...
Дипломна робота „Розрахунок параметрів електропечі для термічної обробки кераміки PDF Печать E-mail

Дипломна робота
„Розрахунок параметрів електропечі для термічної обробки кераміки


З М І С Т
В С Т У П     3
1. ПРИСТРОЇ ДЛЯ ТЕРМІЧНОЇ ОБРОБКИ КЕРАМІКИ    5
1.1. фізико-хімічний зміст процесу випалювання. типи печей для випалювання кераміки    5
1.2. теплові властивості матеріалів    25
1.3. методика розрахунку теплових потоків     32
1.4. контроль температури (термопари).     40
2. КОНСТРУЮВАННЯ ПРИСТРОЇВ ДЛЯ ТЕРМІЧНОЇ ОБРОБКИ КЕРАМІКИ    42
2.1. оцінка об’єму робочої камери і товщини стінок     42
2.2. розрахунок споживаної електропотужності     44
2.3. електричні схеми комутації електроелементів    48
2.4. система електроживлення із зворотнім зв’язком     49
2.5. визначення температурного профілю    51
2.6. експлуатаційні можливості пристрою    53
В И С Н О В К И  Т А П Р О П О З И Ц І Ї    55
Л І Т Е Р А Т У Р А    56



Вступ
Вчитель загальноосвітньої школи – випускник спеціальності “Фізика і технології виробництва” поряд із ґрунтовними знаннями з фізики повинен володіти вмінням організовувати обробку різних матеріалів у майстерні школи, або ж самому створити такі технології. На сьогоднішній час навчальним планом передбачено оволодіння навичками обробки деревини, металу, тканини та інших матеріалів. Проте, можливості майстерень університету обмежені і не можуть забезпечити всіх необхідних технологій. Тому виникла потреба у створенні обладнання та освоєнні технологій обробки нових матеріалів, зокрема – термічної обробки кераміки. Виконання цієї роботи є актуальним для вдосконалення навчального процесу та розвитку матеріальної бази факультету.
Метою дипломної роботи є розрахунок основних вузлів та умов експлуатації пристрою для термічної обробки кераміки. Новизна роботи полягає у тому, що немає розроблених методик таких розрахунків, оскільки вони залежать від різних факторів, зокрема – від обраного матеріалу, від умов експлуатації та від способу нагрівання.
Предметом дослідження обрано виконання теоретичних розрахунків пристрою та окремих його елементів. Об’єктом дослідження є визначення теплових втрат  робочих режимах та розрахунок споживаної потужності. На підставі таких розрахунків виконується оцінка робочих струмів та їх відповідність технічним умовам експлуатації електроустановок.
Робоча гіпотеза полягає у використанні теоретичних положень явищ теплопровідності, стандартних параметрів теплопровідності матеріалів та питомих опорів високоомних провідників, які пропонуються для конструювання пристрою.
Практична значимість роботи:
- виконані розрахунки нагрівних елементів та теплових втрат електропечі;
- сконструйована електропіч, визначено її температурний профіль та умови експлуатації;
- змонтовано системи електроживлення та контролю температури;
- виготовлено пристрій для ручного формування керамічних виробів;
- виготовлено пристрій для виконання надписів на матричних формах і керамічних виробах;
- проведені дослідні випробування роботи всього обладнання та налагоджена його робота.
Таким чином, здійснена підготовка технічних пристроїв для проведення всього циклу підготовки й виготовлення керамічних виробів. На цій основі можуть проводитись навчання студентів фізико-математичного (спеціальність „Фізика і технології виробництва”) та педагогічного (спеціальність „Музика і образотворче мистецтво”) факультетів.


Розділ 1. Пристрої для термічної обробки кераміки.
1.1.    Фізико-хімічний зміст процесу випалювання. Типи печей для випалювання кераміки.
При випалі керамічних мас мають місце складні фізичні, хімічні і фізико-хімічні процеси[2, 13].
Знання природи змін, які керамічна маса отримує в процесі випалу, і тих закономірностей, що обумовлюють утворення заданого керамічного матеріалу, дають можливість кваліфікованого ведення процесу випалу.
Весь процес випалу можна умовно підрозділити на три основних періоди: період попереднього підігріву, власне випалу й охолодження.
Перший період (попередній підігрів) служить для прогріву сирцю від початкової температури 140-180°С) до температури початку другого періоду. У цьому періоді усі компоненти маси знаходяться у твердому стані, отже, протікання хімічних взаємодій у даному випадку йде дуже повільно. Тут особливо важливо дотримувати плавний підйом температури, тому що різкі коливання останньої можуть привести до нерівномірного прогріву сирцю (особливо  по його товщині), що спричиняє   створення великих внутрішніх напружень, а це, у свою чергу, приводить до руйнування гартованого виробу. Тому необхідно дотримувати рівномірний прогрів сирцю по всій товщі садки в печі.
У першому періоді випалу крім прогріву сирцю протікають процеси видалення гігроскопічної і хімічно зв'язаної вологи. Остання виділяється, головним чином, за рахунок дегідратації глинистої речовини (при температурі близько 600°С).
У цьому періоді мають також місце вигоряння органічних домішок і розкладання карбонатів, наприклад при температурі 800 - 850°С йде розкладання карбонатів кальцію: CaCO3 = CaО + CO2.
Перший період закінчується при температурах 800-850°С (у залежності від характеру гартованого матеріалу).
Другий період (власне випал) служить для завершення процесів утворення камнеподібного матеріалу. Якість обпаленого виробу визначається переважно в цьому періоді. Тут підтримуються найбільш високі температури випалу.
На початку періоду керамічний матеріал являє собою масу, що складається з маслозв’язаних часточок, злегка змочених рідкою фазою. Присутність рідкої фази обумовлено вмістом у вихідних матеріалах легкоплавких речовин. Останні під впливом підвищеної температури частково розплавляються з виділенням легкоплавких сумішей. При подальшому підвищенні температури збільшується кількість рідкої фази за рахунок повного розплавлювання легкоплавких складових, що супроводжується утворенням складних силікатів.
При температурі 1200-1400°С йде розкладання алюмосилікатів, які містяться в керамічній масі, на вільні окисли з наступним утворенням нових сполук. Наприклад, безводний каолініт розпадається на вільні окисли, що з'єднуючись, викристалізовуються з рідкого розплаву, утворюючи муліт, надлишковий кремнезем, який при цьому утворюється, має, переважно, модифікацію кремнекислого скла.
Рідка фаза перешкоджає переродженню зерен кварцу в кристобалит, що супроводжується збільшенням об’єму (який може досягти 20% порівняно з початковим). Легкоплавкі складові, вступаючи в хімічну взаємодію з кварцом, дають рідку фазу, що сприяє розчиненню нестійких модифікацій кварцу і, насичуючи ними, викристалізовує стійкі модифікації. Крім того, рідка фаза завдяки своїй високій в'язкості і змочувальній здатності перешкоджає утворенню тріщин і сприяє спіканню.
Таким чином, рідка фаза відіграє роль пружини, що зм'ягшує явища розширення кварцу в результаті його модифікаційних змін. Вона також відіграє роль цементу, що заливає тріщини і пори, сприяючи цим спіканню й одержанню монолітного матеріалу.
Зі сказаного вище випливає, що вихідні матеріали, які не містять плавнів, не можуть дати якісного обпаленого виробу в силу повної відсутності рідкої фази в другому періоді випалу. Однак надлишок рідкої фази, що утвориться при випалі в результаті вмісту у вихідних матеріалах надмірно великої кількості плавнів, викликає негативний ефект, тому що при цьому зменшується вогнетривкість маси і підвищується здатність до деформації.
Третій період (охолодження) служить для зниження температури в печі з метою охолодження випалених виробів. Зниження температури в печі, аналогічно її підвищенню, повинно проходити плавно. Швидкість зниження залежить від характеру гартованих виробів (товщини їхніх стінок, ступеню спікання матеріалу й ін.). Наприклад, чим товстіші стінки виробу, тим охолодження повинно повільнішим. Дійсно, багато виробів архітектурно-художньої кераміки, наприклад мозаїчні плитки для підлог, різні архітектурні вставки тощо не витримують швидкого охолодження, вони робляться тендітними, тріскаються, а іноді навіть розриваються. Звідси, як правило, спочатку охолодження необхідно вести повільно.
На початку цього періоду має місце невелика зона загартування (перепад температур для більшості керамічних матеріалів складає близько 30°С на 1 год.). Небезпека появи тріщин особливо велика при температурах 400-600°С, де помітно позначається вплив модифікаційних змін кварцу, що мають місце при температурі 575°С. Надалі  охолодження можна прискорити аж до його завершення, звичайно допускаючи при цьому перепад температур орієнтовно близько 120-125°С на 1 год.
Звідси, підсумовуючи особливості процесів, що протікають при випалі, можна зробити висновок, що для одержання якісного випаленого виробу необхідно дотримуватись наступних основних умов:
1) наявність добавок у вихідній керамічній масі, які забезпечують при випалі утворення грузлої рідкої фази, що обумовлює спікання маси і володіє гарною змочувальною здатністю; при цьому рідка фаза повинна також мати властивість здійснювати розчинення нестійких модифікацій і продуктів розкладання основних складових маси;
2) рівномірний розподіл легкоплавких добавок у відформованому і висушеному виробі, у протилежному випадку надлишок рідкої фази, що утвориться в окремих ділянках виробу, веде до виникнення значних внутрішніх напружень і деформації в процесі випалу;
3) досягнення оптимальної температури випалу з наступним витримуванням її протягом  визначеного часу, що забезпечує можливість часткової перекристалізації основних складових маси.
Розглянуті вище процеси, що протікають в кожнім періоді випалу, відносяться до однократного випалу керамічного виробу. Однак керамічні вироби, особливо художнього призначення, у переважній більшості випадків піддаються багаторазовому випалу, а саме: утильному, политому, а також часто декоративному випалу, що служить для закріплення керамічних фарб. Для кожного зі згаданих видів випалу перший період характерний підйомом температури до значення, яке відповідає початку другого періоду, що характерний витримуванням найбільш високих температур випалу, а третій період - зниженням температури.
Фізико-хімічні процеси, що протікають при утильному і политому випалі, у сумі відповідають фізико-хімічним процесам, що протікають при однократному випалі виробу у відповідних періодах випалу.
Процеси горіння і значення газового середовища. Пальними складовими частинами основних видів палива, які застосовуються для виробництва художньої кераміки, є водень і вуглець. Як відомо, при горінні кисень повітря хімічно з'єднується з воднем і вуглецем палива, утворюючи при цьому продукти горіння у виді вуглекислоти і пари води.
Азот, внесений з повітрям, так само як азот, що міститься в паливі, не горить і, залишаючись після горіння в газоподібному стані, входить до складу продуктів горіння. Азот не впливає на характер газового середовища.
У результаті горіння водню і вуглецю в кисні виділяється велика кількість тепла, що обумовлює протікання випалу. Крім того, у процесі горіння створюється газове середовище, правильний підбір якого в різних стадіях випалу часто визначає його успішний результат, особливо при одержанні художніх керамічних виробів.
У зв'язку з цим зупинимося докладніше на процесах горіння.
Горіння - це процес окислення, що супроводжується виділенням великої кількості тепла і світла. Паливо при горінні окисляється киснем повітря, яке подається в зону горіння.
Процеси горіння відносяться до окислювально-відновних, тобто  до процесів, що протікають зі зміною валентності.
Якщо раніше під окислюванням розуміли лише процеси, зв'язані з приєднанням кисню, а під відновленням - його відбиранням, то зараз цим процесам надається глибший зміст, виходячи з електронної будови речовини. Користаючись останньою, типові окислювально-відновні процеси можна звести до віддачі електронів одними атомами (чи іонами) іншим. У цьому випадку атоми чи іони, використані для окислювання (окислювачі), приєднують електрони і самі при цьому відновлюються, а атоми чи іони, що віддають свої електрони (відновлювані), відновлюються самі,  при цьому окисляючись. Отже, віддача електронів одними атомами чи іонами (окислювачами) завжди супроводжується приєднанням їх іншими атомами чи іонами (відновлювачами). Таким чином, до процесів окислювання можна віднести реакції, де участь кисню не є обов'язковою (наприклад горіння в хлорі).
При горінні палива не має істотного значення,  чи буде в даному випадку відбуватися повний перехід електронів від одного атома до іншого (іонний зв'язок) чи, наприклад, деяке відтягування їх убік того чи іншого ядра атома (полярний зв'язок). Тому, розглядаючи окислювально-відновні процеси, що йдуть при горінні палива в керамічних печах, варто мати на увазі процеси приєднання і віддачі електронів незалежно від характеру хімічного зв'язку.
Як приклад  приведемо процес горіння водню в кисні. Цей процес можна записати рівнянням:

Дану роботу можна отримати по замовленню!

 

Яндекс.Метрика >