2. Выбор типа печи

Тип печи обуславливается видом энергоносителя, технологическим процессом, режимами нагрева и охлаждения, формой и габаритными размерами заготовки и требуемой производительностью. Технологический режим нагрева определяет температуру печи, её атмосферу, степень равномерности температуры в рабочем пространстве и точность её регулирования.

При курсовом проектировании вид энергоносителя, технологический режим термической обработки, и размер обрабатываемой садки (габариты рабочего пространства проектируемой печи) чаще всего известны из технического задания.

Поскольку в задании указана электрическая печь, то можно перейти к этапу «Расчет нагрева садки». Однако до этого необходимо определить какую садку в данном случае необходимо нагревать – теплотехнически тонкую или теплотехнически массивную.

3. Определение теплотехнических характеристик и тепловой массивности садки.

Скорость, а следовательно, и продолжительность нагрева зависят от большого числа факторов. Наиболее важными из них являются:

1. Теплопроводность, которая различна для сплавов разного состава (например, чем больше углерода и легирующих элементов в стали, тем ниже ее теплопроводность, нагревать такую сталь нужно с меньшей скоростью);

2. Сечение изделия - чем оно больше, тем медленнее должен быть нагрев, так как вследствие разности температур между наружной и внутренней частями изделия возникают внутренние напряжения, которые при быстром нагреве могут привести к появлению трещин;

3. Форма изделия (садки) - чем она сложнее и чем больше в детали резких переходов от толстых к тонким сечениям, тем выше вероятность коробления изделия и возможность образования трещин и, следовательно, тем меньше должна быть скорость нагрева.

Для расчетов времени нагрева и охлаждения при термообработке необходимо знать следующие теплотехнические свойства нагреваемого металла:

1. теплопроводность ( _, ) - характеризует способность металла проводить теплоту, зависит от состава сплава и температуры (например, с увеличением содержания углерода в стали или с ростом температуры теплопроводность уменьшается);

2. теплоемкость (c, ) - характеризует количество теплоты, аккумулируемое единицей массы металла при нагреве на один градус; зависит от состава сплава и температуры (с увеличением температуры теплоемкость возрастает);

3. температуропроводность ( , ) - скорость изменения температуры изделия;

4. плотность ( _, ) - масса 1 м³ металла.

Эти характеристики можно использовать только в том случае, когда нагревается единичное изделие или изделия, уложенные плотно без зазоров и пустот. Однако чаще всего загрузка (садка) представляет собой скопление изделий сложной формы, поэтому в ней содержится большое число пустот и зазоров, которые, конечно, оказывают влияние на теплотехнические характеристики загрузки в целом, так как среда, заполняющая эти пустоты, резко отличается по свойствам от металла. Существует целый ряд способов определения теплотехнических характеристик загрузки. Простейший из них - с использованием так называемого коэффициента заполнения садки

, (3.1)

где - масса реальной садки;

- масса идеальной садки;

- число деталей в загрузке;

- масса одной детали;

- максимальный объем, занимаемый загрузкой;

- плотность металла.

Понятно, что всегда .

Зная коэффициент заполнения садки (загрузки), можно определить ее теплотехнические характеристики:

; ;

; .

(Далее во всех случаях необходимо оперировать только теплотехническими характеристиками садки, поэтому индексы у обозначений будем опускать.)

При расчете времени нагрева различных тел их разделяют на теплотехнически тонкие и теплотехнически массивные.

«Тонким» изделием считается такое, температуры поверхности и сердцевины которого в любой момент времени нагрева или охлаждения практически совпадают, т.е. (рис. 1).

Рис. 1. График нагрева теплотехнически тонкого тела: Т_пов - температура поверхности тела; Т_ц - температура сердцевины тела.

«Массивным» изделием считается такое, в процессе нагрева/охлаждения которого (рис. 2).

Рис.6.3. График нагрева теплотехнически массивного тела

Рис.6.3. График нагрева теплотехнически массивного тела

При такой классификации имеют значение размеры изделий, их теплопроводность и интенсивность подвода или отвода теплоты к/от поверхности тела. Изделие относительно больших размеров, нагреваемое очень медленно, при нагреве может считаться «тонким», так как перепад температур по сечению будет незначительным. И наоборот, чем интенсивнее будет нагрев или охлаждение, тем меньшие по толщине изделия должны быть отнесены к «массивным» телам.

Рис. 2. График нагрева теплотехнически массивного тела

П ри передаче теплоты от внешней среды на границе металл–среда этот процесс испытывает внешнее тепловое сопротивление, которое обратно пропорционально коэффициенту теплоотдачи от окружающей среды к поверхности металла и равно .

В процессе теплоотдачи внутри изделия преодолевается внутреннее тепловое сопротивление, прямо пропорциональное расстоянию, на которое должна быть передана теплота, и обратно пропорциональное скорости пропускания теплоты через материал изделия, т.е. коэффициенту теплопроводности, и равно .

Отношение внутреннего теплового сопротивления к внешнему представляет собой безразмерную величину и носит название критерия Био:

, (3.2)

где - коэффициент теплоотдачи [ ];

- коэффициент теплопроводности загрузки [ ];

- определяющий размер (расстояние от самой холодной до самой горячей точки загрузки, рис. 3) [м].

EMBED Equation.2 EMBED Equation.2 EMBED Equation.2

Рис. 3. Определяющий размер (q - тепловой поток)

Критерий Био является мерой теплотехнической массивности. Используя его, можно установить границу между теплотехнически тонкими и теплотехнически массивными телами:

Bi 0,25 — теплотехнически тонкое тело;

Bi0,5 — теплотехнически массивное тело.

Если 0,25 Bi 0,5, то необходимо решить, какая разность температур внутри садки допустима при нагреве или охлаждении (при большой допустимой при данном технологическом процессе величине Т изделие может рассматриваться как «тонкое»).