Проект термического участка мощностью 900 т/год в условиях АО Завод РГТО

При проектировании  термического участка были использованы следующие данные:

- расчет программы  цеха (участка) годового выпуска  продукции;

- выбор, описание и  расчет технологии детали в  соответствии с условиями ее работы;

- зная вид термообработки, осуществляется подбор технологического оборудования;

- ведется расчет числа  единиц технологического оборудования  на данную годовую программу;

          - планируются цеховые оперативные  склады деталей;

          - выбирается вспомогательное и  транспортное оборудование;

- рассчитывается годовая  потребность в энергии, топливе  и вспомогательных материалах;

- определяется планировка  участка и расположение в нем  оборудования.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
1 Производственная программа термического  участка

 

Годовая производственная программа по выпуску продукции проектируемого термического участка составляет 900 тонн. С точки зрения характера производства, проектируемый участок является серийным. Серийное производство занимает промежуточное положение между единичным и массовым производствами. Оно характеризуется изготовлением изделий, ежемесячно повторяющихся партий или серий, состоящих из одноименных, однотипных по конструкции и близких по размерам изделий, запускаемых в производство одновременно. Такое производство значительно экономичней чем единичное, благодаря тому, что оборудование меньше  простаивается. Производственная программа термического участка приведена в таблице 1.1.

Место расположения проектируемого термического участка – город  Караганда. Источником тепловой энергии для проектируемого участка является электроэнергия.

 

Таблица 1.1 – Производственная программа термического подразделения

Наименование детали	Марка стали	Масса, т	Годовой выпуск
			штук	тонн
Вал	20Х2Н4А	0,0123	5121	63
Втулка зубчатая	40Х	0,061 0,016 0,0255 0,026	846 4177 1211 1187	51,6 66,84 30,88 30,88
Обойма	45	0,650 0,038	147 2384	95,4 90,6
Втулка	35ХМ	0,685	606	415,2
Звездочка	40ХН	0,0008	4000	3,2
Шток	35ХГСА	0,0387	1354	52,4
Итого				900

 

 

1.1 Описание изделия и условия его работы

 

Условия работы вала определяются их быстроходностью, уровнем контактных и изгибающих нагрузок.

Для работоспособности  вала необходимо обеспечить:

- объемную прочность;

- поверхностную прочность;

- жесткость на изгиб;

- крутильную жесткость;

В процессе эксплуатации шлицы вала подвергаются:

а) изгибу при максимальном однократном нагружении (при резком торможении, заклинивании, при приложении максимального крутящего момента);

б) изгибу при многократных циклических нагрузках, вследствие чего в корне шлица развиваются наибольшие напряжения и может происходить усталостное разрушение.

в) контактным напряжением  на боковых рабочих поверхностях шлицов, приводящим к образованию контактно-усталостного выкрашивания (питтинга). Уровень контактных напряжений определяет при проектировании выбор размера валов;

г) износу боковых поверхностей (из-за попадания абразивных частиц, грязи, пыли в зону контакта) либо торцевых поверхностей зубьев (при переключении передач в коробках передач). При  относительном скольжении в условиях недостаточной смазки либо без смазки на рабочих поверхностях зубьев может происходить «схватывание» и образование грубых задиров, приводящих к катастрофически быстрому (в течении нескольких часов) изнашиванию.

Прежде чем выбрать  марку стали, следует определить условия, в которых работает вал, действующие на него нагрузки и соответствующие технологические требования, предъявляемые к изделию.

Вал работает в условиях высокой нагруженности и при высоких контактных давлениях. В общем случае валы подвергаются действию динамической пульсирующей нагрузки в направлении вращения. Работоспособность определяется контактной выносливостью и износостойкостью. В этом случае валы должны иметь высокую поверхностную твердость не менее HRC 40-50. Также к валам предъявляются повышенные требования к усталостной прочности на изгиб.

 

1.2 Выбор материала для детали – вал

 

Рациональный выбор материала для валов  и применение качественных заготовок способствует не только их повышению надежности и долговечности, но улучшает условия обрабатываемости материала и качества валов по величине деформации при термической обработке.

Сталь, применяемая для  изготовления деталей машин, строительных конструкций и других сооружений, должна обладать высоким комплексом механических свойств, а не высоким значением какого-либо одного свойства. Материал, идущий на изготовление деталей, подвергающихся большим нагрузкам, должен хорошо сопротивляться таким нагрузкам и наряду с высокой прочностью обладать вязкостью, чтобы сопротивляться динамическим и ударным воздействиям. Другими словами, материал должен обладать высокой прочностью и надежностью.

В деталях, испытывающих знакопеременные нагрузки, металл должен обладать высоким сопротивлением усталости, а трущиеся детали - сопротивлением износу. Во многих случаях требуется хорошее сопротивление коррозии, ползучести и другим постоянным воздействиям. Это значит, что детали должны быть долговечными.

Таким образом, детали машин  должны быть изготовлены из прочного, надежного и долговечного материала.

Из всех известных в технике материалов лучшее сочетание прочности, надежности и долговечности имеет сталь, поэтому сталь является основным материалом для изготовления ответственных изделий, подвергающихся большим нагрузкам.

Механические свойства стали зависят  от ее структуры и состава. Совместное воздействие термической обработки и легирования является эффективным способом повышения механических характеристик стали.

На механические характеристики стали  влияют изменение содержания углерода, легирование, диспергирование структурных составляющих, измельчение зерна, наклеп. Упрочнение обычно ведет к уменьшению вязкости и пластичности.

Прочность стали в первую очередь  зависит от прокаливаемости. Поэтому  основной целью легирования конструкционных  сталей является увеличение прокаливаемости. В состав большинства конструкционных сталей входят такие элементы, как хром, никель, марганец, часто небольшими добавками титана.

В соответствии с условиями эксплуатации детали наиболее подходят стали марок 20Х2Н4А, 40Х и сталь 45.

Сталь 20Х2Н4А – конструкционная хромо-никелевая сталь для особо ответственных высоконагруженных деталей к которым предьявляются требования высокой прочности, пластичности и вязкости сердцевины и высокой поверхностной твердости, работающие под действием ударных нагрузок или при отрицательных температурах.

Сталь 20Х2Н4А, согласно ГОСТ, после термообработки имеет твердость – сердцевины-360, поверхности – 57-64.

 Сталь 40Х – конструкционная улучшаемая среднеуглеродистая хромистая сталь. Поковки шестерен из стали 40Х проходят предварительную термическую обработку, заключающейся в ускоренном охлаждении после ковки для обеспечения наследственной мелкозернистости стали и последующей нормализации для улучшение обрабатываемости и измельчение структуры перед закалкой.

При разработке составов конструкционных  сталей и режимом их термической  обработки нужно рассматривать  в первую очередь такие способы, при которых пластические и вязкие свойства уменьшаются в минимальной  степени.

Простое увеличение углерода при феррито-перлитной структуре (нормализованное состояние) приводит к повышению прочности и порога хладноломкости. Максимальная прочность при такой структуре соответствует содержанию углерода примерно 1. % С и достигает всего лишь 1000 МПа, тогда как порог хладноломкости лежит ниже 0^ºС лишь при содержании углерода не более 0,4 %.

Таким образом, мы можем  заключить, что предельное содержание углерода в термически не упрочненной  стали с ферритоперлиrной структурой составляет 0,4 %; при этом сталь будет  иметь σ_в = 600 МПа, Т₅₀ = -20^ºС и а_0,25 = 600-:-700 кДж/м².

Получение дисперсных структур в результате переохлаждения аустенита  ведет к непрерывному повышению  твердости и прочности; максимальную твердость (прочность) имеет мартенситная структура. При 0,4 %С мартенситная структура имеет твердость около 60 HRC (650 НВ), что соответствует прочности порядка 2200-2400 МПа. Однако вязкость в этом случае недопустимо низкая, и должна быть повышена отпуском, правда, за счет снижения прочности.

Двойная обработка, при  которой окончательная структура формируется не из аустенита, а из мартенсита, т. е. применение закалки с последующим отпуском позволяет широко изменять прочностные свойства от максимальных, соответствующих закаленному состоянию, до минимальных, соответствующих отожженному, и важно, что при этом пластические и вязкие свойства оказываются более высокие, чем при одинарной обработке (продукты распада аустенита).

 

Таблица 1.2 Массовая доля элементов, %

Марка стали	C	Si	Mn	S	P	Cr	Ni	Cu	N
20Х2Н4А	0,16-0,22	0,17-0,37	0,30-0,60	≤0,025	≤0,025	1,25-1,65	3,25-3,65	≤0,30	-
40Х	0,36-0,44	0,17-0,37	0,5-0,8	≤0,035	≤0,035	0,8-1,1	≤0,3	≤0,3	≤0,008
45	0,42-0,50	0,17-0,37	0,50-0,80	≤0,040	≤0,035	≤0,25	≤0,30	≤0,30	≤0,008

 

Таблица 1.3 Температура критических точек, ºС

Марка стали	Ас1	Ас3	Ar1	Ar3
20Х2Н4А	710	800	640	-
40Х	743	815	693	730
45	730	755	690	780

 

Никель является ценным легирующим элементом. Однако ввиду сравнительно высокой стоимости никеля его применяют лишь там, где замена его другими, более дешевыми элементами нецелесообразна. Никель повышает точку А₄ и понижает точку А_3. Никель растворяется в феррите, упрочняет его и увеличивает ударную вязкость стали при комнатной, так и при пониженных температурах.

Никель увеличивает прокаливаемость  стали, но меньше, чем хром.

Очень выгодно совместное действие никеля и хрома, которое при легировании дает возможность хорошо использовать преимущества обоих элементов. Никель увеличивает вязкость, а хром- твердость стали. Хромоникелевая сталь  обладает хорошей прокаливаемостью и высокой прочностью, а при большом содержании хрома и никеля приобретает очень высокую сопротивляемость коррозии и жаропрочность.

Марганец является относительно дешевым легирующим элементом. Обычно марганец добавляется в сталь при ее выплавке для раскисления, а также для устранения вредного действия серы. Подобно никелю, марганец повышает точку А₄, понижает А₃.

Марганец сильно увеличивает устойчивость аустенита и прокаливаемость стали, причем действие 1% Мn равноценно 4% Ni. Марганец в отличие от других легирующих элементов способствует сильному росту зерна аустенита при перегреве.

Кремний как и марганец, является сравнительно дешевым и доступным легирующим элементом; он несколько препятствует снижению твердости при отпуске, повышает прочность, повышает прочность пленки окислов, образующуюся на поверхности стали при высокой температуре, и тем самым повышает ее oкалиностойкость. Вытесняя  из твердого раствора с ферритом углерод, кремний создает высокую магнитную проницаемость и понижает потери от гистерезиса. Кремний подобно хрому понижает точку А₄ и повышает точку А₃.

Для такого ответственного изделия, как  вал двигателя, поломка которого нарушает работу машины, применение более  дешевой по составу стали нерационально  Сталь должна иметь предел текучести  не ниже 750 Мпа, предел выносливости не ниже 400 Мпа и ударную вязкость не ниже 900 кДж/м².

Сталь 45 относится к классу качественной углеродистой, а сталь 20Х2Н4А к классу выококачественной легированной стали. Они содержат соответственно 0,42-0,50 и 0,16-0,22% С и принимают закалку. Для повышения прочности можно применять нормализацию или закалку с высоким отпуском. Последний вариант обработки сложнее, но позволяет получить не только более высокие характеристики прочности, но и более высокую вязкость. В стали 45 минимальные значения ударной вязкости КСU (а_н) после нормализации составляют 200-300 кДж/м², а после закалки и отпуска с нагревом до 500⁰С достигают 600-700 кДж/м².

Так как вал двигателя воспринимает в работе динамические нагрузки, а  также и вибрации, более целесообразно применить закалку и отпуск. После закалки в воде углеродистая сталь 45 получает структуру мартенсита. Однако вследствие небольшой прокаливаемости углеродистой стали эта структура в изделиях диаметром более 20-25 мм образуется только в сравнительно тонком поверхностном слое толщиной до 2-4 мм.

Последующий отпуск вызывает превращение  мартенсита в сорбит только в тонком поверхностном слое, но не влияет на структуру и свойства основной массы  изделий. Сталь со структурой сорбита  отпуска обладает более высокими механическими свойствами, чем сорбита закалки и феррита+перлита. Наибольшие напряжения от изгиба, кручения и повторно переменных нагрузок воспринимают наружные слои, которые и должны обладать повышенными механическими свойствами. Однако в сопротивлении динамическим нагрузкам, которые воспринимает вал, участвуют не только поверхностные, но и нижележащие слои металла. Таким образом углеродистая сталь не будет иметь требуемых свойств по сечению вала диаметром 50 мм.

Сталь 20Х2Н4А легирована никелем  и хромом для повышения прокаливаемости и закаливаемости. Она получает после закалки достаточно однородную структуру и механические свойства в сечении диаметром до 75 мм. Для стали 20Х2Н4А рекомендуется термическая обработка:

1. Закалка с 790-820⁰С в масле.

При закалке с охлаждением в масле возникают меньшие напряжения,  а следовательно и меньшая деформация. После закалки сталь имеет структуру мартенсит и твердость не ниже 50 НRC.

2. Отпуск 350-400⁰С. Для предупреждения отпускной хрупкости, к которой чувствительны стали с хромом ( или с марганцем), вал после нагрева следует охлаждать в масле. Механические свойства 20Х2Н4А в изделии диаметром до 75 мм после термической  обработки:

Предел прочности σ_в, МПа.....................................900-1000

Предел текучести  σ_0,2, МПа...........................................1050

Предел выносливости σ_-1 МПа………………….....400-430

Относительное удлинение  δ,%......................................7-12

Относительное сужение  φ%........................................45-50

Ударная вязкость КСU, кДж/м²…………………………..9

Таким образом, эти свойства обеспечивают требования, необходимые  для вала, работающего в тяжелонагруженных  условиях.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Выбор технологического процесса

 

 Цель любого процесса  термической обработки состоит  в том, чтобы нагревом до определенной температуры и последующем охлаждением вызвать желаемое изменение строения металла.

Детали сменного металлургического  оборудования предназначены для  работы в различных условиях. Задачей  термической обработки является получение необходимых механических свойств, которые будут удовлетворять условиям работы данных деталей. В качестве термической обработки применяется: закалка, закалка c нагревом ТВЧ, нормализация, отпуск.

Температурой нагрева  металла считают конечную температуру поверхности заготовки, которая должна обеспечивать равномерный прогрев заготовки по всему сечению и длине.

Общая продолжительность  нагрева, т.е. время пребывания изделия  в нагреваемой среде состоит  из двух слагаемых τ_нагр при этой заданной температуре и τ_выд при этой температуре.

 

τ_общ = τ_нагр+ τ_выд

 

Время выдержки детали до достижения заданной температуры должно быть достаточным для ее прогрева от поверхности до сердцевины в наибольшем сечении, а также для полного завершения в сплаве тех, имеющих диффузионный характер структурно-фазовых превращений, которые должны происходить в нем при заданной температуре.

 

Режимы термической  обработки приведены в таблице 2.1

Таблица 2.1 – Режим термической обработки

Наименование детали	Марка стали	Вид термической обработки	Температура нагрева,ºС	Время нагрева τобщ ,ч
Вал	20Х2Н4А	нормализация отпуск цементация газовая закалка отпуск закалка с нагревом ТВЧ отпуск	860-880 620-630 860-880   790-820 350-400     810-840 180-200	2,5-3,0 2,0-2,5 15-16   2,0 2,5-3,0       2,5-3,0
Втулка зубчатая	40Х	закалка в масле отпуск в воде	840-860   550-560	1,7   2,6

Продолжение таблицы 2.1

Обойма	45	закалка в воде отпуск	830-850   520-550	1,2   3
Втулка	35ХМ	Закалка в масле Отпуск (вода)	850 560	2,6   3
Звездочка	40ХН	Закалка Отпуск	720-730 540-550	2,6
Шток	35ХГСА	Закалка в масле Отпуск (вода)	880   540	4   3

 

 

Время выдержки при заданной температуре τ_В можно упрощенно принять равным 1,5 – 2 мин для легированных сталей. При нагреве крупных деталей (когда τ_Н значительно больше, чем 1 – 2 мин), величиной τ_В  можно пренебречь.

Время нагрева до заданной температуры τ_Н можно определить следующим способом, используя формулу (2).

 

τ_Н =0,1К_1*К₂*К₃*Д₁          (2)

τ_Н═ 0,1*2*2*2*1*50═40/50═0,8ч.

где а – коэффициент, определяемый экспериментально, в сек/мм;

D – диаметр изделия в мм.

Время выдержки при закалке  определяют по формуле: τ_в═(0,3* τ_Н)+0,3

τ_в═(0,3*70)+0,3+0,3═21,6 мин.

τ_общ= 21,3+70=91,3 мин.

 

Определение времени  нагрева при отпуске

10 мин+60 мин=70 мин/60=1,16ч

t_отп.=10^َ+1 мин/1мм у.т.

у.т.=фактическая толщина детали×коэфициент формы.

Определим время нагрева до температуры 860 ⁰С.

у.т.=50×2=100мм

S=50/2=25мм

τ_Н=10َ+1×25=35َ

τ=b·D=0,35×10=3,5 мин.

τ_Н =75َ+0,5×35=92,5َ=1,5ч.

 

 

 

 

 

 

3 Выбор технологического  оборудования

 

Оборудование следует  подбирать в соответствии с принятым технологическим процессом габаритными размерами поковок, их массой  и марками стали.

Выбранное оборудование должно обеспечить выполнение режимов  термической обработки (температуры, скорости нагрева и охлаждения) и  заданной годовой программы.

Оборудование термических  участков подразделяется на основное технологическое, вспомогательное  технологическое, контрольно-измерительное, теплоэнергетическое и подъемно-транспортное.

К основному технологическому оборудованию относятся термические печи, охлаждающие устройства (камеры для медленного охлаждения, закалочные баки).

К вспомогательному технологическому оборудованию относятся правильные прессы, моечные машины и т.д.

К контрольно-измерительному оборудованию относятся щиты управления, потенциометры, термопары.

 

3.1 Выбор основного  оборудования

 

Выбор основного оборудования необходимо начинать с анализа имеющегося на заводе оборудования. Нужно проанализировать его достоинства и недостатки, рассмотреть, какие виды основного  оборудования могут быть вообще применены для осуществления предлагаемых в проекте режимов термической обработки или обладают большей производительностью, обеспечивают лучшее качество термической обработки, лучше механизированы и автоматизированы.

Оборудование  термических участков подразделяется на основное технологическое, вспомогательное технологическое, контрольно-измерительное, теплоэнергетическое и подъемно-транспортное.

К основному оборудованию относится оборудование, предназначенное  для осуществления основных операций технологического режима термической обработки (нагрев, выдержка, охлаждение), т.е. печи, печи-ванны, нагревательные установки и устройства, закалочные баки, прессы, машины и др.

Тип оборудования для  проектируемого цеха (отделения) выбирается на основании технологических процессов и режимов термической обработки деталей  (изделий) с таким расчетом, чтобы полностью обеспечить выполнение предложенного технологического процесса термообработки.

К вспомогательному технологическому оборудованию относятся правильные прессы, моечные машины и т. д.

К контрольно-измерительному оборудованию относятся потенциометры, термопары.

В проектируемом участке  термической обработки деталей  для нагрева под закалку и  отпуск, нормализацию и газовую цементацию предлагается использовать шахтные и камерные электропечи. Электрические печи имеют ряд преимуществ перед топливными печами: отсутствие дымовых газов; не требуются дымососные системы; хорошая теплоизоляция; легкость регулирования температуры; возможность применения контролируемых атмосфер; хорошие санитарные условия в цехе.

Шахтные печи предназначены  для различных процессов термической (отжиг, нормализация, закалка, высокий  и низкий отпуск) и химико-термической  обработок. Шахтные печи типа Ц25, Ц35, Ц60, Ц90, Ц105 широко применяют для газовой цементации, нитроцементации и азотирования деталей.

Для нормализации, закалки  и отпуска  валов применяются  шахтные муфельные электропечи  типа Ц-105А.

Шахтная муфельная электропечь  типа Ц-105А предназначена для газовой  цементации и нитроцементации стальных изделий. Они применяются при мелкосерийном производстве или при небольших производительностях обрабатываемых изделий. Муфельные электропечи не требуют длительного времени на восстановление цементационной атмосферы по сравнению с безмуфельными электропечами «СШЦ». Электропечи могут быть использованы с применением жидких и газообразных карбюризаторов.

 

3.1.1 Краткое описание конструкции шахтной электропечи Ц-105А

 

       Процесс цементации в электропечи Ц-105А осуществляется в реторте, которая установлена на специальной литой подставке. Сверху реторта закрывается футерованной крышкой. Уплотнение крышки обеспечивается песочным затвором. На крышке предусмотрены патрубки для выхода газа, для свидетелей и подачи карбюризатора от специального бочка через капельницу. На крышке установлен вентилятор, обеспечивающий перемешивание газовой смеси внутри реторты.

Подъем и опускание  крышки осуществляется электромеханическим  приводом, поворот крышки – вручную.

Обработанные изделия загружаются  в печь в литых жароупорных корзинах; загрузка вала осуществляется на специальных приспособлениях с подвеской.

Нагреватели, выполненные из нихромовой проволоки в виде спиралей, укладываются на керамических колодках по боковой  стенке и на поду электропечи.

Огнеупорная и теплоизоляционная кладка выполнена из лекговесного шамота и перлитовых плит на керамической связке и диатомитового кирпича.

Регулировка температуры в печи осуществляется автоматически. Питание  печи осуществляется от сети переменного  тока напряжением 380 и 220 В.

Для установки и обслуживания электропечи  требуется специальный приямок, с тем расчетом, чтобы горловина  находилась на уровне 600-700м выше уровня пола цеха. В случае установки печи на уровне пода необходима специальная  площадка для ее обслуживания. Преимущества данной конструкции:

• уменьшение тепловых потерь;
• увеличение стойкости нагревателей;
• улучшение герметичности электропечей;
• улучшение равномерности крышки.

Индекс «А»  в названии печи означает:

- улучшение тепловой  изоляции кладки электропечей: взамен диатомитового кирпича и диатомитовой засыпки на боковых стенках электропечи применены перлитовые плиты на керамической основе;