Нагрев и нагревательные устройства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВО

Тульский государственный университет

Кафедра «Механика пластического формоизменения»

им. Н. Демидова

Курсовая работа

По дисциплине

«Нагрев и нагревательные устройства»

Разработал .гр.Б661572

Матвеев М.С.(____________)

____________2019 г.

Руководитель

Доц. Платонов В.И.(____________)

____________2019 г.

Тула 2019 г

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Нагревательные печи

Электронагревательные устройства

Расчет и выбор нагревательного устройства

Библиографический список

Введение

Нагревательные устройства, в которых нагревают металл перед обработкой давлением, можно подразделить на нагревательные печи и электронагревательные устройства. В печах теплота к заготовке поступает из окружающего ее рабочего пространства нагретой печи; в электронагревательных устройствах теплота выделяется в самой заготовке.

1. Нагревательные печи

Всякая печь имеет нагревательную камеру, выложенную огнеупорным материалом. Нижняя часть камеры, на которую укладывают нагреваемые заготовки, называется подом печи. Передача теплоты металлу заготовок происходит конвекцией и излучением. При высоких температурах, существующих в печах для нагрева металла перед обработкой давлением, основным видом передачи теплоты является излучение от нагретых стен печи.

Печи, в свою очередь, разделяют на пламенные, в которых теплота получается за счет сжигания топлива, и электрические, в которых источником нагрева рабочего пространства печи является электрическая энергия. Пламенные печи работают в основном на жидком и газообразном топливе. Жидкое топливо (мазут) сжигают с помощью форсунок, распыляющих топливо и обеспечивающих его хорошее смешивание с воздухом. Для сжигания газа применяют газовые горелки, которые служат для подачи газа и воздуха в печь и смешивания их в необходимой пропорции. По характеру распределения температур в рабочем пространстве печи могут быть разделены на две группы: печи с одинаковой температурой по всему рабочему пространству (камерные) и печи, у которых температура в рабочем пространстве повышается в направлении от места загрузки заготовок к месту их выдачи (методические печи).

Камерная печь. В печи (рис. 1,а) заготовки 2 укладывают на поду 1 печи (причем способ укладки влияет на скорость нагрева) и после их прогрева до заданной температуры извлекают, как правило, через окно 4, через которое их загружали в печь. Рабочее пространство печи нагревается за счет сжигания топлива с помощью форсунок или горелок 3. Продукты сгорания отводятся через дымоход 5. При нагреве крупных заготовок из легированной или высоколегированной стали для уменьшения температурных напряжений температура печи при загрузке заготовок должна быть значительно ниже необходимой конечной температуры нагрева. Затем температуру постепенно повышают. Для облегчения загрузки и выгрузки крупных заготовок применяют различные загрузочные машины, а также печи с выдвижным подом.

Рис.1 Нагревательные печи

Камерные печи имеют ряд разновидностей. Для нагрева под прокатку крупных слитков применяют нагревательные колодцы, которые загружают сверху, и слитки в них располагают вертикально. Для нагрева только концов прутков загрузочное окно делают в виде щели (щелевые печи) или круглых отверстий (очковые печи). Для нагрева некоторых специальных сплавов применяют муфельные печи, в которых заготовку помещают в ящик из огнеупорного материала (муфель) для изоляции её от продуктов горения топлива в рабочей камере печи.

Камерные печи широко распространены главным образом в мелкосерийном производстве ввиду наибольшей (по сравнению с другими нагревательными устройствами) универсальности и для нагрева очень крупных заготовок (например, слитков массой до 300 т).

Методическая печь (рис. 1,б). Рабочее пространство печи имеет вытянутую форму и разделено на две (или три) зоны с различной температурой. Заготовки 2 проталкиваются с помощью толкателя 8 и, перемещаясь по поду 6 печи, попадают сначала в первую подогрева-тельную зону 1 (600-800°С), затем в зону максимального нагрева 2 (1250-1350°С), где установлены горелки 3. Зона 3 является зоной выдержки, в которой происходит выравнивание температуры по сечению заготовки.

Горячие газы движутся навстречу перемещающимся заготовкам, которые выдаются из печи через окно 7. Методические печи применяют в прокатном производстве и крупносерийном штамповочном.

В пламенных печах основные потери теплоты происходят с уходящими газами, имеющими высокую температуру. Чем выше температура уходящих газов, тем больше потери теплоты и ниже к. п. д. печи (поэтому в методических печах к. п. д. выше, чем в обычных камерных, и достигает 40-60%). В регенеративных и рекуперативных печах теплоту уходящих газов используют для подогрева топлива и воздуха, поступающего в печь. Регенеративные нагревательные печи снабжа-ют регенераторами, принцип действия и конструкция которых у пламенных нагревательных печей такие же, как и у мартеновских печей для плавки стали. В рекуператорах холодный воздух пропускается по трубам, омывающимся снаружи уходящими горячими газами. Рекуператоры бывают керамические и металлические. Наиболее распространены металлические рекуператоры, имеющие меньшие габаритные размеры и лучшую герметичность; в них воздух подогревается до 200-300°С. Применение регенераторов и рекуператоров повышает к. п. д. пламенных печей.

Электропечи сопротивления. Эти печи конструктивно выполняют так же, как и пламенные печи, но вместо форсунок или горелок в стенах монтируют металлические или карборундовые (силитовые) элементы сопротивления, подключающиеся к силовой электрической сети. Сопротивления, нагреваясь, излучают теплоту которая передается стенкам печи и заготовкам, находящимся на поду. Большим преимуществом электропечей сопротивления является возможность точного регулирования температуры рабочего пространства. Однако используют их в основном для нагрева под обработку давлением цветных сплавов, имеющих относительно небольшую по сравнению со сталью температуру начала ковки. Для стали этот нагрев является дорогостоящим; при температурах, необходимых для нагрева стали, стойкость элементов сопротивления низка.

2. Электронагревательные устройства

Электронагревательные устройства разделяют на индукционные и контактные.

Индукционное электронагревательное устройство (рис.2,а). Заготовку 1 помещают внутрь многовиткового соленоида (индуктора) 2, выполненного из медной трубки прямоугольного сечения. По индуктору пропускается переменный ток, и в заготовке, оказывающейся в переменном электромагнитном поле, возникают вихревые токи (токи Фуко). Теплота в нагреваемом металле выделяется в основном вследствие действия вихревых токов. Толщина слоя, в котором возникают токи Фуко, уменьшается с ростом частоты тока в индукторе (скин-эффект). Поэтому для достижения равномерного по сечению нагрева заготовки с увеличением ее диаметра частота тока должна быть ниже. При нагреве заготовок диаметром до 150 мм применяют ток повышенной частоты (500-8000 Гц); при нагреве заготовок большего диаметра - ток промышленной частоты (50 Гц).

Рис.2. Схемы электронагревательных устройств

Преимущества индукционного нагрева: высокая скорость, в несколько раз превышающая скорость нагрева в печах; почти полное отсутствие окалины; возможность повышения температуры начала обработки без появления перегрева, удобство автоматизации подачи и выдачи заготовок, улучшение условий труда.

Однако индукционное нагревательное устройство обладает меньшей универсальностью, поскольку рассчитано на нагрев заготовки определенного диаметра. Силовая электроустановка стоит сравнительно дорого. Поэтому индукционный нагрев применяют лишь в цехах крупносерийного производства поковок.

Устройства электроконтактного нагрева (рис. 2,б). В устройствах концы заготовки 1 зажимают между медными контактами 5, к которым подводится ток большой силы.

При прохождении тока через заготовку ввиду ее электрического сопротивления в ней выделяется теплота, пропорциональная квадрату силы тока. Концы заготовки, находящиеся под контактами, нагреваются на 200-300° С меньше остальной ее части. Электроконтактный нагрев рационально применять для удлиненных заготовок. Диаметр заготовок не превышает 75 мм, так как при больших размерах очень сильно возрастают размеры силовых трансформаторов. Контакты из красной меди имеют низкую стойкость, выдерживая до зачистки около 1000 нагревов.

Контактный нагрев обладает теми же основными достоинствами, что и индукционный. Кроме того, электроконтактные установки дешевле индукционных и позволяют легче осуществлять переход с нагрева заготовок одного диаметра на нагрев заготовок другого диаметра.

печь нагревательный индукционный

3. Расчет и выбор нагревательного устройства

В качестве оборудования для нагрева заготовок перед штамповкой выбираем индукционный нагреватель, так как при данном виде нагрева сокращаются потери металла на угар.

Расчет и выбор преобразователя частоты и индукционного нагревателя для нагрева заготовок перед штамповкой

Исходные данные

- габаритные размеры заготовки - DЗ = 28 мм, lЗ = 126 мм;

- материал - сталь 30ХГСА;

- вес заготовки - g = 0,606 кг;

- производительность штамповочного агрегата - z = 300 шт./час;

- температура нагрева поверхности заготовки - t = 1260 °С.

Рис.3 Эскиз заготовки

Расчет и выбор оборудования

Преобразователь частоты.

Определяем ориентировочное значение мощности :

,

здесь W - ориентировочное значение удельного расхода электроэнергии, затрачиваемой для нагрева 1 кг металла в 1 час (для одночастотного нагревателя 0,5 кВт • ч / кг); G - необходимая производительность, кг/ч (G = g•z = 0,606•300 = 181 кг/ч).

Проводим уточненные расчеты:

- мощность, выделяемая в нагреваемой заготовке [2,4]:

,

где с - удельная теплоемкость нагреваемого металла, Дж/кг•°С, равная при температуре 1260 °С около 714 Дж/кг •°С.

Тогда

;

С учетом КПД , учитывающего тепловые и электрические потери, з ? 0,6:

.

- мощность, выделяемую в нагреваемой заготовке:

,

где l0 - удельное количество теплоты (теплосодержание и равное для стали при температуре 1260 °С примерно 0,86 • 10-6 Дж/кг ;

Тогда

;

С учетом з : .

Принимаем расчетную мощность PН = 500 кВт.

Принимаем частоту преобразователя - 1000 Гц. Определяем отношение диаметра заготовки DЗ к глубине проникновения тока Д(д):

.

Для обеспечения необходимой мощности выбираем машинный преобразователь частоты ОПЧ-500-1,0 (мощностью - 500 кВт и номинальной выходной частотой - 1000 Гц).

Индукционный нагреватель

Принимаем индуктор методического действия, так как производится нагрев всей заготовки.

Длина индуктора [2,4]:

,

где lИ - длина индуктора (катушки); lЗ - длина нагреваемой заготовки; Дl - величина, учитывающая влияние краевого эффекта (охлаждение концов заготовки), принимаем равной 2 диаметрам заготовки; n - число заготовок одновременно находящихся в индукторе.

Число заготовок n определяем из соотношения

,

где фН - время нагрева сечения заготовки, сек, принимаем равным 123 сек ;

фК - интервал времени, сек, через который нагретые заготовки подаются к штамповочному агрегату, определяем из соотношения :

Отсюда

Тогда

Выбираем индукционный нагреватель ИКН-110, который имеет следующие характеристики:

- мощность - 500 кВт;

- частота - 1000 Гц;

- длина индуктора - 1500 мм;

- оптимальные размеры заготовки: DЗ = 20…50 мм, lЗ = 50…200 мм;

- производительность: z = 500 кг/час.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Вербицкий Е.И. Курсовое проектирование по горячей штамповке / Е.И. Вербицкий, И.Г. Добровольский. - Минск.: Высшшкола, 1978. - 208 с.

2. Гусев И.А. Расчет и выбор индукционного нагревателя и преобразователя частоты / И.А. Гусев. - ТулГУ.: Тула, 1991. - 24с.

Размещено на Allbest.ru