Министерство  сельского хозяйства Российской Федерации

Департамент кадровой политики и образования

Федеральное государственное учреждение

Высшего профессионального образования

Ижевская  государственная сельскохозяйственная академия

Кафедра «Электротехнологии» 
 
 
 
 
 
 
 

КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ на тему

Электропечь сопротивлением

 

КП.311400.154.ЭТ.000.ПЗ 
 
 
 
 
 

Ижевск, 2005

 

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

     Произвести  расчет электропечи сопротивлением для закалки сталей в условиях мастерской, составить схему управления, выбрать оборудование.

     Ограничениями при расчете являются размеры  и материал детали, а также температура  ее нагрева. Примем, что форма детали - плоская; размеры детали (в мм.): длина (L)=500, ширина (H)=300, толщина (d)=150; температура нагрева детали (t_к)=900^оС; материал - сталь 45.

  
СОДЕРЖАНИЕ

     Введение           4

1. Технологический  процесс закалки       5

2. Расчет  электропечи сопротивлением       8

   2.1 Задача и содержание расчета электронагревательных устройств  8

   2.2 Определение времени нагрева  изделия      9

   2.3 Динамика нагрева изделия                        12

   2.4 Расчет конструктивных параметров  печи             14

   2.5 Определение мощности печи               16

   2.6 Динамика нагрева печи                18

   2.7 Расчет нагревательного элемента              20

3. Схема  управления электропечью               23

4. Выбор  пускозащитной аппаратуры              25

5. Требования  правил устройства электроустановок            27

      Заключение                 30

     Список  используемой литературы              31 

ВВЕДЕНИЕ

 

      Курсовая  работа является завершающей стадией  изучения дисциплины «Электротехнология»  и способствует развитию навыков  самостоятельного решения инженерных задач по проектированию более прогрессивного оборудования.

      Электропечи сопротивлением широко применяются  в различных отраслях и отличаются простотой устройства, ремонтоспособностью и возможностью получения высокого коэффициента теплоотдачи с поверхности нагревательного элемента. К недостаткам можно отнести сравнительно низкий срок службы и невысокую механическую прочность. 

 

       1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ЗАКАЛКИ 

     Закалка является распространенной операцией  термической обработки деталей машин и инструментов. Цель закалки стали — придание ей высокой твердости и прочности путем образования неравновесных структур — мартенсита, троостита, сорбита, а также игольчатого троостита.

     Существует  несколько разновидностей закалки  стали. В зависимости от толщины закаленного слоя различают объемную и поверхностную закалку. Объемная закалка производится в печах и ваннах, а поверхностная — токами высокой, повышенной и промышленной частоты, газовым пламенем и в электролитах. В зависимости от скорости охлаждения бывает объемная закалка с непрерывным охлаждением и с прерывистым охлаждением (изотермическая, ступенчатая). В зависимости от среды, в которой нагревают сталь, различают закалку обычную и с применением защитной атмосферы светлую.

     Температуру нагрева под закалку для углеродистых сталей выбирают, пользуясь диаграммой состояния сплавов Fc—Fe. Время выдержки при нагреве выбирают в зависимости от размеров изделий и объема загружаемого в печь металла (массы садки).

     После нагрева и выдержки изделия охлаждают  в различных закалочных средах, обеспечивающих необходимую скорость охлаждения. Наиболее распространенными закалочными средами являются: вода, минеральное масло, раствор едкого натрия, расплавленные соли, щелочи и металлы, эмульсии и др. В последнее время в качестве охлаждающей среды применяют сильвинит, раствор марганцовистого калия и др.

     Основное  требование, предъявляемое к закалочным средам, высокая охлаждающая способность в интервале  температур 550° С (температуры наименьшей устойчивости аустенита на С-образной   кривой)   и   пониженная   охлаждающая   способность   при 300—200° С (в области мартенситного превращения), когда аустенит относительно устойчив. Замедленное охлаждение в интервале температур 300—200° С необходимо   для уменьшения  внутренних термических напряжений.

     При изотермической и ступенчатой закалке  охлаждение стали производится в горячих средах — в ваннах с расплавленными металлами, солями или щелочами.

     Охлаждающую способность закалочных сред повышают интенсивным перемешиванием, осуществляемым различными способами,— механическим при помощи ультразвуковых колебаний и др.

     Основными технологическими свойствами при закалке  стали являются закаливаемость и прокаливаемость. Способность стали к повышению твердости при закалке называют закаливаемостью, а способность закаливаться на определенную глубину – прокаливаемостью. Поверхностные слои деталей, соприкасающиеся с закалочной средой, охлаждаются быстрее, чем внутренние, поэтому не всегда удается достичь прокаливаемости по всему сечению. При этом структура поверхностных слоев изделия после закалки представляет мартенсит, а внутренних – троостит. Следовательно, твердость на поверхности изделия выше, чем в сердцевине. За глубину закалки принимают расстояние от поверхности изделия до слоя с полумартенситной структурой (50% мартенсита и 50% троостита). У стали с глубокой прокаливаемостью твердость снижается медленно, а с неглубокой наблюдается резкое ее падение по мере удаления от поверхности.

     О прокаливаемости стали при термической  обработке можно судить также по диаграмме изотермического превращения аустенита. Чем более устойчив аустенит, чем правее расположена С-образная кривая, тем меньше критическая скорость закалки и больше прокаливаемость стали. Поэтому прокаливаемость углеродистых сталей, у которых критическая скорость охлаждения при закалке выше, хуже, чем легированных; это является основным недостатком углеродистых сталей.

     Кроме скорости охлаждения, прокаливаемость  зависит от ряда других факторов: состава  стали, исходной структуры, диаметра изделий, температуры нагрева под закалку и др. Прокаливаемость, наряду с другими технологическими свойствами, является одним из основных при выборе марки стали и вида ее термической обработки.

     При охлаждении стали в процессе закалки  возникают внутренние напряжения — термические и структурные, связанные с перестройкой гранецентрированной решетки аустенита в решетку мартенсита и изменением объема стали. В результате внутренних напряжений в стали после закалки появляются трещины, коробления, деформации (изменения размеров). Дефектами закалки являются также мягкие пятна, пониженные твердость и прочность, обезуглероживание, окисление и др. Применение различных видов закалки и правильный выбор ее режимов дают возможность избежать этих дефектов или в значительной степени уменьшить их.

     После   закалки   твердость   стали  повышается и тем в большей  степени, чем больше в стали углерода. Однако одновременно    с   этим   в   закаленной   стали   увеличивается   содержание   остаточного   аустенита, что заметно  снижает ее твердость. Наряду с высокими твердостью и  прочностью   закаленная  сталь  характеризуется  пониженными пластичностью и вязкостью. Изменяются и физические свойства: электрическое сопротивление и коэрцитивная сила после закалки повышаются, а магнитная проницаемость и остаточная индукция понижаются.

                                  

2.  РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОПЕЧИ  СОПРОТИВЛЕНИЕМ

 

2.1 Задача и содержание  расчета электронагревательных  устройств 

     Электрические нагреватели и электронагревательные  установки совмещают функции приемников электрического тока и источников тепла и характеризуются соответствующими электрическими и тепловыми параметрами, определяемыми расчетом.

     Задача  расчета состоит в определении  оптимальных значений этих параметров, обеспечивающих наилучшие технологические, эксплуатационные и экономические показатели.

     Тепловой   расчет   установок   заключается   в   определении   их мощности, основных конструктивных размеров, в расчете тепловой изоляции, определении теплового к. п. д. Эти общие   тепловые параметры характерны   для всех видов электронагревательных установок независимо от их назначения,   устройства   и используемого способа   электронагрева. В тепловом расчете электрических нагревателей основная задача заключается в определении их термического   сопротивления и рабочей   температуры или   удельной поверхностной мощности. Тепловой расчет нагревателей тесно связан с электрическим расчетом.

     Электрический расчет состоит  в выборе питающего   напряжения и частоты   тока, в разработке электрической   схемы и способа регулирования мощности, в определении   электрического к. п. д. и коэффициента мощности. При расчете нагревателей задача сводится определению их геометрических размеров.

 

     2.2 Определение времени  нагрева изделия

 

      Начинаем  расчет с определения приведенного коэффициента излучения системы нагревательный элемент – нагреваемое тело: 

 

где: e_изд и e_н – относительные коэффициенты соответственно изделия и нагревателя; e_изд=0.9, e_н=0.75;

       - отношение площади тепловоспринимающей поверхности изделия к площади стен камеры, занятой нагревателями; =0.75 

 

      определяем  поверхностную мощность нагревателя: 

 

где: Т_н и Т_изд – температура соответственно нагревателя и изделия;

     Т_н=1373 К, Т_изд=1173 К 

 

Установившийся  перепад температур в зоне сечения  плиты: 

 

где: l - теплопроводность изделия; l=25.5 ;

      h – высота изделия. 

 

Температура поверхности  изделия к моменту t₀: 

 

Температура средней  плоскости изделия к моменту t₀: 

 

 

Скорость  нагрева изделия: 

 

где: с  – удельная теплоемкость изделия; с=451 ;

      r - плотность материала изделия; r=7830 . 

 

Время нагрева поверхности изделия с t_по до t_к: 

 

 с. 

Длительность  начальной стадии нагрева пластины: 

 

 с 

Время, отведенное на незначительный перегрев пластины: 

 

 с. 

Общее время нагрева изделия: 

 

t_н=5769.85+472.15+524.62=6766.62 с. 

2.3 Динамика нагрева  изделия

 

Определяем  постоянную времени нагрева: 

 

где: m – масса изделия, m=176.18 кг.

     F – площадь поверхности тела, S= м²; 

      k – коэффициент теплопередачи от изделия в окружающую среду;

      R_t – термическое сопротивление изделия,  

 
 

  

 

c 

Уравнение нагрева однородного тела выглядит следующим образом: 

 

 

      Графическое изображение уравнения (12) представлено на рисунке 1.

Рисунок 1. – Динамика нагрева изделия. 

2.4 Расчет конструктивных  параметров печи

 

      Для проведения расчета примем следующие  значения:

• внутренняя температура печи: t_в= 950 ⁰С;
• наружная температура печи: t_н= 50 ⁰С;
• материал первого слоя изоляции: магнезит;
• материал второго слоя изоляции: вермикулит;
• температура на границе слоев: t_гр= 500 ⁰С
• толщина слоя магнезита: s_м=0.1 м;
• толщина слоя вермикулита: s_ш= 0.05 м.

Средняя температура слоя магнезита: t_ср1=725 ⁰С

Средняя температура слоя вермикулита: t_ср2= ⁰С

Теплопроводность  слоя магнезита определяется по следующей  формуле: 

 

 

Теплопроводность  слоя вермикулита: 

 

 

Площадь внутренней поверхности слоя магнезита: 

 м². 
 

Площадь наружной поверхности слоя магнезита: 

 

 м². 

Расчетная площадь поверхности магнезита: 

 

 м² 

Площадь внутренней поверхности слоя вермикулита  равна наружной площади слоя магнезита:

 м² 

Площадь наружной поверхности слоя вермикулита  рассчитываем согласно формуле (16): 

 м² 

Расчетная площадь слоя вермикулита: 

 м² 

 

2.5 Определение мощности  печи

 

      Мощность, потребляемая установкой из сети равна: 

 

где: Р_пол – полезная мощность, кВт;

      Р_пот – мощность, необходимая для компенсации тепловых потерь через ограждение установки в окружающую среду, Квт.

      Полезная  мощность: 

 

      Мощность, отведенная на компенсацию потерь: 

 

где: SR_t – сумма термических сопротивлений слоя магнезита и слоя

шамота, .

      Термические сопротивления определяем в соответствии с форму-

лой (12):

• слоя магнезита:

 

• слоя вермикулита:

 
 

Полезная  мощность, отведенная на нагрев изделия: 

 кВт 

Мощность, отведенная на компенсацию потерь: 

 Вт 

Мощность, потребляемая установкой из сети: 

Р_потр=10330+27.27=10358.27 Вт

С учетом коэффициента запаса выбираем стандартную  мощность

12 кВт.

      К.п.д. установки: 

 

 

2.6 Динамика нагрева  печи 

Определяем  постоянную времени нагрева: 

 

где: m_м – масса магнезита, m_м= 367.2 кг.

      m_в – масса вермикулита, m_в= 17.5 кг.

     F – площадь поверхности стен камеры, S=3.14 м²; 

      k – коэффициент теплопередачи тепловой изоляции;

 

 

 c 

Уравнение нагрева однородного тела выглядит следующим образом:

 

Графически  эта зависимость выглядит следующим образом: 
 

 

Рисунок 2. – Динамика нагрева камеры печи 

2.7 Расчет нагревательного  элемента 

     В начале необходимо выбрать материал нагревателя и определить его  геометрические размеры при известных  размерах геометрического пространства, при известной рабочей температуре и известной мощности печи.

     Как правило, металлические нагреватели  в низкотемпературных печах располагают  на боковых стенках и поду.

     Для данной печи подходит проволочный нихромовый нагреватель Н20Х80.

     

     Рисунок 2.- Проволочный зигзагообразный  нагреватель. 

     Срок  службы нагревателя, зависящий от условий  окисления его поверхности, определяет удельная поверхностная мощность, выделяющаяся с единицы поверхности нагревателя. Для её нахождения вводится понятие идеального нагревателя. Под идеальным нагревателем понимают тот, который образует с изделием две сплошные параллельные бесконечные плоскости, при условии, что тепловые потери равны нулю, т.е. футеровка в теплообмене не участвует.

      Предельно допустимая удельная поверхностная мощность реального нагревателя, работающего при той же температуре, что и идеальный, выражается следующей зависимостью: 

 

где: α_эф- коэффициент эффективности нагревателя; для проволочного зигзага α_эф =0.68;

      α_ш- коэффициент шага, зависящий от относительных витковых расстояний; при h/d=3 α_ш=1.4 (рис.2 [2]);

Относительными  витковыми расстояниями называют отношение  расстояния между осями ветвей к диаметру проволоки (h/d)

      α_с - коэффициент, учитывающий величину приведенного коэффициента излучения нагреваемого изделия С_пр; α_с=1.05;

      α_р- коэффициент, зависящий от отношения А_изд/А_ст; α_р=0.95. 

 

Мощность  одной фазы: 

 

      где: m- число фаз; m=3

              n- число параллельных зигзагов на фазу; n=2. 

 

      Диаметр нихромовой проволоки для нагревателей: 

 

где: ρ_т- удельное сопротивление нихрома при температуре 1100 ⁰С;

ρ_т=1.13 ;