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, ;

- характерный геометрический размер изделия (для прямоугольного сечения - половина высоты при двустороннем нагреве), .

)        В соответствии с рекомендуемым режимом термической обработки и критическими температурами принимаем:

Температура нагрева металла под закалку……..

Температура в печном пространстве должна быть несколько выше, чтобы обеспечить такой нагрев

)        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  коэффициент теплоотдачи конвекцией  приближенно может быть принят 10…15 .

)        Вычислим коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием

                                             (3)

где  - приведенный коэффициент излучения, ;

 - Температура в печном пространстве, ;

 - Начальная температура металла, ;

 - Конечная температура металла, .

                                                                             (4)

где  - коэффициент излучения абсолютно черного тела, ;

 - степень черноты нагреваемого металла;

 - тепловоспринимающая поверхность нагреваемого металла, ;

 - поверхность нагревательной камеры печи, ;

 - степень черноты кладки печи.

тогда

Принимаем

Зная коэффициент теплоотдачи, определяющий размер и теплофизические характеристики металла вычислим критерий Био

Критерий Био , а значит изделие малогабаритное и перепад температуры по сечению незначителен и им можно пренебречь, поэтому при расчете времени нагрева и выдержки изделия целесообразнее пользоваться понятием теплотехнически «тонкое» изделие, а равно производить расчет по формулам для теплотехнически «тонких» изделий

)        Расчет времени нагрева

                                                 (5)

где  - масса садки, кг;

 - удельная теплоемкость загрузки, ;

 - приведенный коэффициент излучения, ;

 - тепловоспринимающая поверхность нагреваемого металла, ;

 - Температура в печном пространстве, ;

 - Начальная температура металла, ;

 - Конечная температура металла, ;

 - функция отношения температуры загрузки к температуре печи (рис.3).

Рисунок 3 - Зависимость  от  [2]

Массу садки вычислим по формуле

где  - плотность металла при 20 , ;

 - объем, занимаемый заготовкой, ;

                                                                                    (7)

Таким образом время нагрева будет равно:

Для более рационального использования рабочего пространства печи, а также в целях сокращения времени нагрева партии заготовок будем использовать расположение заготовок приведенное в табл.7.

Таблица 7 - Коэффициент времени нагрева  в зависимости от расположения изделий в печи; d - сторона квадрата [2]

                (8)

Для малогабаритных изделий не требуются длительные выдержки, поэтому принимаем:

                                         (9)

Общее время нахождения изделия в печи

                            (10)

3 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 работы.

Для электрических печей учитываются только расходные статьи теплового баланса

3.1    Тепло, расходуемое на нагрев металла

Тепло, расходуемое на нагрев металла можно вычислить по следующему выражению:

                                                                   (11)

где  - масса изделий, ;

 - время нагрева изделий в печи (=83,26  = 4996 )

 - средняя теплоемкость стали ШХ15 в интервале температур от  до , =

 - начальная температура металла, =20;

 - конечная температура нагрева металла, =840.

3.2 Тепло, теряемое вследствие теплопроводности кладки печки

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

      (12)

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

     (13)

где tп - температура рабочего пространства печи, tп=900˚С;

tо - температура окружающего воздуха, tо=20˚С;

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

λ1, λ2,…, λn,-коэффициенты теплопроводности слоев кладки, Вт/(м∙К);

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

αв - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности кладки печи в окружающую среду, αв =12 Вт/(м2∙К);

Fнар - наружная поверхность кладки, м2.

Средние расчетные поверхности слоев кладки рассчитываются по формулам:

,                   (14)

где Fвн - внутренняя поверхность кладки, м2;

F1,2 - поверхность между первым и вторым слоем кладки, м2.

Размеры слоев кладки печи представлены в таблице 8.

Таблица 8 - Размеры слоев кладки печи

Расчет боковых стенок

Рисунок 4 - Эскиз боковых стенок печи. [2]

Боковые стенки печи состоят из двух слоев: огнеупорного материала - шамот класса А, толщиной S1=125 мм; теплоизоляционного материала - диатомит, толщиной S2=175 мм.

Используя данные, приведенные в таблице 8, находятся площади боковых стенок:

Hвн = Hвн∙Lвн = 0,280∙0,550 = 0,154 м2;                                  (15)

H1,2 = H1,2∙L1,2 = 0,625∙0,780=0,488 м2;                                 (16)

Hнар = Hнар∙Lнар = 0,925∙1,08=0,999 м2.                                (17)

Средние площади слоев:

;

Коэффициенты теплопроводности для шамота класса А (ША) и диатомита соответственно:

     (18)

Зададимся температурами между слоями футеровки и наружной поверхности кладки соответственно равными t1,2 = 710˚С, tнар = 60˚С, тогда:

; (20)

.         (21)

Значения коэффициентов теплопроводности:

Проверка:

;       (22)

;      (23)

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

;      (24)

    (25)

Полученные в результате проверки температуры отличаются от выбранных не более чем на 10 ºС, расчет произведен правильно.

Расчет торцевых стенок.

Рисунок 5 - Эскиз торцевых стенок печи. [2]

Количество слоев, их состав торцевых стенок такие же, как у боковых стенок, толщина стенок S1=115мм и S2=150мм.

Используя данные, приведенные в таблице 8, находятся площади торцевых стенок:

Hвн = Hвн∙Bвн = 0,280∙0,400 = 0,112 м2;                                  (26)

H1,2 = H1,2∙B1,2 = 0,625∙0,650=0,406 м2;                                (27)

Hнар = Hнар∙Bнар = 0,925∙1,000=0,925 м2.                             (28)

Рассчитываются средние площади слоев:

;

Коэффициенты теплопроводности для шамота класса А (ША) и диатомита соответственно:

     (29)

    (30)

Зададимся температурами между слоями футеровки и наружной поверхности кладки соответственно равными t1,2 = 680˚С, tнар = 60˚С, тогда:

; (31)

         (31)

Значения коэффициентов теплопроводности:

Проверка:

 ;      (32)

;      (33)

;      (34)

   (35)

Результаты расчета удовлетворительны.

Расчет свода

Рисунок 6 - Эскиз свода печи

Свод печи состоит из двух слоев: огнеупорного материала - шамот класса Б, толщиной S1=115мм; теплоизоляционного материала - диатомит, толщиной S2=150мм.

Используя данные, приведенные в таблице 8, находятся площади торцевых стенок:

Hвн = Bвн∙Lвн = 0,400∙0,550 = 0,220 м2;                                  (36)

H1,2 = B1,2∙L1,2 = 0,650∙0,780=0,507 м2;                                 (37)

Hнар = Bнар∙Lнар = 1,000∙1,080=1,080 м2.                              (38)

Рассчитаем средние площади слоев:

;

Коэффициенты теплопроводности для шамота класса Б (ШБ) и диатомита соответственно:

    (39)

    (40)

Зададимся температурами между слоями футеровки и наружной поверхности кладки соответственно равными t1,2 = 720˚С, tнар = 70˚С тогда:

;          (41)

         (42)

Проверка:

;       (42)

;     (43)

;        (44)

  (45)

Результаты расчета удовлетворительны.

Расчет пода.

Рисунок 7 - Эскиз пода печи. [2]

Под печи состоит из двух слоев: огнеупорного материала - шамот класса А, толщиной S1=230 мм; теплоизоляционного материала - шамот-легковес (ШЛ-1,3) толщиной S2=150 мм.

Используя данные, приведенные в таблице 8, находятся площади торцевых стенок:

Hвн = Bвн∙Lвн = 0,400∙0,550 = 0,22 м2;                                    (46)

Hнар = Bнар∙Lнар = 1,000∙1,080=1,080 м2.                              (48)

Рассчитаем средние площади слоев:

;

Коэффициенты теплопроводности для шамота класса А (ША) и шамота-легковеса (ШЛ-1,3):

;    (49)

.   (50)

Зададимся температурами между слоями футеровки и наружной поверхности кладки соответственно равными t1,2 = 390˚С, tнар = 90˚С, тогда:

;          (51)

.        (52)

,

.

Проверка:

;        (53)

;      (54)

;         (55)

.         (56)

Результаты расчета удовлетворительны.

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

3.3 Потери тепла через открытые загрузочные, разгрузочные окна и другие отверстия в футеровке

Расчет потерь тепла излучением в окружающую среду производится по формуле:

   (57)

где - константа излучения абсолютно черного тела

- коэффициент диафрагмирования;

Fотв- площадь поперечного сечения отверстия, ;

ТП-температура печи, К;

ТВ - температура окружающей среды, К;

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

∆τ - доля времени, в течение которого открыто окно.

Доля времени определяется:

∆τ=  =  =0,036                                                                (58)

Исходя из размеров окна загрузки-выгрузки, определяется его площадь:

Fотв= Hотв∙ Вотв=0,15∙0,25=0,0375 м2.                                    (59)

Согласно справочным данным (рис.8) коэффициент диафрагмирования принимаем равным=0,43.

Рисунок 8 - Коэффициент диафрагмирования отверстий. [2]

Форма отверстий: 1 - круглое отверстие; 2 - квадратное отверстие; 3 - прямоугольное отверстие при ширине окна В=2А (А - высота, L - глубина окна); 4 - узкая щель высотой А (В>>А).

Подставляем полученные данные в формулу:

3.4 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, то есть:

(60)

4. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС И МОЩНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЕЧИ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

Тепловой баланс приведен в сводной таблице 9

Таблица 9 - Тепловой баланс камерной электрической печи сопротивления

Тепловая мощность печи и коэффициент полезного действия.

Для электрических печей установленная мощность определяется по формуле:

 , Вт                                                                    (61)

где k - коэффициент запаса мощности, принимаемый в пределах 1.2…1.6;

 - общий расход теплоты, Вт.

=1.5·8069,38=12104,07 Вт

Обычно коэффициент полезного действия электрических печей 50…80%. КПД для печи определяется по формуле:

η =                                                                             (62)

где Qм - полезное тепло, идущее на нагрев металла, Вт;

Qрасх - суммарные затраты тепла печью выбранной конструкции, Вт.

η=()·100 = 25,34%

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.      Сорокин, В.Г. Марочник сталей и сплавов: справочник / В.Г. Сорокин, А.В. Волоспикова, С.А. Вяткин и др.; под ред. В.Г. Сорокина. - М.: Машиностроение, 1989. - 640 с.

.        Корягин, Ю.Д. Тепловые и электрические расчеты термических печей: учебное пособие / Ю.Д. Корягин. - 2-е изд. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2005. - 178 с.

3.      Попов, А.А. Справочник термиста. Изотермические и термокинетические диаграммы распада переохлажденного аустенита: справочник / А.А. Попов, Л.Е. Попова. - М.:Машгиз, 1961 - 430 с.

4.      Рустем, С.Л. Оборудование и проектирование термических цехов / С.Л. Рустем. - М.: Машиностроение, 1971. - 288 с.

.        Марочник сталей и сплавов: справочник / под ред. А.С. Зубченко, - 2-е изд., - доп. и испр. - М.: Машиностроение, 2003. - 784 с.

6.      Каменичный, И.С. Краткий справочник технолога-термиста: справочник / И.С. Каменичный. - М.: Машгиз, 1963 - 287 с.