2.4.4 Разработка режима охлаждения изделий

Охлаждение изделий является исключительно важной технологической операцией, т.к. именно при охлаждении формируется конечная структура, а, следовательно, и свойства изделий. В связи с этим разрабатывать режим охлаждения необходимо даже более тщательно, чем режим нагрева. Как при разных видах термообработки необходимо это делать, мы детально рассматривали в курсе «Технология термообработки», поэтому при проектировании необходимо использовать эти знания, а также руководствоваться методическими указаниями по дипломному проектированию [21, с. 45-60].

2.4.5 Разработка дополнительных и вспомогательных

операций технологического процесса

Технологический процесс термообработки обычно включает не только основные, но и дополнительные, и вспомогательные операции, при которых изделия не нагреваются и не охлаждаются. Если изделия охлаждаются в масле или в какой-либо иной жидкой среде (кроме воды), то после закалки необходимо предусмотреть мойку и назначить параметры этого процесса. После завершения термообработки, если изделия нагревались в окислительной атмосфере, требуется очистка от окалины и следовательно, необходимо разработать ее параметры. Во многих случаях, когда по ТУ ограничивается деформация изделий, необходимо включить в техпроцесс их правку. Для повышения сопротивления усталости для некоторых деталей целесообразно назначать дробеструйный наклеп. Возможны также другие дополнительные операции (оксидирование, омеднение и т.д.). При назначении любых дополнительных операций требуется не просто их перечисление, но и разработка конкретных параметров (например, температура и состав моющего раствора, время мойки и др.).

К вспомогательным операциям относятся транспортные операции, приготовление контролируемых атмосфер, контроль параметров технологического процесса и качества термообработанных изделий,а так же руководствоваться методическими указаниями по дипломному проектированию.

Операции контроля качества термообработки назначаются на основе требований ТУ или ГОСТа. Они должны обеспечить весь комплекс испытаний, измерений и проверки, предусмотренных этими требованиями. Например, если регламентируются механические свойства σ_в, σ_т, δ, КСV, то должны быть предусмотрены испытания на растяжение и удар, оговорено представительство (доля) контролируемых изделий от их определенной партии. Очень часто должно быть предусмотрено место отбора проб от изделий и ориентация образцов по отношению к направлению прокатки, ковки и т.д. Нередко требуется оценивать глубину цементации, обезуглероживания, измерять коробление, производить внешний осмотр и т.д.

2.5 Выбор и расчет оборудования

2.5.1 Выбор основного, дополнительного и вспомогательного оборудования

Выбираемое оборудование должно обеспечить выполнение разработанного в дипломном проекте технологического процесса, причем такое выполнение, при котором достигаются стабильные свойства изделий, по всем показателям удовлетворяющие требованиям ТУ. Как правило, запроектированные операции технологического процесса термообработки можно осуществлять на оборудовании различных типов. Выбор может считаться обоснованным только в том случае, когда рассмотрены и сопоставлены все виды и разновидности оборудования для выполнения каждой операции технологического процесса. Поскольку для каждой операции технологического процесса термообработки обычно требуется разное оборудование, то выбор необходимо производить для каждой операции в отдельности. Например, если запроектирован технологических процесс термического улучшения с мойкой деталей после закалки и очисткой их от окалины после окончания термообработки, то последовательно нужно будет выбрать оборудование: 1) для нагрева под закалку; 2) для закалки (охлаждения) изделий; 3) для мойки деталей; 4) для высокого отпуска; 5) для охлаждения после отпуска (если это необходимо для подавления обратимой отпускной хрупкости); 6) для очистки от окалины; 7) для контроля качества изделий.

Начинать выбор оборудования рекомендуется с перечисления операций запроектированного технологического процесса термообработки. Затем последовательно для каждой операции принимаются к рассмотрению и сопоставлению все типы (виды) оборудования, пригодные для осуществления данной операции.

При выполнении проекта реконструкции всегда необходимо учитывать то обстоятельство, что в базовом подразделении имеется оборудование для выполнения большинства запроектированных операций технологического процесса. В связи с этим при выборе оборудования в число принимаемых к рассмотрению типов оборудования необходимо включить прежде всего агрегаты, работающие в базовом подразделении. Например, рассмотрение можно проводить по следующей схеме. Для нагрева под закалку вала длиной 2000 мм и диаметром 160 мм в термическом отделении используется печь ТДО. По данным [2, 7] для этой же цели могут быть использованы печи: ТНО, СНЗ, ТШО, ТЛО, ТРО. Далее, с учетом характера (массовости) производства, требований ТУ к качеству поверхности, допусков на коробление и других требований ТУ, производится анализ принятых к рассмотрению печей. Если объем производства по заданию небольшой, то сразу можно будет заключить, что печи непрерывного действия ТЛО и ТРО использовать нецелесообразно, т.к. они эффективны только в условиях массового производства [2, 7]. После такого заключения, основываясь на жестком требовании ТУ по допуску на коробление, можно из дальнейшего рассмотрения исключить ТНО, СНЗ и ТДО, т.к. в них детали греются в горизонтальном положении и коробятся при закалке больше, чем при нагреве в вертикальных печах [7]. Остается сопоставить печи ТШО и СШЗ. При этом сопоставлении решающим является требования по качеству поверхности и затраты на нагрев. Затраты на нагрев в печи ТШО будут существенно ниже, т.к. это топливная печь. К тому же при использовании печи ТШО не расходуется защитная атмосфера. Отсюда следует, что если в ТУ не оговариваются требования к качеству поверхности, то следует выбрать печь ТШО. Если же в ТУ записано требование, что поверхность должна быть светлой, или не допускается обезуглероживание, то ТШО будет непригодной, и тогда следует выбрать печь СШЗ, несмотря на то, что нагрев в ней значительно дороже.

Особенно часто при выборе печи приходится решать вопрос, какую печь лучше выбрать, топливную или электрическую? В большинстве случаев предпочтение нужно отдать топливной печи, так как стоимость нагрева в ней в 1,5–2,5 раза ниже, чем в электрической печи. Только в особых случаях, (когда в топливной печи нельзя или весьма затруднительно обеспечить выполнение требований ТУ, когда печи весьма малые и часто останавливаются и запускаются в результате одно – или двухсменного режима работы, когда очень жесткие требования к режиму нагрева и в некоторых других случаях) следует отдать предпочтение электрической печи.

После решения задачи по оборудованию для первой операции технологического процесса подобным же образом производится выбор и обоснование агрегата для второй операции, а затем и всех последующих. Следует обратить внимание, что наиболее тщательно надо выбирать основное оборудование, так как главным образом оно предопределяет качество термообработки и в значительной мере – затраты на осуществление технологического процесса. При выборе оборудования необходимо проводить технико-экономические расчеты вариантов.

В качестве примера ниже приведена методика расчета эффективности замены машинного генератора ТВЧ на тиристорный для поверхностной закалки концов рельсов. Эффект достигается за счет более высокого КПД тиристорного генератора и отсутствия потерь энергии в этом генераторе во время пауз между периодами нагрева. Технология поверхностной закалки и ее параметры при замене генераторов не изменяются (таблица 2.6).

Проведем расчет удельной экономии электрической энергии, т.е. экономии, достигаемой при нагреве 1 кг рельсовой стали.

1. Затраты энергии на нагрев металла определим по формуле

, кДж (2.17)

где G_м – масса нагреваемого слоя металла, кг;

С_ср – средняя теплоемкость рельсовой стали, кДж/кг·К;

t_м.н. и t_м.к. – температура металла соответственно начальная и конечная, ^о С;

η_г, η_тр, η_инд и η_т – КПД соответственно генератора, трасформатора, индуктора и термический КПД.

Таблица 2.6 – Исходные данные для расчета эффективности

замены машинного генератора на теристорный

Обозначение генератора	Частота тока, Гц	Мощность, кВт	КПД, %	Мощность холостого хода, кВт	Технологические параметры
					Температура нагрева, о С	Время нагрева, с	Время охлаждения, с	Время замены рельса, с
Машинный ВГО–250–2500	2500	250	80	25	920	30	30	10
Теристорный ТПЧ–250–2,4	2400	250	90	0	920	30	30	10

Так как технология нагрева не изменяется, то все КПД (кроме η_г) также не изменяются. Согласно [7. с. 186] можно принять η_тр = 0,82; η_инд = 0,78 и η_т = 0,3, а η_г = 0,8 для машинного генератора и η_г = 0,9 для тиристорного.

кДж

– для машинного генератора

кДж

– для теристорного генератора

кДж –

– экономия по нагреву 1 кг стали.

3. Затраты электроэнергии на холостой ход генератора Q_х за один цикл нагрева

, кДж,

где N_x – мощность холостого хода, кВт;

τ_x – время холостого хода в цикле обработки одного изделия, с (т.е. время охлаждения + время на снятие обработанного рельса и установку необработанного).

Если за 1 цикл нагревается 1 кг стали, то на холостой ход машинного генератора затрачивается энергия кДж (40 – это время охлаждения и перестановки рельса). Так как у тиристорного генератора N_x = 0, то при замене машинного генератора на тиристорный при нагреве 1 кг рельсовой стали в сумме экономится кДж. Для определения годовой экономии электроэнергии Q_год необходимо найти годовую массу стали G_год, нагреваемого слоя, и умножить эту величина на Q_уд, т.е.

Q_год= G_год · Q_уд, кДж.

В заключение отметим, что экономия электроэнергии при замене машинного генератора на тиристорный достигается в большей мере за счет исключения потерь на холостой ход. Следовательно, наиболее целесообразно проводить такую замену на установках ТВЧ, работающих по периодическому режиму.

Другие примеры расчета эффективности замены оборудования смотрите в [3, с. 147] и [4, с. 38].

После завершения выбора оборудования составляется сводная ведомость, в которую включается все оборудование, как новое, так и то, которое было решено оставить в реконструируемом отделении, как удовлетворяющее современным требованиям.

Таблица 2.7 – Сводная ведомость оборудования в_____________

__________________________________________

(наименование термического отделения)

№ п/п	Наименование операции	Обозначение и наименование агрегата	Краткая характеристика агрегата*	Примечание
1	Нагрев под закалку	ТШО 10.30/11 топливная шахтная печь	Размеры рабочего пространства: диаметр 1 м, высота 3 м. Предельная температура – 1100 оС, производительность 130 кг/ч, садка 1 т.	Новая
2	… и т.д.

* Краткую характеристику печей и других видов оборудования можно взять в учебнике по оборудованию [7].

Данные, приведенные в ведомости, необходимо проанализировать с позиции возможности и целесообразности использования единых комплексов оборудования - агрегатов для термической обработки, например, закалочно-отпускного агрегата при термическом улучшении большого количества изделий. Агрегатированное оборудование уменьшает трудоемкость обработки, повышает стабильность получаемых структуры и свойств изделий, поэтому при заключительном решении вопроса о выборе оборудования всегда следует отдавать предпочтение агрегатам, если их применение возможно, особенно типовым агрегатам [7, с. 219-226].

2.5.2 Определение необходимого количества оборудования

Для термообработки заданного годового количества изделий необходимо определенное количество основного и дополнительного оборудования. Расчетное количество n_р того и другого оборудования для любой операции определяется по формуле

, (2.18)

где П_оп – годовая программа по данной операции в кг;

Р_час – часовая производительность печи или установки в кг/час;

Ф_{д –} действительный фонд времени работы оборудования, час.

Производительность печей и нагревательных установок необходимо определять расчетом по формуле

, кг/час (2.19)

где П_печь – масса садки в печи или в установке в кг, а τ_з, τ_н, τ_в, τ_о, τ_р – соответственно время загрузки, время нагрева, время выдержки, время охлаждения и время разгрузки в часах.

Суммарное время, затрачиваемое на термообработку одной садки изделий, для различных печей и операций термообработки слагается из различных составляющих. Если детали охлаждаются вне печи, то из формулы (2.19) исключается τ_о. А при определении производительности печей непрерывного действия исключается также τ_з и τ_р, так как загрузка и разгрузка деталей не задерживают работу этих печей. Однако при вычислении производительности печей периодического действия τ_з и τ_р обязательно надо учитывать, несмотря на сложность их определения. В справочной литературе нет этих данных, поэтому обычно время загрузки и разгрузки принимают по данным производства (фиксируют во время производственной практики). После этого расчетное значение часовой производительности печи обязательно нужно сравнить со средней производительностью, приведенной в технических характеристиках. Если расчетная производительность значительно отличается от табличной (особенно в сторону уменьшения), то в расчетах допущена ошибка и ее нужно исправить. Часовая производительность дополнительного оборудования принимается по [7]. Действительный фонд времени оборудования Ф_д определяется по формуле

, ч (2.20)

где Ф_к = 365 – календарное число дней в году;

В = 108 – количество выходных дней в году;

П – число праздничных дней в году;

н – число смен в рабочие сутки;

m – длительность смены в часах;

К_и =0,88-0,95 – коэффициент использования оборудования – см. в [2, с. 326], учитывающий потери времени на ремонт и переналадку оборудования.

В наибольшей мере Ф_д зависит от принятого режима работы оборудования. Для уменьшения потерь энергии на разогрев печей рекомендуется принимать 3-х сменный режим работы, а для крупных печей и при длительных процессах термообработки – непрерывный режим без выходных и праздников. Если термообработка проводится на установках, не требующих затрат энергии на запуск в рабочий режим (например ТВЧ), то целесообразно использовать 2-х сменный режим.

Расчетное количество оборудования n_р практически всегда получается дробным числом, которое необходимо округлить до ближайшего большего числа, например, n_р = 2,7, тогда принятое количество оборудования n_пр = 3. после определения n_р и n_пр вычисляется коэффициент загрузки К_з

. (2.21)

К_з для печей и нагревательных установок должен составлять 0,9 – 0,95 [2, с. 328], но для закалочных баков и дополнительного оборудования может быть значительно ниже. Если по расчету для печи К_з получается низким (< 0,85), то изменением размеров рабочего пространства печи нужно так скорректировать ее производительность, чтобы n_р приблизить к целому числу и тем самым повысить К_з до 0,9 ÷ 0,95. Результаты расчета основного, вспомогательного и дополнительного оборудования необходимо внести в сводную таблицу, форма которой приведена ниже.

Таблица 2.8 – Сводная таблица расчета количества

оборудования в____________________________

(наименование термического отделения)

№ п/п	Наименование технологической операции	Наименование и обозначение оборудования	Часовая производительность, кг/ч	Годовая программа, кг	Фд, час	Количество оборудования		Коэффициент загрузки, %
						по расчету	принято
1. 2.