Українська
ДонНТУ   Портал магистров

Содержание

Введение

Технология производства металлических изделий в общем случае включает три основных элемента: металлургия – получение металла заданного состава и его разливка; механическая технология – получение из металла изделий заданной внешней формы; термической обработки – получение заданных свойств путем изменения структуры металла. Одним из важных этапов в данной цепочке является термическая обработка изделий, которая позволяет нивелировать ряд дефектов в структуре металлов, полученных в ходе проведения первой и второй стадии производства изделий, а также придать ряд новых свойств. В связи с этим в машиностроении для управления структурой и свойствами стальных изделий широко применяют термическую обработку. Такой вид обработки способен изменять структурно чувствительные свойства металлов, которые в общей массе свойств занимают большую долю.

Процесс воздушного охлаждения при термообработке стальных изделий осуществляется в термических печах периодического действия, что накладывает на этот процесс ряд требований, таких как обеспечение заданной скорости и сокращение времени охлаждения. Это влечет за собой перерасход энергоресурсов и увеличение времени пребывания материала в печи вследствие недостаточного исследования влияния различных конструктивных и технологических параметров на процесс съема тепла с металла. Выбору рационального расхода воздуха мешает недостаточная изученность рабочего процесса охлаждения в реальных условиях, отсутствие достаточно простых и надежных методик его проектного расчета и др. Для соответствия предъявляемым требованиям необходимо разработать математическую модель для определения теплового состояния металла.

1. Устройства для реализации операции воздушного охлаждения и основы термообработки

Камерная печь зачастую выступает в роли нагревательной, или же даже термической печи, работающей по неким периодам. Одной из неотъемлемых частей является рабочее пространство, благодаря которому удается равномерно распределять нужные показатели температурного поля. Камерные печи, лучше всего себя демонстрируют в камерном режиме, так как именно в таких условиях удается добиваться наиболее высоких показателей производительности. Фотография печи термообработки приведена ниже на рисунке 1.1.

Печь с выкатным подом для термической обработки изделий

Рисунок 1.1 – Печь с выкатным подом для термической обработки изделий

Камерная печь – это агрегат, функционал которого выглядит наиболее широким образом. К числу функций подобных камер, относятся самые разные виды обработок, начиная из нагрева, заканчивая прокалкой. Стоит отметить, что камерные печи одинаково хорошо демонстрируют себя во всех направлениях, выдавая стабильно высокие показатели характеристик в любой из областей.

Что касается показателей температуры в камерной печи, то она периодически меняется и происходит это вследствие постоянного движения технологического процесса нагрева, при помощи неподвижных деталей. Не стоит также упускать тот момент, что камерные печи привычно делятся еще не категории по принципу работы, которые могут очень сильно отличаться друг от друга.

Камерные печи, по принципу работы делятся на две категории:

• Электрическая камерная печь

• Топливная камерная печь

Что касается наиболее практичного и удобного варианта, то следует выбрать камерные печи с выдвижным подом. Данная вариация камера позволяет значительно упростить процесс загрузки и разгрузки материала, из-за чего многие предпочитают покупку именно такой печи.

Печи камерного типа – это категория вакуумного оборудования, которая может похвастаться довольно широким ассортиментом продукции. Но стоит сразу отметить, что зачастую подобные камеры предназначаются для выполнения какой–то единой задачи. Фотография печи термообработки приведена ниже на рисунке 1.2.

Печь с выкатным подом для термической обработки изделий

Рисунок 1.2 – Печь с выкатным подом для термической обработки изделий

2. Виды печей камерного типа

Всего существует несколько разновидностей печей камерного типа, а именно:

• Камера отпуска

• Камера нагрева

• Камера отжига

• Камера закалки

• Камера прокалки

Это лишь часть видов камерных печей, которые чаще всего используются, на разного рода предприятиях. Столь немалый ассортимент камерных печей, позволяет пользователю, как следует подумать, чтобы в итоге определиться и взять себе тот агрегат, который нужен именно ему.

Если говорить о самых простых видах камерных печей, то несомненно – это камера нагрева. Подобные камеры являются наиболее практичными и простыми в плане конструкции. Что касается самых дорогих и сложных в плане конструкции печей, то несомненно это камерные печи прокалки.

3. Основы создания математической и физической моделей для изучения теплофизических процессов воздушного охлаждения металла в печах

Математическая модель должна быть внедрена в систему АСУ ТП цеха термической обработки в связи с этим, к ней предъявляются следующие требования: высокая устойчивость к термическим и физическим нагрузкам; производительность.

4. Математическое моделирование процесса воздушного охлаждения

В зависимости от построения, математические модели можно разделить на две группы: детерминированная математическая модель и эмпирическая математическая модель.

При рассмотрении задач тепловой обработки материалов в печах наиболее широко используется метод математического моделирования теплофизических процессов по первому способу, т.е. создается детерминированная математическая модель, которая базируется на решении дифференциального уравнения нестационарной теплопроводности. Учет особенностей моделируемого объекта производится путем задания условий однозначности. Во многом такая математическая модель является универсальной и ее достаточно легко применять для подобного рода процессов, корректируя условия однозначности.

В данной работе рассматривается участок воздушного охлаждения процесса термической обработки стальных цилиндрических заготовок. Исследуемые заготовки загружаются в камерную печь термической обработки с выкатным подом с формой внутренней камеры в виде прямоугольного параллелепипеда. Целью термической обработки являются: улучшение свойств изделий, снятие напряжений и подготовка структуры к дальнейшему виду обработки. В печь обычно загружают несколько заготовок сразу, располагая их по специальной схеме на подставках. Схематичное изображение расположения заготовок и футеровки в печи термообработки представлены на рисунке 4.1.

Схематическое изображение размещения заготовок в печи

1 – обрабатываемые заготовки; 2 – опоры заготовок; 3 – газогорелочные устройства; 4 – подина из шамотного кирпича; 5 – керамоволокно стен и свода; 6 - металлоконструкции стен и свода; 7 – ролики для выкатывания подины
Рисунок 4.1 – Схематическое изображение размещения заготовок в печи

Выводы

1. В данной работе рассмотрели виды камерных печей, и была выбрана камерная печь с выкатным подом. Были выделены основные проблемы, связанные со значительным влиянием воздушного охлаждения на свойства металла в цикле термической обработки.

2. Рассмотрена математическая модель для исследования процесса конвективного теплообмена в камерных печах. Математическая модель базируется на решении дифференциального уравнения нестационарной теплопроводности с дифференциальным учетом участков футеровки, взаимным теплообменом металла с элементами футеровки, а также определении температуры натекания воздушной среды на тело на основании теории турбулентных струй, с учетом смешения свежего воздуха с газовой средой печной камеры, принимающая в расчет долю конвективной и лучистой составляющей в общем количестве отводимой теплоты от металла. Модель позволяет вести расчет быстрее темпа реального времени за счет использования одномерной постановки задачи при гарантированном достижении заданного уровня точности.

3. При помощи математической модели был произведен расчёт долей конвективной составляющей в общем количестве отводимой теплоты при разном расходе воздуха.

Список источников

  1. Воскобойников В. Г. Общая металлургия: учебник для вузов / В. Г. Воскобойников, В. А. Кудрин, А. М. Якушев; перераб. и доп. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2005. - 768 с: 253 ил.
  2. Тихонов, А.С. Термоциклическая обработка сталей, сплавов и композитных материалов [Текст] / А.С. Тихонов, В.В. Белов, И.Г. Леушин. – М.: Наука, 1984. – 187 с.
  3. Бирюков, А.Б. Исследование конвективного теплообмена в печах камерного типа [Текст] / А.Б. Бирюков, П.А. Гнитиев. // Проект Sworld. Междунар. научно-практич. интернет-конф. «Современные направления теоретических и прикладных исследований 2014» 18-30 марта 2014 г. – Иваново: Маркова АД, 2014. – С. 48-53.
  4. Биронт, В.С. Теория термической обработки металлов [Текст]. Т. 2 Закалка, старение и отпуск / В. С. Биронт. – Красноярск: СФУ: ИЦМиЗ, 2007. – 172 с.
  5. Научная электронная библиотека studopedia.su [Электронный ресурс]: – Режим доступа: https://studopedia.su/19_59782_kamernie-pechi.html. - Загл. с экрана.