Околович Г.А. Нагрев и нагревательные устройства

Подождите немного. Документ загружается.

121

Рисунок 70 - График продолжительности нагрева методом

сопротивления в зависимости от диаметра заготовки

Следует иметь ввиду, что темп выдачи

на однопозиционных и

многопозиционных установок разный.

7.7 Расчет КПД установки

КПД любой электронагревательной установки является

основным техническим показателем, характеризующим

эффективность и целесообразность ее применения. КПД установки

зависит от ее конструкции, от способа нагрева и типа нагреваемых

установок.

Общий КПД можно определить через произведение КПД

составных узлов и элементов, учитывающие отдельные

виды

потерь в элементах установки в процессе нагрева по формуле

тр *

э *

, (7.15)

где

тр

- КПД силового трансформатора;

- потери электроэнергии в токоведущих элементах

вторичной цепи:

- КПД тепловых потерь.

122

Основные области применения

1 Нагрев цилиндрических и прямоугольных прутков и полос под

ковочные и гибочные операции горячей обработки давлением или

термообработке. Причем расположение нагреваемой зоны на

заготовке может быть в любом месте.

2 Нагрев заготовок различного типа в нескольких раздельных

зонах под обработку давлением и термообработку.

3 Нагрев концевых зон заготовок

различного профиля (высадка

штамповка крестовин, головок болтов, клапанов и др.).

4 Нагрев прутков цилиндрического и прямоугольного профиля

под навивку пружин и других изделий сложной формы.

5 Нагрев штанг диаметром 40-120 мм, длиной 1,5-12 м под рубку

заготовок, перекатку, для штамповки шестерен, звездочек и др.

деталей.

6 Нагрев порошковых материалов для спекания.

7.8 Технико-экономические

показатели индукционного и

контактного электронагрева

1 Нагрев заготовок с поперечным сечением до 120 мм и длиной

более 100 мм электроконтактным способом экономичнее индукцион-

ного.

2 При

. 1 электроконтактный нагрев в 1,5 - 2,0 раза дешевле

индукционного.

3 Для получения наибольшего значения КПД и большей

производительности нагреваемого устройства при индукционном

способе необходимо выбирать оптимальную частоту тока при

условии

∆

>3÷6

а при электроконтактном - при условии l

>1.

4 При электроконтактном нагреве понятие эксплуатационного

КПД теряет свой обычный смысл, т.к. электроконтактные установки

не работают в холостую; при выключении нагрева силовой транс-

форматор отключается от сети и установка не потребляет энергии.

Кроме того, отсутствует работа вхолостую или с неполной загрузкой

по мощности.

Таким образом, электроконтактный способ является технически

наиболее

совершенным, экономически более эффективным и

рентабельным; конструкция нагревательных устройств наиболее

проста и удобна в эксплуатации и при встройке в автоматическую

линию.

Однако это не снижает ценности индукционного способа

нагрева. При нагреве коротких заготовок под объемную штамповку

123

или ковку, при нагреве заготовок с большим поперечным сечением,

при нагреве для поверхностной закалки и для других

технологических целей.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1 В чем состоит сущность индукционного метода нагрева металла ?

2 Изменение физических свойств нагреваемого металла.

3 Какие факторы влияют на выбор частоты тока при индукционном

нагреве ?

4 Устройство и виды

индукционных установок.

5 Объясните методику расчета индуктора.

6 Технико-экономические показатели индукционного и контактного

электронагрева.

7 Схемы прямого контактного нагрева.

8 Мощность нагревательной установки.

9 Время нагрева и производительность.

10 Области применения контактного нагрева.

ГЛАВА 8 НАГРЕВ И ТЕРМООБРАБОТКА В КИПЯЩЕМ СЛОЕ

Нагрев деталей в рабочем пространстве этих печей (рисунок 71)

осуществляется сыпучими частицами, нагретыми

в газовом потоке.

Слой кипит, потому что поток газа с большой равномерностью прохо-

дит через решетку, и частицы в этом потоке находятся во взвешенном

состоянии.

1 – кипящий слой; 2 – корпус с изоляцией; 3 – решётка; 4 – электро-

нагреватели; 5 – обрабатываемая деталь; 6 – крышка с отражателя-

ми; 7 – система отвода загрязнённого газа; 8 – пылеуловитель; 9 –

газоочистка; 10 – всасывающе-нагнетающий насос

Рисунок 71 - Схема печи с кипящим слоем

124

Слой нагревается чаще всего при помощи электрических нагрева-

телей, погруженных в слой, либо нагревателями, расположенными вне

рабочего пространства, либо одновременно горячим газом и нагревате-

лями.

В качестве сыпучих частиц чаще всего используют оксид алю-

миния, карборунд, циркониевый песок и др. Коэффициент теплопе-

редачи при нагреве деталей в кипящем слое

очень высок: он в 5…10

раз выше, чем в пламенных печах, и близок к аналогичной характе-

ристике соляных ванн.

Основные преимущества печей с кипящем слоем - высокая

скорость и большая равномерность нагрева, такая же, как в соляных

и селитровых ваннах. Но без недостатков, присущих этому виду

оборудования (в частности, загрязнения окружающей среды и

дета-

лей, связанного с выделением цианидов и солей хлористого бария).

Высокая скорость нагрева способствует сокращению длительности

цикла термической обработки: так, например, для азотирования де-

талей из инструментальной стали на глубину 0,25…0,3мм в печи с

кипящим слоем достаточна выдержка от 13 до 18 ч (в печи с контро-

лируемой атмосферой - 72 ч). Многие циклы

цементации и закалки

сокращаются на 20%, 50% по сравнению с аналогичными процесса-

ми, проводимыми в печах с контролируемой атмосферой и в ваку-

умных печах некоторых типов. В результате сокращения цикла об-

работки уменьшаются затраты энергии газа и труда, а следовательно,

и стоимость обработки.

Печи с кипящим слоем - газоплотные с небольшим избыточ-

ным давлением

, исключающим подсос воздуха, что влияет на конеч-

ную твердость и обеспечивает хорошую поверхность деталей, такую

же, как в соляных ваннах. Отверстия в обрабатываемых деталях не

закупориваются.

Детали, прошедшие термическую обработку в печах с кипящим

слоем, имеют незначительное коробление и характеризуются отлич-

ным внешним видом. Печам с кипящим слоем свойственна и

техно-

логическая гибкость, так как одна и та же печь может быть исполь-

зована для работы как с обычной, так и с любой контролирующей

атмосферой, в том числе для цементации, карбонитрирования, азо-

тирования, нитроцементации и других процессов, а также для раз-

личных процессов охлаждения деталей.

Вследствие большой цементации нагрева, использование печей

с кипящим слоем обеспечивает высокое и стабильное качество ТО и

ХТО.

125

Максимальная рабочая температура в печах 1300

С, в этих слу-

чаях используют неметаллические роторы. Высота кипящего слоя

достигает 2-3 м, производительность печей высокая и для некоторых

технологических процессов примерно в два раза выше, чем при об-

работке в солянных ваннах.

Особенности печей с кипящим слоем – высокие тепловые поте-

ри за счет высокой скорости нагрева и охлаждения, меньшей

трудоемкости

предварительной подготовки деталей и их очистки

после ТО печи с кипящим слоем могут успешно конкурировать с

печами других типов.

Основной особенностью кипящего слоя является интенсивное

перемешивание частиц. Оно обеспечивает практически идеальное

выравнивание температур по всему объёму печи даже при неравно-

мерном подводе и отводе теплоты. В печах с кипящим слоем

доста-

точно легко до 3-5

С, недостижимое в обычных конвективных печах.

Твердая частица, объёмная теплоёмкость которой в тысячу раз

больше, чем у газа, охлаждаясь у поверхности изделия, отдаёт ей

значительно больше теплоты, чем такая же «частица» газа. Поэтому

скорость нагрева или охлаждения изделий в кипящем слое, как и в

жидких средах получается значительно больше, чем газовых

конвек-

тивных печах.

Псевдосжиженным называется специфическое состояние за-

сыпки мелкозернистого материала, приобретающей при определён-

ных условиях ряд свойств, присущих жидкости. Наиболее характер-

ными особенностями псевдосжиженной системы являются её теку-

честь и интенсивное перемещение частиц в определённом объёме.

На практике широкое распространение пока получили два спо-

соба псевдосжижения: газом и вибрацией.

Если засыпка мелких час-

тиц (для термообработки используют частицы размером 0.1-0.5 мм)

продувается снизу вверх газом (жидкостью) с определённой скоро-

стью, создаётся псевдосжиженный (кипящий) слой. Интенсивное

перемешивание частиц можно получит также, подвергая сосуд с за-

сыпкой вертикальным вибрациям определённоё частоты и амплиту-

ды. Такой процесс называется вибросжижением. Иногда оба способа

сжижения применяют

совместно.

Изменяя скорости газа или интенсивность вибраций, можно в

широких пределах менять характеристики псевдосжиженного слоя.

Поэтому существует необходимость в проектировании и про-

изводстве печей с кипящим слоем. В настоящее время сооружается

ряд подобных печей. Эти печи удобны, просты обслуживании, безо-

пасны.

126

Общим требованием современного печного оборудования является

интенсивное нагревание металла с минимальным временем для вы-

вода на рабочую температуру.

8.1 Расчет установки в кипящем слое

Способ обогрева слоя определяется его температурой и требо-

ва-ниями, предъявляемыми к состоянию поверхности нагреваемого

ме-талла. «Низкотемпературные» печи и ванны (температура мень-

ше 800-750

С) можно обогревать либо электрическими нагревателя-

ми через стенки, либо непосредственно обогревая сам слой, с помо-

щью погруженных горелок, или сжигая газ в заполненных кипящим

слоем насадках. Либо, подавая под решетку разбавленные продукты

сгорания или нагретый воздух. Во всех случаях греющая среда явля-

ется окислительной для железа.

Однако нагрев до этих

температур не требует защитных атмос-

фер. Интенсивное окалинообразование на углеродистых сталях на-

чинается с 650-700

С, быстрорежущих с 850

С, а высокоскоростных

даже с 950

С. В этих условиях быстрый нагрев любых сталей и цвет-

ных металлов на основе меди до 600-700

С в окислительной среде

допустим, если не требуется светлая поверхность.

Высота отстойной зоны. Печи с кипящим слоем по необхо-

димости имеют большую высоту. Не следует стремиться уменьшать

её снижением отстойной зоны – «пустого» пространства над слоем,

которое совершенно не используется для нагрева металла. Расстоя-

ние от верхней границы плотного слоя до места

отвода газов и воз-

духа должно быть тем больше. Чем выше слой, меньше частицы и

больше число псевдоожижения. В разных условиях оно колеблется

от 500 до 2000мм и может быть уменьшено лишь при использовании

сепарирующих вставок и соответствующей организации отвода

псевдосжиженного агента. В противном случае частицы мелкозер-

нистого материала, подбрасываемые над

слоем при разрушении на

его поверхности газовых пузырей, могут попадать в выходные от-

верстия для газа и уноситься из печи.

При правильном выборе высоты отстойной зоны установка пы-

леулавливающих циклонов не нужна. Средняя скорость газов над

кипящим слоем всегда гораздо ниже скорости витания частиц, по-

этому частицы могут выноситься лишь в

том случае, если будучи

подброшенными до уровня слоя (вместе с каким-то объёмом газа),

они не будут иметь достаточно места для того, чтобы погасить на-

чальную скорость.

127

При конструировании данной печи – ванны, с учетом выше-

описанных рекомендаций, а так же учитывая материал наполнителя

и его размеры, минимальная высота слоя принята равной 600мм,

однако точную высоту следует определить исходя из консруктивной

проработки печи, но ни в коем случае не меньше минимально опре-

делённой.

Псевдосодержащим агентом может выступать

любой газооб-

разный материал, а так же и капельная жидкость. Требования,

предъявляемые к псевдосодержащему агенту такие как инертность

или слабая реакция с термообрабарывающим изделием, с материа-

лом наполнителя, простота использования, доступность безопас-

ность эксплуатации, получение светлой поверхности, его дешевизна.

Это, например, азот, пар, сжатый воздух как получаемый из цен-

тральной магистрали

, так и вырабатываемый локально для опреде-

лённых целей, продукты сгорания топлива, топочные газы и так да-

лее.

Исходные данные для расчета и проектирования установки с

кипящим слоем

Температура изотермической выдержки 600

Время термообработки одной партии деталей 10-20мин

Температура деталей перед погружением

в кипящий слой 20

Сжижающий агент атмосферный воздух

Температура исходного воздуха 20

Температура подогретого воздуха 280

Температура наружной стенки 45

Материал-наполнитель электрокорунд

Масса загрузки изделий 24

Рабочее напряжение источника питания 5-42В

Нагревательный элемент (3ξ40)мм

Теплоизоляционный материал,

применяемый для установки

кирпич шамотный ГОСТ 8691-73

Площадь сечения установки ↓500мм

Для данного проекта с точки зрения доступности, дешевизны,

легкости подключения, монтажа и безопасности – используется сжа-

тый воздух, подаваемый из центральной магистрали сжатого возду-

ха.

128

Следует отметить, что подаваемый воздух должен быть очищен

от пыли, масел и влаги, находящейся в нём во избежании засорения

газораспределительных колпачков и последующего их закоксовыва-

ния. Поэтому обязательным требованием при монтаже ванны явля-

ется установка масло - влагоотделителя между цеховой магистралью

и трактом подачи воздуха под газораспределительную решетку.

В качестве

сжижающего агента применяется атмосферный воз-

дух, характеристики которого приведены в таблице 9.

Таблица 9 - Теплофизические свойства сжижающего агент

Температура

, °С

0 20 600

Плотность

, кг/м

1,293 1,205 0,404

Удельная теплоемкость

кДж/(кг⋅К)

1,005 1,005 1,114

Коэффициент теплопроводности

⋅10

, Вт/(мК)

2,44 2,59 6,22

Кинематическая вязкость

⋅ 10

, м

/с

13,28 15,06 96,89

8.2 Характеристики наполнителя кипящего слоя

Материал псевдосжиженных частиц выбирают, исходя из его

доступности, прочности на истирание, огнеупорности, способности

взаимодействовать с поверхностью нагреваемого металла, стоимости

и т.д. Перечень применяемых материалов достаточно широк (ко-

рунд, песок, шамот, окись магния и т.п.). Обычно стремятся выби-

рать более тяжёлые частицы, поскольку их

применение гарантирует

получение более высоких коэффициентов теплоотдачи, требуя,

правда, и больших скоростей псевдосжижения. Для эксплуатации в

печах и ваннах наиболее распространёнными и рекомендуемыми

являются фактически лишь два материала: Аl

(электрокорунд бе-

лый или чёрный) и кессонная масса (достаточно чистый МgО).

Для расчёта данной печи - ванны был выбран электрокорунд

так как он наиболее приемлем как с точки зрения эксплуатации печи

(отпадает необходимость отделять требуемые фракции для исполь-

зования), так и с точки зрения безопасности его применения для пер-

сонала

, так как он практически безопасен.

Размер псевдосжижаемых частиц определяется необходимостью

связать скорость нагрева изделий и время выдержки с удельной

129

производительностью печи. Чем мельче частицы, тем больше коэф-

фициент теплоотдачи, а значит и скорость нагрева, но тем меньше и

скорость псевдосжижающей газо-воздушной смеси, т.е. меньше

количество тепла, уносимого с ней.

Большое количество расчётов показывает, что в промышлен-

ных установках наиболее экономично применение частиц диаметром

не более 0,32-0,4 мм.

Используя такие частицы, легко получить

удельную производительность 1-1,5 т/ч и более с 1 м

Следуя данным расчётам, зададимся средним диаметром опре-

делённой фракции 0,2мм. Данный размер частиц позволяет исполь-

зовать проектируемую печь - ванну как отпускную при температуре

600°С, так и закалочную при отключенном электрообогревателе, т.е.

при температуре подаваемого под решётку псевдосжижающего аген-

та.

Плотность:

- насыпная плотность

1860

- плотность частиц

3930

Высота слоя определяется способом обогрева. В случае обогре-

ва, описанным выше методом, слою необходимо покрывать собой

нагреватели, а также полностью скрывать садку с термообрабаты-

ваемыми деталями, поскольку выше этого уровня коэффициент теп-

лоотдачи резко (практически на порядок) снижается.

Следуя данным рекомендациям и учитывая опыт проектирова-

ния аналогичной печи, - ванны, установленной

на БСЗ, определяем

высоту насыпного слоя равной 400 мм.

Высота слоя выбирается исходя из возможности размещения в

слое электронагревателя и корзины с деталями. Кроме того, слой

должен иметь достаточное количество аккумулированного тепла,

чтобы температура слоя изменялась в допустимых пределах при по-

гружении разогретых деталей. С учетом сказанного высота слоя

принимается Н

= 400 мм.

Тогда гидравлическое сопротивление слоя будет равно

∆

= Н

⋅

q = 0,4

⋅

1860

⋅

9,8 = 7291 Па = 744 мм вод.ст. (8.1)

∆

практически не зависит от скорости сжижения слоя, хотя дейст-

вительное значение

∆

обычно несколько меньше теоретических

(на 10 -15 %) вследствие неравномерного кипения. Порозность на-

сыпного слоя равна

130

= 1 - (

п.

) = 1-(1860/3930) = 0,52. (8.2)

Скорость ожидающего агента

в начальный момент кипения

является важной характеристикой слоя, т.к. в этот момент качест-

венно меняются свойства насыпного слоя твердого материала.

Скорость псевдосжижающего агента

определяется прежде

всего размером и материалом частиц и обычно выбирается в 5-20

раз больше критической, причём меньшие цифры относятся к слою

крупных частиц, а большие для мелких. С увеличением со сверх

указанных значений повышается интенсивность движения частиц,

несколько возрастает (во всяком случае до оптимальной скорости)

коэффициент теплоотдачи, но увеличивается и интенсивность

выброса частиц, а значит, и необходимая высота отстойной зоны

или унос. При слишком малых скоростях псевдосжижение

становится неравномерным (особенно в аппаратах с большой

площадью решетки), коэффициент теплоотдачи снижается и может

быть разным в разных участках печи.

Скорость начала кипения при температуре сжижающего агента

определяется из критериальных уравнений:

75,11

150

εε

−

(8.3)

где

(

)

ρρ

−

⋅=

- критерий Архимеда; (8.4)

- порозность неподвижного слоя,

= 0,52;

- ускорение свободного падения,

= 9,8 м/с

;

- эквивалентный диаметр частиц,

= 0,2 мм;

- кинематическая вязкость воздуха при

= 20°С,

= 2,59 ⋅ 10

-6

/с;

- плотность частиц,

= 3930 кг/м

;

- плотность воздуха,

= 1,205 кг/м

. Вычислим скорость

начала кипения при

= 20°С