчет по формулам для теплотехнически тонких изделий.

Нагрев теплотехнически «тонких» изделий.

Время нагрева тонкого изделия в электрической печи периодического действия зависит от начальной температуры изделия и мощности печи (рис).

Процесс нагрева разбивают на 2 этапа.

Первый этап

Первый этап -от начала нагрева до достижения в камере печи заданной температуры-характеризуется тем, что вследствие низкой температуры садки она поглощает всю выделяющуюся в камере печи полезную мощность и нагрев изделий осуществляется при постоянном тепловом потоке. Тепловой поток, воспринимаемый единицей поверхности нагреваемых изделий определяется по формуле:

Вт/м² (7)

где: Т_п-температура печи, К;

Т_м-температура метала, К;

С_пр-приведенный коэффициент излучения.

Примем величину Вт/м²

Конец первого и начало второго этапа характеризуются достижением заданного значения температуры рабочего пространства. Температура теплотехнически тонких изделий в этот момент времени составляет:

Длительность первого этапа:

где: G- масса сатки, кг;

с- средняя удельная теплоемкость (для стали 38Х2МЮА), Дж/(кг·К);

-тепловой поток, Вт/м²;

-величина тепловоспринимающей поверхности нагреваемого металла, м²;

-температура нагреваемого изделия в конце первого периода,

-начальная температура изделия,

Масса сатки составляет:

G= =292кг. (10)

где ?-плотность металла, кг/м³

Рассчитаем численное значение формулы (9):

С учетом коэффициента распределения длительность первого этапа равняется:

где К_рас -коэффициент распределения.

Второй этап

Для электрических печей с температурой выше 500 коэффициент теплоотдачи конвекцией- приближенно может быть принят 10…15 Вт/(м² К).

В частном случае при нагреве изделий в низкотемпературных конвекционных печах величинв коэффициента теплоотдачи лучеиспусканием невелика из-за малой степени черноты изделий[5], Вт/(м² К).

Найдем среднюю температуру металла:

(12)

Для высокотемпературных печей время нагрева во втором этапе определяется по следующей формуле:

(13)

где: -суммарный коэффициент теплоотдачи во втором периоде, Вт/м²·К -температура металла в конце второго периода нагрева,

-температура печи во втором периоде нагрева, С учетом коэффициента распределения длительность второго этапа равняется:

= (14)

Общая длительность нагрева(на первом и втором этапе):

(15)

2.4 Тепловой расчет электрической печи периодического действия

Тепловой расчет печи сводится к составлению теплового баланса, который представляет собой уравнение, связывающее приход и расход тепла. Тепловой баланс действующей печи составляют с целью определения технико-экономических показателей ее работ.

1. Тепло, расходуемое на нагрев металла

Тепло, расходуемое на нагрев металла можно вычислить последующему выражению:

, (16)

где G-вес садки, кг;

-время нагрева изделий в печи, с; ;

с - средняя теплоемкость стали 38Х2МЮА в интервале температур от t_мн до t_мк, Дж/(кг•К); с=575 Дж/(кг•К)

t_мн - начальная температура металла, ?С; t_мн=20?С;

t_мк - конечная температура нагрева металла, ?С; t_мк=500?С.

Подставим численные значения в формулу (16):

2. Потеря тепла на нагрев приспособлений:

Q_т=g_тc_т(t_k-t_н), Вт

где: g_т- масса приспособлений, нагреваемая в единицу времени;

c_т- средняя теплоемкость металла приспособления в интервале температур от t_k до t_н, Дж/(кг*К)

t_н- температура загружаемого в печь приспособления, °С;

t_k- температура выгружаемого из печи приспособления, °С

g_т=0,3* G= 0,3*292=87,6 кг

Q_т= 87,6*0,57*(500-20)=23967,36 Вт

3. Тепло, теряемое вследствие теплопроводности кладки печи

Тепло, теряемое вследствие теплопроводности кладки печи можно определить по формуле:

(17)

Потери тепла в результате теплопроводности через под, свод и стены печи определяется уравнением:

(18)

где t_п - температура рабочего пространства печи, ?С; t_п=500?С;

t_о - температура окружающего воздуха, ?С; t_о=20?С;

S₁, S₂, …, S_n - толщина отдельных слоев кладки, м;

?₁, ?₂,…, ?_n,-коэффициенты теплопроводности слоев кладки, Вт/(м•К);

F₁, F₂, …, F_n - средние расчетные поверхности слоев кладки, м²;

?_в - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности кладки печи в окружающую среду, Вт/(м²•К);

F_нар - наружная поверхность кладки.

?_в примем равным 12 Вт/(м²•К).

Средние расчетные поверхности слоев кладки рассчитываются по формулам:

, (19)

где F_вн - внутренняя поверхность кладки; F_1,2 - поверхность между первым и вторым слоем кладки.

Расчет боковых стенок Боковые стенки печи состоят из двух слоев: огнеупорного материала - шамот класса А, толщиной S₁=115мм; теплоизоляционного материала - диатомит, толщиной S₂=150мм.

Размеры слоев кладки печи представлены в таблице .

Таблица 10- Размеры слоев кладки печи

Расчет торцевых стенок (рисунок 2):

F_вн = 2·H_вн•B_вн = 2·0,62•0,53 = 0,657 м²;

F_1,2 = 2·H_1,2•B_1,2 = 2·0,81•1,04=1,685 м²;

F_нар = 2·H_нар•B_нар = 2·1,22•1,02=2,489 м².

Рассчитаем средние площади слоев:

;

Коэффициенты теплопроводности для:

- шамот класса Б (ШБ):

- Диатомит:

Зададимся температурами между слоями футеровки и наружной поверхности кладки соответственно равными t_1,2 = 470?С, t_нар = 50?С тогда:

;

;

Проверка:

;

;

R₁, R₂- тепловые сопротивления слоев кладки; К/Вт.

;

Результаты расчета считаем удовлетворительными.

Рисунок 5 - Эскиз торцевых стенок печи

Расчет боковых стенок

Количество слоев, их состав торцевых стенок такие же, как у боковых стенок, толщина стенок S₁=140мм и S₂=105мм (рисунок 3).

Используя данные, приведенные в таблице 1, найдем площади торцевых стенок:

F_вн = 2·H_вн•L_вн = 2·0,53•3,0 = 3,18 м²;

F_1,2 = 2·H_1,2•L_1,2 = 2·1,040•3,14=6,53 м²;

F_нар = 2·H_нар•L_нар = 2·1,02•3,44=7,02 м².

Рассчитаем средние площади слоев:

;

Коэффициенты теплопроводности для:

- шамот класса А (ША):

- Диатомит:

Зададимся температурами между слоями футеровки и наружной поверхности кладки соответственно равными t_1,2 = 420?С, t_нар = 60?С тогда:

;

Проверка:

;

;

;

Результаты расчета считаем удовлетворительными.

Рисунок 6 - Эскиз боковых стенок печи

Расчет свода

Свод ванны состоит из двух слоев: огнеупорного материала - шамот класса Б, толщиной S₁=110мм; теплоизоляционного материала-диатомит, толщиной S₂=80мм (рисунок 4).

Используя данные, приведенные в таблице 1, найдем площадь свода:

F_вн = B_вн•L_вн = 0,53•3,0 = 1,59 м²;

F_1,2 = B_1,2•L_1,2 = 0,81•3,14=2,543 м²;

F_нар = B_нар•L_нар = 1,02•3,44=3,509 м².

Рассчитаем средние площади слоев:

;

Коэффициенты теплопроводности для:

- шамот класса Б (ШБ):

- Диатомит:

Зададимся температурами между слоями футеровки и наружной поверхности кладки соответственно равными t_1,2 = 420?С, t_нар = 65?С тогда:

;

Проверка:

;

;

;

Результаты расчета считаем удовлетворительными.

Рисунок 7- Эскиз свода печи

Расчет пода

Под ванны состоит из двух слоев: огнеупорного материала - шамот класса А, толщиной S₁=230мм; теплоизоляционного материала- шамот-легковес (ШЛ-1,3) толщиной S₂=140мм (рисунок 5).

Используя данные, приведенные в таблице , найдем площади пода:

F_вн = B_вн•L_вн = 0,53•3,0 = 1,59 м²;

F_1,2 = B_1,2•L_1,2 = 0,81•3,14=2,543 м²;

F_нар = B_нар•L_нар = 1,02•3,44=3,509 м².

Рассчитаем средние площади слоев:

;

Коэффициенты теплопроводности для:

- шамот класса А (ША):

;

- шамот класса Б (ШБ):

.

Зададимся температурами между слоями футеровки и наружной поверхности кладки соответственно равными t_1,2 = 220?С, t_нар = 80?С тогда:

;

.

,

.

Проверка:

;

;

;

.

Результаты расчета считаем удовлетворительными.

Рисунок 8- Эскиз пода печи

Тепло, теряемое вследствие теплопроводности кладки печи найдем, подставив численные значения потерь тепла в результате теплопроводности через под, свод и стены печи в формулу (17):

Потери тепла излучением через открытые загрузочные и разгрузочные окна.

Расчет потерь тепла излучением в окружающую среду производится по формуле:

(20)

где -константа излучения абсолютно черного тела

- коэффициент диафрагмирования; F_отв- площадь поперечного сечения отверстия, ; Т_П-температура печи, К; Т_П=803К; Т_В - температура окружающей среды, К; Т_В=293К;

?-степень черноты излучающего тела, ?=0,8;

??=?_откр./?_общ. -доля времени, в течение которого открыто окно, ?_откр.=300 с. Исходя из размеров окна загрузки - выгрузки, определяем его площадь:

F_отв= L_отв• В_отв=0,240•0,7=0,168м².

Согласно справочным данным коэффициент диафрагмирования принимаем равным=0,75.

Подставляем полученные данные в формулу (20):

Потери тепла вследствие тепловых коротких замыканий.

В большинстве случаев эти потери не могут быть точно учтены и их принимают обычно равными 50…100% от потерь теплоты через стенки, т.е.

(21)

Подставим численные значения в формулу (21):

Затраты тепла на нагрев контролируемой атмосферы.

Тепло, затрачиваемое на нагрев контролируемой атмосферы, может быть определен по формуле:

где средний расход атмосферы ;

средняя объемная теплоемкость атмосферы в диапазоне температур от , ;

начальная и конечная температуры атмосферы, °С.

СН4 + ?(О2 + 3,8N2) = CO + 2Н2 + 1,9N2 -- Q,

-доля газа СО,

-доля газа ,

-доля газа ,

В таблице 11 представлены табличные данные для удельной теплоемкости и плотности газов, входящих в состав эндогаза[6].

Таблица11--табличные данные

,

,

,

0,21+0,411,287+0,391,3=1,23467

Таблица 12. Тепловой баланс электрической печи периодического.

Коэффициент полезного действия термических печей определим по формуле:

(25)

где Q_м- тепло, идущее на нагрев металла; Q_м=120466,4Вт;

Q_расх- суммарные затраты тепла печью; Q_расх=168702,2Вт.

После подстановки численных значений в формулу (25) получаем:

(26)

Коэффициент полезного действия электрической печи составляет всего 71,4% вследствие значительных потерь тепла идущего на нагрев приспособлений.

2.5 Расчет нагревателей

В основе методики расчета нагревателей лежит определение удельной поверхностной нагрузки нагревателя W. Так как из практических соображений сечение материала нагревателя выражается в миллиметрах, а его длина - в метрах, то для приведения к удобной размерности в системе СИ удельную поверхностную нагрузку принято выражать в ваттах на квадратный сантиметр реальной поверхности нагревателя и ряда других факторов.

Исходные данные для расчета свободноизлучающих нагревателей:

N_? - установленная мощность печи (зоны), кВт;

U - напряжение, В

?_t - удельное электросопротивление материала нагревателя, мкОм•м;

F_м и F_ст - соответственно активная тепловоспринимающая поверхность садки

металла и теплоизлучающая поверхность стенок рабочей камеры

печи, на которых размещены нагреватели, м²:

?_м и ?_н - соответственно степень черноты нагреваемого металла и самих

нагревателей;

t_м и t_н - соответственно конечная температура металла и нагревателей, ?С;

t_н=t_м+(50…200)?С (30)

n - число нагревателей в печи;

При расчете подбирают материал нагревателя и определяют допустимую действительную удельную поверхностную нагрузку нагревателя W_д , Вт/см²; сечение нагревателя d. мм; длину нагревателя l,м; длину нагревателя в свернутом виде L, м.

Выбираем материал для нагревателей - сплав Х15Н60, нихром, содержащий приблизительно 15% хрома и 60% никеля.

Определив по таблице допустимую удельную поверхностную мощность W_д=2,5 Вт/см² [5], переходим к расчету конструктивных и электрических параметров нагревателей.

Для нагревателей из материала круглого сечения рассчитывается диаметр

d=, мм (31)

и длина

, м (32)

N₁ - мощность 1 нагревателя, кВт

N₁=N_?/n (33)

Установленная мощность для данной печи N_?= 42 кВт

N₁=42/3=14 кВт

Удельное электросопротивление сплава для нагревательного элемента равна 1,44 мкОм•м [1].

Напряжение питающей сети U=220 В.

Подставим значения в формулы (30) и (32):

, м

, м

Полученные значения округляем до ближайшего значения по

ГОСТ 12766.4-77 [5]. d=4,5, мм

Проверка расчета нагревателя.

1. Рассчитываем действительную (реальную) поверхностную нагрузку нагревателя W_р:

, (34)

где F_пр - действительная (реальная) поверхность нагревателя, которая рассчитывается через длину l и периметр поперечного сечения проволоки ?d.

F_пр=l•?d= (35)

,

2. Вычислим погрешность

?= (36)

3. Если ?<±5%, то проверяется температура нагревателя:

(37)

где =

- коэффициент эффективности излучения, который экспериментально определен для нагревателей различной конструкции при минимальном допустимом относительном межвитковом расстоянии [1]. =0,32

коэффициент шага, зависит от относительных межвитковых расстояний. =1,69

коэффициент, учитывающий зависимость W_д от С_пр

(38)

- коэффициент соотношения тепловоспринимающей F_м и теплоизолирующей поверхности F_ст, учитывает влияние размеров садки и зависимость от отношения F_м/ F_ст,

Завершается расчет нагревателей проверкой размещения их на соответствующих стенках печей камеры. Для размещения нагревателей находят их длину в свернутом виде L и площадь, занимаемую ими.

Для спиралей:

(39)

Где: t=1,18, мм -шаг

Диаметр спирали принимается в зависимости от размеров, мощности и температуры печи D=(5…14) по таблице [5].

На рисунке 9 представлен вид рассчитанного нагревателя[5].

Рисунок 9-вид нагревателей

3. Автоматизация

Для регулирования температуры используется двухпозиционный закон регулирования.

Основное достоинство двухпозиционного регулирования температуры - это простота. Для управления нагрева используется контактор, который периодически подключает печь к источнику питания. В качестве регулирующего измерительного прибора используется электронный автоматический самопишущий потенциометр типа ЭПД с записью на дисковой диаграмме 130'. Схема включает в себя цепь питания и цепь управления. В цепь питания входит рубильник, плавкие предохранители (Пл. Пр) и контактор (К). В цепь управления входит электронный потенциометр (ЭП), универсальный переключатель (УП) и сигнальные лампочки.

Если температура печи ниже заданного значения, то в электронном потенциометре замыкаются контакты min, при этом замкнутся его контакты и ток потечет по обмотке контактора (К), контакты контактора также замкнутся, печь подключится к источнику питания и одновременно загорится красная сигнальная лампочка (ЛСК).

Если температура печи станет выше заданного значения, тогда контакты min размыкаются, разомкнуться его контакты, следовательно, обесточится обмотка контактора, печь отключится от источника питания и включится зеленая сигнальная лампочка (ЛСЗ).

На случай выхода из строя автоматики предусматривается ручное управление нагревом. Для этого используют универсальный переключатель (УП). Если универсальный переключатель стоит в положении «О», то цепи разомкнуты, а если в положении «А», то в цепь включается электронный потенциометр и регулирование температуры осуществляется автоматически. Если переключатель стоит в положении «Р», то помимо электронного потенциометра в обмотку включается промежуточное реле, и осуществляется ручное управление нагревом при помощи периодического переключения универсального переключателя из положения «О» в положение «Р».

В качестве датчика используется радиационный пирометр. Пирометры излучения основаны на неконтактном методе измерения температур, когда чувствительный (измеряющий) элемент не находится в непосредственном соприкосновении с измеряемой средой. Пирометры полного излучения (радиационные пирометры) измеряют полную лучистую энергию нагретого тела, концентрируя ее на чувствительном элементе. Широкое применение находит радиационный пирометр с телескопом ТЕРА - 50. Телескоп ТЕРА - 50 выполнен в виде литого корпуса, в котором монтирована термобатарея из 10 миниатюрных хромель- копелевых термопар.

Прибор развивает большую термо-ЭДС и обладает меньшей тепловой инерцией, чем другие подобные приборы. Если диапазон измеряемых температур составляет 900- 1099?С, то основная погрешность прибора составляет ±18?С.

4. Планировка участка цеха

Участок спроектирован для окончательной термической обработки гильз цилиндров, изготовленных из высоколегированной, износостойкой стали 38Х2МЮА. При необходимости размещения термического цеха в многоэтажном здании, допустимо только как исключение, термический цех должен быть расположен на верхнем этаже достаточной высоты. При компоновке термического цеха в общем корпусе с другими цехами изготовителями (кузнечный, механический), цех следует располагать наиболее протяженной стороной вдоль наружной стены корпуса с целью улучшения операций. При этом согласно строительным нормам

СН 245,64 не менее 60 % стен здания должны быть свободными от застройки вспомогательным и дополнительным оборудованием. Все элементы здания термического цеха относятся к категории Т по признаку пожароопасности и должны выполняться из несгораемых материалов, отвечающих І и ІІ ступеням огнеопасности.

На участке расположено две электрические печи ...