1.3 Зміст та структура звіту

1. Назва роботи та короткі відомості про робочій простір термічних печей.

2. Конкретна мета роботи.

3. Методика роботи.

4. Результати роботи.

5. Висновки.

1.4 Контрольні запитання

1. Назвіть фактори, які визначають розміри робочого простору термічних печей.

2. Які величини характеризують розміри робочого простору?

3. Перерахуйте причини непостійної температури по обсягу робочого простору термічних печей.

4. Яку роль в якості термічної обробки має непостійність температури по обсягу робочого простору?

5. Яким чином визначають розподіл температур по обсягу робочого прос­тору?

6. Запропонуйте можливі заходи щодо забезпечення рівномірного роз­поділу температури по обсягу робочого простору електричних термічних печей.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 2

ДРОТЯНІ НАГРІВАЧІ ТА ВИЗНАЧЕННЯ ЇХ ПАРАМЕТРІВ

Мета роботи: отримати навички у розрахунку параметрів дротяних нагрівальних елементів термічних печей, вивчити їх конструкцію, компанування та принципи розміщення у печах.

2.1 Методика виконання роботи

Дротяні металеві нагріваючі елементи застосовуються у лабораторних та промислових термічних печах періодичної дії різних типів: камерних з нерухомим подом – типів СНО/СНЗ/СНВ, камерних з висуваним подом – типів СДО/СДЗ, ковпакових – типу СГЗ, шахтних – типів СШО/СШЗ/СШЦ/СШВ, печах-ваннах із зовнішнім обігрівом – типу СВГ, у ряді печей безперервної дії. Досить широке розповсюдження у термічних підрозділах (цехах, відділеннях і ділянках) отримали камерні печі із нерухомим подом з металевими нагрівачами, переважно із сплавів типу ніхром Х20Н80, які забезпечують робочі температури до 1150 – 1200 ºС, застосовуються також фероніхром Х15Н60, леговані сталі Х13Ю5, Х17Ю4, Х25Ю5, Х27Ю5, а для високотемпературного нагріву – тугоплавні метали (W, Mo, Nb, Ta та інш.). Багато виробів (деталей, інструменту, заготовок та інш.) при їх термічній та хіміко-термічній обробках (відпуску, гартуванні, відпалу, цементації та інш.) нагрівають переважно до температур, які не перевищують 1100 ºС.

Розрахунок дротяних металевих нагрівачів зводиться до визначення геометричних параметрів дроту – діаметру d, мм, загальної довжини l, м, а також загальної маси G, кг.

Аналіз відомостей з технічної літератури свідчить про те, що для розрахунку цих параметрів можуть бути використані наступні рівняння:

- діаметр дроту d, мм

(2.1)

- довжина дроту в нагрівачі l₁, м, яка приходиться на 1 фазу

, (2.2)

- маса нагрівача на одну фазу G₁, кг

, (2.3)

де: N₁ – потужність однієї фази, кВт; для 3-фазної печі N₁ = N/3, де N – загальна потужність печі;

ρ – питомий електроопір матеріалу нагрівача, Ом·мм²/м;

U_ф – фазова напруга, В;

υ – питоме поверхневе навантаження нагрівача, Вт/см²;

γ – густина матеріалу нагрівача, кг/м³;

R_ф – електричний опір нагрівача в одній фазі, Ом, який розраховують за формулою:

(2.4)

Слід враховувати, що загальна довжина дроту в нагрівачі печі l складає: l=3l₁, а його загальна маса G, відповідно: G=3G₁.

Вихідними даними для розрахунку нагрівальних елементів, які задаються при виконанні роботи є:

- загальна потужність печі N, кВт (10 – 300 кВт);

- фазова напруга U_ф (напруга, що подається на кожну фазу) і, яка може складати 127, 220 чи 380 В в залежності від схеми підключення;

- кількість фаз n (частіш всього 3 фази);

- максимальна робоча температура печі Т_м, ºС;

- тип печі чи її конкретна модифікація для забезпечення можливості розробки схеми раціонального розміщення нагрівальних елементів.

Найбільш загальним випадком підключення нагрівачів є їх підключення у 3-фазній печі.

Питомий електроопір матеріалу нагрівачів є температурно-залежною ха­рактеристикою, але це змінювання незначне і в межах температур 600–1000 ºС, наприклад, для сплаву Х20Н80 не перевищує ± 5% від середнього значення. Тому для усіх температур (600 – 1000 ºС) приймаємо ρ=const (наприклад, для сплаву Х20Н80 - ρ=1,15 Ом·мм²/м). За завданням викладача змінювання ρ може бути ураховане у розрахунках. Значення ρ та густина γ сплавів при даній температурі для деяких сплавів наведені у таблицях 2.1, 2.2.

Таблиця 2.1 – Значення питомого електроопору ρ сплавів для нагріваль­них елементів при 20 ºС

Марка сплаву	Х20Н80	Х15Н60	Х13Ю4	Х17Ю5	Х25Ю5	Х23Ю5	Х27Ю5
ρ, Ом·мм2/м	1,15	1,10	1,26	1,24	1,35	1,40	1,40

Примітка. ^1Ом·мм²/м = 10^-6 Ом·м

Таблиця 2.2 – Розрахунковий питомий електроопір ρ та густина γ сплавів при даній температурі

Марка сплаву	Температура, ºС	ρ, Ом·мм2/м	γ, г/см3
Х13Ю5 Х17Ю5 Х15Н60 Х20Н80 Х25Ю5 Х23Ю5 Х27Ю5	850 850 1000 1150 1200 1200 1300	1,25 – 1,35 1,15 – 1,25 1,10 – 1,20 1,10 – 1,20 1,25 – 1,45 1,40 1,40	7,4 7,0 – 7,2 8,4 8,4 7,0 – 7,2 7,27 7,19

Допустиме питоме поверхневе навантаження ν (Вт/см²) визначається як відношення потужності печі N (Вт) до площі поверхні нагрівального елементу S (см²):

ν=N/S, (2.5)

S=πd·l (2.6)

Значення діаметру d та довжини l дроту слід підставляти у см.

Значення допустимого питомого поверхневого навантаження ν для деяких сплавів в залежності від температури наведені у таблиці 2.3.

Таблиця 2.3 – Допустимі питомі поверхневі навантаження υ для нагрі­вачів термічних печей з різних сплавів

Робоча температура, ºС	υ, Вт/см2, для сплавів
	Х20Н80	Х15Ю5	Х23Ю5Т	Х27Ю5
600 700 800 900 1000 1100 1200	2,6 – 3,2 2,0 – 2,6 1,6 – 2,0 1,1 – 1,5 0,8 – 1,0 0,5 – 0,7 -	2,6 – 3,2 2,0 – 2,6 1,6 – 2,0 1,1 – 1,5 0,8 – 1,0 0,5 – 0,7 -	- 3,0 – 3,7 2,6 – 3,2 2,1 – 2,6 1,6 – 2,0 1,2 – 1,5 0,8 – 1,0	- - - - 3,0 2,2 1,6

На відміну від питомого електроопору, допустиме питоме поверхневе навантаження різко зменшується з підвищенням робочої температури печі: при підвищенні температури від 600 ºС до 1100 ºС υ зменшується приблизно у 6 разів.

При виконанні розрахунків у даній лабораторній роботі можна використовувати усереднені значення допустимого поверхневого питомого навантаження υ, наведені у таблиці 2.4.

Таблиця 2.4 – Середнє допустиме поверхневе питоме навантаження ν для металевих нагрівачів

Температура печі, ºС	400 - 600	600 - 800	800 - 900	900 – 1000	1000 – 1100	1100 – 1200
ν, Вт/см2	3,0	2,0	1,5	1,0	0,8	0,5

Результатом розрахунків є: визначення діаметру дроту d (рівняння 2.1), довжини дроту у одній фазі l₁ (рівняння 2.2), загальної довжини дроту у нагрівальному елементі l, маси нагрівача на 1 фазу G₁ (рівняння 2.3) та його загальної маси G (G=3G₁), а також розрахункове значення питомого поверхневого навантаження ν (рівняння 2.5), яке не повинне перевищувати допустимих значень (табл. 2.4). Слід враховувати те, що діаметр дроту d не може перевищувати 8 мм.

Приклади варіантів завдань для виконання роботи наведені у таблиці 2.5.

Таблиця 2.5 – Варіанти завдань для розрахунку дротяних нагрівальних елементів

Індекс камерної печі з нерухомим подом	Максимальна робоча температура, ºС	Потужність печі N, кВт
		Паспортна	Інтервал можли­вого змінення при розрахунках
СНО/СНЗ-4.8.2,5/10 СНО/СНЗ-6.12.4/10 СНО/СНЗ-8.16.5/10 СНЗ-4.8.2,5/11 СНЗ-6.12.4/11 СНЗ-8.16.5/11 СНЗ-11.22.7/11 СНО/СНЗ-3.6,5.2,5/9,5 СНО/СНЗ-4,5.9,5.4,5/9,5 СНО/СНЗ-6.12.5/9,5 СНО/СНЗ-7,5.15.5,5/9,5 СНО/СНЗ-9.18.6/9,5	1000 1000 1000 1100 1100 1100 1100 950 950 950 950 950	25 55 75 19 52 71 140 15 30 45 60 75	20...30 45...65 65...85 15...25 45...60 65...80 120...150 12...18 25...35 40...50 50...70 65...80

Примітки: 1. Всі печі є 3-фазними;

2. Робоча напруга U_ф може складати 220 чи 380 В, а у деяких випадках – 127 В.

Другим етапом виконання роботи є розміщення нагрівача у печі конкретного типорозміру (див. табл.2.5), згідно з виданим завданням.

Виконанню цієї частини роботи передує знайомство студентів з принципами компонування нагрівачів (з використанням існуючих на кафедрі стендів).

Розрахунок конструкції металевих елементів опору проводять виходячи із наступного.

Частіш за все дротяні нагрівальні елементи формують у вигляді циліндричної спіралі діаметром Д, мм, з кроком спіралі h, мм, які визначають за формулами:

Д = К_с·d; h = К_н·d, (2.7)

де d – діаметр дроту, мм;

К_с – коефіцієнт серцевика, який можна приймати рівним 8...11 для печей з робочою температурою Т_р до 750 ºС, 6...8 – при Т_р=750...950 ºС та 5...6 при Т_р>950 ºС;

К_н. – коефіцієнт щільності навивки спіралі, який приймають рівним 2...4 та більше.

Довжина витку спіралі l_в буде складати: l_в=πd, мм. Довжину виводів нагрівачів можна визначити як: l_вив= b + 100, мм, де b – товщина стінки печі. Для спрощення розрахунків для невеликих камерних печей можна прийняти b=230 мм, тоді l_вив=330 мм.

Кількість витків у спіралі для однієї фази n₁ визначають як:

, (2.8)

Загальна кількість витків спіралі у печі:

, (2.9)

Довжина спіралі у одній фазі:

(2.10)

Загальна довжина спіралі у печі:

, мм (2.11)

Довжину спіралі можна регулювати шляхом змінення кроку спіралі h за рахунок збільшення коефіцієнту К_н.

При виконанні лабораторної роботи слід орієнтуватися переважно на розміщення нагрівачів кожної фази на одній з робочих поверхней печі – на 2 бокових стінках та своді печі. При необхідності нагрівачі можуть розміщува­тися на поді та торцевій стінці печі.

Спіралі розміщують рівномірно вздовж відповідної робочої поверхні печі горизонтально чи у формі зигзагу.

Для дроту діаметром 6…8 мм, якщо виготовлення спіралі є недоцільним, нагрівачі можуть виготовлятися у вигляді зигзагів безпосередньо з дроту.