НАГРЕВ И НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
РАСЧЕТ И ВЫБОР ПЛАМЕННЫХ ПЕЧЕЙ ДЛЯ НАГРЕВА ПРУТКОВ И ЗАГОТОВОК ПОД ОБЪЕМНУЮ ШТАМПОВКУ
Направление подготовки (специальность): 150700 Машиностроение Профиль подготовки: Машины и технология обработки металлов давлением
Квалификация выпускника: бакалавр.
Форма обучения: очная и заочная.
Тула 2012 Методические указания по выполнению курсовой работы составлены доцентом Платоновым В.И. и обсуждены на заседании кафедры Механики пластического формоизменения Механико-технологического факультета, протокол № _____ от _____________ 201____ г.
Зав. кафедрой _________________ С.С. Яковлев
I. ВВЕДЕНИЕ
Нагрев металла перед ковкой и штамповкой является одной из основных операций технологического процесса горячего формообразования. От способа и режима нагрева зависят качество поковок, расход металла и топлива, стойкость рабочего инструмента и санитарно-гигиеническое условия труда в кузнечных цехах. Нагрев предопределяет также производительность процессов обработки и мощность потребного кузнечно-прессового оборудования, поскольку при нагреве металл становится пластичнее и его сопротивление деформированию понижается. Кроме того, сочетание определенного для нагрева данного металла режима нагрева с соответствующей степенью деформации при пластической обработке позволяет получать более мелкозернистую и однородную структуру поковки и тем самым повысить ее служебные свойства /6/. Нагрев считается качественным, если он проведен по определенному (заданному) режиму, в результате чего получено требуемое распределение температуры по объему заготовки, окисление к обезуглероживание не превышают допустимых значений и при этом не нарушена целостность металла. Снижение угара имеет важное значение с точки зрения уменьшения потерь металла, повышения стойкости инструмента, улучшения качества и точности поковок. Чтобы уменьшить угар, глубину обезуглероженного слоя, применяют малоокислительный и безокислительный нагревы. Режим и способ нагрева устанавливаются в зависимости от марки нагреваемого материала, размеров заготовки, технологических условий на поковки, характера последующей механической и тепловой обработки, серийности продукции и ряда других факторов. В кузнечных цехах применяются принципиально два различных вида нагрева металла: пламенный и электрический. В настоящей методике мы будем рассматривать применение пламенного нагрева. При пламенном нагреве металл нагревается в основном излучением теплоты от раскаленных газов, стенок и свода печи (лишь в незначительной степени конвекцией, т.к. температура в печи обычно выше 1200 °С), а также путем теплопроводности от наружных поверхностей вглубь сечения заготовки. При пламенном нагреве как "средство нагрева" используются печи. По характеру работы они разделяются на 2 группы: периодического и непрерывного действия. В первом случае загрузка, нагрев и выгрузка заготовок производятся периодически, через определенные промежутки времени, во втором случае они могут происходить непрерывно. К средствам нагрева периодического действия относятся печи камерные, печи с выдвижным подом; к средствам нагрева непрерывного действия - механизированные печи и установки: методические толкательные, с вращающимся подом, конвейерные и т.п. Нагревательные установки периодического действия используются, как правило, в мелкосерийном производстве, установки непрерывного действия - в крупносерийном и массовом производстве. Среди пламенных печей, работающих на отечественных заводах, большинство составляют камерные печи. На второе месте стоят проходные печи толкательного типа (методические и полуметодические). Печи кольцевые, секционные и с шагающим подом составляют незначительную часть от общего парка печей.
2. ТЕХНОЛОГИЯ НАГРЕВА МЕТАЛЛА
При нагреве стали происходит обезуглероживание, окисление и газонасыщение поверхности заготовки, существенно изменяются структура, физико-механические и теплофизические свойства, при нагреве материалов, например, алюминиевых, магниевых и титановых сплавов эти явления проявляются также в той или иной степени. Технологически правильно нагреть металл - это значит обеспечить заданный тепловой режим, т.е. прогреть заготовку до установленной температуры с определённой скоростью и обеспечить заданное распределение температуры по объему заготовки. Качество и скорость нагрева зависят от процессов теплопередачи и рабочей камере печи, физико-механнческих и тепло-физических свойств материала заготовки, расположение заготовки на поду печи и др. Производительность печи обычно зависит от скорости нагрева, которую определяет температурный режим в рабочей камере, и в основном - разность температур между греющей средой и металлом, а такте толщина заготовки.
2.1. Теплообмен в печах
Рабочая камера обычной пламенной печи представляет собой замкнутое пространство, ограниченное печными стенками и заполненное раскаленными продуктами горения. Передача тепла в печи осуществляется конвекцией, излучением и теплопроводностью, которые, находясь во взаимодействии, друг с другом, составляют сложный теплообмен (рис. 1.2). Основным видом передачи теплоты на поверхность металла в высокотемпературных пламенных печах является излучение, и его доля составляет 75-90 % от суммарной теплопередачи. В печах скоростного конвективного нагрева, где движение печных газов существенно интенсифицировано, доля конвективной составляющей в переносе теплоты может составлять до 50 %. Теплообмен конвекции имеет решающее значение при температурах ниже 600-700 °С. Распространение тепловой энергии внутри заготовки происходит за счет теплопроводности, которая зависит от интенсивности подвода теплоты к ее поверхности (внешний теплообмен), теплофизических свойств материала и размеров тела (внутренний теплообмен).
2.2. Теплофизические свойства стали
Температурный режим нагрева слитков и заготовок в широком температурном интервале существенно зависит от теплофизических свойств стали (теплоемкости С, коэффициентов тепло- и температуропроводности и . В крупных заготовках (слитках) большое значение имеет также и масштабный фактор, который усиливает неравномерность свойств по сечению.
Рис I. Схема теплообмена в рабочей камере нагревательной пламенной печи: - излучение, - конвекция, - теплопроводность. Рис.2. Схема двухкамерной печи
Теплофизические свойства различных сталей различаются в диапазоне температур 0-750 °С. При более высоких температурах значения теплофизических параметров почти всех сталей сходятся достаточно близко. Теплофизические свойства магниевых, никелевых, алюминиевых и медных сплавов значительно выше, чем у сталей, и поэтому они нагреваются значительно быстрее.
2.3. Температурные условия
Термический режим нагрева заготовки определяется начальным и конечным распределением температур по сечению и характером их изменения во времени. Температурные режимы металлов и сплавов определяются исходя из того, чтобы повысить пластичность, снизить сопротивление деформации, однако при этом не должны произойти структурные изменения, ведущие к ухудшению свойств конечного продукта (поковки и детали), не должны произойти необратимые процессы, которые привели бы к браку деталей. Так, для среднеуглеродистых сталей температурный диапазон определяется по диаграмме Fe – Fe3C и имеет пределы: нижний выше точки A3 на 50...70 °С, а верхний - ниже линии начала плавления (линия АЕ) на 150-200°С /2/. Если превысить предел нагрева стали, то сначала произойдет перегрев металла (рост зерен), который исправляется термообработкой, а затем пережог металла (окисление по границам зерен), т.е. окончательный брак поковок (идут в переплавку). Обычно температурный диапазон нагрева сплавов перед резкой или объемным деформированием определяют по справочникам -/4.7/. С точки зрения максимального повышения производительности печей обычно выгоднее всего вести нагрев с наивысшей, возможно допустимой, скоростью. Однако передача тепла внутрь заготовки происходит не мгновенно, поэтому в заготовке могут возникнуть по сечению растягивающие напряжения, а значит деформации, превышающие пластичность металла при заданной температуре, что приведет к трещинам. Это явление опасно до 500...600 °С, когда сталь еще не обладает достаточной пластичностью. Поэтому для крупных заготовок (слитков) нужен ступенчатый нагрев (до 600...700 °С -медленный, более 700 °С - ускоренный).
2.4. Окисление и обезуглероживание стали
Общий анализ протекания процессов обезуглероживания и окисления стали показывает, что основными факторами, влияющими на эти процессы, являются: температура нагрева заготовок, продолжительность их пребывания при высоких температурах, химический состав окружающей атмосферы и химический состав стали. Процесс обезуглероживания сталей начинается при температурах более 800-850 °С. При нагреве в пламенных печах обычно глубина обезуглероженного слоя составляет 0,2-2 мм, угар - 2-4 %. С целью уменьшения процента угара и величины обезуглероженного слоя применяются скоростной и безокислительный нагревы.
3. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ
По характеру работы нагревательные печи делятся на две основные группы: периодического (камерные) и непрерывного (проходные и методические) действия. Первые применяются в мелкосерийном, индивидуальном производстве, вторые в серийном и массовом производстве. Эти печи отличаются высоким уровнем механизации. В камерных печах нагреваемый металл неподвижен, а при переменном или постоянном температурном режиме температура в каждый момент времени в рабочем объеме печи поддерживается постоянной. В печах непрерывного действия нагреваемый металл перемещается навстречу движению потока греющих газов при определенном распределении температур по длине рабочей камеры печи, разделяемой на зоны. В методических печах в каждом поперечном сечении камеры температура постоянна во времени, в проходных - температура во времени сохраняется постоянной во всем объеме.
3.1. Камерные нагревательные печи
В этих печах на стационарный год загружается порция металла - осадка, которая нагревается до заданной температуры. Основное преимущество печей - их универсальность, что особенно важно для мелкосерийного производства с широкой номенклатурой изделий, простота изготовления и эксплуатация. Эти печи могут применяться и для серийного производства. В этом случае они изготавливаются двухкамерными (рис. 2). Камеры загружаются заготовками поочередно, пока в одной камере металл нагревается, из другой камеры заготовки подаются на штамповку, По характеру теплообмена в рабочем пространстве камерные печи могут быть разделены на печи прямого и косвенного нагрева. Наиболее распространенными являются печи прямого нагрева, в которых продукты горения направляются непосредственно на осадку (загруженные заготовки). Недостатком камерных печей является отсутствие механизации. Загрузка заготовок осуществляется "навалом", процесс загрузки и выгрузки производится вручную. Когда требуется нагревать только часть заготовки (например, при штамповке на ГКМ), применяются щелевые (рис. 3), или очковые стационарные, или вращающиеся печи (рис. 4). Крупные заготовки и слитки обычно нагреваются в камерных печах с выдвижным подом.
3.2. Проходные печи
Более совершенными и современными по сравнению с камерными являются механизированные печи проходного типа, которые используются для серийного и массового производства. С точки зрения температурного режима проходные печи можно разделить на две большие группы: однозонные и методические. В однозонных печах, так же как и в камерных, температура в рабочей зоне постоянна. К печам этого типа относятся печи для нагрева прутков перед резкой, целевые (в отличие от печи на рис. 3, заготовки непрерывно движутся через зону нагрева с помощью какого-либо механизма, расположенного вне зоны печи), Рис.3. Щелевая камерная печь Рис.4. Очковая вращающаяся печь
печи для нагрева тонких заготовок (листов), прутков и т.п. Для нагрева прутков перед резкой применяются печи с подъемношагающими балками (рис. 5) или другими механизмами перемещения (например, толкательные). Температура подогрева прутков из сталей колеблется в пределах 400-700 °С. Ширина печи должна соответствовать максимальной длине прутка. Конвейерные печи для нагрева стальных заготовок до 1200 °С применяются редко из-за низкой стойкости конвейера. Они применяются тогда, когда температура нагрева не превышает 700-850 °С. Широкое распространение в крупносерийном, массовом производстве получили толкательные печи проходного типа с одинаковой температурой по всей камере (однозонные). Они применяются для поковок средней массы (от 5 до 50 кг) (рис. 6). Для заготовок более крупных, особенно из легированных сталей, применяются методические или полуметодические печи, которые позволяют более плавно нагревать заготовки (рис. 7). По способу нагрева методические печи подразделяются на печи с односторонним и двусторонним обогревом. В первом случае заготовки продвигаются вплотную друг к другу по монолитному огнеупорному полу, и нагрев осуществляется только сверху. При двустороннем обогреве (заготовки движутся по охлаждающим трубкам) и сверху, и снизу скорость нагрева увеличивается в 3-3,5 раза. С точки зрения температурного режима методические печи можно разделить на две большие группы: двухзонные и трехзонные (рис.7). Первая по ходу металла зона (методическая) характеризуется повышающейся по ее длине температурой, вторая - зона высоких температур (сварочная) - практически постоянной по длине температурой. Трехзонный режим отличается от двухзонного использованием третьей зоны (зоны томления). В этой зоне температура газов по ее длине одинакова и несколько превышает конечную температуру нагрева металла (обычно на 40-60°С). Двухзонные печи обычно используются для нагрева заготовок до диаметра 100-150 мм при одностороннем нагреве и до диаметра 200-250 им при двустороннем. Сварочная зона занимает в них, как правило, 30 -35 % от общей длины печи. В кузнечных цехах в ряде случаев применяют и двухзонные печи с большей, чем обычно длиной сварочной зоны (60-75 % от длины печи). Такие печи называются полуметодическими. Трехзонные печи используются для нагрева заготовок диаметром более 200-250 мм. Механизация передачи заготовок в методических печах для низких температур (до 850 °С) - конвейерная; для более высоких температур (до 1250 °С): для средних заготовок - толкательная, для крупных – подъемно шагающие балки. Рис.5. Печь с подъемно шагающими балками для нагрева металла перед резкой. Рис. 6. Однозонная толкательная печь
Рис.7. Трехзонная методическая печь
В последнее время все большее применение находят печи с вращающимся подом (карусельные): дисковым (тарельчатым) или кольцевым (рис.8). Эти печи выгодно отличаются от методических своей универсальностью и лучшими качествами нагрева. Нагреваемые заготовки лежат на поду неподвижно и не соприкасаясь друг с другом, что обеспечивает быстрый равномерный нагрев. Механизация загрузки и выгрузки в этих печах достигается с помощью манипулятора или специальных механизмов. Эти печи могут работать как в камерном режиме, когда топливо подается по длине печи равномерно, так и в методическом, при котором расход топлива (и соответственно температура) по зонам распределяется неравномерно. Печи очень компактны. Особенно широкое применение карусельные печи нашли за рубежом.
4. ПЕЧИ СКОРОСТНОГО И БЕ30КИСЛИТЕЛШ0Г0 НАГРЕВА
Эти печи применяются только в случаях для получения особо точных поковок, что объясняется технической сложностью агрегатов.
4.1. Печи скоростного нагрева
Большинство установок базируется на использовании принципа атакующей струи (скоростного - конвективный нагрев). Другая разновидность нагрева - это использование радиационного прямого и косвенного нагрева. Конструкции печей такие же, как описанные выше с соответствующими доработками.
А-А Рис.8. Печь с вращающимся подом
4.2. Печи безокислительного нагрева
Обычно используются печи описанных выше конструкций с применением защитной атмосферы, за счет снижения коэффициента расхода воздуха до 0,5...О,6, а также применения муфелей с защитной атмосферой. Имеются и другие способы.
5. РАСЧЕТ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ НАГРЕВА ЗАГОТОВОК
5.1. Общие положения
Продолжительность нагрева - время, которое необходимо для нагрева слитка или заготовки по заданному режиму, зависит от следующих факторов: 1) марки материала и толщины нагреваемых заготовок (слитков); 2) формы сечения и способа укладки заготовок (слитков) на поду печи; 3) температуры рабочего пространства печи и конечной Материалы с меньшей теплопроводностью требуют большего времени нагрева. При нагреве тонких заготовок разность температур по сечению невелика, что уменьшает возникновение температурных напряжений, которые могли, бы привести к трещинам, а поэтому такие заготовки можно нагревать с той скоростью, которую допускает печь. По мере увеличения толщины заготовки разность температур по сечению возрастает. Чем выше температура печи и меньше теплопроводность стали, тем больше разность температур в нагреваемой заготовке, т.е. одна и та же заготовка при нагреве может вести себя по-разному; при невысокой температуре ведет себя так же, как «тонкая», а при высокой, как «толстая». Для установления границ «тонких» и толстых заготовок пользуются следующей формулой (2): (1) где - коэффициент теплоотдачи, - толщина заготовки, м; - коэффициент теплопроводности, , , определяется для углеродистой стали при температуре 0 0С по формуле
(2)
где C, Mn, S – содержание углерода, марганца и кремния, %.
Затем по таблице 1определяют теплопроводность в зависимости от температуры (можно пользоваться и табл. 1 прил.) /8/.
Таблица 1
При - область "тонких" заготовок, при - область "толстых" заготовок. Между этими значениями - переходная область. На рис. 9 для стали с теплопроводностью представлены графически области "тонких" и "толстых" заготовок в зависимости от температуры печи, и переходной области между ними. Этой диаграммой можно пользоваться для приближенного определения "тонких" заготовок из углеродистой и малолегированной сталей. Расположение заготовок на поду печи также влияет на продолжительность нагрева (рис. 10) -/2,4,7/. Время нагрева расчетное или взятое из таблиц для одиночного расположения заготовок необходимо умножить на этот коэффициент (рис.10) Рис. 9. области тонких и толстых заготовок в печи с постоянной температурой. 5.2. Продолжительность нагрева "тонких" заготовок /2/
При постоянной температуре печи, что имеет место в практике, ее можно определить по формуле: (3)
где - толщина нагреваемой заготовки, м:; при двухстороннем нагреве берут половину толщины , а при одностороннем – полную толщину ; - плотность металла, ; - средняя теплоемкость металла (табл. 2,3,4,5 прил.); - коэффициент формы, равный для плоской заготовки -1, для, заготовки круглого сечения - 2, для шара 3; - температура печи, °С; и - начальная и конечная температуры металла, °С; - коэффициент теплоотдачи , (4)
- приведенный коэффициент излучения; где - степень черноты пространства рабочей камеры печи; - коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный - приведенный коэффициент излучения; где - степень черноты пространства рабочей камеры печи; - коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный или - температура печи, К; - начальная температура нагреваемого металла. Для расчетов принимаем /2/ и (температура по кельвину равна ). Для слитков и заготовок толщиной более 100 мм с достаточной для практики точностью продолжительность нагрева можно определить по формуле Н.Н Доброхотова: (5) где - полная продолжительность нагрева, ч; - диаметр или толщина слитка (заготовки), м; К - коэффициент, равный 10 для конструкционной углеродистой и низколегированной сталей; - коэффициент, учитывающий способ укладки заготовок на поду печи (рис. 10). Рис. 10. Изменение коэффициента в зависимости расположения заготовок на поду печи. В табл. 2 приведена степень черноты различных сплавов . Таблица 2
5.3. Продолжительность нагрева «толстых» заготовок /2/ Продолжительность нагрева для высокоуглеродистой и высоколегированной сталей разбивается на 2 периода: от 0 до 950 °С и от 850 до 1200 °С, при этом коэффициент К для первого периода принят 13,3, а для второго - 6,7. Приближенно продолжительность нагрева конструкционных и низколегированных сталей в методических печах с температурой отходящих газов 800-850 °С можно определять по формуле Н.Ю.Тайца: (6) где - продолжительность нагрева, мин; - толщина слитка или заготовки, см. Количество одновременно нагреваемых заготовок на поду печи определяется из выражения:
где - количество заготовок, нагреваемых за 1 час (часовая производительность штамповочного агрегата); - продолжительность нагрева заготовок, ч. 5.4. Экспериментальные данные.
Для определения времени нагрева заготовок обычно пользуются табл. 3,4. /4,7/. Время в этих табл. дается для одиночной укладки заготовок на поду печи. При ином расположении данное время следует увеличить на коэффициент в соответствии с рис. 10. Для определения продолжительности нагрева (мин) углеродистой конструкционной стали от 0 - 20 С до 1200 °С пользуются табл. 3:
Таблица 3
Примечание. 1. Различное расположение заготовок на поду печи учитывается коэффициентом (см. рис. 10). 2. Для инструментальной углеродистой и для среднеуглеродистой сталей табличное время нагрева увеличивается на 25-30 %, для высоколегированных сталей – на 30-50 %. Увеличение времени лучше брать в большую сторону. 3. Для учета влияния длины заготовки табличное время умножается на коэффициент К в зависимости от отношения для заготовки l к линейному размеру сечения d или a:
Если заготовки уложены рядом в торец одна к другой, то за l следует брать сумму длин заготовок, уложенных в торец. Для определения продолжительности нагрева (мин) от 700-750 до 1200-1250 °С кузнечных заготовок из конструкционной углеродистой и низколегированной сталей при температуре рабочего пространства 1300-1350 °С следует пользоваться табл. 4.
Таблица 4
Примечание. 1. Для заготовок высоколегированных и инструментальных сталей продолжительность нагрева увеличивается на 25-30%. 2. Продолжительность нагрева до 700-750 0С может быть определена при одиночном расположении заготовок по формуле для сталей углеродистой конструкционной и низколегированной (а), для высоколегированной и инструментальной (б).
а.
б.
d и а измеряются в см.
6. РАСЕТ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И РАЗМЕРОВ ПОДА ПЕЧИ
6.1. Обозначения
Производительность печи кг/ч. Масса нагреваемой заготовки , кг. Производительность печи:
шт/ч. (7)
Продолжительность нагрева заготовки , ч. Площадь проекции заготовки на под , м2. Площадь пода, занятая металлом (при условии укладки заготовок вплотную), (8)
где n – число заготовок находящихся одновременно в печи. Коэффициент нагрузки пода:
(9)
(для камерных печей с периодической нагрузкой для печей с непрерывной загрузкой ). Напряженность (удельная производительность) пода печи:
. (10)
6.2. Расчет Число заготовок, которые должны одновременно находиться в печи:
(11) Площадь пода печи:
(12) Производительность печи:
(13)
При расчете печи (или печей, если их потребуется несколько) следует исходить из правила; что нагрев должен обеспечить такое количество заготовок какое требуется для бесперебойной работы штамповочного агрегата, т.е. его производительность: печи штамповочного агрегата. При выборе печи следует учитывать КПД по табл. 5 /б/. Таблица 5
Примечание. Большие значения КПД относятся для печей, оборудованных рекуператорами. В кузнечных пламенных печах используется газообразное, жидкое и твердое топливо. Наиболее удобно использование газообразного, затем жидкого топлива. Твердое топливо связано с рядом неудобств по его транспортировке к печам и удалению золы, поэтому его применение нежелательно.
7. НАИБОЛЕЕ ШИРОКО ПРИМЕНЯЕМЫЕ ПЛАМЕННЫЕ ПЕЧИ
При расчетах курсовых и дипломных проектов наиболее часто встречаются такие технологические операции, как: - нагрев прутков перед резкой на ножницах; - нагрев концов заготовок под штамповку (например, на ГКМ); - нагрев заготовок (полностью) под штамповку. При выборе печи (ее механизации) следует учитывать также и серийность производства. Типы наиболее широко применяемых пламенных печей для нагрева прутков перед резкой и заготовок под штамповку приведены в табл. 6. Они используются в основном для заготовок из сталей диаметром не более 100 мм. Таблица 6
Для нагрева заготовок из меди, алюминия и их сплавов лучше применять индукционный нагрев (при крупносерийном и массовом производстве) и печи сопротивления (при мелкосерийном и серийном производстве). Для этого следует пользоваться методикой для расчета и выбора индукционных нагревателей, для выбора электропечей сопротивления - справочниками /4,7/ исходя из производительности штамповочного агрегата и габаритов заготовки.
8. ПОРЯДОК РАСЧЕТА И ВЫБОРА ПЛАМЕННЫХ ПЕЧЕЙ ДЛЯ НАГРЕВА ЗАГОТОВОК ПОД РАЗРЕЗКУ И ШТАМПОВКУ
Для проведения расчета и выбора нагревательной печи необходимо: - изучить материал настоящей методики; - иметь исходные данные (марка материала, геометрические - сориентироваться по табл. 5.6 и табл. 6-13 (прил.), какой тип печи подходит для технологического процесса; - определить "тонкая" или "толстая" нагреваемая заготовка; - рассчитать время нагрева заготовки (сравнить с табл. 3.4), необходимую площадь пода печи, ее производительность; В случае, если ни одна типовая печь не подходит, студент должен разработать техническую заявку на специальную печь. При необходимости перевода одной системы мер в другую можно пользоваться табл. 2,14,15,16 (прил.) /1,8/.
9. ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА И ВЫБОРА ПЛАМЕННЫХ ПЕЧЕЙ ДЛЯ НАГРЕВА ЗАГОТОВОК
9.1. Нагрев прутков перед разрезкой их на заготовки
Исходные данные: Пруток диаметром 80, длина - до 6000 мм, сталь 40Х, температура нагрева 600 °С /4,7/, требуемая производительность прутков в час, энергоноситель - природный газ, производство - массовое, температура печи 800 °С. В соответствии с табл. 5, 6 и табл. 6 (прил.) предварительно выбираем печь с шагающими балками. По диаграмме рис.9 определяем, что диаметр 80 относится к "тонким" заготовкам. Рассчитываем время нагрева прутка до температуры 600 °С по формуле (3): При двустороннем нагреве: м, Среднее ( при температурах 0 и 600 0С берем из табл. 3.4 (прил.)) По формуле (4) определяем в начале периода: В конце периода: за интервал от 0 до 600 0С. Продолжительность нагрева до температуры 600 0С (3): или мин. Принимаем, то расстояние между прутками в печи с шагающими балками будет равно диаметру заготовки . Тогда (рис. 10) время Z нужно умножить на коэффициент 1,2, т.е.: Рассчитываем необходимую площадь пода печи (см. разд. 6). Производительность печи задана и равна 40 шт./ч (прутков в час). Определим - необходимую производительность печи, кг/ч. Масса прутка Определяем необходимую площадь пода печи. Сначала по формуле (8) находим площадь, занятую металлом: . Для этого определяем количество заготовок по поду печи: шт. Далее определяем площадь , занимаемую прутком с учетом того, что расстояние между прутками равно 80 мм (диаметр прутка): м2. Отсюда: м2. Площадь пода (12): м2. По производительности кг/ч необходимой площади пода , по табл. 6 (прил.) выбираем печь с шагающими балками НЮЮ-75.8.9/8.
Характеристики печи Размеры рабочего пространства печи (ширина х глубина х высота), мм…………………………......7540 х 1276 х 900 Условная площадь пода, м2……………………………………9,3 Производительность, кг/ч……………………………………...1400 Наибольший расход топлива (природный газ)……………….500
9.2. Нагрев концов прутков перед штамповкой
Исходные данные Материал – сталь 40; Размеры заготовки – диаметр 45; мм; Температура печи – 1300 оС; Температура нагрева /4,7/ - 1150+50 oC; Энергоноситель – природный газ; Нагреваемая часть – 200 мм; Производство: а) мелкосерийное шт/ч; б) массовое шт/ч. Предварительно по таблице 5 и 6 выбираем щелевую печь. Рассчитываем коэффициент нет необходимости, т.к. диаметр заготовки 45 и сталь среднеуглеродистая, конструкционная. В соответствии с диаграммой (рис. 9) такая заготовка относится к «тонким». Рассчитываем время нагрева заготовки. Так как расчет аналогичен примеру 9.1, производить его нет необходимости, то используем данные табл. 3, откуда мин, . Заготовки в печи укладываются в плотную, поэтому коэффициент укладки заготовок равен 2 (рис. 10). Тогда Определяем количество заготовок, которые одновременно должны находится в печи. Для мелкосерийного производства: заготовок. Площадь, занимаемая металлом: По (9) , тогда Для массового производства: м2. Определяем необходимую производительность печи (13). Для мелкосерийного производства: кг/ч. Для массового производства: кг/ч. Выбор печи. Для мелкосерийного производства: м2, кг/ч. По таблице 7(прил.) выбираем камерную щелевую механизированную печь НШО - 8.6.6,5/13. По площади пода и глубине рабочего пространства подходит печь НШО – 6.4,5/13, однако, по производительности она не подходит, поэтому выбираем первую. Характеристики печи НШО - 8.6.6,5/13 Размеры рабочего пространства, мм…………….812 х 580 х 650 Условная площадь пода, м2 ……………………...0,5 Производительность, кг/ч………………………...200 Наибольший расход газа, м3/ч......………………300 Для массового производства:
По табл. 8 (прил.) выбираем щелевую механизированную конвейерную печь НШОП – 16.12.11/13 горизонтальное исполнение. Печь НЩОП – 12.8.9/13 не подходит по производительности и площади пода. Характеристики печи Размеры рабочего пространства, мм………………………….1624 х 1160 х 1100 Условная площадь пода, м2…………………………………....1,9 Производительность, кг/ч……………………………………...6 Наибольший расход газа, м3/ч…………………………………80
9.3. Нагрев заготовок перед штамповкой Материал – сталь 40Х; Размеры заготовки – диаметр 80; мм; Температура печи – 1300 оС; Температура нагрева - 1150+50 oC; Производительность штамповочного агрегата: а) мелкосерийное шт/ч; б) массовое шт/ч. Энергоноситель – природный газ. В соответствии с табл. 5,6 и табл. 9,12 (прил.) предварительно выбираем печи: камерную со стационарным подом и с вращающимся подом. Производим расчет коэффициента для определения «толстая» и «тонкая» заготовка. По формуле (1): . Находим начальный коэффициент теплоотдачи по формуле (4): Для определения можно пользоваться справочными данными, а мы используем формулу (2) и табл. 1: По справочникам /4,7/ сталь 400имеет (в среднем): Отсюда: По табл. 1:
В начальный момент, когда заготовка только помещена в печь, перепад температур между заготовкой и печью самый высокий: В момент, когда температура поверхности заготовки достигла 1200 0С: Рассматривая коэффициенты приходим к выводу, что заготовка в настоящих условиях «тонкая», т.к. значительно < 50 и ближе к 0,25 (см. разд. 5). По диаграмме (рис.9) следует тот же вывод. Рассчитываем время нагрева по формуле (3):
определяем по табл. 3.4 (прил.). при 0 и 300 оС значения практически равны. Определяем Ф=2 – для круглой заготовки. Тогда (3): В соответствии с табл. 3 время нагрева диаметром 80 при одиночном расположении на поду печи мин. Принимаем большее время нагрева. Расчет площади пода печи. В соответствии с заданием производительность при мелкосерийном производстве шт/ч. Укладку заготовок на поду печи принимаем на расстоянии диаметра друг от друга, поэтому (рис. 10) время: мин. ч ч. Определяем количество заготовок, которые должны одновременно находится в печи для обеспечения заданной производительности (11): Для мелкосерийного производства: заготовок. Для массового производства: заготовки. Площадь под каждую заготовку с учетом зазора между ними, равно диаметру: Площадь пода (под металл) – расчетная (8). Для мелкосерийного производства: С учетом коэффициента загрузки (9) площадь пода печи: Для массового производства: м2, м2. Производительность печи: Масса заготовки кг. Для мелкосерийного производства: кг/ч. Для массового производства: кг/ч. Выбор печи: Для мелкосерийного производства: м2, кг/ч. По табл. 9 (прил.) подходит камерная печь со стационарным подом ННО – 10.14.8/13. Чтобы не терять времени, когда нагревается "садка", рабочую камеры печи можно разделить на 2 зоны по 0,6 м2 каждая (0,1 м2 на перегородку) и работать поочередно из каждой зоны (одна нагревается, другая вырабатывается). Характеристика печи HH0-I0.I4.8/I3 Размеры рабочего пространства, мм ......................1044x1392x800. Площадь пода, м2 ……………………………………1,4 Производительность, кг/ч…………………………...560 Наибольший расход природного газа, м3/ч…………75 Габариты рабочего пространства (и площадь пода) позволяют разделить его на 2 части или поставить рядом две печи и работать поочередно (площадь пода каждой печи 0,7 м2). Для массового производства ( производительность ). По табл. 13 (прил.) выбираем печь с вращающимся подом HA0K-50.I0.6/I3. Характеристика печи Размеры рабочего пространства, мм…………………………….5000x1000x600 Условная площадь пода, м2……………………………………...12,6 Производительность, кг/ч………………………………………...2500 Наибольший расход топлива (природный газ), м3/ч ………… ...315
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Шишков А.А. Справочник термиста. М.: Машиностроение, 2. Касенков М.А. Нагревательные устройства кузнечного производства. М.: 1962. 472 с. 3. Общемашиностроительныё типовые и руководящие материалы 4. Ковка и объемная штамповка. Справочник. T.1/Под ред. 5. Сатановский Л.Г., Ю.А.Мирский. Нагревательные и термические печи в машиностроении. М.: Металлургия, 1971. 383 с. 6. Немзер Г.Г., Шамов А.Н. Нагрев металла под ковку и штамповку. Вып. 2./ Под общ. ред. П.В.Камнева и А.П.Атрошенко. Л.:, Машиностроение. Ленинград. отд., 1981. 103 с. 7. Ковка и штамповка. Справочник. Т.1/Под ред. Е.И. Семенова. М.: Машиностроение, 1985. 567 с, 8. Э.И.Спивак. Методы ускоренных расчетов нагревательных печей. М.:Металлургия, 1988. 144 с. Приложение Таблица 1 Коэффициент теплопроводности , Вт/(м×°С)
|