3.2 Типы нагревательных устройств и способы нагрева металла

В связи с различной массой слитков и заготовок, а также темпом и серийностью производства поковок в кузнечных цехах применяют различные типы нагревательных устройств и способы нагрева металла.

Для нагрева перед ковкой применяют преимущественно печи (табл. 9). Для мелких и средних заготовок из углеродистой стали применяют немеханизированные камерные

Табл. 9

Типы нагревательных печей, применяемых в кузнечных цехах

Печи	Назначение	Загрузка металла	Использование теплоты отходящих газов
Камерные: однокамер- ные щелевые	Нагрев мелких и средних заготовок из углероди­стой стали	Партиями или по одной заготовке	Без использо- вания или с реку- ператором
Однокамерные с закрывающимся окном	То же	То же	То же
двухкамерные с закрываю- щимся окном	Нагрев и подогрев холодных заготовок из легированной стали, повторный нагрев остывающих заготовок	Периодическая попеременная или последовательная	В рекуператоре или для подогрева металла
Крупнокамер- ные с двумя и более зак- рывающими- ся окнами	Нагрев, подогрев холодных слитков, повторный нагрев осты­вающих слитков в процессе ковки	Периодическая одиночная	В регенераторе
С выдвижным подом:
с одной подо­вой тележ­кой и выдви­жением ее в одну сторону		Периодической садкой или оди­ночная	То же
с двумя подо- выми тележками и выдвижением их в обе стороны	То же	То же
Методические: перекатные с наклонным подом	Нагрев слитков легированной ста- ли	Непрерывная	В рекуператоре или без него
с толкателем	То же	То же	То же
Шахтные кольцевые: отапливаемые неотапливаемые	Подогрев и нагрев слитков Охлаждение крупных поковок по заданному ре­жиму	Одиночная	В регенераторе или рекуператоре

щелевые печи с рекуперативным использованием теплоты отходящих газов и без использования этой теплоты. Для нагрева легированной стали применяют также двухкамерные печи с периодической попере­менной загрузкой каждой камеры или с последовательной их загрузкой.

Нагрев слитков осуществляют также в камерных печах с од­ним, двумя и несколькими закрывающимися окнами и регенера­тивным использованием теплоты. Отходящие газы удаляются через борова и вытяжную трубу. Большое распространение полу­чили нагревательные печи с выдвижной подиной. Печи с двумя подовыми тележками, выдвигаемыми в обе стороны печи, позво­ляют использовать их без значительных потерь времени. Методи­ческие печи для нагрева небольших слитков из легированной стали используют при применении наклонного пода (для облегче­ния переката слитков) и толкателя для перемещения слитков внутри печи.

В производстве крупных поковок применяют тоннельные печи с расположением слитков на отдельных тележках. Крупные бол­ванки подогревают преимущественно в шахтных печах, а охла­ждают в различных колодцевых устройствах, в том числе и неотапливаемых. В качестве топлива в указанных печах исполь­зуют обычно газ. Напряженность пода этих печей при работе на газовом топливе составляет для камерных печей 350—550 кг/(м²ч), для печей с выдвижным подом при холодном посаде слитков до 950 кг/(м²ч), для методических печей — 300—400 кг/(м²ч).

Для нагрева металла перед штамповкой поковок применяют более разнообразные нагревательные средства. Быстрый нагрев металла обеспечивают пламенные печи и электрические нагре­ватели.

При нагревании металла в печах теплота передается луче­испусканием, конвекцией и теплопроводностью. Лучеиспускание является основным источником передачи теплоты от нагревающей среды и стенок печи. Конвекцией передается только 3—8% те­плоты. Теплопроводность обеспечивает распространение и вырав­нивание температуры по сечению заготовок. В кузнечно-штамповочных цехах довоенной постройки печи имеют большее распро­странение, чем электронагревательные установки. Различают два типа печей: полуметодические и камерные (садочные и щелевые). В современных печах применяют печи с отводом продуктов горе­ния в боров или с вытяжкой эксгаустером и с рекуперативным использованием теплоты. Большое распространение получили печи механизированные (конвейерные и с толкателями), а также полуметодические (с укороченной камерой подогрева металла). Некоторое применение получил нагрев металла в солевых ван­нах.

Электрические нагревательные устройства ~- более совершен­ный тип установок для нагрева металла перед штамповкой. Нагрев электроконтактным способом происходит вследствие прохождения электрического тока через нагреваемый металл. Тепловая энергия, выделяемая в заготовке, пропорциональна квадрату силы электрического тока I, сопротивлению R и времени t про­хождения тока:

Q = 0.24I ²Rt.

При нагреве электроиндукционным способом температура ме­талла повышается под влиянием вихревых токов и выделения теплоты от гистерезиса перемагничивания. В обоих случаях те­плота возникает в самом металле, но все же неравномерно по се­чению. Распространение теплоты и частичное или полное вырав­нивание температур в металле, нагреваемом индукционным то­ком, происходит благодаря теплопроводности.

Электролитный нагрев металла основан на эффекте интенсив­ного нагревания катода при прохождении электрического тока через водные растворы солей. За короткий промежуток времени (0,012—0,001 с) около катода возникает газовая рубашка (водо­родная), через которую ток проходит в виде микроразрядов (8000—10000 с/см). Источниками, нагревающими металл, служат разряды и теплота газового слоя.

К преимуществам электронагрева перед нагревом заготовок в кузнечных печах относятся следующие.

1. Экономия и большая скорость нагрева металла, отсутствие необходимости подачи воздуха в камеру нагрева (как в случае применения печей для поддержания горения топлива), что значи­тельно уменьшает окалину. При контактном электронагреве в 2 раза уменьшается угар металла. Индукционный способ нагрева дает еще больший эффект в отношении уменьшения окалины, однако без применения защитной атмосферы устранить полностью окалину в процессе нагрева не удается.

2. Повышение стойкости штампов. При уменьшении окалины на металле стойкость штампов повышается, так как окалина ока­зывает абразивное воздействие.

3. Повышение производительности труда. Большая скорость нагрева позволят увеличить температуру начала штамповки, так как перегрев штампуемого металла при малых выдержках в на­гретом состоянии происходит при более высоких температурах. Штамповка при более высоких температурах целесообразна из-за меньших затрат работы на деформацию, что приводит к сокраще­нию числа ударов и повышению производительности при штам­повке на молотах. При электронагреве легко достигается согласо­ванность работы нагревательных устройств и штамповочных Машин и упрощается автоматизация производственного процесса, ^большие габаритные размеры электроустановок также способ­ствуют этому.

4·Улучшение условий труда. Отсутствие грязи и копоти на рабочем месте улучшает условия труда в горячих цехах, что приближает условия работы в них к условиям работы в холодно-прессовых цехах.

5. Повышение качества продукции. Равномерность нагрева и точный контроль температурного режима при электронагреве позволяют обеспечить однородные структуру и свойства металла, сократить тепловые виды брака и увеличить точность размеров поковок за счет уменьшения колебания величины усадки при их остывании.

6. Отсутствие необходимости в тщательной очистке поковок; экономия времени на очистку заготовок от окалины перед штам­повкой; простота обслуживания нагревателей; удобство приме­нения защитных атмосфер в нагревательных индукторах и т. п.

Недостатки электронагрева металла связаны с относительно высокой ценой установок и электроэнергии, трудностями подо­грева (вторичного нагрева) еще не остывших заготовок и слож­ностью нагрева фасонных заготовок. Для удешевления электро­нагрева применяют двухступенчатый индукционный электро­нагрев металла: до температуры 800—850°С током промышлен­ной частоты (без генератора) и затем током средней частоты, а в отдельных случаях применяют даже трехступенчатый нагрев.

Типы кузнечных нагревательных устройств, применяемых при штамповке, с указанием их конкретного назначения приведены в табл. 10. Их подразделяют на пламенные печи и нагревательные установки электрического действия. Среди последних наиболее распространены различные индукционные установки с толкате­лями, конвейерами, вращающимися барабанами при одновремен­ном вращении заготовок вокруг своей оси и т. п. Различные на­гревательные устройства используют для нагрева мерных загото­вок (штучных, спаренных и многоштучных), чаще целиком, и прутковых заготовок (обычно нагревают только с одного конца).

Получают распространение печи и установки с защитной атмосферой и для безокислительного нагрева заготовок. Экономи­ческие расчеты показывают, что в районах с повышенной стои­мостью электроэнергии эти печи наиболее эффективны. Методиче­ский и полуметодический нагрев используют для легированной стали. Механизированные конвейерные и карусельные печи обес­печивают ритмичную подачу нагретых заготовок, что особенно важно в автоматизированном производстве поковок. Нагрев в электролите и в солевых ваннах применим для заготовок неболь­шого размера. Нагрев в стеклянных ваннах применяют в несколь­ких вариантах. Пламенный нагрев в стеклянной ванне исполь­зуют для заготовок небольших и средних размеров, остающееся на поверхности металла стекло является смазкой при последу­ющей штамповке. Вариант электронагревательного устройства, в котором применяют в качестве сопротивления расплавленное стекло, позволяет осуществлять нагрев даже слитков.

В расплавленном стекле можно нагревать не только в стацио­нарных ваннах, но и во вращающихся барабанных печах, в печах с периодическим погружением заготовок и в печах с толкателем. Новым нагревательным устройством являются печи для нагрева в кипящем слое огнеупорного материала.

Табл. 10

Типы нагревательных устройств, применяемых при штамповке стали

Нагревательные устройства	Назначение		Условия нагрева
Печи камерные: с закрывающимися окнами щелевые очковые	Для нагрева мерных заготовок из углероди- стой стали То же мерных и прут­ковых То же		Без предварительного нагрева, печи могут быть с восстановитель ной атмосферой
Печи полуметодиче- ские и методические с толкателями	Для нагрева мерных заготовок из легир. стали		Методический нагрев, печи могут быть с восстановительной или защитной атм.
Печи карусельные: с вращающимся подом (тарельчатые) β вращающимся кор­пусом (очковые)	Для нагрева мерных заготовок из любой ста­ли То же мерных и прутковых		То же
Конвейерные печи: с внутренним расположением конвейера с наружным расположением конвейера	Для нагрева мерных заготовок из любой стали То же прутковых		Методический нагрев, печи могут быть с за- щитной атмосферой То же
Специализированные печи	Нагрев фасонных заготовок из любой стали		Нагрев по заданному режиму
Солевые ванны	Нагрев мелких заготовок из любой стали		Быстрый безокислительный нагрев
Печи для скоростного нагрева с керам. горелками — камерные и проходные	Нагрев заготовок всех типов		Быстрый малоокисли- тельный нагрев
Индукционный элек- тронагрев токами: промышленной частоты повышенной частоты	Заг.≥Ø150…200 Заг.≤Ø150…200		Умеренно быстрый нагрев Весьма быстрый на- грев. В обоих случаях может быть с защитной атм.
Контактный электро­нагрев		Нагрев заг. Ø до 60—70 мм с пост. сеч. по длине (чаще, L/D≥15)		Быстрый нагрев, мо­жет быть с защитной атмосферой
Нагрев в электролите		Нагрев заготовок не­больших размеров и се­чений		Быстрый безокисли­тельный нагрев
Нагрев в расплавлен­ном стекле в печах ван­ного, барабанного и толкательного типов		Нагрев заготовок диа­метром 30—150 мм		То же
Нагрев в кипящем слое		Нагрев заготовок не­больших габаритов		То же