- •ПРЕДИСЛОВИЕ
- •ВВЕДЕНИЕ
- •1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
- •4. ПЕЧИ-ВАННЫ
- •5. НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ
- •5.9.1. Расчет непосредственного электронагрева
- •5.9.2. Расчет индукционного нагрева
- •6. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ
- •8.1.2. Удаление окисляющих газов из контролируемых атмосфер
- •8.1.4. Управление составом атмосферы
- •8.3.1. Травление окалины
- •8.3.4. Гидропескоочистка
- •9. ЦЕХОВЫЙ КОНТРОЛЬ
- •КАЧЕСТВА ТЕРМООБРАБОТКИ
- •10. УСТРОЙСТВО КОММУНИКАЦИЙ ТЕРМИЧЕСКОГО ЦЕХА
- •12. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ОБОРУДОВАНИЯ ТЕРМИЧЕСКИХ ЦЕХОВ
- •ОГЛАВЛЕНИЕ
лей сложной формы, когда доступ энергии к нагреваемой поверхности за труднен. Изгибая и отражая с помо щью зеркал луч лазера, можно нагре вать почти любую поверхность. Боль шим преимуществом лазера является возможность нагрева изделий без ва куума — на воздухе или в атмосфере инертного газа. На воздухе после пода чи первого импульса образуется небо льшая окисная пленка, которая увели чивает коэффициент поглощения све тового излучения. При нагреве в аргоне глубина закаленного слоя несколько уменьшается, но качество поверхности получается высоким, поэтому процесс шлифовки может быть исключен.
Степень использования энергии при лазерной обработке составляет 7— 10 % выходной мощности установки, которая равна 3—4 кВт, поэтому одно временно может быть нагрета поверх ность изделия до 6 см2.
Для нагрева изделий сложной фор мы и повышения производительности установки применяют несколько лазе ров или используют многолучевые ус тановки, работающие от одного источ ника энергии. Проектируются лазерные установки для поверхностной закалки мощностью до 10 кВт и более. Бескон тактный нагрев позволяет полностью автоматизировать процесс обработки. Узкие направленные электронные и ла зерные лучи можно использовать для нанесения местных упрочнений в виде сеток с целью создания специальных композиционных конструкционных ма териалов.
Кроме твердотельных и газовых ла зеров, в ряде областей промышленнос ти применяют полупроводниковые и химические.
Тепло, затрачиваемое на потери, и общая мощность установки определя ются в зависимости от ее типа и спосо ба нагрева.
5.9.1. Расчет непосредственного электронагрева
Основными потерями тепла при не посредственном нагреве в воздушной или газовой среде являются потери лу чеиспусканием поверхностью заготов ки, которые резко меняются с повыше нием температуры. Поэтому мощность установки и время нагрева т точнее можно определить по отдельным ступе ням нагрева: 20—100; 100—200; 200— 300 °С и т. д. Минимально необходимое напряжение находится по конечной стадии нагрева, когда тепло, выделяю щееся в заготовке по, закону Джоуля, идет в основном на потери лучеиспус канием ее поверхностью. Если темпера туру окружающего воздуха не учиты вать, то формула передачи тепла луче испусканием примет вид
A U = c ( ^ j V x , |
(5.8) |
где С — коэффициент лучеиспускания. Вт/(м2-К4); Тм.к — конечная темпера тура нагрева металла, К; F — поверх ность заготовки, м2; т — время выдерж ки при данной температуре, с.
Приравняв правые части формул (5.1) и (5.8), получим для конечной стадии нагрева на воздухе:
5.9. ПРИБЛИЖЕННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ УСТАНОВОК
И ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ НАГРЕВА
Мощность, развиваемая индукцион ной установкой или аппаратом непо средственного электронагрева, расхо дуется на нагрев металла, потери в ок ружающую среду и в самой установке. Тепло, идущее на нагрев металла,
QM= Gct (tM.K— 10), |
(5.7) |
где Q — масса нагреваемого металла, кг; /м.к и t0 — конечная и начальная температуры металла, °0 ; ct — сред няя теплоемкость, кДж/(кг-К).
Заменив Rt—ptl/q, получим
где р* — электрическое удельное сопро тивление, Ом-м; I— длина заготовки, м; q — площадь поперечного сечения заготовки, м2.
При минимальном напряжении £/т1п процесс нагрева сильно затягивается, поэтому напряжение трансформатора следует увеличить на 25—30 %, т. е. U = (1,25—1,30) Umln.
Результаты расчетов по определе нию времени нагрева целесообразно сводить в таблицу (табл. 5.8). Для:
|
|
|
|
|
|
|
Энергия |
|
Время |
|
Интервал |
|
|
•10е, |
|
|
|
|
|
|
|
*ср, ( о |
Р' |
Rf Ом |
NPj кВт |
NnoT» |
полученная |
необходимая |
нагрева |
|||
темпера |
Омм |
кВт |
деталью |
в данном |
||||||
тур, с° |
|
|
|
|
|
|
(/V—ЛГП0Т), |
для |
нагрева |
интерва |
|
|
|
|
|
|
|
кВт |
Nlit |
кВт |
ле, с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
20— 100 |
60 |
|
0,22 |
0,0084 |
74,4 |
0,05 |
74,35 |
75,5 |
1.0 |
|
1 0 0 -2 0 0 |
150 |
|
0,32 |
0,0122 |
51,2 |
0,14 |
51.06 |
99,2 |
1,9 |
|
200—300 |
250 |
|
0,44 |
0,0168 |
37,2 |
0,32 |
36,88 |
104,0 |
2,8 |
|
3 0 0 - 4 0 0 |
350 |
|
0,55 |
0,0210 |
29,8 |
0,64 |
29,16 |
106,4 |
3,7 |
|
4 0 0 - 5 0 0 |
450 |
|
0,66 |
0,0252 |
24,8 |
1,15 |
23,65 |
110,2 |
4.7 |
|
500— 600 |
550 |
|
0,77 |
0 0294 |
21,3 |
1,94 |
19,36 |
115,2 |
6,0 |
|
6 0 0 - 7 0 0 |
650 |
|
0,88 |
0,0336 |
18,6 |
3,07 |
15,53 |
121,2 |
7,8 |
|
7 0 0 - 8 0 0 |
750 |
|
0,99 |
0,0376 |
16,6 |
4,64 |
11,96 |
131,4 |
-BS |
|
8 0 0 - 9 0 0 |
850 |
|
1,10 |
0,0420 |
14,9 |
6,73 |
8,17 |
139,0 |
||
Итого: |
|
|
|
|
.288,8 |
|
|
|
|
‘55,9 |
каждого периода находят генерируе мую за одну секунду в изделии энергию
U2
Nv== £«1000 ’
и потери энергии лучеиспусканием
iVnor |
1000 \ 100 ) г - |
Энергия, необходимая для нагрева ме талла,
NM= GCt(thi.K — ^м.н).
Время нагрева в данном интервале
температур
лг„
x — Nt—Na0T-
Знаменатель последней формулы соот ветствует энергии, которую можно ис пользовать для нагрева металла. Если (Nr—ЛГпот) = 50 кВт, а для нагрева из делия в секунду требуется NM= = 100 кВт, то время нагрева в данном
температурном интервале составит 2 с..
Электрическое удельное сопротив ление рt меняется с температурой на грева по прямой линии, поэтому для какой-либо температуры tx оно может быть определено графически по двум точкам: р 2о и р 9оо (табл. 5.9). Значения р 9оо для всех сталей практически оди наковы. Это объясняется тем, что с об разованием твердого раствора и изме нением температурных коэффициентов значения удельного сопротивления вы равниваются.
Пример. Определить напряжение и время нагрева при непосредственном электронагреве прутка из стали Ст. 50 (0,5 %) диаметром 10 мм, длиной 3 м, массой 2,0 кг и поверхнос тью F = 0,094 м2 до температуры 900 °С (см. табл. 5.8).
Для круглого прутка диаметром d и дли
ной I |
|
|
F |
1ША |
4/2 |
Подставив полученное значение в формулу (5.9), определим минимально необходимое на пряжение для круглого прутка:
|
|
Т а б л и ц а |
5.9. Удельное электросопротивление сталей |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
р-106 , Омм |
|
|
|
|
С5 |
Углеродистые стали с |
|
|
|
Легированные стали марок |
|||||
|
содержанием |
|
|
|
||||||
Температура, |
углерода, |
% |
40Х, зохгс |
20ХНЗА, ЗЗХНЗМ, ШХ15 |
|
|
Р18, ЗХ2В8, Х12М |
1X13, Г133X13, |
|
|
|
|
|
й й |
< |
ЕсчХ |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
СО |
|
|
«•а |
|
0.1 |
0.5 |
1.0 |
зохнз, |
|
и |
чг |
|
|
|
|
|
ОО |
|
|
|
|||||
|
|
|
CI |
X |
|
|
S * и |
|||
|
|
|
|
|
|
СО см |
сч |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
X |
|
|
XX® |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
20 |
0,14 |
0,18 |
0,23 |
0,25 |
0,28 |
0,32 |
0,42 |
0,50 |
0,60 |
0,75 |
900 |
1,10 |
1,16 |
1,20 |
1,20 |
1,22 |
1,15 |
1,15 |
1,18 |
1,15 |
1,18 |
^ G9HSIX г&гышх
1,00
1,20
и 55 |
и « |
|
чО уО |
05.0 . |
w o |
СЧ СЧ |
СО СЧ |
0,7 |
1,0 |
|
и""" = 2' ( т г г ) У |
<бЛ0» |
||||
Для |
данного примера |
Гм.к=900+273= 1173 |
К, |
|||
для |
окисленной |
стальной |
поверхности |
С = |
||
= 4,5 |
Вт/(м2-К4), |
р#= 1,16 *10“6 |
ОМ-м. Тогда |
|||
минимальное напряжение |
|
|
|
|||
t /mln = 2 -3 -ll,7 3 2l / |
4,5' 1,6У |
— = 19 В. |
||||
|
|
V |
ю-2 |
|
|
|
Принимаем |
напряжение |
трансформатора |
||||
£/=1,3, Umin —25 |
В. В |
табл. |
5.8 |
приведены |
ре |
зультаты продолжительности нагрева по отдель
ным ступеням.
При напряжении во вторичной обмотке трансформатора, равном 25 В, максимальная мощность, подводимая к детали в начальный момент нагрева, составляет 74:1 = 74 кВт, а средняя мощность за цикл нагрева 289 : 55,9 « «5,2 кВт.
5.9.2. Расчет индукционного нагрева
Мощность индукционной установки находится в зависимости от времени нагрева. Чем меньше время нагрева, тем требуется большая мощность. Мас са нагреваемого металла приближен но определяется глубиной проникно вения б токов в металл при горячем ре жиме. Для деталей цилиндрической формы масса нагреваемой части
G = -^-[(P— (d — 2б)2]/уЮ-3. |
(5.11) |
||
Здесь d — диаметр, см; |
I— длина де |
||
тали, см; у — плотность, |
кг/см3. |
нахо |
|
Учитывая тепловые |
потери, |
||
дим потребное количество тепла: |
|
||
Q M |
O C t ( t j a . i < — /о) |
|
где т|т — термический к. п. д., завися щий от частоты тока. В низкочастотных установках с тепловой изоляцией и центрирующими приспособлениями т)т = 0,85—0,90. Для звуковых частот (2000—10000 Гц) т]т= 0,40, а для ра диочастот (60—80 кГц) т]т определяет ся степенью перегрева поверхности по сравнению с заданной температурой: •при перегреве на 100 °С г)т = 0,12; при перегреве на 200 °С т\т— 0,21. В ин дукционных установках с футерован ной катушкой индуктора коэффициент т]т колеблется в пределах 0,8—0,75, точнее он может быть подсчитан по формулам потерь тепла стенками. Для цилиндрического рабочего пространст ва и однослойной футеровки
Qст — |
2л/ (/QH— /нар) |
(5.12) |
|
1 |
, */нар |
||
|
-— |
In--------- |
|
|
% |
с/вн |
|
где I—длина футеровки, м; /ви и /нар— температура внутренней и наружной стенок футеровки, причем /вн = /м.ь> /нар находится из расчета потерь тепла через стенку (следует учесть, что теп ло, получаемое наружной стенкой фу теровки, передается воде, которая ох лаждает трубки индуктора); К = 0,8— 1,0 Вт/(м-К) — коэффициент тепло проводности футеровки из шамота; daap и с/вп — наружный и внутренний диаметры футеровки, м. Толщина фу
теровки |
берется равной 20—25 мм. |
Термический к.п.д. индуктора TIT= Q M/ |
|
( Q M + Q |
C T ) . Средняя мощность, необхо |
димая для нагрева металла |
(учитывая: |
тепловые потери), |
|
Mr = QT/T, |
(5.13)' |
где г — время нагрева детали, с. Время поверхностного нагрева т.в.ч..
часто |
выбирается |
в |
пределах 4— |
12 с; |
приближенно |
его |
можно опреде |
лить, исходя из удельной мощности ге
нератора N уД. г, |
которая при одновре |
|
менном |
нагреве |
принимается равной |
0,9—1,1 |
кВт/CM2 |
поверхности изделия, |
а при непрерывно-последовательном: 1,3—1,5 кВт/см2:
Qт
Х ~ (0,60—0,65)Муд.г^ '
Здесь N уд.г — удельная мощность ге нератора, кВт/см2; F — нагреваемая поверхность детали, см2.
Зависимость минимального времени сквозного индукционного нагрева заго товок от диаметра и частоты при тем пературном перепаде между поверх ностью и сердцевиной в конце нагрева 100 °С показана на рис. 5. 31. Для слу чая нагрева труб вместо диаметра следует брать удвоенную толщину стенки.
Мощность генератора нагреватель ной установки
Nr = Nт/т]эл>
где г]эл — электрический к. п. д. уста новки. Для высокочастотных установок
С МаШИННЫМ Ген ерато ром Т]эл = Т]инд-
т)Тр. К. п. д. катушки индуктора Т1инд 0,75—0,80, а к. п. д. трансформатора с железным сердечником т]Тр = 0,80— 0,85, тогда т)эл = 0,60—0,65.
Для высокочастотных установок с ламповым генератором т]Эл =0,55— 0,60, а для индукционной установки промышленной частоты т]Эл /= 0,65е—
ч |
|
|
|
|
|
По формуле |
(5.3) |
найдем |
рекомендуемую |
||||||
- |
|
|
|
|
|
|
5-10* |
5 - 104 |
|
= 3100 Гц. Вы- |
|||||
|
|
|
|
частоту / = -----—— . = ------- -— |
|||||||||||
wo |
|
|
|
|
|
|
|
62 |
|
42 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
бираем |
частоту |
f = 2500 |
Гц |
и применяем ма |
|||||||
|
|
|
|
шинный генератор. |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
#/ |
|
Масса закаленного слоя |
|
|
|
|
||||||
360 |
|
|
О = — [d2 — (d — 26)2] fYio-3 = |
— |
[5,52 — |
||||||||||
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|||
|
|
|
|
[5,5 — 2 -0,4)2] -7-7,8-10'3 = |
0,35 |
кг. |
|||||||||
300 |
|
|
4 |
/ . |
ва |
Количество |
тепла, |
необходимое для нагре |
|||||||
|
|
|
|
|
закаленного |
слоя |
до |
температуры |
920 °С, |
||||||
2Ш |
|
#/ |
|
|
|
|
QM = |
GCt (?м. к — ^о) |
= |
0,35 X |
|
||||
|
|
|
|
|
X 0,67(920 — 20) |
= |
210 кДж. |
|
|||||||
|
f |
|
|
Учитывая тепловые потери при г|т=0,4, найдем |
|||||||||||
т |
V |
|
|
потребное количество тепла |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
QT= Q M: Т]т=210 : 0,4 = 525 кДж. |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
Время нагрева примем по формуле (5ЛЗ), |
||||||||||
|
|
|
|
исходя |
из |
удельной |
мощности |
генератора |
|||||||
|
|
|
|
1,1 |
кВт/см2: |
|
525 |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
60 |
|
|
|
|
|
Т = |
0,65-1,1 - б ^ . О - З Л ^ 6 |
С> |
|||||||
|
|
i |
|
|
Тогда средняя мощность для нагрева металла с |
||||||||||
|
|
|
|
учетом |
тепловых потерь составит |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
О Ю.20 30 |
60 |
90 |
|
й,мм |
|
Nr = |
QT : х = |
525/6 = |
88 |
кВт. |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 5.31. Зависимость времени сквозного на грева заготовок индукционным способом от их диаметра и частоты тока
0,75. При непрерывно-последователь ном методе индукционного нагрева вы соту индуктора принимают равной 20— 30 мм, а скорость его движения в пре делах 3—5 мм/с.
Мощность конденсаторных батарей Nc должна быть равна реактивной мощности, создаваемой закалочной си стемой. В первом приближении Nc= = l,5M/coscp, а емкость конденсатор
ных батарей
No109 Сконд = ~2nfU2’ *
Здесь U — напряжение батареи, кВ. Коэффициенты мощности cos ср для
машинных генераторов, работающих на частотах 2500 и 10000 Гц, соответ ственно равны 0,3 и 0,15. Для лампо вых генераторов при частотах 60— 80 кГц cos ср = 0,05. Потери энергии в бумажно-масляных конденсаторах со ставляют 0,2—0,25 %, в керамических и слюдяных 0,05—0,10 %, поэтому, не смотря на малый cos ф и большую ре активную мощность, они невелики.
Пример 1. |
Определить |
условия нагрева |
||
т. в. ч. шейки |
коленчатого |
вала |
автомобиля |
|
d = 55 |
мм при ширине закаленного |
слоя шейки |
||
/ = 70 |
мм и глубине слоя 6 = 4 |
мм. Температура |
нагрева равна 920 °С (перегрев 100 °С).
При к. п. д. катушки индуктора Т1пнд=0,75 |
|
и закалочного трансформатора т|Тр===0,85 по |
|
требная мощность генератора |
|
NM |
88 |
N r |
= 138, |
НиндЛтр |
0,75-0,85 |
а удельная |
|
|
138 |
N v -------------------- |
« 1,1. |
3,14-5,5-7 |
Выберем машинный генератор мощностью 150 кВт, ВГ-150—2500. Определим время нагре ва всех шеек коленчатого вала автомобиля при последовательном способе нагрева:
n[d2—{d—2б)2 ] X
X l y c , ( t „ . K — |
/о)10-3 |
т -- ------------------------------------------------------ |
. (5Л5) |
4NгТ]т11ипдТ|тр
Полученные данные сведем в табл. 5.10. Пример 2. Определить время нагрева т. в. ч.
внутренней |
поверхности |
чугунной |
гильзы |
диа |
|||
метром |
d = 145 |
мм |
при |
глубине |
закалки |
6 = |
|
= 2,0 |
мм |
на |
ламповом |
генераторе |
|||
ВЧГЗ-160/0,066 |
(мощностью 160 |
кВт частотой |
66 кГц). Используя непрерывно-последователь
ный нагрев |
при |
температуре 920 °С |
(перегрев |
|
100 °С). |
для |
ламповой установки |
rjT=0,12 |
|
Примем |
||||
(при перегреве, |
равном 100 °С), г]Эл = 0,6. |
Вре |
||
мя нагрева вычислим по формуле (5.15): |
||||
3,14[14,52 — (14,5 — 2-0,2)2]Х |
|
|||
X 2 -7,8 -10-3-0,67(920 — 20) |
_ |
|||
~ |
|
4-160-0,12-0,6 |
|
~ |