Проект реконструкции участка для термообработки пружин слитковоза

48

3

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовой проект

По курсу Проектирование и оборудование термических цехов

Проект реконструкции участка для термообработки пружин слитковоза

Выполнил

Муравьев Р.С.

ВВЕДЕНИЕ

Термическая обработка является составной частью большинства технологических процессов изготовления деталей машин, инструмента и полуфабрикатов. При этом повышаются их свойства, что позволяет уменьшить массу деталей машин и конструкций, получить значительного экономию металла, повысить надежность и эксплуатационную стойкость изделий. Поэтому термическая обработка нашла широкое использование на машиностроительных и многих других заводах. В ряде случаев при термической обработке применяются трудоемкие технологические процессы и громоздкое оборудование (камерные печи, печи с выдвижными подами и др.). Одним из главных направлений технологического прогресса в оборудовании и организации термических цехов является механизация автоматизация с целью интенсификации производственных процессов. Автоматизация и механизация производства резко повышают производительность труда, обеспечивают постоянство и точность проведения технологического процесса, улучшают качество продукции, облегчают труд рабочего.

1. АНАЛИЗ УСЛОВИЙ РАБОТЫ ИЗДЕЛИЯ, ТРЕБОВАНИЯ ТУ К НЕМУ И ВЫБОР МАРКИ СТАЛИ

Пружинные стали предназначены для изготовления пружин, упругих элементов, пружинящий деталей приборов и механизмов, а также рессор различного типа.

1.1 Классификация и условия работы пружин

По способу изготовления пружинные стали делят на стали, упрочняемые путем пластической деформации и последующего стабилизирующего отпуска, и стали, упрочняемые путем закалки на пересыщенный твердый раствор и последующего отпуска. Пружинные материалы наиболее часто используют в виде проволоки или ленты, из которых затем путем навивки, резки или вырубки изготавливают пружины и пружинящие детали необходимой конфигурации. При получении пружинной проволоки или ленты нередко применяют совмещенный способ упрочнения, включающий закалку на пересыщенный раствор и пластическую деформацию с последующим отпуском.

Пружины являются упругими элементами разнообразных машин и приборов, предназначенных для создания, восприятия или гашения ударов, колебаний, сотрясений, а также для привода подвижных частей или для измерения усилий.

По характеру работы различают пружины, работающие на сжатие, растяжение, кручение, и специальные, воспринимающие комбинированную загрузку, в основном изгиб. По форме пружины делятся на винтовые, спиральные, тарельчатые и др (рис. 1.1). Различные типы пружин могут эксплуатироваться при статическом приложении загрузок (например, постоянное сжатие), при динамических загрузках (буферные пружины) и многократных динамических загрузках с большим числом циклов нагружения различной частоты (пружины клапанов двигателя).

48

3

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1.1 - Эскиз пружины

1.2 Требования по механическим свойствам пружин

Основной рабочей характеристикой пружин является их жесткость, т.е. их способность деформироваться на определенный размер при заданных нагрузках. Величина и постоянство рабочих нагрузок, а также отсутствие поломок и изменения размеров (проседание, растяжение) характеризует качество пружин.

Наибольшее распространение в технике имеют винтовые пружины. Крупные винтовые пружины изготавливают из прутков диаметром более 12 мм, средние -- из проволоки или прутков диаметром 1,5-12 мм. Мелкие пружины изготавливают из проволоки диаметром 0,2-1,5 мм.

В большинстве пружин материал работает на кручение, поэтому для расчету пружин используют модуль сдвига материала и допускаемое напряжение при кручении. Пружины не испытывают деформации растяжения, однако существует корреляция между механическими проволоки на растяжение и работоспособностью пружины. Это обстоятельство, а также методические удобства определения, обусловили широкое использование испытаний на растяжение для оценок качества пружинных материалов.

По назначению пружинные стали можно разделить на стали общего и специального назначения. Стали общего назначения предназначены для изготовления изделий, обладающих высоким пределом упругости и релаксационной стойкостью, при достаточной пластичности и вязкости и для пружин работающих при циклических нагрузках, и высоким сопротивлением усталости. Рабочая температура таких пружин обычно не превышает 100 -- 120 °С Стали специального назначения предназначены для изготовления изделий, к которым кроме необходимого высокого комплекса механических свойств (предел упругости, сопротивление релаксации напряжений, пластичности и др.) предъявляют требования по обеспечению специальных физико- химических свойств (коррозионной стойкости, немагнитности, интервале 200 - 400° С и выше. В некоторых случаях необходимы пружины для работы при теплостойкости и др.). Температуры эксплуатации таких пружин находятся в отрицательных температурах. Имеются высоколегированные пружинные сплавы с заданными коэффициентами линейного расширения, независимым от температуры модулем упругости и др.

1.3 Выбор марки стали

Требования к свойствам пружинных сталей, определяются условиями работы пружин и механизмов, которые могут быть исключительно разнообразны. Наиболее общим требованием ко всем пружинным сталям является обеспечение высокого сопротивления малым пластическим деформациям (предел упругости) и релаксационной стойкости (сопротивление релаксации напряжений).

Предел упругости пружинных сталей определяют при некотором допуске на остаточную деформацию, равном обычно 0,03-0,005%.

Высокая релаксационная стойкость пружинных сталей обеспечивает точность и надежность работы пружин и упругих элементов, постоянство во времени эксплуатационных свойств.

Для изготовления пружин общего назначения применяют стали, состав и механические свойства, которых приведены в таблице 1.1.

Для производства пружин слитковозов также можно применить сталь 60С2ХА. Данная сталь применяется для производства тяжело нагруженных пружин. Для данной работы принимаем диаметр прутка пружины 75 мм; при этом масса одной пружины равна 77,5 кг и ее размеры - 300x400 мм. Сталь 75ХМФ, не содержит дефицитных и дорогих легирующих элементов, и в плане цены несомненно она наиболее выгодная из данных марок стали, но ее механические свойства не соответствуют необходимым для условий работы. Сталь 60С2Н2А удовлетворяет нас по механическим свойствам, но содержит дефицитный и дорогой Ni, поэтому мы вынуждены отказаться от ее использования. А сталь 50ХФГА, удовлетворяет нас и по механическим свойствам и не содержит особо дорогостоящих легирующих элементов. Ее мы будем использовать в проекту.

Таблица 1.1 - Химический состав сталей

Марка стали	С	Si	Mn	Ni	S	Р	Cr	Мо	V	Си
75ХМФ	0,7- 0,8	0,2-0,6	0,2- 0,7	До 0,3	До 0,04	До 0,04	1,4-1,7	0,1- 0,3	0,05- 0,25	-
60С2Н2А	0,56-0,64	1,4-1,8	0,4- 0,7	1,4-1,7	До 0,025	До 0,025	До 0,3			До 0,2
50ХФГА	0,48-0,55	0,17-0,37	0,8-1	До 0,25	До 0,025	До 0,025	0,95-1,2		0,15- 0,25	До 0,2

Таблица 1.2 - Критические точки и механические свойства при 20 °С

Марка стали	Ас1, °С	Ас3, °С	ув	уm	д 5	д	KCU
75ХМФ	760	790	750	430	19	41	240
60С2Н2А	765	780	1470	1325	8	30	410
50ХФГА	750	790	1422	1324	6	35	400

в - Предел кратковременной прочности, [МПа]

уm - Предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), [МПа]

д 5- Относительное удлинение при разрыве, [ % ]

д - Относительное сужение, [ % ]

KCU - Ударная вязкость, [ кДж / м2]

Химический состав стали 60С2ХА

Химический элемент	%
Кремний Si	1.4-1.8
Медь (Сu), не более	0.20
Марганец (Мn)	0.40-0.70
Никель (Ni), не более	0.25
Фосфор (Р), не более	0.025
Хром (Сr)	0.70-1.0
Сера (S), не более	0.025

Механические свойства в зависимости от температуры отпуска

Термообработка, состояние поставки	s0,2, МПа	sВ, МПа	d5, %	у,%	KCU, Дж/м2	НВ
Пружины. Отжиг 860 °С, горячая навивка 850-890°С. Закалка 850-870 °С, масло. Отпуск 400-420 °С	1570	1760	5	20	29	420-475
Т отпуска, °С	s0,2, МПа	sВ, МПа	d5, %	у,%	KCU, Дж/м2	НRСэ
Закалка 880-890 °С
200					23	59
250	2270	2380		28	27	58
300	2210	2340	6	26	36	58
350	2020	2240	8	26	23	57
400	1830	1990	8	38	37	52
450	1600	1730	9	39	53	48
500	1400	1530	10	38	47	44
550	1240	1380	10	38	60	40

1.4 Влияние легирующих элементов на механические свойства

Обработку пружинной проволоки и ленты путем закалки на мартенсит с последующим отпуском проводят на углеродистых и легированных сталях. Термическую обработку проволоки и особенно ленты часто проводят на закалочно-отпускных агрегатах непрерывного действия, хотя во многих случаях закалке и отпуску подвергают и готовые пружины.

В тонких сечениях пружинная проволока и лента углеродистых сталей имеют сквозную прокаливаемость, поэтому легирование пружинных сталей осуществляется в основном для повышения предела упругости и сопротивления релаксации напряжений. При этом следует иметь в виду, что углеродистая сталь может иметь высокий предел упругости, но с другой стороны, он достигается при таких температурах и выдержках при отпуске, когда еще точна пластичность (вязкость) стали, а с другой стороны, предел упругости углеродистых сталей очень чувствителен к отпуску, в то время как легированные стали сохраняют высокий предел упругости в более широком интервале температур и выдержек отпуска.

При легировании пружинных сталей кремнием, молибденом, вольфрамом растет их релаксационная стойкость при комнатной и повышенной температурах.

На рисунке 2.1 показаны изменения свойств феррита (твердость, ударная вязкость) при растворении в нем различных элементов. Как видно из диаграмм, хром, молибден, вольфрам упрочняют феррит меньше, чем никель, кремний и марганец. Молибден, вольфрам, а также марганец и кремний (при наличии более 1 %) снижают вязкость феррита. Хром уменьшает вязкость значительно слабее перечисленных элементов, а никель не снижает вязкости феррита. В рассматриваемом случае легирующие элементы должны обеспечить сквозную прокаливаемость стали и комплекс механических свойств. Легирующие элементы изменяют кинетику всех процессов (фазовых и структурных превращений) при закалке и особенно при отпуске, изменяют конечные результаты этих процессов и тем самым оказывают существенное влияние на весь комплекс свойств. Наиболее важными факторами, обуславливающими степень упрочнения, являются: дисперсность, количество и распределение карбидной фазы, а также размер исходного зерна аустенита. В улучшаемых сталях при высоком отпуске снижается плотность дислокаций, поэтому размер исходного зерна имеет меньшее значение.

Легирующие элементы - Сr и Мо, увеличивают дисперсность карбидной фазы и ее устойчивость, способствуют упрочнению стали. Вредные примеси - S,Р и скрытые примеси - N, Н, О, понижают пластичность и вязкость. Все легирующие элементы задерживают процессы, совершающиеся при отпуске закаленных сталей. Образование карбидов легирующих элементов может происходить путем превращения (Fе, л.э)3С в карбид легирующего элемента (механизм образования «на месте») или путем образования карбида легирующего элемента из твердого раствора феррита (механизм «старение»). Эти процессы приводят к существенному повышению прочности без снижения пластичности и вязкости стали.

Влияние углерода.

Углерод обязательный элемент в стали любого состава, так как только при сплаве с углеродом железа превращается в сталь и приобретает способность резко менять свои свойства при термической обработке (рис. 2.3).

Введение углерода преследует четыре цели:

- дополнительное повышение прочности стали за счет карбидной фазы;

- возможность переохлаждения г-фазы до мартенситной точки. Для достижения высоких значений характеристик прочности при закалке легированного феррита требуется большая скорость охлаждения, трудно достигаемая во внутренних слоях реальных изделий. Углерод необходим для увеличения прокаливаемости за счет уменьшения скорости г--б превращения;

- при введении в сталь углерода после высокого отпуска сталь имеет сорбитную основную массу, обладающую меньшей склонностью к хрупкому разрушению, чем в феррите.

- выплавка стали, содержащей углерод происходит легче и экономически выгоднее, чем выплавка легированного феррита

.

а) Содержание легирующего элемента, %

б) Содержание легирующего элемента, %

Рисунок 2.1 - Влияние легирующих элементов на свойства феррита: а - твердость; б - ударная вязкость.

Рисунок 2.2 - Температура хрупкого перехода феррита технической чистоты в зависимости от содержания легирующего элемента в нем.



Рисунок 2.3 - Влияние содержания углерода: (а) на механические свойства углеродистых сталей со структурой феррито-карбидной смеси; (б) изменение порога хладноломкости и энергии разрушения (U) для сталей со структурой феррито-карбидной смеси.

Влияние хрома

Хром - сильный карбидообразующий элемент. С углеродом он дает различные карбиды, которые значительно прочнее и устойчивее цементита. В стали карбиды хрома являются всегда двойными, или сложными: часть хрома в них замещена железом, или другими элементами. Чем выше содержание хрома, тем богаче хромом образующиеся карбиды.

В железоуглеродистых сплавах могут одновременно существовать карбиды нескольких типов. Определить точный состав таких карбидов химическим анализом очень трудно и результаты фазового анализа карбидного осадка часто очень различаются.

Под влиянием хрома г-область из диаграммы состояния Fе-С замыкается, т.е. хром является ферритозамыкающим элементом.

Точки Е и S под влиянием хрома повышается и одновременно перемещается влево в сторону пониженного содержания углерода.

При содержании хрома более 1,0% на диаграмме изотермического превращения аустенита появляются два минимума устойчивости аустенита: около 600°С - в области температур перлитного превращения и около 350°С - в области температур образования игольчатого троостита.

Хром значительно увеличивает инкубационный период и время полного распада аустенита.

При нагреве стали карбиды хрома переходят в твердый раствор при более высокой температуре, чем цементит, и препятствует росту зерна аустенита, поэтому сталь с хромом менее склонна к перегреву, чем просто углеродистая.

Хром также резко увеличивает склонность аустенита к переохлаждению и значительно снижает критическую скорость закалки, поэтому стали с хромом >1% можно закаливать в масле. Понижая критическую скорость закалки, хром увеличивает прокаливаемость и теплостойкость стали.

Из рисунка 2.1 как уже говорилось, видно, что при содержании Сr до 1 % ударная вязкость повышается, а затем понижается. При содержании Сr более 1-1.5% твердость стали повышается незначительно.

Влияние молибдена

Молибден - сильный карбидообразующий элемент. С углеродом он дает устойчивые стабильные карбиды Мo2С и МоС, но в стали с содержанием молибдена менее 8-10 % в основном существуют только сложные FеМо карбиды типа цементита - (FеМо)зС.

При нагреве стали в процессе ковки, прокатки и термообработки молибден затрудняет рост зерна и сталь становится менее чувствительна к перегреву.

Молибден понижает концентрацию углерода в перлите и на диаграмме Fе-С сдвигает точку S влево.

Молибден сильно понижает критическую скорость закалки, особенно в

Молибден уменьшает чувствительность доэвтектоидной легированной стали к скорости охлаждения после высокого отпуска и чрезвычайно сильно понижает отпускную хрупкость стали. Во многих случаях добавка 0,2-0,3 % Мо в сталь устраняет склонность к отпускной хрупкости.

Чем больше чувствительна сталь к скорости охлаждения после высокого отпуска, тем больше нужно вводить в нее Мо для устранения этого порока. Однако в конструкционной стали при количестве Р менее 0,04% обычно уже 0,2-0,3% Мо вполне достаточно для значительного уменьшения или полного уничтожения отпускной хрупкости.

Влияние кремния

Строение кристаллической решетки Si сильно отличается от решетки Fе, поэтому, растворяясь в Fе, Si резко искажает атомнокристаллическую решетку Fе, таким образом повышает твердость и прочность феррита. Это свойство Si используется при легировании малоуглеродистой конструкционной стали.

Кремний понижает концентрацию углерода в перлите и уменьшает предел растворимости углерода в аустените, т.е. на диаграмме Fе-С сдвигает точки S и Е. Чем выше содержание Si в сплаве, тем выше становится температура перлитного превращения и меньше концентрация углерода в перлите.

Кремний не образует карбидов, а наоборот, препятствует их образованию, являясь одним из сильных графитизирующих элементов.

Si сам по себе не вызывает отпускной хрупкости стали, но в присутствии других легирующих элементов, например Мn и Сr, Si увеличивает ее.

При отпуске закаленной стали под влиянием Si повышается устойчивость мартенсита, и температура его распада смещается в сторону более высоких температур. Кроме того, при отпуске стали мелкозернистые частицы карбидной фазы укрупняются с очень малой скоростью, поэтому сорбитная структура размягчается при более высоких температурах, т.е. повышается устойчивость против отпуска.

Si применяют в качестве раскислителей в стали. Он входит в твердый раствор и способствует упрочнению стали.

Кремний практически полностью находится в феррите, повышая его прочность и твердость снижая пластичность, поэтому его влияние наиболее эффективно в сталях с низким содержанием углерода, в которой есть большое количество феррита.

Влияние марганца

Марганец - карбидообразующий элемент, с углеродом образует карбид марганца Мn3С, более устойчивый и прочный, чем карбид Ме3С. При введении Мn в Fе-С сплавы, чистые карбиды марганца не образуется, а получается всегда сложные карбиды цементитного типа (Fе,Мn)3С, в которых часть атомов железа замещена атомами марганца.

Марганец понижает концентрацию углерода в перлите и на диаграмме Fе-С сдвигает точку S влево. Точка Е под влиянием Мn смещается вправо, т.е. Мn увеличивает растворимость С в аустените.

Мn относится к таким легирующим элементам, которые способствуют переохлаждению аустенита и увеличивают его устойчивость к перлитному превращению. При закалке стали с повышением содержания марганца понижается температура мартенситного превращения и увеличивается количество остаточного аустенита.

В стали ЗОХМА содержание Мn равно 0,4-0,7%. При таком содержании марганец понижает порог хладноломкости феррита (см. рисунок 2,2), повышает ударную вязкость и твердость (см. рисунок 2.1), повышает прокаливаемость стали.

При содержании Мn до 1% он практически не влияет на пластичность, благоприятно действует на свариваемость, ковкость и прокаливаемость.

Влияние фосфора и серы.

Растворимость фосфора в б- и г-железе значительно выше, чем содержание фосфора в стали, как примеси. Поэтому фосфор в стали целиком находиться в твердом растворе, и его влияние на свойства проявляются только в изменении свойств феррита и аустенита. Вредное влияние фосфора на свойства может усугубиться из-за сильной склонности к ликвации.

Действие фосфора на свойства феррита (рис. 2.4) проявляется в его упрочняющем влиянии и особенно в усилении хладноломкости стали, т.е. повышение температуры перехода из вязкого состояния в хрупкое.

Несмотря на то, что содержание фосфора в стали обычно 0,03-0,04%, он увеличивает предел текучести феррита на 20-30 МПа. В то же время увеличение содержания фосфора в пределах сотых долей процента может вызвать повышение порога хладноломкости на несколько десятков градусов благодаря сильному уменьшению работы распространения трещины.

В конструкционных улучшаемых сталях фосфор ответственен за проявление обратимой отпускной хрупкости. В том случае влияние фосфора на порог хладноломкости особенно сильно повышает температуру перехода на 40°С. Сера, при комнатной температуре ее растворимость в б-железе практически отсутствует. Поэтому вся сера в стали связана в сульфиды железа и марганца и частично сульфиды легирующих элементов. С повышением температуры сера растворяется в б- и г-железе, хотя незначительно, но до вполне определенных концентраций. Поэтому сернистые включения могут видоизменяться при термообработке стали. Если сера связана в сульфид железа FеS, то при относительно низких температурах деформации стали вследствие расплавления эвтектики сульфида, наблюдается красноломкость стали. При более высоких температурах горячей пластической деформации возможна горячеломкость стали, обусловленная расплавлением находящихся по границам первичных зерен аустенита, включений сульфида железа.

Сера также ухудшает механические свойства стали, снижает вязкость (рис. 2.5). Поэтому содержание серы в стали строго ограничивается и допускается не выше нескольких сотых долей процента.

48

3

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2.4 - Влияние фосфора на аи и ат и ударную вязкость КСи низкоуглеродистой феррито-перлитной стали (0,2% С, 1% Мп).



Рисунок 2.5 - Зависимость ударной вязкости нормализованной стали типа 45 от содержания в ней серы.

В пружинных сталях общего назначения, обрабатываемых закалкой на мартенсит с последующим отпуском, содержание остаточного аустенита должно быть минимальным. Остаточный аустенит даже в небольших количествах (2-4%) значительно понижает предел упругости стали и сопротивление релаксации напряжений, а при больших количествах (8-15%) может вызвать поломку пружины при заневоливании (выдержке под напряжением) или в процессе работы вследствие протекания изотермического мартенситного превращения, инициируемого внешней нагрузкой.

Проволока и лента, упрочняемая путем закалки на мартенсит и отпуска, имеют более высокие значения предела упругости и сопротивления релаксации, а также более высокие силовые характеристики пружин.

Пружинные стали общего назначения легируют элементами, повышающими предел упругости и сопротивление релаксации. В качестве легирующих элементов используют до 2,5% Si, до 1,0% Мn, до 0,5% Сr, Мо, W или V [4 с. 208]. Особенно благоприятно легирование пружинных сталей, упрочняемых путем закалки на мартенсит и отпуска, кремнием, который интенсивно повышает предел упругости. Однако содержание кремния ограничено 2,5-3,0%, так как при больших его значениях снижается пластичность и увеличивается вероятность графитизации при отжиге.

Графики влияния легирующих элементов на механические свойства.

Рисунок 1.2 - Влияние фосфора на ув и ут и ударную вязкость КСU

Легирующий элемент, % (ат.)

Рисунок 1.3 - Зависимость предела текучести железа от содержания легирующих элементов замещения



Рисунок 1.4 - Влияние температуры отпуска на твердость стали с разным содержанием ванадия

2. Выбор технологического процесса

Для изготовления пружин используют термически обработанную на заданный уровень прочности или холоднодеформированную, предварительно термически обработанную проволоку или ленту. Закаленная и отпущенная пружинная проволока или лента изготавливается из углеродистых и легированных сталей.

Пружины, изготовленные из термически обработанной ленты, подвергают отпуску при 240-250°С в течении 1ч для уменьшения внутренних напряжений и дополнительного распада остаточного аустенита, который может сохранится в структуре исходной ленты. Нагрев проводят в газовых печах в воздушной среде с тем, чтобы по плоскости среза при вырубке произошло образование тонкой окисной пленки, которая улучшает коррозионную стойкость пружин.

Основным видом термической обработки пружин является закалка с отпуском. Закалка должна обеспечить получение в структуре мартенсита без участков троостита и с минимальным количеством остаточного аустенита. Остаточный аустенит обладает пониженным пределом упругости, что снижает сопротивление малым пластическим деформациям. Возможное превращение остаточного аустенита в мартенсит вызывает понижение релаксационной стойкости и склонности к замедленному разрушению. В связи с этим целесообразно после закалки проводить обработку холодом. Для выбранного типа пружин закалку холодом не применяем.

Релаксационная стойкость стальных пружин при равных значениях предела прочности после закалки и отпуска выше, чем после деформационного наклепа и отпуска, что связано с более равномерным распределением дислокаций в первом случае.

Для данного изделия выбираем режим: закалка с отпуском.

Режим термической обработки для пружинной стали 50ХФГА

tзак=850 оС; tзак=470 оС (3.1) [4, с. 202].

3. Определение температуры нагрева пружин и режима нагрева

Изделия из доэвтектоидных углеродстых и низколегированных сталей нагреваются при закалке, нормализации и отжиге до температуры:

tтк=АС3+( 3060),°С (3.1)

tтк = 790 + 60 = 850°С

При нагреве изделий из сталей, легированных карбидообразующими элементами к значениям АС1 и АС3 добавляется 50-60°С, а если нагреваются изделия из углеродистых сталей и из сталей, легированных некарбидообразующими элементами, добавляется 30-40°С. Расчет времени нагрева необходимо начинать с определения критерия Био:

(3.2)

где а - коэффициент теплоотдачи, Вт/м2?К;

S - полутолщина или радиус изделия в наиболее массивной его части, м.

л- коэффициент теплопроводности, Вт/ м2?К.

Поскольку б и л при нагреве изделия изменяются, то Вi обычно определяется по их средним значениям, то есть

(3.2)

Средний коэффициент теплопроводности определяется как

среднеарифметическое значение из начальной и конечной его величин, которые приводятся в справочных таблицах.

Величину бср находим расчетом. В топливных печах и вентиляторных электрических печах а состоит из двух составляющих и определяется выражение:

а =ак +а ,Вт/м2 К, (3.4)

где ак - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/м2?К;

алср - средний коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием, Вт/м2?К.

Величина ак зависит от скорости движения печных газов в рабочем пространстве и практически не зависит от температуры печи.

ак = 5,3 + 3,6 * 2 = 12,5 м/с;

Средний коэффициент теплоотдачи излучением определяется по выражению:

, Вт/м2?К (3.5)

где С0 = 5,67 - коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/м2?К4

пр = 0,6 - приведенная степень черноты при нагреве в термических

печах с окислительной атмосферой;

Тс- температура печи, 0К ;

Тмн и Тмк - соответственно температура металла при посадке в печь и в конце нагрева, 0К.

В термических печах обычно:

Тс = Тмк + (2040)°.

Тмн = 20 °С; Тмк = АС3 + 60°С= 850°С; Тс = 850 + 30 = 880°С;

=

=124,13 Вт/м2?К

Подставим бк и бср, найдем бср

бср=12,5+124,13=136,63 Вт/м2?К.

Найдем коэффициент Bi:

Bi<0,25, нагреваемое изделие считается теплотехнически тонким.

При определении времени нагрева «тонкого» тела используется формула:

(3.6)

где Kэ - коэффициент экранирования, зависящий от укладки изделий в печи;

m -- масса изделия, кг;

Сср - средняя теплоемкость, Дж/кг?К;

аср - средний коэффициент теплоотдачи, Вт/м2?К;

F - площадь тепловоспринимающей поверхности изделия, м2;

tс - температура печи, °С ;

tмн, и tмк - соответственно начальная и конечная температура изделия, °С .

Средняя теплоемкость равна:

m = 77,5 кг;

Кэ=1.

Площадь тепловоспринимающей поверхности изделия:

F = = 3,14 * 0,05 * 3,925 = 0,61623, м2;

Время полученное расчетом, необходимо проверить. Для этого нужно определить время нагрева по соответствующей номограмме Будина и сопоставить его с полученным. Для определения по номограмме кроме критерия Bi необходимо вычислить температурный критерий и

(3.7)

где . - конечная температура поверхности тонкого тела

=

Из номограммы мы нашли критерий Фурье (Fо=15), с его помощью определили.

(3.8)

Находим время нагрева определяемое номограммой

(3.9)

где a - коэффициент температуропроводности, м21с

Время нагрева, определенное по номограмме

= 7812,5с = 2,17 часа

Расхождение с нашими вычисленным составляет менее 20 %. Значит наши расчеты верны

Для теплового расчета печи и ее теплотехнических показателей имеет существенное значение правильность назначения времени выдержки садки после ее нагрева до заданной температуры, а также времени ее охлаждения, если садка охлаждается в печи, то есть при отжиге. Время выдержки составляет 40% от времени нагрева:

?40% = 1,85?40% = 0,74часа

При закалке в масле скорость охлаждения получается значительно меньшая, чем в воде. В первый период, при температуре 650--550°С, масло охлаждает со скоростью примерно в 6 раз меньшей, чем циркулирующая вода. Этого уже недостаточно для закалки углеродистых сталей, но вполне подходит для легированных. Зато во второй период, при температуре 200°С, скорость охлаждения в масле в 28 раз ниже, чем в воде. Это значительно уменьшает закалочные напряжения и опасность образования трещин. Такое преимущество масла позволяет закаливать в нем крупные детали сложной формы, не опасаясь возникновения трещин. Закаливающая способность масел мало зависит от температуры. Так, при нагреве до 120--150°С скорость охлаждения в масле изменяется всего на 50°С/с. Практически это не влияет на результаты закалки. Не следует, однако, с учетом противопожарной безопасности допускать, чтобы температура закалочного масла была более 80--90°С. Перегретое масло слегка дымит. Это опасный признак. В случае вспышки масла бак следует немедленно закрыть крышкой или листами железа. Промышленностью освоен выпуск специальных закалочных масел серии МЗМ. Они содержат присадки, повышающие стойкость против окисления, улучшающие моющие свойства и снижающие пенообразование. Масло МЗМ-16 обладает высокой химической стойкость. Универсальность масла МЗМ-16 заключается в свойстве не вступать в химические реакциями с металлами в процессе их закалки. Закалочное масло МЗМ-16 может использоваться в работах как на открытом воздухе, так и в закрытом помещении.

Мойка

Выбор параметров отпуска:

Обеспечение пружинных свойств детали (достаточная прочность и высокая пластичность) может быть достигнуто при получении структуры троостит отпуска. Такая структура может быть получена в результате среднетемпературного отпуска. Так как при таком виде отпуска закаленное растянутое зерно мартенсита начинает сфероидезироваться. Снимаются сильные растягивающие напряжения в стали и что важно практически не наблюдается падение твердости. Время выдержки при отпуске составляет 40% времени нагрева.

Нагрев под отпуск проводят в печи.

Охлаждение на воздухе.



Рисунок 3.1 - График термической обработки

4. Контроль качества

Наружный осмотр. На поверхности пружин не допускаются трещины, риски, волосовины и другие грубые дефекты. Для контроля ответственных пружин используют магнитную дефектоскопию.

Испытания под рабочей нагрузкой. Определяется высота пружины при минимальных и максимальных рабочих нагрузках. Часто используют обжатие до соприкасания витков, при этом пружины из патентированной проволоки при первом обжатии дают остаточную деформацию, при последующих обжатиях значительного изменения свободной высоты не наблюдается, пружина становится стабильной. Динамические испытания. Эти испытания выполняют на копрах йод ударами свободно падающей бабы. Качество пружин оценивается наружным осмотром и измерением свободной высоты.

Испытания длительной нагрузкой. Они характеризуют релаксационную стойкость пружин. Их применяют для особо ответственных пружин, эксплуатируемых при динамических и циклических нагрузках. Заневоливание выполняют путем выдержки пружин в сжатом состоянии в течении определенного времени при комнатной или повышенной температурах.

Длительное заневоливание (в течении не менее 12 ч) применяют для пружин, поломка которых может вызвать аварию механизма. При этом испытывают надежность пружин при длительной нагрузке и достигают ограничение релаксации пружины при эксплуатации, то есть сохранение несущей способности пружины в установленных допусками пределах при заданной ее осадке. При выдержке под нагрузкой в пружине происходит релаксация напряжений, проявляющаяся в осадке пружины; при последующей эксплуатации осадка пружин увеличивается незначительно. Заневоливание обычно проводят при напряжениях на 10% выше рабочих напряжений в готовой пружине. Для крупных винтовых пружин рекомендуют заневоливание при напряжениях 0,5 в течении 20-30 часов.

5. Выбор и расчет оборудования

Термическая обработка пружин заключается в закалке и отпуска с целью снижения остаточных напряжений.

Следовательно, термообработка включает: нагрев под закалку, охлаждения и отпуск. Поэтому, для термической обработки пружин необходимо выбрать основное оборудование, для выполнения технологических операций, связанных с нагревом и охлаждением деталей.

Выпуск пружин слитковоза в РМЦ - 2 МК «Ильича» не является массовым. Поэтому печи непрерывного производства использовать не целесообразно, так как они эффективны только в условиях массового производства. Для нагрева под закалку пружин слитковоза длинной 785 мм массой 77,5 кг могут быть использованы печи камерные с неподвижным подом (ТНО, СНО), камерные с выдвижным подом (ТДО, СДО), а также шахтные печи (ТШО, СШЗ).

Полумуфельные шахтные печи имеют увеличенные габаритные размеры и объем кладки, а следовательно, повышенные тепловые потери и повышенный расход топлива. Муфель представляет собой большой аккумулятор тепла, поэтому полумуфельные печи медленно разогреваются и медленно охлаждаются и являются не экономичны при частых остановках и смене режима. Муфель находится под действием высокой температуры с обеих сторон и сравнительно быстро выходит из строя.

Особенности камерной печи:

Камерная печь с выдвижным подом применяется для нагрева под закалку пружин. Под такой печи выполняется виде выдвижной тележки, футерованной шамотным кирпичом. Выдвижной под позволяет проводить загрузку и разгрузку деталей вне рабочего пространства печи при помощи мостового крана.

При отпуске закаленной стали 60С2ХА предел упругости сначала возрастает, а затем падает; максимальное его значение достигается при температуре отпуска 400-450 °С.

Формирование садки

Укладка деталей на поду печи производится горизонтально, в специальные выступы. Пружина имеет габаритные размеры 300-400 мм, поэтому на поду печи, размером 3000х2500 мм, пружины укладываются в один слой по 7шт вдоль и по 7шт поперек пода. Между пружинами остается расстояние для улучшения циркуляции печной атмосферы и равномерного нагрева (см. рис. 5.1).

Топливо для печи - природный газ. - удельная теплота сгорания которого равна 35069,6 кДж/м3 (как приведено в расчете)Печь работает на коксодоменном газе. Сгорания топлива происходит в рабочей камере. Для лучшего нагрева деталей горелки располагают выше уровня пода, детали нагреваются в результате лучеиспускания стенок и свода печи, а также конвекции горячих газов. Печь выполнена с отводом дыма вверх. На выходе отходящих газов установлен рекуператор для нагрева воздуха. Максимальная температура нагрева изделий достигает 1100 °С.

Кладка печи выполнена из шамотного, диатомового и красного кирпича и заключена в сварной металлический каркас. Под устанавливают на колесах. Для выкатки пода на значительное расстояния используют механизмы с грузовой цепью. Для подъема заслонок применяют электролебедки и гидравлические подъемники. В печи предусмотрен автоматический контроль температуры. Печь установлена на общий с рельсовыми путями фундаментом. Механизмы выкатки пода и лебеда механизма подъема располагаются в приямках фундамента.

Для удобства загрузки и выгрузки изделий краном пружины устанавливают на поду камерной печи в горизонтальном положении, поэтому формирование садки в камерных печах с неподвижным подом будет затруднено. Следовательно, нагружать пружины под закалку целесообразно в камерных печах с выдвижным подом.

Затраты на нагрев в печи типа ТДО будут несущественны, следовательно, нагрев пружин слитковоза под закалку целесообразно осуществлять в печи типа ТДО, так как она обеспечивает нагрев изделий, который удовлетворяет требованием ТУ.

Рассчитаем массу садки:

m=77,5?49+20=950 кг

6. Тепловой расчет нагревательного оборудования

Тепловой расчет печи производится с целью определения затрат топлива на 1 кг и годовое количество обрабатываемых изделий и определения по этому показателю теплотехнического уровня выбранной направленной установки .

Проведем упрощенный расчет расхода топлива печи ТДО.

Находим количество теплоты, необходимое для нагрева металла под закалку за год

(6.1)

где - количества тепла, затрачиваемая в год для выполнения данной операции переработки, кДж;

УГ - годовая масса нагреваемого металла, кг;

Сср - средняя теплоемкость, кДж/кгК;

соответственно начальная и конечная температура металла, °С.

По данным технологической практики с учетом номенклатуры пружин рассчитываем годовую программу по данному виду продукции:

Поп = 313,1 + 242,8 + 377,7 + 297,1 + 369,3 = 1600т

Таблица 6.1 - Расчетная программа термообработки цилиндрических пружин

№ п/п	Наименование изделия - пружины с диаметром прутка	Габаритные размеры, мм	Масса пружин, кг	Годовой выпуск изделий (пружин), т	Брак, %	Расчетный годовой объём термообработки пружин, т.
		Высота	Диаметр			Условный	Окончательный
1	20мм	215	180	19,2	307	1,2	0,8	313,1
2	25мм	220	184	19,4	238	1,4	0,6	242,8
3	36мм	240	192	19,6	371	1,3	0,5	377,7
4	50мм	300	220	20,4	291	1,4	0,7	297,1
5	75мм	785	655	77,5	361	1,4	0,8	369,3

= 1600000 * 0,57 * (1123 - 293) = 1600000 * 0,57 * 830 = 775200000/^ж?

Определим годовой расход энергоносителя

(6.2)

где - годовой расход тепла на данную операцию, кДж;

- теплотворная способность топлива, кДж/м3; =35069,6 кДж/л*3

- к.п.д. печи. =20%=0,2

Для определения тепловой мощности печи и закалки максимального часового расхода топлива рассчитаем количество теплоты 0/7, необходимой для нагрева одной садки изделий, m - Масса садки = 950кг:

,кДж(6.3)

= 150195 кДж

Затем, разделив на время нагрева фн и з, определим расчетную мощность Nр печи в кВт:

, (6.4)

Максимальный часовой расход коксодоменного газа:

(6.5)

Где -мощность топливной печи, кВт;

-теплотворная способность используемого топлива, кДж/м3.

Выбираем этот тип газа, так как он обладает достаточной теплотворной способностью и умеренной ценой.

=0,00399

7. Тепловой расчет рекуператора

В настоящее время недопустимо строить газовые печи без рекуператора. В связи с этим печь для нагрева под закалку ТДО оснастили рекуператором -- игольчатым, который имеет высокий коэффициент теплопередачи и позволяет экономить до 30% топлива. Так как ввиду отсутствие игл на дымовой стороне чугунных труб рекуператора приводит к высокой теплоустойчивости и меньшей засоряемости, чем у двусторонних игольчатых, то целесообразнее будет установить на печь ТДО конвективный рекуператор из чугунных груб односторонне-игольчатых.

У односторонне-игольчатых труб иглы находятся только на внутренней стороне, наружная сторона их гладкая. Воздух проходит внутри трубы, а дымовые газы омывают трубу снаружи. Труба с обеих сторон снабжена фланцами коробчатой формы, в которых сделаны отверстия для болтов и канавки для помещения специальной уплотнительной рекуператорной замазки при соединении фланцев одного с другим и с крепежными рейками. Боковые поверхности фланцев механически обработаны.

Тепловой расчет рекуператора производится для определения поверхности теплообмена, а затем и конструктивных размеров.

Поверхность теплообмена рекуператора F определяется по формуле:

(7.1)

гуде - физическое тепло подогретого воздуха, кДж;

К - коэффициент теплопередачи в рекуператоре, Вт/м2К;

- средне логарифмическая разность температур, °С

Физическое тепло зависит от принятой температуры подогрева воздуха и определяется из выражения:

=Vв?В?tв?Св (7.2)

где Vв - расходный коэффициент воздуха, м3 / м3;

В - средний расход газа, м3 /с;

tв - температура подогрева воздуха, °С ;

Св - средняя теплоемкость воздуха, кДж/м3К, [3, с. 232] Св =1,3302 кДж/м3К

= 10 * 0,003999 * 400 * 1,3302 = 21,23кВт.

После определения В и определяем, в какой мере экономится топливо в результате установки рекуператора из выражения:

(7.3)

8. Определение необходимого количества оборудоваия

Для термической обработки заданного годового количества изделий необходимо определить количество оборудования. Расчетное количество оборудования для любой операции определяется по формуле

(8.1)

где - годовая программа по данной операции, кг;

Рчос - часовая производительность печи или установки, кг/час;

ФД - действительный фонд времени работы оборудования, час. Производительность печей определяют расчетом по формуле:

(8.2)

где - масса садки в печи или в установке в кг с учетом массы приспособления кг., а - время загрузки, время нагрева, время выдержки и время разгрузки в часах.

Действительный фонд времени работы оборудования Фд определяется по формуле:

Фд =(Фк-В-Р)?Н?Т?Ки, час (8.3)

где Фк - календарное число дней в году;

В - количество выходных дней в году;

Р - число праздничных дней в году;

Н - число смен в рабочие сутки;

Т - длительность смены, час;

Ки = 0,9 - коэффициент использования оборудования, учитывающий потери времени на ремонт и переналадку оборудования.

Фд=(365-104-10)?3?8?0,9=5206 часа;

;

Вычислияем коэффициент загрузки:

9. Автоматизация технологических параметров нагревательных установок

Для удобства управления сложные процессы расчленяют на относительно самостоятельные участки регулирования. В пламенных печах это участки регулирования температурного режима, горения, давления в рабочем пространстве печи.

Регулирование температуры печи проводится по тепловым зонам, а в каждой тепловой зоне осуществляется от первичного датчика 1 (термоэлектрического термометра или термометра сопротивления или пирометра), помещенное в рабочие пространства печи. Сигнал от первичного датчика поступает на регулирующий прибор 4. на регулирующий прибор также поступает сигнал от датчика 5. Из регулятора 4 сигнал направляется через блок управления 6 в пусковое устройство 7 двигателя исполнительного механизма 8, который приведет в действие регуляторный орган 9 (клапан или заслонка), изменяя количества топлива, подаваемого в горелки. Со второго первичного датчика 1 сигнал поступает во вторичный измерительный прибор 2 и на аппаратуру сигнализации 3. с помощью блока 6 имеется возможность ручного дистанционного управления, что позволяет оператору корректировать управление температурой печи.

По расходу топлива регулируется подача воздуха для горения, причем автоматически устанавливается заданное соотношение топлива и воздуха. Регулирование расхода воздуха и газа осуществляется методом измерения перепада давления при помощи средств контроля.

С изменением положения регулирующего органа 9 в газопроводе изменяется расход газа и перепад давления на сужающем устройстве диафрагмы 10г, которое по трубкам передается первичному прибору дифференциальному манометру 11г для измерения расхода и вторичному прибору 12г, преобразуется в электрический сигнал, который поступает в регулирующий прибор 13. Из регулятора сигнал через блок управления 14 направляется в пусковое устройство 15 исполнительного механизма 16, который приводит в действие регулирующий орган 17, изменяя количество подаваемого воздуха.

С изменением расхода воздуха меняется перепад давлений на сужающем устройстве 10в, который воспринимается дифференциальным манометром 11 в, преобразуется в электрический сигнал 12в, поступающий в регулирующий прибор 13.

Кроме описанной системы регулирования соотношения воздуха и газа, регулирование горения в пламенный печах может осуществляться по методу спаренных дросселей с использованием инжекционных горелок.

Автоматическое регулирование давления в рабочие пространстве печи проводят с помощью шибера 27, установленного в борове перед дымовой грубой или направляющим аппаратом дымососа. В печи устанавливают устройство 18 для измерения давления, передающее импульс на первичный манометр 19 и далее на регулирующий прибор 22, в котором сигнал преобразуется в электрический, пропорциональный измеряемому давлению.

В регулятор поступает также сигнал от задатчика 23. От регулятора сигнал через блок управления 24 направляется в пусковое устройство 25 двигателя исполнительного механизма 26, который приводит в действие регулирующий орган 27, изменяющий количество протекающих дымовых газов, а следовательно, и давление в рабочем пространстве печи. Одновременно от отборочного устройства 18 импульс передается на первичный манометр 19 и далее на вторичный измерительный прибор манометр 20 и на аппаратуру сигнализации 21.

Стабилизация давления в рабочем пространстве печи автоматически решает задачу эвакуации продуктов сгорания.

Сигналы о значительных отклонениях параметров подает аппаратура сигнализации 3 и 21, включающая сигнальные лампочки и звонки



Рисунок 9.1- Схема автоматического регулирования параметров закалочной

Перечень ссылок

пружина термообработка рекуператор

1. Башнин Ю.А. Технология термической обработки./Ю.А. Башнин, В.1С. Ушаков, А.Г. Секей/ - М.: Металлургия, 1986. - 424с.

2. Соколов К.Н., Технология термической обработки и проектирование термических цехов./К.Н. Соколов, И.К. Коротич/ - М.: Металлургия, 1988.-384с.

3. Мастрюков Б.С. Расчеты металлургических печей./Б.С. Мастрюков/- М.: Металлургия, 1986. - 376с.

4. Гольдштейн М.И. Специальные стали: Учеб. для вузов / М.И. Гольдшгейн, C.B. Грачев, Ю.Г. Векслер/ - М.: Металлургия, 1985. - 408с.

5. Соколов К.Н. Оборудование термических цехов./К.Н. Соколов/ - Киев- Донецк. - Вища школа, 1984. - 328с.

Размещено на Allbest.ru