Нагрев и нагревательные устройства

Аннотация

Курсовая работа содержит 28 страниц пояснительной записки, 1 страницу спецификации, 1 рисунок.

Графическая часть на 1 листе формата А2 , на 1 листе А4.

КУЗНЕЧНАЯ ПЕЧЬ, КАМЕРНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПЕЧЬ СОПРОТИВЛЕНИЯ С ВЫДВИЖНЫМ ПОДОМ, ЗАГОТОВКА,НАГРЕВ, ПРОВОЛОЧНЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ.

Разработан проект электрической печи для нагрева заготовок под пластическую деформацию.

Произведен полный расчет размеров печи и теплового режима нагрева заготовок.

 

Оглавление

Введение.....................................................................................5

Назначение и принцип работы печи:.....................................8

-индекс проектируемой печи.......................................................8

-условия эксплуатации................................................................9

-технические характеристики....................................................10

-состав установки печи..............................................................10

-основные технические  решения..............................................10

Исходные данные....................................................................13

Основные расчеты..................................................................14

-рабочее пространство  печи и его размеры............................14

-теплообмен в камерных  печах................................................14

-тепловой расчет печи...............................................................15

-мощность печи..........................................................................18

-электрический расчет  печи......................................................21

-выбор материала элементов  конструкции печи....................23

-разработка конструкции  камерной электропечи....................25

Заключение...............................................................................27

Список используемой литературы......................................28

 

 

 

 

 

 

 

Введение

В кузнечных цехах нагревательные печи используют для нагрева под пластическую деформацию и под термическую обработку. Термическая обработка является одним из наиболее действенных и распространенных способов получения необходимых свойств и параметров металлов и сплавов. Она используется  в качестве промежуточной операции для улучшения обработки давлением или резанием , а также как конечная операция для придания металлу или сплаву таких  свойств как-механических,физических,химических и т.д. , которые помогут обеспечить необходимые заданные эксплуатационные характеристики изделия. Кузнечные нагревательные печи для нагрева заготовок, слитков или блюмсов из черных и цветных металлов под ковку, прессование, штамповку, высадку, гибку и печи для термической обработки деталей, улучшающей их свойства, работают при 150о-1300о С. Требования, к современным печам:

1) обеспечение необходимой температуры и режима нагрева;

2) высокая тепловая экономичность с полным сжиганием топлива и максимальным коэффициентом полезного действия;

3) упрощенная конструкция и минимальные габаритные размеры, которые обеспечивают, нагрев изделий при различных режимах и с высокой производительностью;

4) механизация и автоматизация загрузки и выгрузки изделий, а также их продвижение в печи, что увеличивает её производительность, облегчает обслуживание и позволяет устанавливать в общем производственном потоке цеха или в поточных автоматических линиях;

5) автоматическое регулирование теплового режима, обеспечивающее более точное соблюдение заданного режима по сравнению с ручным регулированием;

6) удобство обслуживания при эксплуатации и ремонте;

7) применение защитной контролируемой атмосферы для получения без окислительного нагрева металла.

Данным требованиям в первую очередь удовлетворяют электрические и газовые печи, работающие на природном газе и получившие преимущественное применение в кузнечно-термических печах. При нагреве стали под пластическую деформацию температура печи должна быть не ниже 1250о С. В кузнечных печах эту температуру наиболее просто достигнуть при использовании высоко калорийного топлива с высокой теоретической температурой горения.

 Для получения рабочей температуры 1200о-1250оC теоретическая температура горения топлива должна быть для камерных печей не ниже 1850о С, для методических толкательных – не ниже 1700оС, такие температуры можно получить при сжигании низкокалорийного топлива, используя подогретый воздух.

В печах, где происходит интенсивная циркуляция газов, изделия нагреваются равномерно. Более высокие требования по равномерности нагрева предъявляют к печам для нагрева изделий и заготовок из лёгких сплавов. В этих случаях максимальная разность температур в различных точках изделия не должна превышать 100С. Перепад температур определяют термопарами, помещёнными в нескольких точках нагреваемого изделия. Чем совершеннее конструкция печи, тем меньше перепад.

 

 

Назначение и принцип работы печи

Нагревательные камерные электропечи сопротивления с выдвижным подом используются для нагрева слитков или крупных заготовок под ковку с конечной температурой нагрева 1100о – 1300о С. Загрузка на под и съем заготовок осуществляются обычно с помощью мостовых кранов.

Общие сведения:

            Электропечь сопротивления камерная  с выдвижным подом предназначена  для термообработки изделий в  воздушной атмосфере. При использовании  выдвижного пода облегчается  разгрузка-загрузка изделий, более  полно используется объем рабочего  пространства; возможно применение  грузоподъемных устройств для  загрузки тяжелых изделий;  
экономится остаточное тепло. Электропечи с выдвижным подом в 1,5-2,5 раза производительней и на 10-15% экономичнее обычных камерных электропечей равного объема.

Проектируемой печи присвоим следующий индекс:

СДО400/12-И1 УХЛ4: 

C- нагрев с сопротивлением; 

Д- камерная печь с выдвижным подом;

О- среда в рабочем пространстве окислительная(воздух);

400- объем рабочей камеры, л;

12- номинальная температура, сотни о С;

И1- порядковый номер исполнения;

УХЛ4- климатическое исполнение и категория размещения по ГОСТ 15150-69.

Условия эксплуатации:

   Высота над уровнем моря не более 1000 м.

   Температура окружающей среды от 5 до 35оС .

   Относительная влажность окружающего воздуха не более 80% при 25оС.

   Окружающая среда невзрывоопасная, не содержащая токопроводящей пыли, водяных паров и агрессивных газов в концентрациях, вредно действующих на комплектующее оборудование и материалы электропечи.

   При хранении и эксплуатации  электропечь не должна подвергаться  ударам, вибрациям или сотрясениям.

   Электропечь соответствует  по технике безопасности ГОСТ  Р50014.1-92.

   Контроль и регулирование  температуры осуществляются прецизионным  программным регулятором с цифровой  индикацией температур. Конкретный  тип регулятора выбирает заказчик.

   Гарантийный срок-1 год со  дня продажи. После истечения  гарантийного срока осуществляется  техническое обслуживание. По желанию заказчика в конструкцию электропечи могут быть занесены изменения. Производится продажа   отдельных элементов электропечей: нагревателей, регуляторов температуры и др..

Технические характеристики:

Технические характеристики
Объем рабочего пространства(V)	400л
Максимальная температура(tmax)	1300оС
Номинальная температура(tн)	1200оС
Установленная мощность(N) Количество фаз(число)	30кВт 3
Напряжение(U) Время разогрева незагруженной электропечи до номинальной температуры(T)	380В   140 мин.
Размеры рабочей камеры Габаритные размеры	1710x780x500 мм 2225x1250x975
Масса электропечи	1100 кг
Стабильность температуры в установившемся  тепловом режиме без  садки	Не хуже 2оС

 

 

   Состав установки печи: в установку печи входят рельсовые пути как в печи, так и внешние, механизмы выката пода и подъема заслонок, а также приборы теплового контроля и автоматики.

Основные технические решения: печи данного типа отапливаются природным газом или мазутом, который сжигается с помощью типовых горелок или форсунок.

Для нагрева воздуха, идущего на горение, печи этого типа оборудуются трубчатыми, игольчатыми или радиационными рекуператорами.

Продукты горения отводятся в боров и дымовую трубу, потом в систему цеховых дымопроводов.

Тепловой режим и режим давлений в печах поддерживаются автоматически.

Кладка печей состоит из огнеупорного кирпича (шамотного, шамотного легковесного, диатомового и глиняного или красного), которая заключается в сварной металлический каркас с обшивкой из листовой стали. Печи устанавливаются на специальный фундамент, общий для печи и для рельсовых путей выдвижного пода (внутри печи и вне ее).

В фундаменте предусматриваются приямки для размещения механизмов выкатки пода и для механизмов подъема заслонки.

Подины печей состоят из рамы, сваренной из проката, литой гарнитуры и футеровки из шамотного нормального и легковесного кирпича. Рама подины перемещается на цепях катков.

Механизмы выкатки пода применяются с рейками цевочного типа. В качестве механизмов подъема заслонок применяются типизированные электрические лебедки или гидравлические подъемники.

Данные печи получили широкое распространение для отжига, отпуска и закалки тяжелых деталей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Исходные данные

Исходные данные для расчета следующие:

1.Вид термообработки-нагрев под  закалку;

2. Нагреваемые изделия: пуансоны  длинойL=365 мм, шириной B=144 мм, высотой H=106 мм;

3. Марка стали: У10А;

4. Способ укладки заготовки –  на поду печи с зазорами  между заготовками равны половине толщины заготовки;

5. Количество заготовок: 6 шт;

6. Начальная температура металла  – t0 = 180C;

7. Конечная температура нагрева  поверхности заготовки – tп.к. = 7800С;

8. Производительность печи – Р = 0,014 кг/сек;

9. Средняя теплоемкость –  ;

10. Коэффициент теплопроводности  –  ;

Печь питается от сети трехфазного тока напряжением 380 В.

 

 

 

 

Основные расчеты

1.Рабочее пространство печи и его размеры:

Основными элементами(узлами) данной камерной печи сопротивления являются: кожух, футеровка, рабочее пространство, дверца с механизмом подъёма испуска.

Для данной печи при двустороннем нагреве изделий напряжение активного пода равно: 0,140 – 0,195 кг/(м2*с) (500 – 700кг/(м2*ч)). Принимая находим площадь пода, занятую металлом : м2.

Заготовки располагаются на поду печи в два ряда с зазорами, равными половине толщины заготовки.

Длина рабочего пространства печи: .

Ширина рабочего пространства печи: .

Высота рабочего пространства: .

2. Теплообмен в камерных электропечах:

Электрические печи широко распространены в промышленности. Значительную роль в работе печей играет теплопередача к поверхности нагреваемого металла(внешний теплообмен). Этот процесс получается из теплообмена излучением или конвекцией. Как излучение ,так и конвекция протекают в соответствии с физическими законами, определяющими эти процессы.

Теплообмен конвекцией зависит от температуры и от скорости перемещения воздуха. Стремясь усилить конвекцию, прибегают к интенсификации движения воздуха.

Передача тепла излучением к поверхности нагреваемого материала в электрических печах зависит от очень многих факторов. Все компоненты теплообмена в рабочем пространстве печей характеризуются излучением, отличающимся от излучения серого тела и имеют спектральные характеристики, изменяющиеся с изменением длины волны.

3. Тепловой расчет печи

При двустороннем нагреве площадь тепловоспринимающей поверхности металла равна: м2

и теплоотдающей поверхности печи: м2.

Учитывая, что степень черноты футеровки равна εп=0,8, а степень черноты стали в защитной атмосфере εм=0,45, находим:

 

.

 

Средний коэффициент теплоотдачи излучением находим по формуле:

 

 

 

Принимая коэффициент теплоотдачи конвекцией равным αконв=11,63 Вт/(м2*К), находим значение суммарного коэффициента теплоотдачи к металлу:

Критерий Био равен:

,поэтому нагреваемые  заготовки можно считать теплотехнически  тонкими телами.

Температурный критерий для поверхности заготовок:

.

Исходя из номограммы находим величину критерия Фурье Fо=10. Коэффициент температуропроводности, входящий в критерий Фурье, равен:

 

Продолжительность нагрева заготовок в печи определяем по формуле Старка:

Исходя из номограммы находим температурный критерий для центра нагреваемых заготовок: при Вi=0,28 и Fo= 10 θцентр=0,09 и .

Температурный перепад по сечению заготовки равен: ,что не превышает заданного значения.

Уточняем основные размеры печи. Для обеспечения заданной производительности в печи должно одновременно находиться следующее количество металла: .

Учитывая, что масса одной заготовки равна g=45 кг, найдем число заготовок, одновременно находящихся в печи ,но в данном случае мы принимаем число заготовок равным 6,потому что укладываются по 3 в 2 ряда,т.е. для симметрии.

При плотной укладке на под 6 заготовок занимают площадь

Напряжение пода равно: .

Заготовки на поду располагаем в 2 ряда ,в каждом из них по 3 заготовки.

4. Мощность печи

Мощность печи вычисляем по формуле:

Коэффициент запаса принимаем равным К=1,4. Расход тепла в печи равен

,

где Qпол – полезное тепло, затраченное на нагрев металла;

Qтепл – потери тепла теплопроводностью через кладку;

Qт.к.з – потери тепла на тепловые короткие замыкания.

Расход тепла на нагрев металла в печи равен:

.

Потери тепла теплопроводностью через кладку печи при стационарном режиме работы определяем по формуле:

принимая, что температура внутренней поверхности футеровки равна 850 0С, а температура наружной поверхности 1750С. При этой температуре α равен : ,

следует: .

Коэффициенты теплопроводности материалов вычисляем по формулам:

;

Принимая в первом приближении линейное распределение температуры по толщине футеровки, найдем температуру на границе раздела слоев:

.

Коэффициенты теплопроводности материалов слоев равны:

;

.

Находим стационарное тепловое состояние:

.

Температура окружающего воздуха принята равной tок=180С.

Уточним значение температуры на границе раздела слоев футеровки, используя формулу:

.

Температура наружной поверхности футеровки:

.

Cледует:

Поскольку величины плотностей теплового потока отличаются друг от друга на 100%*(598,9-533,3)/598,9=11%, дальнейшего уточнения проводить не будем.

С учетом принятой толщины стен, найдем площадь наружной поверхности футеровки: .

Потери тепла теплопроводностью через кладку печи равны:

.вижной под

Потери на тепловые короткие замыкания принимаем равными 70% от потерь тепла теплопроводностью через кладку: .

Общий расход тепла в печи: .

Тогда мощность печи: .

5. Электрический расчет печи

Нагревательные элементы:

Принимая рабочую температуру нагревательных элементов равной:

.

Выбираем сплав Х15Н60, для которого рекомендуемая рабочая температура составляет 900 0С. Удельное сопротивление сплава при рабочей температуре: .

Находим удельную мощность идеального нагревателя:

.

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

.

Где N – мощность нагревателя, приходящаяся на данную стенку, 30кВт;

Fст – площадь поверхности стены (свода, пода), на которой расположены нагреватели, м2:

Fст = 2*1,71*0,5+2*1,71*0,78+0,78*0,5=4,77 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 = 0,49.

Тогда .

Поскольку питание печи производится трехфазным током с линейным напряжением Uс=380 В, то мощность, приходящаяся на одну фазу, составит: Nф=N/3=30/3=10 кВт.

Следует:Uф=Uс=380 В.

Зная мощность печи или зоны N кВт, напряжение питающей сети U, В, удельное сопротивление выбранного нагревателя ρ, Ом*м, находим геометрические размеры нагревателя:

диаметр ;

длина .

6. Выбор материала элементов конструкции печи

В термических цехах при серийном производстве для нагрева деталей испоьзуют камерные электрические печи сопротивления с выдвижным подом.

Камерные печи предназначены для нагрева изделий под закалку, требующих нагрева изделий до температуры 1000 0С.

Печь возводится на фундаменте, служащем для равномерного распределения на грунт от массы печи. Фундамент печи выполнены из бетона и железобетона. Поверх фундамента выкладывается выстилка, которая является основанием для дальнейшей кладки печи. Толщина кладки печи в 2 кирпича.

Основными узлами камерных печей являются кожух, футеровка, рабочее пространство, нагреватели, дверца с механизмом подъёма и опускания. Кожух печей герметичный, сварен из листовой и профильной стали.

Внутренние части топки, пода, стен, свода и других частей печи, нагревающихся до высокой температуры. Стены и свод печи выложенные из шамота-легковеса и диатомитового кирпича. Свод выполнен арочным из шамота.

Подовая плита выполнена из жаропрочного стального литья, в целях безопасности соединена с кожухом печи стальной жаропрочной полосой.

Загрузка и выгрузка обрабатываемых деталей в печах может быть механизирована, для чего в футеровке пода имеются специальные пазы для перемещения в них захватов механизмов загрузки – разгрузки.

Лучшим источником тепла для термических печей является электроэнергия, которая обеспечивает высокую точность и равномерность нагрева изделий, высокий к.п.д. печи, удобство эксплуатации и надежность автоматизации печей.

Недостатки электронагрева: большая стоимость электроэнергии по сравнению со стоимостью эквивалентного количества угля мазута и особого газа; сложность изготовления, комплектации и эксплуатации оборудования.

7. Разработка конструкции камерной электропечи

Камерная электропечь сопротивления с выдвижным подом необходима для нагрева стальных изделий до температуры 10000С в защитной среде под закалку или отжиг. Основные элементы конструкции следующие:

1-Рабочая камера;

2-Нагреватели;

3-Дверца;

4-Тележка;

5-Пульт управления тепловым режимом.

 

 

 

Электропечь состоит из двух частей: собственно камеры и выдвижной тележки(пода). Рабочая камера представляет собой металлический кожух, футерованный огнеупорной ватой МКРР-200. Свод выполнен подвесным. Нагреватели проволочные из железохромоалюминиевых сплавов, расположены на боковых, задней стенках и на дверце. На опроных стойках камеры установлены боковые направляющие для тележки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

        В данной курсовой работе был произведен расчет камерной электропечи сопротивления с выдвижным подом.

Мною был осуществлен расчет следующих параметров печи:

1.  Рабочее пространство  и его размеры;

2.  Теплообмен в камерной электропечи;

3.  Тепловой расчет  печи;

4.  Мощность печи;

5.  Электрический расчет печи;

6.  Выбор материала элемента конструкции печи;

7.  Разработка конструкции  камерной электропечи.

В результате расчетов были получены следующие данные: длина рабочего пространства L=1,71 м, ширина: B=0,78 м, высота рабочего пространства:H=0,5 м. Мощность камерной электропечи равна:N=30кВт.

В соответствии с полученным значением относительной мощности стен,несущих нагреватели, был выбран проволочный из железохромоалюминиевого сплава нагреватель.

 

 

 

Список используемой литературы:

1. Мастрюков Б.С. «Теория, конструкции и расчеты металлургических печей»-М.: Машиностроение, 1990.-304с..

2. Зимин В.В., Сосенушкин Е.Н. «Нагрев  и нагревательные устройства  для обработки металлов давлением»: Лабораторный практикум.-М.: МГТУ «СТАНКИН», 1996.-69с. ил..

3. Марочник сталей и сплавов. 2-е изд.. Под редакцией А.С. Зубченко. М.: Машиностроение, 2003.-784с..

4. Ульянов В.А., Гущин В.Н., Чернышов Е.А. «Нагрев и нагревательные кстройства»: учебное пособие для студентов вузов. Издательство: АКАДЕМИЯ ИЦ, 2010г.-256с..

5. Колмогоров В.Л. «Механика  обработки металлов давлением»-М.: Металлургия ,2006.-689с..

6. Околович Г.А. «Нагрев и нагревательные устройства»: Учебное пособие.-Барнаул: Издательство АлтГТУ,2010.-172с..

7. Попов А.Г. «Тепловое ограждение нагревательных и тремических печей»: Учебное пособие.-Ульяновск:ГТУ,2006.-34с..

8. Колбасников Н.Г. «Физические  основы пластической деформации»,М.: Высшая школа,2003.-134с..