Расчет времени нагрева металла в помещении
Человечеству известно немного видов энергии – механическая энергия (кинетическая и потенциальная), внутренняя энергия (тепловая), энергия полей (гравитационная, электромагнитная и ядерная), химическая. Отдельно стоит выделить энергию взрыва.
. энергию вакуума и еще существующую только в теории – темную энергию. В этой статье, первой в рубрике «Теплотехника», я попытаюсь на простом и доступном языке, используя практический пример, рассказать о важнейшем виде энергии в жизни людей — о тепловой энергии и о рождающей ее во времени тепловой мощности.
Несколько слов для понимания места теплотехники, как раздела науки о получении, передаче и применении тепловой энергии. Современная теплотехника выделилась из общей термодинамики, которая в свою очередь является одним из разделов физики. Термодинамика – это дословно «теплый» плюс «силовой». Таким образом, термодинамика – это наука об «изменении температуры» системы.
Воздействие на систему извне, при котором изменяется ее внутренняя энергия, может являться результатом теплообмена. Тепловая энергия, которая приобретается или теряется системой в результате такого взаимодействия с окружающей средой, называется количеством теплоты и измеряется в системе СИ в Джоулях.
Если вы не инженер-теплотехник, и ежедневно не занимаетесь теплотехническими вопросами, то вам, столкнувшись с ними, иногда без опыта бывает очень трудно быстро в них разобраться. Трудно без наличия опыта представить даже размерность искомых значений количества теплоты и тепловой мощности. Сколько Джоулей энергии необходимо чтобы нагреть 1000 метров кубических воздуха от температуры -37˚С до +18˚С. Какая нужна мощность источника тепла, чтобы сделать это за 1 час. На эти не самые сложные вопросы способны сегодня ответить «сходу» далеко не все инженеры. Иногда специалисты даже помнят формулы, но применить их на практике могут лишь единицы!
Прочитав до конца эту статью, вы сможете легко решать реальные производственные и бытовые задачи, связанные с нагревом и охлаждением различных материалов. Понимание физической сути процессов теплопередачи и знание простых основных формул – это главные блоки в фундаменте знаний по теплотехнике!
Количество теплоты при различных физических процессах.
Большинство известных веществ могут при разных температуре и давлении находиться в твердом, жидком, газообразном или плазменном состояниях. Переход из одного агрегатного состояния в другое происходит при постоянной температуре (при условии, что не меняются давление и другие параметры окружающей среды) и сопровождается поглощением или выделением тепловой энергии. Не смотря на то, что во Вселенной 99% вещества находится в состоянии плазмы, мы в этой статье не будем рассматривать это агрегатное состояние.
Рассмотрим график, представленный на рисунке. На нем изображена зависимость температуры вещества Т от количества теплоты Q , подведенного к некой закрытой системе, содержащей определенную массу какого-то конкретного вещества.
1. Твердое тело, имеющее температуру T1 , нагреваем до температуры Tпл , затрачивая на этот процесс количество теплоты равное Q1 .
2. Далее начинается процесс плавления, который происходит при постоянной температуре Тпл (температуре плавления). Для расплавления всей массы твердого тела необходимо затратить тепловой энергии в количестве Q2 — Q1 .
3. Далее жидкость, получившаяся в результате плавления твердого тела, нагреваем до температуры кипения (газообразования) Ткп , затрачивая на это количество теплоты равное Q3 - Q2 .
4. Теперь при неизменной температуре кипения Ткп жидкость кипит и испаряется, превращаясь в газ. Для перехода всей массы жидкости в газ необходимо затратить тепловую энергию в количестве Q4 - Q3 .
5. На последнем этапе происходит нагрев газа от температуры Ткп до некоторой температуры Т2 . При этом затраты количества теплоты составят Q5 - Q4 . (Если нагреем газ до температуры ионизации, то газ превратится в плазму.)
Таким образом, нагревая исходное твердое тело от температуры Т1 до температуры Т2 мы затратили тепловую энергию в количестве Q5 , переводя вещество через три агрегатных состояния.
Двигаясь в обратном направлении, мы отведем от вещества то же количество тепла Q5 , пройдя этапы конденсации, кристаллизации и остывания от температуры Т2 до температуры Т1 . Разумеется, мы рассматриваем замкнутую систему без потерь энергии во внешнюю среду.
Заметим, что возможен переход из твердого состояния в газообразное состояние, минуя жидкую фазу. Такой процесс именуется возгонкой, а обратный ему процесс – десублимацией.
Итак, уяснили, что процессы переходов между агрегатными состояниями вещества характеризуются потреблением энергии при неизменной температуре. При нагреве вещества, находящегося в одном неизменном агрегатном состоянии, повышается температура и также расходуется тепловая энергия.
Главные формулы теплопередачи.
Формулы очень просты.
Количество теплоты Q в Дж рассчитывается по формулам:
1. Со стороны потребления тепла, то есть со стороны нагрузки:
1.1. При нагревании (охлаждении):
Q = m * c *( Т2 - Т1 )
m – масса вещества в кг
с – удельная теплоемкость вещества в Дж/(кг*К)
1.2. При плавлении (замерзании):
Q = m * λ
λ – удельная теплота плавления и кристаллизации вещества в Дж/кг
1.3. При кипении, испарении (конденсации):
Q = m * r
r – удельная теплота газообразования и конденсации вещества в Дж/кг
2. Со стороны производства тепла, то есть со стороны источника:
2.1. При сгорании топлива:
Q = m * q
q – удельная теплота сгорания топлива в Дж/кг
2.2. При превращении электроэнергии в тепловую энергию (закон Джоуля — Ленца):
Q = t * I * U = t * R * I ^2=( t / R ) * U ^2
t – время в с
I – действующее значение тока в А
U – действующее значение напряжения в В
R – сопротивление нагрузки в Ом
Делаем вывод – количество теплоты прямо пропорционально массе вещества при всех фазовых превращениях и при нагреве дополнительно прямо пропорционально разности температур. Коэффициенты пропорциональности ( c , λ , r , q ) для каждого вещества имеют свои значения и определены опытным путем (берутся из справочников).
Тепловая мощность N в Вт – это количество теплоты переданное системе за определенное время:
Чем быстрее мы хотим нагреть тело до определенной температуры, тем большей мощности должен быть источник тепловой энергии – все логично.
Расчет в Excel прикладной задачи.
В жизни бывает часто необходимо сделать быстрый оценочный расчет, чтобы понять – имеет ли смысл продолжать изучение темы, делая проект и развернутые точные трудоемкие расчеты. Сделав за несколько минут расчет даже с точностью ±30%, можно принять важное управленческое решение, которое будет в 100 раз более дешевым и в 1000 раз более оперативным и в итоге в 100000 раз более эффективным, чем выполнение точного расчета в течение недели, а то и месяца, группой дорогостоящих специалистов…
Условия задачи:
В помещение цеха подготовки металлопроката размерами 24м х 15м х 7м завозим со склада на улице металлопрокат в количестве 3т. На металлопрокате есть лед общей массой 20кг. На улице -37˚С. Какое количество теплоты необходимо, чтобы нагреть металл до +18˚С; нагреть лед, растопить его и нагреть воду до +18˚С; нагреть весь объем воздуха в помещении, если предположить, что до этого отопление было полностью отключено? Какую мощность должна иметь система отопления, если все вышесказанное необходимо выполнить за 1час? (Очень жесткие и почти не реальные условия – особенно касающиеся воздуха!)
Расчет выполним в программе MS Excel или в программе OOo Calc.
С цветовым форматированием ячеек и шрифтов ознакомьтесь на странице «О блоге».
Исходные данные:
1. Названия веществ пишем:
в ячейку D3: Сталь
в ячейку E3: Лед
в ячейку F3: Лед/вода
в ячейку G3: Вода
в ячейку G3: Воздух
2. Названия процессов заносим:
в ячейки D4, E4, G4, G4: нагрев
в ячейку F4: таяние
3. Удельную теплоемкость веществ c в Дж/(кг*К) пишем для стали, льда, воды и воздуха соответственно
в ячейку D5: 460
в ячейку E5: 2110
в ячейку G5: 4190
в ячейку H5: 1005
4. Удельную теплоту плавления льда λ в Дж/кг вписываем
в ячейку F6: 330000
5. Массу веществ m в кг вписываем соответственно для стали и льда
в ячейку D7: 3000
в ячейку E7: 20
Так как при превращении льда в воду масса не изменяется, то
в ячейках F7 и G7: =E7 =20
Массу воздуха находим произведением объема помещения на удельный вес
в ячейке H7: =24*15*7*1,23 =3100
6. Время процессов t в мин пишем только один раз для стали
в ячейку D8: 60
Значения времени для нагрева льда, его плавления и нагрева получившейся воды рассчитываются из условия, что все эти три процесса должны уложиться в сумме за такое же время, какое отведено на нагрев металла. Считываем соответственно
в ячейке E8: =E12/(($E$12+$F$12+$G$12)/D8) =9,7
в ячейке F8: =F12/(($E$12+$F$12+$G$12)/D8) =41,0
в ячейке G8: =G12/(($E$12+$F$12+$G$12)/D8) =9,4
Воздух также должен прогреться за это же самое отведенное время, читаем
в ячейке H8: =D8 =60,0
7. Начальную температуру всех веществ T1 в ˚C заносим
в ячейку D9: -37
в ячейку E9: -37
в ячейку F9: 0
в ячейку G9: 0
в ячейку H9: -37
8. Конечную температуру всех веществ T2 в ˚C заносим
в ячейку D10: 18
в ячейку E10: 0
в ячейку F10: 0
в ячейку G10: 18
в ячейку H10: 18
Думаю, вопросов по п.7 и п.8 быть недолжно.
Результаты расчетов:
9. Количество теплоты Q в КДж, необходимое для каждого из процессов рассчитываем
для нагрева стали в ячейке D12: =D7*D5*(D10-D9)/1000 =75900
для нагрева льда в ячейке E12: =E7*E5*(E10-E9)/1000 = 1561
для плавления льда в ячейке F12: =F7*F6/1000 = 6600
для нагрева воды в ячейке G12: =G7*G5*(G10-G9)/1000 = 1508
для нагрева воздуха в ячейке H12: =H7*H5*(H10-H9)/1000 = 171330
Общее количество необходимой для всех процессов тепловой энергии считываем
в объединенной ячейке D13E13F13G13H13: =СУММ(D12:H12) = 256900
В ячейках D14, E14, F14, G14, H14, и объединенной ячейке D15E15F15G15H15 количество теплоты приведено в дугой единице измерения – в ГКал (в гигакалориях).
10. Тепловая мощность N в КВт, необходимая для каждого из процессов рассчитывается
для нагрева стали в ячейке D16: =D12/(D8*60) =21,083
для нагрева льда в ячейке E16: =E12/(E8*60) = 2,686
для плавления льда в ячейке F16: =F12/(F8*60) = 2,686
для нагрева воды в ячейке G16: =G12/(G8*60) = 2,686
для нагрева воздуха в ячейке H16: =H12/(H8*60) = 47,592
Суммарная тепловая мощность необходимая для выполнения всех процессов за время t рассчитывается
в объединенной ячейке D17E17F17G17H17: =D13/(D8*60) = 71,361
В ячейках D18, E18, F18, G18, H18, и объединенной ячейке D19E19F19G19H19 тепловая мощность приведена в дугой единице измерения – в Гкал/час.
На этом расчет в Excel завершен.
Выводы:
Обратите внимание, что для нагрева воздуха необходимо более чем в два раза больше затратить энергии, чем для нагрева такой же массы стали.
При нагреве воды затраты энергии в два раза больше, чем при нагреве льда. Процесс плавления многократно больше потребляет энергии, чем процесс нагрева (при небольшой разности температур).
Нагрев воды в десять раз затрачивает больше тепловой энергии, чем нагрев стали и в четыре раза больше, чем нагрев воздуха.
Для получения информации о выходе новых статей и для скачивания рабочих файлов программ прошу вас подписаться на анонсы в окне, расположенном в конце статьи или в окне вверху страницы.
После ввода адреса своей электронной почты и нажатия на кнопку «Получать анонсы статей» НЕ ЗАБУДЬТЕ ПОДТВЕРДИТЬ ПОДПИСКУ кликом по ссылке в письме, которое тут же придет к вам на указанную почту (иногда — в папку «Спам»)!
Мы вспомнили понятия «количество теплоты» и «тепловая мощность», рассмотрели фундаментальные формулы теплопередачи, разобрали практический пример. Надеюсь, что мой язык был прост, понятен и интересен.
Жду вопросы и комментарии на статью!
Прошу УВАЖАЮЩИХ труд автора скачать файл ПОСЛЕ ПОДПИСКИ на анонсы статей.
О тепловой энергии простым языком!
Расчёт времени нагрева стальной заготовки в печи.
Температура нагрева – 900 °С; температура в печи (постоянная) – 1400 °С; материал заготовки – сталь 45; диаметр заготовки ; плотность материала заготовки при температуре нагрева (эта величина берётся из методички в таблице 5 для стали 40, т.к. стали 45 в таблице нет); коэффициент теплопроводности при температуре нагреваКоэффициенты в методичке указаны не для всех марок сталей, поэтому нужно брать для расчёта ближайшие соседние значения коэффициентов или средние значения между соседними коэффициентами.
1. Коэффициент теплоотдачи
| , | (17) |
2. Приведённый коэффициент лучеиспускания можно определить по формуле:
| , | (18) |
Для нашего случая площадь тепловоспринимающей поверхности нагреваемого металла будет равна:
Значит, площадь внутренней поверхности стен камеры печи будет равна:
Подставив числовые значения в формулу (18) получим:
| , |
Подставив числовые значения в формулу (17) получим:
3. Определим к «теплотехнически тонким» или к «теплотехнически массивным» относится нагреваемое тело. Для этого определим критерий Био:
| (19) |
Подставив числовые значения в формулу (19) получим:
Поскольку полученное значение критерия Био больше 0,5, то все дальнейшие расчёты будем проводить для теплотехнически массивного тела.
4. Для дальнейшего расчёта к исходным данным необходимо добавить конечную разность температур между поверхностью и центром нагреваемой заготовки (принимаем равной 20 °С).
Поскольку по условию задачи температура в печи остаётся постоянной, то для определения температур поверхности и центра нагреваемого цилиндра (или пластины) можно использовать формулы:
| (20) |
| (21) |
где - температура в печи, 1400 °С; - температура центра заготовки в конечный момент времени, т.е. когда температура поверхности заготовки достигнет 900 °С; - критерий Фурье.
Преобразуем формулу (20) к виду:
| (22) |
Подставив числовые значения в формулу (22) получим:
По графику на рис. 2. а) (смотри далее) находим значение критерия Фурье по известным значениям критерия Био ( :
| (23) |
Преобразовав формулу (23) находим время нагрева поверхности заготовки до заданной температуры:
| (24) |
Коэффициент температуропроводности можно вычислить по формуле:
| (25) |
Подставив числовые значения в формулу (25) получим:
Подставив числовые значения в формулу (24) получим:
По графику на рис. 2. б) (смотри далее) находим значение ;Подставив числовые значения в формулу (21) получим:
5. Поскольку разность температур между поверхностью и центром нагреваемой заготовки составляет 900 °C – 779 °C = 121 °C, что больше заданной в условии задачи (20 °C), необходимо сделать выдержку заготовки в печи.
Время выдержки цилиндрической заготовки в печи можно определить по формуле:
| (26) |
Подставив числовые значения в формулу (26) получим:
 |
 |
| Рис. 1. Графики функций для расчёта температуры поверхности (а) и центра (б) пластины при нагреве в среде с постоянной температурой (по Д.В. Будрину) |
 |
 |
| Рис. 2. Графики функций для расчёта температуры поверхности (а) и центра (б) цилиндра при нагреве в среде с постоянной температурой (по Д.В. Будрину) |
Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.
Папиллярные узоры пальцев рук - маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.
Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.
Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.
© cyberpedia.su 2017-2020 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!
Определение времени нагрева изделий в термических печах с постоянной температурой
Время нагрева тонких и массивных деталей (или деталей, расположенных в один ряд на полу) в камерной печи или соляной ванне с постоянной температурой может быть определено по формулам:
| (21) | |
| (22) |
где G — масса детали;
c — средняя удельная теплоемкость;
a — коэффициент теплоотдачи;
F — активная поверхность, то есть поверхность, воспринимающая тепло от внешней среды;
tп — температура печи;
tмн и tмк — начальная и конечная температуры нагреваемого изделия;
j — коэффициент замедления нагрева.
Формула (21) используется при расчете времени нагрева тонких изделий, т.е. когда критерий Био меньше 0,25:
где a — суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением;
S — половина толщины пластины или радиус цилиндра;
l — средний коэффициент теплопроводности в интервале температур tмн и tмк.
При Bi > 0,25 изделия следует считать массивным и при расчете времени его нагрева пользуются формулой (22), содержащей коэффициент замедления нагрева j. Коэффициент j, в свою очередь, определяется по следующим формулам:
1) для пластины, нагреваемой с двух сторон
Расчет времени нагрева массивных изделий в среде с постоянной температурой может быть также произведен и по вспомогательным графикам [5].
Формулы (21) и (22) применяются для определения времени нагрева в низко- и среднетемпературных печах. В случае преобладания в печи лучистого теплообмена, который имеет место при высоких температурах, время нагрева тонких изделий определяют по формуле
 . | (27) |
Здесь G — масса металла;
с — средняя удельная теплоемкость металла и интервале tмн и tмк;
cи– коэффициент излучения;
y — температурная функция (табл. 1);
Tмк и Tмн — начальная и конечная температуры металла.
Зависимость
| 0,2 0,24 0,28 0,32 0,36 0,40 0,44 0,48 0,52 | 0,2 0,2402 0,2803 0,3207 0,3612 0,4012 0,4434 0,4854 0,5277 | 0,56 0,60 0,64 0,68 0,72 0,76 0,80 0,84 0,88 | 0,5718 0,6166 0,6639 0,7122 0,7655 0,8229 0,8864 0,9599 1,0389 | 0,91 0,92 0,94 0,96 0,98 0,99 0,994 0,998 0,999 | 1,1332 1,1659 1,2463 1,3563 1,537 1,713 1,842 2,117 2,293 |
Определение времени нагрева изделий в печах периодического действия
Нагрев тонких изделий
Время нагрева тонкого изделия в электрической печи периодического действия зависит от начальной температуры изделия и мощности печи. График нагрева изделия приведен на рис. 3.
 |
Рис. 3. График нагрева тонкого изделия в печах периодического действия
Процесс нагрева разбивают на два этапа.
Первый этап — от начала нагрева до достижения в камере печи заданной температуры — характеризуется тем, что вследствие низкой температуры садки она поглощает всю выделяющуюся в камере печи полезную мощность, и нагрев изделий осуществляется при постоянном тепловом потоке. Тепловой поток, воспринимаемый единицей поверхности нагреваемых изделий,
| (28) |
где Pп — мощность печи; Pпот — мощность тепловых потерь печи; Fизд — тепловоспринимающая поверхность изделий.
Для высокотемпературной печи уравнение теплопередачи примет вид
 . | (29) |
Здесь Cпр — приведённый коэффициент лучеиспускания:
| (30) |
где eп и eизд — степень черноты печной кладки и изделия; Fизд и Fп — поверхность изделия и стен печной камеры; Tп и Tизд — текущие значения температур печи и изделия.
Конец первого и начало второго этапа характеризуются достижением заданного значения температуры рабочего пространства. Температура тонких изделий в соответствии с формулой:
 . | (31) |
Количество тепла, воспринятое изделием за период первого этапа, равно qп Fизд t1, где t1 — длительность первого этапа. Это тепло пойдёт на нагрев изделия от начальной температуры , поэтому
| (32) |
| (33) |
где G — масса изделий; c — средняя удельная теплоёмкость.
Для низкотемпературных печей и для печей с принудительной циркуляцией необходимо учитывать конвекцию, поэтому уравнение теплоотдачи будет иметь вид
| (34) |
Здесь qп — тепловой поток, воспринимаемый единицей поверхности изделия, — может быть определён из уравнения (8), а aизл — коэффициент теплоотдачи излучением:
 . | (35) |
Коэффициент aконв зависит от характера конвекции, формы изделия и параметров среды и может быть рассчитан по соответствующим формулам. Для печей с естественной конвекцией он может быть принят равным в среднем 10 –15 Вт/(м 2 ·°C).
С учётом этого для момента времени, соответствующего достижению заданного значения Tп, будем иметь
 . | (36) |
Длительность первого этапа t1 может быть определена из уравнения (13).
По достижении печью заданного значения температуры начинает работать терморегулятор, поддерживающий её неизменной; мощность печи при этом снижается. В течение второго этапа нагрев изделий будет осуществляться при постоянной температуре печи, и время нагрева может быть определено по формуле (21).
Нагрев массивных изделий
Как и в предыдущем случае, разбиваем процесс нагрева на два этапа: первый этап — нагрев при постоянном тепловом потоке, второй этап — нагрев при постоянной температуре печи (рис. 4).
Рис. 4. График нагрева массивного изделия
в электрической печи периодического действия
К концу первого и к началу второго периода нагрева температура поверхности пластины достигнет ;
для цилиндра . В дальнейшем во время нагрева в регулярном режиме температуры поверхности и центра изделия будут увеличиваться пропорционально времени с постоянной скоростью. Время регулярного режима может быть определено по формулам: для пластины
| (37) |
| (38) |
где c — средняя удельная теплоёмкость; r — плотность материала; S — половина толщины изделия; — температура поверхности изделия в начале и в конце регулярного режима; R — радиус цилиндра.
Отсюда длительность первого этапа нагрева бесконечной пластины
| (39) |
а бесконечного цилиндра
 . | (40) |
Температура поверхности изделия к концу первого этапа
 . | (41) |
Второй этап нагрева изделия осуществляется при постоянной температуре печи. При расчёте нужно учитывать, что к моменту начала второго этапа по сечению изделия (для плиты) установится параболическое распределение температуры. При этом может быть принято среднее значение температуры в сечении изделия: для плиты
| (42) |
| (43) |
В этом случае расчёт времени нагрева на втором этапе до заданной температуры может быть осуществлён с использованием графиков Д.В. Будрина с тем лишь изменением, что относительные температуры будут
| (44) |
| (45) |
При расчёте времени второго этапа нагрева массивных изделий в число Био подставляют средние значения коэффициента теплоотдачи a.
Расчёт времени нагрева насыпных немонолитных загрузок может быть осуществлён так же, как и монолитных, с учётом их насыпной плотности и эквивалентного коэффициента теплопроводности (табл. 2).
Насыпная плотность и эквивалентный
коэффициент теплопроводности l насыпных загрузок
| Вид загрузки | Насыпная плотность, кг/м 3 | l, Вт/(м·°C) |
| Стальные мелкие болты и гайки (d = 10…12 мм) | 1650…1800 | 4,65 |
| Стальные шарики (d = 10…12 мм) | 6,98…10,5 | |
| Стальные ролики (d = 12…30 мм) | 8,14…11,6 | |
| Стальные тонкие кольца | 17,4…19,8 | |
| Стальные детали в металлической стружке | 0,81 | |
| Стальная проволока в бунтах | — | 2,3…3,5 |
| Стопа листов толщиной 1 мм | — | 0,47…0,58 |
Если задача периода выдержки заключается лишь в снижении внутреннего перепада температур до определённого минимума, то при нагреве массивных тел при tп = const можно, задавшись этим допустимым внутренним перепадом, получить его в конце второго этапа нагрева. Следовательно, два периода — нагрев и выдержка — в данном случае сливаются в один.
Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).
Время нагрева и выдержки в электрических и газовых печах, соляных ваннах при закалке стали
Температура отпуска закаленных деталей определяется в зависимости от заданного в условиях задачи численного значения предела текучести и ударной вязкости (относительного удлинения) по приводимым в справочниках графическим (рис. 1) или табличным данным. Время отпуска принимается 45…60 мин.
Температуру отпуска определяем, исходя из условия обеспечения предела текучести не ниже 700 МПа и КСU не менее 0,5 МДж/м 2 . Для стали 40Х имеем температуру отпуска 600 0 С, время отпуска принимаем 45 мин, охлаждение в масле для предотвращения отпускной хрупкости II рода.
В качестве нагревательных устройств в условиях серийного производства в соответствии с данными табл. 14 принимаем следующие устройства.
Закалка: камерная печь серии СНО с электрическим нагревом типа СНО-4 . 8 . 2,5/10.
Отпуск: шахтная печь серии ПН с электронагревом типа ПН-32.
Ответ: Принимаем следующие режимы термической обработки. Закалка: температура нагрева 812…832 0 С, время выдержки 30 мин, охлаждение в минеральном масле. Отпуск: температура нагрева 600 0 С, время нагрева и выдержки 45 мин, охлаждение в масле.
Принимаем следующие нагревательные устройства:
Закалка: камерная печь типа СНО-4 . 8 . 2,5/10.
Отпуск: шахтная печь типа ПН-32.
Далее оформляется маршрутная карта обработки (рис. 2). В связи со сложностью оформления карт по стандартам Единой системы технологической документации (ЕСТД) при выполнении заданий по проектированию технологии в данном комплексе учебно-методических материалов принят упрощенный учебный вариант оформления маршрутной карты. Правила построчной записи информации в карты соответствуют требованиям ЕСТД.
Для студентов групп ММ специальности «Материаловедение в машиностроении» выполнение и оформление документов на технологические процессы термической обработки должно выполняться в соответствии с требованиями ГОСТ 3.1405-86. ЕСТД.
Сталь 40Х ГОСТ 4543-71
КСU = 0,5 МДж/м 2
Электропечь СНО-4×8×2,5/10
Рис. 2. Маршрутная карта термической обработки (пример)
Пример 2. Обеспечить поверхностное упрочнение на глубину 0,4 мм вала диаметром 30 мм. Твердость поверхностного слоя HRC 60, предел текучести сердцевины не ниже 900 МПа.
Решение. В соответствии с заданными техническими требованиями принимаем по данным табл. 18 в качестве способа упрочнения нитроцементацию, закалку и низкий отпуск; марка стали 35Х. В этом случае по справочным данным обеспечивается при диаметре детали до 30 мм предел текучести сердцевины 930 МПа, твердость поверхностного слоя HRC 58. 64, глубина упрочняемого слоя 0,2…0,8 мм. Эти данные соответствуют техническим требованиям в условиях задания.
Ответ. Принимаем для поверхностного упрочнения детали нитро-цементацию с закалкой и низким отпуском. Выбираем марку стали 35Х ГОСТ 4543-71.
Пример 3. Назначить режим азотирования детали диаметром 30 мм из стали 38Х2МЮА на глубину 0,6 мм с HV 950. Выбрать нагревательное устройство для проведения азотирования.
Решение. В соответствии с рекомендациями по азотированию принимаем следующий ступенчатый режим азотирования: 500. 520 0 C, 12 часов, а затем 550…570 0 С, 42 часа (степень диссоциации аммиака 20…40 % и 50…60%).
По табл. 14 принимаем для азотирования шахтную электрическую печь США – 6 . 6/7.
Ответ. Принимаем ступенчатый режим азотирования: 500…520 °С, 12 ч и 550…570°С 42 ч.
Принимаем следующее нагревательное устройство: шахтная печь типа США – 6 . 6/7.
Пример 4. Назначить режим цементации на глубину 1,5 мм зубчатых колес диаметром 70 мм для коробки передач автомобиля; сталь 25ХГТ. Выбрать оборудование для проведения цементации.
Решение.В соответствии с рекомендациями по газовой цементации принимаем следующий режим: температура нагрева 920 0 С, время цементации 8 часов, науглероживающая среда: керосин (40 капель/мин).
В качестве нагревательного устройства принимаем шахтную печь Ц–105 Б. (табл. 14).
Ответ.Принимаем режим цементации: температура нагрева 920 0 С, время 8 часов и нагревательное устройство: шахтная печь Ц–105 Б с подачей керосина.
Далее оформляется маршрутная карта обработки.
Варианты для практических занятий
Задача №1.
Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для изготовления валов диаметром 50 мм редуктора. По расчету сталь должна иметь предел прочности при растяжении не ниже 800 МПа, ударную вязкость не ниже 0,8 МДж/м 2 .
Задача №2.
Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для вала двигателя. Вал должен иметь предел прочности при растяжении не ниже 700 МПа, ударную вязкость не ниже 0,7 МДж/м 2 . Диаметр вала:
а) 35 мм; б) 50 мм; в) 120 мм.
Задача №3.
Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для вала диаметром 60 мм двигателя. Предел текучести стали должен быть не ниже 800 МПа, ударная вязкость не ниже 0,8 МДж/м 2 .
Задача №4.
Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для шатунов с поперечным сечением стержня 40 мм двигателя внутреннего сгорания. Сталь должна иметь предел прочности при растяжении не ниже 900 МПа, ударную вязкость не ниже 0,9 МДж/м 2 .
Задача №5.
Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для изготовления коленчатых валов с диаметром шейки 60 мм двигателя. Предел текучести стали должен быть не ниже 750 МПа, ударная вязкость не ниже 0,8 МДж/м 2 .
Задача №6.
Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для вала тяжелонагруженного прицепа. Вал должен иметь предел прочности не ниже 700 МПа, ударную вязкость не ниже 0,8 МДж/м 2 .
Диаметр вала: а) 40 мм; б) 75 мм; в) 150 мм.
Задача №7.
Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для зубчатых колес редуктора диаметром 50 мм. Твердость поверхности зубьев должна быть не ниже HRC 58 … 60, толщина поверхностного твердого слоя 0,7 … 0,9 мм.
Предел текучести в сердцевине должен быть не ниже 800 МПа.
Задача №8.
Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для стаканов цилиндров мощных дизельных двигателей, которые должны обладать повышенной износостойкостью поверхностного слоя (HV 1000 … 1050); толщина поверхностного твердого слоя 0,30 … 0,35 мм; предел текучести в сердцевине должен быть не ниже 750 МПа.
Задача №9.
Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки поршневых пальцев диаметром 50 мм автомобильного двигателя внутреннего сгорания. Поршневые пальцы должны иметь высокую износостойкость поверхности (HRC 58 … 60), толщину поверхностного твердого слоя 1,5 … 1,8 мм. Предел текучести в сердцевине должен быть не ниже 600 МПа.
Задача №10.
Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для зубчатых колес редуктора диаметром 30 мм. Твердость поверхности зубьев должна быть HRC 58 … 60; толщина поверхностного твердого слоя 0,30 … 0,35 мм. Предел текучести в сердцевине должен быть не ниже 700 МПа.
Задача №11.
Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для поршневого пальца диаметром 15 мм двигателя мотоцикла. Поршневые пальцы должны иметь высокую износостойкость поверхности (HRC 58 … 60) и предел текучести в сердцевине не ниже 650 МПа. Толщина поверхностного твердого слоя 1,5 … 1,6 мм.
Задача №12.
Выбрать марку стали, вид и режим термическойобработки для зубчатых колес диаметром 60 мм коробки перемены передач. Твердость поверхности зубьев должна быть не ниже HRC 58; толщина поверхностного твердого слоя 0,6 … 0,8 мм. Предел текучести в сердцевине должен быть не ниже 600 МПа.
Контрольные вопросы
1. Проектирование и состав технологического проекта.
2. Расчёт годовой программы выпуска изделий.
3. Технические условия.
4. Типы машиностроительного производства.
5. Требования к материалам машиностроения.
6. Типовая упрочняющая термическая обработка деталей машин из конструкционных сталей.
7. Определение температурно-временных режимов объёмного упроч-нения деталей машин.
8. Разновидности упрочнения поверхностных слоев деталей машин.
9. Принципы выбора вида поверхностного упрочнения деталей машин.
10. Нагревательные устройства для разных типов машиностроительного производства.
11. Классификация конструкционных сталей по степени загруженности деталей машин.
12. Газовая цементации деталей машин.
13. Термическая обработка цементованных деталей машин.
14. Разновидности термической обработки алюминиевых сплавов.
15. Маршрутная карта МК и операционная карта ОК для описания технологического процесса.
16. Понятие продукции по международному стандарту ИСО 8402-86.
17. Понятие сертификации продукции.
18. Понятие сертификации системы обеспечения качества продукции по международным стандартам.
19. Стадии жизненного цикла продукции.
20. Этапы «петли качества»продукции.
21. Понятие «сооружения» и «здания».
22. Конструктивные элементы зданий.
23. Характеристики промышленных зданий.
24. Оборудование промышленных зданий.
25. Оборудование промышленных участков.
26. Планировочный чертёж (планировка) цеха.
27. Опасные и вредные производственные факторы.
28. Требования в безопасности технологических процессов.
29. Требования в отношении пожарной безопасности.
30. Мероприятия по защите атмосферного воздуха и водного бассейна.
Заключение
Комплекс учебно- методических материалов состоит из опорного конспекта лекций, практических занятий, контрольных вопросов. На основе многолетнего опыта преподавания вопросов технического проектирования термической обработки изделий машиностроения в Нижегородском университете им. Р.Е. Алексеева рассмотрены в комплексе проектирования сведения о конструкции и оборудования промышленных зданий, планировки оборудования, безопасность и экологичность производства. Изложения сопровождается значительным количеством примеров, что способствует лучшему усвоению вопросов, рассматриваемых в учебно-методический материалах.
Предлагаемые материалы подготовлены в связи с тем, что по данным составителей за последние двадцать лет учебные пособия по проектированию технологических процессов термической обработки, конструкции и оборудования промышленных зданий не издавались. Предлагаемое издание позволяет в некоторой мере заполнить образовавшуюся «нишу» и должно, способствовать улучшению технологической подготовки специалистов технического университета.
Читайте также: