Курсовой проект 1 страница

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

2010 150015 К01 ПЗ

Руководитель:

Доцент, к.т.н Эйсмондт Ю.Г

Нормоконтролер:

Доцент, к.т.н Эйсмондт Ю.Г

Студент:

Группа Мт-46071 Бабичева Ю. С.

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка содержит: 33 с., 3 рис., 6 табл., 8 лит. ист.

ТОПЛИВНАЯ РОЛЬГАНГОВАЯ ПЕЧЬ С ЗАЩИТНОЙ АТМОСФЕРОЙ, НЕРЖАВЕЮЩАЯ СТАЛЬ 12Х18Н10Т, СТРУЙНОЕ ОХЛАЖДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, РЕЖИМ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Объектом курсовой работы является топливная рольганговая печь с защитной атмосферой, предназначенная для аустенизации труб из нержавеющей стали 12Х18Н10Т.

выбран режим термической обработки труб, рассчитана и спроектирована печь. Разработана технологическая планировка участка термической обработки нержавеющих труб.

СОДЕРЖАНИЕ

РЕФЕРАТ…………………………………………………………………………………...
Введение……………..…………………………………………………………………….
1 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЕЧИ…………………...………………………………………….
1.1. Выбор оптимальной конструкции печи……. ……………………………………….
1.2 Описание печи………...………………………………………………………………..
1.3 Расчёт печи……………………………………………………………………………...
1.3.1 Расчет горения газового топлива…………………………………………………..
1.3.2 Расчет садки………………………………………………………………..………..
1.3.3 Расчет времени нагрева……………………………………………………………..
1.3.4 Расчет теплового баланса печи……………………………………………..……..
2 ПРОЕКТИРОВАНИЕ УЧАСТКА………………………………………………………...
2.1 Расчет годовой производительности………………………………………………….
2.2 Выбор и описание оборудования………….…………………………………………..
2.3 Описание участка цеха………………………………………………………………… Заключение………………………………………………………………………………
Список использованных источников……………………………...................

ВВЕДЕНИЕ

Заданные термообрабатываемые детали – трубы, выполненные из нержавеющей стали 12Х18Н10Т.

Сталь 12Х18Н10Т – хромоникелевая нержавеющая сталь.

Массовая доля элементов представлена в таблице 1.

Таблица 1 Химический состав стали 12Х18Н10Т [1]

С	Si	Mn	Cr	Ni	Ti	S	P	Cu
не более	17,0…19,0	9,0…11,0	0,5…0,8	не более
0,12	0,8		0,02	0,035	0,3

Введение достаточного количества никеля в 18 % хромистую сталь делает ее аустенитной, что обеспечивает лучшие механические свойства, меньшую склонность к росту зерна, а также более коррозионностойкой и не хладноломкой. Нержавеющие стали с 18 % Cr и 10 % Ni получили наиболее широкое распространение в машиностроении, в изделиях широкого потребления, а также в архитектуре и скульптуре.

Аустенитные нержавеющие стали применяют очень широко не только из-за высоких антикоррозионных свойств, но и благодаря высоким технологическим и механическим свойствам. Эти стали хорошо прокатываются в горячем и холодном состояниях, в холодном состоянии выдерживают глубокую вытяжку и профилирование, допускают применение электросварки, без охрупчивания околошовных зон.

Термическая обработка нержавеющих сталей аустенитного класса сравнительно проста и заключается в закалке в воде с 1050…1100 °С. Нагрев до этих температур вызывает растворение карбидов хрома, а быстрое охлаждение фиксирует состояние пересыщенного твердого раствора. Медленное охлаждение недопустимо, так как при этом, как и при отпуске, возможно выделение карбидов, приводящее к ухудшению пластичности и коррозионной стойкости. Кроме того, при закалке происходят рекристаллизационные процессы, устраняющие последствия пластической деформации, которой часто подвергаются нержавеющие аустенитные стали. В результате закалки твердость этих сталей не повышается, а снижается, поэтому для аустенитных нержавеющих сталей закалка является смягчающей термической операцией.

Механические свойства аустенитных нержавеющих сталей в закаленном (смягченном) состоянии характеризуются низким значением предела текучести, невысокой прочностью и очень высокой пластичностью.

Радикальный способ упрочнения аустенитных сталей – холодный наклеп; при деформации порядка 80…90 % предел текучести достигает 980…1170 МПа, а предел прочности 1170…1370 МПа, при сохранении достаточно высокой пластичности. Этот способ упрочнения применим лишь для таких видов изделий, как тонкий лист или лента, проволока и т. п [2].

1 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЕЧИ

Проектирование печи включает в себя следующие разделы: выбор оптимальной конструкции печи, описание печи, расчет печи.

1.1 Выбор оптимальной конструкции печи

Термическую обработку труб, изготовленных из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, можно проводить в печах следующих конструкций:

1. Конвейерные печи

2. Печи с шагающими балками

3. Печи с роликовым подом.

Основными недостатками конвейерных печей заключается в плохом прогреве металла в местах соприкосновения его с цепью, а также в значительном уносе тепла из рабочего пространства элементами цепей и через щели для их прохода. Кроме того, недолговечность цепей требует частых остановок печи. Передвижение труб в печи совершается конвейером, причем обрабатываемые трубы укладываются поперек конвейера. Такая укладка деталей может привести к их деформации, так длина труб составляет 10 метров.

Печи с шагающими балками более пригодны для термической обработки труб, чем конвейерные, и в некоторых цехах с успехом применяют для этой цели. Но они также имеют ряд недостатков:

· сложность механизма движения балок и узкие пределы изменения скорости перемещения нагреваемого металла;

· коробление и частое заклинивание балок из жаропрочных сталей, работающих в условиях высокой температуры;

· засасывание значительного количества холодного воздуха из атмосферы через пазы для перемещения балок.

Печи с роликовым подом лишены недостатков описанных печей и по сравнению с ними обладают рядом преимуществ.

Основные преимущества печей с роликовым подом следующие:

1) Практически неограниченная длина печи, позволяющая проектировать печи большой производительности;

2) Высокая удельная производительность (более равномерный нагрев) в результате двухстороннего нагрева металла;

3) Минимальный угар металла, благодаря высокой скорости его нагрева в печи и незначительным подсосам холодного воздуха;

4) Высокая степень механизации транспортировки обрабатываемого металла, исключающая необходимость выполнения промежуточных перегрузочных операций, и возможность управления, как самим процессом нагрева, так и транспортными механизмами [3].

Таким образом, конструкция печи с роликовым подом является наиболее подходящей и оптимальной.

1.2 Описание печи

Топливная рольганговая печь для нагрева под аустенизацию труб, длиной 36 м и шириной 3,33 м, состоит из трех зон: зоны нагрева и двух зон выдержки. Температура печи рабочего пространства поддерживается на уровне 1100...1150 °С. Печь представлена на листе 1.

Основной частью роликовой печи, ограничивающей ее рабочую температуру, является роликовый под 1. От качества роликового пода зависят также работоспособность и экономичность работы печи. В рабочем пространстве печи движение деталей осуществляется рядом параллельно расположенных роликов 12. Оси роликов, проходя через боковые стенки печи, опираются на подшипники 9 и приводятся во вращение групповым приводом, не показанным на чертеже. Благодаря трению, возникающему между поверхностью вращающегося ролика и деталями, осуществляется поступательное движение деталей по печи. Расстояние между отдельными роликами (шаг) составляет 464 мм.

Нагрев деталей в защитной контролируемой атмосфере осуществляется при помощи верхнего 8 и нижнего 10 рядов радиационных труб. Печь отапливается газом, который сжигается в радиационных трубах, являющихся источником излучения тепла на металл и кладку. Каждая радиационная труба имеет U – образную форму. Радиационные трубы располагаются в печи таким образом, что оси их прямых участков находятся в плоскостях, параллельных роликовому поду.

Вдоль стен печи установлены отбойники 2, которые предохраняют кладку стен от разрушения нагреваемыми изделиями, смещающимися в стороны при движении по роликам.

Окна посада и выдачи закрываются заслонками 11.

Футеровка печи выполнена из огнеупорных и теплоизоляционных материалов.

Футеровка стен и пода печи состоит из двух слоев: шамота – легковеса ШЛ – 0,4 7 и диатомитового кирпича Д – 500 6. Футеровка крышки 4 печи состоит из трех слов: шамота – легковеса ШЛ – 0,4 7; диатомитового кирпича Д – 500 6 и ваты минеральной (шлаковой) марки 150 5. Футеровка заслонки выполнена из шамота – легковеса ШЛ – 0,4 7.

Каракас печи 3 состоит из двутавровых балок, образующих жесткую систему, которая является несущей конструкцией, как для кладки, так и для роликового пода.

1.3 Расчет печи

1.3.1 Расчет горения газового топлива

Исходные данные для расчета:

Таблица 1.1 Состав газового топлива

Месторождение газа	Состав сухого газа в % (объемных)	Qн^р, МДж/м^3
CH4	C2H6	C3H8	C4H10	C5H12	CO2	N2
Медвежье	99,00	0,10	-	-	-	0,10	0,80	35,53

Коэффициент расхода воздуха α=1,10

Плотность газа при температуре 0 °С

Расчет произведен по методике [4].

Таблица 1.2 Состав газового топлива, расход воздуха, состав и количество продуктов сгорания (на 100 м³ газа, м³)

Газовое топливо, м^3	Воздух, подаваемый для сжигания 100 м^3 газа, м^3	Продукты сгорания, м^3
состав	м^3	О2	N2	всего	CO2	H2O	O2	N2	всего
CH4	99,00	198,00	198,35×3,762=746,19	198,35+746,19=944,43	99,00	198,00	-	746,19	-
C2H6	0,10	0,35	0,20	0,30	-	-
C3H8	-	-	-	-	-	-
C4H10	-	-	-	-	-	-
C5H12	-	-	-	-	-	-
CO2	0,10	-			0,10	-	-		-
N2	0,80	-			-	-	-	0,80	-
H2O	-	-			-	-	-		-
всего м^3 (%) при
α=1,00	198,35 (21,00)	746,19 (79,00)	944,54 (100,00)	99,30 (9,51)	198,30 (18,98)	-	746,99 (71,51)	1044,59 (100,00)
α=1,10	218,19 (21,00)	820,81 (79,00)	1038,99 (100)	99,30 (8,72)	198,30 (17,41)	19,84 (1,74)	821,69 (72,13)	1139,12 (100,00)

Таблица 1.3 Материальный баланс для проверки расчета

Поступило	Получено
Газ 100 м^3	Продукты сгорания 1169,94 м^3
В том числе, кг
CH4	99,0×0,714=70,686	CO2	99,3×1,964=195,025
C2H6	0,1×1,339=0,134	H2O	198,3×0,804=159,433
C3H8	-	O2	19,835×1,429=28,344
C4H10	-	N2	821,689×1,250=1027,011
C5H12	-	Всего получено 1409,813
CO2	0,1×1,964=0,196
N2	0,8×1,250=1
H2O	-
Всего газа 72,016
Воздух (с α=1,12) 1038,994
В том числе, кг
O2	218,185×1,429=311,786
N2	820,809×1,250=1026,111
Всего воздуха 1337,897
Всего поступило газа и воздуха (с α=1,12) 1409,913

1.3.2 Расчет садки

Исходные данные для расчета:

Размеры обрабатываемых труб:

L=10 м

d=80 мм

δ=5 мм

Плотность γ=7900 кг/м³

Рисунок 1.1 Схема размещения садки на рольганге

Печь состоит из 3 зон: 1 зона закалки и 2 зоны выдержки.

Длина одной зоны 12 метров.

В печи находится 3 пакета труб.

Количество труб 1 пакета составляет:

n=1980-200=1780/80=22-1=21 шт

Масса одной трубы составляет:

(1.1)

где V – объем трубы, рассчитанный по формуле:

(1.2)

Масса садки в одной зоне печи:

(1.3)

1.3.3 Расчет времени нагрева

Исходные данные:

Ширина печи=1980 мм

Т_мн=50 °С=(50+273) К=323 К

Т_мк=1100 °С=(1100+273) К=1373 К

Т_пн=950 °С=(950+273) К=1223 К

Т_пк=1150 °С=(1150+273) К=1423 К

Тепловоспринимающая площадь поверхность металла Fм=21*80=1680 м²

Излучающая площадь поверхности печи Fп=1980 м²

Расчет произведен по методике [5].

Найдем приведенный коэффициент излучения:

(1.4)

где С₀=5,67 Вт/(м²К⁴) – константа излучения абсолютно черного тела; ε_м=0,5 – степень черноты нагреваемого металла; ε_п=0,8 – степень черноты кладки печи.

Определим среднее значение коэффициента теплоотдачи по формуле:

(1.5)

= 133,285

Так как в справочной литературе отсутствуют данные о коэффициенте теплопроводности стали 12Х18Н10Т, то принимаем значения для наиболее близкой по содержанию хрома стали Х18Н9В [6].

Таблица 1.4 Зависимость коэффициента теплопроводности от температуры для стали Х18Н9В [6]

t,ºC
λ,	-	16,3	17,2	18,4	20,1	21,7	23,8	25,6	26,7	26,7		28,8

Средний коэффициент теплопроводности в интересующем нас интервале температур определим как среднее арифметическое из всех значений этого интервала:

λср = = (1.6)

= = 23,027 Вт/(м·град).

Для стали 12Х18Н10Т определим удельную теплоемкость С_м=0,662 кДж/(кг·град) [6].

Рассчитаем число Био:

, (1.7)

где R – радиус изделия, м.

Так как Bi < 0,25, то садка является теплотехнически тонким телом.

Так как в справочной литературе отсутствуют данные об удельной теплоемкости стали 12Х18Н10Т, то принимаем значения для наиболее близкой по содержанию хрома стали Х18Н9В С_м=0,662 кДж/(кг·град).

Определим время нагрева изделия:

(1.8)

,

где m=1 – поправочный коэффициент.

1.3.4 Расчет теплового баланса печи

Расчет произведен по методике [7].

Приход тепла в рабочее пространство печи

1) Тепло, образующееся при сжигании топлива

, (1.9)

где В – расход топлива, м³/с (кг/с); - низшая (рабочая) теплота сгорания, Дж/м³ (Дж/кг).

2) Физическое тепло, вносимое подогретым воздухом

(1.10)

где - объем воздуха, подаваемый для сжигания 1 м³ газа, м³, - средняя теплоемкость воздуха, кДж/(м³·К); - температура подаваемого воздуха, °С.

Температуру подаваемого воздуха определим по формуле:

(1.11)

где – температура газа, °С; =1200 °С.

Среднюю теплоемкость воздуха определим по приложению П.3.3. [5]:

=1,3565 кДж/(м³·К)

Расход тепла в рабочем пространстве печи

1) Тепло, затраченное на нагрев металла

(1.12)

,

где С_мк и С_нм – средняя конечная и начальная теплоемкости металла, кДж/(кг·К).

2) Тепло, уносимое уходящими продуктами сгорания

(1.13)

где - объем продуктов сгорания, м³, ; - средняя теплоемкость продуктов сгорания, кДж/(м³·К); - температура продуктов сгорания, °С.

Температуру продуктов сгорания принимаем 1300 °С.

Определим среднюю теплоемкость продуктов сгорания:

(1.14)

где теплоемкости газов, соответствующие данной температуре определим по приложению П.3.2 [5]:

кДж/(м³·К)

кДж/(м³·К)

кДж/(м³·К)

Тогда:

3) Потери тепла теплопроводностью через кладку

Рисунок 1.2 Эскиз кладки печи

Рассчитаем тепловые потери через боковые стенки печи.

Стенка двухслойная.

Выбор материалов слоев стенки:

1-ый слой: Шамот легковес ШЛ-4

2-ой слой: Кирпич диатомитовый Д-500

Определим толщину слоев:

S₁=0,23 м

S₂=0,23 м

Найдем поверхность каждого слоя футеровки по формуле:

(1.15)

где F_i,вн и F_i,нар – значения внутренней и внешней поверхности слоя.

Рассчитаем средние температуры слоев. Для этого определим температуры границ раздела слоев стенки и наружной поверхности печи:

- принимаем температуру на границе между первым и вторым слоями футеровки печи t_1,2=(0,8…0,9)·t_п; температуру на границе между вторым и третьим слоем принимаем равной t_2,3=(0,5…0,6)·t_п;

- температуру наружной поверхности печи принимаем равной t_нар=50 °С;

- температуру окружающей среды принимаем равной t_окр.ср.=20 °С.

На основании принятых температур t_п=1150 °C; t_1-2=920 °C находим среднюю температуру каждого слоя стенки:

, (1.16)

(1.17)

Рассчитаем средние коэффициенты теплопроводности по формулам:

(1.18)

(1.19)

Определим тепловые потери через стенку:

(1.20)

,

где α_ст.нар=15 Вт/(м²·К) – коэффициент теплоотдачи излучением и конвекцией наружной поверхности печи в окружающую среду.

Проводим проверку ранее принятых температур границ раздела слоев и наружной стенки печи:

(1.21)

Принимаем t_1-2=709 °С.

Тогда средние температуры 1-го и 2-го слоев определим по формулам (1.16) и (1.17):

Средние коэффициенты теплопроводности рассчитаем по формулам (1.18) и (1.19):

Вт/(м·К)

,

Тепловые потери через стенку определим по формуле (1.20):

Далее проводим проверку ранее принятой температуры границ раздела слоев футеровки по формуле (1.21):

Температуру наружной поверхности печи проверяем по формуле:

(1.22)

Далее, подобным образом, рассчитываем тепловые потери через свод печи.

Cвод печи трехслойный:

1-ый слой: Шамот легковес ШЛ-4

2-ой слой: Кирпич диатомитовый Д-500

3-ий слой: Вата минеральная (шлаковая) марки 150

Определим толщину слоев:

S₁=0,230 м

S₂=0,115 м

S₃=0,250 м

Найдем поверхность каждого слоя футеровки по формуле (1.15):

На основании принятых температур t_п=1150 °C; t_1-2=920 °C; t_2-3=575 °C находим среднюю температуру каждого слоя стенки:

(1.23)

(1.24)

(1.25)

Рассчитаем средние коэффициенты теплопроводности:

(1.26)

(1.27)

(1.28)

Определим тепловые потери через стенку:

(1.29)

Дата добавления: 2015-06-27