Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра «Металлургические технологвш» ПОСТРОЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ ОТЛИВКИ (СЛИТКА) Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине «Металлургическая теплотехника и теплоэнергетика» М инск 2006 Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ _________________УНИВЕРСИТЕТ_________________ Кафедра «Металлургические технологии» ПОСТРОЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ ОТЛИВКИ (СЛИТКА) Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине «Металлургическая теплотехника и теплоэнергетика» для студентов специальностей 1-36 01 05 «Машины и технология обработки материалов давлением», 1-36 02 01 «Машины и технология литейного производства», 1-42 01 01 «Металлургическое производство и материалообработка», 1-42 01 02 «Порошковая металлургия, композиционные материалы, покрытия» М и н с к 2 0 0 6 УДК 669.04 ББК 34.3я7 П63 Составители: В.И. Тимошпольский, И.А. Трусова, С.М. Кабишов, Г.А. Климович, П.Э. Ратников Рецензенты: Б.М. Немененок, А.С. Калиниченко Лабораторная работа предназначена для закрепления и уг­ лубления теоретических знаний, полученных при изучении лекционного материала по курсу «Металлургическая тепло­ техника и теплоэнергетика», а также для приобретения прак­ тических навыков вьшолнения теплотехнических измерений и расчетов. © БИТУ, 2006 Целью лабораторной работы является закрепление теоре­ тического материала курса, а также ознакомление студентов с методиками измерений и исследований теплофизических про­ цессов, протекающих в агрегазпх металлургического произ­ водства. Большое внимание при выполнении лабораторной работы уделяется приобретению студентами навыков ведения самостоятельной научно-исследовательской работы, анализа и обобщения полученных результатов. Для осмысленного выполнения работы студенты должны предварительно изучить теоретические положения по изучае­ мому вопросу, методику исследования, принцип работы при­ боров и оборудования. Перед началом работы студенты обязаны пройти инструк­ таж по технике безопасности и расписаться в соответствую­ щем журнале. Лабораторная работа проводится под руководством препо­ давателя и инженера. Студенты, пропустившие лабораторную работу, выполня­ ют ее в конце семестра в дополнительное время по расписа­ нию кафедры. Студенты, не защитившие лабораторную рабо­ ту в установленный срок, не получают зачет и не допускаются к экзаменам. ПРАВИЛА ОХРАНЫ ТРУДА И ПРОТИВОПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЬШОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ Введение При вьшолнении лабораторных работ необходимо строго соблюдать следующие требования: 1. Лабораторные работы проводятся по подгруппам, не пре- вьппающим 12 — 15 человек. 2. Перед выполнением лабораторных работ студенты обяза­ ны ознакомиться с правилами охраны труда и противопожар­ ной безопасности в лаборатории и на рабочих местах, распи­ саться в журнале регистрации инструктажа по охране труда. 3. Преподаватель, ведущий занятия, обязан перед началом каждой лабораторной работы напомнить студентам о прави­ лах охраны труда и безопасных приемах работы на лабора­ торном оборудовании. 4. При работе с электрооборудованием студенты обязаны вьтолнять правила электробезопасности и пользоваться пре­ дусмотренными для этой цели защитными средствами. 5. Работать на приборах и оборудовании студенты могут только под наблюдением преподавателя или лаборанта. 6. Студентам запрещается вюиочать приборы и механизмы самостоятельно, без наблюдения преподавателя и лаборанта. 7. Перед проведением испытаний студенты обязаны озна­ комиться с работой лабораторного оборудования по настоя­ щему практикуму и соответствующим инструкциям. 8. К лабораторным работам допускаются студенты, овла- девщие правилами и порядком их выполнения. 9. По окончании работы следует тщательно убрать свое ра­ бочее место. поле отливкиЦель работы: построить температурное (слитка), определить температурный градиент по сечению от­ ливки (слитка). Теоретическая часть Согласно второму закону термодинамики самопроизволь­ ный процесс переноса теплоты в пространстве возникает под действием разности температур и направлен в сторону уменьшения температуры. Таким образом, процесс распро­ странения теплоты в твердом теле всегда связан с распределе­ нием температур, которые могут изменяться как по сечению тела, так и во времени. Поэтому основной задачей теории теп­ лопроводности является определение пространственного из­ менения температуры в отдельных точках тела, т. е. нахожде­ ние зависимостей вида (= /(х ,у ,2 ,г), где х ,у ,г - координаты точек тела; г - время. Температурным полем называется совог^пность мгно­ венных значений температуры во всех точках тела. Так как температура - скалярная величина, то и темпера­ турное поле является скалярным. Оно может быть как стацио­ нарным, так и нестационарным. Если температурное поле стационарное, то температуры по сечению тела могут различаться, но не изменяться во вре­ мени. Уравнение стационарного температурного поля Нестационарное температурное поле отвечает неуегано- вившемуся тепловому режиму, в данном случае с течением времени температура изменяется от одной точки тела к дру­ гой, т. е. 1 = /{х ,у ,2 ,т). Температурное поле в зависимости от числа координат мо­ жет быть одно-, двух- и трехмерным. Уравнение двумерного поля / = /(х ,у ,г), одномерного 1 = /{х.т). 5 Одномерным полем обладает плоская стенка, у которой длина и ширина считаются бесконечно большими по сравне­ нию с толщиной. Поле будет нестационарным, если стенку с одной стороны нагревать (охлаждать). По истечении длитель­ ного времени, когда стенка прогреется, поле превратится в стационарное, так как температура по толщине стенки не бу­ дет изменяться со временем. При любом температурном поле в теле всегда имеются точ­ ки с одинаковой температурой. Если их мысленно соединить, то получится поверхность, называемая изотермической. Так как одна и та же точка не может одновременно иметь различные температуры, то изотермические поверхности не пересекаются. Они либо оканчиваются на поверхности тела, либо целиком располагаются внутри его. Пересечение изо­ термических поверхностей плоскостью дает на этой плоско­ сти семейство изотерм (рис. 1). Рис. 1. Пример температурного поля в сечении тела произвольной формы Температура в теле изменяется только в направлениях, пере­ секающих изотермические поверхности. При этом наибо;и>ишй перепад температуры на единицу длины происходит в направ­ лении нормали к изотермической поверхности (рис. 2). Рис. 2. К определению температурного градиента Температурный перепад характеризуется градиентом тем­ пературы - векторной величиной, направленной в сторону по­ вышения температуры и численно равной производной от температуры по этому направлению, т. е. ёгас1 / = П т Лл-»0 (А Т Ап где АТ = (Т2 - Г]) - изменение температуры; Ап - расстояние по нормали между соседними изотермами. Из рассмотрения двух изотерм с температурами / и (^ + А/) можно сделать вьшод, что в конкретной точке наиболее резкое изменение температуры происходит в направлении нормали к изотермической поверхности. Количественной характеристикой того, насколько резко изменяется температура на бесконечно малом участке тела (практически в точке), служит температурный градиент (К/м): , д1 д{ д1 цгаё / = -----1-----+ — . дх ду дх Темперап^рный градиент - вектор, нормальный к изо­ термической поверхности и направленный в сторону возрас­ тания температуры. В случае одномерного температурного , д( ^поля ёгаа I = — , в случае двумерного ^гаа / = — -ь — . дх дх ду Положительным направлением температурного градиента считается направление в сторону возрастания температуры. Таким образом, величина температурного градиента слу­ жит критерием неоднородности температурного поля. Чем больше температурный градиент, тем интенсивнее процесс теплообмена в теле или среде, тем вьппе неоднородность тем­ пературного поля. Порядок выполнения работы 1. Приготовить сплав заданного состава, перегреть его в лабораторной печи на 100... 150 °С вьппе температуры ликви­ дуса и залить в форму, в которой предварительно установить три термопары: первую - в центре формы, вторую - на рас­ стоянии половины радиуса, третью - у поверхности. 2. В процессе охлаждения расплава через каждые 30 секунд производить измерения температуры в каждой точке. Замеры прекратить при охлаждении на 150 °С ниже температуры со­ ли дуса. 3. Для каждой термопары построить кривые охлаждения отливки /,• = /М - 4. Построить температурное поле (распределение темпера­ тур по сечению) отливки ( = /{х) с интервалом 2 минуты. Данные занести в таблицу. т,с Г, “С 1 термопара 11 термопара III термопара 0 30 60 6. Определить температуры ликвидуса и солидуса сплава. 7. Определить скорость охлаждения расплава в жидком и твердом состоянии (в каждой точке). 8. Определить величины температурных градиентов в раз­ личные моменты времени. 9. Построить график изменения температурного градиента от времени дгас1 / = /(г ) . Содержание отчета Общие сведения о понятии температуры, температурного поля, температурного градиента. Описание методики прове­ дения эксперимента. Эскиз формы с расположенными термо­ парами. Результаты опытов в виде таблиц, расчетов, графиков. Вьшоды. Литература 1. Металлургическая теплотехника: учебник для вузов^В 2 т;/ В.А. Кривандин [и др.]. - М.: Металлургия, 1986. 2. Арутюнов, В.А., Миткалинный, В.И., Старк, С.Б. Метал­ лургическая теплотехника. В 2 т. - М.: Металлургия, 1974. 3. Исаченко, В.П., Осипова, В.А., Сукомел, А.С. Теплопе­ редача. -М .: Энергоиздат, 1981. 4. Кривандин, В.А., Марков, Б.Л. Металлургические печи. - М.: Металлургия, 1977. 5. Теплообмен и тепловые режимы в промышленных печах / В.И. Тимошпольский [и др.]; под общ. ред. В.И. Тимошпольско- го. - Мн.: Вьппэйшая школа, 1992. 6. Промьппленные теплотехнологии. Методики и инженер­ ные расчеты оборудования высокотемпературных теплотех- нологий машиностроительного и металлургического произ­ водства; учебик / Под общ. ред. В.И. Тимошпольского. - Мн.: Вышэйшая школа, 1998, 7. Прибытков, И.А., Левицкий, И.А. Теоретические основы теплотехники. - М.: Издательский центр «Академия», 2004. Учебное издание ПОСТРОЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ ОТЛИВКИ (СЛИТКА) Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине «Металлургическая теплотехника и теплоэнергетика» для студентов специальностей 1-36 01 05 «Машины и технология обработки материалов давлением», 1-36 02 01 «Машины и технология литейного производства», 1-42 01 01 «Металлургическое производство и материалообработка», 1-42 01 02 «Порошковая металлургия, композиционные материалы, покрытия» Составители: ТИМОШПОЛЬСКИЙ Владимир Исаакович ТРУСОВА Ирина Александровна КАБИШОВ Сергей Михайлович и др. Редактор Л.Н. Дубовик Компьютерная верстка А.Г. Гармазы Подписано в печать 29.06.2006. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Гарнитура Таймс. Уел, печ. л. 0,6. Уч.-изд. л. 0,5.Тираж 100. Заказ 678. Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусский национальный технический университет. ЛИ № 02330/0131627 от 01.04.2004. 220013, Минск, проспею" Независимости, 65.