1. Технологическая часть

Данная цилиндрическая заготовка ?=800 мм, d=100 мм из низколегированной стали; материал 40Х. Огнеупорный материал шамот класса А (ША), теплоизоляционный материал - шамот ШЛ 0,4.

Сталь конструкционная легированная. Хромистая. Применение: оси, валы, вал-шестерни, плунжеры, штоки, коленчатые и кулачковые валы, кольца, шпиндели, оправки, рейки, губчатые венцы, болты, полуоси, втулки и другие улучшаемые детали повышенной прочности.

Изотермическая диаграмма распада переохлажденного аустенита (с-кривая) для данной стали приведена в [1].

Рисунок 1 - Диаграмма распада переохлажденного аустенита стали 40Х

Химический состав стали 40Х должен соответствовать требованиям ГОСТ 4543-71 (таблица 1).

заготовка нагрев сталь печь

Таблица 1 Химический состав, %

CSiMnCrNiCuSPНе более0.36-0.440.17-0.370.50-0.800.80-1.100.300.300.0350.035

2. Расчет времени нагрева заготовки

Определяем массивность нагреваемого изделия.

Для стали 40Х коэффициенты теплопроводности равны:

?20=49 Вт/мК

?970=28,8 Вт/мК

Тогда средний коэффициент теплопроводности можно вычислить по формуле:

?ср=?20+?970/2=49+28,8/2=38,9 Вт/мК.

В электрических печах без искусственной циркуляции воздуха основным видом теплообмена, определяющим нагрев изделий, является теплообмен лучеиспусканием. Конвективный теплообмен в результате свободного движения воздуха около поверхности нагреваемого изделия имеет небольшую интенсивность и коэффициент теплоотдачи конвекцией в нагревательной камере печей сопротивления с температурой выше 700оС приближенно может быть принят равным 10-15 Вт/(м2К)

Коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием определяется по формуле:

?л=спр? ((Тп /100)4 - (Тмср /100)4 / (Тп - Тмср)) (1)

где Тп - текущие значения температур печи, К.

где Тмср - средняя за время нагрева температура изделия, К.

Определяем среднюю температуру изделия за время нагрева:

Тмср=1/3? (tмн+2tмк) + 273 =1/3? (20+2?1070) + 273 = 993 К. (2)

где tмн и tмк - температуры изделия соответственно в начале и в конце температурного интервала нагрева, оС.

Тп = 1100 + 273 = 1373 К (3)

где Тп - текущие значения температур печи, oC.

Приведенный коэффициент излучения Спр рассчитывается по формуле:

Спр = Со /(1/?м) + (Fm / Fn) ? (1/?n - 1) (4)

где Со = 5,67 Вт /(м2 К4) - константа излучения абсолютно черного тела;

?м - степень черноты нагреваемого металла;

?n - степень черноты кладки печи;

Fm - тепловоспринимающая поверхность нагреваемого металла, м2;

Fn - поверхность нагревательной камеры печи, м2.

Для заготовок из марки 40Х ?m = 0,8; ?n = 0,8

Площадь рабочего пространства печи высчитывается по формуле:

Fn = BH2 + 2LH + 2BL = 2 (BH + HL + BL)

где В-ширина; L - длина; Н - высота;

Fn = 2?(0,7?1,0 + 0,6?0,7 + 1,0?0,6) = 3,44 м 2

Площадь металла вычисляется по формуле:

Fm = ? ? d ? ? + 2? ((? ? d2)/4)

Fm = 3,14 ? 0,1 ? 0,8 + 2? ((3,14 ? 0,12) / 4) =0,2669 м2

Рассчитаем количество загружаемых в печь деталей:

n = B / (d + d) = 600 / (100 + 100) = 3 штуки.

Площадь всех деталей загруженных в печь рассчитывается по формуле:

F/m = Fm? n = 0,2669 ? 3 = 0,8007 м2.

Подставим полученное значение в формулу (4):

. (5)

Подставим (2,3,5) в (1):

Тогда, ?z = ?л + ?к

где ?к коэффициент теплоотдачи конвекцией в нагревательной камере печей сопротивления с температурой выше 700оС приближенно может быть принят равным 10-15 Вт/(м2К)

После загрузки холодного изделия в печь происходит интенсивный нагрев его поверхностных слоев. Нагрев центральных слоев протекает с меньшей скоростью из - за термического сопротивления изделия. Изменяясь по величине, он может сохраняться в течение всего времени нагрева изделия. Это значительно усложняет определение времени нагрева изделия.

Величина перепада температуры по толщине изделия зависит от отношения термического сопротивления изделия к термическому сопротивлению передачи тепла к его поверхности. Чем больше указанное отношение, тем больше перепад температуры по толщине изделия. В теории теплообмена отношение внутреннего термического сопротивления к внешнему термическому сопротивлению на его поверхности определяется числом БИО: