Министерство  сельского хозяйства Российской Федерации

Департамент кадровой политики и образования

Федеральное государственное учреждение

Высшего профессионального образования

Ижевская  государственная сельскохозяйственная академия

Кафедра «Электротехнологии» 
 
 
 
 
 
 
 

КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ на тему

Электропечь сопротивлением

 

КП.311400.154.ЭТ.000.ПЗ 
 
 
 
 
 

Ижевск, 2005

 

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

     Произвести  расчет электропечи сопротивлением для закалки сталей в условиях мастерской, составить схему управления, выбрать оборудование.

     Ограничениями при расчете являются размеры  и материал детали, а также температура  ее нагрева. Примем, что форма детали - плоская; размеры детали (в мм.): длина (L)=500, ширина (H)=300, толщина (d)=150; температура нагрева детали (t_к)=900^оС; материал - сталь 45.

  
СОДЕРЖАНИЕ

     Введение           4

1. Технологический  процесс закалки       5

2. Расчет  электропечи сопротивлением       8

   2.1 Задача и содержание расчета электронагревательных устройств  8

   2.2 Определение времени нагрева  изделия      9

   2.3 Динамика нагрева изделия                        12

   2.4 Расчет конструктивных параметров  печи             14

   2.5 Определение мощности печи               16

   2.6 Динамика нагрева печи                18

   2.7 Расчет нагревательного элемента              20

3. Схема  управления электропечью               23

4. Выбор  пускозащитной аппаратуры              25

5. Требования  правил устройства электроустановок            27

      Заключение                 30

     Список  используемой литературы              31 

ВВЕДЕНИЕ

 

      Курсовая  работа является завершающей стадией  изучения дисциплины «Электротехнология»  и способствует развитию навыков  самостоятельного решения инженерных задач по проектированию более прогрессивного оборудования.

      Электропечи сопротивлением широко применяются  в различных отраслях и отличаются простотой устройства, ремонтоспособностью и возможностью получения высокого коэффициента теплоотдачи с поверхности нагревательного элемента. К недостаткам можно отнести сравнительно низкий срок службы и невысокую механическую прочность. 

 

       1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ЗАКАЛКИ 

     Закалка является распространенной операцией  термической обработки деталей машин и инструментов. Цель закалки стали — придание ей высокой твердости и прочности путем образования неравновесных структур — мартенсита, троостита, сорбита, а также игольчатого троостита.

     Существует  несколько разновидностей закалки  стали. В зависимости от толщины закаленного слоя различают объемную и поверхностную закалку. Объемная закалка производится в печах и ваннах, а поверхностная — токами высокой, повышенной и промышленной частоты, газовым пламенем и в электролитах. В зависимости от скорости охлаждения бывает объемная закалка с непрерывным охлаждением и с прерывистым охлаждением (изотермическая, ступенчатая). В зависимости от среды, в которой нагревают сталь, различают закалку обычную и с применением защитной атмосферы светлую.

     Температуру нагрева под закалку для углеродистых сталей выбирают, пользуясь диаграммой состояния сплавов Fc—Fe. Время выдержки при нагреве выбирают в зависимости от размеров изделий и объема загружаемого в печь металла (массы садки).

     После нагрева и выдержки изделия охлаждают  в различных закалочных средах, обеспечивающих необходимую скорость охлаждения. Наиболее распространенными закалочными средами являются: вода, минеральное масло, раствор едкого натрия, расплавленные соли, щелочи и металлы, эмульсии и др. В последнее время в качестве охлаждающей среды применяют сильвинит, раствор марганцовистого калия и др.

     Основное  требование, предъявляемое к закалочным средам, высокая охлаждающая способность в интервале  температур 550° С (температуры наименьшей устойчивости аустенита на С-образной   кривой)   и   пониженная   охлаждающая   способность   при 300—200° С (в области мартенситного превращения), когда аустенит относительно устойчив. Замедленное охлаждение в интервале температур 300—200° С необходимо   для уменьшения  внутренних термических напряжений.

     При изотермической и ступенчатой закалке  охлаждение стали производится в горячих средах — в ваннах с расплавленными металлами, солями или щелочами.

     Охлаждающую способность закалочных сред повышают интенсивным перемешиванием, осуществляемым различными способами,— механическим при помощи ультразвуковых колебаний и др.

     Основными технологическими свойствами при закалке  стали являются закаливаемость и прокаливаемость. Способность стали к повышению твердости при закалке называют закаливаемостью, а способность закаливаться на определенную глубину – прокаливаемостью. Поверхностные слои деталей, соприкасающиеся с закалочной средой, охлаждаются быстрее, чем внутренние, поэтому не всегда удается достичь прокаливаемости по всему сечению. При этом структура поверхностных слоев изделия после закалки представляет мартенсит, а внутренних – троостит. Следовательно, твердость на поверхности изделия выше, чем в сердцевине. За глубину закалки принимают расстояние от поверхности изделия до слоя с полумартенситной структурой (50% мартенсита и 50% троостита). У стали с глубокой прокаливаемостью твердость снижается медленно, а с неглубокой наблюдается резкое ее падение по мере удаления от поверхности.

     О прокаливаемости стали при термической  обработке можно судить также по диаграмме изотермического превращения аустенита. Чем более устойчив аустенит, чем правее расположена С-образная кривая, тем меньше критическая скорость закалки и больше прокаливаемость стали. Поэтому прокаливаемость углеродистых сталей, у которых критическая скорость охлаждения при закалке выше, хуже, чем легированных; это является основным недостатком углеродистых сталей.

     Кроме скорости охлаждения, прокаливаемость  зависит от ряда других факторов: состава  стали, исходной структуры, диаметра изделий, температуры нагрева под закалку и др. Прокаливаемость, наряду с другими технологическими свойствами, является одним из основных при выборе марки стали и вида ее термической обработки.

     При охлаждении стали в процессе закалки  возникают внутренние напряжения — термические и структурные, связанные с перестройкой гранецентрированной решетки аустенита в решетку мартенсита и изменением объема стали. В результате внутренних напряжений в стали после закалки появляются трещины, коробления, деформации (изменения размеров). Дефектами закалки являются также мягкие пятна, пониженные твердость и прочность, обезуглероживание, окисление и др. Применение различных видов закалки и правильный выбор ее режимов дают возможность избежать этих дефектов или в значительной степени уменьшить их.

     После   закалки   твердость   стали  повышается и тем в большей  степени, чем больше в стали углерода. Однако одновременно    с   этим   в   закаленной   стали   увеличивается   содержание   остаточного   аустенита, что заметно  снижает ее твердость. Наряду с высокими твердостью и  прочностью   закаленная  сталь  характеризуется  пониженными пластичностью и вязкостью. Изменяются и физические свойства: электрическое сопротивление и коэрцитивная сила после закалки повышаются, а магнитная проницаемость и остаточная индукция понижаются.

                                  

2.  РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОПЕЧИ  СОПРОТИВЛЕНИЕМ

 

2.1 Задача и содержание  расчета электронагревательных  устройств 

     Электрические нагреватели и электронагревательные  установки совмещают функции приемников электрического тока и источников тепла и характеризуются соответствующими электрическими и тепловыми параметрами, определяемыми расчетом.

     Задача  расчета состоит в определении  оптимальных значений этих параметров, обеспечивающих наилучшие технологические, эксплуатационные и экономические показатели.

     Тепловой   расчет   установок   заключается   в   определении   их мощности, основных конструктивных размеров, в расчете тепловой изоляции, определении теплового к. п. д. Эти общие   тепловые параметры характерны   для всех видов электронагревательных установок независимо от их назначения,   устройства   и используемого способа   электронагрева. В тепловом расчете электрических нагревателей основная задача заключается в определении их термического   сопротивления и рабочей   температуры или   удельной поверхностной мощности. Тепловой расчет нагревателей тесно связан с электрическим расчетом.

     Электрический расчет состоит  в выборе питающего   напряжения и частоты   тока, в разработке электрической   схемы и способа регулирования мощности, в определении   электрического к. п. д. и коэффициента мощности. При расчете нагревателей задача сводится определению их геометрических размеров.

 

     2.2 Определение времени  нагрева изделия

 

      Начинаем  расчет с определения приведенного коэффициента излучения системы нагревательный элемент – нагреваемое тело: 

 

где: e_изд и e_н – относительные коэффициенты соответственно изделия и нагревателя; e_изд=0.9, e_н=0.75;

       - отношение площади тепловоспринимающей поверхности изделия к площади стен камеры, занятой нагревателями; =0.75 

 

      определяем  поверхностную мощность нагревателя: 

 

где: Т_н и Т_изд – температура соответственно нагревателя и изделия;

     Т_н=1373 К, Т_изд=1173 К 

 

Установившийся  перепад температур в зоне сечения  плиты: 

 

где: l - теплопроводность изделия; l=25.5 ;

      h – высота изделия. 

 

Температура поверхности  изделия к моменту t₀: 

 

Температура средней  плоскости изделия к моменту t₀: