Файл: Несенчук А.П. Пламенные печи для нагрева и термообработки металла учеб. пособие.pdf

пламенных завес, которые создают сопротивление выходящим га­ зам и поджигают их, а также выдачей при непосредственной закалке деталей через закалочную ванну, служащую в данном случае за­ твором.

Муфелирование садки (муфель представляет собой обогревае­ мый снаружи короб из жаропрочной стали или огнеупорной кера­ мики, отделяющий детали и атмосферу печи от внешней среды; приводит к большому расходу термостойких материалов, создаег добавочное термическое сопротивление, затрудняет герметизацию печи, регулирование теплового режима и перемешивание печной атмосферы. Поэтому в последнее время муфельные печи заменяют безмуфельными, в которых муфелируется пламя горелки пли элек­ тронагреватели (использование обнаженных электронагревателей при науглероживании футеровки приводит к коротким замыка­ ниям).

В безмуфельных газовых печах пламя горелки заключают в тру­ бу, герметично смонтированную в рабочем пространстве печи. Пере­ нос тепла от труб к изделиям осуществляется преимущественно излучением, поэтому такие трубы получили название радиационных. У нас в стране радиационные трубы изготавливаются из сталей ма­ рок Х23Н18 и Х18Н25С2. Рабочая температура для таких труб — около 1000° С, что определяет температуру обрабатываемого в печи металла. Изготовление надежных конструкций радиационных труб из керамических материалов, выдерживающих более высокие тем­ пературы, в частности из карборунда, в настоящее время еще не освоено.

Поскольку радиационные трубы начали исследовать сравни­ тельно недавно (примерно с 1960 г.), надежная методика расчета различных конструкций труб отсутствует. Поэтому при расчетах необходимо использовать практические данные, полученные при эксплуатации печей.

Основные показатели работы радиационных труб — коэффици­ ент использования топлива и температура уходящих газов, теплонапряжение поверхности трубы и внутреннего объема, равномер­ ность распределения температуры на поверхности и внутри трубы, стойкость при эксплуатации.

По своей конструкции радиационные трубы могут быть одно- и многоветвьевыми (рис. 8.1 и 8.2). По расположению в печи трубы классифицируются на горизонтальные и вертикальные.

Чтобы достичь равномерности распределения температуры по длине трубы, необходимо искусственно растянуть факел. При ис­ пользовании короткофакельной горелки (рис. 8.1, а) высокотемпе­ ратурная зона располагается на небольшой длине, что приводит к прогоранию трубы в одних местах и недогреву в других. Растяги­ вание факела (рис. 8.1,6) повышает температуру уходящих газов, а утилизация их тепла при использовании одноветвьевых прямоточ­ ных труб практически невозможна, так как рекуператор и горелку необходимо располагать с разных сторон печи (труба проходит сквозь печь). Кроме того, прямоточные трубы имеют выход из печи

180

в двух местах, что ухудшает условия герметизации. Более совершен­ ными, но и значительно более сложными являются конструкции тупиковых труб (рис. 8.1, б и а). В трубе, изображенной на рис. 8.1, а, газ и воздух смешиваются, двигаясь навстречу друг другу. Газ сго­ рает на выходе из отверстий перфорированной промежуточной трубки. При использовании тупиковых радиационных труб можно

Рис. 8.1. Конструктивные схемы одноветвьевых труб

применить рекуператор (подвод воздуха и отвод дыма расположены с одной стороны) и упростить уплотнение проема, так как удлинение трубы осуществляется за счет свободного конца и отпадает необхо­ димость в подвижном соединении.

Применение прямоточных труб может быть оправдано при ис­ пользовании в качестве промежуточного теплоносителя псевдоожи­ женного слоя дисперсного материала [72], в котором сжигается газ или жидкое топливо. При этом достигается полное сжигание топлива II высокая равномерность температур поверхности излучателя. Труба с кипящим слоем (рис. 8.1, д) располагается вертикально. Целесообразно осуществлять псевдоожижение мелкозернистого теплоносителя в слое крупной керамической насадки (например, шаров 0 20—40 мм). Это уменьшает унос частиц, так как при вы­ ходе из насадки скорость газа резко падает.

Перспективными являются многоветвьевые радиационные тру­ бы, основные конструкции которых приведены на рис. 8.2. Р-образ- ная труба (рис. 8.2, а) является разновидностью конструкции тупи­ ковой. Продукты горения отводятся по дополнительной ветви мень­ шего диаметра. Труба снабжена рекуператором и горелкой типа труба в трубе. Двух- и четырехветвьевые трубы (рис. 8.2, б и в) снабжены ребристым рекуператором из жаростойкого чугуна, сече­ ние которого приведено на рис. 8.2, г. Эксплуатационные характери­ стики таких труб приведены в работе [33]. Многоветвьевые горизои-

181

тальные радиационные трубы имеют большую поверхность нагрева по сравнению с одноветвьевыми и являются предпочтительными для проходных печей. Для создания тяги в горизонтальных и вертикаль­ ных (если горелка направлена сверху вниз) радиационных трубах применяют воздушные эжекторы.

К футеровке печей для химико-термической обработки в азотно­ водородных, водородных и углеродосодержащих атмосферах предъ­ являются особые требования. В начальный период запуска атмо­ сфера печи может восстанавливать окислы железа и титана из мате­ риала футеровки, внося при этом добавочное количество влаги за счет взаимодействия Н2 и 0 2. Время установления конечной влаж­ ности для различных материалов колеблется от 10 часов до 5 су­

вызывающий разрушение кладки. С этой точки зрения опасен ин­ тервал температур 450—700° С [73]. Наибольшей стойкостью в угле­ родосодержащей атмосфере обладают материалы, приведенные в приложении X.

Наличие водорода в атмосфере печи приводит к повышенным тепловым потерям за счет теплопроводности футеровки (табл. 8.1).

Печи для химико-термической обработки в контролируемых атмосферах классифицируются по технологическому признаку (за­ калочные, цементационные, нормализационные), по источнику энер­ гии (мазутные, газовые, электрические), по способу транспортиро­ вания деталей и степени механизации (карусельные, толкательные, с автоматической загрузкой и т. д.), по использованию различных сред и промежуточных теплоносителей (печи с кипящим слоем, со­ ляные ванны и т. д.), а также по основным конструктивным особен­ ностям (проходные и садочно-камерные, шахтные, колпаковые).

В мелкосерийном, а иногда и в серийном производстве приме­ няются садочные печи. Садочные печи являются универсальными, позволяющими осуществлять в одной печи обработку деталей раз­ личного класса, так как режим этих печей легко переналадить. Одна из печей такого типа — камерная печь современной конструк­ ции представлена на рис. 8.3. Печь обогревается радиационными трубами и снабжена тамбуром, заполненным защитной атмосферой. В тамбуре (закалочной ванне) производится быстрое или медлен­ ное охлаждение после нагрева. При обработке длинных изделий или деталей на длинных составных приспособлениях целесообразно использовать шахтные печи, занимающие небольшую площадь. Печи с выдвижным подом, элеваторные * и колпаковые (с переносной ка­ мерой) применяются для обработки больших изделий (крупных отливок, штампов, сварных конструкций, рулонов ленты и т. д.).

Садочные печи могут работать как на непрерывном (стацио­ нарном) режиме, так и на периодическом. В первом случае печь имеет постоянную температуру и для постепенного нагрева или

* В элеваторных печах под в рабочем положении поднят и находится в ка­ мере печи. Для снятия обработанных деталей и загрузки новых под опускается в исходное положение.

183

184

охлаждения применяют несколько печей с различной температурой, перегружая изделия из одной печи в другую (этот метод часто используется при нагреве инструмента). Во многих случаях садоч­ ные печи работают на периодическом режиме с постепенным повы­ шением или понижением температуры печи и изделий по заданной программе, реализуемой в современных конструкциях специальными командоаппаратами. Обычно садочные печи характеризуются нали­ чием одной зоны.

Рис. 8.3. Камерная печь для химико-терми­ ческой обработки в контролируемых атмо­ сферах:

В крупносерийном и массовом производстве, как правило, при­ меняются проходные печи. Температура в этих печах в отличие от садочных меняется не во времени, а по длине рабочего простран­ ства. Печи работают в стационарном режиме. Причем детали от загрузки до выгрузки проходят зоны с заданной температурным гра­ фиком температурой.

Выбор рационального способа механизации транспорта в про­ ходных печах для химико-термической обработки зависит от типа обрабатываемых изделий. Для крупных изделий сложной конфигу­ рации целесообразно применять печи с вращающимся подом. Печи с шагающим подом используются редко, так как их трудно гермети­ зировать. Обработку мелких деталей круглой формы удобно осуще­ ствлять в печах с вращающимся шнековым барабаном (рис. 8.4, см. вкладку). Детали в такую печь загружаются из бункера, про­ ходят внутри шнекового барабана и высыпаются через герметизи­ рованный желоб в закалочную среду. Печь заполнена контролируе­ мой атмосферой и обогревается вертикальными тупиковыми радиа­ ционными трубами, в которых сжигается газ или размещены элек­ тронагреватели. Со стороны загрузки имеется отверстие для выхода отработанной защитной атмосферы, сжигаемой под вытяжным кол­ паком.

185