Участок термической обработки паропроводных труб

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Физико-металлургический факультет

Кафедра «Физического металловедения и физики твердого тела»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ

по дисциплине «Проектирование термических цехов»

ЮУрГУ - 150105.2011.369. ПЗ КР

«Участок термической обработки паропроводных труб»

Руководитель проекта

Корягин Ю.Д.

«___»__________________2011г.

Автор проекта

студент группы ФМ-529

Алютин Д.М.

«___»__________________2011г.

Челябинск 2011

Задание на курсовой проект студента

Алютина Дмитрия Михайловича

Группа ФМ-529

1. Дисциплина (специализация) проектирование термических цехов

2. Тема проекта

«Участок термической обработки паропроводных труб»

3. Срок сдачи студентом законченной работы 25 ноября 2011 г.

4. Перечень вопросов, подлежащих разработке

Технологическая часть:

· анализ условий работы выбранной детали и предъявляемые к ней требования;

· обоснование выбора материала (из 2…3 аналогов) и необходимой термообработки;

· описание выбранной стали (хим. состав по ГОСТу, критические точки, диаграмма распада переохлажденного аустенита, полосы прокаливаемости, механические и технологические свойства, цель введения легирующих элементов и др.);

· выбор и обоснование параметров термической обработки, обеспечивающих получение требуемой структуры и свойств (температура нагрева, охлаждающая среда и т.д.);

· контроль качества термической обработки;

· анализ возможного брака и мероприятия по его устранению.

Выбор, описание и расчет основного, дополнительного и вспомогательного оборудования:

· выбор и расчет необходимого количества оборудования;

· описание выбранного оборудования;

· расчет горения топлива (для пламенных печей);

· расчет нагрева металла и тепловой расчет печи;

· расчет количества дополнительного и вспомогательного оборудования (закалочные баки и т. д)

Автоматизация теплового режима термической печи.

Планировка проектируемого участка. Выбор транспортных средств.

Графическая часть:

· хим. состав стали и ее критические точки;

· чертеж основного оборудования;

· планировка участка;

· схема автоматизации теплового режима печи.

5. Календарный план

Наименование разделов курсового проекта	Срок выполнения разделов проекта	Отметка о выполнении руководителя
1. Технологическая часть	1 октября
2. Выбор, описание и расчет оборудования	20 октября
3. Автоматизация теплового режима печи	30 октября
4. Планировка участка	5 ноября
5. Графическая часть	15 ноября
Нормоконтроль	23 ноября
Защита проекта	25 ноября

Аннотация

Алютин Д.М. Участок термической обработки паропроводных труб.

Челябинск. ЮУрГУ, 2011, 50с, 10 илл.

Библиография литературы - 9 наименований, 2 листа чертежей формата А2 и 1 лист формата А1.

Используя литературные данные, а также анализ условий работы, в курсовом проекте выбран режим термической обработки труб, выбрана сталь. Рассчитано необходимое количество основного и вспомогательного оборудования, выполнена его планировка в условиях действующего производства. Проведен тепловой расчет печи, разработана ее автоматизация.

Оглавление

Введение

1. Технологическая часть

1.1 Условия работы труб паропроводов

1.2 Влияние легирующих элементов на свойства стали 12Х1МФ

1.3 Технологический процесс термообработки стали 12Х1МФ

1.4 Контроль качества и анализ возможного брака

1.4.1 Контроль производства и качества продукции

1.4.2 Возможные виды брака при термической обработке и их устранение

2. Описание и расчет основного и вспомогательного оборудования

2.1 Выбор и расчет необходимого количества оборудования

2.2 Описание выбранного оборудования

2.2.1 Описание основного оборудования

2.2.2 Описание дополнительного и вспомогательного оборудования

2.2.2.1 Дополнительное оборудование

2.2.2.2 Вспомогательное оборудование

2.3 Расчет нагрева металла

2.4 Тепловой расчет топливной печи

3. Автоматизация теплового режима термической печи

3.1 Контроль и регулировка температуры в печи

3.2 Регулирование соотношения «газ - воздух»

3.3 Система атмосферного контроля и регулирования

3.4 Давление в рабочем пространстве печи

3.5 Система аварийной сигнализации

4. Планировка проектируемого участка

4.1 Разработка плана расположения оборудования на проектируемом участке

4.2 Расчет площадей и описание основных элементов здания

4.3 Описание планировки проектируемого участка

Библиографический список

Введение

Термическая обработка применяется в металлургии, машиностроении, и других важных отраслях промышленности. Она является неотъемлемым элементом технологического процесса полуфабрикатов, изделий и инструмента, определяет их надежность и долговечность в условиях эксплуатации.

В данной работе рассматривается термическая обработка паропроводных труб из стали 12Х1МФ.

Сталь 12Х1МФ применяется: для изготовления труб пароперегревателей, трубопроводов и коллекторных установок высокого давления; для изготовления поковок для паровых котлов и паропроводов; для изготовления деталей цилиндров газовых турбин; для изготовления различных деталей, работающих при температуре до 570-585 °С; для изготовления деталей трубопроводов и трубопроводной арматуры с закалкой на воздухе или в масло и отпуском на воздухе; для изготовления деталей типа донышек, воротниковых фланцев, штуцеров, колец, патрубков, тройников и деталей прямоугольной формы для энергооборудования и трубопроводов с абсолютным давлением свыше 3,9 МПа тепловых электростанций.

1. Технологическая часть

1.1 Условия работы труб паропроводов

Трубы паропроводов работают в очень тяжелых условиях:

- высокое постоянное давление

- высокая постоянная температура работы до 530^о С

- пропускаемый по трубам пар является сильным окислителем

1.2 Описание выбранной марки стали

Химический состав и свойства стали 12Х1МФ

Сталь 12Х1МФ относится к конструкционным теплоустойчивым сталям и находит широкое при изготовлении труб пароперегревателей, трубопроводов и коллекторных установок высокого давления; для изготовления поковок для паровых котлов и паропроводов; для изготовления деталей цилиндров газовых турбин; для изготовления различных деталей, работающих при температуре до 570-585 °С; для изготовления деталей трубопроводов и трубопроводной арматуры с закалкой на воздухе или в масло и отпуском на воздухе; для изготовления деталей типа донышек, воротниковых фланцев, штуцеров, колец, патрубков, тройников и деталей прямоугольной формы для энергооборудования и трубопроводов с абсолютным давлением свыше 3,9 МПа тепловых электростанций. необходимых для обработки металлов давлением.

Химический состав стали 12Х1МФ представлен в таблице 1.

Таблица 1 - Химический состав стали 12Х1МФ (% весовые)

C	Si	Mn	Ni, Cu	S	P	Cr	Mo	V
0,11-0,15	0,17-0,37	0,4-0,7	до 0,15	0,002- 0,015	0,002- 0,015	0,9-1,2	0,25-0,35	0,15-0,3

Критические точки данной стали, приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Температура критических точек стали 12Х1МФ,°С

Аc1	Аc3	Mн
740-780	880-900	430

На машиностроительных заводах сталь подвергается, нормализации и отпуску. Некоторые механические свойства после такой обработки приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Механически свойства стали 12Х1МФ при 20°С

Сечение, мм	Sв, МПа	S0.2, МПа	d, %	y, %	KCU, Дж/cм2	НВ	HRC
Нормализация 980-1000 °С и отпуск 740-760 °С.
D=57-168	460-590	400	22	58	98
Нормализация 950-1030 °С.
90-160	470-590	295	22	58	98

Механические свойства стали 12Х1МФ в зависимости от температуры отпуска представлены в таблице 4.

Таблица 4 - Механические свойства стали 12Х1МФ в зависимости от температуры испытаний

Температура испытаний, °C	Sв, МПа	S0.2, МПа	d, %	y, %	KCU, Дж/м2
Труба диаметром 273 мм с толщиной стенки 29 мм. Нормализация 980-1000 °С. Отпуск 740-760 °С.
20	305	490	23-33	71-74	127-157
100	285	450	27	73	235
200	255	450	23	71	235
300	225	480	19	66	181
400	215	430	24	73	147
450	205	390	25	80	-
480	225	410	28	78	127
500	205	345	25	81	132
540	225	355	28	83	137
600	175	215	25	87	235

Влияние легирующих элементов на свойства стали 12Х1МФ

Влияние хрома

Хром - повышает твердость, коррозионностойкость.

Влияние никеля

Никель - повышает прочность, пластичность, коррозионностойкость.

Влияние ванадия

Ванадий оказывает эффективное влияние на процессы собирательной рекристаллизации и существенно уменьшает чувствительность к перегреву.

Присутствие ванадия в твердом растворе не сопровождается увеличением сил межатомных связей в решетке ?-железа. Однако он оказывает очень большое влияние на интенсивность процессов вторичного твердения и теплостойкость.

Влияние постоянных примесей

Кроме углерода, в стали присутствуют такие постоянные примеси как кремний, фосфор и сера. Содержание этих элементов в стали 12Х1МФ ограничивается следующими верхними пределами: 0,37%Si; 0,015% S; 0,015% P.

Влияние кремния

Кремний попадает в сталь при раскислении. Кремний необходим для устранения вредных примесей закиси железа, а также вредных сернистых соединений железа. Растворяется в феррите и цементите. Он заметно влияет на свойства стали, повышая прочность в горячекатаных изделиях, изменяя и некоторые другие свойства.

Кремний структурно не обнаруживается, так как полностью растворяется в феррите, кроме той части кремния, которая в виде окиси кремния не успела всплыть в шлак и осталась в металле в виде силикатных включений.

Влияние серы

Сера, как и фосфор, попадают в металл из руд. При комнатной температуре растворимость серы в феррите практически отсутствует. Поэтому вся сера в стали связана в сульфиды железа и марганца и частично в сульфиды легирующих элементов. С повышением температуры сера растворяется в феррите и аустените, хотя и незначительно, но до вполне определенных концентраций (0,02 % в феррите при 913⁰С и 0,05 % в аустените при 1365⁰С). Поэтому сернистые включения могут видоизменяться при термической обработке стали.

Если сера связана в сульфид железа FeS, при относительно низких температурах горячей деформации стали, вследствие расплавления эвтектики сульфида железа (988⁰С), наблюдается красноломкость стали. При более высоких температурах горячей пластической деформации возможна горячеломкость стали.

Увеличение содержания серы в стали мало влияет на прочностные свойства, но существенно изменяет вязкость стали и ее анизотропию в направлениях поперек и вдоль прокатки. Ударная вязкость на образцах, вырезанных поперек направления прокатки, уменьшается с увеличением содержания серы. А в продольном направлении с увеличением содержания серы наблюдается тенденция к повышению ударной вязкости. Это явление связано с усилением полосчатости феррито-перлитной структуры вследствие вытянутости сульфидов в строчки вдоль прокатки.

Влияние фосфора

Руды железа, а также топливо и флюсы содержат какое-то количество фосфора, которое в процессе производства чугуна остается в нем в той или иной степени и затем переходит в сталь. Растворимость фосфора в феррите и аустените значительно выше, чем содержание фосфора в стали как примеси. Поэтому фосфор в стали целиком находится в твердом растворе, и его влияние на свойства сказывается через изменения свойств феррита и аустенита. Вредное действие фосфора на свойства может усугубляться из-за сильной склонности его к ликвации.

Действие фосфора на свойства феррита проявляется в его упрочняющем влиянии и, особенно в усилении хладноломкости стали.

Фосфор относится к сильным упрочнителям. Несмотря на то, что содержание его в стали обычно не превышает 0,030…0,040 %, он увеличивает предел текучести феррита на 20…30 МПа. В то же время увеличение содержания фосфора в пределах сотых долей процента может вызывать повышение порога хладноломкости на несколько десятков градусов (~20…25⁰С на 0,01 % Р) благодаря сильному уменьшению работы распространения трещины.

1.3 Технологический процесс термообработки стали 12Х1МФ обеспечивающих получению требуемый структуры и свойств

Трубы загружаются на поддоны по 4 штуки. Затем поддоны попадают в нормализационную печь. Нормализация проходит в течение 15 часов при температуре 900⁰С. После нормализации требуется провести высокий отпуск.

После отпуска выгружают трубы и остужают их на воздухе.

Последовательность термической обработки стали 12Х1МФ

1. Металл загружается в печь после выгрузки предыдущей садки.

2. При загрузке труб на поддон необходимо, чтобы они не выступали за края поддона.

3. После загрузки металла в печь термист заполняет журнал, куда заносит номер загружаемого поддона, номер и количество труб, время загрузки.

4. Режим термической обработки приведен на рисунке 4.

5. Контроль температуры ведется по сводовым термопреобразователям, расположенным по одному в каждой зоне печи.

6. Контроль над правильным ведением режима термической обработки осуществляет контролер ОТК и старший мастер участка.

7. По окончании термической обработки металл выгружается из печи.

8. После охлаждения трубы контролер ОТК совместно с термистом проверяют ее на твердость.

Ведение теплового режима

1. Порядок сборки садки, загрузка ее в печь, температура нагрева и охлаждения, продолжительность выдержки и охлаждения определяются технологической.

2. В период подъема температуры давление в печи должно быть не менее 10 Па.

3. Режим термообработки вести таким образом, чтобы показания всех термопреобразователей имели одинаковые значения. Выравнивание температуры производить путем изменения подачи газа и воздуха дистанционно - кнопкой на все горелки, и вручную - открывая или прикрывая задвижки на газо- и воздухопроводе каждой горелки.

4. К концу периода выдержки металл должен иметь равномерную окраску по длине и по объему садки. Стенки печи должны быть одного цвета с металлом.

1.4 Контроль качества и возможные виды брака при химико-термической обработке и методы их устранения

1.4.1 Контроль производства и качества продукции

Контроль производства осуществляется в двух направлениях:

1) контроль технологического процесса - по операциям и оборудованию;

2) контроль качества готовой продукции - после термической обработки.

Контроль технологического процесса производится по следующим параметрам:

· Температурный режим регулируется с помощью приборов для измерения, регулирования и записи температуры;

· Газоанализаторы прямого и косвенного контроля Н₂О и СО₂, приборы для измерения давления применяются для среды обработки и интенсивности ее циркуляции в рабочем пространстве;

· Продолжительность операции для оборудования периодического и непрерывного действия контролируется с помощью времени, аппаратуры для световой и звуковой сигнализации.

Контроль качества готовой продукции включает в себя:

1) Выявление наружных трещин, сколов, раковин и других дефектов проверяются с помощью магнитной дефектоскопии;

2) Определение соответствия размеров изделия и допусков, заданных в технических условиях; проводится внешний осмотр готовых деталей на коробление и изменение размеров.

3) Твёрдость является одной из характеристик качества цементации. Твёрдость измеряется после цементации, закалки и низкого отпуска. Контроль твёрдости проводится по методу Роквелла (ГОСТ 9013-59) на приборе ТК-2 путём вдавливания в зачищенную поверхность алмазного конуса при нагрузке Р=1470Н. Показания прибора снимают по шкале «С» - чёрного цвета.

4) Микроструктуру исследуют на микроскопах, вырезанных из цементованных и закалённых образцах с помощью специальных шкал, разработанных для данной стали. Содержание углерода определяется послойным химическим или спектральным анализом.

5) Для контроля глубины цементованного слоя используют пресс Бринеля. Этот метод заключается во вдавливании в зачищенную поверхность закалённого шарика диаметром 2,5мм при нагрузке равной Р=187,5Н.

6) Проверка механических свойств;

Контроль качества деталей производится на участке ОТК и в экспресс-лаборатории. После контроля на каждой детали ставится штамп и составляется сопроводительный документ по годности партии деталей. После этого партия с помощью электропогрузчика поступает в сборочный цех.

1.4.2 Возможные виды брака при нормализации и методы их устранения

Дефекты при нормализации

Дефекты возникающие при отпуске

1. Недоотпуск - получается при температуре отпуска ниже нормальной в результате сталь на достигает требуемых свойств. Исправить недоотпуск можно дополнительным отпуском.

2. Переотпуск - получается при температуре отпуска выше нормальной или изменении длительности отпуска. В результате переотпуска сталь не достигает требуемых свойств. Сталь имеет пониженную твёрдость и прочность.

2. Описание и расчет основного и вспомогательного оборудования

2.1 Выбор и описание необходимого количества оборудования

Цементацию проводят в безмуфельных печах непрерывного действия. В этих установках весь цикл химико - термической обработки полностью механизирован и автоматизирован.

Проходной толкательный агрегат состоит из печи для химико - термической обработки, камеры охлаждения, закалочной печи и закалочного бака. В этих печах обрабатываемые детали размещаются в поддонах, перемещаемых толкателями вдоль рабочей камеры печи. Также в линию входит эндогенератор, моечная машина, установка для сушки деталей, отпускная низкотемпературная (180°С) печь, гидропескоструйная установка и приборы контроля качества детали. Лучшее условие работы обеспечиваются при наличии у печи индивидуального генератора.

2.1.1 Проходной толкательный агрегат для термической обработки шестерен

Участок термического цеха включает одну поточную линию, предназначенную для термической обработки шестерен. Она включает в себя печь для химико-термической обработки, камеру охлаждения, закалочную печь и закалочный бак.

Проектно-техническая характеристика поточной линии для цементации приведена в таблице 7.

Для обогрева печи цементации предусмотрены излучающие «U»-образные трубы, расположенные в горизонтальном положении под сводом печи. Для перемешивания печной атмосферы в печи над каждой зоной предусмотрены вентиляторы, встроенные в свод печи и находящиеся над излучающими (радиационными) трубами. Привод вентиляторов осуществляется от электродвигателей.

У печи газонепроницаемый корпус, изготовленный из стального листа, армированного структурными элементами. Огнеупорная футеровка печи следующая: под, стены и свод - двухслойные, выполненные из огнеупорного кирпича (рабочий слой) и изоляционных плит.

В печи с обоих концов предусмотрены пневматические внутренние двери, облицованные керамическим волокном. Также в печах предусмотрены шарнирные теплоизолированные двери аварийного доступа и смотровые окна с защитными устройствами от сажи.

Схема расположения поддонов представлена на рисунке 5.

Рисунок 6 - Схема расположения поддонов

Таблица 7 - Проектно-техническая характеристика печи

№ п/п	Наименование	Единица измерения	Числовое значение
1	Количество печей	шт.	1
2	Тип печи	Линия проходных толкательных печей
3	Внутренние размеры цементационной печи: Длина Ширина Высота	мм мм мм	10261 2058 1518
4	Назначение		Термообработка
5	Максимальная температура нагрева металла	0С	980
6	Применяемое топливо: Вид топлива Объемная теплота сгорания Давление газа	кДж/м3 кПа	Природный газ 32,89 0,05
7	Топливо-сжигательное устройство: Тип горелок Расположение горелок Производительность Количество Максимальный расход газа	м3/ч шт. м3/ч	Двухпроводные Двухстороннее боковое 20 10 250
8	Максимальный расход воздуха	м3/ч	2500
9	Давление воздуха перед горелкой	кПа	2,5
10	Способ загрузки		Консольно-поворотный кран

2.1.2 Отпускная печь

Технологические процессы, связанные с отпуском, снятием послесварочных напряжений требуют высокой точности регулировки температуры и равномерного распределение температуры в рабочей камере. Для отпуска была выбрана печь марки НКО 15.25.10/3,5. Данные печи предназначены для проведения нагрева под закалку, для отжига, отпуска и других видов термообработки стали в условиях воздушной атмосферы.

Особенности конструкции:

-Система принудительной циркуляции атмосферы (вентиляторы, экраны, диффузоры).

-Трехсторонний обогрев: через боковые нагреватели, размещенные за экранами, с высокой скоростью идет воздух, закольцовывающийся, протекая через садку, которая обогревается снизу подовыми нагревателями.

-Равномерное (не более ± 5оС) распределение температуры по камере.

-Экономичная волокнистая изоляция Unifrax свода и двери, а также волокнистая или многослойная футеровка стен.

-Снижение энергопотребления на 30-50% в сравнении с кирпичными футеровками.

-Многозонная система управления температурой.

-Аварийное отключение при превышении температуры.

-Жаропрочные литые подовые плиты, а также карбидокремниевые подины для защиты пода от ударных нагрузок.

Характеристики печи:

Размер рабочей камеры (длина-ширина-высота): 2500-1500-1000 мм

Максимальная температура: 350 °С

Мощность: 120 кВт.

2.1.3 Закалочный бак

К оборудованию, предназначенному для охлаждения при закалке, относят немеханизированные и механизированные закалочные баки, в которых детали охлаждаются в свободном состоянии.

При определении объема закалочного бака и его размеров следует

учитывать, что для обеспечения: равномерных условий охлаждения деталей над ними и под ними должен быть слой закалочной жидкости толщиной не менее 100мм. Кроме того, уровень закалочной жидкости должен быть, от края бака на расстоянии не менее, чем 100--150 мм.

Для закалки деталей, применяют баки с механизированным перемещением закалочного стола, на который устанавливается поддон с нагретыми деталями. При помощи пневматического подъемника стол может опускаться и подниматься в баке.

Рисунок 7 - Механизированный закалочный бак с опускающимся столом 1 - корпус; 2 - опускающийся стол; 3 - приспособления для подъема стола; 4 - приводная колонка; 5 - патрубок для отсоса паров; 6 - пневматический цилиндр; 7 - трубы для сдува паров масла; 8 - мешалка

2.1.4 Моечные машины

Для очистки от солей, масла и грязи детали после термической обработки обычно промывают в щелочной ванне, т. е. в горячем водном растворе щелочи с содержанием 3--10% каустической или кальцинированной соды. Для этого устанавливают промывные баки или моечные машины. Промывной бак без циркуляции раствора не отличается от обычного закалочного бака. К промывочному баку подводят воду и пар для нагрева раствора. Пар пропускают по змеевикам, расположенным у внутренних стенок бака. Для нагрева может быть также использован пар, который непосредственно вводят в раствор. При этом расход пара уменьшается, но концентрация щелочи в растворе несколько понижается. В нижней части бака установлен кран для спуска раствора в канализацию. Для перемешивания раствора иногда вводят внутрь бака сжатый воздух, который вызывает бурление раствора и тем самым способствует лучшей промывке деталей. Температура раствора поддерживается в пределах 80--90° С. Промывают деталь в корзинах в течение 5--10 мин, а затем их сушат на воздухе. Через каждые 5--10 дней в зависимости от нагрузки, чистят бак и обновляют раствор.

В современных термических цехах для промывки деталей применяют моечные машины. Эти машины для массового производства большей частью изготовляют конвейерными, непрерывного действия.

Рисунок 8 -- Конвеерная моечная машина

Моечная машина типа ММК имеет водонепроницаемый кожух 2, внутри которого движется конвейер из штампованных звеньев с отверстиями для стока раствора. Сборный бак помещается в нижней части машины. Снаружи машины устанавливают: бачок 7 с фильтром 6 и насос 5 с электродвигателем. После промывки раствор фильтруется, а затем подается насосом к брызгальным трубкам 3. Подогрев раствора производится паром в змеевике или трубчатыми нагревателями. Расход пара от 6 до 25 кг/ч, температура раствора 80° С.

Движение ленте конвейера моечной машины сообщается от электродвигателя через редуктор, храповой механизм и ведущий вал 4 с ведущими звездочками. Производительность моечных машин ММК от 160 до 640 кг/ч. При установке моечных машин в закалочно-отпускных агрегатах детали после промывки падают на конвейер отпускной печи, а в.других случаях.--в подставленную тару.

2.1.5 Установка для сушки деталей

После промывки детали необходимо сушить, чтобы исключить коррозию (ржавление). Сушка деталей осуществляется либо теплым воздухом в специальных камерах, либо вентилятором.

Рисунок 10 - Сушильная камера

2.1.6 Гидропескоструйная установка

Для очистки от окалины и для получения более светлого вида деталей после термической обработки в термических цехах применяют гидропескоструйные аппараты.

В специальном баке находится смесь, воды со взвешенными частицами песка. В воду могут добавляться экологически чистые обезжиривающие компоненты и антикоррозионные агенты, что позволяет еще больше расширить возможности гидропескоструйного процесса -- при одной единственной операции деталь может быть очищена, обезжирена и защищена от коррозии. Гидропескоструйные установки могут снабжаться различными типами фильтровальных систем, которые обеспечивают отделение масла и твердых абразивных частиц в непрерывном цикле.

Вода подается насосом по гибкому шлангу в камеру. Параллельно по другому шлангу подводится воздух высокого давления для распыливания смеси. Очистка производится вручную одновременно двумя шлангами путем направления струи смеси на деталь. Скорость подачи смеси 5--7 кг/мин. Отработавшая смесь засасывается насосом и вновь подается в бак. Смена смеси производится через двое суток непрерывной работы. При установленик режима работы аппаратов для гидроочистки следует учитывать размер зерен песка, весовое соотношение песка и воды в смеси, давление воздуха, угол падения смеси и расстояние, с которого производится обдувка.

Рисунок 11 - Принципиальная схема работы гидропескоструйной установки

2.1.7 Установка для приготовления эндотермического газа (эндогенератор)

Установка приготовления эндогаза предназначена для получения эндогаза, который эффективно используется в процессе нагрева под закалку высоко- и среднеуглеродистых сталей и легированных сталей, цементации и нитроцементации, твердой пайки сталей и спекания углеродистых композиционных материалов.

В качестве сырья в эндогенераторах используется природный газ, пропан-бутан и др. углеводородные газы.

В конструкции эндогенераторов реализованы технические решения, позволяющие:

- сократить удельное потребление электроэнергии на 25-30 % в результате использования теплоты отходящих газов и сокращения тепловых потерь;

-обеспечить высокое качество эндогаза, выражающееся в практически полном отсутствии метана при низких концентрациях диоксида углерода и водяных паров.

Рисунок 12 - Габаритный чертеж эндогенератора 1 - блок газогенератора; 2 -блок сероочистителя; 3 - панель управления; 4 и 5 - шкафы управления; 6 - трансформатор; I - вход газа; II - выход газа

2.2 Расчет количества основного оборудования

Исходными данными для определения количества необходимого оборудования для термической обработки годового объема производства шестерен служат:

1) Действительный годовой фонд времени работы оборудования.

2) Производительность данного типа оборудования.

3) Годовая производственная программа.

На данном участке режим работы оборудования непрерывный. Определим действительный годовой фонд времени работы оборудования T.

где Кз - коэффициент загрузки оборудования;

Тн - номинальный фонд времени работы оборудования, который определяется по формуле (2)

где К - число календарных дней, дн;

В - число выходных дней, дн;

П - число праздничных дней, дн;

Д - число рабочих часов в сутках, ч;

С - число смен в сутках, ч.

Определим расчетное количество оборудования Nрасч.

где Q - годовая производственная программа, т;

Р - производительность печи (для данного участка 20,6), т/час;

Принимаем 1 печь: Nпр = 1.

Определим коэффициент загрузки оборудования:

Определение количества печей для закалки и отпуска

; (5)

- потребное время работы печи, печи-час;

- действительный годовой фонд времени, ч;

печи-час; (6)

- оперативное время на термообработку одной садки, ч;

- количество садок в годовой программе;

(7)

- годовая программа выпуска, шт;

Определим количество оборудования для всех операций.

Исходные данные:

=3695 ч

Для закалки:

;

п/ч;

;

;

.

Для низкого отпуска:

;

п/ч;

;

;

2.3 Расчет количества вспомогательного и дополнительного оборудования

2.3.1 Расчет количества эндогенераторов

В качестве дополнительного оборудования применяется эндоустановка. Производительность эндотермического генератора 20 м³/час.

Расход атмосферы:

 ,м³/ч (8)

где - объем рабочего пространства печи, м³

- коэффициент, показывающий кратность обмена (=5ч^-1).

=7,15·2,36·1,52?25,6 м³

=25,6·5=128 м³/ч

Следовательно, принимаем установку НКЭ-250.

Таблица 8 - Технические характеристики эндогенератора

Максимальная производительность по продуктовому газу, м3/ч	250
Установленная мощность, кВт	90
Потребляемая мощность, кВт	48
Максимальный расход природного газа, м3	70
Максимальный расход пропан-бутановой смеси, м3	22,8
Питающая сеть, В, Гц	220/380В, 50 Гц
Точка росы продуктового газа, ?С	-15…+10 ?С
Давление поступающей на конверсию газовоздушной смеси, кПа	2…5 кПа

2.3.2 Расчет количества твердомеров

Твёрдость является одной из характеристик качества цементации. Твёрдость измеряется после цементации, закалки и низкого отпуска. Контроль твёрдости проводится по методу Роквелла (ГОСТ 9013-59) на приборе ТК-2 путём вдавливания в зачищенную поверхность алмазного конуса при нагрузке Р=1470Н. Показания прибора снимают по шкале «С» - чёрного цвета.

Производительность прибора Роквелла составляет 50-80 деталей в час. Так как изделия ответственные, то контролю подвергается 100% партии. Производительность линии составляет 20800 кг/ч. Вес одной детали 2600 кг, значит, за 1 час будет изготовлено 8 детали. Из этого следует, что на участке будет располагаться 1 твердомер.

2.3.3 Расчет количества моечных машин

В условиях серийного и массового производства промывку изделий осуществляют с применением конвеерных моечных машин. Определить их количество можно по производительности.

Производительность линии - 250 кг/ч

Производительность моечной машины МКП-6.20 - 360 кг/ч.

Таблица 9 - Характеристика моечной машины

Индекс машины	Производительность, кг/ч	Размеры рабочего пространства
		Ширина , мм	Длина, мм	Высота, мм
МКП-6.20	360	600	2000	250

2.4 Расчет горения топлива

Произведем расчет горения природного газа следующего состава: 98,9%СН₄, 0,3% С₂Н₆, 0,4% С₃Н₈, 0,4% N₂. Влажность газа W = 23 г/м³. Коэффициент расхода воздуха = 1,1

Определение состава рабочего топлива:

, (9)

где - содержание компонентов в рабочем топливе;

- содержание компонентов в сухом топливе

(10)

Найдем по формуле 2 состав рабочего газа для каждого компонента и занесем в таблицу 10.

Таблица 10 - Состав влажного газа

Природный газ	Состав, %
	СН4	С2Н6	С3Н8	N2	Н2О
Сухой	98,9	0,3	0,4	0,4	-
Рабочий	96,153	0,292	0,389	0,389	2,777

Составим стехиометрические реакции горения горючих компонентов:

Таблица 11 - Расход воздуха, состава и количества продуктов сгорания природного газа в воздухе

Состав топлива	Реакции	Требуется воздуха, м3	Продукты сгорания, м3
компонент	%,м3		О2	N2		СО2	Н2О	О2	N2
СН4	96,153	А	192,306	195,273• •3,762= =734,617		96,153	192,306			288,459
С2Н6	0,292	Б	1,022			0,584	0,876			1,46
С3Н8	0,389	В	1,945			1,167	1,556			2,723
N2	0,389		-			-			0,389	735,006
Н2О	2,777		-			-	2,777			2,777
? = 1,0
	195,273	734,617	929,89	97,904	197,515	-	735,006	1030,425
%	21	79	100	9,50	19,17	-	71,33	100
? = 1,1
	214,80	808,079	1022,879	97,904	197,515	19,527	808,507	1123,453
%	21	79	100	8,71	17,58	1,74	71,97	100

Составление материального баланса процесса горения при ? = 1,1.

; (11)

где m_i- реальная масса компонента, кг

V_i- объем компонента в смеси, м³(%)

M_i- молярная масса компонента, кг

Поступило, кг:

Из топлива:

Из воздуха:

Получено, кг:

Продукты сгорания:

Таблица 12 - Материального баланс

Поступило, кг	Получено, кг
Из топлива	Продукты сгорания
СН4	68,68	СО2	192,31
С2Н6	0,39	Н2О	158,72
С3Н8	0,77	О2	27,89
N2	0,49	N2	1010,63
Н2О	2,23
Из воздуха
О2	306,86
N2	1010,10
	1389,52		1389,55

Расхождение в приходной и расходной частях материального баланса, обусловлено накоплением ошибки при вычислениях, является приемлемым, поскольку не превышает 0,1 %.

Определение температуры горения

Рассчитываем низшую теплоту сгорания топлива

(12)

где - тепловой эффект реакции горения соединения;

- доля составляющей в газе.

кДж/м³

Найдем энтальпию продуктов сгорания

Из таблицы 18 следует, что при выбранной величине коэффициента избытка воздуха, равной 1,1, количество продуктов сгорания, образовавшихся при сжигании 100 м³ топлива, составит 1123,453 м3 или с некоторым округлением 11,23 м³ на 1 м³ топлива. Воздуха при этом будет затрачено 1022,879 м³ на 100 м³ топлива, или 10,23 м³ на 1 м³ топлива.

Таким образом, количество тепла, получаемое от сжигания топлива, в расчете на единицу объема продуктов сгорания (V_ПР.СГ.), будет равно

, (13)

.

, t₁ < t_k <t₂

(14)

Зададимся возможной температурой продуктов горения 1800⁰С:

кДж/м³

Значение зададимся температурой продуктов сгорания 1900⁰С:

кДж/м³

Поскольку , то действительная калориметрическая температура лежит в пределах 1900…2000⁰С и может быть найдена интерполяцией:

⁰С

Определим действительную температуру горения по формуле:

(15)

где _пир - пирометрический коэффициент, для камерной печи _пир=0,8…0,85;

t_К - калориметрическая температура горения, °С.

2.5 Расчет времени нагрева

Произведем расчет времени нагрева садки в проходной закалочной печи. Садка состоит из трех шестерен. Температура нагрева металла - 900 °С, температура печи - 930 °С.

В зависимости от геометрии нагреваемые тела подразделяются на тонкие и массивные. Условной границей между тонкими и массивными телами является значение критерия Био, равное 0,25, при котором максимальный перепад температур составляет 10 % от начальной разницы температур металла и среды. Таким образом, если мы получим Био меньше 0,25, то садка будет считаться теплотехнически тонкой, если же Био больше 0,25, то садка теплотехнически массивная.

Критерий Био рассчитывается по формуле:

(16)

где S - характерный геометрический размер изделия, м;

_эф _ эффективная теплопроводность садки, Вт/(мК);

- коэффициент теплопередачи, Вт/м²К.

Коэффициент теплоотдачи считают сложной величиной, которая равна сумме коэффициентов теплоотдачи лучеиспусканием _л и конвекцией _к, для среднетемпературных печей, он может быть принят равным 10…15 Вт/м²К:

(17)

Коэффициент теплоотдачи рассчитывается по формуле:

 (18)

где - текущие значение температуры печи, К;

t_п=t_нагр+30°С=930°С=1203К

- средняя за время нагрева температура изделия, К;

- приведенный коэффициент излучения,

(19)

где = 5,67 - константа излучения абсолютно черного тела;

- степень черноты нагреваемого металла;

- степень черноты кладки печи;

- тепловоспринимающая поверхность нагреваемого металла,

- поверхность нагревательной камеры печи,

= 0,85

= 0,8

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

Рассчитаем коэффициент Био, используя формулу (16):

Следовательно, нагреваемое изделие теплотехнически «массивное». Определим время нагрева «массивного» изделия в печах непрерывного действия.

Время нагрева садки:

,с (20)

где F₀ - число Фурье;

а - коэффициент теплоотдачи, м²/с.

м²/с (21)

где с_пр - средняя теплоемкость, 0,69 кДж/кгК;

- плотность, 7800 кг/м³.

м²/с

Определим температурный критерий:

(22)

Зная значение коэффициента Био и температурного критерия по графикам Будрина, найдем значение F₀=1,2. Определим время нагрева садки:

Учитывая коэффициент расположения:

2.6 Тепловой расчет печи

Тепловой расчет печи сводится к составлению теплового баланса, который представляет собой уравнение, связывающие приход и расход тепла. С помощью теплового расчета термической печи определим расход топлива и технико-экономические показатели ее работы.

Приходные статьи:

1. Тепло, получающееся при сжигании топлива:

, (23)

где _ низшая теплота сгорания топлива, кДж/м³;

В - расход топлива, м³/с.

, кВт

Расходные статьи:

1. Полезное тепло, расходуемое на нагрев металла:

, (24)

где П - производительность печи, кг/с;

С_м - средняя теплоемкость металла в интервале температур от t_мн до t_мк, кВт/кгс.

, кВт.

2. Потери тепла на нагрев приспособлений (тары):

(25)

где g_т - масса приспособлений, нагреваемая в единицу времени,

с_т -средняя теплоемкость металла приспособления в интервале температур от t_н до tк, Дж/(кг · К);

t_н - температура загружаемого в печь приспособления, °С;

t_к - температура выгружаемого из печи приспособления, °С.

3. Тепло, теряемое вследствие теплопроводности кладки печи:

Q_кл=2·Q_бок.ст. + 2·Q_{торц.ст}. + Q_свода + Q_пода. (26)

Потери тепла через свод, под и стены печи определяются по уравнению

, Вт (27)

где t_п - температура рабочего пространства печи, °С;

t₀ - температура окружающего воздуха, °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, для пламенных печей 18 Вт/(м² К).

F_НАР - наружная поверхность кладки.

Эскизы кладки боковых и торцевых стенок, свода и пода необходимые для определения средних расчетных поверхностей каждого из слоев кладки приведены на рисунках 13.1 -- 13.4 . Пользуясь эскизом, производим расчет средних площадей отдельных слоев. Футеровка боковых, торцевых стенок и свода выполнена из шамота-ультралегковеса ШЛ-0,4. Футеровка пода выполнена из шамота-легковеса ШЛ-1,3. Изоляция боковых, торцевых стенок и свода из диатомитового кирпича Д - 600. Изоляция пода выполнена из шамота-ультралегковеса ШЛ-0,4.

Коэффициенты теплопроводности данных материалов приведены в таблице 13:

Таблица 13 - Коэффициенты теплопроводности материалов

Наименование и марка материала	?, Вт/м·К
Шамот-легковес ШЛ-0,4	0,100+0,286·10-3·t
Кирпич диатомитовый Д - 600	0,132+0,233·10-3·t
Шамот-легковес ШЛ-1,3	0,442+0,535·10-3·t

Средние температуры первого, второго и других слоев кладки:

…,(28)

где t_1,2, t_2,3, …, t_n-1,n - температуры между отдельными слоями кладки, °С;

t_П - температура внутренней поверхности футеровки равна температуре

печи, °С;

t_нар - температура наружной поверхности кладки печи, °С.

Для того чтобы определить температуры слоев кладки и, соответственно, коэффициенты теплопроводности этих слоев, задаемся температурой наружной стенки печи и температурами на границе слоев кладки.

Далее, пользуясь формулой, определяем теплопотери через кладку. После этого уточняем полученные значения.

Тепловые потери через кладку можно представить в виде:

(29)

где R₁, R₂, ..., R_n - тепловые сопротивления слоев кладки;

R_НАР - сопротивление передаче тепла от поверхности кладк...