ЗАДАНИЕ

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка содержит: 27 с., 4 рис., 5 табл., 7 лит. ист

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ КОНТЕЙНЕРНАЯ ПЕЧЬ, ГАЗОВОЕ АЗОТИРОВАНИЕ, РАСЧЕТ ПЕЧИ, ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС, КОНВЕКТИВНЫЕ НАГРЕВАТЕЛИ, ПРОЕКТ УЧАСТКА.

Спроектирована электрическая контейнерная печь для термической обработки гильз цилиндров из стали 38Х2МЮА. Произведены расчёты: садки, времени нагрева, теплового баланса печи, конвективных нагревателей. Спроектирован участок термической обработки гильз цилиндров.

Введение

К числу наиболее ответственных частей двигателя относятся цилиндры. Во время работы поверхность цилиндров постепенно изнашивается, что приводит к ухудшению показателей двигателя. Использование сменной гильзы обеспечивает быстрый и эффективный ремонт без применения механической обработки блока цилиндров.

Работая совместно с поршнем и кольцами, гильза образует переменный рабочий объем, в котором тепловая энергия сгорания топлива преобразуется в механическую.

В гильзах цилиндра происходит сжатие и самовоспламенение топлива. Внутренняя поверхность гильз нагревается до 600 ^оС. В процессе работы гильзы подвергаются деформации от затяжки болтов крепления головки цилиндров, воздействию высоких температур, механических нагрузок, сил трения от поршневых колец и поршня.

Выполнение этих функций обуславливает требования, предъявляемые к гильзам.

Они должны:

• быть достаточно жесткими;

• сохранять форму и размеры при больших переменных давлениях и температурах;

• обладать достаточной длительной прочностью;

• обладать высокой износостойкостью.

Для достижения данных свойств производят азотирование. После проведения, которой повышается твердость и износостойкость стали, в аммиаке, который при нагреве диссоциирует.

Содержание

ЗАДАНИЕ	2
РЕФЕРАТ	3
ВВЕДЕНИЕ	5
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И ИНДЕКСЫ	6
1Технология термической обработки СТАЛИ 38Х2МЮА	7
2 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЕЧИ	10
2.1Выбор и описание оборудования	10
2.2 Расчёт печи	11
2.2.1 Компоновка садки	11
2.2.2 Расчёт времени нагрева	12
2.2.3 Расчёт теплового баланса печи	13
2.2.4 Тепло, затраченное на нагрев металла	13
2.2.5 Тепло, затраченное на нагрев муфеля	14
2.2.6 Потери тепла теплопроводностью через плоскую многослойную стенку	14
2.2.7 Потери тепла через кладку печи	16
2.2.8 Потери тепла через тепловые короткие замыкания	19
2.2.9 Затраты тепла на нагрев контролируемой атмосферы	19
2.2.10 Расчет аккумуляции тепла подом	20
2.2.11 Неучтенные потери	21
2.2.12 Тепловой баланс	21
2.3 Расчёт конвективных нагревателей	21
3 Проектирование участка	25
ЗАКЛЮЧЕНИЕ	26
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ	27

Условные обозначения и индексы

Вi – число Био;

С_о – коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела;

– средняя теплоемкость в интервале от t_н до t_к, кДж/кг∙К;

D – диаметр, м;

F – площадь, м²;

G – масса садки, кг;

H,h – высота, м, мм;

i – i-ый слой футеровки;

k – коэффициент формы или коэффициент запаса;

L – длина, м, мм;

В-ширина, м, мм;

m – масса, кг;

n – количество;

N – тепловой поток (мощность), Вт, кВт;

S – характерный размер тела или толщина слоя футеровки, м;

Q – количество тепла, Дж, кДж:.

P – производительность, кг/с, кг/ч или расход газа (жидкости), м³/с;

R, r – радиус, м;

t – температура, °C;

– средняя температура в слое;

T – температура, К или период времени, ч, дни;

U – напряжение, В;

V – объем, м³;

W – удельная поверхностная нагрузка, Вт/см²;

α – коэффициент теплоотдачи излучением, Вт/м²∙К;

δ – толщина азотируемого слоя, мм;

∆ – погрешность, %

ε – степень черноты;

λ – коэффициент теплопроводности нагреваемого изделия, Вт/м∙К;

ρ – плотность материала нагреваемого тела, кг/м³;

μ – коэффициент несимметричности нагрева

τ – время, ч, мин, с;

Подстрочные индексы:

атм – атмосфера;

вод – вода;

вн – внутренняя;

г – шага;

год – годовой;

д – действительная;

з ­– зигзаг;

к – конечное значение;

кал – календарный;

л – лучистый;

м – металл;

н – начальное значение или нагреватели;

нар – наружная;

неучт. – неучтённые;

дейст – действительное;

ном – номинальный;

окр.ср. – окружающая среда;

охл – охлаждающая;

п – печь;

под-под;

пр – приведённое значение;

празд – праздничные дни;

р – реальная;

расч – расчётная;

ср – средний;

ст – стенка;

теор – теоретическое;

ткз – тепловые короткие замыкания;

уст ­– установленная;

уч – участок;

ц – центр;

эф – эффективный;

1,2,3 – номера по порядку;

Σ ­– суммарное значение.

1 Технология термической обработки СТАЛИ 38Х2МЮА

Гильзы цилиндров обычно азотируют на глубину 0,50…0,80 мм по режиму, который отрабатывается длительное время.

Азотирование повышает твердость поверхностного слоя детали, его износостойкость, теплоемкость, предел выносливости и сопротивление коррозии в атмосфере, воде, паре, кавитационную стойкость. Твердость азотированного слоя стали высокая и сохраняется до 400…450 °С. Высокая твердость и износостойкость азотируемых конструкционных сталей обеспечивается главным образом нитридами легирующих элементов (N, MoN, AlN). Легирующие элементы существенно влияют на глубину азотированного слоя и поверхностную твердость. При азотировании в интервале температур 500…600 °С толщина диффузионного слоя невелика и поэтому высокие механические свойства достигаются в тонком поверхностном слое и по мере удаления от поверхности быстро падают [1].

Азотирование тонкостенных изделий рекомендуется выполнять при температуре 520…540 °С, т.к. повышение температуры, ведет к снижению твердости и повышению толщины азотированного слоя [2]. Азотирование проводим в диссоциированном аммиаке NH₃ (30…50 %). Детали после азотирования следует охлаждать до температур 100…150 °С в печи при непрерывной подаче аммиака. Длительность всего процесса составляет около 40 часов [3].

Рисунок 1.1 Режим азотирования стали 38Х2МЮА

Для обеспечения высоких механических свойств сердцевины и подготовки структуры для азотирования детали из стали 38Х2МЮА подвергают предварительной термической обработке — улучшению, т. е. закалке с высоким отпуском; при этом отпуск должен проводиться при температуре не ниже температуры азотирования [3].

Для данной стали температура нагрева под закалку составляет 920...940 °С в течение 30 мин. Последующее охлаждение материала производится в масло, чтобы обеспечить скорость охлаждения больше, чем критическая скорость охлаждения. Образование в результате закалки мартенсита приведет к большим остаточным напряжениям, повышению твердости, прочности, однако резко возрастает склонность материала к хрупкому разрушению, особенно при динамических нагрузках. В связи с этим проводится окончательная операция термической обработки — высокотемпературный отпуск, при котором снимаются остаточные напряжения и обеспечиваются необходимые механические свойства материала Отпуск заключается в нагреве до 640…680 °С, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждением на воздухе. Легирующие элементы повышают устойчивость мартенсита против отпуска, поэтому для получения требуемой твердости и прочности легированные стали при улучшении подвергают отпуску при более высокой температуре. Это позволяет не только более полно снять закалочные напряжения, но и получить в стали лучшее сочетание прочности и вязкости [3].

. Химический состав стали описан в таблице 1.1

Таблица 1.1 Химический состав стали 38Х2МЮА, масс.% [4]

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Mo	Al	Cu
0.35 - 0.42	0.2 - 0.45	0.3 - 0.6	до 0.3	до 0.025	до 0.025	1.35 - 1.65	0.15 - 0.25	0.7 - 1.1	до 0.3

Температуры критических точек приведены в таблице 1.2

Таблица 2.1 Температуры критических точек для стали 38ХГН,⁰С [4]

Ас1	Ас3 (Асm)	Аr1
800	940	730

2 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЕЧИ

2.1 Выбор и описание оборудования

Для азотирования гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания используются печи с передвижной камерой или контейнерные.

Конструктивно и по режиму работы контейнерные печи очень схожи с колпаковыми. Имеется неподвижный под-стенд и перемещаемая нагревательная камера. Режим работы печи периодический. Контейнерные печи имеют только электрообогрев.

Печи для азотирования гильз двигателей внутреннего сгорания и других деталей, работающих в условиях повышенных трения и температуры в агрессивных средах, имеют нагревательную камеру 5 прямоугольной формы, установленную на четырёх независимых колёсах 8, одно или два из которых имеют привод.

Азотируемые детали укладываются на под-стенд 12, конструкция которого аналогична стендам колпаковых печей с вентиляторами. Собранная садка накрывается муфелем 6, под которым создаётся азотирующая атмосфера. Нагреватели размещены на боковых стенах камеры и обеих торцевых заслонках. Футеровка обычная двухслойная. На стенде смонтированы два песочных затвора 11 для муфеля 6 и передвижного колпака 2.

Контроль температурного режима осуществляется с помощью термопар, которые закладываются в нескольких точках садки, и их электроды выводятся через стенд 12, а термопара системы регулирования вводится через канал в своде камеры 2. Продолжительность операции определяется требуемой глубиной азотирования, и обычно стадия выдержки превышает все остальные стадии вместе взятые [5].

2.2 Расчёт печи

2.2.1 Компоновка садки

Исходные данные для расчёта:

Размеры обрабатываемых гильз цилиндров:

Н = 300 мм,

D = 300 мм,

δ = 5 мм.

Деталей в контейнере 56 штук, они расположены в два ряда, каждом из которых по 28 штук, диаметром 300 мм. Ряды разделяются тонкой металлической решеткой (Рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 Компоновка садки

2.2.2 Расчёт времени нагрева

Расчет проведен по методике [6].

Исходные данные:

температура нагрева под закалку T=530 ⁰C;

скорость воздушного потока w = 7 м/с.

Температура воздуха в печи T=530+20=550⁰ C.

При выполнении расчетов с помощью этой номограммы необходимо, прежде всего, вычислить значения K_x и K_t:

где: α- коэффициент теплоотдачи конвекцией, определяемый по формуле (1.2);

F_C-поверхность садки, равная F_C = 2,1·1,2 = 2,52 м²;

C_p- теплоемкость воздуха при температуре печи t_п=530⁰ С, равная

C_p=1,3475 кДж/(м^3·К);

γ_B- плотность воздуха при температуре печи t_п=530⁰ С, равная γ_B=0,424 кг/м³;

V-объем воздуха, проходящего через сечение рабочей камеры печи в единицу времени, вычисляющийся по формуле (2.4).

где d-эквивалентный диаметр канала, d=960-300=660 мм;

w₀-приведенная (0⁰ С) скорость движения газов, определяется по формуле (2.3).

Таким образом,

K_t вычисляется по формуле (1.4):

где t_1B- температура воздушного потока на входе в рабочую камеру,

t_1B =550⁰С, t_мн, t_мк- начальная и конечная температура металла.

По номограмме для определения продолжительности нагрева изделий в конвекционных печах [6], определяем значение величины K_τ=3,4.

Время нагрева садки определяется по формуле (2.6)

3. Расчёт теплового баланса печи

Расчёт произведен по методике [7].

Расходные статьи:

2.2.4 Тепло, затраченное на нагрев металла

Так как печь периодического действия:

2.2.5 Тепло, затраченное на нагрев муфеля .

где:

G _муф - масса муфеля, рассчитываемый по формуле (2.9);

V_муф- объем муфеля, рассчитываемый по формуле (2.10).

G _муф = V*ρ = 0,06*7800 = 468 кг, (2.9)

V_муф =L_нар*B_нар*H_нар-L_вн*B_вн*H_вн =

= 2,40*2,10*0,95-2,39*2,09*0,945 = 0,06 м³. (2.10)

2.2.6 Потери тепла теплопроводностью через плоскую многослойную стенку при стационарном режиме работы печи определяем по формуле (температуру окружающей среды принимаем равной 20 ^°С):

где:

t_п – температура печи, ^оС;

– коэффициент теплоотдачи излучением и конвекцией наружной поверхности печи в окружающую среду, Вт/(м²∙град); в зависимости от ориентации стенки и ее наружной температуры принимают = 10…15 Вт/(м²∙град);

S_i – толщина i-го слоя стенки, м;

_i – средний коэффициент теплопроводности i-го слоя стенки, Вт/(мград);

– расчетная поверхность i-го слоя футеровки, м²; определяется как среднегеометрическая из значений внутренней и внешней поверхности слоя футеровки, м²,

, (2.12)

В качестве материалов кладки печи выбираем следующие:

1. слой – шамот-легковес ШЛ-0,9;

2. слой – кирпич пенодиатомитовый ПД-400;

Согласно справочным данным средний коэффициент теплопроводности i-го слоя стенки составит:

Для 1 слоя = 0,400+0,383· t_ср ·10^-3, (2.13)

Для 2 слоя = 0,077+0,314· t_ср ·10^-3 . (2.14)

Рис. 2.2. Схема распределения температуры по слоям футеровки печи

Для определения средних температур в слоях необходимо получить значения температур на их границах.

t_1,2 = (0,8…0,9)t_п = 0,8·560 = 448 °С. (2.15)

Температуру наружной поверхности печи t_нар для начального расчета принимаем равной 50 ^оС.

Температуру окружающей среды t_окр.ср. принимаем равной 20 ^оС.

На основании принятых температур находим среднюю температуру каждого слоя :

Зная средние температуры в слоях, находим средний коэффициент теплопроводности _i каждого слоя для этих температур по формулам (2.13), (2.14):

Для 1 слоя: = 0,400+0,383· 504 ·10^-3 = 0,59 Вт/(м·град);

Для 2 слоя: = 0,077+0,314· 249 ·10^-3 = 0,16 Вт/(м·град);

Для внутреннего слоя футеровки из шамота-легковеса ШЛ-0,9:

= = 20,07 м²,

Для наружного слоя футеровки из диатомитового кирпича ПД-400:

= = 20,027 м²,

где:

F_вн, F_нар, F_1,2 – площади внутренней и наружной поверхностей кладки, а так же площадь поверхности кладки на границе слоев соответственно, определенные по заводскому чертежу.