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

Для сравнительно мелких деталей разнообразной формы при­ меняются печи с вибрирующим подом. Детали в вибрирующем слое прогреваются значительно быстрее, так как вибрация способствует перемешиванию и увеличению эффективной теплопроводности слоя. Схема одной из таких конструкций приведена на рис. 8.5.

Более крупные детали весом до 1—3 кг обрабатываются в пе­ чах с конвейерной лентой. В высокотемпературных печах лента на-

Рпс. 8.5. Схема печи с пульсирующим (вибрирующим) подом для химико­ термической обработки:

ходится в чрезвычайно неблагоприятных условиях. Целесообразно конвейерную ленту не подвергать знакопеременным температурным напряжениям, т. е. поместить весь конвейер внутри печи, не выводя его наружу. В этом случае вся лента будет находиться практически при постоянной температуре. В низкотемпературных конвейерных печах применяют ленту сетчатого типа, а в высокотемпературных — панцирного (рис. 8.6). У конвейера с панцирной лентой ось практи­ чески разгружена и вся нагрузка воспринимается элементами звена.

Для однотипных деталей средних размеров целесообразно при­ менять рольганговые печи с приводными вращающимися роликами.

Наиболее универсальны и достаточно надежны в работе толка­ тельные печи. Они составляют самую значительную группу печей для химико-термической обработки на машиностроительных заво­ дах. Транспортирование изделий в процессе обработки производит­ ся на специальных платформах-поддонах из жароупорной стали, которые проталкиваются через печь специальным толкателем, нахо­ дящимся вне печи. Крупные детали могут транспортироваться без поддонов. Продвижение происходит по гладким брусьям, трубам или по специальному рольгангу, состоящему из роликов и крон­ штейнов, закрепленных на поду печи. Толкатель вталкивает поддон за линию фронта загрузочного окна (за дверку) и одновременно передвигает весь ряд поддонов на один шаг.

Толкательные проходные печи легли в основу широко применя­ ющихся в последние годы в машиностроении автоматических линий термической обработки, оснащенных безмуфелы-іыми печами для цементации и нитроцементации. Эти линии получили название бвзмуфельных агрегатов. Они обеспечивают полный цикл химико-тер­ мической обработки.

В настоящее время разработано несколько типов безмуфельных агрегатов. Выбор типа агрегата зависит от конкретного технологи­ ческого процесса. Наиболее распространены следующие схемы:

186

а) нагрев в контролируемой атмосфере с диффузионным насы­ щением или без него, «подстуживание» перед закалкой (при необ­ ходимости), закалка в масле, мойка, отпуск;

б) нагрев (как и в предыдущем случае, с насыщением или без) и медленное регулируемое охлаждение в контролируемой атмо­ сфере;

в) многократный нагрев (для некоторых марок сталей) с про­ межуточным быстрым или медленным охлаждением с целью обеспе­ чения требуемых диффузионных процессов и фазовых превращений.

На рис. 8.7—8.10 приведены конструкции безмуфельных агре­ гатов с однорядным расположением поддонов в печи. В промышлен­ ности применяются также агрегаты с двухрядным расположением поддонов.

Агрегат, показанный на рис. 8.7, состоит из следующих узлов (в порядке их прохождения садкой): моечной машины 10, служащей для удаления с деталей остатков масла и эмульсии перед поступ­ лением в печи; системы толкателей 6, 11 и 13, обеспечивающих пе­ редвижение поддонов с одной позиции на другую и подачу в тамбур загрузки; тамбура загрузки 12\ безмуфельной печи с горизонталь­ ными радиационными U-образными трубами 1\ тамбура выгрузки 5 с закалочным баком; моечной установки 7 и отпускной печи 8. Загрузка поддонов с деталями производится с торца печи, а вы­ грузка — через боковую дверку противоположного конца печи. Для вытаскивания поддонов имеются специальные механизмы, передаю­ щие поддоны из печи в тамбур загрузки и после закалки из этого тамбура на линию мойки и отпуска. Поддоны передвигаются кулач­ ками. В безмуфельной и отпускной печах поддоны двигаются сплош­ ным рядом, подталкивая друг друга. На остальных участках агре­ гата поддоны перемещаются с определенными зазорами. Нужное распределение поддонов достигается выбором шага между кулач­ ками и хода приводящих механизмы гидравлических цилиндров, цепных механических приводов и т. д. Передвижение поддонов осу­ ществляется по замкнутому контуру (рис. 8.7). Снятие обработан­ ных и установка новых деталей производится на одном и том же месте, перед машиной для мойки «сырых» деталей (или тамбуром загрузки, если отсутствует мойка деталей в начале цикла). Все остальные операции, кроме снятия и установки деталей, автомати­ зированы.

Загруженный поддон проходит мойку, сушку и поступает в там­ бур загрузки, заполненный защитной атмосферой. На входе в оба тамбура печи имеются горелки (завесы) для поджигания выходя­ щего из него газа, которые автоматически зажигаются перед нача­ лом очередного цикла толкания. Дверцы тамбуров и печей откры­ ваются поочередно. После продувки тамбура загрузки защитной атмосферой и удаления из него попавшего с поддоном воздуха про­ изводится вталкивание поддона в безмуфельную печь (перед этим крайний поддон должен быть извлечен, чтобы освободить место для перемещения всей садки). Извлеченный из печи поддон устанавли­ вается на стол закалочного бака, который немедленно (во избежа­

188

ние подстывання деталей) опускается в закалочную ванну и после охлаждения возвращается в исходное положение. Поддон с охлаж­ денными деталями извлекается из тамбура и транспортируется к линии мойки и отпуска. Мойка производится горячей водой и раз­ личными растворами.

На рис. 8.8—8.10 (см. вкладку) показаны разрезы описанного выше агрегата.

Смесь защитного газа (с добавками насыщающих элементов, если производится диффузионное насыщение) подается во все зоны в безмуфельной печи через газовые вводы. Для перемешивания атмосферы в рабочем пространстве установлены вентиляторы с во­ доохлаждаемыми валами. Через специальные пробоотборники атмо­ сфера из разных зон поступает на анализ.

Радиационные трубы отапливаются природным или сжиженным газом. Продукты сгорания удаляются дымососом. Для сжигания газа применяются двухпроводные или инжекционные горелки раз­ личных конструкций [21, 74].

На рис. 8.11—8.13 (см. вкладку) приведен общий вид (в плане) и разрезы агрегата для химико-термической обработки с регулируе­ мым охлаждением. В этом агрегате детали из безмуфельной печи поступают сначала в футерованную (утепленную), но необогреваемую камеру, а затем в водоохлаждаемую. В элементах конструкции, температура внутри которых ниже или близка к температуре вос­ пламенения контролируемой атмосферы, устанавливаются взрыв­ ные клапана. Безмуфельная печь этого агрегата почти не отличается по своей конструкции от печи агрегата, изображенного на рис. 8.8.

На рис. 8.14 и 8.15 (см. вкладку) изображен агрегат несколько иной конструкции. Общая компоновка агрегата не показана, так как опа не отличается от компоновки описанных выше агрегатов. В тамбуре загрузки агрегата имеется шлюзовая камера в виде кол­ пака, плотно прижатого к нижней плите, в которой имеется отвер­ стие для ввода поддона с деталями. Загружаемый поддон подается под колпак. В верхнем положении поддона площадка, на которой он стоит, плотно прижимается к плите тамбура. После подъема под­ дона и уплотнения отверстия в плите тамбура поднимается колпак. Он опускается обратно лишь после проталкивания поддона в печь.

Тамбур выгрузки примыкает к безмуфельной печи с торца. Поддон специальным вытаскивателем платформы извлекается из печи и устанавливается на стол закалочного бака. Стол опускается в масло и находится там до следующего цикла толкания. Он подни­ мается с охлажденным поддоном в тот момент, когда платформа вытаскивателя вводится в печь. После этого в печь загружается но­ вый поддон. Весь ряд поддонов сдвигается и последний из них уста­ навливается на платформу вытаскивателя, отрываясь от направляю­ щих (рельсов) печи. Платформа, двигаясь из печи, тыльной сторо­ ной сталкивает со стола закалочного бака охлажденный поддон и оставляет нагретый. Затем поддон опускается в закалочную ванну и дверки печи закрываются. Для возможности закалки в горячем масле в закалочной ванне установлены трубы-нагреватели, обеспе-

189

чивающие поддержание его температуры в пределах до 190° С (в зависимости от сорта масла).

Охлажденный поддон поступает на опускной стол передаточ­ ного бака, заполненного холодным маслом. Бак является гидравли­ ческим затвором. Часть тамбура выгрузки, примыкающая к пере­ даточному баку, выполнена в виде открытой снизу шахты, погружен-

/Іиния сброса печной атмосферы

Обод лечи

Зогрузка

Защитныйгаз

Рис. 8.16. Схема конструкции футеровки печи и регулирования

углеродного потенциала (римскими цифрами обозначены зоны

печи):

1 — футеровка; 2 — вентилятор перемешивания атмосферы; 3 — заслонка выгрузки: 4 — трубопроводы отбора газа на анализ; 5 — газоанализа­ торы; 6 — регулирующие устройства; 7 — ротаметры; 8 — исполнительные механизмы

ной по всему периметру в масло на глубину, достаточную для пред­ отвращения выхода печных газов под нижним срезом шахты при максимальном повышении давления в печи. Через шахту опускной стол бака перемещает поддон вниз. Затем специальным механизмом поддон передвигается в масле в направлении, перпендикулярном к продольной оси печи, и устанавливается на подъемный стол пере­ даточного бака, который к этому времени находится в нижнем поло­ жении. Поверхность масла в передаточном баке за исключением поверхности внутри шахты тамбура открыта. Подъемный стол из­ влекает поддон из масла, после чего он передается на линию мойки и отпуска.

Безмуфельная печь обогревается вертикальными радиацион­ ными трубами. Печь же низкого отпуска (160—200° С) снабжена топкой, установленной сверху. Разбавленные дымовые газы венти­ лятором направляются в камеру нагрева (отпуска).

Кроме описанных, имеются и другие конструкции автоматизи­ рованного оборудования для химико-термической обработки в кон­ тролируемых атмосферах.

191

Безмуфельные агрегаты снабжены системой автоматического управления работой всех механизмов, блокировки и сигнализации. Температура в зонах рабочего пространства регулируется автома­ тически. Кроме этого, современные конструкции имеют аппаратуру автоматического регулирования состава (углеродного потенциала) печной атмосферы.

При использовании взрывоопасных защитных атмосфер (эндогаз, водород, очищенный богатый экзогаз и т. д.) в целях безопасности следует продувать печь перед пуском и остановкой взрывобезопас­ ным нейтральным газом (азот, бедный экзогаз).

В агрегатах химико-термической обработки для закалки сле­ дует применять сорта масел, обеспечивающих минимальное воздей­ ствие на поверхность изделий (индустриальное 50 при закалке в го­ рячей и вазелиновое Т — в холодной среде).

8.2. РЕГУЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА НАСЫЩЕНИЯ УГЛЕРОДОМ

Как уже отмечалось, самый распространенный метод упрочне­ ния деталей посредством химико-термической обработки — цемента­ ция и нитроцементация. При проведении этих процессов существен­ ное значение имеет регулирование насыщения, основной задачей которого является обеспечение требуемых характеристик: структу­ ры, распределения концентрации углерода, глубины слоя и т. д.

Как чрезмерное, так и недостаточное насыщение поверхностного слоя углеродом вредно. По данным НИИТАВТОПРОМа оптималь­ ная концентрация углерода на поверхности для сталей марки 20ХНМ, 18ХГТ, 25ХГТ, ЗОХГТ, 20ХГНР, 15ХГНТА составляет 0,8— 1% при цементации и 0,65—0,9% — при нитроцементации [1— 1,25% (C+No)]. В соответствии с современными требованиями к качеству деталей необходимо получать не только нужную концен­ трацию, но и оптимальное распределение углерода по глубине слоя.

Известны методы прямого регулирования процесса насыщения по изменению электросопротивления датчиков из тонкой проволоки, которые помещаются в рабочее пространство печи. Электрическое сопротивление изменяется по мере науглероживания датчика. Одна­ ко эти методы пока еще недостаточно надежны, в частности, из-за необратимых изменений, происходящих в материале датчика, что искажает показания. В настоящее время самое широкое распрост­ ранение получили методы косвенного регулирования углеродного потенциала, основанные на соответствии содержания углерода на поверхности составу газов печи. Эти методы стали возможными бла­ годаря появлению процессов насыщения в заранее приготовленных контролируемых газовых средах. Состав газовой атмосферы, а сле­ довательно, и углеродный потенциал можно в процессе обработки изменять по заданной программе, обеспечивая оптимальные пара­ метры насыщения. Разрабатываются также методы регулирования, в основе которых лежит непрерывное косвенное регулирование по содержанию в атмосфере печи СОг или Н2О и периодическая тари­

192