- •«Материаловедение в машиностроении» (150501)
- •Введение
- •1. Задание и объем курсового проекта.
- •2. Выбор типа печи
- •3. Определение теплотехнических характеристик и тепловой массивности садки.
- •3.1. Определение коэффициента теплоотдачи.
- •4. Расчет времени нагрева садки.
- •.Определение продолжительности нагрева теплотехнически тонкой загрузки в печи периодического действия.
- •4,2. Определение продолжительности нагрева теплотехнически массивной загрузки в печи периодического действия.
- •5 . Определение продолжительности цикла работы печи.
- •6. Определение основных размеров печи.
- •6.1. Составление эскиза печи.
- •7. Расчет теплового баланса.
- •7.1. Полезное тепло, затраченное на нагрев металла.
- •7.2. Расход тепла на нагрев тары.
- •7.3. Расход тепла на нагрев атмосферы.
- •7.4. Потери тепла теплопроводностью через кладку.
- •7.4.1. Потери тепла через экранную изоляцию.
- •7.5. Потери тепла через отверстия в футеровке.
- •7.6. Потери тепла через тепловые короткие замыкания.
- •7.7. Потери тепла с охлаждающей водой.
- •7.8. Потери тепла на аккумуляцию кладкой.
- •9.1. Особенности расчета теплового баланса печей-ванн.
2. Выбор типа печи
Тип печи обуславливается видом энергоносителя, технологическим процессом, режимами нагрева и охлаждения, формой и габаритными размерами заготовки и требуемой производительностью. Технологический режим нагрева определяет температуру печи, её атмосферу, степень равномерности температуры в рабочем пространстве и точность её регулирования.
При курсовом проектировании вид энергоносителя, технологический режим термической обработки, и размер обрабатываемой садки (габариты рабочего пространства проектируемой печи) чаще всего известны из технического задания.
Поскольку в задании указана электрическая печь, то можно перейти к этапу «Расчет нагрева садки». Однако до этого необходимо определить какую садку в данном случае необходимо нагревать – теплотехнически тонкую или теплотехнически массивную.
3. Определение теплотехнических характеристик и тепловой массивности садки.
Скорость, а следовательно, и продолжительность нагрева зависят от большого числа факторов. Наиболее важными из них являются:
1. Теплопроводность, которая различна для сплавов разного состава (например, чем больше углерода и легирующих элементов в стали, тем ниже ее теплопроводность, нагревать такую сталь нужно с меньшей скоростью);
2. Сечение изделия - чем оно больше, тем медленнее должен быть нагрев, так как вследствие разности температур между наружной и внутренней частями изделия возникают внутренние напряжения, которые при быстром нагреве могут привести к появлению трещин;
3. Форма изделия (садки) - чем она сложнее и чем больше в детали резких переходов от толстых к тонким сечениям, тем выше вероятность коробления изделия и возможность образования трещин и, следовательно, тем меньше должна быть скорость нагрева.
Для расчетов времени нагрева и охлаждения при термообработке необходимо знать следующие теплотехнические свойства нагреваемого металла:
1. теплопроводность ( , ) - характеризует способность металла проводить теплоту, зависит от состава сплава и температуры (например, с увеличением содержания углерода в стали или с ростом температуры теплопроводность уменьшается);
2. теплоемкость (c, ) - характеризует количество теплоты, аккумулируемое единицей массы металла при нагреве на один градус; зависит от состава сплава и температуры (с увеличением температуры теплоемкость возрастает);
3. температуропроводность ( , ) - скорость изменения температуры изделия;
4. плотность ( , ) - масса 1 м3 металла.
Эти характеристики можно использовать только в том случае, когда нагревается единичное изделие или изделия, уложенные плотно без зазоров и пустот. Однако чаще всего загрузка (садка) представляет собой скопление изделий сложной формы, поэтому в ней содержится большое число пустот и зазоров, которые, конечно, оказывают влияние на теплотехнические характеристики загрузки в целом, так как среда, заполняющая эти пустоты, резко отличается по свойствам от металла. Существует целый ряд способов определения теплотехнических характеристик загрузки. Простейший из них - с использованием так называемого коэффициента заполнения садки
, (3.1)
где - масса реальной садки;
- масса идеальной садки;
- число деталей в загрузке;
- масса одной детали;
- максимальный объем, занимаемый загрузкой;
- плотность металла.
Понятно, что всегда .
Зная коэффициент заполнения садки (загрузки), можно определить ее теплотехнические характеристики:
; ;
; .
(Далее во всех случаях необходимо оперировать только теплотехническими характеристиками садки, поэтому индексы у обозначений будем опускать.)
При расчете времени нагрева различных тел их разделяют на теплотехнически тонкие и теплотехнически массивные.
«Тонким» изделием считается такое, температуры поверхности и сердцевины которого в любой момент времени нагрева или охлаждения практически совпадают, т.е. (рис. 1).
Рис.
1. График нагрева теплотехнически
тонкого тела: Тпов - температура
поверхности тела; Тц -
температура сердцевины тела.
Рис.6.3.
График нагрева теплотехнически
массивного тела
Рис.6.3.
График нагрева теплотехнически
массивного тела
Рис. 2. График
нагрева теплотехнически массивного
тела
В процессе теплоотдачи внутри изделия преодолевается внутреннее тепловое сопротивление, прямо пропорциональное расстоянию, на которое должна быть передана теплота, и обратно пропорциональное скорости пропускания теплоты через материал изделия, т.е. коэффициенту теплопроводности, и равно .
Отношение внутреннего теплового сопротивления к внешнему представляет собой безразмерную величину и носит название критерия Био:
, (3.2)
где - коэффициент теплоотдачи [ ];
- коэффициент теплопроводности загрузки [ ];
- определяющий размер (расстояние от самой холодной до самой горячей точки загрузки, рис. 3) [м].
EMBED Equation.2
EMBED Equation.2
EMBED Equation.2
Рис.
3. Определяющий размер (q
- тепловой поток)
Bi 0,25 — теплотехнически тонкое тело;
Bi0,5 — теплотехнически массивное тело.
Если 0,25 Bi 0,5, то необходимо решить, какая разность температур внутри садки допустима при нагреве или охлаждении (при большой допустимой при данном технологическом процессе величине Т изделие может рассматриваться как «тонкое»).