Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Электропечь сопротивления барабанная СБЗ-3.19/10

Введение

Актуальными в настоящее время являются вопросы повышения надёжности и долговечности машин, приборов, установок, повышение их качества и эффективности работы, а, следовательно, вопросы экономии металлов, борьбы с коррозией и износом деталей машин. Роль этих проблем в долговечности машин и механизмов, приборов и других особенно возросла в настоящее время, так как развитие большинства отраслей промышленности (авиационная, ракетная, теплоэнергетика, атомная энергетика, радиоэлектроника и др.) связано с повышением нагрузок, температур, агрессивности сред, в которых работает деталь. Решение этих проблем прежде всего связано с упрочнением поверхностных слоёв изделий. Одним из распространённых методов является закалка и отпуск.

Закалку выполняют в печах: барабанных, камерных, муфельных, односадочных и проходных (непрерывного действия), шахтных.

Барабанные печи эксплуатируются уже много десятилетий. Конструктивно они практически не изменились со времени выдачи патента Махлету в 1910 году.

Барабанная печь - промышленная печь цилиндрической формы с вращательным движением вокруг продольной оси.

Барабанные печи применяют для термической обработки мелких изделий (гильзы, колпачки, шарики, ролики, небольшие кольца винты и т.д.), не повреждаемых при нагреве во вращающемся барабане. По окончании цикла термообработки барабан при помощи соответствующих приспособлений наклоняют, и все детали высыпаются в бак или в приемную емкость, после чего барабан загружают следующей партией изделий.

Печи этого типа – как пламенные, так и электрические – предназначены для обработки изделий в искусственной атмосфере. Роль муфеля выполняет барабан. В барабанных печах обеспечивается высокое и стабильное качество обработки в результате непрерывного перемешивания обрабатываемых деталей; благодаря этому, а также некоторым другим преимуществам эти печи все шире внедряются в мировую практику.

1 Описание и условия работы печи

Для нагрева под закалку различных мелких деталей, а также деталей шарикоподшипников и роликоподшипников на заводах изготовляют механизированные газовые и электрические барабанные муфельные печи. Газовые и электрические печи могут быть непрерывного или периодического действия. Принцип работы барабанных печей непрерывного действия заключается в том, что детали подлежащие термообработке, поступают в барабан со шнековым устройством для продвижения. На выгрузочной стороне барабана имеется отверстие, через которое нагретые детали высыпаются в специальный рукав, а оттуда в закалочный бак или приемную емкость. Газовые барабанные печи имеют индексы ТБЗН (с защитной атмосферой непрерывного действия) и ТБЗП — периодического действия. В печах периодического действия загрузка и выгрузка производятся одновременно. В этом случае барабану не требуется шнековых направляющих.

По окончании цикла термической обработки барабан при помощи соответствующих приспособлений наклоняется, и все детали высыпаются в бак или приемную емкость. Нагрев печей производится природным газом, а также мазутом. Печи оборудуются рекуператорами для подогрева воздуха. При использовании газа среднего давления с применением инжекционных горелок воздух не подогревают и рекуператоры не устанавливают. Продукты горения отводятся под зонт и далее в вытяжную систему. Кладка выполнена из шамотного легковесного и диатомитового кирпича или с теплоизоляционной засыпкой и заключена в сварной механический каркас с обшивкой из листовой стали. Печи устанавливают на фундамент. Муфель печи и шнековое устройство изготовляют из жаростойкой стали. Печи типа ТБЗН могут входить в состав закалочно-отпускных или цементационных агрегатов.

Большее распространение получили барабанные электрические печи, которые имеют индекс СБЦ и СБЗ — с цементационной и с защитной атмосферами, СБО — для низкого отпуска. В закалочных печах СБЗ используется защитная атмосфера. В печах СБЗ и СБО обрабатывают детали весом до 2 кг, время пребывания деталей в этих печах от 1 до 1,5 ч, производительность от 15 до 240 кг/ч. В печах для цементации СБЦ детали весом до 2 кг находятся в печи от 10 до 25 ч. Производительность при одном барабане 5—8 кг/ч, при двух барабанах 10—25 кг/ч. При обработке деталей в этих печах во время транспортирования их по шнековому барабану они могут получать забоины.

Преимущества барабанных ЭПС в сравнении с другими ЭПС не-прерывного действия состоят в том, что они имеют сравнительно высо-кие технико-экономические показатели из-за отсутствия затрат теплоты на нагрев вспомогательных транспортных средств; легко встраиваются в автоматические и поточные линии; не требуют каких-либо допол-нительных транспортных приспособлений; легко герметизируются и тем самым приспособлены для использования их с контролируемыми атмо-сферами; в этих ЭПС обеспечивается высокое качество термообработки, так как благодаря непрерывному перемешиванию все детали находятся в одинаковых температурных условиях.

Недостатки барабанных печей: сложность изготовления жароупорного барабана, что ограничивает максимальную рабочую температуру печи до 900°С. Также возможно использование печи только для деталей круглой или близкой к круглой формы, для которых не страшны соударения с другими деталями при перемешивании внутри барабана, так как это не приведет к порче поверхности деталей.

Барабанные ЭПС используются в поточных линиях для комплексной обработки изделий. Так, широкое применение нашли закалочно-отпускные и цементационно-закалочно-отпускные агрегаты.

В России и странах СНГ производятся барабанные ЭПС

Электропечь сопротивления барабанная СБЗ-3.19/10

Электропечь - сопротивления барабанная СБЗ-3.19/10 (рисунок 1) наклонная периодического действия предназначена для термической и химико-термической обработки мелких деталей.

Барабанная муфельная электрическая печь применяется под закалку мелких деталей. В печи размещены горизонтальный цилиндрический муфель 3 из жаропрочной стали, имеющий на внутренней поверхности спиральные витки для транспортировки нагреваемых изделий. Муфель приводится во вращение электродвигателем через зубчатую и червячную передачу и коробку скоростей. Червячное колесо насажено на оттянутый разгрузочный конец муфеля. Детали загружаются в бункер 1, который соединен трубой с вращающимся барабаном. При открытой задвижке изделия по трубе поступают в барабан, захватываются вращающимся вместе с барабаном загрузочным ковшом и пересыпаются в лоток муфеля. Подачу изделий в муфель регулируют изменением угла наклона ковша. В муфель может подаваться защитный газ. Барабанную печь устанавливают непосредственно на закалочный бак 7, куда нагретые изделия поступают по трубе у разгрузочного конца муфеля. В баке изделия проходят по ряду наклонных лотков и после охлаждения выдаются из бака шнековым транспортером . Мощность печи 70 квт, максимальная рабочая температура 920 ˚С. Муфель имеет следующие рабочие размеры: диаметр 275 мм, длина 1900.Технические данные барабанной печи типа СБЗ-3.19/10 приведены в таблице 1.

Таблица 1. Технические характеристики печи СБЗ-3.19/10

Установленная мощность, кВт	70
Масса садки, кг	150
Размеры рабочего пространства, мм: активная длина муфеля	1900
Диаметр муфеля, мм (внутренний)	275
Номинальная температура, °С	920
Среда в рабочем пространстве	контролируемая
Напряжение питающей сети, В	380
Частота, Гц	50
Число фаз	3
Расход газа, м³/ч	3

Электропечь состоит из следующих основных узлов: механизма загрузки, камеры нагрева, закалочного бака.

Механизм загрузки предназначен для периодической загрузки барабана электропечи деталями. Механизм включает в себя загрузчик, выполненный по типу скипового подъемника и механизма открывания (закрывания) пробки барабана, расположенные на общей сварной раме, не связанной с электропечью.

Камера нагрева состоит из барабана, кожуха, футеровки, нагревательных элементов. Барабан является наиболее ответственной частью электропечи. Во внутренней полости барабан имеет ребра, расположенные вдоль образующей цилиндра для лучшего перемешивания деталей. Загрузка и выгрузка происходят с одной стороны барабана. Вращение барабана осуществляется электромеханическим приводом, установленным на кожухе электропечи.

Кожух электропечи цилиндрической формы со съемными торцевыми фланцами и передней стенкой (для удобства футеровочных работ). Во фланцах устанавливается арматура выводов нагревателей, опорные ролики барабана и два кронштейна для фиксирования положения электропечи.

Сверху в кожухе предусмотрена арматура термопар. По бокам кожуха имеются цапфы для соединения с валами опорных стоек.

Для футеровки используется фасонный кирпич, уложенный в перевязку. На выполненный из металла корпус промышленной печи в зонах испарения, подогрева и охлаждения наносят слой цементной подмазки, на который укладывается специальный огнеупорный кирпич. Сверху вся конструкция покрывается асбозуритовой подмазкой, затем укладывается основной слой кирпича. Футеровку вращающихся печей ведут продольными рядами. Материал укладывают плашмя (целый кирпич). Поперечные швы смежных рядов перевязываются специальным перевязочным кирпичом, уложенным в начале и конце каждого продольного ряда. Пороги выкладываются кольцами. Среди наиболее подходящих для футеровки вращающихся печей материалов можно выделить шамотовый и хромомагнезитовый кирпич. Впрочем, эти огнеупоры плохо противостоят механическому износу. Поэтому кладку выполняют в два слоя: для первого берут легковесный шамотовый кирпич, для второго хромомагнезитовый.

Нагрев осуществляется проволочными зигзагообразными нагревателями, установленными вдоль образующих цилиндра камеры нагрева. Питание нагревателей от сети 380 В. Закалочный бак состоит из барабана с приводом, скипового подъемника для выгрузки деталей и блока электронагревателей для подогрева закаливающей жидкости. В баке установлены сигнализатор уровня и термометр сопротивления для измерения и контроля температуры жидкости в баке. Подача технологического газа в барабан осуществляется со стороны, противоположной загрузке (выгрузке).

Рисунок 1 – Барабанная печь для закалки

1 - загрузочное устройство; 2 - крышка; 3 - муфель; 4 - нагревательные элементы; 5 - кожух; 6 - футеровка; 7 - закалочный бак; 8 - место отвода масла; 9 - место подвода масла; 10 - патрубок для подвода воды; 11-место отвода воды; 12 - место слива масла

Расчет времени нагрева деталей и определение производительности печи для закалки СБЗ-3.19/10.

Для расчета приняты следующие условия:

температура закалки 900ºС;
закалке подвергаются болты с шестигранной головкой, изготовленные из стали 40Х;
печь работает периодически (35 мин).

Болты с шестигранной головкой загружаются в печь. Вес одной детали составляет 2 кг. Вес садки 150 кг.

Количество одновременно загружаемых деталей находим из формулы

G = g·n (2.1)

где G – вес садки, g – вес одного винта,кг; n – количество одновременно загружаемых деталей.

n = G / g = 150 / 2 = 75 (2.2)

Определяем критерий Bi для деталей

=(2.3)

где S – радиус детали, м; * – коэффициент теплопроводности стали, принят равным 26,7 ккал/м·час·°С; α – суммарный коэффициент теплопередачи, принят равным 15.2 ккал/м²·час·°С.

(2.4)

(2.5)

где - степень черноты обработанной стали, принимаем равной 0,35; - степень черноты огнеупорной кладки, принимаем равной 0,75; - поверхность металла, воспринимающего тепло, м²; - внутренняя поверхность печи, м².

(2.6)

(2.7)

Так как Bi 0,25, время нагрева заданных деталей можно рассчитать по формуле нагрева тонких тел, т. е.

(2.8)

Так как коэффициент укладки , время нагрева получается равным 17 мин. Время выдержки при закалке составляет 4 мин. Время загрузки и выгрузки принимаем 12 мин. Таким образом, полный цикл процесса – время нагрева деталей, продолжительность выдержки (закалки) и время на загрузку и выгрузку деталей составляет:

(2.9)

Производительность будет:

(2.10)

2. 1 Тепловой расчет печи

Для расчета приняты следующие условия:

температура закалки 900°С;
закалке подвергаются болты с шестигранной головкой из стали 40Х;
печь работает периодически (цикл 35 мин).

Мощность печи вычисляется из формулы:

(2.1.1)

где К – коэффициент запаса мощности, учитывающий падения напряжения в сети (К=1,4 - 1,5 – для печей периодического действия).

Расход тепла в печи равен:

(2.1.2)

где - полезное тепло на нагрев металла, Вт; - потери тепла теплопроводностью, Вт; - потери тепла с коротким замыканием, Вт.

Для теплового расчета и определения мощности печи необходимо знать коэффициенты теплопроводности материалов кладки и деталей.

Футеровка боковых стенок и пода печи выбирается трехслойной.

В качестве первого огнеупорного слоя применяем шамот легковесный ШЛ-0,9 (шамотные кирпичи нормальных размеров 230х115х75).

Толщина слоя 75 мм.

В качестве второго теплоизоляционного слоя применяем кирпич диатомитовый Д-500 (прямые кирпичи нормальных размеров 230х115х75). Толщина слоя 75 мм.

В качестве третьего теплоизоляционного слоя используем минеральную вату. Толщина слоя 60 мм.

Футеровка свода печи выбирается двухслойной.

В качестве первого огнеупорного слоя применяем шамотно-волокнистую плиту ШВП-550.

Толщина слоя 100 мм.

В качестве второго теплоизоляционного слоя применяем каолиновую вату.

Толщина слоя 200 мм.

Основные характеристики применяемых футеровочных материалов приведены в табл.2.

Таблица 2. Основные характеристики применяемых футеровочных материалов.

Материал	Огнеупорность	Плотность кг/м³	Максимальная температура применения,	Коэффициент теплопроводности Вт/м⁰С
Шамот легковесный ШЛ-0,9	1670-1740	900	1270	λ_ШЛ= 0,116+0,23310^-3 ^t_ср -0,00910^-6 ^t_ср²
Кирпич диатомитовый Д-500	-	500	900	λ_Д= 0,116+0,23310^-3 ^t_ср
Вата минеральная	-	150	600	λ_М= 0,0582+0,18610^-3 ^t_ср
Вата каолиновая	-	300	1100	λ_К= 0,0523+0,18610^-3 ^t_ср
Кожух печи				.

Тепловые потери.

Потери через стенку.

Стенка состоит из трех слоев: шамота легковесного и диамитового кирпича и минеральную вату (взятые из паспорта).

Площади раздела:

, м² (2.1.3)

(2.1.4)

(2.1.5)

(2.1.6)

(2.1.7)

Средние расчетные площади шамота-легковеса и диамитового кирпича:

(2.1.8)

(2.1.9)

(2.1.11)

Температуру внутренней поверхности стенки принимаем равной 950°С, рабочая температура печи 900°С, температура помещения 20°С.

Температуру пограничной поверхности между 1 и 2 слоями предполагаем равной . Температуру пограничной поверхности между 2 и 3 слоями °C и температуру наружной поверхности стенки .

Таким образом считаем, что , .

Средние расчеты температуры:

Первый слой

(2.1.12)

Находим коэффициент теплопроводности для шамота, диамитового кирпича и минеральной ваты:

(2.1.13)

(2.1.14)

⁽².1.15)

Коэффициент теплоотдачи наружной поверхности стенки (вертикальной при ).

Тепловой поток через стенку печи:

(2.1.16)

где – принятая толщина слоя шамота – легковеса, диамита, минеральной ваты соответственно, м.

Проверяем температуры кладки печи

(2.1.17)

(2.1.18)

поверхности стенки от рабочего пространства в окружающее пространство.

(2.1.19)

(2.1.20)

где - коэффициент теплоотдачи наружной стенки к окружающему воздуху.

Потери тепла через загрузочное окно.

Расчет потерь луче испусканием производится по формуле Стефана-Больцмана:

(2.1.21)

где - тепловой поток из отверстия; с – коэффициент лучеиспускания, отверстие в печи можно считать за абсолютно черное тело и принять с = 4,9 ; - абсолютная температура рабочего пространства печи; - абсолютная температура среды, окружающей печь; - эффективная площадь отверстия, равная действительной площади .

(2.1.22)

(2.1.23)

(2.1.24)

Коэффициент диафрагмирования Ф зависит от отношений размеров отверстия – диаметра и длины – к толщине стенки, принимаем Ф = 0,75.

Действительная площадь отверстия:

(2.1.25)

Эффективная площадь отверстия:

(2.1.26)

Определяем тепловые потери:

(2.1.27)

Определение общих тепловых потерь по формуле (11): в печь загружаются детали весом 150 кг. Производительность составит Р = 0,002 кг/с.

·(621.9-13.4)=1217Вт (2.1.28)

где - энтальпия при 900; - энтальпия при 20.

(2.1.29)

(2.1.30)

Мощность на нагрев газа принимается равной 1,5 кВт = 1500 Вт.

Таким образом, потребное количество тепла и потребная мощность печи будет:

(2.1.31)

Определяем мощность печи по формуле (2.1.1):

Вт (2.1.32)

Расчетная мощность печи 70 кВт. Мощность установленной печи СБЗ-3.19/10 72,2кВт, что практически соответствует.

Следовательно установленная печь для закалки выбрана правильно.

2.2 Электрический расчет печи

Находим рабочую температуру нагревателей по формуле:

(2.2.1)

Выбираем сплав нихром Х20Н80 с предельной температурой 1100 .

Основные характеристики сплава приведены в табл.3.

Таблица 3. Основные характеристики сплава Х20Н80

Рабочая температура, ^оС	1050
Максимально допустимая температура,^оС	1150
Удельное электрическое сопротивление при 1000^оС,	1,12

Никельсодержащие сплавы обладают лучшей пластичностью, жаропрочностью, термостойкостью, устойчивостью к вибрациям по сравнению с безникелевыми. У нагревателей из сплавов на основе никеля больше срок службы и отсутствует крип, но их применение ограничено из-за дороговизны.

Так как установленные мощности зон печи невелики, то можно предположить, что материалоемкость нагревателей печи также невелика. Следовательно, дороговизна не является основным показателем качества при выборе материала нагревателей.

При вращении двигателя, вращающего барабан, на нагреватели через корпус печи передаются вибрации. Так как никельсодержащие сплавы обладают лучшей устойчивостью к вибрациям, то выбор материала нагревателей оправдан.

Удельное электрическое сопротивление нагревателя при рабочей температуре

=1.24· (2.2.2)

По рисунку 2 - допустимые удельные поверхностные мощности идеальных нагревателей для нагрева материалов с разной степенью черноты, соответствующему ε_м=0,45 (нагрев стали в защитной атмосфере), находим удельную мощность идеального нагревателя, принимаем температуру изделия равной 900⁰С, тогда ω_ид=27 кВт/м²

Рисунок 2 – Допустимые удельные поверхностные мощности идеальных нагревателей для нагрева материалов с степенью черноты ε=0,45

Нагревательные элементы в рассматриваемой печи располагаются на стенах рабочего пространства. Относительная мощность стен несущих нагреватели, равна

(2.2.3)

где N – мощность нагревателя, приходящаяся на данную стенку, кВт; F_ст – площадь поверхности стены, на которой расположены нагреватели, м².

В соответствии с полученным значением относительной мощности стен, несущих нагреватели, выбираем проволочный зигзагообразный нагреватель.

Проволочный зигзагообразный нагреватель

При нагреве стали в защитной атмосфере при использовании проволочного зигзагообразного нагревателя α=0,465.

Тогда

(2.2.4)

Поскольку питание печи производится трехфазным током с линейным напряжением U_c=380 В, то мощность, приходящаяся на одну фазу, составит N_ф=N/3=72,2/3=24,1 кВт.

Зная мощность печи или зоны N кВт, напряжение питающей сети U, В, удельное сопротивление выбранного нагревателя р, Ом∙м, находим геометрические размеры нагревателя.

Диаметр проволки

0,011 м (2.2.5)

Длина нагревателя

348,8 м (2.2.6)

Таким образом, была рассчитана электрическая барабанная печь сопротивления для болтов с шестигранной головкой.

Заключение

В ходе выполнения данной курсовой работе была рассмотрена и рассчитана электропечь сопротивления типа СБ3. Данная печь предназначены для проведения термической обработки в диапазоне температур 750ºС-950ºС в условиях контролируемой атмосферы. Была рассчитана мощность, потери тепла через стенку печи, потери тепла на тепловые короткие замыкания, продолжительность нагрева в печи и другие расчеты. По расчетам, мощность печи равна 70кВт, что практически совпадает с данными паспорта (72,2 кВт). Это говорит о том, что расчеты были сделано верно.

Список литературы

Мастрюков Б. С. Расчеты металлургических печей - М.: Металлургия, 1986.
Вишняков Д. Я. Оборудование, механизация и автоматизация в термических цехах, 1964.
Оверин С. И. Расчеты нагревательных печей – Киев: 1969.
Рустем С. Л. Оборудование термических цехов – М.: Машиностроение, 1971.
Соколов К. Н. Оборудование термических цехов – Киев: Высшая школа, 1984.