5 . Определение продолжительности цикла работы печи.

В общем случае продолжительность цикла _ц работы печи (рис. 8) складывается из времени нагрева садки - _н, времени выдержки садки - _выд, времени охлаждения садки в месте с печью - _охл и вспомогательного времени - _всп (время на вспомогательные операции выгрузки, загрузки и др., т.е. время, когда печь не работает, то есть - не оказывает необходимого влияния на загрузку).

_ц=_н+_выд+_охл+_всп (5.1)

Время нагрева _н зависит от характеристик печи, режима термообработки и характеристик садки. Оно не может быть равно нулю, но может достигать больших значений. При печном нагреве составляет существенную долю от _ц (например, при нагреве под закалку _н достигает 85% от всего _ц).

Время выдержки _выд зависит от режима термообработки и размера садки. Его продолжительность определяется теми процессами, которые должны произойти в металле при выдержке. Соответственно, оно может быть и очень значительным (например, при диффузионном отжиге), и равным нулю (например, при нагреве под закалку изделий небольшого сечения). Проектант определяет его сам, опираясь на знания, полученные при изучении дисциплин «Теория и технология термической и химико-термической обработки».

Время охлаждения садки вместе с печью _охл зависит, в первую очередь, от режима термообработки, величины садки, размеров печи и материалов, из которых изготовлена футеровка. Оно может быть и очень значительным (например, в случае охлаждения с печью крупных садок до комнатной температуры - несколько сотен часов), и равным нулю (например, в случае нагрева под закалку, когда резкое охлаждение в воде или в масле проводится вне печи). В данном проекте студент определяет его совместно с консультантом, поскольку пока не имеет необходимых данных для его расчета.

Вспомогательное время _всп зависит от типа печи, размеров садки, имеющихся средств механизации загрузки и выгрузки и других факторов. Оно может быть значительным, а может быть и равным нулю (например, для печей непрерывного действия). В случае, если _охл больше нуля, вспомогательное время _всп затрачивается, в основном, на разогрев печи до исходной температуры. Все другие вспомогательные операции обычно требуют меньшего времени. В данном проекте студент назначает его совместно с консультантом, поскольку пока не имеет необходимого практического опыта.

6. Определение основных размеров печи.

Основными размерами печи считаются внутренние размеры печной камеры. Печной камерой считается пространство, ограниченное внутренними поверхностями огнеупорного слоя кладки или металлическими поверхностями внутреннего кожуха печи с засыпной теплоизоляцией. Следует отличать внутреннее пространство от пространства рабочего, под которым понимается пространство, отведенное для размещения обрабатываемой садки (именно ее максимальные размеры и указываются в марке печи).

Габариты и форма внутреннего пространства печи и её конструкция должны соответствовать форме и размерам обрабатываемых изделий. Например, если необходима термическая обработка длинных валов или труб, требующих (во избежание прогиба) нагрева в вертикальном положении, то речь может идти лишь о шахтных печах. Если производится отжиг изделий, то печь должна обеспечить нужную скорость их остывания.

Следует так же учитывать механическую прочность изделий. Некоторые мелкие изделия (заготовки шариков шарикоподшипников, заготовки патронных гильз и т.п.) можно свободно перекатывать и перебрасывать; другие можно перемещать на конвейере или на роликовом поду; третьи настолько механически слабы или неудобны по форме, что их можно перемещать в печи только на поддонах (а иногда даже на поддонах со специальными приспособлениями), размеры которых и будут определять, в первую очередь, внутренние (основные) размеры печи.

Площадь пода определяется в зависимости от времени цикла обработки садки (час), размера заготовок и часовой производительности (кг/час). При обработке одинаковых деталей целесообразно определять часовую производительность печи в штуках (n деталей в час). Первоначально определяется необходимая садка печи Е, т.е. количество металла одновременно находящегося в печи:

Е= , кг или Е=n , шт (6.1)

Длина и ширина внутреннего пространства печи определяется размером деталей, принятой системой укладки на поду и массой одновременно обрабатываемой садки или производительностью:

в печах, в которых основная доля тепла передается излучением, нагреваемые детали располагаются в один ряд с небольшими зазорами (0,3-0,5 толщины детали), что позволяет значительно уменьшить время нагрева и увеличить производительность;

в печах с низкой температурой, когда доля передачи тепла излучением незначительна, детали следует загружать в печь в несколько рядов, укладывая их с зазорами для циркуляции газа;

в отжиговых печах нагрев одной детали не определяет общего времени нагрева и, тем более, выдержки садки, поэтому в этом случае надо стремиться к возможно большей высоте садки;

в печах для химико-термической обработки общее время нагрева и производительность не зависят от времени нагрева одной детали и поэтому следует стремиться к возможно большей загрузке, т.е. детали следует размещать в несколько рядов.

Зная количество деталей или заготовок, одновременно находящихся в печи, не трудно определить площадь пода. При этом различают площадь пода активную (полезная площадь,занятая металлом) и полную (общую) определяемую конструктивными особенностями печи и способом размещения изделий на поду. Полная площадь пода включает и часть пода между заготовками, а также между заготовками и стенками печи.

Для печей непрерывного действия полная длина пода определяется количеством заготовок, умноженных на их ширину или диаметр. Если печь многорядная, то вычисленная длина будет меньше соответственно количеству рядов. Если заготовки располагаются по длине печи с зазорами, то общая длина пода будет больше на величину зазоров, умноженную на их количество.

Размеры рабочего пространства камерных печей без циркуляции газов при расположении изделий на поду зависят главным образом от числа, размеров и способа укладки нагреваемых изделий. При укладкеизделий в один ряд размеры пода (рис. 8)

В = n d + (n-1) a + 2b , (6.2)

где В – линейный размер пода в данном направлении (ширина или длина);

n – число изделий в данном направлении;

d – линейный размер изделий в этом направлении;

a – зазор между изделиями (обычно равен 0,5 толщины изделия);

b^* – расстояние между изделием и стенкой (зависит от толщины заготовок, обычно b=0,25-0,5 м).

Длина рабочего пространства горизонтальной или высота вертикальной печи определяется из следующего равенства:

L = L_e + 2a_T , (6.3)

где L_e – длина садки;

a_T – зазор между садкой и торцевыми стенками печи (выбирается конструктивно, например, для вертикальных печей a_T = (0,4 0,5)D_p, где D_p - размер рабочего пространства в поперечном сечении).

Ширина В рабочей камеры печи непрерывного действия

В = zl +(z+1)b, (6.4)

где: z – число рядов изделий в печи;

l – длина изделия;

b – расстояние между изделиями и стенкой печи, а также между рядами.

Длина печей непрерывного действия

L = , (6.5)

где L – длина печи, занятая нагреваемыми изделиями, м;

- производительность печи, кг/час;

d – диаметр (размер) изделия, м;

g – масса одного изделия, кг;

z – число рядов;

- время пребывания изделия в печи, час.

При определении общей длины пода следует учитывать конструктивные особенности печи, например, место для расположения устройств и механизмов для загрузки/выгрузки изделий.

Внутренние размеры электропечей выбираются также с учётом размещения нагревательных элементов, для чего ширина печи увеличивается на 100-250 мм.

Размеры рабочего пространства шахтных печей определяются из условия размещения подвешенных или установленных в приспособлениях деталей с зазором 115-230 мм на сторону. Величина зазора определяется количеством циркулирующих газов.

Высота свода – это размер от пода до пяты свода, который и надо указывать на чертеже печи. Высота свода зависит от операций термической обработки, выполняемых в данной печи. Высота свода внутреннего пространства нагревательных печей может определяться по формуле М.А.Глинкова:

Н = (А + 0,05В) + S, мм, (6.6)

где А – коэффициент, равный 0,5 0,55 для печей, работающих при температуре до 900 ⁰С и 0,65- при температуре выше 1500 ⁰С;

В - ширина печи, мм;

- температура печи, ⁰С;

S – толщина нагреваемых изделий (высота садки), мм.

В нагревательных печах с температурой выше 700 ⁰С, в которых основная доля тепла передаётся излучением, детали должны располагаться в один ряд с небольшими промежутками. Таким образом, в этом случае высота рабочего пространства определяется высотой нагреваемых изделий. Кроме того, над деталями должен быть слой излучающих газов: в больших печах 400-600 мм, в малых 200-300 мм.

При определении высоты свода необходимо учитывать размещение нагревательных элементов или топливосжигающих устройств.

Высота внутреннего пространства печи с вертикальной загрузкой зависит не только от высоты садки (рабочего пространства), но и от требований равномерности ее нагрева по высоте, а также от возможности циркуляции газов, находящихся в печи.

Для пламенных и электрических печей сопротивления размеры рабочего пространства должны соответствовать требованиям ГОСТ11.995-66.

Способ укладки деталей на под высокотемпературных печей оказывает большое влияние на время нагрева и производительность. В приложении 5 (табл.2) показано, что с увеличением зазора между заготовками сокращается время нагрева. Возрастание производительности при сравнительно небольшом зазоре между квадратными заготовками (0,5d) объясняется более полным поглощением излучений пода боковыми гранями этих заготовок и лучшим использованием площади пода, чем при большом зазоре.

При отжиге и цементации (из-за их длительности) стремятся к возможно большей загрузке деталей в печь, укладывая их в несколько рядов. В этом случае время нагрева одной детали мало влияет на общую производительность, так как время нагрева всей садки в несколько раз меньше времен выдержки.

Зазор между стенками и деталями выбирается в зависимости от конструкции рабочего пространства и источника тепловой энергии с таким расчетом, чтобы не было перегрева деталей, лежащих у стен.

После определения размеров пода следует подсчитать удельную производительность проектируемой печи (производительность с 1 м пода, т.е. кг/час^.м ) и сравнить её с удельной производительностью подобных существующих печей (приложение 6). При резком отличии необходимо пересмотреть выбранные размеры пода печи. Кроме того, определяется коэффициент использования площади пода:

К= , (6.7)

где S_полезн - полезная (активная) площадь, т.е. площадь занимаемая изделиями;

S - общая (полная) площадь пода.

Для большинства термических печей этот коэффициент находится в пределах 0,7-0,8.

Конкретный тип печи может предъявлять свои требования и ограничения при определении размеров внутреннего пространства. Например, в печах-ваннах с внутренним обогревом определяющим является объем жидкого теплоносителя. Недостаточный объем расплава приводит к снижению его температуры при загрузке нагреваемых изделий и значительному увеличению нагрева изделий и даже к образованию «корки» затвердевшего теплоносителя на поверхности детали. Излишнее увеличение объема расплава приведет к увеличению тепловых потерь и, следовательно, удельных расходов энергии. Величина снижения температуры расплава при погружении в него садки может быть определена тепловым расчетом, но в любом случае температура расплава должна на 50-70 ⁰С превышать температуру его затвердевания.

В печах-ваннах с внешним обогревом , кроме того, необходимо учитывать размеры тигля и зазор между тиглем и нагревателями для обеспечения электробезопасности.

Конструирование электродных печей-ванн связано с вопросами выбора геометрии электродной группы и ее размещения во внутреннем объеме печи.

При выборе размеров рабочего пространства печи необходимо предусмотреть возможность ремонта. Для этого иногда делают съёмный или легко разбираемый свод, различные окна и проёмы в стенах.