Kraków, data 13,01,2015

Tytuł ćwiczenia:

Piece w przeróbce plastycznej metali, pomiar temperatury

Imię i Nazwisko wykonawcy

Anna Prochal

Miłosz Zabrocki

Mateusz Kokoszka

Mateusz Węgrzyn

Kierunek: Metalurgia

Nazwa przedmiotu : Urządzenia w przeróbce plastycznej.

Wydział Metali Nieżelaznych

Katedra Przeróbki Plastycznej i Metaloznawstwa Metali Nieżelaznych

Budowa pieca muflowego

Ceramiczna mufla, oddziela elementy grzejne od wnętrza komory grzejnej i zapewnia dłuższą ich żywotność oraz stabilne utrzymywanie temperatury. Możliwe jest wyposażenie pieca w regulator lub programator temperatury. Mufle wykonane są z gliny ogniotrwałej z dodatkiem szamotu.
Na ceramiczną muflę nawinięte są zwoje grzewcze oporowe wykonane z kantalu zazwyczaj A1, który cechuje się głównie:
- opornością , która wynosi: 1,45 W mm²/m,
- mała, nieliniowa zmiana oporu wraz ze wzrostem temperatury,
- maksymalna temperatura grzania : 1300⁰C,
- temperatura topnienia: 1500⁰C.

Rys. 1

Kanthal Super to materiał oporowy, którego głównymi składnikami są molibden i krzem. Produkowany metodą metalurgii proszków w postaci prętów mogących wytrzymywać temperatury do 1900°C.
Elementy Kanthal Super mają zastosowanie w piecach do topienia szkła i metali, w piecach laboratoryjnych, do wypalania porcelany i ceramiki.
Kanthal Super w stanie zimnym jest twardy i kruchy natomiast powyżej 1100°C staje się ciągliwy i podatny na odkształcenia. Oporność elementu rośnie wraz ze wzrostem temperatury (maleje moc grzejna).
Najlepszą trwałość elementy mają przy pracy ciągłej w wysokich temperaturach ale w odpowiednich warunkach można też wielokrotnie rozgrzewać i studzić elementy.

Zasada pomiaru temperatury

-termoelement

Zasada działania opiera się na odkrytym w 1821 roku przez Seebacka zjawisku termoelektrycznym, które polega na zależności siły termoelektrycznej ogniwa termoelektrycznego (termoelement) od temperatury. Ogniwo powstaje w wyniku połączenia na jednym końcu dwóch przewodników, wykonanych z dwóch różnych materiałów.

Rys.2

E_AB = (t₁,t₀) = e_AB(t₁) + e_AB(t₀)

dla stałej temperatury

t₀ : E_AB(t₁,t₀) = f(t₁)

W praktyce spoina odniesienia (spoina 2) jest rozdzielona.

Rys.3

Termoelement składa się z:

• ogniwa termoelektrycznego o termoelektrodach A i B,

• przewodów C łączących ogniwo z przyrządem pomiarowym,

• miernika mierzącego siłę termoelektryczną

Materiały na termoelementy

• liniowość, powtarzalność i stałość charakterystyki E = f(t) w czasie eksploatacji,

• wysoka temperatura topnienia i wysoka dopuszczalna temperatura pracy ciągłej,

• duża czułość,

• możliwie mała rezystywność,

• odporność na warunki zewnętrzne podczas eksploatacji, niskie koszty

Termoelement - zalety

• nie wymagają zewnętrznego zasilania,

• możliwość lokalnego pomiaru temperatury,

• niska pojemność cieplna,

• stosunkowo mała bezwładność czasowa – rzędu kilku sekund,

• szeroki zakres pomiarowy,

• prosta budowa,

• duża niezawodność.

-pirometr

Zasada działania pirometrów. Nagrzane ciała wysyłają promienie cieplne. Zjawisko to wykorzystano w budowie pirometrów — przyrządów do zdalnych pomiarów temperatury. W hutnictwie służą one do pomiaru temperatury nagrzanego metalu (stałego i ciekłego) oraz materiałów ogniotrwałych, z których są zbudowane piece hutnicze. Ciała o temperaturze poniżej 500°C promieniują energię w postaci niewidocznych fal cieplnych. Powyżej 500°C dołącza się promieniowanie widzialne. Najpierw widzi się barwę czerwoną, która w miarę wzrostu temperatury przechodzi w żółtą i białą. Ze wzrostem temperatury wzrasta nie tylko jakość, ale i ilość energii wy- promieniowanej przez ciało. Zależności te są ujęte w prawa fizyczne (Stephana-Bolzmanna i Wiena).

Rys. 4

Rys. 5

Rodzaje pirometrów

• radiacyjny – pomiar natężenia promieniowania całkowitego wymienianego między dwoma ciałami. Zakres od 0 do 20000⁰C,

• fotoelektryczny – pomiar sygnału elektrycznego wytwarzanego w detektorze (fotoelemencie), na który jest skupione promieniowanie temperaturowe wysyłane przez badane ciało. Zakres od 50 do 20000⁰C,

• monochromatyczny – porównanie jasności źródła promieniowania z jasnością źródła wzorcowego w przyrządzie pomiarowym. Zakres od 700 do 15000⁰C

i od 1500 do 20000⁰C,

• barwny (dwubarwny) – pomiar mocy promieniowania badanego ciała dla dwóch długości fali. Zakres od 700 do 22000⁰C.

-Barwy żaru

Barwa żaru Temperatura (^oC) Ciemnoczerwona (w ciemności) 500 - 550 Ciemnoczerwona 650 - 750 Wiśniowa 800 - 850 Jasnoczerwona 850 - 900 Ciemnopomarańczowa 1050 - 1150 Żółtawobiała 1250 - 1350 Biała 1350 - 1450 Jaskrawobiała wyższa niż 1450 Na podstawie barwy żaru metali możemy określić w przybliżeniu ich temperaturę.

Żarzenie może być wywołane na skutek wzrostu temperatury przez: dopływ ciepła z zewnątrz, zamianę energii elektrycznej na energię wewnętrzną na skutek przepływu prądu elektrycznego przez ciało i reakcję spalania, której nie towarzyszy płomień

Stal zaczyna się żarzyć w sposób widoczny w ciemności w temperaturze poniżej 400 °C i wraz ze wzrostem tej temperatury barwa staje się bardziej intensywna.

-Termometry rozszerzalnościowe cieczowe

Ciałem termometrycznym jest w nich ciecz, która nie krzepnie i nie wrze w zakresie pomiarowym termometru. Ciecz zawarta jest w zbiorniczku oraz w połączonej z nim kapilarze, przymocowanej do podzielni z podziałką w °C. Objętość cieczy w kapilarze jest znikoma w porównaniu z objętością cieczy w zbiorniku. Czujnikiem jest więc zbiornik i ciecz w nim zawarta osiągnąć ma w czasie pomiaru temperaturę badanego środowiska. Ciecz w kapilarze spełnia jedynie rolę wskazówki, gdyż poziom cieczy w kapilarze pokazuje na podziałce mierzoną temperaturę, ściślej mówiąc, temperaturę cieczy w zbiorniku. Ponieważ materiał, z którego jest wykonany zbiornik, również zmienia swoje wymiary pod wpływem zmian temperatury, więc w rzeczywistości obserwuje się na podziałce termometru efekt wypadkowy rozszerzalności zbiornika i zawartej w nim cieczy.

Zbiornik cieczy termometrycznej i kapilara są wykonane ze szkła lub kwarcu. Zmiana temperatury o 1° powoduje tym większe wydłużenie słupka cieczy w kapilarze, im mniejszy jest przekrój kapilarny i im większa jest pojemność zbiornika cieczy termometrycznej.

Ciecz termometryczna powinna być dobrze widoczna w kapilarze oraz mieć stały współczynnik rozszerzalności cieplnej w zakresie pomiarowym przyrządu. Warunki te spełnia bardzo dobrze rtęć. Do pomiaru temperatur niższych niż temperatura krzepnięcia rtęci używa się termometrów wypełnionych cieczami krzepnącymi w temperaturach o wiele niższych niż rtęć. Termometrami cieczowymi można mierzyć temperatury wyższe niż temperatura wrzenia cieczy termometrycznej pod normalnym ciśnieniem, jeżeli sztucznie wytworzy się nad słupkiem cieczy w kapilarze wysokie ciśnienie, które podwyższa znacznie temperaturę wrzenia cieczy. Zestawienie najczęściej używanych cieczy termometrycznych podano w tablicy 3.

Dla celów alarmu lub regulacji przebiegu procesu termometr powinien dać impuls przy przekroczeniu w dół lub w górę określonej granicy dozwolonych wartości temperatury. Do tego służą termometry kontaktowe. Zasada ich działania polega na tym, że słupek rtęci obniżając się poniżej żądanej temperatury lub też ją przekraczając otwiera lub zamyka sygnalizacyjny obwód elektryczny. Powoduje to z kolei odpowiedni sygnał alarmowy lub uruchamia układ automatycznej regulacji. Pomiar temperatury może być błędny nawet przy prawidłowo działającym termometrze, gdy przez nieodpowiednie zainstalowanie czujnika nie przybiera on temperatury badanego środowiska. Przyczynami takich błędów są:

a) skraplanie się par na zbiorniku termometru,

b) dodatkowe opromieniowanie zbiornika przez ciało o temperaturze o wiele wyższej od temperatury badanego środowiska,

c) za krótki okres czasu zanurzenia zbiornika termometru w badanym środowisku,

d) umieszczenie zbiornika poza główną strugą płynu będącego w ruchu.

Cieczowe termometry rozszerzalności są przyrządami wskazującymi, nie nadającymi się do rejestracji wyników.

Rys. 6

Rys. 7

Rys. 8

Wnioski

Z wykresu zależności temperatury od czasu nagrzewania dla dwóch próbek o różnej objętości (Rys. 7) wynika, że duża próbka nagrzewając się przez 120 sekund podniesie swoją temperaturę tylko o 24 ⁰C. W przypadku gdy weźmiemy na warsztat próbkę małą zauważymy, że jej temperatura podniosła się aż o 45 ⁰C. Tak więc im mniejsza objętość materiału tym szybciej się nagrzeje. Materiał z większą objętością będzie się nagrzewał dłużej.

Wykres zależności temperatury od czasu studzenia dla różnych urządzeń w naszym przypadku dla termoelementu i pirometru (Rys. 8) ukazuje nam różnicę w pomiarach temperatury na tych dwóch urządzeniach. Pomiar pirometrem w pierwszej części pomiaru był zaburzony, było to spowodowane zmienianiem ustawieniem emisyjności dla danego materiału dla danego zakresu temperatur. Pirometr pokazał temperaturę na początku 70 ⁰C a końcową 66 ⁰C Termoelement wykazał początkową temperaturę 70 stopnie, a po 130 sekundach 61 stopni. Tak więc pirometr jest się urządzeniem mniej dokładnym i zarazem bardziej narażony na błędy pomiarowe.