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

Размер зерен определяется по ситовому анализу. В расчетах исполь­ зуется условный средний размер зерна, подсчитанный после усред­ нения весовых долей каждой фракции полифракционной смеси:

фракции); Хі — весовая доля узкой фракции.

Тепло к обрабатываемым изделиям (или его отвод от изделий) переносится движущимися частицами. Частицы слоя можно нагре­ вать трубами с циркулирующим жидким или газовым теплоносите­ лем, нагревателями сопротивления, электрическим током, проходя­ щим непосредственно через слой (такие печи с дисперсным графитом используют для цементации), а также фильтрующимися продуктами горения или горячим газом.

Кипящий слой характеризуется высокой интенсивностью пере­ носа тепла во всем объеме и вследствие этого пренебрежимо малы­ ми перепадами температур по объему камеры, интенсивным тепло­ обменом с погруженными поверхностями (что позволяет ускорить нагрев изделий), возможностью сжигать топливо непосредственно в слое с различными коэффициентами избытка воздуха и создавать определенную газовую атмосферу.

Коэффициент теплообмена поверхности с кипящим слоем нахо­ дится в пределах 100— 1200 вт/м2-° С, что значительно выше, чем в печах с газовой атмосферой. Такая же интенсивность теплообмена имеет место в расплавах солей. Несколько выше теплоотдача при охлаждении в масле. Однако при обработке в указанных средах поверхность деталей загрязняется и требуется проводить моечные и очистные операции. В соляных ваннах поверхность деталей покры­ вается застывшей коркой, которая ухудшает теплоотдачу. В отличие от солей и масел температура применения кипящего слоя ограничи­ вается лишь огнеупорностью его частиц, имеющей довольно высокое значение. В кипящем слое можно менять в широких пределах ско­ рость нагрева или охлаждения за счет изменения скорости филь­ трации и других параметров слоя. Равномерность * температурного поля в аппарате (колебания обычно лежат в пределах ± 5 ° С), незначительная зависимость теплообмена с погруженными изделия­ ми от их температуры, возможность регулировать скорость процесса позволяют в ряде случаев нагревать и охлаждать детали перемен­ ного сечения и сложной конфигурации без перегрева и коробления отдельных частей [82]. Высокая интенсивность переноса тепла и мас­ сы позволяет сократить время ряда процессов химико-термической обработки.

К недостаткам кипящего слоя следует отнести относительно высокий расход газа на псевдоожижение, неодинаковую интенсив­

* Уже на высоте нескольких миллиметров от газораспределительной решетки температура слоя достигает практически постоянной величины.

218

ность теплообмена с вертикальными и горизонтальными плоскими поверхностями (в последнем случае коэффициент теплообмена ни­ же), необходимость улавливания пыли в отходящих газах и т. д.

Кипящий слой используется в печах для термической и химико­ термической обработки, в закалочных ваннах. Проходные печи с кипящим слоем могут быть применены только для нагрева прово­ локи, прутков, труб, так как до сих пор не решены вопросы механи-

Рис. 8.22. Схема агрегата для термо­ обработки проволоки в кипящем слое:

1 и 2 — зоны печи

зации транспорта небольших деталей через высокотемпературные ванны с этой средой.

Схема проходного агрегата с кипящим слоем для термообра­ ботки проволоки приведена на рис. 8.22. В первой камере, в которой сжигается газ, проволока нагревается до определенной температу­ ры, а во второй — охлаждается с заданной интенсивностью.

Для штучных изделий применяются печи с кипящим слоем са­ дочного типа. При этом детали опускаются в ванну печи сверху или подаются через окно загрузки сбоку. Печи такого типа для нагрева в безокислительной атмосфере показаны на рис. 8.23 и 8.24. В основу обеих конструкций заложено известное свойство кипящего слоя, состоящее в том, что в рассматриваемой системе плохо перемеши­ вается газовая и хорошо перемешивается твердая фаза. Это дает возможность разделить печь на две зоны, в одной из которых сжи­

частиц они вносят дополнительное количество тепла в зону непол­ ного горения и температура в печи выравнивается, оставаясь доста­ точной для нагрева обрабатываемых изделий. В то же время состав газов в обоих зонах различен (в зоне неполного горения состав рав­ новесный по отношению к материалу изделий с заданным содержа­ нием углерода на поверхности).

Печь, изображенная на рис. 8.23, имеет две камеры: одну для нагрева в контролируемой атмосфере, а другую — для охлаждения металла. Камера нагрева состоит из нижней зоны неполного горе­ ния и верхней зоны дожигания. В месте расширения шахты печи устанавливаются сопла для подачи вторичного воздуха. Таким обра­ зом, нижняя зона служит для нагрева металла, а верхняя — для на­ грева теплоносителя.

На рис. 8.24 показан разрез печи с кипящим слоем, выполнен­ ной по другому варианту. Печь снабжена двумя газораспредели­ тельными решетками, в каждую из которых газ и воздух подаются раздельно: в одну с а = 0,5, а в другую с а = 1 . Соответственно, со-

219

а и

о га х о. Я о

аcj осе

о и S

5 X

£ « S<ие;к;

се о

«=СЯ

* I

се I

Чсо

С( Я

og шН О а>

Ч 3

о X о

г Оо.

ш к-

=Г\о я

к

с

я

»Я 1

я

ч * .. а> то« *.

”О 2 н

у «ftf*« 3Щ

р £5& ® я «

““о?

СОIu sк

а. I о л

'S °>Ö5

isEl

S g s

Q.И4 u <0

со Я о.

= s c 8а

E- X3

со Д6)

—*5

Ol Ü R

а. H=: hx* Üга

CO Os

(Mcnf °° vg

ce 'o

c0. •*

**5 5 ч sc о

1Ё

>*о

о о

3*гоX >0

ft«

он ч2 а \э

220

став газа над этими решетками различен. Вследствие интенсивного перемешивания частиц в кипящем слое они переносят из зоны на­ грева теплоносителя (а = 1 ) в зону нагрева металла (а < 1 ) необхо­ димое количество тепла, выравнивая температуру по всему объему печи. Разделительная перегородка между зонами находится значи­ тельно ниже уровня слоя частиц в неподвижном состоянии.

Рис. 8.24. Схема печи для безокислнтельиого нагрева в кипящем слое:

делительной решетки; 4 — воздушный короб газораспределительной решетки; 5 — затвор окна загрузки; 6 — футеровка печн; 7 — ре­ шетчатый свод

В кипящем слое также быстро охлаждают (закалка) изделие при химико-термической обработке. Кипящий слой по интенсивности охлаждения уступает минеральным маслам. Поэтому он пригоден лишь для закалки деталей из легированных сталей, для которых допустима, а иногда и целесообразна несколько пониженная ско­ рость охлаждения по сравнению с охлаждением в минеральном масле. Ориентировочно возможность закалки изделий в кипящем слое можно заранее оценить, если известны закономерности тепло­ обмена его с поверхностью и теплофизические характеристики из­ делия. Для этого рассчитывают время охлаждения детали опреде­ ленного сечения до температуры, заданной точкой начала перлитных превращений на диаграмме термокинетического распада переохлаж­ денного аустенита («пика» С-образной кривой). Диаграммы рас­ пада переохлажденного аустенита (С-образные кривые), построен­ ные (в координатах t° С—lg t) для большого количества марок сталей, приведены в литературе [4]. Если время охлаждения опре­ деленной точки сечения в данной среде меньше, чем заданное по диаграмме, то аустенит в данном месте не успеет распасться, пере­ охладиться и произойдет закалка.

Время нагрева или охлаждения в кипящем слое рассчитывается по соотношениям и графикам, приведенным в предыдущих разделах.

221