Технологии » 2012 » Март » 31 » Оборудование термических цехов
02:36
Оборудование термических цехов
Классификация и основные элементы нагревательных устройств


Нагрев при термической обработке может проводиться в печах, ваннах или в специальных установках и аппаратах.
Современные нагревательные устройства наряду с высокой производительностью и большим к. п. д. должны иметь малый расход топлива или электроэнергии на единицу продукции, быть надежными в эксплуатации при высоком уровне механизации и автоматизации работы.

Приступая к конструированию печей и нагревательных аппаратов, необходимо выбрать:

способы отопления, механизацию загрузки, выгрузки и движения деталей;
конструкцию и размеры рабочего пространства, обеспечивающие лучшую передачу тепла деталям;
строение и материалы кладки печи, позволяющие уменьшить потери тепла в окружающее пространство.
Классификация нагревательных устройств для термической обработки


Основными нагревательными устройствами для термической обработки являются печи, ванны и нагревательные установки.

Классификацию термических печей целесообразно проводить по трем основным признакам:
  • технологическому назначению;
  • способам механизации загрузки, выгрузки и движения деталей в печи;
  • источнику тепловой энергии и способу передачи тепла деталям (теплотехнической конструкции).
По технологическому назначению печи для термической обработки могут быть отжигательными, нормализационными, закалочными, отпускными, цементационными, азотировочными и т. п.

В большинстве случаев один и тот же процесс термообработки совершается в печах неодинаковых конструкций и, наоборот, одна печь часто служит для разных операций термообработки, например для нагрева под закалку, нормализацию, высокий отпуск.

При выборе технологического процесса термообработки необходимо учитывать температуру нагрева, точность ее регулирования, равномерность нагрева по величине садки и возможность применения контролируемой атмосферы.

Определяющими факторами при выборе конструкции термических печей являются способы механизации загрузки, выгрузки и движения деталей в печи, которые в свою очередь зависят от характера производства.


При единичном производстве термической обработке подвергается большое число деталей, различных по форме, размерам и марке сплава.
В этом случае наиболее пригодны универсальные камерные печи периодического действия.

Камерные печи периодического действия могут быть:
  • с неподвижным подом и внешней механизацией загрузки;
  • с выдвижным подом;
  • колпаковыми;
  • ямными со съемным сводом;
  • вертикальными, шахтными;
  • элеваторными (с подъемным подом);
  • с передвижной камерой;
  • двухкамерными или многокамерными.
При массовом производстве по одному режиму обрабатывается значительное количество одинаковых или однотипных деталей.
В этом случае используют специализированные печи поточного производства увеличенной длины.
Перемещение деталей в них механизировано.

Печи поточного производства непрерывного действия выполняются:
  • с наклонным подом (при движении деталей под действием силы тяжести);
  • толкательные;
  • с подвижным подом (конвейерные, туннельные, роликовые, с шагающими балками, с вибрирующим подом, карусельные);
  • барабанными;
  • протяжными.
Автоматизация и механизация усложняют постройку печей и нагревательных устройств и увеличивают их стоимость, но при этом обеспечиваются большая надежность и точность соблюдения технологического процесса, резко сокращаются расходы по зарплате и в конечном итоге быстро окупаются производственные затраты.
Поэтому при массовом производстве целесообразно создавать поточные агрегаты и комплексные поточные автоматические линии.

По источнику тепловой энергии нагревательные устройства для термической обработки разделяются на пламенные, электрические и печи аэродинамического подогрева (ПАП).
В последних используется энергия, выделяющаяся в результате трения и местных сопротивлений воздуха или газа, движущегося с высокими скоростями.

Способ передачи тепла деталям определяется температурным режимом печи и устройством рабочей камеры.

В камерных печах температурный режим поддерживается постоянным по всему рабочему пространству, но может меняться во времени, например при операциях отжига, загрузки новой партии деталей и т. п.

В печах непрерывного действия температурный режим постоянен во времени, но может меняться по длине.
По температурному режиму печи непрерывного действия можно подразделять на печи с постоянной температурой, методические, скоростного нагрева, рекуперативные (с использованием тепла, выделяемого охлаждаемым металлом).

Печи с постоянной температурой аналогично камерным имеют примерно одинаковую температуру по всей длине, а топки, горелки или нагревательные элементы распределяются в них равномерно.
Основное преимущество таких печей по сравнению с камерными состоит в том, что движение деталей в них механизировано.

Температура печи для термической обработки обычно на 30—50 °С выше конечной температуры нагрева металла.

В методических печах детали нагреваются постепенно, методически.
Для подогрева холодных деталей используется тепло отходящих газов.
Топки, горелки, форсунки сосредотачиваются на разгрузочной стороне печи.
Температура деталей или заготовок, которые движутся навстречу потоку печных газов от места загрузки к месту выдачи, увеличивается.

Методические печи могут быть двух- или трехзонными.
В конце последних имеется специальная камера выдержки, в которой температура поддерживается постоянной.
Это позволяет выравнивать ее по сечению деталей.

Методические печи используются лишь при необходимости медленного подогрева деталей.
В большинстве печи для термической обработки имеют невысокую температуру {не выше 900—1000 °С) и посадку деталей в них можно производить сразу в рабочую зону.
Поэтому в термических цехах целесообразнее применять печи с одинаковой температурой, используя тепло отходящих газов в рекуператорах.

В печах скоростного нагрева детали подвергаются быстрому нагреву.
В этом случае тонкие детали целесообразнее нагревать в печах с температурой на 150—200 °С выше конечной температуры, точно регулируя время пребывания их в печи.
Это достигается полной автоматизацией движения деталей.
При нагреве массивных деталей температуру повышают в начале печи, а когда поверхность деталей прогреется до заданной температуры, ее снижают.

В пламенных печах скоростного нагрева для получения высокой температуры и повышения к.п.д. применяют рекуператоры, в которых тепло отходящих газов используется для подогрева воздуха, идущего на горение.

Рекуперативные печи применяются при отжиге, когда детали подвергаются нагреву, выдержке и охлаждению.
В этом случае они движутся по печи несколькими параллельными рядами или двумя (один над другим) встречными потоками.
Тепло, выделяемое охлаждающимся металлом, используется для подогрева вновь посаженных деталей.

В рекуперативных печах расходуется минимальное количество топлива или электроэнергии, они имеют высокий к. п. д.
От рекуперативных печей следует отличать печи, снабженные рекуператором, который позволяет использовать тепло, уносимое дымовыми газами.

По устройству рабочей камеры (теплотехнической конструкции) печи для термической обработки подразделяются на печи:
  • с отдельными камерами сжигания топлива;
  • с непосредственным отоплением;
  • с косвенной передачей тепла через стенку муфеля (муфельные печи).
Печи с отдельными камерами (топками) применяются при сжигании твердого и жидкого топлива с целью получений более полного горения и равномерного распределения тепла по объему печи.
Топка по отношению к рабочему пространству печи может быть расположена сверху, сбоку, снизу рабочей камеры и отдельно (выносная).

Печи с непосредственным отоплением работают на газовом топливе.
В них отсутствует специальная камера сгорания, а газ и воздух смешиваются в горелках.
Последние можно вводить непосредственно в рабочее пространство печи.
Равномерность нагрева деталей достигается в результате правильного распределения горелок по высоте и длине рабочего пространства и создания необходимого направления факела.

В печах, работающих при низких температурах нагрева, отдельные топки устраивают и в случае газового отопления, соблюдая принцип циркуляции и рециркуляции продуктов сгорания.

В электрических печах сопротивления садка нагревается лучеиспусканием непосредственно от нагревательных элементов.
Последние могут располагаться на боковых стенках, поде и своде печи.
При температуре печи до 1200 °С применяются металлические нагревательные элементы в виде ленты или проволоки, изготовленные из сплавов омического сопротивления.

В случае температур печи более 1300 °С используются неметаллические нагревательные элементы в виде стержней из карбида кремния или дисилицида молибдена (последние чаще имеют U-образную форму).

В печах с низкой температурой тепло деталям передается в основном конвекцией.
Коэффициент теплопередачи конвекцией может быть повышен в результате создания высоких скоростей движения в печи специальной атмосферы или нагретого воздуха.

Принудительная циркуляция в электрических печах с температурой 500 °С позволяет сократить время нагрева в два раза, а в печах с температурой 200 °С в пять раз.

Циркуляция создается осевыми и центробежными вентиляторами.
Последние позволяют получать большие напоры и высокие скорости движения газов.

Осевые вентиляторы допускают реверсирование движения газа и нагретого воздуха, обеспечивая равномерный нагрев садки по объему печи.
Иногда с целью выравнивания состава атмосферы вентиляторы применяются и в печах с повышенными температурами: цементационных и нитроцементационных.

Для создания циркуляции газов в цементационных печах разработаны специальные инжекторы, в которых вводимый в печь рабочий газ инжектирует печную атмосферу, отсасывая ее через садку.

Для обеспечения надежной циркуляции инжекторы должны иметь высокий коэффициент ннжекции (не менее 20—30).
Инжекторная система по сравнению с вентиляторами более надежна (отсутствуют вращающиеся части в зоне высоких температур).
Она обеспечивает активный массообмен, ускоряющий процесс цементации.

Муфельные печи, в которых создаются специальные контролируемые атмосферы, используются для светлого отжига, светлой закалки, цементации, азотирования, когда нагреваемые детали приходится изолировать от продуктов сгорания, а нагревательные элементы от атмосферы печи (в электрических печах).

Изолировать детали от атмосферы печи можно двумя способами: помещать детали в муфель или сжигать топливо и размещать электрические нагревательные элементы в специальных муфелях и трубах.

В первом случае печи называются муфельными, а во втором — «безмуфельными» или с муфелированием пламени.

Нагревательные ванны целесообразно классифицировать по характеру нагрева, а именно:
  • ванны с наружным обогревом;
  • ванны с внутренним обогревом;
  • электродные ванны;
  • ванны с «кипящим слоем».
Ванны, как и печи, могут быть камерными периодического действия и непрерывного действия.

Нагревательные установки и аппараты для термической обработки по характеру используемой энергии делятся на установки:
  • непосредственного нагрева электрическим током;
  • поверхностного контактного электронагрева;
  • поверхностного нагрева токами высокой частоты;
  • сквозного нагрева токами низкой частоты;
  • нагрева в электролитах;
  • электронно-лучевого нагрева;
  • нагрева лучом лазера;
  • поверхностного нагрева газокислородным пламенем и низкотемпературной плазмой.
Индексация печей

Термические печи и ванны обозначаются индексами из ряда букв и цифр.

Первая буква индекса указывает вид нагрева.
Электрические печи обозначаются буквой С (нагрев сопротивлением), топливные — буквой Т (термическая пламенная).

Вторая буква индекса соответствует основному конструктивному признаку (способу механизации).
Приняты следующие обозначения печей:
Н — с неподвижным подом и внешней механизацией;
Д — с выдвижным подом;
Г — колпаковые;
Я — ямные со съемным сводом;
Э — элеваторные (с подъемным подом);
Ш — вертикальные, шахтные;
Т — толкательные;
К — конвейерные;
Е — с подвесным конвейером;
Л — туннельные;
Р — с роликовым (рольганговым) подом;
Ю — с шагающими балками;
И — с пульсирующим подом;
А — карусельные (с вращающимся подом или сводом);
Б — барабанные;
У — методические (кузнечные, прокатные);
В — печи-ванны.

Третья буква индекса отвечает характеру среды в рабочем пространстве.
Приняты такие обозначения атмосфер:
О — окислительная, обычная;
З — защитная (контролируемая);
В — вакуум;
Н — водородная;
А — азотная;
Ц — цементационная ;
С — расплав солей.

Четвертая буква индекса соответствует отдельным характерным особенностям печей, например:
А — печь входит в агрегат;
М — механизированная;
В — вертикальная;
К — кольцевая;
Т — тарельчатый под (в печах с вращающимся подом).

За буквами через дефис следуют цифры, указывающие размеры рабочего пространства печи в дециметрах.
Для печей с прямоугольным сечением рабочей камеры первая цифра соответствует ширине пода, вторая — длине, третья —высоте камеры.

Для печей круглого сечения (шахтные, ямные и др.) первая цифра отвечает диаметру, вторая — высоте камеры.

Для печей с вращающимся подом первая цифра указывает внешний диаметр пода, вторая—внутренний, третья —ширину пода.

Цифры, показывающие размеры камеры печи, разделяются между собой точками.
Предельная температура печи (в сотнях градусах Цельсия) приводится в знаменателе через косую черту с последней цифрой размера печи.

Для топливных печей после цифр через дефис дается буква, обозначающая вид топлива:
*Г — природный или другой газ;
*М — мазут или другое жидкое топливо.
 
Примеры обозначений

1) индекс печи ТНО-8.Г2.6/9-Г читается так:
печь топливная, камерная с неподвижным подом, обычной атмосферой, ширина пода 8 дм, длина 12, высота камеры 6 дм, предельная температура нагрева 900 °С, работает на газовом топливе;

2) индекс печи СШЦ 6.12/Ш обозначает следующее:
печь электрическая, шахтная, цементационная, диаметр печи 6 дм, высота 12 дм, предельная температура нагрева 1000 °С;

3) индекс печи ТТЗА 8.70.9/9,5-Г расшифровывается так:
печь топливная, толкательная, с контролируемой атмосферой, агрегируемая, ширина пода 8 дм, длина 70 дм, высота камеры 9 дм, предельная температура нагрева 950 °С, работает на газовом топливе.

В индекс ряда электрических печей входят буквы ОКБ пли СКВ (особое или специальное конструкторское бюро), за которыми следует номер.
Таким образом обозначаются единичные печи, не вошедшие в серию.
 
Выбор способа отопления

В общем случае методика выбора топлива для термических печей должна быть следующей:
1. Намечаются виды топлива, позволяющие обеспечивать требуемые атмосферу печи, температуру нагрева, точность ее регулирования и качество выпускаемой продукции.
2. Определяется стоимость нагрева в зависимости от цены на топливо и предполагаемого его расхода с учетом к.п.д и условий эксплуатации печей (текущего ремонта, амортизационных отчислений, затрат на зарплату).
3. Учитываются запасы местного топлива.

В ряде случаев последнее обстоятельство может быть решающим.

Лучшим видом энергии при термической обработке является электроэнергия.

В результате ее использования для нагрева обеспечиваются:
  • точность соблюдения температурного режима и его полный автоматический контроль;
  • лучшее распределение тепла;
  • большая компактность конструкции и высокий к. п. д. печи;
  • возможность применения контролируемых атмосфер без усложнения конструкции печи;
  • простота пуска и остановки печей;
  • гигиеничность;
  • возможность установки печи в любом цехе, включая механосборочный.
Однако электроэнергия пока является самым дорогим видом топлива.
Кроме того, для электрических печей характерны высокие амортизационные расходы и стоимость текущего ремонта по сравнению с пламенными, что также удорожает нагрев.

В пламенных печах используется, газовое и жидкое топливо.
Газовое топливо дает те же преимущества, что и электроэнергия, позволяя соблюдать точность температурного режима и равномерность распределения тепла по
печи.
В газовых печах с трубчатыми нагревательными элементами можно применять контролируемые атмосферы.

Жидкое топливо — мазут (Q = 40—42 МДж/кг) можно использовать в небольших высокотемпературных печах, например для нагрева под закалку инструмента из быстрорежущих сталей.

В результате разрешенияпроблемы дальнего газоснабжения, применения методов подземной газификации, разработки местных залежей природного газа и лучшего использования промышленных газов потребление жидкого топлива при термообработке будет значительно сокращаться, так как нефтяные продукты целесообразнее использовать как сырье в химической промышленности.

При оценке стоимости нагрева следует иметь в виду, что калории тепла, полученные при использовании электроэнергии и топлива, не равноценны, так как к.п.д. электрических печей благодаря отсутствию дымовых газов в два-три раза выше, чем пламенных.

Учитывая удобство использования электроэнергии для малых термических печей, за одну калорию тепла, получаемую в результате применения электроэнергии, считается рентабельным платить в десять раз больше, чем в случае сжигания нефтяного топлива, в восемь — природного газа и в 4,5 — генераторного.

Однако при сравнении экономичности электрических и пламенных печей следует учитывать стоимость выработки электроэнергии.
По подсчетам, на ближайшее время экономически выгоднее применять газовое топливо, особенно если учитывать возможность использования тепла отходящих газов.

Учитывая, что к.п.д. электрических печей в 2,5 раза выше, чем пламенных, стоимость нагрева в электрических печах сопротивления будет дороже.
 
Выбор внутреннего пространства печей и ванн


Выбор конструкции внутреннего пространства печей и ванн зависит от применяемого вида топлива и способа передачи тепла деталям.
Термические печи могут выполняться с отдельной топкой, непосредственным отоплением, аэродинамическим подогревом, муфелированием садки и пламени.

В печах с отдельной топкой последняя располагается сверху, сбоку, снизу рабочей камеры; иногда она делается выносной.

Печи с верхней топкой (рис. 1.а) могут работать на жидком или газообразном топливе.
Верхняя топка отделена от рабочего пространства решетчатым сводом 2 из шамотного кирпича.
При ширине печи до 2 м решетчатый свод делается толщиной в 1/2 кирпича (115 мм), а при большей ширине — в 1 кирпич (230 мм).

Горелки или форсунки размещаются в шахматном порядке в боковых стенках топки.
Продукты сгорания, распределяемые по площади рабочего пространства решетчатым сводом, омывают детали, находящиеся на поду печи, и отводятся через ряд каналов 3 в дымовой боров 4.

Часто дымовые отводящие каналы размещаются в боковых стенках на уровне пода печи.
Скорость дымовых газов в решетчатом своде принимается равной 2—3 м/с.

Печь компактна, но имеет много недостатков.
Детали в ней получают тепло только сверху, что не позволяет добиться равномерного распределения температуры в большой садке.
Высота последней не должна превышать 0,6—0,8 м.
На решетчатый свод действует высокая температура со стороны топки и рабочего пространства печи.
Это приводит к необходимости его частого ремонта (через 0,5—1 год), который весьма затруднителен.
Горелки и форсунки располагаются высоко и неудобно для обслуживания, а быстрый разгар отверстий горелок обусловливает значительное выбивание газов.

Учитывая перечисленные недостатки, печи с верхней топкой проектировать для новых термических цехов не следует.



Рис. 1. Поперечные разрезы термических печей с отдельными топками

Схема печи с боковыми топками, работающей на мазуте или газе, приведена на рис. 1.б.
Топки 3 находятся ниже уровня пода 1 печи.
Продукты сгорания из топок поднимаются вдоль боковых стенок, подсасывая более холодные газы из-под деталей или заготовок садки.
Поднявшись под свод, продукты сгорания омывают детали и по каналам 2 в поду печи уходят в боров 4.

Детали загружаются через посадочное окно, расположенное с торцевой стороны печи.
При ширине рабочего пространства менее 1,6 м топки размещают с одной стороны печи.
В ряде конструкций их помещают на уровне пода и отделяют от деталей кирпичной решетчатой перегородкой.

В этом случае факел пламени ударяется о перегородку, частично проскакивает под деталями, которые укладываются иа кирпичные столбики или литые подставки, что позволяет обеспечить более равномерный нагрев.

Ширина топок составляет 350—460 мм, расстояние между горелками или форсунками равно 800—1200 мм.
Перегородка должна быть на 150—250 мм выше оси горелки или форсунки.

В печах с высокой температурой желательно, чтобы процессы горения завершались в рабочем пространстве, поэтому объем топки надо делать минимальным.

В печах с нижней топкой (рис. 1.в) может быть использован любой вид топлива.
Топки 2 размещаются под подом 1 рабочей камеры в виде ряда параллельных каналов шириной 400—800 мм, перпендикулярных к длине печи.

Продукты сгорания из топки поднимаются в рабочее пространство со стороны, противоположной горелке или форсунке, и отводятся в каналы у загрузочного окна.
Часть продуктов сгорания из рабочего пространства в результате создаваемого разрежения подсасывается в топку (в отверстие над горелкой или форсункой), вызывая рециркуляцию газов.

Горелки или форсунки в топках располагаются в шахматном порядке.
При этом дымовые газы циркулируют кольцевыми встречными потоками, что повышает равномерность нагрева деталей.

При газовом отоплении для усиления циркуляции в рабочем пространстве печи устанавливают дополнительные горелки со стороны выхода продуктов сгорания из топки 2.
Загрузочное отверстие располагается в торце рабочего пространства.
Печи с нижней топкой широко применяются в термических цехах и являются типовой теплотехнической конструкцией.
Благодаря теплому поду и рециркуляции печных газов они позволяют поддерживать равномерную температуру при нагреве как под закалку (900—800 °С), так и под отпуск (600—300 °С).
Печи компактны, и потери тепла в них незначительны.

Печи с выносными топками используются для нагрева на низкие температуры.
Топка  (рис. 1.г) устанавливается отдельно от печи; продукты сгорания из топки направляются по трубопроводу в рабочее пространство вентилятором 3.
Камера сгорания в топке отделяется от потока циркулирующих газов решетчатой перегородкой 2.

При выносных топках теряется много тепла в наружных трубопроводах, поэтому рассматриваемые печи следует использовать тогда, когда одна топка обслуживает несколько низкотемпературных печей.

Печи с непосредственным отоплением применяются для термической обработки только при использовании газового топлива или электроэнергии.
В пламенных печах горелки размещаются в боковых стенках печи, факел пламени вводится непосредственно в рабочее пространство.

Для создания лучшей циркуляции газов садка устанавливается на литые металлические или кирпичные подставки.
В больших печах горелки располагаются по обеим боковым стенкам в два ряда по высоте.
Факел пламени верхних горелок направляется под свод.
Продукты сгорания опускаются по противоположной боковой стенке, подхватываются факелом нижних горелок и направляются под садку.

Создаются кольцевые потоки продуктов сгорания, омывающие садку.
В результате этого достигается более равномерное распределение температуры в печи.

Расстояние между горелками при непосредственном отоплении принимают равным 800—1500 мм, а при «беспламенном» горении — 400—800 мм.
Продукты сгорания отводятся через дымовые каналы, расположенные в поду печи или в боковых стенках.
В малых печах (шириной до 1,2 м) горелки размещаются с одной стороны печи в один ряд, а между горелками в той же стенке делаются дымовые каналы, по которым продукты сгорания отводятся в верх печи под колпак или вниз в боров.
При этом факел направляется под свод, продукты сгорания опускаются вдоль противоположной стенки печи под садку и уходят в дымовые каналы.

Верхние горелки рекомендуется направлять под углом 15—20° к горизонтали, чтобы их факел не ударял в свод печи, а омывал его.
Производительность нижних горелок в 2—2,5 раза больше верхних.

При резком изменении производительности горелок или форсунок (в три раза и более) топливо сжигается в две стадии, первая из которых осуществляется в специальных топках или форкамерах с коэффициентом расхода воздуха 0,7—0,8.
Продукты сгорания в этом случае рециркулируют под действием дополнительных струй воздуха, вводимых через патрубки, заменяющие горелки.

Печи аэродинамического подогрева применяются для обработки деталей при низких температурах (до 500 °С).
Нагрев в ПАП происходит за счет использования энергии, выделяющейся в результате трения и местных сопротивлений, возникающих при движении газа или воздуха.

Центробежный вентилятор отсасывает воздух из рабочего пространства печи и гонит его между боковыми стенками и экраном обратно в печь.
Есть конструкции с трех-и четырехсторонним движением воздуха.
Температура в ПАП регулируется в результате изменения числа оборотов ротора центробежного вентилятора или его периодического отключения.

При повышении температуры печи ее тепловой эффект понижается, что обусловлено уменьшением плотности движущегося газа или воздуха.
Скорость потока воздуха или газа в печи составляет 20—25 м/с.
Значительная доля тепла затрачивается на разогрев печи, поэтому для футеровки ее стен лучше использовать шлаковую вату, которая имеет малую плотность и хорошие теплоизоляционные свойства.
Время нагрева и потребляемая мощность в ПАП благодаря усиленной конвективной теплопередаче значительно меньше, чем в электрических печах сопротивления.

Печь с муфелированием садки имеет нижние топки.
Для улучшения циркуляции горячих газов вокруг муфеля в ее рабочем пространстве устанавливают дополнительные горелки.
Последние располагаются по длине печи в шахматном порядке.

Муфель изготавливается из отдельных литых или сварных секций из сталей типа Х25Н20С2 и Х18Н25С2 длиной 0,7—1,0 и шириной 0,6—1,0 м.
Секции скрепляются с помощью фланцев через уплотнительные прокладки болтами и сваркой.
Для удобства ремонта муфеля свод печи делается съемным и снабжается песочными затворами.

Печи с муфелированием пламени трубчатыми нагревательными элементами.
Трубы U-образной формы диаметром 60—100 мм из жаростойкой стали располагаются горизонтально в два ряда по высоте печи (один ряд над садкой, другой — под ней), что позволяет значительно увеличить ширину печи и ее производительность, в три-пять раз сократить расход жаростойкой стали.

При большой ширине рабочего пространства для поддержки труб устанавливается дополнительная средняя подвесная опора.
Герметичность такой печи достигается с помощью наружного сварного кожуха, а также специальной глазировкой внутренней поверхности кладки.
Стены лучше футеровать кварце-глинистым доменным кирпичом.
Для удобства ремонта верхняя крышка кожуха делается съемной с песочными затворами.


Циркуляция атмосферы в печи осуществляется с помощью вентиляторов, размещаемых в боковых стенках или в своде над верхними нагревательными трубчатыми элементами печи.

В печах с муфелированием пламени нагревательные трубы могут располагаться вертикально по боковым стенкам.
 
Кладка термических печей, ванн и материалы кладки


Стены и свод термических печей состоят из слоев огнеупорного кирпича и теплоизоляции.
В качестве огнеупорного кирпича для термических печей с температурой выше 700 °С используется плотный или легковесный шамотный кирпич (ГОСТ 5040—96), который состоит из 60—52 % SiO2 и 30—45 % Аl2О3.

По своим химическим свойствам шамотный кирпич нейтрален, имеет низкую электропроводность, его удельное электрическое сопротивление при 800°С больше 104 Ом·см, а в случае 1200 °С превышает 103 Ом·см.

Это позволяет использовать его в печах как материал для крепления нагревательных элементов.

По огнеупорности плотный шамотный кирпич разделяется на три класса:
А — с допустимой рабочей температурой до 1300°С,
Б —до 1250 °С,
В —до 1200 °С.

Для кладки печей можно применять кирпич класса В (кроме топок).

Стандартный шамотный кирпич имеет размеры 230х11Зх63 мм при массе 3,2 кг.
В 1 м3 кладки находится около 620 кирпичей.

Линейные размеры кладки печи должны приниматься исходя из размеров стандартного кирпича с учетом толщины швов, равной в среднем 2—3 мм (условный средний размер кирпича со швами составляет 232х115х65 мм).

Для кладки сводов печей применяется клиновой и ребровой шамотный кирпич размерами 230х113х65—55 мм и массой 2,9 кг.
В 1 м3 кладки находится около 700 таких кирпичей.

Для кладки круглых печей, пят сводов, перекрытий, крепления нагревателей, ввода горелок и т. п. нашей промышленностью выпускаются фасонные шамотные кирпичи (ГОСТ 8691—73).

Для кладки рабочего пространства термических печей следует рекомендовать легковесный шамотный кирпич, который благодаря микропорам обладает незначительной теплопроводностью и малой плотностью.

Огнеупорность легковесного шамотного кирпича мало отличается от огнеупорности плотного, но первый имеет малые прочность и термическую стойкость, высокую газопроницаемость.

Срок службы легковесных шамотов, используемых для внутренней футеровки печей, можно продлить, применяя защитные обмазки.
Простейшей из них является размолотый шамот, смешанный с глиной и жидким стеклом, хороший эффект получается при использовании хромомагнезитовых и циркониевых обмазок.

В результате применения легковесного шамотного кирпича в периодически работающих печах намного сокращаются потери тепла от аккумуляции кладки и обеспечивается ее быстрый разогрев.

В качестве огнеупорной футеровки для стен и подов печей могут использоваться огнеупорные бетоны, которые состоят из порошка и боя шамота и вяжущего вещества — глиноземистого цемента.
Глиноземистые огнеупорные бетоны применяются при температурах: до 1400 °С.
Кладка из бетона должна быть тщательно высушена и прогрета..

Использование указанной кладки вместо кирпичной позволяет резко уменьшить количество швов и значительно удешевить изготовление фасонных частей футеровки.

В качестве теплоизоляционных материалов в термических печах применяют диатомитовый, пеношамотный и пенодиатомитовый кирпичи, вермикулитовые, совелитовые, асбоцементные и минераловатные плиты и засыпки.
Вермикулит вспученный

Диатомитовые кирпичи и засыпки представляют собой панцири микроводорослей — диатомий, содержащих 90—95 % аморфного SiO2.
Они обладают высокой пористостью, плотностью 700—500 кг/м3, теплопроводностью λ50 = 0,17—0,12 Вт/(м·К), но имеют пониженные огнеупорность и прочность.

Для теплоизоляции часто применяются необожженный порошок диатомита — инфузорная земля и обожженный — кизельгур.

Применяемый для теплоизоляции печей вермикулит представляет собой продукты выветривания слюды.
При нагреве 650—700 °С он расщепляется на отдельные листочки и вспучивается, увеличиваясь в объеме в 10—15 раз, и дает хороший теплоизоляционный материал (зонолит) с очень малыми плотностью (200—100 кг/м3) и теплопроводностью λ50 = 0,08—0,06 Вт/(м·К).

Совелитовые изоляционные материалы готовятся из асбеста и белой магнезии, получаемой в результате переработки доломита и мела.
Засыпка из котельного или гранулированного шлака при плотности 700—1000 кг/м3 имеет теплопроводность λ50 = 0,17—0,29 Вт/(м·К), теплоемкость с = 0,75 кДж/(кг·К) и применяется при температурах до 900—800 °С.

В качестве облицовочного материала для наружной кладки дымоходов, подов печей, заполнения фундаментов и т. п. применяется красный кирпич размером 250х120х65 мм.
Его теплопроводность λt= 0,40+0,00044 t°С, а теплоемкость с = 0,88 кДж/(кг·К).

Для сокращения потерь тепла выгоднее увеличивать толщину изоляции, уменьшая слой огнеупорного шамотного кирпича.
При этом целесообразно использовать наиболее эффективные материалы: пеношамот, диатомитовый легковес, пенодиатомит, вермикулитовые плиты и т. п.

Для термических печей с температурой 900—800 °С можно использовать шамот толщиной в 0,5 кирпича, т. е. 113 мм.

Кладка печей с температурой ниже 700 °С может быть выполнена диатомитовым кирпичом, в качестве теплоизоляционного материала при этом используются вермикулит, минеральная вата и др.

Для обеспечения прочности огнеупорного слоя его толщина выбирается такой: при высоте стен печи до 1 м — 0,5 кирпича, от 1 до 2,5 м — 1 кирпич и более 2,5 м —1,5 кирпича.

Толщина изоляционного слоя из диатомитового кирпича в малых печах составляет 0,5 кирпича, а в больших —1 кирпич и более.
Кладка стен печи ведется вперевязку: через каждые четыре ряда внутренний огнеупорный слой перевязывается с наружным изоляционным.

Своды термических печей делаются из шамота толщиной в 0,5 кирпича (113 мм) при ширине печи до 1 м, в 1 (230 мм) —до 3,5 м и в 1,5 (350 мм) — свыше 3,5 м.

При кладке сводов через каждые 2 м необходимо делать температурные швы толщиной 4—6 мм, особенно при использовании легковесного шамота с малой механической прочностью.
Своды печей следует изолировать диатомитовым кирпичом или другими изоляционными материалами (толщина слоя 70—140 мм).
Пяты свода полностью выполняются из огнеупорного кирпича, а давление на них кладки свода передается на арматуру печи через поперечный уголок, швеллер или литую балку.

Подины термических печей выкладываются из шамотного кирпича, шамотной набивки или огнеупорного бетона, а наружный слой толщиной 210—230 мм делается из диатомитового кирпича.

Для прочности кладки пода ряды кирпича чередуются на ребро и плашку, первые укладываются «в елочку».
Если под делается наклонным, то таким должен быть и фундамент.
Глубина закладки последнего ниже уровня земли определяется системой дымоходов.
Желательно, чтобы под печи возвышался над уровнем пола цеха на 800—900 мм.

Отводящие дымовые каналы футеруются слоем шамота толщиной в 0,5 кирпича.
Дымовые борова и каналы, расположенные под печью, изготовляются из шамота (толщина стенки в 0,5 кирпича) и красного кирпича (в один кирпич).

Промежутки заполняются боем красного кирпича или бутовой кладкой.
Сводики боровов вне печи делаются в 0,5 шамотного кирпича, а стенки — в 0,5 диатомитового кирпича и 1 —1,5 красного (в зависимости от возможной нагрузки на  боров).

В последнее время для термических печей применяют футеровку внутренней поверхности огнеупорными волокнистыми материалами.
В отечественной огнеупорной промышленности освоено несколько видов таких материалов (ГОСТ 23619—79).
Материал в виде плит и рулонов на основе муллито-кремнистых волокон (МКРП и МКРР) с содержанием 48—51 % Аl2О3 применяют для печей с температурой до 1150 °С.
 
Контроль качества термообработки

В цикле производственного процесса изготовления деталей термическая обработка является последней операцией, от которой во многом зависит качество выпускаемой продукции.
Поэтому контроль качества продукции в термическом цехе имеет весьма важное значение.
Хорошо организованный и правильно поставленный контроль в термическом цехе способствует повышению качества продукции, улучшению технологии изготовления деталей, выявлению причин брака.

Технический контроль продукции проводится работниками отдела технического контроля (ОТК) и заводской лаборатории.
В термическом цехе осуществляется текущий контроль качества обрабатываемой продукции.

Основными моментами контроля качества детали являются:
  • осмотр деталей после их полной или частичной очистки от окалины с целью выявления наружных пороков (трещин, закатов, плен) и недостатков обработки поверхности;
  • контроль соответствия размеров детали допускам, принятым в ТУ, и проверка кривизны длинных деталей (труб, валов, прутков);
  • контроль твердости, дающий первое представление о свойствах металла, полученных в результате термической обработки;
  • проверка механических свойств деталей, предусмотренных государственными стандартами и ТУ;
  • контроль макро- и микроструктуры металла;
  • проверка технологических свойств;
  • контроль качества деталей с целью обнаружения трещин, раковин и других пороков, не замеченных при наружном осмотре.
Контроль твердости и структуры

В термических цехах наиболее распространены методы контроля твердости на прессах.
Эти методы основаны на вдавливании закаленного шарика, алмазного конуса и алмазной пирамиды соответственно прессами ТШ (твердомер шариковый), ТК (твердомер с конусом) и ТП {твердомер с пирамидой).

Твердость определяется по величине получаемого отпечатка; на прессах ТК значение твердости сразу указывается на шкале индикатора.

Нормализованные и отожженные детали проверяются на твердость при вдавливании шарика прессом ТШ (Бринелль) или ТК (Роквелл), а закаленные детали — при вдавливании алмазного конуса прессами ТК.

Испытание алмазной пирамидой с помощью прессов ТП (Виккерс) в цеховых условиях используется лишь при определении твердости тонких слоев металла, например после азотирования или хромирования.

Чаще при испытании на прессе ТШ применяют шарик диаметром 10 мм при нагрузке 3000 кг и времени выдержки под нагрузкой 30 с.
Чем мягче материал и меньше толщина стенки испытуемой детали, тем незначительнее нагрузка и диаметр шарика.

Между твердостью НВ, измеряемой на прессе ТШ, и прочностью при растяжении существуют приближенные соотношения.

В производственных условиях, особенно в термических отделениях инструментальных цехов, для контроля твердости применяют набор тарированных напильников.
Хороший напильник скользит по детали, имеющей твердость выше 58 HRC.
Таблица перевода твердости из HB в HRC и наоборот
 
Магнитные методы определения твердости и структуры.

При помощи магнитных методов можно проводить сплошной контроль твердости и структуры деталей и заготовок без малейшей их порчи, затрачивая минимум времени.
Указанные методы основаны на зависимости магнитных свойств от твердости и структуры ряда марок сталей.

Метод коэрцитивной силы может быть использован для рассортировки стали по маркам.

При определении свойств и структуры деталей методом магнитной индукции используются приборы, принцип работы которых основан на том, что деталь служит сердечником трансформатора и электродвижущая сила индукции, возникающая во вторичной обмотке, приблизительно пропорциональна индукции детали.

Метод вихревых токов можно применять также для определения глубины закалки и цементации, величины обезуглероженного слоя и т. п.

В ряде случаев при цеховом контроле приходится прибегать к определению структуры, используя мечаллографическай анализ.

Эталоны микроструктур и карбидной неоднородности приводятся в ГОСТ 8233—56; методы определения неметаллических включений — в ГОСТ 1778—70; величины зерна — в ГОСТ 5639—65 и ГОСТ 21073—75; глубины обезуглероженного слоя — в ГОСТ 1763—68, прокаливаемости стали — в ГОСТ 5657—69, методы испытаний и оценки макроструктуры — в ГОСТ 10243—75.
 
Методы неразрушающего контроля трещин, раковин, пустот

В термических цехах для обнаружения пороков в деталях без их разрушения наиболее широко используются такие методы: магнитной дефектоскопии, просвечивания рентгеновскими и гамма-лучами, люминесцентный, ультразвуковой.

Методы магнитной дефектоскопии отличаются достаточно высокой точностью.
При использовании для измерения затрачивается минимум времени, что удобно для массового контроля качества продукции.
С помощью указанных методов выявляют дефекты, выходящие на поверхность детали и залегающие на небольшой ее глубине (трещины, волосовины, флокены, шлаковые включения, непровары сварного шва).

Магнитная дефектоскопия основана на определении полей рассеяния магнитного потока имеющимися в детали дефектами.

Из методов магнитной дефектоскопии наиболее широко применяется метод магнитного порошка или магнитной суспензии.
В качестве магнитных порошков применяют очень мелкий порошок железа или его магнитных окислов.

Широко используемым методом магнитной дефектоскопии является также индукционный метод.
Искателями, или индикаторами, служат катушки, соединенные с регистрирующим прибором непосредственно или через ламповые усилители.
Катушки надеваются на испытуемую деталь или размещаются на ее поверхности.
Деталь намагничивается, а катушка перемещается вдоль ее оси (или деталь протаскивают через катушку).
В момент пересечения места залегания дефектов в витках катушки, вследствие изменения магнитного потока, возникает электродвижущая сила индукции, которая регистрируется соответствующими приборами.

Разработан индукционный метод определения дефектов в деталях из немагнитных металлов.
Метод основан на использовании вихревых токов, возникающих в детали, помещенной в магнитное поле.
При наличии трещин, пустот ее поверхностный слой будет иметь более низкую электропроводность и меньшие значения вихревых токов.

Рентгеновский метод просвечивания основан на способности рентгеновских лучей неодинаково поглощаться при прохождении через различные вещества.
В случае просвечивания рентгеновскими лучами металла пустоты и дефекты отмечаются на фотоснимке в виде черных пятен.

Проникающая способность рентгеновских лучей определяется их «жесткостью».

Рентгеновский метод просвечивания особенно удобен при контроле внутренних пороков (раковин, пор, включений) отливок и сварных швов.

Метод просвечивания гамма-лучами целесообразно применять для обнаружения дефектов в деталях.
В практике применения гамма-лучевого метода контроля важно правильно выбрать излучение в соответствии с плотностью материала и толщиной контролируемой детали.

Люминесцентный метод контроля поверхностных пороков основан на свечении некоторых веществ под действием ультрафиолетовых лучей.
Контролируемую деталь после тщательной очистки поверхности погружают в нагретое трансформаторное масло.
Затем ее вынимают, протирают и припудривают смесью порошков окиси магния и углекислого магния, избыток порошка сдувают с поверхности.
Далее деталь освещают ультрафиолетовыми лучами под кварцевой лампой через фильтр из черного никелевого стекла, задерживающего видимую часть спектра. Масло, заполняющее полости трещин, смачивает порошок и светится зеленым светом, вырисовывая контуры трещин.

Чувствительность метода невысокая.
Этот метод рекомендуется использовать для контроля деталей из немагнитных металлов и пластмасс.

Ультразвуковой метод основан на способности ультразвуковых колебаний отражаться от поверхности внутренних неоднородностей в металле.
Ультразвуковые колебания могут проникать в металл на глубину, измеряемую метрами.

Высокий коэффициент отражения (до 0,9) от границы металл—воздух позволяет применять ультразвук для выявления дефектов в металлах.
При помощи ультразвуковых колебаний обнаруживаются глубоколежащие раковины, трещины, рыхлость и другие дефекты, которые не могут быть выявлены рентгеновскими лучами и магнитными методами.

Для контроля деталей наиболее часто применяются два метода ультразвуковой дефектоскопии — теневой и импульсный.
При теневом методе ультразвуковые колебания, возбуждаемые вибратором, пройдя деталь, улавливаются приемной кварцевой пластинкой — резонатором, расположенным по другую сторону детали.
Если ультразвуковые колебания на пути встречают дефект, они отражаются от него, образуя область «звуковой тени».

Лучшие результаты получаются при использовании импульсного метода, основанного на обнаружении отраженного от дефекта луча ультразвука (принцип эхолота).


Читать...И.С.Каменичный, Спутник термиста, изд. 2, Киев, "Технiка", 1978. 230с. .DjVu

 Примечание. Для просмотра в браузере файлов DjVu скачайте и установите на свой компьютер плагин DjVu Browser Plug-in (Free-download) от Caminova, Inc.
Источник: Оборудование термических цехов. Соколов К.Н. — 2-е изд., перераб. и доп. — Киев; Донецк: Вища школа. Головное изд-во, 1984.— 328 с.
Примечание: в учебном пособии рассмотрены классификация и основные элементы современных конструкций термических печей периодического и непрерывного дейс
Категория: Термообработка | Просмотров: 9048 | Добавил: semglass | Теги: металлы, термообработка, огнеупоры, Печи, ванны, контроль качества
Всего комментариев: 0
Имя *:
Email *:
Код *: