Термическая обработка стали

     Электропечи типа СНО - компактны, производительны, с небольшим расходом электроэнергии и большим сроком службы металлических нагревателей. Недостаток этой печи - наличие окислительной атмосферы. 

2.2.2 Описание  дополнительного и вспомогательного  оборудования

2.2.2.1 Дополнительное  оборудование 

     Для очистки деталей от солей, масла и грязи детали после термической обработки обычно промывают в щелочной ванне, то есть в горячем водном растворе щелочи   (70– 90˚С) с содержанием каустической или кальцинированной соды 3– 10%. Для этого устанавливают промывные баки или моечные машины.

     Бесконвейерная  тупиковая моечная машина представлена на рисунке 9 . Габаритные размеры машины 1870х1045х1700мм. Рабочее пространство машины представляет собой камеру 2 размерами 700х700х800мм, в которой промывается одновременно одна корзина с деталями весом около 15кг. С боковых сторон, над деталями и под ними располагаются коробки 3 с отверстиями. В эти коробки насосом 8 подается горячий раствор, омывающий детали.

     Жидкость  собирается в бак 1 под камерой, где  подогревается и через фильтры 6 и всасывающий парубок 7 подается вновь в коробки. В верхней части корпуса установлен вентилятор 5, обеспечивающий удаление содового раствора через отсос 4. Для ремонта и очистки разбрызгивателей на боковой стенке корпуса предусмотрены герметично закрываемые люки. Для слива масла с поверхности раствора служит специальный карман со сливным патрубком на корпусе машины. Время промывки 3…4минуты, производительность насоса 0,5 м³/мин., мощность электродвигателя 2кВт.

Рисунок 9 – Бесконвейерная тупиковая моечная  машина [7]

      После промывки необходимо предусмотреть  сушку промытых изделий. Сушку осуществляют в специальных камерах, оснащенных вентилятором.

      

      Рисунок 10 – Сушильная камера 

2.2.2.2 Вспомогательное оборудование 

     В термических цехах для подъема, а так же передачи деталей и поддонов от одной печи к другой применяется кран-балка. С помощью крана-балки выполняются транспортные операции при термической обработке (например, выгрузку деталей из печи, погружение их в закалочный бак. Ввиду того, что указанные операции должны производиться быстро, краны снабжаются специальными лебедками, обеспечивающие скорость подъема изделия  20-30 и опускания 40-60 м/мин. Учитывая относительно небольшую массу изделий и возможную необходимость ремонта печей выбираем грузоподъёмность 2т.

     Для проверки твердости деталей, прошедших термообработку можно воспользоваться твердомером  Бринелля (твердомер типа ТБ). Сущность метода заключается во вдавливании шарика в образец под действием нагрузки, приложенной перпендикулярно поверхности образца в течение определенного времени, и измерении диаметра отпечатка после снятия нагрузки [7]. Шарик изготовлен из стали ШХ15, подвергнутой закалке и низкому отпуску.

       Стальной закаленный шарик может  быть следующих диаметров:2,5; 5; 10 мм. Предел допускаемой погрешности твердомера составляет ±4% для НВ=200±50, НВ=400 ±50 при нагрузке 29420Н (Н– Ньютон). Контроль твердости проводят при температуре ,˚С. Измерение осуществляется в одной или нескольких точках, для этого необходимо подготовить поверхность заготовки. При подготовке поверхности заготовки необходимо исключить изменение свойств металла из– за нагрева или наклепа. Толщина испытуемой заготовки должна не менее чем в восемь раз превышать глубину отпечатка. При измерении прибор должен быть защищен от ударов и вибрации. Опорные поверхности столика и подставки должны быть очищены от посторонних веществ (окалины, смазки). Заготовка должна быть установлена на столике или подставке устойчиво во избежание ее смещения и прогиба во время измерения твердости. При измерении твердости наконечник плавно приводят в соприкосновение с поверхностью заготовки и плавно прикладывают заданное усилие до тех пор, пока оно не достигнет необходимой величины. Продолжительность выдержки наконечника под действием заданного усилия составляет 10– 15 секунд. После измерения твердости на обратной стороне заготовки не должно быть пластической деформации от отпечатка. Диаметр отпечатка измеряют с помощью микроскопа.  
 
 

   2.3 Расчет нагрева металла 

     Расчитаем время нагрева изделий до температуры начала фазовых превращений с помощью соляной ванны. Оно будет складываться из времени подогрева до 750˚С и времени нагрева под закалку до 1000˚.

     τ_∑= τ_{подогрева} +τ_{нагрева},                (8)

где τ_∑–общее время нагрева, мин;

   τ_{подогрева} – время подогрева до 750˚С , мин;

   τ_{нагрева} – время, необходимое для нагрева садки до 1000˚С, мин. 

     Расчет  проводи для пуансонов, с максимальным диаметром 102мм, длинной 239мм. Пуансоны укладываются в ванну в количестве 9 штук, при котором изделия буду полностью погружены в расплав соли, с целью максимальной производительности печи. На рисунке 11 схематически изображена укладка деталей.

     

     Рисунок 11 – Схема укладки изделий  в печь

      После загрузки холодного изделия в  печь происходит интенсивный разогрев его поверхностных слоёв. Нагрев центральных слоев происходит с меньшей скоростью из-за термического сопротивления изделия[5].

     Величина  перепада температуры по толщине  изделия зависит от соотношения термического сопротивления изделия к термическому сопротивлению передачи тепла к его поверхности. Чем больше указанное отношение, тем больше перепад по толщине изделия. В теории теплообмена отношение внутреннего термического сопротивления к внешнему термическому сопротивлению на его поверхности определяется числом Био:

,         (9)

где – внутреннее термическое сопротивление изделия.

     S – характерный геометрический размер изделия: для пластины - половина её толщины при двустороннем нагреве и полная толщина в случае одностороннего нагрева, для цилиндра и шара – их радиусы. S=61мм;

   λ – коэффициент теплопроводности  металла. λ=29,5;

  - внешнее термическое сопротивление;

   α – коэффициент теплоотдачи.

      В монографии [8] содержатся основные данные о коэффициенте теплопередачи смеси солей BaCl₂+NaCl. За цикл с 20˚С до 900˚С α_ср=400 ккал/м²*час*˚С = 450 Вт/м²К.

     За  условную границу между тонким и  массивными изделиями принимают  такое сечение, для которого число  Био равно 0,25; при этом значении Био  максимальный перепад температуры по сечению изделия составляет 10% от разности начальных температур изделия t_o и внешней среды, то есть       . Таким образом, если критерий Био меньше 0,25, то расчеты выполняются по формулам для тонких изделий, если же число Био больше 0,25 – по методике принятой для толстых изделий.

     В отличие от печей с газовой  средой, при нагреве изделий в  печах–ваннах теплообмен лучеиспусканием  отсутствует, так как жидкие среды  практически непрозрачны для лучистой энергии. Передача тепла от жидкости к поверхности погруженного в нее изделия происходит путем теплообмена теплопроводностью и конвекцией.

     Рассчитаем  коэффициент Био:

     

     Так как критерий Био получился больше 0,25 то дальнейший расчет времени нагрева будем вести по формулам для теплотехничекски массивных изделий.

     Определяем  температурный коэффициент:

t_п – температура печи, ˚С;

t_поа – температура поверхности нагреваемого тела, ˚С;

t_о – начальная температура изделия, ˚С

     При подогреве до 750˚С:

     

     При нагреве под закалку до 1000˚С:

     

     Используя найденные значения , по номограммам Будрина определяем критерий Фурье:

       

   Время нагрева в каждом температурном  интервале рассчитывается по формуле:

    – коэффициент температуропроводности, м²/с, определяеоемый по формуле:

Средняя плотность стали  в пределах температур [20-750] и [750-1000] равна:

 соответственно.

Средняя теплоемкость стали 4Х5МФС в интервале температур [20-750] и  
[750-1000] равна:

 соответственно.

Тогда коэффициенты температуропроводности будут равны:

      В итоге, время, затрачиваемое на подогрев, и время, затрачиваемое на нагрев под закалку будет равно:

      Вычисляем общее время, которое изделия  будут находиться в печи:

 

   2.4 Тепловой расчет электродной печи–ванны СП–35/15 

     Тепловой  расчет печи сводится к составлению  теплового баланса, который представляет собой уравнение, связывающее приход и расход тепла. Тепловой баланс действующей  печи составляют с целью определения  технико-экономических показателей ее работы [7]. 

Тепло, расходуемое на нагрев металла 

     Тепло, расходуемое на нагрев металла можно  вычислить последующему выражению:

      ,     (11)

где G–вес садки, кг;

   τ_н– время нагрева изделий в печи, с; τ_н=24,3мин=1458с;

   с – средняя теплоемкость стали 4Х5МФС в интервале температур от t_мн до t_мк, Дж/(кг∙К); с=564 Дж/(кг∙К)

   t_мн – начальная температура металла, ˚С; t_мн=750˚С;

   t_мк – конечная температура нагрева металла, ˚С; t_мк=1000˚С.

   Вес одной детали G₁ можно определить по формуле:

     G=V∙ρ,      (12)

где V– объем одной детали (пуансона), м³;

   ρ– средняя плотность стали 4Х5МФС в интервале температур от t_мн до t_мк.

    Используя эскиз пуансона, приведенного рисунке 1 находим объем детали. Для этого  разбиваем рассматриваемую деталь на четыре цилиндра и один усеченный конус. Находим объем каждого цилиндра и одного усеченного конуса, затем суммируем полученные объемы:

 (13)

Среднюю плотность стали 4Х5МФС в интервале  температур от t_мн до t_мк, используя справочные данные найдем из выражения (11):

      ,  (14)

   где ρ₇₀₀=7446 кг/м³, ρ₁₀₀₀=7395 кг/м³ – значения плотности для стали 4Х5МФС при температуре 750˚С и 1000˚С соответственно.

Подставим полученные значения V и ρ в формулу (12):

     G₁=1,6∙10^{– 3}∙7440,5=12,95 кг.

Садка печи состоит из девяти деталей, поэтому вес садки составляет: 

     G= G₁∙9=12,95∙9=116,55 кг.     (15)