какие нагревательные устройства применяют при термической обработке металлов

Оборудование для термической обработки: основные виды печей

В металлургических заводах и термических цехах используется огромное количество различных видов нагревательного оборудования. Самое распространенное оборудование представлено ниже.

Шахтные печи для термообработки различных размеров. Подходят для многих процессов термообработки: для нагрева под закалку, для отжига, отпуска, цементации. Подходят для термообработки цветных сплавов, где технологией не предусмотрена высокая точность технологических параметров и скорость переноса садки из печи в закалочную среду. Шахтные печи, которые есть практически на каждом участке термообработки, это печи серии Ц, СШЦ, США. Их чаще всего устанавливают в приямки или кессоны. Печи с небольшой глубиной допускается устанавливать на пол цеха. Если высота печи, при такой установке, не позволяет производить безопасное обслуживание оборудования, то на высоте допустимой рабочей зоны устанавливается перекрытие. Шахтные печи, так же как и камерные, могут быть с электрическим нагревом и газовым. Позволяют обрабатывать изделия в абсолютно любой атмосфере: эндогаз, азот, воздух, вакуум, водород и др. Чаще всего такие печи используютя для термической обработки длинномерных стальных деталей и узлов, крупногабаритных поковок и отливок, отжига или нормализации проволоки, проката, профиля, листов. Конструктивным признаком шахтных печей является наличие реторты из коррозионостойких сплавов. На практике очень часто используют углеродистые сплавы с 18%Cr + 24%Ni + 2%Si. Содержание углерода в сплаве зависит от максимальной нагрузки на под реторты. Если обработка деталей проводится в агрессивных средах, то используют сплавы с добавками ниобия. В качестве футеровки печей используется кирпич марок КЛ или ШТЛ. Последние несколько лет, заменой кирпичной футеровки служит футеровка из минеральной ваты МКРР, МКРВ и др. Вата имеет ряд преимуществ: она более легкая, более удобна при монтаже и демонтаже, имеет более низкую теплопроводность и более высокую стоикость. При этих своих свойства, вата стоит в несколько раз дешевле кирпича. Применение ватной футоровки возможно как на шахтных печах, так и на камерных печах, на автоматизированных агрегатах, на колпаковых печах.

Камерные печи для термической обработки больше подходят для термической обработки средних и мелких деталей. Могут использоваться на любых типах производств и для любых технологий обработки. Их можно использовать как отдельно стоящие единицы оборудования, так и составе гибких автоматизированных комплексов. Такой комплекс обычно состоит из одной или нескольких нагревательных печей, совмещенного с ними закалочного бака (масло, вода, полимеры), моечной камеры, камер отпуска, которые также могут быть совмещены с водяным баком для охлаждения, с целью избежания отпускной хрупкости. Иногда, в составе таких линий используются камеры обработки холодом, для уменьшения остаточного аустенита после закалки. Автоматизированные комплексы обычно объединены одной погрузо-разгрузочной рельсовой транспортной системой.

Разновидностью камерных печей являются вакуумные печи для термообработки , которые могут использоваться для термической обработки, пайки, спекания материалов.

Вакуумную термообработку применяют для инструмента, быстрорежущих сталей, титановых сплавов, меди, тугоплавких металлов, конструкционных сталей. Основной особенностью вакуумных печей является высокая точность технологических параметров. Отклонения температуры в рабочем пространстве печи менее ±5ºС. Печи также могут использоваться в составе линий термообработки. В качестве закалочных сред применяют азот, гелий, воздух, масло. В составе вакуумных линий никогда не используется водяные закалочные баки. Это усложняет закалку низкоуглеродистых и низколегированных сталей. Внутренняя поверхность печей обычно выполняется из листового молибдена, нагревательные элементы могут быть выполнены из графита, керамики, порошковых материалов. Максимально достигаемое значение вакуума в рабочей камере составляет 0,00005 мбар, максимальльное давление охлаждающей среды составляет 20 бар, максимальная температура – 1300ºС. Для охлаждения рабочей камеры во время технологических процессов используется вода. Кроме рабочей камеры, в составе оборудования должен быть вакуумный насос, рессивер с газовой средой охлаждения, установка оборотного водоохлаждения. Как правило все процессы вакуумной термической обработки имеют степень автоматизации 0,7-0,85. Из недостатков такой термообработки можно назвать обезлегирование поверхности сплавов при высокой температуре, долгая подготовка деталей (мойка, обезжиривание, сушка, иногда предварительный обжиг), высокая стоимость оборудования.

Но гораздо больше вакуумная термообработка имеет преимуществ:

Печи с выдвижным подом используются для термообработки крупногабаритных и массивных деталей и узлов. Загрузка и выгрузка обычно происходит при помощи кранов и кран-балок. К недостаткам таких печей можно отнести большие теплопотери и большие габариты за счет выдвижного пода. Печи часто используют для аустенитизации, отжига сварных конструкций. Также такие печи могут использоваться для нагрева заготовок под ковку. В этом случае загрузка и выгрузка производится при помощи манипуляторов или роботов. Нагрев рабочего пространства может быть как газовый, так и электрический. Равномерность перепада рабочих температур обеспечиваю вентиляторы из жаростойких сплавов.

Из оборудования для крупносерийных производств, можно назвать автоматизированные агрегаты для термической обработки металлов . Такие линии обычно используются на автомобильных, тракторных, агрегатных производствах. Состав оборудования не отличается от линий камерных печей. Рабочие камеры могут быть выстроены в одну линию или образовывать замкнутый технологический цикл обработки. Детали и узлы располагаются на поддонах, которые приводятся в движение конвейерным приводом. Скорость движения конвейера может быть непрерывной и измеряться в м/ч или характеризоваться циклическим темпом толкания (одно перемещение в 10 минут). Автоматизированные агрегаты могут быть однорядными и 2-х, 3-х рядными. Иметь разную длину нагревательных и отпускных камер. Степень автоматизации практически сопоставима с вакуумным оборудованием, время ручного труда также уходит только на загрузку-разгрузку приспособлений для базирования деталей в печи.

Также в термических цехах используется дополнительное оборудование, например правильные прессы. Они используются для правки проката, труб, профилей, сварных конструкций. Прессы могут быть оборудованы устройствами для контроля геометрии поверхностей правки. Процесс правки может носить динамический (ударный) характер, который часто используется для правки проката и иногда для толстостенных труб или статический характер (плавная прокачка или медленное нагружение) для правки тонкостенных труб и профилей. Процесс правки имеет короткий цикл и состоит из контроля геометрии, правки и окончательного контроля. Для снятия напряженного состояния после правки, для высокоответственных изделий, делается низкотемпературный отпуск (180-200ºС).

Важную роль в технологических процессах термической обработки, играет контроль качества. Для оперативного контроля в цехах, используются стационарные твердомеры Роквелл и Бринелль. Измерения проводятся непосредственно на деталях или контрольных образцах. Для крупногабаритных изделий используются портативные твердомеры с прямым методом измерения и приборы для косвенного измерения механических свойств. Такие приборы могут измерять какую-либо физическую величину, которая напрямую зависит от твердости, прочности, пластичности или вязкости. На производстве часто используют коэрцитиметры. Контроль химико-термической обработки производят как по твердости, так и по глубине слоя на образцах-свидетелях при помощи портативного микроскопа, с нанесенной на объектив линейкой. В промышленности часто используются и другие типы основного оборудования, например установки закалки деталей токами высокой частоты, плазменной и лазерной закалки.

Используются специализированные установки для единичного производства определенных деталей. Например существуют специализированные линии для изготовления рессор автомобилей. Это автоматизированная линия, которая осуществляет индукционный нагрев заготовки для рессоры, гибку и охлаждение в воде или прессе. Есть специализированная линия для термообработки пружин сцепления автомобилей, где закалка и отпуск осуществляются в специальных прессах. Часто термическое оборудование выстроено в одну технологическую цепочку с оборудованием для сварки, механической обработки или высадки. Таким примером могут служить линии для высадки и термической обработки заклепок и болтов. В этой линии несколько станков для высадки головки совмещены одним конвейером с агрегатом для закалки и отпуска деталей.

Таким образом, в цехах термообработки используется просто огромное количество основного и вспомогательного оборудования, основная цель использования которого — обеспечение требуемых свойств металлических изделий.

Источник

Нагревательные устройства

В прокатном производстве в зависимости от массы, формы и размеров нагреваемого металла, а также способов посад­ки, перемещения при нагреве, способов нагрева и выдачи применяют следующие виды нагревательных устройств.

Нагревательные колодцы

Нагревательные колодцы применяют для нагрева слит­ков. По конструкции они бывают одноместные, многомест­ные, с центральной горелкой или боковым обогревом, ре­генеративные или рекуперативные, а также одноместные с электрическим обогревом для нагрева специальной легиро­ванной стали. Нагревательные колодцы должны обеспечи­вать равномерный нагрев слитков по сечению и высоте, исключать их перегрев и пережог; в результате нагрева давать минимальное окалинообразование; иметь высокую производительность при низком удельном расходе топлива; быть надежными в эксплуатации и обеспечивать полную автоматизацию процесса нагрева.

В нагревательные колодцы слитки сажают в вертикаль­ном положении, обычно прибыльной частью кверху. При таком расположении слитков в колодцах обеспечивается всесторонний нагрев, а вследствие этого улучшаются усло­вия нагрева металла, увеличивается скорость нагрева и повышается качество металла; отпадает необходимость в кантовке слитков. Вертикальное расположение слитков устраняет опасность смещения усадочной раковины при по­садке их в горячем состоянии.

Одноместные колодцы старых конструкций состоят из ячеек, отделенных друг от друга стенками. В каждой ячей­ке помещают один слиток. Загрузку и выгрузку слитков в колодцы этого типа производят непрерывно. Недостатки этих колодцев заключаются в неравномерном нагреве слитков по высоте и сечению, быстром изнашивании раздели­тельных стенок, необходимости остановки всей группы колодцев при ремонте одной ячейки, сложности обслужива­ния многочисленных крышек.

В регенеративных колодцах каждая группа состоит из четырех ячеек (рис. 63) по 6—8 слитков в каждой. Ячейка (камера) колодцев представляет самостоятельную нагрева­тельную печь, имеющую регенераторы для подогрева газа и воздуха. Два регенератора, ближайшие к рабочей каме­ре, предназначены для подогрева, газа, два дальние для подогрева воздуха.

Газ и воздух, пройдя регенераторы, встречаются в про­странстве над газовым регенератором, после чего горящая смесь через пламенное окно входит в рабочую камеру ко­лодца и нагревает слитки. Из рабочей камеры продукты го­рения уходят в регенераторы, расположенные с противопо­ложной стороны, а оттуда в борова и дымовую трубу.

Колодцы отапливают доменным газом или смесью до­менного и коксового газов. Шлак удаляют через два отвер­стия в коробку, установленную на вагонетке. Последняя передвигается по пути, расположенному в шлаковом кори­доре, общем для всех групп колодцев.

Нагревательные колодцы этого типа механизированы и имеют высокую производительность. Недостатком колодцев является неодинаковое расположение слитков по отноше­нию к потоку тепла, а следовательно, неодинаковый нагрев их. По этой причине емкость регенеративных колодцев не превышает 8—10 слитков, так как для увеличения емкости потребовалось бы удлинение камеры, что ухудшило бы равномерность нагрева слитков по длине камеры. Кроме того при этом возможно оплавление поверхности крайних слитков, а иногда и пережог, что обычно наблюдают при работ на жидком топливе.

В настоящее время на новых металлургических заводах строят рекуперативные колодцы (рис. 64), имеющие преи­мущества по качеству нагрева и условиям эксплуатации.

В рекуперативных колодцах с центральной горелкой (рис. 64, а) пламя движется вверх, ударяется о крышку, растекается по ее поверхности и омывает стены сверху вниз. После этого дымовые газы проходят через каналы в нижней части двух боковых стен и через керамические ре­куператоры, расположенные с обеих сторон каждой каме­ры. Группа таких колодцев состоит из двух камер. Емкость камеры составляет 12—22 мелких или 6 крупных слитков.

В настоящее время рекуперативные колодцы строят с подогревом воздуха и газа. Воздух нагревается в керами­ческом рекуператоре, а газ — в металлическом сварном трубчатом рекуператоре, установленном за керамическим. Температура подогрева может достигать 800—850 °С для воздуха и 300—350°С для газа. При таких температурах подогрева воздуха и газа колодцы могут работать только на доменном газе.

Рекуперативные колодцы по сравнению с регенератив­ными более просты по устройству, занимают меньше места и легче поддаются автоматизации.

Кроме рекуперативных колодцев с центральной горел­кой, применяют рекуперативные колодцы с боковыми го­релками. Различают два типа таких колодцев. В одном случае горелки (обычно одна) расположены с одной сторо­ны (рис. 64, б), в другом — с двух сторон (рис. 64, в).

В колодцы первого типа газ и воздух подаются с одной стороны сверху, а снизу выходят продукты сгорания. Ко­лодцы этого типа строят с камерой длиной до 8,5 м, шири­ной 2,6—3,35 м и глубиной до 4,5 м. Емкость одной камеры достигает 180 т, а в отдельных случаях 240 т. В одной груп­пе колодцев объединяют четыре камеры.

В рекуперативных колодцах второго типа вход топлива и выход продуктов горения осуществляются с двух сторон. Размер камер этих колодцев составляет 6,5×5 м; одна ка­мера может вместить до 120—130 т слитков.

Недостатком рекуперативного колодца является нерав­номерность нагрева слитков по высоте. Верхняя часть слитка и поверхность его, обращенная внутрь колодца, бы­вают нагреты значительно больше других частей. Для уменьшения неравномерности нагрева слитки в колодце приходится выдерживать дольше, а это снижает их произ­водительность.

Для нагрева слитков применяют также электрические нагревательные колодцы. Нагревательными элементами в этих колодцах являются карборундовые желоба, наполнен­ные нефтяным коксом, который при прохождении электри­ческого тока раскаляется и передает тепло окружающему пространству. Для лучшего разогрева нефтяного кокса в желоба иногда укладывают электроды.

Электрические колодцы характеризуются компактно­стью благодаря отсутствию рекуператоров, дымоходов и труб. В электрических колодцах можно снизить угар ме­талла до 0,2 % путем создания защитной атмосферы, кото­рая образуется при введении в камеры колодцев небольшо­го количества нефти. При нагреве слитков достигают более равномерный нагрев металла. Расход электроэнергии со­ставляет 60—70 кВт-ч на 1 т слитков при горячем всаде.

Камерные, туннельные, колпаковые печи и печи с выд­вижным подом

Камерные, туннельные, колпаковые печи и печи с выд­вижным подом применяют для нагрева крупных слитков, блюмов и заготовок, толстых и тонких листов, пакетов, труб, рулонов, сутунки.

Отжиг листов производят в коробах. Стопы листов ук­ладывают на поддоне и закрывают коробом. В зависимости от размеров листов конструкции поддонов и коробов различные. Нагрев листов в коробах производят в туннельных печах и печах с выдвижным подом.

Туннельная печь представляет собой длинный туннель (свыше 90 м) с горизонтальным сводом. Печь состоит из трех зон: нагревательной, томильной и зоны охлаждения. Короба с листовым металлом устанавливают на тележках, которые передвигаются в печи одна за другой. Когда в печь со стороны входа задвигается новая тележка, то другая одновременно выталкивается со стороны выхода.

Для термической обработки стали также применяют колпаковые печи (рис. 66), которые состоят из поддонов, короба и колпака с вертикальными трубчатыми обогревателями. Печь отапливают газом, который через горелки по­ступает в нагревательные трубчатые элементы, расположен­ные вертикально или горизонтально и излучающие тепло. Для отжига рулонов применяют колпаковые печи круглого сечения, чаще с электрическим обогревом. Для более равномерного нагрева рулонов колпаки имеют нейтральный сердечник с проводами электросопротивления, который вхо­дит внутрь рулона.

Для нагрева крупных листовых слитков применяют пе­чи с выдвижным подом (рис. 67). Слитки укладывают на платформу 1, передвигающуюся по рельсам. При помощи стационарных блоков 2 и 3, каната и лебедки или крюка крана платформу со слитками вдвигают в камеру печи и выдвигают из нее. Газ по трубам через клапан 4, канал 5, вертикальные каналы 6 поступает к горелкам 11, где сме­шивается с подогретым воздухом, поступающим через клапаны 8, 14, каналы 9, 13 и насадки регенератора 10, 12.

Для термической обработки сортового проката приме­няют такие же печи, но без регенераторов. Платформы пе­редвигаются на колесах или на роликовых цепях, позволяющих уменьшить высоту печи, а также увеличить нагрузку на платформу.

Карусельные печи (рис. 68) применяют на современных трубопро­катных станах, а также для нагрева заготовок при штучной прокатке тонких листов. Горелки расположены по окружности печи с внутренней и наружной сторон. Стены печи покоятся на фундаменте, а под печи имеет катки, которые при вращении пода перемещаются по рельсам, замкнутым по кругу. Загрузку металла произво­дят через загрузочное окно печи. Продолжительность на­грева определяется длиной печи (по окружности) и скоро­стью движения подины.

Методические печи

Методические печи (двухзонные, трехзонные и много­зонные) работают с противозонным движением металла и продуктов горения с использованием тепла в рекуперато­рах. Они действуют по одному принципу: движение метал­ла и печных газов происходит во взаимно противополож­ных направленнях. Металл при помощи толкателя продвигается от окна посадки к окну выдачи. По мере продвижения вперед металл отбирает тепло у печных газов, движущихся ему навстречу, и постепенно (методически) нагревается. Печные газы, отдавая тепло металлу в конце печи, уходят через соответствующие каналы в регенерато­ры или рекуператоры (если они имеются) и в боров, а че­рез него в дымовую трубу.

Методические печи отличаются друг от друга формой свода, способом подвода топлива для его сжигания, нали­чием устройств для подогрева воздуха и газа, способом вы­дачи металла из печи и целым рядом конструктивных осо­бенностей.

Кроме соответствующих теплотехнических параметров, нагревательные печи должны удовлетворять современным требованиям с точки зрения надежного дистанционного об­служивания. механизации н автоматизации всего комплек­са операций. Скорость нагрева зависит от марок сталей в усилий теплопередачи. Сначала скорость нагрева должна быть небольшой, затем по мере прогревания заготовок она увеличивается.

Блюмы по рольгангу от блюминга поступают к наклон­ному транспортеру, оборудованному цепными шлепперами, и далее по загрузочному рольгангу к печам, через которые их проталкивают толкателями. После взвешивания на ве­сах, встроенных в секцию загрузочного рольганга перед первой печью, блюм движется по рольгангу и при помощи упора останавливается на секции загрузочного рольганга соответствующей печи. Загрузку блюмов в печь производят толкателем, имеющим две штанги, снизу которых закрепле­ны зубчатые рейки; последние приводятся в движение че­рез шестерни и редукторы от двух электродвигателей.

После загрузки очередного блюма в печь с противопо­ложной торцовой стороны ее выдают нагретый блюм по литым направляющим листам (склизам) на разгрузочный рольганг. Таким образом, толкатель одновременно является и выталкивателем.

На среднесортных и крупносортных станах применяют методические печи (рис. 70) с торцовой посадкой и выда­чей, с керамическими воздушными рекуператорами. В пе­чах последних конструкций применяют инжекторные бес­пламенные горелки высокого давления, что обеспечивает более высокий подогрев воздуха, значительно улучшает сжигание и позволяет автоматически регулировать соотно­шение газа и воздуха самой горелки, это значительно уп­рощает схему автоматики и облегчает управление печью.

Печи этого типа оборудованы керамическими рекупера­торами для подогрева воздуха до 500—600°С и металли­ческими трубчатыми рекуператорами для подогрева газа до 350 °С. Печь работает на сравнительно малокалорийной смесн доменного и коксового газов с теплотой сгорания 3760—6260 кДж/мл.

Для нагрева на мелкосортных н проволочных станах за­готовок сечением менее 100×100 мм и длиной 9 м устанав­ливают одну широкую печь с боковой загрузкой и боковой выдачей без нижнего подогрева, с монолитным подом. Для подогрева воздуха до 300—350 °С в этих печах служат керамические рекуператоры. Заготовки передвигаются по наклонной подине, а в методической части — по подовым брусьям. Передвижение заготовок в печи производят ры­чажным толкателем.

Методические печи последних конструкций имеют полез­ную длину до 18 м; для гарантии надежного проталкивания заготовок сечением 60×60 мм подину по продольной оси делают вогнутой (лекальной).

Удачными но конструкции и тепловому режиму оказа­лись печи с инжекторными горелками, установленными в двух верхних зонах и одной нижней. Такие печи производи­тельностью до 80 т/ч могут работать на одном доменном газе. Эти печи оборудованы керамическими рекуператорами для подогрева воздуха до 600 °С. Активная длина пода со­ставляет 16,5 м при длине заготовок 9 м.

В последних конструкциях этих печей длину заготовок увеличили до 12 м при длине активного пода лекальной формы, равной 18 м. Форсирование тепловой мощности до­стигают применением инжекторных горелок, подогревом газа и воздуха. Воздушный рекуператор керамический, газовый — трубчатый металлический. Эти печи без нижне­го подогрева имеют производительность до 140 т/ч.

Печи с шагающим подом

Для новых мелкосортных станов с использованием метода бесконечной прокатки (сварки нагретых заготовок в бесконечную полосу) приме­няют новый способ нагрева — сначала в печах с шагающим подом, а затем для компенсации понижения температуры при сварке и сохранения равномерности температуры заго­товок по длине они проходят через печи скоростного нагре­ва, установленные перед первой клетью стана.

Такой нагрев позволяет сохранить преимущества мини­мального расстояния между печью и станом и обеспечить возможность компановки не одной, а двух печей; таким об­разом создается резерв по нагреву металла для высокопро­изводительных прокатных станов. Применение двух печей с шагающим подом гарантирует производительность станов до 200—220 т/ч при высоком уровне механизации и автома­тизации участка нагревательных устройств.

С точки зрения теплопередачи печь с шагающим подом имеет преимущество перед остальными, так как в этих пе­чах интервалы между заготовками составляют 200 мм, что обеспечивает их нагрев с трех сторон. Время нагрева в пе­чах с шагающим подом уменьшается, что создает условия для снижения угара и обезуглероживания.

На рис. 71 показана печь с шагающим подом с торце­вой загрузкой и боковой выдачей и двумя зонами нагрева. Продукты горения в холодной части печи уходят вверх, ме­таллический рекуператор вынесен в сторону, так как низ печи занят механизмами шагающего пода.

Печи скоростного нагрева

Уменьшение продолжитель­ности нагрева металла в печи обеспечивает не только высо­кую производительность при хорошем качестве, но и реша­ет ряд принципиальных вопросов рациональной компоновки технологического оборудования. Теплофизические свойства большинства сталей обеспечивают большой резерв по уско­рению нагрева заготовок, особенно при температурах выше 700 °С.

Скоростной нагрев металла обеспечивает быстрое повы­шение температуры поверхности, равномерное распределе­ние потоков тепла и организацию сжигания топлива при правильном направлении факела и большую тепловую мощ­ность нагревательных устройств. Скоростная непрерывная печь состоит из ряда небольших секций (часто съемных). Нагреваемые заготовки, трубы или штанги продольно пе­ремещаются по роликам. В секциях обеспечивается полу­чение высоких температур благодаря предварительному смешиванию газа с воздухом, полноте сжигания топлива при небольшом избытке воздуха, а также вследствие уве­личения теплопередачи конвекцией. Конструкция горелок, их размещение обеспечивают симметричный нагрев. Приме­няют и другие печи скоростного нагрева — электрические и индукционные.

Проходные секционные печи работают на трубопрокат­ных и на современных сортовых станах в комплексе с печа­ми с шагающим подом.

Источник