2.4 Выбор технологического процесса и разработка его

параметров

2.4.1 Выбор и обоснование технологического процесса

Обычно требуемый ТУ уровень свойств можно обеспечить разными обработками, поэтому при выборе технологического процесса необходимо проработать несколько вариантов. Сказанное не следует понимать, что сравнивать нужно только варианты, отличающиеся друг от друга по виду термической обработки. Сравнение необходимо проводить и тех вариантов, которые отличаются друг от друга лишь отдельными элементами. Например, при разработке цементации следует сравнить варианты с непосредственной закалкой и закалкой с дополнительного нагрева; или закалки в масле с закалкой в водном растворе какого-либо полимера или в душирующем устройстве и т.д. Главное, что должно быть обеспечено разрабатываемым технологическим процессом, это минимальная энергоемкость и минимальные затраты на обработку при непременном условии обеспечения требуемого качества изделия и соблюдении санитарных и экологических норм.

При выборе варианта технологического процесса и отдельных его операций рекомендуется использовать мероприятия:

1. Полное или частичное использование тепла деформационного или литейного нагрева.

2. Замена цементации на нитроцементацию.

3. Замена ХТО на закалку ТВЧ (с заменой стали).

4. Замена нагрева ТВЧ на ТПЧ хотя бы для первой стадии нагрева (до 650 ^оС).

5. Ускорение нагрева деталей за счет рационализации укладки изделий в печи и температурного режима печи.

6. Применение защитной атмосферы, если это может существенно снизить затраты на окончательную механическую обработку детали и сборку узла (машины).

7. Замена масла на другие более дешевые и безвредные закалочные среды, особенно на водо-воздушное душирование.

8. Применение изотермического отжига вместо непрерывного.

9. Замена обычной закалки на ступенчатую или изотермическую.

Приведенный перечень не охватывает все возможные пути рационализации технологических процессов термической обработки, поэтому студенты при решении этого вопроса должны использовать техническую литературу [1, 2, 3 и др.].

Выбранные для сравнения варианты технологического процесса в первую очередь сопоставляются по получаемым механическим (реже по технологическим) свойствам в сравнении с требуемым ТУ уровнем. Если они удовлетворяют требованиям ТУ и не нарушают требования санитарных и экологических норм, то далее обязательно нужно провести технико-экономическое сравнение. При этом нужно производить сравнение только по тем показателям, которые отличаются в сопоставляемых вариантах. Например, при поверхностной закалке, если возможно использование ТПЧ для предварительного подогрева или полного нагрева при сравнении с нагревом ТВЧ достаточно определить расход электроэнергии по обоим вариантам на единицу продукции. Если же сопоставляются ХТО и поверхностная закалка ТВЧ, то кроме затрат на осуществление технологических процессов, нужно учесть и изменение затрат на сталь, т.к. при замене ХТО на закалку ТВЧ обязательно изменяется и марка стали.

В заключение рассмотрим 2 примера экономического обоснования предлагаемого в проекте варианта совершенствования технологического процесса.

Пример 1. Бурильные трубы из стали 32Г2Т диаметром 200 мм и толщиной стенки 9 мм в базовом термическом отделении нагреваются под закалку до 900 ^оС в проходном режиме в 18-ти секциях индуктора, питаемого 3-мя генераторами ТВЧ ВГО–250–2500, т.е. нагрев производится током частотой 2500 Гц от 20 ^оС до конечной температуры. В проекте реконструкции предложено производить нагрев труб до 650 ^оС не ТВЧ, а ТПЧ, так как глубина проникновения тока промышленной частоты при нагреве до 650 ^оС (в «холодном режиме») меньше толщины стенки трубы [7, с. 157], поэтому такой нагрев возможен с высоким КПД. Для этого предложено первые 12 секций индуктора питать от цеховой сети, а окончательный нагрев производить в 6-ти конечных секциях индуктора одним генератором ТВЧ (нагрев ТПЧ труб в горячем режиме практически невозможен из-за слишком большого проникновения тока в сталь).

Определим, какой эффект будет получен на 1 тонну термообрабатываемых труб в результате изменения режима их нагрева.

1. Потребное количество электроэнергии Q_м на нагрев 1 тонны изделий до 650 ^оС определим по формуле:

, кДж (2.1)

где G_м – масса нагреваемого металла, кг;

с_ср – средняя теплоемкость стали, кДж/кг·К;

t_м.к. и t_м.н. – соответственно конечная и начальная температуры изделия, ^оС.

кДж

2. Потребное количество энергии Q_баз от цеховой сети по базовому варианту (т.е. при нагреве ТВЧ) определяется по формуле [7, с. 187].

, кДж (2.2)

где η_г, η_тр, η_инд, η_т – соответственно КПД генератора, трансформатора, индуктора и термический КПД индукционного нагрева.

кДж=495 кВт·ч

3. Потребное количество электроэнергии от цеховой сети по предложенному варианту Q_пр определяется по формуле:

, кДж (2.3)

кДж=334 кВт·ч

4. Экономия электроэнергии кВт·ч или ~ 27 грн. на 1 тонну труб (достигается за счет устранения потерь в генераторе и более высокого КПД низкочастотного трансформатора).

5. Полный экономический эффект от изменения режима нагрева будет еще больше, так как исключаются затраты на ремонт и обслуживание 2-х генераторов ТВЧ и их амортизацию (нет генераторов – нет затрат на их эксплуатацию). Его определение производится в экономическом разделе проекта. Здесь же для обоснования рациональности технологической операции достаточно приведенного расчета.

Пример 2. В базовом термическом отделении толстый стальной лист нагревается на 920 ^оС под закалку в роликовой печи. Суммарное время нагрева и выдержки изделий в печи составляет 2 минуты на 1 мм толщины листа. В проекте реконструкции на основании детального расчета времени нагрева и выдержки листов предложено уменьшить удельное время их нагрева от 2-х до 1,2 минуты на 1 мм толщины.

Экономический эффект в этом случае будет получен вследствие уменьшения потерь тепла за более короткое время нагрева изделий, так как роликовые печи работают при установившемся тепловом режиме, следовательно, и при установившемся потоке тепловых потерь. Ясно, что при таких условиях нагрева, чем короче время пребывания изделий в печи, тем меньше доля потерь тепла на одно изделие или на единицу массы изделий.

Определим экономический эффект от сокращения времени нагрева изделий:

1. Исходные данные для расчета – КПД роликовой печи

η_п = 25 % и тепло Q_м = 612000 кДж/т необходимое для нагрева 1 тонны листов до 920 ^оС.

2. Полные затраты тепла на нагрев 1 т изделий по базовому варианту Q_баз = Q_м : η_п = 612000:0,25 = 2448000 кДж/т.

3. Потери тепла при нагреве по базовому варианту

Δ Q₁ = 2448000 – 612000 = 1836000 кДж/т.

4. Относительное сокращение длительности нагрева по предложенному варианту Δ τ = 2 : 1,2 = 1,67.

5. Потери тепла при нагреве по предложенному варианту

Δ Q₂ = 1836000 : 1,67 = 1099400 кДж/т.

6. Уменьшение потерь тепла вследствие совершенствования нагрева

Δ Q = Δ Q₁ – Δ Q₂ = 1836000 – 1099400 = 736600 кДж/т.

7. Экономия расхода природного газа

Δ В = 736600 : 34800 21 м³/т (~ 6 грн/т).

Из рассмотренных примеров видно, что в случае совершенствования технологического процесса, не требующего установки нового оборудования, эффективность этого совершенствования определяется очень просто. В тех случаях, когда рационализация технологического процесса требует установки нового оборудования и, следовательно, дополнительных капитальных вложений, расчет оказывается более сложным. Примеры таких расчетов смотрите в [3, с. 147–162].

2.4.2 Назначение температуры нагрева изделий и режима нагрева

Изделия из доэвтектоидных углеродистых и низколегированных сталей нагреваются при закалке, нормализации и отжиге до температуры, определяемой из выражения

, ^оС (2.4)

Отжиг и закалка изделий из заэвтектоидных сталей производятся от температур

, ^оС (2.5)

Критические точки Ас₃ и Ас₁ приводятся в литературе, например, в марочнике сталей [5], а также во многих справочниках по термообработке. При нагреве изделий из сталей, легированных карбидообразующими элементами (Cr, Mo, W, V, Ti, Nb), к значениям Ас₁ и Ас₃ добавляется 50÷60 ^о, а если нагреваются изделия из углеродистых сталей и из сталей, легированных некарбидообразующими элементами, добавляется 30–40 ^оС. При ХТО температуры нагрева приводятся в [1, 2, 6].

Для среднелегированных (сумма легирующих элементов более 3–4 %) и особенно высоколегированных сталей температура нагрева при различных видах термообработки определяется необходимой степенью растворения специальных карбидов. Эти температуры для стандартных марок сталей установлены опытным путем и проверены в производстве. Данные по температуре нагрева под различные виды термообработки приведены в различных справочниках, но удобнее всего пользоваться учебником [6], в котором в соответствующих разделах приведены таблицы со справочными данными. Для многих марок конструкционных сталей необходимые данные приводятся также в справочнике [5].

Режим нагрева назначается с учетом возникающих при нагреве термических напряжений. Они тем выше, чем выше скорость нагрева и чем массивнее нагреваемое изделие. Для большинства изделий, изготавливаемых из достаточно пластичных конструкционных сталей, термические напряжения при нагреве не представляют опасности, так как при достижении уровня предела текучести происходит малая пластическая деформация и трещины не образуются. Такие изделия греют с такой скоростью, с какой это возможно греть в данной печи. В этом случае говорят, что нагрев производится «по мощности печи». Однако в ряде случаев, когда греются массивные детали из сталей с пониженной пластичностью, возникает опасность возникновения трещин в центральной части сечения изделий, так как растягивающие термические напряжения могут превзойти предел прочности данной стали. Положение усугубляется тем, что максимальные термические напряжения сосредотачиваются в наиболее холодной части изделия и действуют по наиболее жесткой схеме – по схеме всестороннего растяжения. В этих условиях стали наиболее склонны к хрупкому разрушению, т.е. к образованию хрупких трещин. В связи с этим такие изделия до 500–550 ^оС в центре сечения греют замедленно, а затем по мощности печи, так как при нагреве до 500 ^оС и более высоких температур пластичность даже «хрупких» сталей возрастает настолько, что становится достаточной для релаксации термических напряжений без образования трещин. К изделиям из «хрупких» сталей должны быть отнесены те, которые изготовлены из инструментальных сталей, среднеуглеродистых легированных сталей и отливки из любых сталей. Для этих изделий, если критерий Био Вi > 0,3, должен быть принят двухступенчатый нагрев, а если Вi ≤ 0,3, то их можно греть по одноступенчатому режиму. По одноступенчатому режиму греют также изделия из пластичных сталей с любым значением критерия Био.

В случае двухступенчатого нагрева температура печи на первой ступени нагрева, т.е. нагрева центра изделия до 500 ^оС, должна быть снижена настолько, чтобы снизить коэффициент теплоотдачи α до уровня, обеспечивающего снижение Вi до величины 0,25–0,3. Излишнее снижение температуры печи на первой ступени нагрева затягивает нагрев и снижает производительность печи (вычисление критерия Вi смотрите ниже).

2.4.3 Расчет времени нагрева садки и времени выдержки

Нагрев изделий является наиболее важной частью большинства операций термической обработки. Он во многом определяет качество термообработки и производительность печи, поэтому должен быть разработан особенно тщательно. Решение задачи по нагреву необходимо начинать с укладки изделий на поду печи (укладки в корзины или формирования подвески в шахтных печах). Размещение деталей должно быть оптимальным, т.е. обеспечивающим равномерный нагрев и максимальную производительность печи. Рекомендации по формированию садки смотрите в [7, с. 19–21]. Принятую в проекте укладку изделий необходимо изобразить на эскизе и привести в пояснительной записке.

Расчет времени нагрева следует начинать с определения критерия Био, так как его величина определяет теплотехническую массивность тела и формулу расчета. Критерий Био (Вi) – безразмерная величина и определяется выражением (2.6)

, (2.6)

где α – коэффициент теплоотдачи, Вт/м² ·К;

S – полутолщина или радиус изделия в наиболее массивной его части, если нагрев двусторонний (симметричный). Если же нагрев односторонний, что весьма нежелательно и допускается в исключительных случаях, то S равно толщине или диаметру изделия. S измеряется в метрах;

λ – коэффициент теплопроводности, Вт/м ·К.

Критерий Био является определяющим при расчете нагрева, поэтому ошибка в его расчете недопустима. Поскольку α и λ при нагреве изделия изменяются, то Вi обычно определяют по их средним значениям, т.е.

(2.7)

Средний коэффициент теплопроводности λ_ср определяется как среднеарифметическое значение из начальной и конечной его величин, которые приводятся в приложении 1. Если в этом приложении нет вашей стали, то принимайте значения λ по данным для стали, марочный химический состав которой наиболее близок к рассматриваемой в проекте. Величину α_ср находят расчетом. В топливных печах и вентиляторных электрических печах α_ср практически во всех случаях состоит из двух составляющих и определяется выражением (2.8)

, Вт/м²·К (2.8)

где α_к – коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/м²·К;

α_л.ср – средний коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием, Вт/м²·К.

Величина α_к зависит от скорости движения печных газов в рабочем пространстве и практически не зависит от температуры печи. Она вычисляется по империческим формулам [2, с.13], приведенным ниже.

Поверхность	W* ≤ 5 м/с	W > 5 м/с
1. Прокатанная	5,0 + 3,4 W	6,14 W0,78
2. Шероховатая	5,3 + 3,6 W	6,47 W0,78
3. Полированная	4,8 + 3,4 W	6,12 W0,78

* W – скорость печных газов в печи.

Скорость движения печных газов в топливных печах обычно составляет 2–3 м/с, а в вентиляторных печах с направленной циркуляцией может достигать 10-20 м/с. Если в рабочем пространстве движение печных газов отсутствует, то α_к ≈ 0.

Средний коэффициент теплоотдачи излучением определяется по выражению (2.9)

, Вт/м²·К (2.9)

где С_о=5,67 – коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/м²·К⁴;

ε_пр=0,6 – приведенная степень черноты при нагреве в термических печах с окислительной атмосферой;

Т_с – температура печи в ^оК;

Т_м.н. и Т_м.к. – соответственно температура металла (изделий) при посадке в печь и в конце нагрева в ^оК.

В термических печах обычно Т_с = Т_м.к.+ (20÷40)^о. (Обратите внимание, что в формуле (2.9) температура должна быть в ^оК).

Вычисленное значение α_ср необходимо проверить. Если оно отличается от приведенного в [2, с. 13] более, чем на 20 %, то в расчете скорее всего допущена ошибка, поэтому расчет необходимо повторить, исключив ошибку.

Теперь, определив λ_ср (по справочнику) и α_ср (расчетом), вычислите значение критерия Вi. Если Bi ≤0,25, то нагреваемые изделия считаются теплотехнически тонкими, а если Bi>0,5, они считаются теплотехнически массивными, т.е. такими, при нагреве которых по сечению возникает существенный или даже значительный перепад температур. Чем больше Bi, тем больше разница температур между поверхностью и центром. Вспомните, что изделия из «хрупких» сталей при Bi>0,3 необходимо греть по двухступенчатому или методическому режиму.

Определение времени нагрева «тонкого» и «толстого» тела производится по формулам 2.10–2.14 на ЭВМ кафедры по программе обработки математических данных «Mathcad 7», введенной в компьютер. Порядок работы на ЭВМ приведен в специальной инструкции, приложенной к компьютеру. Для получения правильных результатов расчета в ЭВМ необходимо вводить численные значения всех величин в тех единицах, в которых они обозначены в таблице 2.4.

При определении времени нагрева τ_Н «тонкого» тела используется формула (2.10)

, (2.10)

где К_э – коэффициент экранирования, зависящий от укладки изделий в печи (пояснения см. ниже);

G – масса изделия, или наиболее массивной его части, кг;

с_ср –средняя теплоемкость, Дж/кг·К – см. приложение 1;

α_ср –средний коэффициент теплоотдачи, Вт/м²·К;

F – площадь тепловоспринимающей поверхности изделия, или его наиболее массивной части, м²;

t_с – температура печи, ^оС;

t_МН и t_МК – соответственно начальная и конечная температура изделия, ^оС.

Таблица 2.4 - Величины, необходимые для расчета нагрева тонких тел по формуле (2.10)

Обозначение величины	Кэ	G	Сср	F	tс	tМН	tМК	αср
Единица измерения	-	кг	Дж/кг·К	м2	оС	оС	оС	Вт/м2·К
Численное значение

Коэффициент экранирования К_э ≥ 1 зависит от принятой укладки изделий на поду печи и при нерациональной укладке может достигать значения 4 и более. Для ряда типовых укладок изделий его величину можно определить из выражения К_э = 2μ, где μ – коэффициент несимметричности нагрева в [8, с.75]. К_э можно также взять из справочника [17, с.763], где он обозначен как «относительная продолжительность нагрева».

В некоторых случаях (например, при отжиге сортового проката, нагреве толстого листа в камерных печах) укладка изделий делается многослойной с прокладками по ее высоте. Для таких садок в справочной литературе отсутствуют данные о величине К_э, поэтому невозможно корректно рассчитать τ_н изделий. В этих случаях в проекте необходимо принять то время нагрева, которое принято в базовом подразделении, но обязательно проанализировать его путем определения времени нагрева однослойной садки этих изделий и сопоставления производительности печи по нагреву многослойной и однослойной садки. Например, 10-слойная садка имеет массу 50 тонн и время нагрева 8 часов, а однослойная садка массой 5 тонн по расчету греется 1 час. Тогда производительность печи по нагреву в первом случае составляет 50:8=6,25 т/ч, а во втором – 5:1=5 т/час. Следовательно, в рассмотренном примере более рациональной является многослойная садка.

Определение времени нагрева «массивных» изделий производится по формулам (2.11) – (2.14).

Для длинного цилиндра при симметричном нагреве (К_э=1).

, с (2.11)

, с (2.12)

Для пластины при симметричном нагреве толщиной 2S

, с (2.13)

, с (2.14)

где τ_ц и τ_п – соответственно время нагрева поверхности и центра;

t_с – температура печи, ^оС. Если нагрев двухступенчатый, то берется отдельно для каждой ступени;

t_мн ­– начальная температура металла, ^оС;

t_мц ­и t_мп ­– конечная температура соответственно центра и поверхности изделия, ^оС.

При термообработке t_мп – t_мц ≤ 10 ^о, т.е. перепад температуры в изделии в конце нагрева не должен превышать 10 ^о.

– средний коэффициент температуропроводности, м²/с;

(С_ср и γ – средняя теплоемкость и плотность металла в кг/м³);

С_ср и γ приведены в [2, с. 369, 370].

μ², δ², N, N₀, U, U₀ – сложные функции, которые для различных значений критерия Вi вычислены Г.П. Иванцовым и приведены в приложении 2. Обратите внимание, что приведены значения μ² и δ² , а не μ, δ.

Для расчета на ЭВМ необходимо заполнить таблицу 2.5. В нее нужно внести численные значения лишь тех параметров, которые входят в расчетную формулу. Обратите внимание на единицы измерения: они должны соответствовать тем, которые указаны в таблице 2.5, иначе результат расчета будет неправильным.

Таблица 2.5 – Величины, необходимые для расчета нагрева массивных тел по формулам (2.11) – (2.14)

Обозначение величины	R или S	μ2 или δ2	acp	N0 или U0	U или N	tС	tМН	tМП	tМЦ
Единица измерения	м	–	м2/с	–	–	оС	оС	оС	оС
Численное значение

При нагреве массивных тел обычно определяют время нагрева центра изделия, т.к. центр для нагрева на заданную температуру всегда требует более длительное время, чем поверхность.

Время, полученное расчетом на ЭВМ, необходимо проверить. Для этого нужно определить время нагрева по соответствующей номограмме Д.В. Будрина [8, с. 64-69] (см. рис.2.1, 2.2, 2.3 и 2.4) и сопоставить его с полученным на ЭВМ. Для определения τ_н по номограмме кроме критерия Вi необходимо вычислить температурный критерий Θ

, (2.15)

где t_мк – конечная температура поверхности тонкого тела, или конечная температура центра массивного тела.

, (2.16)

где а – коэффициент температуропроводности, м²/с;

τ – время нагрева, с;

S – полутолщина или радиус нагреваемого изделия (или его наиболее массивной части), м.

Рисунок 2.1 – Номограмма для расчета нагрева и охлаждения поверхности плиты

Рисунок 2.2 – Номограмма для расчета нагрева и охлаждения центра плиты

Рисунок 2.3 – Номограмма для расчета и охлаждения поверхности цилиндра

Рисунок 2.4 – Номограмма для расчета нагрева и охлаждения центра цилиндра

По значениям Θ и Вi определяется критерий Фурье F₀

Из F₀ определяется τ_н, которое не должно отличаться от вычисленного на ЭВМ более чем на 20 %. Если расхождение значений τ_н больше 20 %, то нужно проверить, правильно ли по номограмме определено значение F₀ и τ_н, а затем уже проверить правильно ли в ЭВМ заданы числовые значения всех величин, входящих в расчетную формулу. Особенно внимательно нужно отнестись к тому, в каких единицах измерения в этих формулах приведены физические величины. Например, если при вычислении коэффициента температуропроводности «а» теплоемкость С_ср принять не в Дж/кг·К, как это необходимо, а в кДж/кг·К, то в вычисления будет внесена огромная ошибка.

Для теплового расчета печи и ее теплотехнических показателей имеет существенное значение правильность назначения времени выдержки садки после ее нагрева до заданной температуры, а также время ее охлаждения, если садка охлаждается в печи, т.е. при отжиге.

Время выдержки зависит от химического состава стали, из которой сделаны изделия, а также от массивности изделий и типа садки. Рекомендации по времени выдержки приводятся в учебниках по технологии термообработки [1. 2] и в различных справочниках. Можно использовать следующие наиболее часто встречающиеся рекомендации: для изделий из углеродистых сталей – 20–25 % от времени нагрева, для низколегированный сталей – 25­–35 %, среднелегированных – 40–50 % и высоколегированных – 50­–100 %.