การออกแบบและสร้างเตาอบชุบมีดพร้าด้วยไฟฟ้ า

รายงานโครงการหมายเลข IE2011_20

การออกแบบและจ าลองสถานการณเตาอบชบมดพราดวยไฟฟา

นางสาวธญญลกษณ โชตธรรมวาทน เลขประจ าตว 513040089-1

นางสาวศลษา เกตจ านงค เลขประจ าตว 513041129-0

รายงานน เปนรายงาน งานโครงการของนกศกษาชนปท 4 ซงเสนอเปนสวนหนงใน

หลกสตรวศวกรรมศาสตรบณฑต

ภาควชาวศวกรรมอตสาหการ

คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน

พ.ศ. 2554

Project Report No.IE2011_20

DESIGN AND SIMULATION ELECTRIC HARDENING

KILN OF KNIFE

Ms.Thanyaluck Chotitamvatin ID 513040089-1

Ms.Salisa Ketchumnong ID 513041129-0

This is the report of fourth year project assignment submitted in partial

fulfillment of the requirements for the Degree of Bachelor of Engineering.

Department of Industrial Engineering

Faculty of Engineering, Khon Kaen University.

2011

ใบประเมนผลงานโครงการ

การออกแบบและสรางเตาอบชบมดพราดวยไฟฟา

DESIGN AND SIMULATION ELECTRIC HARDENING

KILN OF KNIFE

นางสาวธญญลกษณ โชตธรรมวาทน เลขประจ าตว 513040089-1

นางสาวศลษา เกตจ านงค เลขประจ าตว 513041129-0

อาจารยทปรกษา

( อาจารยพระพงศ ทาวเพชร)

อาจารยทปรกษารวม

( อาจารย ดร.ธนา ราษฎรภกด )

อาจารยผรวมประเมนผล

(อาจารย ดร.ปาพจน เจรญอภบาล)

ประเมนผล ณ วนท 10 กมภาพนธ พ.ศ. 2555

ก

กตตกรรมประกาศ

คณะผจดท างานโครงการไดท าโครงการน เสรจสมบรณ กดวยความรวมมอและความชวยเหลอจาก

บคคลดงตอไปน

อาจารยพระพงศ ทาวเพชร อาจารยประจ าภาควชาวศวกรรมอตสาหการ มหาวทยาลยขอนแกน ทาน

เปนอาจารยทปรกษาโครงการทคอยใหค าปรกษา ค าแนะน าขนตอนการปฏบตงาน แนวทางการแกปญหาทเกด

จากการปฏบตงาน และ คอยช แนะถงจดบกพรองทขาดเหลอเพอการแกไขและปรบปรงใหงานโครงการน

สมบรณ

อาจารยธนา ราษฎรภกด อาจารยประจ าภาควชาวศวกรรมอตสาหการ มหาวทยาลยขอนแกน ซง

เปนอาจารยทปรกษาโครงการอกคน ทคอยดแลใหค าปรกษาในสวนของโปรแกรมและทฤษฏหลกการเกยวกบ

การถายเทความรอน

อาจารยมานพ ลใส อาจารยประจ าภาควชาวศวกรรมอตสาหการ มหาวทยาลยขอนแกน ซงใหการ

ชวยเหลอและค าปรกษาเกยวกบโปรแกรม SolidWorks

อาจารยวระสนทร เคนกา ครชางประจ าภาควชาวศวกรรมอตสาหการ มหาวทยาลยขอนแกน ซงให

การชวยเหลอในการพาไปเกบขอมลทกลมตมดบานมวงหวาน

อาจารยจารพล สรยวนากล อาจารยประจ าภาควชาวศวกรรมเครองกล มหาวทยาลยขอนแกน ใหการ

ชวยเหลอและค าปรกษาเกยวกบโปรแกรม ANSYS Workbench

กลมตมดบานมวงหวานทใหความรวมมอในการเกบขอมลในการท าโครงการและทกๆทานทไมได

กลาวถงทมสวนเกยวของจนท าใหโครงการน เสรจสมบรณ

เจาหนาทประจ าภาควชาและเพอนนกศกษาทคอยชวยเหลอ ใหค าปรกษาและเปนก าลงใจทกทาน

นางสาวธญญลกษณ โชตธรรมวาทน

นางสาวศลษา เกตจ านงค

ข

บทคดยอ

โครงการนมวตถประสงค เพอออกแบบและจ าลองสถานการณเตาอบชบมดพราดวยไฟฟา เตาอบชบ

มอณหภม 1,000๐C โดยใชขดลวดเปนตวใหความรอน เพอลดระยะเวลาอบชบใหนอยลง จงไดท าการ

ออกแบบเตาอบชบเบองตนและใชโปรแกรมจ าลองสถานการณ ANSYS Workbench 14.0 เพอศกษาความ

เปนไปไดของการสรางเตาอบชบมดพราดวยไฟฟา

กระบวนการในการออกแบบเตาอบชบเรมจากการศกษาคณสมบตของมดพรา ซงเหลกทน ามาใชใน

การท ามดพรา เปนเหลกแหนบ JIS G4801-77 อณหภมทเหมาะสมในการอบชบประมาณ 845-865๐C เวลา

ทใชในการอบชบ (Holding time) 129 วนาท และท าการศกษาคณสมบตของวสดทนไฟทใชในการสรางเตา

เพอน ามาใชในการออกแบบและค านวณการสรางเตาอบชบ จากผลการค านวณของการออกแบบเบ องตน ได

ขดลวดขนาดเสนผานศนยกลาง 1.69 มลลเมตร กระแสไฟฟา 11 แอมแปร ก าลงไฟฟา 2.567 กโลวตตและ

ใชโปรแกรม ANSYS Workbench 14.0 จ าลองสถานการณเพอศกษาความเปนไปไดของการสรางเตาอบชบ

ผลจากการจ าลองไดอณหภมในการอบชบ 907๐C กระแสไฟฟา 11 แอมแปร ก าลงไฟฟา 2.318 กโลวตต

เวลาทใชในการอบชบ (Holding time) 129 วนาท เมอน าผลมาวเคราะหพบวา อณหภมทไดจากการจ าลองคอ

907๐C ซงยงไมถงอณหภม 1000

๐C ตามทตองการ จงควรท าการเพมคา Heat flux โดยคา Heat flux สามารถ

เพมไดโดยการเพมขนาดของขดลวดและกระแสไฟฟา

ค

Abstract

The objective of this project is to design and simulation electric hardening kiln of knife. Heat is

provided by the coil, hardening temperature is about 1000๐C to reduce the time of hardening. Basic

design of the kiln and using ANSYS Workbench 14.0 to study feasibility for creating.

Process of the kiln design start at studied knife’s properties, that made from spring steel, JIS

G4801-77. Temperature of hardening about 845-865๐C, holding time is 129 seconds and studied

refractory’s properties used in the kiln. From the calculating and basic design diameter of heater wire is

1.69 millimeter, electric current is 11 A and power is 2.567 kW, after that used simulation to study the

feasibility of constructs the kiln using ANSYS Workbench 14.0. The hardening temperature result is

907๐C, electric current is 11 A, power is 2.318 kW and holding time is 129 seconds. The results of

simulation hardening temperature is 907๐C but required hardening temperature is 1,000

๐C. So that

required temperature should increase the heat flux, that can be enhanced by increasing the size of coil

and electric current.

ง

สารบญ

หนา

กตตกรรมประกาศ ก

บทคดยอภาษาไทย ข

บทคดยอภาษาองกฤษ ค

สารบญ ง

สารบญรป ฉ

สารบญตาราง ซ

บทท 1 บทน า 1

1.1 หลกการและเหตผล 1

1.2 วตถประสงค 1

1.3 ขอบขายของงาน 1

1.4 แนวทางการด าเนนการ 2

1.5 แผนการด าเนนงาน 2

1.6 ผลทคาดวาจะไดรบ 3

บทท 2 ทฤษฎทเกยวของ 4

2.1 หลกการออกแบบเตาอบชบ 4

2.2 การถายเทความรอน 13

2.3 กระบวนการชบแขง (Hardening) 17

2.4 วสดในการขนรปมดพรา 23

2.5 กระบวนการและเตาชบแขงมดพราโดยใชถานเปนตวใหความรอน 25

2.6 ความรพนฐาน ANSYS Workbench 14.0 27

2.7 ไฟไนตอลเมนต 31

2.8 โปรแกรม Matlab Simulink 32

บทท 3 การด าเนนการ 33

3.1 การศกษาขอมล 33

จ

สารบญ(ตอ)

หนา

3.2 แผนผงแสดงขนตอนการทดลอง 34

3.3 สรางรปแบบมดพรา 3 มต 34

3.4 ออกแบบเตาอบชบมดพราดวยไฟฟาเบองตน 38

บทท 4 ผลการทดลอง 51

4.1 การเตรยมคาตางๆส าหรบการจ าลองสถานการณ 51

4.2 การจ าลองสถานการณโดยใชโปรแกรม ANSYS Workbench 14.0 53

บทท 5 สรปผลการออกแบบเตาอบชบมดพราดวยไฟฟาและขอเสนอแนะ 63

5.1 สรปผลการออกแบบเตาอบชบมดพราดวยไฟฟา 63

5.2 ปญหาและอปสรรคทเกดขน 67

5.3 แนวทางการแกไข 67

5.4 ขอเสนอแนะ 68

เอกสารอางอง 69

ภาคผนวก 70

ฉ

สารบญรป

หนา

รปท 2.1 โครงสรางของเทอรโมคปเปล 11

รปท 2.2 ชวงอณหภมทเหมาะสมส าหรบการชบแขงของเหลกกลาคารบอน 18

รปท 2.3 บทบาทของธาตผสมทมตอปรมาณคารบอนทจดยเตกตอยด 19

รปท 2.4 บทบาทของธาตผสมทมตออณหภมยเตกตอยด 20

รปท 2.5 แผนภม TTT 22

รปท 2.6 การชบแขงมดพราดวยแกส 2 หวเปา 23

รปท 2.7 เตาอบชบแบบเปดโดยใชถานไมเนอแขง (ไมพนชาด) เปนตวใหความรอน 26

รปท 2.8 เตาอบชบแบบปดโดยใชถานหงตมเปนตวใหความรอน 27

รปท 2.9 กลองเครองมอบนโปรแกรม ANSYS Workbench 14.0 29

รปท 2.10 ระบบหนวยบนโปรแกรม ANSYS Workbench 14.0 29

รปท 2.11 สวนประกอบเสรมของระบบการวเคราะหและสวนปรบแตง 30

รปท 2.12 สวนประกอบยอยของระบบการวเคราะห (Transient Thermal) 30

รปท 2.13 ลกษณะการแบงอลเมนต 31

รปท 3.1 แผนผงแสดงขนตอนการทดลอง 34

รปท 3.2 แสดงตารางการวดระยะบนมดพราเพอน ามาวดความหนาของมด 35

รปท 3.3 มดพรา 3 มต ในโปรแกรม Solid Works 37

รปท 3.4 แผนผงแสดงการเปลยนพลงงานการเปลยนพลงงานไฟฟาเปนพลงงานความรอน 38

รปท 3.5 ล าดบรายการหนาทยอยในกระบวนการอบชบมดพราดวยเตาไฟฟา 38

รปท 3.6 ลวดความรอนฝงในเตา 40

รปท 3.7 อฐมวลเบา 40

รปท 3.8 แผนผงแสดงความรอนทแผออกมาจากเตาอบชบ 42

รปท 3.9 แสดงความสญเสยความรอนของพนทเตา 44

รปท 3.10 ขนาดของรองและชองเปดของอฐมวลเบา 47

ช

สารบญรป(ตอ)

หนา

รปท 3.11 แสดงสวนประกอบของเตาอบชบมดพราดวยไฟฟา 49

รปท 3.12 แสดงภาพตดของเตาอบชบมดพราดวยไฟฟา 50

รปท 3.13 แบบเตาอบชบมดพราดวยไฟฟา 50

รปท 4.1 ขนาดของขดลวดในสวนตางๆ 52

รปท 4.2 แสดงการตงคาหนวย ในโปรแกรม ANSYS Workbench 14.0 53

รปท 4.3 แสดงวธการเลอกระบบ Transient Thermal ทน ามาจ าลองสถานการณมดพรา 54

รปท 4.4 การเลอกปอนขอมลใน Engineering Data 54

รปท 4.5 การน าเขารปรางของมดพรา 55

รปท 4.6 รปรางมดพราหลงจากน าเขามาในโปรแกรม ANSYS Workbench 55

รปท 4.7 การเลอกการปรบขนาด Mesh ของมดพรา 56

รปท 4.8 การเลอกการปรบMesh ใหมการเรยงตวอยางเปนระเบยบของมดพรา 56

รปท 4.9 การแบงขนาดของมดพราเปนชนสวนยอยๆ 57

รปท 4.10 การ Insert คา Heat Flux ใน Transient Thermal 57

รปท 4.11 การเลอกขอบเขตของการปอนคา Heat Flux 58

รปท 4.12 พนผวทท าการปอนคา Heat Flux 59

รปท 4.13 พนผวทท าการปอนคา Convection 60

รปท 4.14 การปอนคา Initial Temperature 60

รปท 4.15 การปอนคา Analysis Setting 61

รปท 4.16 การปอนคา Heat Flux 61

รปท 4.17 การปอนคา Convection 62

รปท 4.18 ผลลพธของการจ าลองสถานการณในโปรแกรม ANSYS Transient Thermal 62

รปท 5.1 แสดงวสดทนไฟทใชในเตาอบชบมดพราดวยไฟฟา 66

ซ

สารบญตาราง

หนา

ตารางท 1.1 แผนการด าเนนงาน 2

ตารางท 2.1 อณหภมสงสดของขดลวดแตละชนดทขนาดตางๆ 6

ตารางท 2.2 แสดงอฐทนไฟขนาดตางๆ และมตขงอฐทนไฟ 7

ตารางท 2.3 ขนาดของอฐมวลเบา 8

ตารางท 2.4 คณสมบตของอฐมวลเบา 8

ตารางท 2.5 ความไว(S)ของเทอรโมคปเปล 6 ชนดในชวงอณหภมตางๆ (ไมโคร/โวลท) °C 10

ตารางท 2.6 เปรยบเทยบเทอรโมคปเปลแบบมาตรฐานตางๆ กบชวงอณหภมใชงานและ 11

แรงเคลอนไฟฟาทได

ตารางท 2.7 เปรยบเทยบเงอนไขบรรยากาศใชงานของเทอรโมคปเปลมาตรฐานตาง ๆ 12

ตามความ เหมาะสมในการใชงาน

ตารางท 2.8 คาการน าความรอน คา K ของสารบางชนด 14

ตารางท 2.9 แสดงอตราการเผาโดยแบงเปน 3 อตราขนอยกบอณหภมของเตา 21

ตารางท 2.10 แสดงสวนประกอบทางเคมของเหลกแหนบมาตรฐานตางๆ 24

ตารางท 3.1 ตารางแสดงการวดความหนาของมดทจดใดๆ (ทคมของมด 35

ทกระยะ 5 มลลเมตร x 5 มลลเมตร)

ตารางท 3.2 ตารางแสดงการวดความหนาของมดทจดใดๆ (ทเนอมด 36

ทกระยะ 10 มลลเมตร x 10 มลลเมตร)

ตารางท 3.3 การเปรยบเทยบขอดขอเสยของเตาสเหลยมและเตาทรงกระบอก 39

ตารางท 3.4 เปรยบเทยบเงอนไขบรรยากาศใชงานของเทอรโมคปเปลมาตรฐานตางๆ 42

ตามความเหมาะสม

ตารางท 4.1 ขนาดของขดลวด 51

ตารางท 4.2 คาตางๆ ทท าการปอนในโปรแกรม ANSYS Transient Thermal 60

ตารางท 5.1 สวนผสมทางเคมของเหลกแหนบทจะน ามาอบชบ 63

ตารางท 5.2 ตารางสรปวสดและคาตางๆทใชในการสรางเตาอบชบมดพราดวยไฟฟา 65

บทท 1

บทน ำ

1.1 หลกกำรและเหตผล

ในการอบชบมดพราตามภมปญญาชาวบาน ผทท าการอบชบจ าเปนตองมความรและประสบการณใน

กระบวนการอบชบมดเปนอยางมาก เนองดวยในปจจบนผมความรและประสบการณมจ านวนนอย มหลกการ

ในการอบชบทไมแนนอน และชางตมดยงนยมใชเตาถานในการชบแขงมดพรา ซงเปนการใชเชอเพลงทมจาก

ตนไม เปนการท าลายทรพยากรปาไมและท าลายสมดลทางธรรมชาต ดงนนจงไดเกดแนวคดทจะออกแบบเตา

อบชบมดพราทมหลกการสามารถอบชบมดพราใหมประสทธภาพการใชงานเทยบเทาหรอดกวาวธการของ

ชาวบาน โดยผท าการอบชบไมจ า เปนตองมประสบการณหรอความช านาญ และยงเปนการอนรกษ

ทรพยากรธรรมชาตทมอยอยางจ ากดอกดวย

กระบวนการในการออกแบบเตาอบชบ จะตองมการศกษาคณสมบตของมดพรา คณสมบตของวสด

ทนไฟและอณหภมอบชบเพอน ามาใชในการออกแบบเบองตน โดยจะตองท าการจ าลองสถานการณเพอพสจน

วาการออกแบบนนสามารถสรางไดจรงหรอไม

1.2 วตถประสงค

1.2.1 เพอออกแบบเตาอบชบมดพราดวยไฟฟา

1.2.2 เพอศกษาการจ าลองสถานการณโดยใชโปรแกรม ANSYS Workbench 14.0

1.2.3 เพอน าผลการออกแบบเบองตนมาพสจนดวยการจ าลองสถานการณวาคาทออกแบบได ม

ความเหมาะสมส าหรบการสรางเตาอบชบมดพราดวยไฟฟาหรอไม

1.3 ขอบขำยกำรท ำงำน

ออกแบบเตาอบชบมดพราดวยไฟฟาโดยมขดลวดเปนตวใหความรอน และท าการจ าลองสถานการณ

โดยใชโปรแกรม ANSYS Workbench 14.0 เพอวเคราะหผลการออกแบบเตาอบชบทไดออกแบบไวเบองตน

2

1.4 แนวทำงกำรด ำเนนกำร

1.4.1 ศกษาทฤษฏทเกยวของ

1.4.2 สรางรปแบบมดพรา 3 มต

1.4.3 ออกแบบเตาอบชบมดพราดวยไฟฟาเบองตน

1.4.4 จ าลองสถานการณเพอศกษาความเปนไปไดของการสรางเตาอบชบมดพราดวยไฟฟาใน

โปรแกรม ANSYS Workbench 14.0

1.4.5 วเคราะหเปรยบเทยบขอมลระหวางการออกแบบเบองตนและการจ าลองสถานการณ

1.4.6 สรปผลและท ารายงาน

1.5 แผนกำรด ำเนนงำน

ตารางท 1.1 แผนการด าเนนงาน

ล าดบ

ท กจกรรม

ระยะเวลาด าเนนงาน(เดอน) ม.ย. ก.ค. ส.ค. ก.ย. ต.ค. พ.ย. ธ.ค. ม.ค. ก.พ.

1 ศกษาทฤษฎทเกยวของ 2 สรางรปแบบมดพรา 3 มต

3 ออกแบบเตาอบชบมดพราดวยไฟฟา

เบองตน

4

จ าลองสถานการณเพอศกษาความเปนไป

ไดของการสรางเตาอบชบมดพราดวย

ไฟฟาในโปรแกรม ANSYS Workbench

14.0

5

วเคราะหเปรยบเทยบขอมลระหวางการ

ออกแบบเบองตนและการจ าลอง

สถานการณ 6 สรปผลและท ารายงาน

3

1.6 ผลทคำดวำจะไดรบ

1.6.1 มความรความสามารถในการใชโปรแกรม ANSYS Workbench 14.0 ในการจ าลอง

สถานการณ

1.6.2 มความรความเขาใจและทกษะในการออกแบบเตาอบชบมดพราดวยไฟฟา

1.6.3 สามารถวเคราะหเปรยบเทยบขอมลระหวางการออกแบบเบองตนและการจ าลองสถานการณ

1.6.4 สามารถทจะเรยนรและท างานรวมกบผอนไดอยางมประสทธภาพ

บทท 2

ทฤษฎทเกยวของ

2.1 หลกการออกแบบเตาอบชบ

2.1.1 เตาอบชบโลหะ

เตาอบชบโลหะเปนสงทจ าเปนอยางหนงในงานอบชบโลหะ เตาส าหรบชบเหลกทวไปจะม

อณหภมใชงานตงแต 600-1200C ผนงเตาดานนอกสดท าดวยเหลก สวนภายในเตาจะเรยงดวยอฐทนไฟและ

แผนฉนวนกนความรอน เพอใหเตาสามารถใชงานไดอยางทนทานและเกดการสญเสยความรอนนอยทสด ในป

ค.ศ. 1884 สตแฟนและโบลซแมน ไดเสนอสมการในการค านวณอตราการเคลอนทของความรอน, ความรอน

สงสดโดยการแผรงสจากวตถทมพนท (A) และอณหภม (T), การถายเทความรอนโดยการพาความรอนและ

การแผรงสความรอน

2.1.2 การออกแบบเตาอบชบ

หลกเกณฑทวไปทใชในการปรบปรงคณสมบตทางโลหะวทยาของชนงานมกจะนยมใชวธการ

ทางความรอนและการควบคมการเยนตวของช นงานเครองมอทใชในการใหความรอนและสามารถควบคม

อณหภมไดกคอ เตาอบชบ เมอท าการออกแบบเตาจะตองค านงถงอณหภมสงสดทตองการจะใหความรอน แลว

ท าการเลอกวสดทท าใหไดความรอนตามทตองการ ในการออกแบบขดลวดความรอน จะตองมขอมลเกยวกบ

สภาพการใชงาน เชน อณหภมทตองการ, ก าลงไฟฟาทใช และ แรงเคลอนไฟฟาทจายเขาไป

1.) อณหภมของเตาอบชบ ขนอยกบอณหภมทตองการใชของวสด, เวลาทจะอบและ

อณหภมแตกตางระหวางตวก าเนดความรอนและวสด โดยทวไปในการสรางเตา อณหภมของเตาจะสงกวาท

ตองการอบชบประมาณ 2-10%

2.) ปรมาตรภายในเตาอบชบ ปรมาณภายในของเตาจะตองมความสมพนธกนระหวาง

อณหภมและก าลงไฟฟา จะตองออกแบบใหถกหลกการค านวณ เพราะจะมผลตออายการใชงานของขด

ลวดความรอน

3.) ก าลงไฟฟา ค านวณไดจากความรอนทตองการใช ตอหนวยเวลา รวมทงความรอนท

สญเสย การค านวณคาความรอนทตองการจะหาจากความตองการความรอนของวสดทงหมดในเตา พจารณา

รวมกบประสทธภาพของเตา จะตองเผอการสญเสยความรอนเพอใหไดความรอนตามทตองการ

5

4.) คาความรอนทผนงเตา เมอเลอกขดลวดความรอนแลว ปจจยส าคญทควรค านงถงคอ

อณหภมสงสดของขดลวดความรอนและขนาดพนทหนาตด ซงสงผลโดยตรงตออายการใชงานเตา

5.) คาความรอนทผวของตวตานทาน (Element Surface load) การเพมอณหภมของขด

ลวดความรอนจะท าใหคาความรอนทผวเพมมากขน แตถาเพมอณหภมของขดลวดความรอนสงเกนไปกจะท า

ใหขดลวดความรอนเกดการหลอมเหลวข นได ดงนนคาความรอนทผวของตวตานทานควรจะสมพนธกบ

อณหภมสงสดของขดลวดความรอนและขนาดของกระแส ปรมาณของกระแสเปนสงทส าคญคอ ควรเลอกคา

ความรอนทผวของตวตานทานใหมคาทสมดลทสดระหวางอายการใชงานและคาใชจาย [1]

(2.1)

ρ คอ คาความรอนทผวของตวตานทาน (W/m2)

P คอ ก าลงไฟฟาทใช (W)

คอ พนทผวของชดลวดความรอน (cm2)

ในหนวยเมตรกซ คาความรอนทผวของตวตานทาน มหนวยเปน W/cm2 อณหภมของขด

ลวดความรอนเปนปจจยทส าคญทมผลตออายการใชงานของขดลวดและสามารถรองรบคาความรอนทผวของ

โลหะตานทานไดสงขนและเปนตวก าหนดอณหภมทแผออกมา

การก าหนดคาความรอนทผวตวตานทานสงสด

1) อณหภมของขดลวดความรอน

2) รปแบบทเสถยร

3) ขนาดของกระแส

รปรางของตวตานทานโดยทวๆ ไป จะม 2 ชนดใหญ ๆ คอ ชนดเสนลวดและชนดแผน เมอ

อณหภมสงข นคาความแขงแรงของตวตานทานจะลดลง การออกแบบความหนาของแผนตานทานและ

เสนผาศนยกลางของขดลวดความรอนจะตองมความแขงแรงใหเหมาะสมกบอณหภมทตองการ

การเปลยนแปลงความตานทานกบอณหภม การเปลยนแปลงความตานทานของตวตานทาน

ขนอยกบอณหภมและอตราการเยนตวของตวก าเนดความรอนหลงจากการใหความรอน

การตอระบบไฟฟา ระบบไฟฟาทใชกบเตาอบชบโลหะ จะใชไฟฟาทมแรงเคลอน 220 V

การออกแบบขดลวดความรอน หลกการในการออกแบบและเลอกขดลวดตองพจารณา

องคประกอบดงตอไปน

ก) คณสมบตการใชงานของขดลวดความรอน

ข) อณหภมสงสดทขดลวดท างานได ซงอณหภมสงสดทขดลวดท างานไดขนอย

กบองคประกอบ 2 ประการ คอ ขนาดขดลวดและบรรยากาศภายในเตาโดยการหาขนาดเสนผานศนยกลางของ

ลวดทเหมาะสมสามารถหาไดจากสมการ 2.2 [1]

6

mm (2.2)

เมอ P = ก าลงไฟฟา (W)

= คาสภาพตานทาน (Ωm )

= คาความตานทานทอณหภมหอง (Ω)

p = คาความรอนทผว (W/ )

เมอไดคาขนาดของขดลวดความรอน (d) ซงเมอใชกบก าลงไฟฟาทก าหนดจะสามารถหากระแสท

ไหลจรงในขดลวดความรอนได จากสมการ [1]

A (2.3)

เมอ I = กระแสไฟฟา (A)

P = ก าลงไฟฟา (W)

R = คาความตานทาน ()

หากขดลวดความรอนทออกแบบสามารถทนกระแสทไหลจรงไดกสามารถเลอกน ามาใชงานได

ตารางท 2.1 อณหภมสงสดของขดลวดแตละชนดทขนาดตางๆ [2]

ชนดลวด

Diameter, mm in:

1.0 - 3.0 0.039 – 0.118 > 3.0 > 0.118

C F C F

KANTHAL A-1 1225-1350 2240-2460 1400 2250

KANTHAL AF 1225-1350 2240-2460 1400 2550

KANTHAL D 1100-1200 2010-2190 1300 2370

ALKROTHAL 1000-1050 1830-1920 1100 2010

NIKROTHAL 80 Plus 1075-1150 1970-2100 1200 2190

NIKROTHAL 60 Plus 1000-1075 1830-1970 1150 2100

NIKROTHAL 40 Plus 1000-1050 1830-1920 1100 2010

NIKROTHAL 20 Plus 975-1025 1790-1880 1050 1920

7

2.1.3 ทฤษฎเกยวกบวสดทนไฟ

วสดทนไฟ หมายถง วสดพวกอโลหะทสามารถน ามาใชกอสรางโครงสรางหรอเตาตางๆ ทใช

งานทอณหภมสงได โดยไมเกดการหลอมเหลวหรอเสยรปรางไปขณะใชงาน คณสมบตแรกของวสดทนไฟท

จะตองมกคอ ความทนไฟ และลกษณะของการใชงานคณสมบตอนๆของวสดทนไฟยงประกอบดวย

1.) สามารถรบน าหนกขณะใชงานทอณหภมสงไดโดยไมเกดการยบตว

2.) ทนตอการขดสจากลม ฝ น หรอ วสดตางๆ ทอณหภมสง

3.) ทนตอการกดกรอนจากสารเคม หรอสารประกอบหลอมเหลวตางๆ ไดเมอใชงาน

วสดทนไฟทมคณสมบตดงกลาว ถกผลตออกมาเปนผลตภณฑประเภทตาง ๆ เพอความรวดเรวและสะดวกใน

การน าไปใชงาน ประเภทของวสดทนไฟแบงเปนประเภทใหญๆ ได ดงน

1. อฐทนไฟ (Refractory Brick) มลกษณะเปนกอน การใชงานสวนมากจะน าไปใช

ในงานกอ เชน ในการกอสรางเตาเผา เปนตน อฐทนไฟเปนวสดทนไฟประเภททสามารถรกษาขนาดสณฐานเดม

เมอผานการใชงาน มคณสมบต ดงน

1.1 จดหลอมตว (Fusion Point)

1.2 การยดตวภายใตแรงอด (Creep Under Compression)

1.3 ความทนทานตอผลทเกดขน เนองจากความแตกตางของอณหภม แรงกด

และความแตกตางของสมประสทธการขยายตว (Spelling Resistance)

1.4 ความทนทานตอปฏกรยาของขถลง (Slag Resistance)

ตารางท 2.2 แสดงอฐทนไฟขนาดตางๆ และมตของอฐทนไฟ [8]

8

2. อฐมวลเบา เปนวสดทผลตมาจากการน าทราย ซเมนต ปนขาว ยปซม และผง

อลมเนยม ตววสดมน าหนกเบา ขนาดกอนไดมาตรฐานเทากนทกกอน ตดแตงเขารปงาย มฟองอากาศมาก

ประมาณ 75% ท าใหเบา (ลอยน าได) ฟองอากาศเปน closed cell ไมดดซมน า เปนฉนวนความรอน ไมสะสม

ความรอน ไมตดไฟ ทนไฟ 1,300 องศาเซลเซยสไดนานมากกวา 4 ชวโมง

ตารางท 2.3 ขนาดของอฐมวลเบา [5]

ขนาด (ซ.ม.) จ านวน กอน/ตาราง

เมตร

น าหนก

หนา กวาง ยาว ตอกอน ตอตารางเมตร

7.5 20.0 60.0 8.33 5.4 45.0

10.0 20.0 60.0 8.33 7.2 60.0

12.5 20.0 60.0 8.33 9.0 75.0

15.0 20.0 60.0 8.33 10.8 90.0

17.5 20.0 60.0 8.33 13.0 108.5

20.0 20.0 60.0 8.33 14.4 120.0

ตารางท 2.4 คณสมบตของอฐมวลเบา [5]

คณสมบต อฐเยนสมารท

บลอค

สมารทจมโบ

บลอค

สมารทเอนด

บลอค อฐมอญ หนวย

ขนาด (หนา×

กวาง× ยาว) 7.5× 20.0× 60.0 7.5× 40.0× 60.0 7.5× 20.0× 30.0 7.0× 3.0× 15.0 ซ.ม.

ความหนาแนน 500-600 500-600 500-600 1,350-1,500 กก./ม.

เคลวน

การน าความรอน 0.09-0.13 0.09-0.13 0.09-0.13 1.15 วตต/ม.

เคลวน

อตราการถายเท

ความรอนรวม 32-42 32-42 32-42 58-70

วตต/

ตร.ม.

การทนไฟ 4 4 4 1-2 ชวโมง

ก าลงรบแรงอด 50-60 50-60 50-60 20-40 กก./ตร.

ซม.

ความหนาปนกอ 0.3 0.3 0.3 1.5-2.0 ซ.ม.

ความหนาปน

ฉาบ 1.0 1.0 1.0 1.5-3.0 ซ.ม.

ความสามารถใน

การกอ 20-25 40 20-25 8-ธ.ค.

ตร.ม./

คน/วน

9

3. ปนทนไฟ (Mortar) เปนวสดทนไฟชนดพเศษเนอละเอยดใชในการกออฐทนไฟท า

หนาทเปนตวเชอมระหวางอฐ และปองกนการแทรกซมของกาซหรอของเหลวซมออกจากรอยตอระหวางอฐ

โดยจะใชกอหนาเพยง 1-2 mm เทานน ปนทนไฟโดยทวไปแบงตามลกษณะผลตภณฑเปน 2 ประเภท คอ

3.1 ปนทนไฟทตองใชความรอนจะแขงตว (ปกตประมาณ 1,000 C ขนไป)

เรยกวา Heatsetting Mortar (HM)

3.2 ปนทนไฟทเมอท งไวจะแขงตวเองทอณหภมหอง เรยกวา Airsetting Mortar

(AM)

4. คอนกรตทนไฟ (Castable) เปนสวนผสมของเมดวสดทนไฟชนดตางๆ กบ

ซเมนตทนไฟซงมอะลมนาสง เมอผสมกบน าในปรมาณทพอเหมาะแลวจะสามารถเทลงแบบในรปตางๆ ได

คลายกบคอนกรตปกต ชวยลดปญหาในบรเวณทกออฐไดยากและลดความยงยากในการตดอฐ

5. เซรามคไฟเบอร (Ceramic Fiber) เซรามคไฟเบอรเกดจากการน าเอาสวนผสม

ของอะลมนา (Alumina) และซลกา (Silica) ทมความบรสทธสงมาหลอมเหลวทอณหภมสงมาก สามารถผลต

เสนใยททนความรอนไดสงถง 2,000C ชนดของเซรามคไฟเบอร แบบตาง ๆ มดงน

5.1 เซรามคไฟเบอรแบบกระดานแขง (Board)

1.) คณลกษณะ ขนาด 900 mm × 600 mm (กวาง × ยาว)

2.) อณหภมใชงาน 1,260 C และ 1,400 C

3.) ความหนา 25 mm และ 50 mm

4.) เหมาะจะใชกบการบผนงเรยบ เชน หองอบความรอน, เตาเผา ฯลฯ

5.2 เซรามคไฟเบอรแบบผน (Blanket)

1.) คณลกษณะ เปนมวนหนากวาง 600 mm ยาว 7,200 mm หนา 25 mm

2.) ความหนาแนน 128 kg/mm3 และ 160 kg / mm

3

3.) ความหนาแนนสงจะมความเปนฉนวนดเหมาะจะใชกบบผนงทมความโคง

การประยกตการใชงาน

1.) ใชบผนงตเพอเปนฉนวนกนความรอน

2.) ใชรองงานเชอม

3.) ใชเปนภาชนะส าหรบรองรบวตถทมอณหภมสง

คณลกษณะเดน

1.) ทนอณหภมได 1,260C ถง 1,400C

2.) มทงแบบผน, แบบแผนแขง, แบบกอนฝอยใหเลอกใชตามความเหมาะสม

3.) มคณสมบตไมตดไฟ

4.) อายการใชงานยาวนาน

10

2.1.4 ทฤษฎเกยวกบการวดอณหภม

เครองมอวดอณหภมมใหเลอกหลากหลายชนด เพราะมความจ าเปนทตองวดและควบคม

อณหภมในอตสาหกรรมแทบทกแหง การวดอณหภมโดยอาศยหลกการไฟฟาไดแก เครองมอวดอณหภมทตอง

อาศยการเปลยนแปลงคาความรอนทางไฟฟา ซงแบงประเภทไดดงน

1.) แปลงจากความรอนเปนการเปลยนแปลงแรงเคลอนไฟฟา คอ เทอรโมคปเปล

2.) แปลงจากความรอนเปนการเปลยนแปลงความตานทาน คอ RTD1 เทอรโมมเตอร

เนองจากสญญาณทไดจากเครองวดเหลาน เปนสญญาณทางไฟฟา ซงสะดวกในการน าไปแสดงคา

ประมวลผลตลอดจนถงใชในการควบคม ดงนนเครองวดเหลานจงมใชกนอยางกวางขวาง

1. เทอรโมคปเปล ชนดของเทอรโมคปเปลทใชในปจจบนมหลายชนด ไดแก แบบ

B,R,S,J,K,T,E แตละชนดจะมขอแตกตางทงในดานคณสมบตและการใชงานทส าคญ ไดแก

1.) ชนดของขดลวดความรอนทใช

2.) ชวงอณหภมใชงาน

3.) แรงเคลอนไฟฟาทได

4.) เงอนไขบรรยากาศทเหมาะแกการใชงาน

ตารางท 2.5 ความไว (S) ของเทอรโมคปเปล 6 ชนดในชวงอณหภมตาง ๆ (ไมโคร/โวลท) C [6]

อณหภม °C

ชนดของเทอรโมคปเปล

J K R S T E

-200 25.1 21.9 15.3 - - 15.7

-100 45.2 41.1 30.5 - - 28.4

0 58.7 50.4 39.5 5.3 5.4 38.7

100 67.5 54.3 41.4 7.5 7.3 46.8

200 74 55.5 40 8.8 8.5 53.1

300 77.9 55.4 41.4 9.7 9.1 58.1

400 80 55.1 42.2 10.4 9.6 61.8

500 80.9 56 42.6 10.9 9.9 -

600 80.7 58.5 42.85 11.3 10.2 -

700 79.8 62.2 41.9 11.8 10.5 -

800 78.4 - 41 12.3 10.9 -

900 76.7 - 40 12.8 11.2 -

1000 74.9 - 38.9 13.2 11.5 -

11

ตารางท 2.6 เปรยบเทยบเทอรโมคปเปลแบบมาตรฐานตางๆ กบชวงอณหภมใชงานและแรงเคลอนไฟฟาทได [6]

แบบ สวนผสม ยานอณหภมใชงาน แรงเคลอนไฟฟาทได

MV °C °F

B แพลทนม -30% โรเดยม

0 – 1,820 32 – 3,310 0 – 13.184 แพลทนม -6% โรเดยม

R แพลทนม -13% โรเดยม

-50- 1,768 -60 – 3,210 -0.226 – 21.108 แพลทนม

S แพลทนม -10% โรเดยม

-50 – 1,768 -60 – 3,210 -0.236 – 18.698 แพลทนม

J เหลก/คอนสแตนแตน -210 – 760 -350 – 1,400 -8.096 – 42.922

K โครเมล/อลเมล -270 – 1,372 -45 – 2,500 -6.458 – 54.875

T ทองแดง/คอนสแตนแตน -270 – 400 -450 – 750 -6.258 - 20.869

E โครเมล /คอนสแตนแตน -270 -1,000 -450 – 1,830 -9.835 – 76.358

รปท 2.1 โครงสรางของเทอรโมคปเปล [6]

ส าหรบ “ชวงอณหภมใชงาน” ทระบไวในตารางนหมายถง ชวงอณหภมทสามารถใชเทอรโมคปเปลได

โดยทลวดโลหะทประกอบข นเปนเทอรโมคปเปลยงไมเปลยนสภาพ และการใชงานเทอรโมคปเปลยงตอง

12

พจารณาเงอนไขบรรยากาศการใชงาน เพราะลวดโลหะของเทอรโมคปเปลแตละชนดจะมความเหมาะสมในการ

ใชงานในบรรยากาศตางๆ ไมเหมอนกน

ตารางท 2.7 เปรยบเทยบเงอนไขบรรยากาศใชงานของเทอรโมคปเปลมาตรฐานตาง ๆ ตามความ เหมาะสมใน

การใชงาน [6]

แบบ บรรยากาศ

Oxidizing

บรรยากาศ

Reducing

บรรยากาศ

Inert Vacuum

บรรยากาศ

Sulfurous

อณหภม

< 0 °C

มไอของ

โลหะ

B ได ไมได ได ไดชวงสนๆ ไมได ไมได ไมได

R ได ไมได ได ไมได ไมได ไมได ไมได

S ได ไมได ได ไมได ไมได ไมได ไมได

J ได ได ได ได ไมไดถา

ไมได ได > 500 C

K ได ไมได ได ไมได ไมได ได ได

T ได ได ได ได ไมได ได ได

E ได ไมได ได ไมได ไมได ได ได

เทอรโมคปเปลแบบมาตรฐานเหลานจะมตารางแรงเคลอนไฟฟาทคาอณหภมตาง ๆ กน ดงนนในการ

ใชเทอรโมคปเปลจงตองเลอกหาแบบทเหมาะสมกบเงอนไขทเราตองการใชวดซงไดแกชวงของอณหภมทวดได,

บรรยากาศทจะท าการวดและขนาดแรงเคลอนไฟฟาทจะไดออกมา เปนตน

2. อปกรณควบคมอณหภม

ตวควบคมอณหภม (Thermostat) เปนเครองมอส าหรบควบคมอณหภมภายในบรเวณ

ใดบรเวณหนงใหมระดบอณหภมตามทตองการ ตวควบคมอณหภมประกอบดวยสวนใหญๆ 2 สวน คอ หนวย

สมผสอณหภมกบหนวยทใชบงคบหรอควบคมอณหภมหนวยสมผสอณหภม มหนาทตรวจวดอณหภมท

เปลยนแปลงไปจากระดบอณหภมทตองการ เมอตรวจวดไดกรายงานไปยงสวนทใชบงคบใหควบคมอณหภมไว

อกตอหนง ส าหรบอปกรณควบคมอณหภม มหลายชนดใหเลอกตามความเหมาะสม เชน LT900 มคณสมบต

การใชงาน ดงน

1.) เปนโหมด การควบคมแบบ ON-OFF, PID+FUZZY

2.) สามารถควบคมและตงคาอณหภมไดตามชวงเวลาทตองการ

3.) สามารถตงหนวงเวลาการเตอน (on-delay) ไดตงแต 00.00-99.59 ชวโมง

4.) สามารถบนทกอณหภมและอนๆไดโดยตอเขากบคอมพวเตอร

5.) แสดงตวเลขแบบ 2 แถวประกอบดวยตวเลขแบบ 4 หลก ซงแตละแถวจะแสดงคา

ของ PV และ SV งายส าหรบการเขาถงพารามเตอรส าหรบการก าหนดคาตางๆ

13

6.) รบอนพท เทอรโมคพเปล ชนด J,K,R,S,B,E,T,W,PLII,U,L

7.) เลอกการแสดงผลหนาจอ LEDไดทง C,F,A (analog)

2.2 การถายเทความรอน

2.2.1 ทฤษฎการถายเทความรอน

เมอมความแตกตางของอณหภมเกดขนระหวางจด 2 จด กจะมพลงงานถายเทจากจดทม

อณหภมสงไปยงทมอณหภมต า พลงงานทก าลงเคลอนทจากความแตกตางระหวางอณหภมน มชอเรยกวา

“ความรอน” ซงกลไกการถายเทความรอนแบบตาง ๆ ซงมอยดวยกน 3 แบบคอ

1. การถายเทความรอนโดยการน าความรอน (Conduction hear Transfer) เปนการถายเท

ความรอนทเกดขนในวตถทเปนตวกลางทบ มการถายเทความรอนจากบรเวณทมอณหภมสงไปยงบรเวณทม

อณหภมต าภายในตวกลางเดยวกน หรอเปนการเคลอนทของความรอนระหวางตวกลางทตดกนแตมอณหภม

แตกตางกน ในการน าความรอน โดยความรอนจะเคลอนทผานโมเลกลของสารโดยทโมเลกลไมเคลอนท การ

น าความรอนจะเกดขนไดดมากทตวกลางเปนของแขง

การค านวณอตราการน าความรอนถกตงขน โดย โจเซฟ ฟเรยร (Joseph Fourier)

นกวทยาศาสตรชาวฝรงเศส ฟเรยร ไดเสนอสมการทใชสาหรบอตราการเคลอนทของความรอนโดยการน า ในป

ค.ศ.1822 โดยค านวณอตราการน าความรอนไวดงน คอ ค านวณไดจากสมการ [12]

(2.4)

เมอ

Q = อตราการถายเทความรอนโดยการน าความรอน (W)

A = พนทความรอนไหลผาน (m2)

k = คาการน าความรอน (W/mK)

T = ความแตกตางของอณหภม (K)

L = ระยะทางการเคลอนทของความรอน (m)

โดยท k คอคาการน าความรอน (Thermal Conductivity) ของสารทความรอนเคลอนทผาน มหนวย

เปน W/mK และ A เปนพนททตงฉากกบการเคลอนทของความรอน

14

ตารางท 2.8 คาการน าความรอนของสารบางชนด [3]

ชนดของวสด คาการน าความรอนท 300K (W/mK)

ทองแดง 386

อลมเนยม 204

เหลกคารบอน 54

แกว 0.75

พลาสตก 0.2-0.3

น า 0.6

เอทธลไกลคอล 0.2

น ามนเครอง 0.15

ไฮโดรเจน 0.18

อากาศ 0.026

2. การถายเทความรอนโดยการพาความรอน (Convection heat Transfer) เปนการทความ

รอนเคลอนทระหวางผวของของแขงและของไหล ของไหลจะเปนตวพาความรอนมาใหหรอพาความรอนจากผว

ของของแขง กลไกทท าใหเกดการเคลอนทของความรอนโดยการพาไดนน เกดจากผลรวมของการน ารอนการ

สะสมพลงงานและการเคลอนทของของไหล การพาความรอนยงแบงออกไดเปน 2 ชนด คอ การพาความรอน

โดยการบงคบ (Forced Convection) และการพาความรอนตามธรรมชาต (Natural หรอ Free Convection)

1.) การพาความรอนโดยการบงคบ (Forced Convection) คอการเคลอนทของความ

รอนระหวางผวของความรอนของของแขงและของไหล โดยทของไหลถกบงคบใหเคลอนทไปสมผสกบผวของ

ของแขงโดยกลไกภายนอก เชน พดลม หรอ เครองสบน า

2.) การพาความรอนตามธรรมชาต (Natural หรอ Free Convection) คอ การเคลอนท

ของความรอนระหวางผวของของแขงและของไหลโดยทไมมกลไกใดๆ ทท าใหของไหลเคลอนท แตของไหลก

อาจเคลอนทไดดวยแรงลอยตวของของไหลเอง แรงลอยตวน เกดจากความแตกตางของความหนาแนนของของ

ไหลเมอเกดความแตกตางของอณหภมในชนของของไหลขน

15

การค านวณการเคลอนทของความรอนโดย การพาความรอน ดงสมการ [12]

(2.5)

เมอ

Q = อตราการถายเทความรอนโดยการพาความรอน (W)

h = สมประสทธการถายเทความรอนดวยการพาความรอน (W/m2K)

A = พนท (m2)

= อณหภมทผนงดานทรอนหรอผนงภายใน (K)

= อณหภมทผนงดานทเยนหรอผนงดานนอกสด (K)

3. การถายเทความรอนโดยการถายเทรงสหรอการแผรงสความรอน (Radiation Heat

Transfer) ในการแผรงสความรอนเคลอนทไดโดยไมตองอาศยตวกลาง เปนการเคลอนทของความรอนแบบท

วตถทมความรอนจะแผรงสความรอนออกรอบๆตว เมอรงสน ไปกระทบวตถอน บางสวนของความรอนกจะ

สะทอนออกมาและบางสวนกจะถกวตถนนดดเอาไว และถามวตถ 2 ชนทมอณหภมตางกนวางไวใกลกน วตถท

มอณหภมสงกวาจะแผรงสความรอนออกมากกวาดดเขา และวตถทมอณหภมต ากวาจะดดความรอนมากกวาแผ

รงสความรอนออกมา ในการแผรงสความรอนจะเคลอนทไดดทสดในสญญากาศ ความรอนเคลอนทโดยอาศย

กลไกของคลนแมเหลกไฟฟา

ค านวณอตราการถายเทความรอนไดจากสมการ [12]

(2.6)

เมอ

Q = อตราการถายเทความรอนโดยการแผรงส (W)

= คาคงทในการแผรงส

T = อณหภมสมบรณ (K)

A = พนทผวของวสดทใหความรอน (m2)

2.2.2 ความรอนจ าเพาะ (Specific Heat)

ความรอนเปนพลงงานรปหนง ซ งจะมการถายเทความรอนเมออณหภมของระบบกบ

สงแวดลอมตางกน ความรอนจะถายเทจากแหลงทมอณหภมสงกวาไปยงทมอณหภมต ากวา หนวยของความ

รอนในระบบเมตรก คอ กโลแคลอร (Kcal) ดงนนความรอน 1 Kcal คอ ปรมาณความรอนทท าใหน าจ านวน 1

kg ทอณหภมและความดนมาตรฐาน คอ 14.5C ความดนหนงบรรยากาศหรอเทากบ 1.013 บาร มอณหภม

เพมขนเปน 15.5C

16

ในการวเคราะหปญหาทางเทอรโมไดนามกสนน ทงงานและความรอนตาง ๆกเปนพลงงาน

ทก าลงเคลอนท ซงมกจะเกดขนดวยกน เพอความสะดวกในการวเคราะหปญหาจงใชหนวยชนดเดยวกน คอ จล

(J) หรอ กโลจล (kJ) ส าหรบหนวยงานและความรอนในระบบเอสไอ (SI) การเปลยนหนวยความรอน (Kcal)

เปนหนวยของงาน (kJ) ท าไดโดยใชคาคงททเรยกวา คาคงทของจล หรอ Mechanical Equivalent Of Heat : J

ความรอนจ าเพาะ (Specific Heat) สารตางชนดกนปรมาณความรอนทท าใหมวลจ านวนหนงมอณหภมเพมขน

ในระดบหนงจะมคาตางกน อตราระหวางความรอนทใหแกวตถกบอณหภมทเพมขนเรยกวา ความจความรอน

(Heat Capacity) ของวตถนน ๆ ถาให C เปนความจความรอน

ถาใหปรมาณความรอน ΔQ แกวตถ ท าใหอณหภมของวตถเปลยนไป ΔT ดงนนถา

อณหภมของวตถเปลยนไป 1 หนวย จะใชความรอน C มหนวยเปน จลตอเคลวน (J/K) คอ [12]

(2.7)

ความรอนทท าใหสาร(วตถ) มวลหนงหนวยมอณหภมเปลยนไป 1 องศาเคลวน คอ [12]

(2.8)

นนคอ ความรอนจ าเพาะของสารใด ๆ คอ ปรมารความรอนทท าใหสารหนงหนวยของมวลมอณหภม

เปลยนแปลง 1 องศา ความรอนจ าเพาะมหนวยเปนจลตอกโลกรม เคลวน (J/kg.k) เขยนไดเปน ความรอน

จ าเพาะของวตถใดมคาไมคงท ขนอยกบชวงอณหภมทใช เชนความรอนจ าเพาะของน าทความดนบรรยากาศจะ

คอย ๆ ลดลงในชวง 0 ถง 35C และมคาต าสด ประมาณ 35C แลวจะคอย ๆ สงขนอก

2.2.3 การสญเสยความรอนในเตาอบ (Heat Loss)

การสญเสยความรอนในเตาอบ (Heat Loss) คอ ปญหาส าคญของการท างานในเตา ดงนน

จงจ าเปนอยางยงทจะปองกนการสญเสยความรอนใหได การสญเสยความรอนจะเกดขนตามกรณตอไปน

1. การสญเสยความรอนใหกบสงแวดลอม การสญเสยความรอนจากพนทผวทไมมฉนวน

นน ท าใหคาความตานทานสง เชน ถาอากาศลอมรอบเตามอณหภม 70 C อตราการสญเสยความรอนทงหมด

กคอคาความตานทานทผว (Boundbary Conductance Valve)

2. การสญเสยความรอนไปกบผนงซงเปนฉนวนกนความรอน การสญเสยความรอนในกรณ

นจะพจารณาแยกออกเปน 2 ประเภท คอ

2.1 การสญเสยความรอนทสภาวะสมดล (Steady State) และขณะทอณหภมก าลง

เพมขนเรอย ๆ เมอพจารณาเตาทวางอยกจะเทากบอณหภมในหองทเปดสวตซใหเตาท างาน

2.2 การเกดการสญเสยไปกบบรรยากาศภายนอกและเมอเตาอบชบหยดท างาน

พลงงาน

17

ความรอนทถกเกบไวในแตละผนงเตากจะคอย ๆ ลดลงจนหมดไปตามทฤษฎการสญเสยความรอนไปกบผนง

เตา

3. ความรอนทสญเสยไปกบวสดทยนออกมานอกเตา วสดทยนออกมานอกเตาทเหนไดชด

คอ ตวน าไฟฟาเพอตอเขากบลวดความตานทาน ถาพจารณาอณหภมทเกดขนกบวสดดงกลาวและสมมตวาแต

ละหนาตดมอณหภมคงทแลว อณหภมของวสดดงกลาวกจะน าพาความรอนทสญเสยออกมา ในกรณนมคานอย

มากเมอเทยบกบความรอนทสญเสยไปกบผนงเตา

4. ความรอนทสญเสยไปทางชองเปดตาง ๆ ของเตา ชองเปดตาง ๆ ของเตาทเหนไดชดก

คอ ประตเตา เปนการแผรงสของความรอน สามารถผานประตได ดงนนการปฏบตควรมประตทปดมดชดเพอ

ปองกนการสญเสยความรอนทเกดขน

5. การสญเสยความรอนขณะท างานเปนชวง (Intermittent Operation Loss) หลงจากท

เปดเตาแลวความรอนทถกเกบอยในผนงเตาจะเรมกระจายผานออกไปทางผวดานนอก ซงในทางทฤษฎแลวจะ

ใชเวลานานกวาทอณหภมของเตาจะมคาเทากบอณหภมหองอกครง เมอปดเตาในขณะทความรอนยงคงอย

กระบวนการเพม ความรอน (Heating Up) จนถงสภาวะสมดล (steady State) ครงทสองจะใชเวลาและ

พลงงานนอยกวาการปดเตาขณะทกาลงเยนอย ลกษณะเชนน เรยกวาการท างานเปนชวง (Intermittent

Operation)

2.3 กระบวนการชบแขง (Hardening)

2.3.1 การชบแขง คอ การอบชบความรอนเพอใหหลงการชบเหลกมความแขงเพมขนโดย

โครงสรางสดทายของเหลกจะเปน มารเทนไซท หรอ เบนไนท การเปลยนแปลงโครงสรางนจะไดเหลกทมความ

แขงสง ซงจะตองมองคประกอบส าคญอยางนอย 3 ประการ คอ

1. ปรมาณคารบอน – ความแขงของมารเทนไซทจะขนอยกบปรมาณของคารบอน

ตวอยางเชน เหลกคารบอน 0.35% สามารถชบแขงไดความแขงประมาณ 50 HRC

เหลกคารบอน 0.02%, โครเมยม 10% สามารถชบแขงไดความแขงประมาณ 35 HRC

2. อณหภมกอนการอบชบ – อณหภมทเหลกตองเปลยนเปนออสเทนไนต แตกอนการชบ

ดวยน าหรอน ามน อณหภมของเหลกไมสงพอทจะเปลยนโครงสรางเปนออสเทนไนตทงหมด หลงจากนนน าไป

ชบดวยน าหรอน ามนจะท าใหความแขงไมสงพอทจะเปนมารเทนไซท เพราะมารเทนไซททไดจะตองมาจากออ

สเทนไนตเทานน

3. อตราการเยนตว – อตราการเยนตวจะตองสงพอทจะเปลยนจากออสเทนไนตไป

เปนมารเทนไซทหรอเบนไนท ซงอตราการเยนตวน เรยกวา อตราการเยนตววกฤต (Critical cooling rate) ถา

เกดการเยนตวทชากวานออสเทนไนตจะไมมโอกาสทจะเปลยนไปเปนมารเทนไซทหรอเบนไนท แตจะเปนเพรล

ไลทหรอ ซอรไบทแทน [9]

18

2.3.2 อณหภมส าหรบการชบแขง (Hardening Temperature)

อณหภมทใชในการชบแขงเหลกม 2 กรณ คอ

1. เหลกไฮโปยเตคตอยด จะใชอณหภมสงเหนอเสน AC3 30-50

๐C ซงอณหภมน

จะไดโครงสรางเปนออสเทนไนตทงหมด แตถาพจารณาในกรณทอณหภมต ากวานและอยในชวง AC1- AC

3 จะ

มเฟอรไรทเหลออยบางสวนถาท าการชบทอณหภมนออสเตนไนทจะเปลยนเปนมารเทนไซต แตเฟอรไรทจะไม

มการเปลยนแปลงยงมการคงสภาพอยอยางเดม เหลกภายหลงการชบจะไมไดความแขงสงทควร และบรเวณ

โครงสรางทเปนเฟอรไรทจะเปนบรเวณทออน (Soft spots) จะขาดคณสมบตตานทานตอการเสยดส

ในกรณถาใหทอณหภมสงเหนอเสน AC3 ไปมาก (Overheating) จะไดโครงสรางของออสเทนไนตท

มเกรนโต ภายหลงการชบน าจะไดมารเทนไซตหยาบ (Coarse matensite) ซงจะทนแรงกระแทกไดนอยลง อก

ประการหนงชนงานในขณะชบน าจะเกดการบดงอหรอแตกราวไดงาย

2. เหลกไฮเปอรยเตคตอยด จะใชอณหภมสงเหนอเสน AC1 ประมาณ 30-50

๐C

ในชวงของอณหภมน จะปรากฏโครงสรางของโปรยเตคตอยซเมนตไตตเหลออยเพยงบางสวนเทานนทกลายหรอ

ตวไปเปนออสเทนไนต และซเมนตไตตทเหลออยน จะกระจดกระจายอยทวไปในโครงสรางของออสเทนไนต

เมอท าการชบน าจะไดโครงสรางของมารเทนไซต โดยมโปรยเตคตอยดซเมนตไตตแทรกอย ซงจะปรากฏเปน

ผลดในสวนทเหลกจะมความแขงสง และทนการเสยดสในขณะการใชงานไดด เนองจากโปรยเตคตอยดซเมนต

ไตตมความแขง ประมาณ 800 HB ซงแขงกวามารเทนไซต (650-700 HB) ประเดนส าคญคอจะตองเลอก

อณหภมทจะไมเกดโปรยเตคตอยดซเมนตไตต ในลกษณะตอเนองเปนลกโซตามขอบเกรน

ในกรณทใชอณหภมเหนอเสน ACm จะไมเกดผลด นอกจากตองใชพลงงานมากขนสวนออสเทนไนต

จะขยายตวใหเกรนโตเรวมาก จะท าใหผลทไดภายหลงการชบไมดเพราะจะไดมารเทนไซทเกรนหยาบทนแรง

กระแทกไดไมดและยงอาจจะเกดการบดงอและแตกราวไดโดยงาย [9]

รปท 2.2 ชวงอณหภมทเหมาะสมส าหรบการชบแขงของเหลกกลาคารบอน [9]

ACm

AC3

AC1

19

2.3.3 บทบาทของธาตผสมทมตอโครงสรางออสเตนไนท

การลดปรมาณคารบอนทจดยเตคตอยดจะมผลท าใหคารไบดทไมสลายตวเหลออยมากใน

ออสเตนไนทและโครงสรางสดทายภายหลงชบ ธาตผสมทกธาตมผลในดานลดปรมาณของคารบอนทจด

ออสเตนไนท โดยเฉพาะธาตทรวมตวกบคารบอนไดมาก เชน TI, V, Mo, W, Mn และ Cr แต Si และ Ni ทไม

รวมตวกบคารบอน มผลในดานลดคารบอนทจดยเตคตอยดเชนกนแตนอยกวาธาตทรวมกบคารบอนไดมาก ใน

สวนอณหภมยเตคตอยด ธาตผสมสวนใหญจะมผลท าใหอณหภมน เพมข นไดมากถาเปนธาตทรวมตวกบ

คารบอนไดด ยกเวนธาตซลกอนทไมรวมกบคารบอน แตมผลในดานเพมอณหภมยเตคตอยด มอยสองธาตคอ

นเกลและแมงกานส ทมผลตรงกนขามกบธาตอน คอ มบทบาทลดอณหภมยเตคตอยดใหต าลง จะมผลท าให

ออสเตนไนทเหลอคางไดภายหลงการชบแขง ถาผสมธาตสองตวน ในปรมาณสง ออสเตนไนทจะเปลยนไป

เปนมารเทนไซตไดนอยลง และเมอคารบอนไปรวมอยกบคารไบตไมสลายตว ท าใหปรมาณคารบอนในออสเตน

ไนทต าลง มผลตอเนองไปถงความสามารถการชบแขงของเหลกลดลงดวย โดยปกตแลววาเนเดยมจะมผลสงตอ

ความสามารถชบแขงเมอเทยบกบแมงกานส แตเนองจากวาเนเดยมรวมกบคารบอนไดคารไบดทมเสถยรภาพ

สงจงยากทจะท าใหสลายตวไดหมด แมจะใชอณหภมในการชบใหสงกตาม ดงนนการผสมวาเนเดยมใหสงใน

เหลกกลาเครองมอ จะมผลตอความสามารถในการชบแขงของเหลก บางครงจ าเปนตองเผาทอณหภมสงกวา

เกณฑปกต เพอคณสมบตของเหลกทไดภายหลงการชบแขง

รปท 2.3 บทบาทของธาตผสมทมตอปรมาณคารบอนทจดยเตกตอยด [9]

20

รปท 2.4 บทบาทของธาตผสมทมตออณหภมยเตกตอยด [9]

2.3.4 อตราการเผาและชวงเวลาทเหมาะสม

การก าหนดอตราการเผาและชวงเวลาทเหมาะสมจะข นอยกบตวแปรหลายประการ เชน

สวนผสมของเนอเหลก โครงสรางเดม ความเครยดเหลอคาง รปรางและขนาดของชนงานทจะท าการชบแขงเมอ

บรรจเหลกเขาเตาเผา ความรอนทเหลกไดรบทผวและใจกลางจะไมเทากน เนองจากมตวแปรเวลาทความรอน

จะผานเนอเหลกมายงใจกลางเหลก โดยจะแบงอตราการเผาไวเปน 3 อตรา ขนอยกบอณหภมของเตา

21

ตารางท 2.9 แสดงอตราการเผาโดยแบงเปน 3 อตราขนอยกบอณหภมของเตา [9]

ล าดบ อตราการเผา วธการใหความรอน ความแตกตางของอณหภมระหวางผว

และใจกลางเหลก ชนดเหลกทเหมาะสม

1. ชา บรรจเหลกเขาเตาพรอมดวยการใหความ

รอนแกเตาเผา

นอย เหลกคารบอนสง มความเครยดคางมาจากการข น

รป รปรางซบซอน มสวนทหนาและบางแตกตางกน

มาก

2. สง เรมตนโดยจะเผาใหเตามอณหภมท

ตองการ จากนนจงน าเหลกเขาเตา

แตกตางกนมาในตอนเรมตน แตจะ

เทากนในระยะเวลาทสนกวาวธแรก

เหลกคารบอนปานกลาง โดยจะบรรจไวในหบปด

คลมมดชดกอนเอาเขาเตาเพอชวยลดอตราการเผา

ลง

3. สงมาก เผา ใ หอณหภมของ เตาสง เกนก ว า

อณหภมทตองการ เมอบรรจเหลกเขา

เตา อณหภมของเตาจะลดลงมาเทากบท

ตองการ และอณหภมของ เหลกจะ

เพมขน

แตกตางกนมาก แตใชเวลาสนกวาสอง

วธแรก

เหมาะส าหรบงานขนาดเลก รปรางงายๆ จ าเปนตอง

บรรจในหบเพอชวยลดอตราการเผาใหชาลง

22

22

ชวงเวลาทจะทงไวทอณหภมทตองการ (Holding Time) ไมมกฎเกณฑตายตวขนอยกบหลกในการ

ปฏบต มวตถประสงคเพอใหไดออสเทนไนตทสม าเสมอและใหอณหภมทผวและใจกลางเหลกเทากน

เหลกคารบอนหรอเหลกผสมต า (Low-alloys) คารไบดจะสลายตวไดงาย จะใชเวลา 5-15 นาท ก

พอ ขนอยกบความหนาของชนงานดวย

เหลกผสมปานกลางหรอสง คารไบดจะมเสถยรภาพ ซงจะตองใชเวลาใหนานพอสมควรทคารไบดจะ

สลายตวหมด เวลาทใชควรจะเพมขนประมาณ 25 ถง 50 เปอรเซนตของเวลาทใชเกณฑปกต

2.3.5 แผนภมแสดงการเยนตว

แผนภม TTT เปนกราฟทมความส าคญมากในเรองของการชบเหลก เปนกราฟทแสดง

ถงความสมพนธของอณหภม เวลา และการเปลยนแปลงโครงสรางของ Equilibrium phase ของเหลก ถาเผา

เหลกใหรอนจากอณหภมบรรยากาศสงขนเรอย ๆ ปรากฏวามการเปลยนโครงสรางจากเฟอรไรทและเพรลไลท

ไปเปนออสเทนไนต และ ถาปลอยใหออสเทนไนตทอณหภมสงน เยนลงจนถงอณหภมบรรยากาศกจะเกดการ

เปลยนโครงสราง แตการเปลยนโครงสรางนอาจจะกลบสสภาพเดมคอ เปนเฟอรไรทและเพรลไลท และอาจจะ

ใหโครงสรางใหม เชน มารเทนไซต ซอรไบท โดยทวๆไป คณสมบตของมารเทนไซต ซอรไบท และเบนไนทจะ

มคณสมบตทางฟสกส และทางเชงกลแตกตางกน กลาวคอ มารเทนไซตจะมความแขงแรงมากแตเมอถก

กระแทกจะเปราะแตกงาย สวนเบนไนทจะมความแขงและความเหนยว (Ductility) ซงเปนคณสมบตทตองการ

ความแขงของเบนไนทจะนอยกวามารเทนไซตแตสงกวาของซอรไบท ดงนนการชบเหลกโดยวธธรรมดาเปนมาร

เทนไซตแลวมกจะตองท าการอบคนตวเพอลดความเครยด (Internal stress) อนเนองมาจากการชบ กจะได

โครงสรางใหมเรยกวามารเทมเปอร มารเทนไซต (Temperd Martensite) เทยบไดกบเบนไนท ซงในทาง

วศวกรรมเรายอมรบวามคณสมบตทเหมาะสมในการใชงาน

รปท 2.5 แผนภม TTT [9]

23

23

2.3.6 การชบแขงคมมดพราโดยใชเปลวไฟเปนตวใหความรอน

เนองจากการศกษาโครงงานการชบแขงคมมดพราดวยแกส 2 หวเปา พบวา การทดลองชบ

แขงคมมดพราดวยแกส 2 หวเปา เวลา Holding Time 3 นาท เปรยบเทยบกบการชบแขงคมมดพราดวยเตา

ถาน เวลา Holding Time 3 นาท จะเหนวาโครงสรางมดพราทชบแขงดวยแกส 2 หวเปาจะมโครงสรางเปนมาร

เทนไซตและรออนเทนไนตปะปนอย สวนโครงสรางมดพราทชบแขงดวยเตาถานจะเปนโครงสรางมารเทนไซต

ทงหมดและเปนมารเทนไซตละเอยดกวามารเทนไซตของมดพราทชบแขงดวยแกส เนองจากการชบแขงดวยเตา

ถานสามารถใหความรอนไดอยางสม าเสมอกวาการชบแขงดวยแกส ท าใหชนงานทชบแขงดวยเตาถานเปนเฟส

เปนออสเทนไนตไดทวชนงาน เมอเยนตวจงกลายเปนมารเทนไซต ท าใหไมเหลอเฟสใดๆนอกจากมารเทนไซต

ท าใหการชบแขงคมมดดวยเตาถานมคาความแขงมากกวาการชบแขงดวยแกส

รปท 2.6 การชบแขงมดพราดวยแกส 2 หวเปา [10]

2.4 วสดในการขนรปมดพรา

2.4.1 ลกษณะทวไปของเหลกแหนบ (Leaf Springs)

เหลกแหนบ (Leaf Spring) เปนเหลกสปรงประเภทหนงอยในสวนประกอบของรถยนตท

เกยวของกบระบบกนการสนสะเทอนของรถยนตและการทรงตวของรถยนต ตดตงอยชวงลางรบภาระบรรทก

จากโครงรถแลวถายทอดลงสเพลาลอ มหนาทในการลดการสนสะเทอนใหกบโครงรถเพอท าใหโครงรถเคลอนท

ไดนมนวลขนในขณะทอยบนถนนทมความขรขระ

24

24

ลกษณะของเหลกแหนบโดยทวไปจะประกอบดวยแผนเหลกแหนบหลายแผนทมความยาว

แตละแผนแตกตางกนลดหลนตามล าดบ วางซอนกนโดยมสลกเกลยวสอดผานรกลางแหนบเรยกวา รสะดอ

(Center hole) เพอยดแผนเหลกแหนบทมขนาดไมเทากนแตละแผนใหรวมเปนแหนบตบ สลกเกลยวน เรยกวา

สะดอแหนบ (Center bolt) แผนเหลกแหนบสวนใหญจะมความโคงแบบกงวงร (Semi-elliptic spring) โดย

กอนประกอบจะมความโคงตางกนเลกนอย เมอประกอบเขาเปนตบแลวจงมความโคงเดยวกน

เหลกแหนบ เปนเหลกทชางพนบานนยมน ามาท ามด เนองจากปรมาณคารบอนคอนขางสง

และมการผสมโครเมยมลงไปจงชบแขงไดดและงายกวา รวมทงมชวงทเออตอความผดพลาดมากกวาเหลกชนด

อนๆ ชางทไมไดมความรทางดานโลหะวทยากสามารถอบชบใหไดมดทมสมบตพอใชงานไดไมยากนก สวนชาง

ทมความช านาญยงสามารถท าใหมดมประสทธภาพเพมมากขน

2.4.2 สวนประกอบของเหลกแหนบ

เหลกแหนบสวนใหญทน ามาใชในการท ามดพราจะเปนเหลกแหนบของรถยนตทผลตจาก

ประเทศญปน ตามมาตรฐานญปนเหลกแหนบคอ JIS G4801-77 SUP6, JIS G4801-77 SUP7, JIS

G4801-77 SUP9, JIS G4801-77 SUP10 เปนเหลกชนดซลกอน – แมงกานส โดยมสวนประกอบทางเคม

ดงน

ตารางท 2.10 แสดงสวนประกอบทางเคมของเหลกแหนบมาตรฐานตางๆ [11]

2.4.3 อทธพลของธาตผสมตอสมบตของเหลกแหนบ

คารบอน (C) เปนธาตผสมหลกของเหลกกลาเครองมอ จะมผลตอสมบตเชงกลคอ ชวย

เพมความแขง ความเคนแรงดง ความสามารถในการชบแขง แตจะลดสมบตดานความเหนยว และการยดตว

ของเหลก นอกจากนคารบอนจะรวมตวกบธาตผสมตวอน เชน โครเมยม โมลบดนม ทงสเตน และฟอรมตว

เปน คารไบดดวย ซงจะชวยเพมสมบตในการใชงานตางๆ ใหดยงขน เชน ความทนตอการเสยดส ความสามารถ

ในการชบแขง การรกษาความแขงไวไดทอณหภมสง เปนตน

JIS G4801-77

SUP6

JIS G4801-77

SUP7

JIS G4801-77

SUP9

JIS G4801-77

SUP10

คารบอน 0.55-0.65 0.55-0.65 0.5-0.6 0.45-0.55

ซลกอน 1.50-1.80 1.80-2.00 0.15-0.35 0.15-0.35

แมงกานส 0.70-1.00 0.70-1.00 0.65-0.95 0.65-0.95

ซลเฟอร 0.035 0.035 0.035 0.035

ฟอสฟอรส 0.035 0.035 0.035 0.035

โครเมยม - - 0.65-0.95 0.8-1.10

25

25

โครเมยม (Cr) เปนธาตทพบในเหลกกลาเครองมอทผสมในปรมาณตงแต 0.5 – 17 %

โครเมยมสามารถรวมกบคารบอนและใหคารไบทหลายรปแบบ ขนอยกบปรมาณของคารบอนและโครเมยมโดย

โครเมยมเปนธาตทมบทบาทเพมเสถยรภาพใหกบโครงสรางเฟอรไรททมผลตอการเพมคณสมบตความสามารถ

ในการชบแขง โครเมยมจะท าใหเกดการขยายตวของเกรนทอณหภมสงเมอคารไบดสลายตวหมดแลว ดงนนจง

มกผสมวาเนเดยมในเหลก เพอเปนการชะลอการขยายตวของเกรน ในขณะท าการเผาทอณหภมสงเหลกกลา

เครองมอทผสมโครเมยมโดยล าพงจงตองพยายามหลกเลยงการเผาทอณหภมสงและแชทงไวในระยะเวลานาน

โครเมยมมสวนในการตานการเปนออกไซดขณะอยทอณหภมสง และคงความแขงแรงไวไดด และใหผลทางดาน

Secondary hardening ในระดบปานกลาง นอกจากน โครเมยมยงมบทบาทตานทานการกดกรอนไดด เหลกกลา

เครองมอท างานรอน ท างานเยน และเหลกกลาเครองมอความเรวสง จะผสมโครเมยมในปรมาณสง ตงแต 0.5

– 12 % รวมกบธาตโมลบดนม ทงสเตน และวาเนเดยม

ซลกอน (Si) โดยปกตจะพบในเหลกกลาเครองมอปรมาณ 0.2-0.3% เพราะในการหลอม

เหลกกลาจะใชซลกอนเพอไลแกสออกซเจน ส าหรบซลกอนทเปนธาตผสมจะมบทบาทชวยใหคารบอนรวมตว

เปน กราไฟตดงนนในเหลกกลาเครองมอบางประเภททมปรมาณคารบอนสง และผสมซลกอนประมาณ 1% จะ

มโครงสรางหลงการชบแขงทประกอบดวยกราไฟตกระจดกระจาย ซงชวยใหเกดความลนเมอใชท าแมพมพ ลด

ปญหาการตดของโลหะในขณะท าการขนรป ธาตน จะไมใชตามล าพง แตจะผสมรวมกบโมลบดนม หรอวา

นาเดยม โดยใหผลดทงดานการลดการเกดออกซเดชนทอณหภมสงชวยใหชบแขงงายขน และชวยใหคงความ

แขงไวไดดในขณะอบคนตว (Tempering)

แมงกานส (Mn) เปนธาตทมอยทวไปในเหลกกลาเนองจากในกระบวนการผลต เหลกกลา

จะใสแมงกานสเปนตวก าจดแกส และรวมตวกบก ามะถน (S) การจดวาแมงกานสเปนธาตผสมในเหลกกลาก

ตอเมอมปรมาณสงกวา 0.6% ขนไป แมงกานสมบทบาทในการเพมความสามารถในการชบแขงของเหลกกลา

เครองมอ ส าหรบเหลกทผสมแมงกานสเพยงล าพงจะมขอเสยคอ จะเปราะหลงจากอบคนตวในชวงอณหภม

400-600 °C จงมกผสมแมงกานสจะผสมรวมกบโครเมยม (Cr) และโมลบดนม (Mo) ซงจะเพม

ความสามารถในการชบแขงไดมากขนกวาการผสมแมงกานสเพยงธาตเดยว

ซลเฟอร (S)และฟอสฟอรส (P) ท าใหเหลกมสมบตไมไดตามมาตรฐาน และมการแยกตว

ของซลเฟอรและฟอสฟอรสบรเวณกงกลางของชนงานโครงสรางจลภาคทไมสม าเสมอสงผลใหมความเปราะเปน

แหงๆ นอกจากนซลเฟอรและฟอสฟอรสในปรมาณสงท าใหช นงานเกดการแยกตวตามขอบเกรนและแตกเปราะ

ได

2.5 กระบวนการและเตาชบแขงมดพราโดยใชถานเปนตวใหความรอน

ชมชนตมดบานมวงหวาน ต าบลมวงหวาน อ าเภอน าพอง จงหวดขอนแกน มการท าหตถกรรมทท าจาก

เหลก โดยเหลกทน ามาตมดน สวนใหญเปนเหลกแหนบเกาจากรถยนต ซงน ามาแปรรปใหเปนมดพราไดโดย

การเผาเหลกใหรอนแดงและตดเหลกใหไดรปทรงทตองการ เมอไดรปทรงทตองการแลวจะน าเหลกไปเผาไฟ

26

26

อกครง จากนนจงท าการตหลาบ เพอใหเหลกแบน โดยจะตจากสวนทเปนดามกอน แลวจงตสวนทเปนตวมด

เมอไดรปทรงมดขนตอไปจะท าบอง บอง คอ สวนทเปนดามมดเพอน าไปเสยบฝงในดามไม โดยจะตใหปลาย

ทงสองขางโคงเขาหากน เผาอกครงแลวตแตงเพอใหผวเรยบและย าความคมใหบางและตรง จากนนตะไบ

รวมทงตลวดลายบนมดเพอความสวยงาม กระบวนการตอไปเปนกระบวนทส าคญทสดในการตมด ท าใหมดม

ความคม แขง ไมบนงาย โดยจะน าเหลกทตขนรปและตกแตงเรยบรอยแลวมาชบเฉพาะคมเทานน เมอเผาจน

เหลกรอนแดงเสมอกนแลว จะตองน ามาจมลงในอางน า โดยจมเฉพาะสวนคมมด ประมาณ 1 - 2 เซนตเมตร

ขนตอนการจมในอางน าจะตองท าอยางรวดเรวและใชความช านาญของชางสง โดยจะจมประมาณ 1 – 2 ครง

หากจมน าในชวงทเหลกเปนสขาวเรวเกนไปจะท าใหมดแขงหรอบนงาย หรอจมน าชาเกนไปคอในชวงทเหลก

เปลยนเปนสเขยวจะท าใหเหลกคนตว ท าใหคมมดไมแขง บดเบยวงาย ชวงจมน าทพอดคอชวงทเหลกเปลยนส

จากขาวเปนเหลอง โดยเตาทชาวบานใชเผาเหลกสวนใหญจะใชเตาอบชบแบบเปดเช อเพลงทใชคอถานไมเน อ

แขง (ไมพนชาด) ดงรปท 2.10 การกอสรางเตาจะกอปนขนมา 2 ดานเพอเปนชองสอดเหลกเขาไปตรงกลาง

ดานหนงจะเปนโพรงเพอเปนทใหโบลเวอร (Blower) เปาลมเขาไปทถานเพอเพมอณหภมถานใหสงเรวขน และ

ถานทใชมคณสมบตเปนไมเนอแขง เมอไมมการเผาเหลกกสามารถใชน าราดดบถานไว ถาตองการเผาเหลกอกก

สามารถตดถานแลวใชงานตอไดท าใหประหยดถาน สามารถเกบไวใชไดเปนเวลานาน

รปท 2.7 เตาอบชบแบบเปดโดยใชถานไมเนอแขง (ไมพนชาด) เปนตวใหความรอน

สวนเตาอบชบอกแบบหนงทชาวบานสราง เปนเตาอบชบแบบปดโดยมถานหงตมเปนตวใหความรอน

ดงรปท 2.12 การทใชถานหงตมแตกตางจากถานไมเน อแขงคอ ถานหงตมสามารถหาซ อไดงายตามทองตลาด

แตถานทท าจากไมเน อแขงสามารถหาไดยาก เนองจากไมเน อแขงเปนเรมหายากในปจจบน ใชเวลาในการ

เจรญเตบโตนาน ถานหงตมจะมการแตกตวมากกวาไมเน อแขง เตาทใชจงตองเปนเตาแบบปด และมโบลเวอร

เปนตวเรงความรอนใหแกถานเชนเดยวกบเตาแบบเปด และอกประเดนหนงการใชถานหงตมเปนเช อเพลงจะ

27

27

ท าใหสนเปลองอยางมาก เนองจากเมอจดถานเพอใชงานไมสามารถหยดการเผาไหมไวไดจะตองปลอยใหถาน

รอนแดงจนเผาไหมหมดกลายเปนข เถา

รปท 2.8 เตาอบชบแบบปดโดยใชถานหงตมเปนตวใหความรอน

2.6 ความรพ นฐาน ANSYS Workbench 14.0

2.6.1 เกยวกบโปรแกรม ANSYS

ANSYS คอ โปรแกรมจ าลองสถานการณทางวศวกรรมทชวยในการแกชดปญหาดานการ

จ าลองทางวศวกรรมในสาขาใดๆกได จ าเปนตองมขนตอนการออกแบบงาน เพอใหไดคาทดทสดส าหรบงาน

นนๆ โดย ANSYS จะมโปรแกรมยอยๆโดยแยกเปนประเภท คอ

1. กลศาสตรโครงสราง (Structural Mechanics)

2. พลศาสตรของไหล(Fluid Dynamics)

3. พลศาสตรทชดเจน (Explicit Dynamics)

4. คลนแมเหลกไฟฟา (Electromagnetics)

5. การวเคราะหควบคมลตฟสกส (Coupled Multiphysics Analyses)

6. กระบวนการจ าลองสถานการณและการจดการขอมล (Simulation Process and

Data Management)

ANSYS Workbench เปนสวนหนงของโปรแกรม ANSYS ซงเกยวของกบคณตศาสตรบรณา

การในสองทศทาง ท างานรวมกบระบบ CAD จะมประสทธภาพมากขนเมอใชงานรวมกบโปรแกรมอนๆของ

ANSYS โดย ในสวนของ ANSYS Workbench จะประกอบไปดวยโปรแกรมประยกต (Applications) ตางๆ

ดงน

28

28

1. กลศาสตร (Mechanics) ประกอบดวยการวเคราะหโครงสรางและความรอน

2. เรขาคณต (Geometry) สรางและดดแปลงโดยใช CAD เพอเตรยมเปนรปแบบท

จะน าไปใชในโปรแกรมประยกตอนๆ

3. โครงขาย (Meshing) การสรางโครงสรางและขายCFD

4. CDF ขนสง (Advanced CDF) แกปญหาโดยใช Fluent และ CFX

5. การออกแบบงานวจย (Design Exploration) เพอเพมประสทธภาพ

6. การสรางแบบจ าลองไฟไนตอลเมนต (Finite Element Modeler) แปลงขาย

NASTRAN และ ABAQUS เพอน ามาใชใน ANSYS

7. AUTODYN การสรางแบบจ าลองสถานการณทางพลศาสตรทชดเจนของ

พลศาสตรไมเชงเสน

ประเภทของการวเคราะหในดานกลศาสตร

1. โครงสราง (แบบคงทและแบบชวคราว) คอ การวเคราะหโครงสรางเชงเสนตรง

และไมเชงเสนตรง

2. ความสามารถของพลศาสตร คอ รปแบบ, ฮารโมนก, การสนสะเทอนแบบสม,

พลวตแบบยดหยนและคงตว

3. การถายโอนความรอน (สถานะคงตวและสถานะชวคราว) คอ ใชแกปญหาดาน

อณหภมและฟลกซของความรอน โดยอณหภมนนขนอยกบการน าความรอน การพาความรอนของวสด

4. Magnetostatic คอ สรางรปแบบสามมต ส าหรบการวเคราะหสนามแมเหลก

5. การออกแบบเพอเพมประสทธภาพ คอ สรางรปแบบเพอการออกแบบการทดลอง

การเพมประสทธภาพดวย six sigma และแสดงการออกแบบทตองการโดยใชเทคนค goals driven

optimization

2.6.2 ประเภทของกลองเครองมอ

กลองเครองมอ (Toolbox) จะประกอบไปดวย 4 กลมยอย

1. Analysis systems: แมแบบทก าหนดไวซงสามารถวางใน Schematic ได

2. Component systems: โปรแกรมประยกตตางๆสามารถเขาถงโครงสรางหรอการขยาย

ของระบบการวเคราะห

3. Custom systems: ระบบการวเคราะหส าหรบใชงานควบคกบโปรแกรมประยกต (FSI,

Thermal-stress, etc.) ผใชสามารถสรางระบบทก าหนดไวของผใชเองได

4. Design Exploration: จดการพารามเตอรและเครองมอทมประสทธภาพ

29

29

รปท 2.9 กลองเครองมอบนโปรแกรม ANSYS Workbench 14.0

2.6.3 ANSYS Workbench เบ องตน

1. การตงคาระบบหนวย

ในอนดบแรกจ าเปนตองตงคาหนวยทเราจะท าการปอนขอมลลงในโปรแกรม เพอให

โปรแกรมรบร คานนๆเปนหนวยทตงคาไว

รปท 2.10 ระบบหนวยบนโปรแกรม ANSYS Workbench 14.0

2. ระบบการวเคราะห (Analysis System)

ในกลองเครองมอระบบการวเคราะหจะมสวนประกอบเสรมส าเรจรปทผใชสามารถ

เลอกใชงาน หรอผใชสามารถปรบแตงเองไดทเครองมอ View All / Customize

30

30

รปท 2.11 สวนประกอบเสรมของระบบการวเคราะหและสวนปรบแตง

3. การตงคารปแบบ

เลอกการวเคราะหระบบ “Transient Thermal” จากกลองเครองมอ (Toolbox) ท

ปรากฏอยดานซายของหนาตางโปรแกรม สาเหตทใช Transient Thermal เพราะมการเปลยนแปลงอณหภมท

ผวมดพราตลอดเวลา

รปท 2.12 สวนประกอบยอยของระบบการวเคราะห (Transient Thermal)

31

31

เมอเลอกท “Transient Thermal” จะมกลองเครองมอแสดงสวนประกอบยอย

Transient Thermal ท Project Schematic ไดแก

1. Engineering Data: ขอมลเกยวกบวสดทตองการน ามาจ าลองสถานการณ

2. Geometry: น าเขารปรางของวสดทตองการน ามาจ าลองสถานการณ

3. Model: ก าหนดใหรปรางทน าเขาใหเชอมโยงกบ Engineering Data

4. Setup: การตงคาเกยวกบขอมลทมผลตอการจ าลองสถานการณ

5. Solution: สรางความนาจะเปนทเกยวของกบขอมลทปอนเขาไปทงหมด

6. Result: ผลลพธของการจ าลองสถานการณ

2.7 ไฟไนตอลเมนต

วธไฟไนตอลเมนต เปนหนงในหลายวธเชงตวเลขทใชส าหรบแกสมการเชงอนพนธ(Differential

Equations) และเปนวธทนยมใชวเคราะหปญหาทางดานวศวกรรมศาสตรอยางกวางขวาง ซงสามารถใช

วเคราะหปญหาปญหาเรองการถายเทความรอน ปญหาทางดานกลศาสตรของของแขง ทงทางดานสถตศาสตร

และทางดานพลศาสตร รวมทงยงสามารถใชวเคราะหการไหลของของไหลได (ปราโมทย เดชะอ าไพ, 2545)

หลกการของไฟไนตอลเมนตคอ การแบงสงทตองการวเคราะห (Domain) ออกเปนสวนยอยเลก ๆ

เรยกวาเอลเมนต (Element) ซงมกจะอยในรปสเหลยมหรอสามเหลยม ดงแสดงในภาพ ทจดตดของเสนกรอบ

เอลเมนตเรยกวา “จดตอ” (Node) ดวยวธไฟไนตอลเมนตจะมการสรางฟงกชนทางคณตศาสตรเพอหาค าตอบ

(อณหภม ความเคน ความเรว ฯลฯ) ทจดตอเหลานนพรอม ๆ กนโดยอาศยเครองคอมพวเตอร แทนทจะแก

สมการเชงอนพนธซงตองใชเวลามากกวาจะหาค าตอบไดครบทกจด

รปท 2.13 ลกษณะการแบงอลเมนต [7]

32

32

การวเคราะหโครงสราง หรอ ชนสวนเครองจกรกลดวยวธไฟไนตอลเมนตจ าเปนตองแบงโครงสราง

หรอชนสวนออกเปนสวนเลกๆ และเลอกใชชนดของเอลเมนตใหเหมาะสมกบรปรางลกษณะของงาน อลเมนตท

ประกอบดวยจดตอมากๆ จะใหผลเฉลยใกลเคยงกบคาแมนตรงมากกวาอลเมนตทประกอบดวยจ านวนจดตอ

นอย ถาเปนอลเมนตสามเหลยมดวยกน อลเมนตสามเหลยมดานเทาจะใหผลเฉลยทดทสด แตถาจ าเปนตอง

ใชอลเมนตสามเหลยมใดๆ มมภายในของอลเมนตสามเหลยมควรจะอยระหวาง 30 ถง 120 การแบง

ชนสวนอาจจะเรมแบงออกเปนเอลเมนตสเหลยม หรอสามเหลยมทมขนาดใหญๆกอน แลวจงแบงออกเปนอล

เมนตสามเหลยมยอยอกครงหนง ต าแหนงของจดตอ (Node) ภายนอกของเอลเมนตยอยควรจะอยในต าแหนง

ทมการเปลยนแปลงรปรางของช นสวน ท าใหแบบจ าลองมขนาดใกลเคยงกบขนาดของช นสวนจรงมากทสด

ปกตไมนยมแบงอลเมนตใหมขนาดเทากน และมรปรางเหมอนกนตลอดชนสวน เพราะบรเวณทมความเคนสง

หรอบรเวณทมความแตกตางของอณหภม ควรจะแบงใหมอลเมนตขนาดเลกๆ สวนบรเวณทไกลออกไปจะแบง

ใหมขนาดโตขน

2.8 โปรแกรม Matlab Simulink

โปรแกรม Matlab Simulink สามารถจ าลอง ทดสอบ และวเคราะหการท างานของระบบพลศาสตร

ในเชงเวลาโดยใช Simulink ซงเปนเครองมอ (Toolbox) ทอยในโปรแกรม Matlab โดยจะท างานภายใต

หนาตางทเปนการเชอมตอทางรปภาพ (GUI) ของ Simulink เทานน

การใชงาน Simulink จะท าโดยการน า Block Diagram แตละ Block ในหนาตาง Library Simulink มา

ตอกนตามทตองการและสามารถจ าลองระบบไดทงระบบทเปนเชงเสน ไมเปนเชงเสน ระบบเวลาตอเนองและ

ไมตอเนอง การจ าลองระบบสามารถกระท าไดโดยการปอนอนพทใหกบระบบทสรางไวแลวดผลเอาทพทของ

ระบบเนองจากอนพททปอนเขาไป

บทท 3

การด าเนนการ

3.1 การศกษาขอมล

การศกษาขอมลการปฏบตงานแบงเปน 4 สวน ดงน

1 ศกษาขอมลเกยวกบโปรแกรมจ าลองสถานการณ ANSYS Workbench 14.0 รวมถงการใชงาน

โปรแกรม

2. ศกษาการออกแบบเตาอบชบ สวนประกอบทใชในการสรางเตา เพอเปนขอมลในการสรางเตา

อบชบมดพราดวยไฟฟา

3. ศกษากระบวนการใหความรอนโดยการชบแขง

4. ศกษาสวนประกอบทางเคมและอทธพลของธาตผสมตอสมบตของเหลกแหนบ

34

3.2 แผนผงแสดงขนตอนการทดลอง

รปท 3.1 แผนผงแสดงขนตอนการทดลอง

3.3 สรางรปแบบมดพรา 3 มต

ท าการวดขนาดและความหนาของมดเพอน ามาสรางมดพรา 3 มต ดวยโปรแกรม Solid Works โดย

จะวาดเปนตารางวดความหนาทกๆ จดเปนระยะ 10 mm x 10 mm ส าหรบเนอมดแตส าหรบสวนทเปนคมมด

จะวาดตารางเปนระยะ 5 mm x 5 mm ไดคาความหนาแสดงดงตารางท 3.1 และ 3.2

ออกแบบการทดลอง

จ าลองสถานการณเพอศกษาความเปนไปไดของการ

สรางเตาอบชบมดพราดวยไฟฟาในโปรแกรม ANSYS Workbench 14.0

ออกแบบเตาอบชบมดพราดวยไฟฟาเบองตน

สรางรปแบบมดพรา 3 มต โดยใช

โปรแกรม Solid Works

วเคราะหเปรยบเทยบขอมลระหวางการ

ออกแบบเบองตนและการจ าลองสถานการณ

สรปผลการออกแบบและจ าลองสถานการณวาผล

ทไดมความเหมาะสมในการสรางเตาอบชบมด

พราดวยไฟฟาหรอไม

35

รปท 3.2 แสดงตารางการวดระยะบนมดพราเพอน ามาวดความหนาของมด

ตารางท 3.1 ตารางแสดงการวดความหนาของมดทกๆจด (ทคมของมดระยะ 5 มลลเมตร x 5 มลลเมตร)

ล าดบ 1(5 มม.) 2(5 มม.) ล าดบ 1(5 มม.) 2(5 มม.)

1 1.9 2.16 28 1.5 2.4

2 1.9 2.8 29 1.5 2.4

3 1.9 2.74 30 1.5 2.4

4 1.78 2.76 31 1.5 2.5

5 1.9 2.7 32 1.68 2.5

6 1.9 2.62 33 1.68 2.6

7 1.76 2.66 34 1.7 2.6

8 1.76 2.6 35 1.68 2.6

9 1.76 2.5 36 1.68 2.7

10 1.58 2.5 37 1.68 2.7

11 1.58 2.36 38 1.7 2.82

12 1.58 2.4 39 1.82 2.86

13 1.56 2.4 40 1.9 2.94

14 1.5 2.4 41 1.8 2.9

15 1.56 2.3 42 1.88 3

16 1.6 2.3 43 2.06 3.1

17 1.5 2.3 44 2.16 3.3

36

ตารางท 3.2 ตารางแสดงการวดความหนาของมดทกๆ จด (ทเนอมดระยะ 10 มลลเมตร x 10 มลลเมตร)

ล าดบ 3(10 มม.) 4(10มม.) 5(10 มม.) 6(10มม.) 7(10มม.)

1 2.74 3.42 3.14 3.04 2.98

2 3.46 3.74 3.7 3.6 3.4

3 3.4 3.7 3.8 3.8 3.54

4 3.34 3.6 3.84 3.9 3.5

5 3.2 3.54 4.14 3.94 3.5

6 3.2 3.54 4.2 4 3.34

7 3.14 3.54 3.9 4.02 -

8 3.1 3.54 4.02 4.12 -

9 3.06 3.6 4.02 4.1 -

10 2.96 3.6 4.1 4.1 -

11 3.08 3.6 4.28 4.12 -

12 3.1 3.7 4.5 - -

13 3.1 3.8 4.42 - -

14 3.2 3.94 4.52 - -

ล าดบ 1(5 มม.) 2(5 มม.) ล าดบ 1(5 มม.) 2(5 มม.)

18 1.5 2.3 45 2.16 3.3

19 1.5 2.3 46 2.34 3.3

20 1.5 2.3 47 2.16 3.6

21 1.5 2.3 48 2.3 3.6

22 1.5 2.3 49 2.3 3.6

23 1.5 2.3 50 2.6 3.7

24 1.5 2.3 51 2.76 4

25 1.5 2.4 52 2.9 4.3

26 1.5 2.4 53 3.1 4.52

27 1.5 2.4 54 3.3 4.8

37

ล าดบ 3(10 มม.) 4(10 มม.) 5(10 มม.) 6(10 มม.) 7(10 มม.)

17 3.7 4.54 4.52 - -

18 3.74 4.72 - - -

19 4.04 4.98 - - -

20 4.2 5 - - -

21 4.42 5.32 - - -

22 4.62 5.4 - - -

23 4.72 5.4 - - -

24 5.2 - - - -

25 5.6 - - - -

26 5.7 - - - -

27 5.94 - - - -

ความหนาเฉลยบรเวณคมมด (จากคมมดขนไป 1 มลลเมตร) = 2.15 มลลเมตร

รปท 3.3 มดพรา 3 มต ในโปรแกรม Solid Works

38

3.4 ออกแบบเตาอบชบมดพราดวยไฟฟาเบ องตน 3.4.1 ศกษาขอมลเบองตน

วธการออกแบบเชงปฏบตไดแบงขนตอนงานออกเปนขนตอนตางๆ เปนล าดบอยางตอเนอง

และใหแนวทางส าหรบด าเนนการอยางชดเจน ตามแตละขนตอนซงมดวยกน ดงน(วลลภ จนทรตระกล,

2548:10)

1. ก าหนดคณลกษณะของงาน (Specification of project) เตาอบชบมดพราดวยไฟฟา

เปนเตาทใชแรงดนไฟฟา 220 โวลท ใชชบมดพรา อณหภมสงสดไมเกน 1300 องศาเซลเซยส

พลงงานไฟฟา พลงงานความรอน

แรงดนไฟฟา 220 โวลท เตาอบชบมอณหภมไมเกน 1300˚C

อปกรณเปลยนพลงงานไฟฟาเปน

พลงงานความรอนโดยใชลวดความรอนเปนตวใหความรอน

รปท 3.4 แผนผงแสดงการเปลยนแปลงพลงงานไฟฟาเปนพลงงานความรอน

2. ล าดบหนาทของกระบวนการอบชบมดพราดวยไฟฟา

เตาอบชบ

เสรจกระบวนการอบชบ

รปท 3.5 ล าดบรายการหนาทยอยในกระบวนการอบชบมดพราดวยเตาไฟฟา

ตงอณหภม จายกระแสไฟฟาเขาลวดความรอน เทอรโมคปเปล

เชคอณหภม

อปกรณควบคม

อณหภมรบ

สญญาณจาก

เทอรโมคปเปล

น ามดพราใส

ในเตาอบชบ ตงเวลา

อปกรณควบคม

เวลาเชคเวลา

ตามคาทตง

สงสญญาณเตอน

เมอครบเวลาตามท

ก าหนด

น ามดพราออก

จากเตาอบชบ

39

3. หลกการใหความรอนของขดลวด การใหความรอนโดยใชลวดความตานทานไฟฟา

ใชหลกการไหลของกระแสไฟฟาผานตวน า ซงเปนวสดทมความตานทานไฟฟา ท าใหเกดความรอนขนเปนไป

ตามความสมพนธ ดงน

P = I2R (3.1)

เมอ P = ก าลงไฟฟา (วตต)

I = กระแสไฟฟา (แอมป)

R = ความตานทานไฟฟา (โอหม)

4. ก าหนดคณลกษณะและการออกแบบเชงการสราง

1) Concept Design

แบบเตาอบชบขนาดเลกมกมรปแบบมาตรฐานอย 2 แบบ ไดแก

1. เตาอบชบแขงทรงกระบอก

2. เตาอบชบแขงสเหลยม

ตารางท 3.3 การเปรยบเทยบขอดขอเสยของเตาสเหลยมและเตาทรงกระบอก [3]

เปรยบเทยบแบบเตา เตาสเหลยม เตาทรงกระบอก

การออกแบบ งาย ยาก ราคาวสด ถก แพง การเขาออกของชนงาน งาย ยาก การวางต าแหนงขดลวดความรอน งาย ยาก ความทวถงของความรอนในเตา ต า สง รปแบบของชนงานทเหมาะกบเตา มาก นอย

เลอกใชเตาแบบสเหลยม เพราะท าการออกแบบงาย การเขาออกของชนงานงายตอการชบ

แขง วสดทน ามาใชสรางเตามรปรางเปนสเหลยม ราคาวสดถกกวา 2) การเลอกอปกรณ

ขดลวดความรอน

เลอกใชขดลวด KANTHAL A-1 เพราะมคณสมบตของขดลวดดงตอไปน

1. มสวนผสมของ นกเกล : โครเมยม/80 : 20

2. ท าอณหภมไดถง 1300 ˚C

3. เหมาะส าหรบใชกบเตาแบบเปด

4. ขดลวดตานทานเปนแบบ Wire or Strip

40

รปรางของผนงเตา เลอกใชลวดความรอนฝงในผนงเตา เพราะสะดวกตอการวางชนงานขณะท าการอบชบและลดพนทในการสญเสยความรอน

รปท 3.6 ลวดความรอนฝงในเตา

อฐมวลเบา เลอกใชอฐมวลเบา เพราะมคณสมบตทนความรอนดงตอไปน 1. ทนไฟ 1,300 องศาไดนานมากกวา 4 ชวโมง 2. สามารถรบน าหนกขณะใชงานทอณหภมสงไดเพยงพอโดยไมเกดการยบตว 3. ฟองอากาศเปน closed cell ไมดดซมน า 4. เปนฉนวนความรอน ไมสะสมความรอน ไมตดไฟ 5. วสดมน าหนกเบา ขนาดกอนไดมาตรฐานเทากนทกกอน ตดแตงเขารปงาย

รปท 3.7 อฐมวลเบา [5]

41

Ceramic fiber เลอกใช Ceramic fiber แบบ Blankets เพราะมคณสมบตดงตอไปน

1. มความตานทานแรงดงสง

2. สามารถตดและตดตงไดงาย

3. คาการน าความรอนต า

4. เกบกกความรอนต า

เทอรโมคปเปล (Thermocouple)

เลอกใชเทอรโมคปเปล Type k เพราะมคณสมบตดงตอไปน

1. มความไวในการใชงาน

2. มชวงอณหภมใชงานท -270 – 1,372

3. สามารถใชงานในสภาวะตางๆ ภายในเตาอบชบไดตามทตองการ โดยมราคาถก

ทสดและมคณสมบตสามารถใชไดตามทตองการ

แผนเหลก

เลอกใชแผนเหลก AISI 1010 เพราะมคณสมบตดงตอไปน

1. เปนเหลกทประกอบดวย 2 โครงสรางคอ เฟอรไรทซงมความเหนยวสงและ

มาเทนไซดซงมความแขงสง

2. มความแขงแรงตอน าหนกสงกวาเหลกทวไป

อปกรณควบคมอณหภม

เลอกใชแบบ LT900 เพราะมคณสมบตดงตอไปน 1. เปนอปกรณทจะบอกถงคาความรอนภายในเตาโดยอปกรณ LT900 ตอกบ

เทอรโมคปเปล

2. อปกรณควบคมแบบมนาฬกาควบคม

3. สามารถควบคมและตงคาอณหภมไดตามชวงเวลาทตองการ

4. สามารถตงหนวงเวลาการเตอน (on-delay) ไดตงแต 00.00-99.59 ชวโมง

42

ตารางท 3.4 เปรยบเทยบเงอนไขบรรยากาศใชงานของเทอรโมคปเปลมาตรฐานตาง ๆ ตามความ เหมาะสม

ในการใชงาน [6]

5. การศกษาขอบเขตสงแทรกซอน (Influent Limitation)

ความรอนทแผออกมาจากเตาอบชบ พลงงานไฟฟา พลงงานความรอน

รปท 3.8 แผนผงแสดงความรอนทแผออกมาจากเตาอบชบ

3.4.2 ค านวณหาปรมาณความรอนและขนาดตางๆของขดลวดความรอน จากการออกแบบและรวบรวมขอมลเกยวกบการสรางเตาอบชบมดพราดวยไฟฟา ใน

ขนตอนนจงตองท าการค านวณหาขนาดของชนสวนตาง ๆ เพอน ามาสรางเตาอบชบมดพราดวยไฟฟาโดยมขนตอนในการค านวณดงน

1. การค านวณหาปรมาณความรอนทสญเสย การหาปรมาณความรอนทสญเสย ก าลงไฟฟาและการออกแบบผนงเตาจากสตร

ปรมาตรภายในเตา = กวาง x ยาว x สง

กวาง = 0.015 m

ยาว = 0.302 m

สง = 0.075 m

= 0.015 x 0.302 x 0.075 = 0.00034 m ดงนน ปรมาตรภายในเตา = 0.340 dm

3

แบบ บรรยากาศ

Oxidizing

บรรยากาศ

Reducing

บรรยากาศ

Inert Vacuum บรรยากาศSulfurous อณหภม

< 0 ˚C มไอของโลหะ

B ได ไมได ได ไดชวงสน ๆ ไมได ไมได ไมได

R ได ไมได ได ไมได ไมได ไมได ไมได

S ได ไมได ได ไมได ไมได - ไมได

J ได ได ได ได ไมไดถา > 500 ˚C ไมได ได

K ได ไมได ได ไมได ไมได ได ได

ความรอนภายในเตา

43

พนทผวภายในเตา = กวาง x ยาว x ผนงทกดานของเตา

A = (0.015 m x0.302 m x2)+(0.302 m x0.075 m

x2)+(0.015 m x 0.075 m)

= 0.055 m2

เลอกใชอฐมวลเบา มคาการน าความรอน (Thermal Conductivity) at 1,300 ˚C

k = 0.13 W / m ˚C

การน าความรอนของอฐมวลเบา จากสมการ (2.4)

Qb =

ก าหนดให

k1 = คาการน าความรอนของอฐมวลเบา มคา = 0.13 W/m ˚C

T = อณหภมสงสดภายในเตา - อณหภมภายนอกเตา (25˚C)

A = พนทผวภายในเตา (m2)

L = ความยาวของอฐมวลเบา (m)

แทนคา

= ˚

= 79.272 W

เลอกใชเซรามคไฟเบอร แบบ Blankets มคาการน าความรอน (Thermal Conductivity) at 1,300˚C k = 0.40 W / m ˚C การน าความรอนของเซรามคไฟเบอร จากสมการ (2.4)

Qc =

ก าหนดให

k2 = คาการน าความรอนเซรามคไฟเบอร แบบ Blankets มคา = 0.40 W/m ˚C

T = อณหภมสงสดภายในเตา - อณหภมภายนอกเตา (25 ˚C)

A = พนทผวภายในเตา (m2)

L = ความยาวของเซรามคไฟเบอร แบบ Blankets (m)

แทนคา

= ˚

= 1,122 W

44

ผลรวมของการน าความรอนของฉนวนกนความรอน

คาการน าความรอนของอฐมวลเบา + คาน าความรอนของเซรามคไฟเบอร แบบ Blankets

Q Tota = 79.272 +1,122

= 1,201.272 W

คาในการน าความรอนของฉนวน = k1 + k2

= 0.13 + 0.40

= 0.53 W/m˚C

k1 =อฐมวลเบา, X1 = 0.115 m

k2 = เซรามคไฟเบอร, X2 = 0.025 m

T1 = 1,300 ˚C T2 = 25 °C

รปท 3.9 แสดงความสญเสยความรอนของพนทเตา

หาปรมาณความรอนทสญเสยใหกบผนงเตา

Q =

ก าหนดให

Q = ปรมาตรความรอนทสญเสยใหผนงเตา (W)

A = พนทผวภายในเตา (m2)

T = อณหภมสงสดภายในเตา-อณหภมภายนอกเตา (25˚C)

x1 = ความหนาของอฐมวลเบา (m)

x2 = ความหนาของเซรามคไฟเบอร แบบ Blankets (m)

k1 = คาการน าความรอนของอฐมวลเบา (W/m˚C)

k2 = คาการน าความรอนของเซรามคไฟเบอร แบบ Blankets (W/m˚C)

แทนคา

Q =

= 74.041 W

45

หาคาการพาความรอนของขดลวด โดยสมประสทธการถายเทความรอนดวยการพาของ

ขดลวด ความรอน KANTHAL A-1 = 15 x 10-8

จากสมการ (2.5)

ก าหนดให

Q = อตราการถายเทความรอน (W)

h = สมประสทธการถายเทความรอนดวยการพาความรอน (W/m2˚C)

A = พนทผวภายในเตา (m2)

= อณหภมทผนงดานทรอนหรอผนงแรก (K)

= อณหภมทผนงดานทเยนหรอผนงสดทาย (K)

แทนคา

= 15 x 10-8

(0.055 m2)(1300-25 K)

= 1.05 x 10-5

W

หาคาพลงงานทใชเปลยนแปลงอณหภมมดพราขนาด 0.432 kg

จากสมการ (2.8)

Q = MCP T

ก าหนดให

Q = ปรมาณความรอนทถายเท (kJ)

M = มวลรวม = 0.432 kg

T = อณหภมสงสดภายในเตา-อณหภมภายนอกเตา (25˚C)

Cp = คาความรอนจ าเพาะของเหลกกลาเจอ 0.51 kJ/kg. ˚C

แทนคา Q = MCp T

= 0.432 x 0.51 x 1275

= 280.908 kJ

พลงงานทใชในการอบเหลกชนงาน 0.432 kg, 129 วนาท(holding timeเหลกแหนบ 1

นาท ตอความหนา 1 mm บรเวณคมมดทจะใหความรอนหนาประมาณ 2.15 mm) 280.908 kJ

= 280.908/129

Q = 2.178 kW

Qtotal = 74.041 + (1.56 x 103)

= 1.634 kW

46

ประสทธภาพของเตาใหความรอนแกวตถ 70 %

= 1.634 / 0.7

= 2.334 kW

คาความปลอดภยของขดลวดความรอนมคา = 1.1

P = 2.334 x 1.1

= 2.567 kW

กระแสไฟฟา จากสมการ

I = P/V

=

= 11.668 A

การค านวณหาขนาดตางๆของลวดความรอน

การค านวณหาขนาดเสนผานศนยกลาง (d) ของขดลวด

จากสมการ (2.2)

d = √

ก าหนดให

P = ก าลงไฟฟา (W)

= คาสภาพตานทาน (Ω𝑚𝑚2 𝑚-1

)

R20

= คาตานทานทอณหภมหอง (Ω)

p = คาความรอนทผว (W/cm2)

แทนคา

R 20 = R t /C t

R t = V/I

= 220/11.668

= 18.855 Ω

Ct ทอณหภม 1,300 ˚C = 1.04

R20 = 18.855 /1.04

= 18.130 Ω

แทนคาในสมการ

d = √

= 3.38 mm /2 = 1.69 mm (หาร 2 เพราะ ขดลวดม 2 เสน)

47

หาขนาดขดลวดตอหนวยพนท

= 1.969 x x 1,000 mm

= 6,185.80 mm/2

= 3,092.9 mm

1,000 = 3,092.9 mm

r =

= 0.985 mm

D = 1.69 mm

เลอกใชลวดความรอน KANTHAL A-1 d = 1.69 mm

การค านวณหาระยะพตช (s) ของขดลวด

S = (2-3) d

= 2 x 1.69 mm

= 3.38 mm

การค านวณหาขนาดเสนผานศนยกลางโตสด (D)

D = (5-8) d

= 5 x 1.69

= 8.45 mm

รปท 3.10 ขนาดของรองและชองเปดของอฐมวลเบา

48

- การออกแบบรองใสลวดความรอน OD = เสนผานศนยกลางดานนอกของลวดความรอน ID = เสนผานศนยกลางของลวดความรอน Rd = เสนผานศนยกลางรอง Ro = ความกวาของชองเปด K = ระยะระหวางศนยกลางของรองถงขอบ OD = 8.45 mm ID = 10.14 mm Rd = 1.25D = 1.25 x8.45 = 10.56 mm

Ro = 0.65D = 0.65 x8.45 = 5.49 mm K = 0.85D = 0.85 x8.45 = 7.18 mm

49

เซรามคไฟเบอร แบบ Blankets เหลกแผน

อฐมวลเบา

เซรามคไฟเบอร แบบ Blankets

เหลกแผน

รปท 3.11 แสดงวสดทนไฟทใชในเตาอบชบมดพราดวยไฟฟา

50

รปท 3.12 แสดงภาพตดของเตาอบชบมดพราดวยไฟฟา

รปท 3.13 แบบเตาอบชบมดพราดวยไฟฟา

บทท 4

ผลการทดลอง

4.1 การเตรยมคาตางๆส าหรบการจ าลองสถานการณ

4.1.1 ค านวณคาก าลงไฟฟาจากการ Simulink ในโปรแกรม matlab โดยม Input คอ คา

กระแสไฟฟา และ Output คอ อณหภม (C) และมสมการการค านวณ คอ

(4.1)

ตองการท าใหอณหภม Output ประมาณ 1000C เมอ Simulink แลว ท าใหไดคาก าลงไฟฟา เทากบ

2.318 kW และ คากระแสไฟฟา เทากบ 10.54 A จากนนค านวณคา Heat Flux จากคาก าลงไฟฟาและขนาด

ของขดลวดซงเปนตวใหความรอน โดยการค านวณการออกแบบและสรางเตาอบชบมดพราดวยไฟฟา ขดลวด

ขนาดทค านวณไดไมมจ าหนาย ทางผจดท าโครงการจงไดเลอกขดลวดทมจ าหนาย ซงเปนขนาดมาตรฐานและ

ใกลเคยงกบขนาดขดลวดทค านวณได และไดค านวณคา Heat Flux ไดดงน

ตารางท 4.1 ขนาดของขดลวด

เดม ใหม

เสนผานศนยกลางของขดลวด 1.69 มลลเมตร 2 มลลเมตร

ระยะพตซของขดลวด 3.38 มลลเมตร 4 มลลเมตร

เสนผานศนยกลางโตสดของขดลวด 8.45 มลลเมตร 10 มลลเมตร

ความยาวของขดลวด 350 มลลเมตร 350 มลลเมตร

52

350 mm

10 mm

4 mm 2 mm

รปท 4.1 ขนาดของขดลวดในสวนตางๆ

ค านวณหาคา Heat Flux

หาความยาวของขดลวด จ านวนขดลวด

= 87.50 รอบ

87 รอบ

= 0.01 m. ×

= 0.0314 m.

ความยาวขดลวด = 0.0314 m. × 87 รอบ

= 2.73 m.

หา Surface (A)

A = = × 0.002 m. × 2.73 m.

= 0.0171 m2

Q =

Q =

= 135,555.56 W/m2

135.56 kW/m2

4.1.2 คา Convection heat transfer coefficient (Film Coefficient) เทากบ 2 W/m2°C

4.1.3 คา Emissivity () เทากบ 0.3

4.1.4 คา Ambient Temperature เทากบ 30C

53

4.1.5 เวลาทใชในการอบชบมดพรา ค านวณจาก เวลาในการใหความรอน 1 นาท ตอ ความหนาของ

ชนงาน 1 มลลเมตร ดงนน มดพรามความหนาโดยเฉลย 2.15 มลลเมตร เวลาในการใหความรอน เทากบ

129 วนาท หรอ 2.15 นาท

4.1.6 คา Isotropic Thermal Conductivity ของเหลกแหนบ JIS G4801-77 เทากบ 41.9

W/m2C

4.1.7 คา Specific Heat ของเหลกแหนบ JIS G4801-77 เทากบ 0.51 KJ/KgC

4.1.8 คา Density ของเหลกแหนบ JIS G4801-77 เทากบ 7.9 Kg/dm3

4.2 การจ าลองสถานการณโดยใชโปรแกรม ANSYS Workbench 14.0

ในการจะสรางเตาอบชบมดพราดวยไฟฟาขนนน จ าเปนจะตองมการจ าลองสถานการณทางวศวกรรม

เพอใหไดคาทเหมาะสมและดทสดส าหรบเตาอบชบมดพราดวยไฟฟา โดยจะใชโปรแกรม ANSYS Workbench

14.0 ในการจ าลองสถานการณเพอศกษาดการถายโอนความรอน เวลาทใชในการถายโอนความรอน และปจจย

ตางๆทเกยวของ

4.2.1 คลก เพอเปดโปรแกรม จากนนท าการตงคาระบบหนวยใหเปน Metric

(kg, m, s, °C, A,N, V) และเลอก “Display Values in Project Units”

รปท 4.2 แสดงการตงคาหนวย ในโปรแกรม ANSYS Workbench 14.0

54

4.2.2 เมอเปดโปรแกรมและท าการตงคาเรยบรอยแลว จากนนเลอก Transient Thermal บรเวณ

Toolbox ทปรากฏอยดานซายของหนาตางโปรแกรม สาเหตทใช Transient Thermal เพราะมการเปลยนแปลง

อณหภมทพนผวมดพราตลอดเวลา

รปท 4.3 แสดงวธการเลอกระบบ Transient Thermal ทน ามาจ าลองสถานการณมดพรา

4.2.3 เมอเลอกการวเคราะหแบบ Transient Thermal แลว จะปรากฏหนาตางขนมา จากนนเลอก

Engineering Data เพอทจะใสคาคณสมบตของวสดทตองการน ามาจ าลองสถานการณ ซงกคอคา Isotropic

Thermal Conductivity ของมดพรา ซงมดพราท ามาจากเหลกแหนบ (Leaf Spring) เปนเหลกสปรงประเภท

หนงอยในสวนประกอบของรถยนต สวนใหญจะเปนเหลกแหนบ JIS G4801-77 มคา Isotropic Thermal

Conductivity = 41.9 W/m2°C คา Specific Heat คอ 0.51 KJ/Kg°C และคา Density คอ 7.9 Kg/dm

3

รปท 4.4 การเลอกปอนขอมลใน Engineering Data

55

4.2.4 น าชนงานเขาโดยเลอกท Geometry > Import Geometry > Browse > เลอกไฟล model มดพรา

ทตองการน ามาวเคราะหการจ าลองสถานการณ

รปท 4.5 การน าเขารปรางของมดพรา

4.2.5 ดบเบลคลกท “Model” เพอท าการเปด Geometry ของมดพราทตองการน ามาวเคราะหการ

จ าลองสถานการณใน หนาของ Mechanical

รปท 4.6 รปรางมดพราหลงจากน าเขามาในโปรแกรม ANSYS Workbench 14.0

56

4.2.6 ท าการแบงอลเมนตของมดพราออกเปนสวนยอยๆ (Mesh) เพอวเคราะหหาการกระจายตวของ

อณหภมในมดพรา โดยการ คลกขวาทพนทตองการปรบ Mesh >> Insert >> Sizing >> ใสคา Element size ท

ตองการ คา Element size นอย จะท าให Mesh มขนาดเลกมากยงขน และตองการให Mesh มการเรยงตวอยาง

เปนระเบยบ คลกขวาทบรเวณพนททตองการปรบ Mesh >> Insert >> Mapped Face Meshing จากนนเลอก

Generate Mesh on Selected Bodies เมอท าการปรบ Mesh เรยบรอยแลว จะได Mesh บนมดพรา ดงแสดงใน

รปท 4.7

รปท 4.7 การเลอกการปรบขนาด Mesh ของมดพรา

รปท 4.8 การเลอกปรบขนาด Mesh ใหมการเรยงตวอยางเปนระเบยบของมดพรา

57

รปท 4.9 การแบงอลเมนตของมดพราเปนสวนยอยๆ

4.2.7 ท าการ Insert คา Heat Flux และ Convection โดย คลกขวาท Transient Thermal (A5) >>

Insert >> Heat Flux และ Convection

รปท 4.10 การ Insert คา Heat Flux ใน Transient Thermal

58

4.2.8 ก าหนดขอบเขตเพอเลอกพนททตองการ แลวกด Apply จะไดจ านวนเฟส 1 เฟส ทตองท าการ

ใสคา Heat Flux เทากบ 135.56 kW/m2°C

รปท 4.11 การเลอกขอบเขตของการปอนคา Heat Flux

ปอนคา Heat Flux ทคมมดพราทงสองดาน เพราะมดพราไดรบความรอนจากขดลวดความรอนทงสอง

ดาน

59

รปท 4.12 พนผวทท าการปอนคา Heat Flux

เลอกพนททตองการ แลวกด Apply จะไดจ านวนเฟส 15 เฟส ทตองท าการใสคา Film Coefficient

เทากบ 2 W/m2°C และคา Ambient Temperature เทากบ 30°C

60

รปท 4.13 พนผวทท าการปอนคา Convection

4.2.9 ท าการปอนคาใน Initial Temperature, Analysis Setting, Heat Flux และ Convection

ตารางท 4.2 คาตางๆทท าการปอนในโปรแกรม ANSYS Transient Thermal

Initial Temperature (อณหภมเรมตน) 30 °C

Heat Flux 135.56 kW/m2°C

Film Coefficient 2 W/m2°C

Ambeint Temperature 30 °C

รปท 4.14 การปอนคา Initial Temperature

61

รปท 4.15 การปอนคา Analysis Setting

รปท 4.16 การปอนคา Heat Flux

62

รปท 4.17 การปอนคา Convection

4.2.10 เมอใสคาทกอยางครบเรยบรอยแลวกท าการประมวลผลการจ าลองสถานการณ โดยคลก ท

“Solve”

รปท 4.18 ผลลพธของการจ าลองสถานการณในโปรแกรม ANSYS Transient Thermal

บทท 5

สรปผลการออกแบบเตาอบชบมดพราดวยไฟฟาและขอเสนอแนะ

5.1 สรปผลการออกแบบเตาอบชบมดพราดวยไฟฟา

จากการปฏบตงานโครงการการออกแบบและจ าลองสถานการณเตาอบชบมดพราดวยไฟฟา ผจดท า

ไดรบความรจากการศกษาคนควาทฤษฏทเกยวของและการปฏบตงาน ทงในเรองของกระบวนการอบชบมดพรา

คณสมบตของเหลกแหนบทน ามาใชท ามดพรา การออกแบบเตาอบชบมดพราดวยไฟฟา วสดทใชในการสราง

เตาอบชบมดพราดวยไฟฟา การถายเทความรอน และการใชโปรแกรม ANSYS Workbench 14.0 เพอศกษา

เวลาทใชในการอบชบทอณหภม 1000°C เปรยบเทยบกบการออกแบบเตาอบชบเบ องตน และศกษาการ

กระจายตวของความรอนบนผวมด รวมทงยงไดเรยนรถงปญหาทเกดขนในการท างานระหวางขนตอนตางๆของ

การปฏบตงาน

5.1.1 การออกแบบเตาอบชบมดพราดวยไฟฟาโดยการศกษาจากทฤษฏ

การออกแบบเตาอบชบมดพราดวยไฟฟาจ าเปนจะตองรอณหภมทเหมาะสมของกระบวนการ

อบชบ เวลาทใชในการอบชบ(Holding Time) ของเหลกแหนบทน ามาใชในการท ามดพรา จากการศกษาพบวา

อณหภมทเหมาะสมของกระบวนการอบชบเพอทจะท าใหเหลกมโครงสรางมารเทนไซตทตองการนนจะตองใช

อณหภมทสงเพยงพอเพอทจะเปลยนแปลงโครงสรางเฟสทตองการอบชบใหเปนโครงสรางออสเทนไนตทงหมด

หลงท าการอบชบจงจะไดโครงสรางเปนมารเทนไซต ซงเปนโครงสรางทมความแขง ซงจากการพจารณา

สวนผสมของเหลกแหนบทจะน ามาอบชบ สามารถแสดงสวนผสมทางเคมของวสดไดดงตารางตอไปน

64

ตารางท 5.1 สวนผสมทางเคมของเหลกแหนบทจะน ามาอบชบ

JIS G4801-77

SUP6

JIS G4801-77

SUP7

JIS G4801-77

SUP9

JIS G4801-77

SUP10

คารบอน 0.55-0.65 0.55-0.65 0.5-0.6 0.45-0.55

ซลกอน 1.50-1.80 1.80-2.00 0.15-0.35 0.15-0.35

แมงกานส 0.70-1.00 0.70-1.00 0.65-0.95 0.65-0.95

ซลเฟอร 0.035 0.035 0.035 0.035

ฟอสฟอรส 0.035 0.035 0.035 0.035

โครเมยม - - 0.65-0.95 0.8-1.10

จากการตรวจสอบสวนผสมทางเคมพบวาเหลกแหนบเปนเหลกกลาเจอต าทมซลกอนและ

แมงกานสเปนสวนผสมคอนขางสง ธาตผสมเหลาน จงท าใหปรมาณคารบอนทจดยเตกตอยดลดลง และเพม

อณหภมทจดยเตกตอยดใหสงขน อณหภมอบชบคอประมาณชวง 845 - 865 องศาเซลเซยสเปนชวงอณหภม

ทเหมาะสมในการอบชบมดพราทท าดวยเหลกแหนบ JIS G4801-77 ซงจะท าใหเกดโครงสรางออสเทนไนต

ทงหมดเมอท าการอบชบจะท าใหไดโครงสรางมารเทนไซตตามตองการ

จากการศกษาเวลาทใชในการอบชบ(Holding Time) ของเหลกประเภทสปรง (เหลกแหนบ

ทน ามาใชในการท ามดพรา) จะใชเวลา 1 นาทตอความหนา 1 มลลเมตร [10] ซงมดพราบรเวณทตองการท า

การอบชบหนาเฉลย 2.15 มลลเมตร ดงนนจะตองใชเวลาในการอบชบ (Holding Time) 129 วนาทเพอให

การกระจายความรอนจากผวไปถงสวนกลางของเนอชนงานจนเกดโครงสรางออสเทนไนตทสมบรณ และเมอท า

การชบแขงจะท าใหเกดเปนโครงสรางแบบมารเทนไซตซงเปนโครงสรางทมความแขงสง

จากนนด าเนนการออกแบบเตาอบชบมดพราดวยไฟฟา จากการค านวณสามารถหาคาตางๆ

ไดดงน

ก าลงไฟฟาทใหแกขดลวด (P) = 2.567 kW

กระแสไฟฟา (I) = 11 A

ขนาดเสนผานศนยกลางของขดลวด (d) = 1.69 mm.

ระยะพตซของขดลวด (S) = 3.38 mm.

ขนาดเสนผานศนยกลางโตสด (D) = 8.45 mm.

65

5.1.2 การออกแบบเตาอบชบมดพราดวยไฟฟาโดยศกษาจากโปรแกรมจ าลองสถานการณ ANSYS

การศกษาจากโปรแกรมจ าลองสถานการณ ANSYS Transient Thermal 14.0 เพอวเคราะห

การกระจายตวของความรอนและเวลาทใชในการอบชบเพอน าไปเปรยบเทยบกบการออกแบบเบองตน ผลของ

การจ าลองสถานการณท าใหไดอณหภมของคมมด เฉลยประมาณ 900 องศาเซลเซยส และอณหภมสงสดทมด

ไดรบ คอ ประมาณ 1,003 องศาเซลเซยส โดยใชระยะเวลาในการอบชบ 129 วนาท แตในการออกแบบ

เบองตนตามทฤษฏ อณหภมของเหลกแหนบทใชอบชบคอ 845-865°C เวลาทใชอบชบ 129 วนาท (1นาท

ตอความหนา 1 มลลเมตร) ในการจ าลองสถานการณใชชนงานทมความหนาไมเทากนทงชนงานโดยความหนา

ทใชจะเปนความหนาเฉลยของคมมด ท าใหไดอณหภมสงกวาคาการค านวณตามทฤษฎ โดยชวงอณหภมทผว

มดขนอยกบคา Heat Flux ทขดลวดใหแกมดพรา คา Heat Flux สามารถค านวณไดจาก คาก าลงไฟฟา

เนองจากการออกแบบเตาอบชบมดพราดวยไฟฟา ขนาดของขดลวดทค านวณไดเปนขนาดทไมมจ าหนาย จงได

เลอกขดลวดขนาดมาตรฐานทมจ าหนายและมคาใกลเคยงกบขนาดขดลวดทค านวณได ท าใหคาก าลงไฟฟาของ

ขดลวดทไดเปลยนไป จงจ าเปนตองค านวณหาคา Heat Flux ใหม เพอน ามาใชในการจ าลองสถานการณ

การกระจายตวของความรอนบรเวณผวมดทไดจะขนอยกบ ความหนาของมดพรา และ

อลเมนต โดยบรเวณทมความหนานอยจะไดรบความรอนเรวกวาบรเวณทมความหนามาก และถาอลเมนตม

ขนาดเลกจะใหคาอณหภมในการจ าลองสถานการณทไดใกลเคยงกบความเปนจรง

อณหภมอบชบทตองการ คอ 1000 °C เพอลดเวลาทใชในการอบชบใหนอยลง แตผลของ

การจ าลองสถานการณอณหภมอบชบทไดยงไมถงอณหภมอบชบทตองการ จงตองเพมคา Heat Flux ซงคา

Heat Flux ทเพมจะท าใหก าลงไฟฟา, กระแสไฟฟาและขนาดขดลวดเพมขน ดงนนจงควรเพมก าลงไฟฟา,

กระแสไฟฟาหรอขนาดขดลวด เพอใหไดอณหภม 1000 °C

66

5.1.3 สรปวสดและคาตางๆทจะน าไปใชในการสรางเตาอบชบมดพราดวยไฟฟา

เซรามคไฟเบอร Blankets

อฐมวลเบา

เซรามคไฟเบอร แบบ Blankets หนา 25

มลลเมตร

เหลกแผนหนา 3 มลลเมตร

รปท 5.1 แสดงวสดทนไฟทใชในเตาอบชบมดพราดวยไฟฟา

ตารางท 5.2 ตารางสรปวสดและคาตางๆทจะใชในการสรางเตาอบชบมดพราดวยไฟฟา

ขดลวด ขนาดเสนผานศนยกลาง 2mm. ระยะพตซ 4mm.

ขนาดเสนผานศนยกลางโตสดของขดลวด 10mm.

เทอรโมคปเปล Type K ความยาว ขนาดเสนผานศนยกลาง 15mm.

อฐมวลเบา หนา 7.5 cm. กวาง 20cm. ยาว 60cm.

เซรามกสไฟเบอร หนา 25 mm. กวาง 600 mm. ยาว 7200 mm.

เหลกแผน หนา 3 mm.

ตวควบคมอณหภม LT 900

เหลกฉาก(ขาตงเตา) ยาว 1 m.

ปนทนไฟ 1 ถง

กระแสไฟฟา 11 A

ก าลงไฟฟา 2.5 kW

เวลาทใชในการอบชบ 129 วนาท

อณหภมทใชในการอบชบ ประมาณ 1000°C

67

5.2 ปญหาและอปสรรคทเกดขน

5.2.1 แกไขแบบเตาจากทไดออกแบบไวในครงแรกคอยงไมมฝาปดดานบน ท าใหสญเสยความรอน

มาก จงท าการแกไขแบบเตาโดยการท าฝาปดดานบน ท าใหเกดความซบซอนในการออกแบบมากขน

5.2.2 เปลยนวสดทใชในการสรางเตา จากเดมทใชอฐทนไฟเปลยนมาเปนอฐมวลเบาเพราะมราคา

ถกกวา มน าหนกเบาและมคณสมบตคลายกบอฐทนไฟ คาคณสมบตของวตถเปลยนไปท าใหตองค านวณหาการ

สญเสยความรอนใหม

5.2.3 ไมมความรและประสบการณในการใชโปรแกรม ANSYS Workbench 14.0 จงตองใชเวลา

ในการศกษา ท าใหเกดความลาชาในการจ าลองสถานการณ

5.2.4 โปรแกรมใชระยะเวลาในการประมวลผลนานประมาณ 24 ชวโมงตอการประมวลผล 1 ครง

5.2.5 ในการประมวลผลบางครงอาจไมไดผลลพธทแมนย าจงตองท าการประมวลผลหลายครงถงจะ

ไดคาทสมบรณทสด

5.2.6 การประสานงานในการสงซอวสดทใชในการสรางเตาอบชบมดพราดวยไฟฟาทไดท าการสงซอ

ไป ท าใหไดรบวสดลาชา

5.3 แนวทางการแกไข

5.3.1 จากแบบเตาอบชบทไมมฝาปดท าใหเกดการสญเสยความรอนมาก จงไดปรบแกไขแบบเตา

โดยมฝาปดท าใหมการสญเสยความรอนนอยลง

5.3.2 เปลยนวสดทใชในการสรางเตาจากอฐทนไฟเปนอฐมวลเบาเพราะเปนวสดทมราคาถกกวา ม

หนกเบา และยงคงมคณสมบตการน าความรอนนอยกวาอฐทนไฟ

5.3.3 ท าการศกษา และสอบถามการใชโปรแกรมจากผทมความรและประสบการณในการใช

โปรแกรมจ าลองสถานการณ ANSYS Workbench 14.0

5.3.4 ท าการประมวลผล โดยเปลยนไปใชเครองคอมพวเตอรทมประสทธภาพสง โดยเครอง

คอมพวเตอรตองมแรมอยางนอย 6 GB ขนไป

5.3.5 ศกษาจากการประมวลผลกอนหนาทเกดปญหามาหาสาเหตเพอท าการแกไขและปรบปรงใน

การประมวลผลครงตอไป

5.3.6 ปญหาในการสงซอวสด ควรแกไขโดยการตดตามการสงซอและสงของเปนระยะๆ

68

5.4 ขอเสนอแนะ

5.4.1 ควรใชเครองคอมพวเตอรทมประสทธภาพสงในการประมวลผลการจ าลองสถานการณ

5.4.2 จดใหมการอบรมการใชโปรแกรม ANSYS Workbench 14.0 เพอลดระยะเวลาในการศกษา

โปรแกรมนอยลง

5.4.3 ควรเรมตนท าการสรางเตาไปพรอมกบการแกปญหาทเกดขนจรง

5.4.4 ควรมการสรางเตาอบชบมดพราดวยไฟฟาจรงและทดลองอบชบมดพราเพอเปรยบคาความ

แขง ใหมคาเหมาะสมส าหรบการใชงาน

69

เอกสารอางอง

[1] การออกแบบและพฒนาเตาอบชบโลหะดวยระบบไฟฟา,2546 สาขาวชาเครองมอกลและซอมบ ารง,

วทยาลยเทคนคคเมอง อ าเภอคเมอง จงหวดบรรมย.

[2] คมอการเลอกใชลวดทนความรอน Kanthal handbook, Assab Steel (ประเทศไทย) Ltd.1992

[3] จฑามาศ สจจธรรมวด, ณฐพล ชอบอาภรณ, พอพงษ ตนตอธมงคล,2549. ออกแบบและสรางเตาอบ

ชบแขงโลหะ. ปรญญานพนธวศวกรรมศาสตรบณฑต ภาควชาวศวกรรมอตสาหการ คณะวศวกรรมศาสตร

มหาวทยาลยเทคโนโลยมหานคร.

[4] บรรเลง ศรนล และ สมนก วฒนศรยกล, 2552, ตารางคมองานโลหะ. มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอม

เกลาพระนครเหนอ.

[5] บรษท สมารท คอนกรต จ ากด.อฐมวลเบา http:// SmartBlock.in.th สบคน 3 พฤศจกายน 2554.

[6] บรษท ไฮเดน-ฮตเทค จ ากด.เทอรโมคปเปล(หววดอณหภม) http://heater.igetweb.com สบคน 25

กรกฏาคม 2554.

[7] ปราโมทย เดชะอ าไพ,2550,ไฟไนตอลเมนตในงานวศวกรรม.พมพครงท 4.กรงเทพฯ:โรงพมพ

จฬาลงกรณ.

[8] ปรดา พมพขาวข า, 2538, วตถทนไฟ. พมพครงท 1. กรงเทพมหานคร : สรพมพ.

[9] มนส สถรจนดา, 2538, วศวกรรมการอบชบเหลก. วศวกรรมสถานแหงประเทศไทย กรงเทพฯ: โรง

พมพจฬาลงกรณมหาวทยาลย.

[10] วฒพงศ ศรอบล, ธระเนตร นอยคณ,2554. การปรบปรงการชบแขงคมมดพราดวยแกส. ปรญญา

นพนธวศวกรรมศาสตรบณฑต ภาควชาวศวกรรมอตสาหการ คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน

[11] K H PRABHUDEV,1988,Handbook of HEAT TREATMENT OF STEELS. McGRAW-HILL.

[12] YUNUS A. CENGEL,2006,HEAT AND MASS TRANSFER. McGRAW-HILL.

70

ภาคผนวก

71

ภาคผนวก

ขอมลวสดทน ามาใชในการออกแบบและสรางเตาอบชบมดพราดวยไฟฟา

ขอมลคาการน าความรอนของอฐมวลเบา

ขอมลขนาดของอฐมวลเบาทใช

72

ขอมลขนาดและคาการน าความรอนของเซรามคไฟเบอรแบบ Blanket ทใช

Thermal Conductivity,W/m,°C 96 kg/m3

400°C 0.10

800°C 0.23

1000°C 0.34

1300°C 0.40

73

ขอมลชนดและคาอณหภมของขดลวดความรอน

ขอมลคาสมประสทธการถายเทความรอนดวยการพาความรอนของขดลวด

74

ขอมลคาความหนาแนนและความรอนจ าเพาะของเหลกกลาเจอ

ขอมลคาสมประสทธการถายเทความรอนดวยการพาความรอนของอากาศ

75

การ Simulink หาคาก าลงไฟฟาในโปรแกรม matlab

76

สมการของความรอนของระบบในโปรแกรม matlab

77

กราฟความสมพนธระหวางอณหภมและเวลา

กราฟความสมพนธระหวางอณหภมอางองและเวลา

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

อณหภม (C

)

เวลา (s)

กราฟความสมพนธระหวางอณหภมและเวลา

อณหภม

0

200

400

600

800

1000

1200

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

อณหภม

(C

)

เวลา (s)

กราฟความสมพนธระหวางอณหภมอางองและเวลา

อณหภมอางอง

78

กราฟความสมพนธระหวางก าลงไฟฟาและเวลา

กราฟความสมพนธระหวางกระแสไฟฟาและเวลา

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

ก าลงไฟฟา

(W

)

เวลา (s)

กราฟความสมพนธระหวางก าลงไฟฟาและเวลา

ก าลงไฟฟา

-5

0

5

10

15

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

กระแสไฟ

ฟา

(A

)

เวลา (s)

กราฟความสมพนธระหวางกระแสไฟฟาและเวลา

กระแสไฟฟา

79

กราฟเปรยบเทยบระหวางอณหภมและอณหภมอางอง

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

อณหภม (C

)

เวลา (s)

กราฟเปรยบเทยบระหวางอณหภมและอณหภมอางอง

อณหภม

อณหภมอางอง