Совершенствование технологии упрочнения инструмента

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Обзор условий эксплуатации, материалов и требований, предъявляемых к материалу для изготовления пуансона

1.1 Условия эксплуатации пуансона. Оценка воздействия технологических факторов на свойства материалов

Инструментами для деформирования обрабатывают стали, легкие и цветные металлы. Имеются следующие технологические операции такой обработки: ковка в штампах, штамповка, снятие облоя, обработка выдавливанием, резка (рубка), штамповка, литье под давлением и т.д.

Нагрузка на формующий инструмент весьма сложная. Общим для каждой операции является то, что инструмент в зависимости от технологии на определенное время входит в соприкосновение с нагретой до (400⁰С) заготовкой, которая нагревает инструмент до нескольких сот градусов (по Цельсию). С возрастанием температуры, как известно, свойства сильно изменяются. С прекращением контакта и с подключением охлаждения температура инструмента понижается и процесс повторяется. Поэтому температура инструмента и его поверхностных слоев постоянно изменяется, что вызывает явление термической, усталости. К изменяющимся температурным нагрузкам добавляются еще и значительные механические нагрузки.

Штампы - это собранные в стальном блоке соответствующего качества разъемные инструменты, конфигурация которых негативна по отношению к обрабатываемой детали.

Разогретый и вследствие этого пластичный материал формуют при помощи пуансона и матрицы. Деформирующее давление (1000 Н/мм?) вызывает в матрице изменяющееся сложнонапряженное состояние.

Под воздействием высокого давления при формовке металл деформируется и принимает форму матрицы.

Острие кромки, углы матрицы, заусеничные каналы, мостики, вертикальные стенки оказывают негативное влияние на процесс деформирования металла.

Между металлом и стенками полости возникает трение, которое ведет к износу стенок и кромок инструмента. Кроме того, острые тонкие кромки и углы во время работы нагреваются до высокой температуры очень быстро (до 500°С), а после удаления детали также быстро охлаждаются. Чем больше теплопроводность материала инструмента и чем быстрее тепло проникает внутрь инструмента, тем ниже температура его поверхности. Кроме того, если вся масса матрицы нагревается до высокой температуры (300-400° С), то соответствующие слои инструмента попеременно нагреваются и охлаждаются. Эти изменения температуры и возникающие в результате этого сжатия и расширения повторяются при каждом цикле деформации. Вследствие небольших пластических деформаций от циклических нагрузок поверхностный слой может растрескаться из-за термической усталости. При увеличении времени контакта возможно возникновение местных перегревов (600-750 °С), которые могут привести к отжигу материала инструмента.

У ковочных и штамповочных машин, работа которых основана на разных принципах и скорости которых различны, термическая и механическая нагрузки на матрицы сильно различаются. Для одних из них характерны высокие температуры и колебания температур, для других же динамические, механические (типа ударов) нагрузки (рис. 1.1.1).

Эрозия пуансонов обусловлена усталостью, возникающей вследствие повторяющихся сжатий, остаточной деформации, хрупкого излома, вызываемого динамическим характером действия сил, износом, вызываемым истечением материала, термической усталостью, вызываемой нагревом пуансона и колебанием температур.

Перечисленные явления в значительной мере зависят не только от свойств материала пуансона, но и от конфигурации его полостей, их сложности, размеров, от точности установки и от условий эксплуатации (смазки, температуры инструмента, условий охлаждения ит. д.).

Рисунок 1.1.1 - Механические и термические нагрузки матриц: а - гидравлический пресс; б - фрикционный пресс; в-свободно падающий молот

Обычно срок службы небольших и простых по форме пуансонов больше срока службы сложных по форме крупноразмерных пуансонов. Чем больше масса молота, тем меньше число производимых до первого его ремонта кованых деталей.

При выборе материала инструмента необходимо учитывать нагрев, уменьшающий прочность, и термическую усталость, вызываемую изменениями температуры. Требования, предъявляемые к материалу инструмента, зависят от свойств деформируемого материала, от температуры и продолжительности выдавливания, от величины давления и условий охлаждения инструмента.

В качестве базовой детали для дипломного проектирования, принят пуансон для горячей формовки.

Пуансон (рис. 1.1.2) работает в паре с матрицей (рис. 1.1.3) при оформлении профиля труб (плакат 2).

Формовка - операция, связанная с местным изменением формы с сохранением конфигурации наружного контура детали. Примером формовки может служить изготовление ребер жесткости на машиностроительных деталях, а также увеличение размеров по диаметру средней части полой детали.

Лист металла прижимается между пуансоном, который содержит составную часть из нескольких пуансонов, и матрицей, которая так же имеет составную конструкцию, затем пуансон формует металл при помощи гидравлического пресса, при этом металл деформируется и принимает формы пуансона и матрицы.

Рисунок 1.1.2 - Пуансон из чугуна ЧХ16М?



Рисунок 1.1.3 - Матрица из чугуна ЧХ16М?

1.2 Требования, предъявляемые к материалу (технологические, физические, механические, эксплуатационные свойства)

Штамповые стали должны обладать определенным комплексом эксплуатационных и технологических свойств; помимо этого, к ним предъявляют соответствующие требования экономического характера. К эксплуатационным относят свойства материала готового инструмента после окончательной обработки; эти свойства должны обеспечивать необходимую работоспособность штампов в заданных условиях эксплуатации. Анализ причин выхода из строя показывает, что материал, предназначенный для изготовления штампов, должен обладать следующими эксплуатационными свойствами в диапазоне температур и времени работы:

- высокой теплостойкостью, которая характеризует способность сохранять без значительных изменений структуру и свойства.

- высоким сопротивлением пластической деформации

- высокой износостойкостью;

- высокой разгаростойкостью или термоусталостным сопротивлением (сопротивлением термической усталости) в условиях циклических температурно-силовых воздействий;

Иногда к эксплуатационным свойствам стали для штампов условно относят также такие показатели, как твердость, сопротивление малой пластической деформации, сопротивление усталости, сопротивление смятию, теплопроводность, коэффициент термического расширения, окалиностойкость, устойчивость против адгезии, величину зерна, температуры критических точек и др.

Некоторые из этих показателей косвенно характеризуют основные эксплуатационные свойства штампов. Так, например, твердость и сопротивление смятию характеризуют прочность и сопротивление пластической деформации штампов, пластичность - сопротивление хрупкому разрушению, окалиностойкость и устойчивость против адгезии - сопротивление окислительному износу и износу схватыванием второго рода и т.д. В то же время величина зерна, температуры критических точек, коэффициент термического расширения основное влияние оказывают при обработке инструмента, а не при его эксплуатации, поэтому их следует отнести к технологическим свойствам.

К технологическим относят свойства материала для штампов, обеспечивающие возможность обработки инструмента с заданными эксплуатационными свойствами при минимальных затратах. Стали для штампов горячего деформирования должны обладать следующими технологическими свойствами:

- закаливаемостью; закаливаемость определяет способность стали получать мартенситную структуру и сообщать инструменту высокие твердость и прочность;

- прокаливаемостью; это свойство оценивает способность стали получать необходимую структуру и свойства по сечению инструмента определенных размеров;

- способностью обеспечивать минимальную деформацию инструмента при термической обработке;

- устойчивостью против перегрева при термической обработке; это свойство штамповой стали способствует получению мелкого зерна, а, следовательно, высоких вязкости, разгаростойкости и сопротивления хрупкому разрушению;

- устойчивостью против окисления и обезуглероживания при термической обработке; при этом обеспечивается получение бездефектного поверхностного слоя гравюры штампа;

- устойчивостью против образования трещин при закалке и шлифовании;

- ковкостью, способностью к формоизменению в процессе изготовления штамповых заготовок;

- хорошей обрабатываемостью, обеспечивающей минимальные затраты при изготовлении гравюр, высокое качество их поверхностного слоя после финишных операций.

При изготовлении штамповочного инструмента с использованием литья, наплавки, химико-термической обработки, выдавливания и других специфических технологических процессов круг требований, предъявляемых к штамповым материалам, расширяется. Так, например, стали для литых штампов должны иметь хорошую жидкотекучесть и малую склонность к трещинообразованию в отливках; малую стойкость к трещинообразованию должны иметь и стали для штампов с наплавляемыми рабочими участками гравюры.

К экономическим требованиям, предъявляемым к штамповым сталям, относят достаточно низкую стоимость стали и ее недефецитность. Экономическая эффективность применения различных марок штамповой стали во многом зависит от стойкости и конструкции инструмента, а также характера кузнечно-штамповочного производства; в связи с этим стоимость штамповой стали может играть и второстепенную роль.

Вместе с тем следует отметить, что в ряде случаев при назначении штамповой стали некоторые технологические свойства выступают как второстепенные. Так, например, могут быть снижены требования к обрабатываемости стали резанием стали в том случае, если простые гравюры штампов можно изготовить с помощью твердосплавного или алмазного металлорежущего инструмента, а сложные гравюры - путем электроэрозионной обработки. При соответствующем оборудовании термических участков можно свести до минимума окисление и обезуглероживание штампов. За счет применения специальных технологических мер (нарезание гравюры в штампе после окончательной термической обработки, использование ступенчатой или изотермической закалки и т.п.) можно значительно уменьшить коробление штампового инструмента.

Особенно важно учитывать технологические свойства штамповых материалов при повышенных требованиях к качеству изготовления штампов; последнее характерно для технологических процессов точной горячей штамповки: закрытой штамповки и выдавливания, автоматической и высокоскоростной штамповки. Кроме того, при изготовлении крупногабаритного штампового инструмента мощных молотов и прессов особое внимание уделяют таким технологическим свойствам, как прокаливаемость, ковкость, обрабатываемость резанием и т.п.

Эксплуатационные свойства стали для штампов, предназначенных для выполнения различных технологических процессов деформирования, из-за разнообразия температурно-силовых условий эксплуатации штампов не могут быть общими. Более того, дифференцированный выбор марки стали и режима ее термической обработки необходим даже для различных частей и деталей одного штампа: пуансона, матрицы, рабочих вставок, знаков, выталкивателей и т.д.

Срок службы штамповой оснастки можно существенно повысить за счет придания материалу штампов соответствующих эксплуатационных свойств. Так, для уменьшения интенсивности изнашивания штампов сталь, применяемая для изготовления штамповой оснастки, должна обладать высокой износостойкостью и теплостойкостью, для уменьшения пластической деформации (смятия) штампов - высокими прочностью и теплостойкостью, для предотвращения поломок или образования крупных трещин - высокими сопротивлением хрупкому разрушению и прочностью, наконец, для уменьшения числа и размеров разгарных трещин - высокой разгаростойкостью.

Одним из основных свойств стали для штампов для деформирования, при небольших температурах, является теплостойкость. Выбор теплостойкости для штампов различного назначения производят в зависимости от температуры нагрева поверхностного слоя штампа и продолжительность теплового воздействия. Чем выше температура нагрева и длительность теплового воздействия на штамп, тем большей теплостойкостью должен обладать штамповый материал [2].

Рассмотрим химический состав (табл. 1.2.1) и механические свойства (табл. 1.2.2, 1.2.3) чугуна ЧХ16М?.

Таблица 1.2.1 - Химический состав в% материала ЧХ16М? [3]

C	Si	Mn	S	P	Cr	Mo	Cu
2.4 - 3.6	0.5 - 1.5	1.5 - 2.5	до 0.05	до 0.1	13 - 19	0.5 - 2	1 - 1.5

Примечание: в хромистых чугунах и в чугунах с шаровидным графитом допускается массовая доля никеля до 1% и доля меди до 1,5%, вводимых природнолегированным чугуном, легированным стальным ломом или магнийсодержащей лигатурой.

Таблица 1.2.2 - Механические свойства износостойкого чугуна (при температурном режиме 20°С, после нормализации и отпуска)

Марка чугуна	Временное сопротивление, МПа, не менее	Твердость НВ
	Растяжению, ув	Изгибу, уизг
ЧХ16М?	170	490	490-610

Таблица 1.2.3 - Показатели прочности при растяжении жаростойких чугунов при повышенных температурах (кратковременные испытания)

Марка чугуна	Предел прочности при растяжении, МПа, при температуре, К
	773	873	973	1073
ЧХ16М?	440	294	137	88

1.3 Обоснование выбора материала для изготовления пуансона

Для правильного выбора марки материала, необходимо, ознакомится условиями работы деталей. Анализируя условия работы, необходимо подобрать такую сталь, которая обладала бы:

- сочетание высокой прочности с достаточной вязкостью;

- высокой сопротивляемостью износу при повышенных температурах;

- хорошая обрабатываемость;

- хорошая прокаливаемость;

- хорошая шлифуемость;

Правильный выбор материала и соответствующие методы термической обработки являются одними из главных предпосылок, гарантирующих достижение требуемых конструкционных свойств. Это особенно важно, когда на деталь действуют большие нагрузки.

На ЗАО РЗ «СИТО» из рекомендованных: стали 95Х18 и чугуна ЧХ16М?, был сделан выбор в пользу чугуна, так как он изготавливается литьем по ТУ поставщика, а это в свою очередь гораздо удобнее, так как уменьшаются затраты на механическую обработку, ведь отливка очень приближена к размерам исходной детали.

С экономической точки зрения, сталь в два раза дороже чугуна и её не везде возможно купить.

Для закаливания стали 95Х18 [4], необходимы закалочные баки (закалка в масло), дополнительное оборудование, а чугун ЧХ16М? при закалке в масло имел бы очень сильное коробление, поэтому логично был сделан выбор закаливать изделия на воздухе.

Так же износостойкость и антифрикционные качества у чугуна лучше, за счёт наличия графита в структуре. Наличие графита облегчает обрабатываемость резанием, делая стружку ломкой, стружка ломается, когда резец доходит до графитного включения.

2. Анализ существующего технологического процесса термической обработки пуансона из чугуна ЧХ16М?

2.1 Существующая технология термической обработки пуансона из чугуна ЧХ16М? на ЗАО РЗ «СИТО»

Термическая обработка пуансона штампа связана с рядом трудностей. Закалка таких пуансонов требует особого внимания, критическая скорость закалки данного пуансона позволяет производить охлаждение на воздухе, что предохраняет их от образования трещин и значительного изменения размеров.

Термическую обработку чугунов проводят с целью снятия внутренних напряжений, которые возникают при литье и вызывают изменения размеров и формы отливки с течением времени, снижение твёрдости и улучшение обрабатываемости резанием, повышение механических свойств.

Последовательность технологических операций термической обработки представлена на рисунке 2.1.1.

Для изготовления пуансона на заводе «СИТО» используется высоколегированный чугун ЧХ16М?.

В чугунах используется приблизительно тот же комплекс легирующих элементов, что и в стали (хром, никель, алюминий, молибден, ванадий и т.д.).

Чугун хромистый высоколегированный износостойкий ЧХ16М?. Поставляется с завода изготовителя в виде отливок с твердостью 490-610 НВ. Характеризуется высокой прочностью и износостойкостью при термообработке (при 20⁰ С временное сопротивление растяжению не менее у_в = 170 МПа, изгибу у_изг = 490 МПа). Обладает устойчивостью к температурным перепадам и охлаждается на воздухе. ЧХ16М? применяется для деталей с высокой стойкостью против ударно-абразивного износа и истирания в мельницах, дробеметных и дробеструйных камерах, а так же формовки труб.



Рисунок 2.1.1 - Блок-схема технологического процесса термической обработки изготовления пуансона из чугуна ИЧХ16М?. (плакат 5)

Отжиг

Поступаемые на завод отливки пуансонов из чугуна ЧХ16М? подвергают отжигу чтобы снять внутренние напряжения и стабилизировать размеры чугунных отливок и приступить к последующей механической обработке.

Нагрев медленный со скоростью 70 - 100⁰С/ч, выдержка при температуре нагрева зависит от массы и конструкции отливки и составляет от 1-го до 8-ми часов. Охлаждение до 250⁰С (для предупреждения возникновения термических напряжений) медленное, со скоростью 20 - 50⁰С /ч, что достигается охлаждением отливки вместе с печью. Далее отливки охлаждают на воздухе. Структура перлит, феррит и шаровидный графит.

При этом отжиге фазовых превращений не происходит, а снимаются внутренние превращения, повышается вязкость, уменьшается вероятность коробления и образование трещин в процессе эксплуатации.

Последовательность операций при отжиге пуансона (рис. 2.1.2):

1. Установить заготовки на подине

2. Загрузить в предварительно прогретую печь, до температуры, не более 300⁰С

3. Прогреть до температуры t=700…750⁰С

4. Выдержать при заданной температуре 10…12 часов

5. Охладить с печью со скоростью 50⁰С (не более)

Обратить внимание на то, что температура в печи должна быть не более 300⁰С при загрузке заготовок и не более 200⁰С при выгрузке (плакат 1).

Закалка

Повысить прочностные свойства чугуна можно его закалкой. Эффективным методом повышения прочности и износоустойчивости чугуна является закалка, которая производится аналогично закалке стали. В структуре закаленного чугуна имеются мартенсит со значительным количеством остаточного аустенита и выделения графита.

При закалке чугуна превращения аналогичны превращениям, происходящим при закалке стали. Но в связи с наличием в чугуне включений графита закалка чугунов имеет следующие особенности.

1. Закалка проводится из двухфазного аустенито-графитного состояния.

2. При нагреве происходит растворение графита в аустените, в связи с чем, несмотря на различную исходную структуру чугуна, превращению при охлаждении подвергается аустенит с эвтектоидной или заэвтектоидной концентрацией углерода.

3. При растворении графита в зонах, удалённых от мест контакта аустенита с графитом, концентрация углерода меньше.

4. Ликвация при нагреве под закалку не устраняется.

Закалке подвергают серый, ковкий и высокопрочный чугун для повышения твёрдости, прочности и износостойкости. По способу выполнения закалка чугуна может быть объёмной непрерывной, изотермической и поверхностной.

При объёмной непрерывной закалке чугун нагревают под закалку (медленно для отливок сложной конфигурации) до температуры на 40 - 60⁰С выше интервала превращения (обычно до 850 - 930⁰С) с получением структуры аустенит и графит (для ЧХ16М? до 1050±10⁰С). Затем дают выдержку для прогрева и насыщения аустенита углеродом; выдержка тем

длиннее, чем больше феррита и меньше перлита, например, 10 - 15 мин для перлитных чугунов и до 1,5 - 2 часа для ферритных чугунов. Отливки охлаждают в воде (простой конфигурации) или в масле (сложной конфигурации), высоколегированные на воздухе.

После закалки от оптимальной температуры и выдержки, обеспечивающей достаточное растворение углерода в аустените, в ферритном чугуне получается мартенситная структура с максимальной твёрдостью HRC 55 - 60. В чугунах высокопрочных, аустенит которых обладает пониженной критической скоростью закалки, твёрдость после закалки достигает HRC 60 -62. Прочность после закалки понижается. Прокаливаемость высокопрочного чугуна выше прокаливаемости серого чугуна. После закалки чугун подвергают низкому отпуску для снятия части внутренних напряжений или высокому отпуску с получением сорбитной или троостосорбитной структуры.

Так как пуансон крупногабаритный, его нагрев необходимо проводить медленно, так как если нагревать быстро (помещать в печь которая сразу нагрета до высокой температуры), то возникнут значительные внутренние напряжения и в результате могут образоваться трещины. Поэтому после загрузки деталей в печь, необходимо сначала медленно прогреть их до температуры 750⁰С в течение 5 часов, выдержать 5 часов, затем поднять температуру в печи до 1050⁰С в течение 3 часов и выдержать их в печи при заданной температуре 3 часа (рис. 2.1.4).

После выключения печи, заготовки вынимают из печи и охлаждают на воздухе. Для пуансона из высоколегированного чугуна ЧХ16М? критическая скорость закалки позволяет охлаждать деталь на воздухе со скоростью 2⁰С.

Структура после закалки будет мартенсит закалки, феррит и шаровидный графит.

Отпуск

Чтобы снять закалочные напряжения, после закалки производят отпуск. Детали, предназначенные для работы на истирание, проходят низкий отпуск при температуре 200-250°С. Чугунные отливки, не работающие на истирание, подвергаются высокому отпуску, при температуре 500-600° С. При отпуске закаленных чугунов твердость понижается значительно меньше, чем при отпуске стали. Это объясняется тем, что в структуре закаленного чугуна имеется большое количество остаточного аустенита, а также тем, что в нем содержится большое количество кремния, который повышает отпускоустойчивость мартенсита.

Отпуск проводится в тележно-камерной печи СНО-9.14.7/10, с целью снятия термических напряжений, повышения твёрдости, прочности и износостойкости. Нагрев производится медленный, так как изделие массивное, до температуры 540⁰С, затем выдержка 8 часов. Далее пуансон охлаждают вместе с печью до температуры не более 200⁰С, выгружают и охлаждают до температуры цеха на спокойном воздухе (рис. 2.1.5). Структура после отпуска мартенсит отпуска+феррит+шаровидный графит.

Для штампов с массой около 400 килограмм нужно очень точно подобрать термическую и механическую обработки, в противном случае из-за небольших неточностей и недоработок деталь становится непригодной для использования. На ЗАО РЗ «СИТО» правильно подобрана термическая обработка, закалка с последующим охлаждением детали на воздухе, но так как масса детали очень велика, а охлаждение происходит на поверхности, которая не обеспечивает однородный отвод тепла, то неизбежно возникают напряжения деформации, которые коробят детали.

2.2 Проверочный расчёт оборудования для термической обработки пуансона

2.2.1 Оборудование для закалки и отпуска

Тип печи выбирается для каждой операции в соответствии с разработанным технологическим процессом термообработки деталей и техническими условиями их изготовления. Выбор оборудования зависит от производительности, размеров и форм нагреваемых изделий, от характера работы агрегатов, обслуживающих печь и т.д. [5]

При проектировании печи, кроме быстрого нагрева предусмотрены: механизм загрузки, автоматическое регулирование температуры, точность и равномерность нагрева. Кроме того, печь должна иметь минимальную стоимость затрат на её изготовление, включая весь комплекс оборудования, а в цехе она должна занимать минимальную площадь пола.

По условиям выданного задания размеры пуансона из чугуна ИЧХ16М?: 1255х310х200, исходя из этого, я предлагаю использовать камерную электрическую печь с выкатным подом.

Камерные печи с выкатным подом (тележкой) появились в связи с трудностью, а иногда даже и невозможностью загрузки изделий в камерную печь с неподвижным подом. Подину вне печи можно легко загрузить и разгрузить практически любыми изделиями и садками с помощью крана.

Тележечные подины с массой садки до 75 т перемещаются на колесах по направляющим рельсам (брускам, швеллерам, двутаврам), а подины в виде платформ с массой садки более 75 т на роликах (катках, шарах) - по направляющим брусьям с помощью: или приводной пары колес с индивидуальным электромеханическим приводом; или зубчатой рейкой, смонтированной под подиной по её продольной оси, и зубчатым или цевочным электромеханическим приводом, расположенным сбоку печи; или цепной лебедкой, расположенной перед печью на расстоянии несколько большем хода подины. При выходе из строя привода подины её можно перемещать с помощью мостового крана, блока и троса, соединенного с подиной [6].

По источнику тепловой энергии камерные печи с выдвижным (выкатным) подом подразделяют на топливные и электрические.

В связи с тем, что печь используется не все время, а с промежутками, для закалки пуансона из чугуна ИЧХ16М? необходимо использовать тележно - камерную печь сопротивления периодического действия.

Камерные печи с выдвижным подом широко используются для отжига, отпуска и нагрева под закалку тяжелых деталей. Под такой печи выполняется в виде выдвижной тележки, футерованной шамотным кирпичом. Это позволяет загружать и разгружать детали вне рабочего пространства печи с помощью мостового крана. Тележка выдвижного пода состоит из ряда продольных швеллеров, которые через поперечные швеллеры передают нагрузку на колеса, укрепленные в роликовых подшипниках. На лист железа толщиной 8-12 мм сначала укладывается плашкой два ряда изоляционных кирпичей, затем четыре-пять рядов шамота. Общая толщина пода 400-450 мм. В печах, предназначенных для тяжелых садок, выгоднее вместо колес использовать ролики, соединенные с обеих сторон планками. Подина на катках лежит свободно, опираясь на них через специальные направляющие.

В малых печах под иногда выдвигается на чугунных шарах диаметром 100-150 мм. Они малочувствительны к нагреву и позволяют исключить скольжение. На выдвижной подине и на поду печи делают направляющие желоба, в которых и размещаются опорные шары.

При закалке садку можно охлаждать вне печи - на воздухе или в специальном охладителе, а печь использовать лишь для нагрева. В этом случае резко увеличивается ее производительность и уменьшается расход тепла на разогрев кладки. Большое внимание должно быть уделено созданию герметичности рабочего пространства. Боковые щели между тележкой и стенками печи уплотняются песочными затворами. Для удобства заполнения песком затвор лучше делать в виде несущего уголка на тележке и ножа, укрепленного в стенках печи. В больших печах заслонку часто заменяют футерованным экраном, находящимся на выдвижном поду.

Печь с выдвижным подом может:

- иметь любую теплотехническую конструкцию (за исключением нижней топки),

- работать на различных видах топлива.

В электрических печах с выдвижным подом (рис. 2.2.1.1), нагревательные элементы располагаются на боковых стенках 1, в печах с большой шириной рабочего пространства - на выдвижном поду и заслонке. Ток к нагревателям выдвижного пода подводят по гибкому кабелю. Под выдвигается на роликах 2 с помощью реечного механизма 3. Низкотемпературные электропечи с выдвижным подом оборудуют вентилятором на задней торцевой стенке печи, для усиления конвективной теплопередачи. Для создания направленного циркулирующего потока воздуха элементы сопротивления отделяют от рабочего пространства сквозным листовым муфелем. Для ремонта и замены элементов сопротивления муфель снабжен дверками.

2.2.2 Расчёт основных параметров тележно-камерной печи

Расчёт размеров садки.

Закалке подвергается пуансон из чугуна ИЧХ16М?. Плотность чугуна: с = 7600 кг/м?. Термическая операция включает в себя закалку на 1050⁰С с последующим охлаждением на воздухе. Масса пуансона под закалку равна 437 кг.

1). Расчёт массы садки:

М_садки =N • М_дет (1)

N-количество деталей;

N = 4 шт.

М_садки = 4•437=1748 кг.

Расчёт основных размеров рабочего пространства печи.

Для того чтобы определить рабочие размеры печи необходимо знать: размеры детали, садку, расположение заготовок на поду.

По условию выданного задания, размеры пуансона:

Длина L = 1255 мм =1,255 м

Ширина В = 310 мм = 0,31 м

Высота Н = 200 мм = 0,2 м

М_садки = 4•437=1748 кг. (2)

В_под = 1200 мм - ширина пода печи;

L_под = 4000 мм - длина пода печи;

H_под = 1400 мм - высота печи

Составим эскиз расположения заготовок на поду печи.

1). Определение шага укладки заготовок (рис. 2.2.2.1).

S_ш = d + k_ук,= (мм) (3)

d - ширина заготовки

d = 310 мм = 0,31 м

где k_ук - коэффициент, принимаемый равным 0,5 d_заг

Рисунок 2.2.2.1 - Эскиз расположения заготовок на поду печи

2.2.3 Выбор футеровочного материала

Печи, в которых производится нагревание металлов при различных металлургических процессах, делают из материалов, обеспечивающих их прочность и устойчивость - кирпича, чугуна и железа. Но все эти материалы не в состоянии противостоять действию высокой температуры, при которой совершаются эти процессы, неизбежным колебаниям температуры и влиянию химических реакций, их сопровождающих. Ввиду этого, все рабочие пространства печей, приходящие в соприкосновение с металлом или газами высокой температуры, обкладывают изнутри слоем огнеупорных и устойчивых к химическим влиянием материалов, которые и защищают от разрушения остальной массив печи.

Необходимо выбрать материал для обкладки печи, определить толщину кладки пода, стен, рабочей камеры, толщина кладки свода, пода, стен, рабочей камеры.

Далее вычерчивается эскиз печи и определяются её габаритные размеры.

Кладка печей делается обычно в два слоя: внутренний слой, называемый футеровкой, выполняется из огнеупорного материала; для внешнего слоя, который является теплоизоляционным, необходим материал с наименьшей теплопроводностью.

Для футеровки (внутренней кладки) печей применяются следующие огнеупорные изделия: шамотные, динасовые, магнезитовые, тальковые, а так же огнеупорна глина и шамот [7].

Исходя из условий работы печи, материал футеровки её должен быть [8]:

1) огнеупорным, то есть не должен размягчаться и оплавляться при работе печи;

2) термостойким - хорошо противостоять резким колебаниям температуры;

3) строительно-прочным в процессе работы печи, сохранения при этом постоянство объёма, так как изменение объёма нарушает прочность кладки (раскрытие швов и прочее);

4) химически-стойким, то есть противостоять разъедающему действию окалины и шлака, образующихся при работе печи.

Для тележно - камерной печи сопротивления периодического действия необходима следующая футеровка:

Огнеупорный слой - Шамот легковес ШЛ - 1,3. Допустимая температура 1300⁰С, толщина слоя S ₁ = 230 мм.

Теплоизоляционный слой - пенодиатомитовый кирпич ПЭД-350, допустимая температура 900 °С, толщина слоя S2=230mm. Кладку стенок рабочей камеры печи выполняем двухслойную: внутреннюю часть из огнеупорного шамотного кирпича класса «А», в один кирпич (230 мм), а внешнюю часть стенок из теплоизоляционного кирпича, в пол кирпича (115 мм). Под - выполняется из талькового кирпича в кирпич (150 мм) и теплоизоляционного кирпича в один кирпич (150 мм). Кладку производим в металлическом кожухе. Размеры всех кирпичей 230 х 115 х 65 мм

Коэффициенты теплопроводности материалов при этой температуре:

- шамота л1=0,6 Вт/м? °С,

- пенодиатомита л2=0,22 Вт/м? °С.

2.2.4 Расчёт габаритных размеров с учётом футеровки

С учётом футеровки получаем следующие габаритные размеры камерной печи сопротивления:

H' = 65+1400+65 = 1530 мм (4)

с учётом свода, который выполняется из такого же кирпича получим высоту печи:

H = 1530+65+65=1660 мм - высота печи

Ширина печи:

Под - выполняется из талькового кирпича в кирпич (115 мм) и теплоизоляционного кирпича в один кирпич (115 мм), высота кирпичей 65 мм

В = 115+115+115+115+1200 = 1660 - ширина печи (5)

L = 4000+230+230 = 4460 мм - длина печи (6)

Габаритные размеры печи:

L = 4460 мм - длина печи

H = 1660 мм - высота печи

В = 1660 мм - ширина печи

2.2.5 Расчет установленной мощности

Таблица 2.2.5.1 - Данные для расчета печи

Материал садки	Вес G, кг	Максимальная температура печи tп, 0С	t0 цеха, 0С	Время нагрева садки ф, ч
ИЧХ16М?	1748	1050	20	16

2.2.6 Тепловой расчёт футеровки

Для данной печи выбрана двухслойная футеровка:

- огнеупорный слой (шамот легковес ШЛ - 1,3. Допустимая температура 1300⁰, толщина слоя S1=230 мм)

- теплоизоляционный слой (пенодиатомитовый кирпич ПЭД-350, допустимая температура 900 °С, толщина слоя S2=230 мм)

Принимаем условную среднюю температуру слоев S₁ и S₂ t_ср=800 °С. Коэффициенты теплопроводности материалов при этой температуре шамота л₁=0,6 Вт/м? °С, пенодиатомита л₂=0,22 Вт/м? °С. Толщины слоев в условных единицах S'₁=S'₂=1. Тепловые сопротивления слоев в условных единицах R'₁=1, R'₂=л₁/л₂=0,6/0,22=2,7.

Перепад температуры в слоях в условных единицах Дt₁'=1.

Дt₂'= R₂' S₂ '=2,7 •1=2,7. (8)

Перепад температуры в футеровке в условных единицах:

Дt'= Дt₁' + Дt₂'=1+2,7=3,7. (9)

Принимаем температуру на внешней поверхности боковых и задних стенок футеровки максимально допустимой t_в=70 °С.

Перепад температуры в футеровке:

Дt=t_n-t_в= 1050-70=980 °С. (10)

Перепад температуры в шамоте:

Дt₁= Дt• Дt₁'/ Дt'=980•1/3,7=265 °C (11)

Перепад температуры в пенодиатомите:

Дt₁= Дt• Дt₂'/ Дt' = 980•2,7/3,7=715 °C (12)

Ориентировочно температура на границе шамот - пенодиатомит

t_сл=t_п - Дt₁=1050-265=785 °С (13)

Проведём уточнённый расчёт температуры в слоях футеровки.

Средняя температура огнеупорного слоя (шамот):

tср_ш =(t_п+t_сл)/2=(1050+785)/2=917,5 °С (14)

Средняя температура теплоизоляционного слоя (пенодиатомит):

tср_п =(t_сл+t_св)/2=(785+70)/2=427 °С (15)

Коэффициенты теплопроводности материалов при этой температуре: шамот л1=0,54 Вт/м? ⁰С, пенодиатомит л2=0,135 Вт/м? ⁰С. Принимаем, что внешняя поверхность печи окрашена обычной краской и при t_в=700⁰С, тепловой поток через 1м? боковых и задней стенок:

(16)

Q_ст== Вт/м?

Температура на границе огнеупорного и теплоизоляционного слоёв:

(17)

t_п=1050 -=1050-189.9=860 °C

Для пенодиатомита допустимая температура:

t_д=900 °С; 860 °С<900 °С. (18)

Температура на внешней поверхности боковой и задней стенок:

(19)

t_вст=20 +=54 °C

t_вст<t_доп; 560 °C <700 °C

Для свода:

 (20)

Тепловой поток через 1м? свода:

(21)

Q_св==511 Вт/м?

Температура в своде на границе шамот - пенодиатомит:

(22)

t_св=1050 -=1050-216,7=832 °С

Температура на внешней поверхности свода:

(23)

t_всв=20+ =53 °C

Для пода: (24)

Тепловой поток через 1 м? пода:

(25)

Q_п==497 Вт/м?

Температура в поде на границе шамот - пенодиатомит:

(26)

t_п=1050 -1050-211=838 °С

Температура на внешней поверхности пода:

(27)

t_вп=20+ = 75 °С

Мощность потерь через футеровку.

Боковые и задняя стенки:

(28)

F_cт=5,6 м?; F₃=1.68 м?

Р_ст=446 (5,6•2+1,68)=3246 Вт

Свод: (29)

F_СВ=4•1.2=4.8 м?

Р_св= 511 • 4,8 = 2452 Вт

Под: (30)

Р_п=446•1,68=750 Вт

Суммарные потери через футеровку:

(31)

Р_ФУТ=3246+2452+750 = 6448 Вт = 6,5 кВт

Тепловой расчёт загрузочной дверцы.

Принимаем, что загрузочная дверца на передней стенке печи занимает площадь F_ДВ=F_СР Р=1,68 м?. Теплоизоляцию дверцы выполняем набивкой муллитокремнистым волокном МКРР-130 с допустимой температурой 1150 °С, толщина набивки S=300 мм. Средняя температура набивки

t_наб=(1050+20)/2=535 °С (32)

Средний коэффициент теплопроводности

лср=0,147 Вт/м?•⁰С,

Тепловой поток 1м? дверцы:

(33)

Q_дв===498 Вт/м?

Температура на внешней поверхности дверцы:

С (34)

t_дв=20+=58 °С

Мощность потерь через дверцу:

 (35)

Р_ДВ=498•1,68=837 Вт=0,84 кВт

Номинальная мощность печи:

(36)

=16,8 (кВт)

3,6 (кВт)

Р_ФУТ = 6,5 (кВт)

Р_ДВ = 0,84 (кВт)

Р_НОМ =160,8+3,6+6,5+0,84=170 (кВт)

Определение установленной мощности.

Установленная мощность N_у - это потребляемая электропечью при заданном режиме термообработки мощность, взятая с запасом, учитывающим «старение» нагревателей и возможное временное падение напряжения в сети:

(37)

k_з - коэффициент запаса мощности, k_з =1,2 1,4 - для ЭПС периодического действия.

Р_НОМ - номинальная мощность печи

Р_УСТ=170•1,3=230 кВт

2.2.7 Расчет электронагревателей камерной печи

Исходными данными для электрического расчета являются:

1) мощность печи, полученная в результате теплового расчета;

2) мощность тепловых потерь через кладку печи

3) Конечная температура нагрева изделий;

4) Характеристика нагреваемых изделий габаритные размеры, материал;

5) Напряжение питающей сети;

6) Особые условия нагрева: наличие защитной среды, вакуума и т.д. Нагревательные элементы могут получать питание непосредственно от цеховой сети напряжением 220, 380 или 480 В или от понижающих электропечных трансформаторов, специально разработанных для электрических печей сопротивления [9].

Цель электрического расчета заключается в определении размеров нагревателей в соответствии с требуемым для выделения необходимой мощности сопротивлением, а также в зависимости от условий теплообмена между нагревателями и нагреваемыми элементами. Кроме того, рассчитанные нагреватели определенной конструктивной формы надо разместить на стенках печи.

Требования к нагревателям

Нагреватель - один из самых важных элементов печи, именно он осуществляет нагрев, имеет наибольшую температуру и определяет работоспособность нагревательной установки в целом. Потому нагреватели должны соответствовать ряду требований [10].

Основные требования к нагревателям

1. Нагреватели должны обладать достаточной жаростойкостью (окалиностойкостью) и жаропрочностью. Жаропрочность - механическая прочность при высоких температурах. Жаростойкость - сопротивление металлов и сплавов газовой коррозии при высоких температурах.

2. Нагреватель в электропечи должен быть сделан из материала, обладающего высоким удельным электрическим сопротивлением (чем выше электрическое сопротивление материала, тем сильнее он нагревается). Чем больше диаметр проволоки, из которой сделан нагреватель, тем дольше срок его службы. Примерами материалов, обладающих высоким электрическим сопротивлением являются хромоникелевый сплав нихром Х20Н80, Х15Н60, железохромоалюминиевый сплав фехраль Х23Ю5Т, которые относятся к прецизионным сплавам с высоким электрическим сопротивлением.

3. Малый температурный коэффициент сопротивления является существенным фактором при выборе материала для нагревателя. Это означает, что при изменении температуры электрическое сопротивление материала нагревателя меняется не сильно. Если температурный коэффициент электросопротивления велик, для включения печи в холодном состоянии приходится использовать трансформаторы, дающие в начальный момент пониженное напряжение.

4. Физические свойства материалов нагревателей должны быть постоянными. Некоторые материалы, например карборунд, который является неметаллическим нагревателем, с течением времени могут изменять свои физические свойства, в частности электрическое сопротивление, что усложняет условия их эксплуатации. Для стабилизации электрического сопротивления используют трансформаторы с большим количеством ступеней и диапазоном напряжений.

5. Металлические материалы должны обладать хорошими технологическими свойствами, а именно: пластичностью и свариваемостью, - чтобы из них можно было изготовить проволоку, ленту, а из ленты - сложные по конфигурации нагревательные элементы. Также нагреватели могут быть изготовлены из неметаллов. Неметаллические нагреватели прессуются или формируются, превращаясь в готовое изделие.

Материалы для изготовления нагревателей.

Наиболее подходящими и самыми используемыми в производстве нагревателей являются прецизионные сплавы с высоким электрическим сопротивлением. К ним относятся сплавы на основе хрома и никеля (хромониклевые), железа, хрома, алюминия (железохромоалюминиевые).

Эти сплавы обладают хорошими свойствами жаростойкости и жаропрочности, поэтому они могут работать при высоких температурах. Хорошую жаростойкость обеспечивает защитная пленка из окиси хрома, которая образуется на поверхности материала.

Температура плавления пленки выше температуры плавления непосредственно сплава, она не растрескивается при нагреве и охлаждении.

Сравнительная характеристика нихрома и фехраля.

Нихром.

Достоинства нихрома: хорошие механические свойства, как при низких, так и при высоких температурах; сплав крипоустойчив (крипоустойчивость материала характеризуется его пределом ползучести, представляющим собой напряжение, соответствующее при данной температуре определенному удлинению материала в условленное заданное время); имеет хорошие технологические свойства - пластичность и свариваемость; хорошо обрабатывается; не стареет, немагнитен.

Недостатки нихрома: высокая стоимость никеля - одного из основных компонентов сплава; более низкие рабочие температуры по сравнению с фехралью.

Фехраль.

Достоинства фехрали: белее дешевый сплав по сравнению с нихромом, т.к. не содержит никель; обладает лучшей по сравнению с нихромом жаростойкостью.

Недостатки фехрали: хрупкий и непрочный сплав; т.к. фехраль имеет в своем составе железо, то данный сплав является магнитным и может ржаветь во влажной атмосфере при нормальной температуре; имеет низкое сопротивление ползучести; взаимодействует с шамотной футеровкой и окислами железа; во время эксплуатации нагреватели из фехраля значительно удлиняются.

В ЭПС с номинальной температурой 1050 °С применяются нагреватели, изготовленные их хромоникелевых сплавов.

По всем известны данным для камерной печи периодического действия были выбраны нихромовые нагреватели из стали Х20Н80.

Определение диаметра и длины нагревателя (нихромовой проволоки) для заданной печи.

Исходные данные:

Мощность печи Р=36,4 кВт;

Напряжение сети=480В.

Расчет длины и диаметра нагревателя проводят в несколько этапов.

Расчет объема камеры внутри печи:

V=h•b•l (38)

h=1200 мм; l=4000 мм; b=1400 мм

V=h•b•l=1200•4000•1400=6700 (л)

Необходимо определить мощность, которую может выдавать печь:

Для камерной печи возьмем мощность 70 Вт/л.

Таким образом мощность нагревателя электрической печи должна составлять:

Р=70•6700=469 (кВт) (39)

Найдем силу тока, проходящего через нагреватель:

I=P/U (40)

P - мощность нагревателя, P=469000 Вт

U-напряженность на нагревателе U=480В

I=P/U=469000/480=97,7 (А) (41)

R=U/I=480/91,8=4,9 (Ом) - сопротивление нагревателя.

Для сети однофазного тока сила тока I=97,7А, а сопротивление нагревателя R=4,9 Oм.

Для печи, подключенной к сети однофазного тока известно, что мощность печи составляет Р=469000 Вт, напряжение на концах нагревателя U=480В.

Необходимо для расчетов диаметра нагревателя рассчитать допустимую поверхностную мощность нагревателя вдоп:

вдоп=вэф•б

вэф - поверхностная мощность нагревателей в зависимости от температуры тепловоспринимающей среды,

вэф=3,4 Вт/см?

б - коэффициент эффективности излучения (табл. 2.2.7.1).

Таблица 2.2.7.1 - Значение коэффициента эффективности излучения

Для камерной печи сопротивления возьмем проволочные спирали, полузакрытые в пазах футеровки.

б =0,6

в_доп=вэф•б=3,4•0,6=2,4 Вт/см? (42)

pt=p₂₀•k - удельное электрическое сопротивление материала нагревателя

p₂₀ - удельное электрическое сопротивление материала нагревателя при 20 °С

p₂₀=1,13•10^-6(Ом•м) (43)

k - поправочный коэффициент для расчета изменения электрического сопротивления в зависимости от температуры. [11]

к=1,025

pt=p₂₀•k=1,13•10^-6•1,025=1,15•10^-6 Ом•м (44)

Рассчитаем диаметр проволоки для нагревателя:

=0,006 м=6 мм (45)

В соответствии с ГОСТ 12766.1-90 выбираем диаметр проволоки 5 мм.

Рассчитаем длину проволоки:

l = ===110 (м) (46)

Длина нагревателя l=110 м.

Рассчитаем массу необходимого количества проволоки:

m=l•м (47)

м-удельная масса (масса 1 метра проволоки)

l-длина проволоки,

m=l•м=110•0,052=5,7 (кг) (48)

Проверка.

Результаты расчетов необходимо проверить:

Диаметр проволоки d=6 мм

Тогда нужная длина составит:

l=R/(p•k) (49)

R-сопротивление нагревателя

p-номинальное значение электрического сопротивления 1 м проволоки

k-поправочный коэффициент для расчета изменения электрического сопротивления в зависимости от температуры.

R=4,9 Ом

р=0,0577 Ом/м

к=1,025

l=R/(p•k)=4,9/(0,0577•1,025)=83 м

Таким образом, для нагревателя потребуется 110 метров нихромовой проволоки Х20Н80 5 мм, это составляет 5,7 кг.

Для камерной печи сопротивления проволочные спирали, полузакрытые в пазах футеровки располагаются по три на двух стенах, то есть в данной печи 6 нагревателей по 110 метров.

Вид нагревателей.

После определения основных размеров, необходимо перейти к его конструированию и размещению в рабочем пространстве зоны (печи).

Для проволочных спиральных нагревателей с диаметром проволоки 5-9 мм рекомендуется шаг спиралей s2d, с тем, чтобы не уменьшать значение коэффициента эффективности.

Выбираем вид нагревателей - проволочный.

1. Общая длина нагревателя печи:

110•1=110 м, (50)

где - количество фаз.

2. Диаметр спирали:

Диаметр спирали выбирают по условиям механической прочности спирали, то есть обеспечения сохранения ее формы в процессе работы: для никельсодержащих (механически прочных) сплавов сопротивление

D=(7) d = (7?10)·d = 9•6 = 54 мм (51)

3. Длина витка спирали:

L_вит = р·D = 3,14•54 = 170 мм (52)

4. Длина выводов нагревателей:

L_выв = д+100 = 100+230=330 мм, (53)

где д - толщина стенки печи

д=230 мм

5. Длина провода на всех нагревателях:

(54)

6. Шаг спирали:

h=4·d=4·6=24 мм (55)

Чем больше диаметр спирали и чем гуще ее шаг, тем легче разместить в печи нагреватели, но с увеличением диаметра уменьшается прочность спирали, увеличивается склонность ее витков лечь друг на друга.

С другой стороны, с увеличением густоты намотки увеличивается экранирующее действие обращенной к изделиям части ее витков на остальные и, следовательно, ухудшается использование ее поверхности.

Нагреватели выступают на 50 мм от стены, расстояние от них до металла не менее 150 мм.

2.3 Контрольно-измерительное и регулирующее оборудование

Основная задача устройств автоматического регулирования температуры в печах сопротивления состоит в обеспечении заданного температурного режима нагрева изделий.

Печь сопротивления чаще всего характеризуется большой тепловой инерцией, обусловленной теплоемкостью изоляции, нагревателей и загрузки, вследствие чего температура печи изменяется сравнительно медленно. Это упрощает систему регулирования температуры, позволяя отказаться от устройств для плавного изменения мощности печи, то есть устройств непрерывного регулирования, и применять позиционные системы с простейшим исполнительным устройством - тиристорным переключателем. В электрической печи для измерения температуры рабочего пространства в качестве датчиков для автоматического управления температурным режимом применяют термоэлектрические термометры.

Они состоят из датчика (термопары), измерителя термо-ЭДС и соединительных проводов.

В разрабатываемой печи расположен термоэлектрический преобразователь типа КТХА 01.02.

Термопреобразователи КТХА (ХК) 01.02 наружным диаметром 3-4 мм рекомендуются для контроля температуры стенок печей и котлов (монтажная длина до 20 и более метров).

В термопарах данного типа присутствует клеммная голова для подключения термопреобразователя в измерительную цепь. Преобразователи 01.02 могут использоваться как самостоятельно, так и в качестве чувствительных элементов (ЧЭ) для термопреобразователей в защитных чехлах (рис. 2.3.1).

Рисунок 2.3.1 - Преобразователь типа КТХА 01.02

Технические характеристики термопреобразователя:

1. диапазон рабочих температур от -40 до 1000⁰С

2. материал защитной оболочки - сталь AISI 310,

3. диаметра оболочки 3.0 мм

4. условное давление - 0,1 МПа

5. рабочий спай изолирован изолирован от оболочки кабеля

6. показатель тепловой инерции при диаметре оболочки 3 мм - 2,0

7. Максимальная температура:

- На переходной втулке - 100 °С

- На клеммной головке - 100 °С

8. Длина монтажной части: минимальная - 320 мм, максимальная - 2000 мм

Итак, для камерной печи сопротивления необходимо использовать термопреобразователи типа КТХА 01.02 - Т310 - И - 3 - 2000 - кабельный термопреобразователь градуировки хромель-алюмель конструктивной модификации 01.02 с изолированным (И) рабочим спаем, в жаростойкой оболочке из стали AISI 310 (Т310) диаметром 3,0 мм, монтажной длиной (L) 2000 мм.

Принципиальная электрическая схема управления печью сопротивления.

Рисунок 2.3.2 - Принципиальная электрическая схема управления печью сопротивления