VIII — выдержка 6—10 ч; IX — охлаждение в печи

велика. Очевидно, этим можно объяснить тот факт, что твердые стали чаще растрескиваются снаружи.

Для предотвращения поверхностных и внутренних трещин, уменьшения остаточных напряжений и предупреждения флокенообразования поковки охлаждают по специальному режиму, кото­рый в основном определяется в зависимости от химического со­става стали и габаритных размеров поковок. Общее здесь то, что скорость охлаждения не должна превышать определенного макси­мума. В цеховых условиях поковки из среднеуглеродистых ста­лей охлаждают на воздухе в одиночку или на стеллажах. Поковки из марганцесодержащих сталей охлаждают в штабелях, крупные поковки — в печах.

На рис. 49, а приведен график охлаждения крупного слитка массой 45000 кг в печи до температуры 630°С при выключенных горелках и поднятых заслонках. Перепад температур по сечению не превышает 160—180°С после охлаждения в течение 4 ч и со­хранится в течение 6 ч. Затем происходит уменьшение перепада температур. Через 23 ч перепад температур составит 80°С. На рис. 49, б приведен рабочий график девятиступенчатого ох­лаждения крупного коленчатого вала из хромоникелевой стали.

При необходимости режим охлаждения совмещается с нор­мальным режимом первичной термической обработки (отжиг, нор­мализация), в том числе и для предупреждения флокенообразова-ния. При ковке сталей, чувствительных к флокенообразованию, иногда применяют промежуточную термическую обработку между операциями ковки с целью уменьшения количества водорода в ме­талле.

3.6. Согласование производительностей нагревательного и ковочного оборудования

Для бесперебойной работы ковочных и штамповочных агрега­тов необходимо согласование производительностей нагреватель­ных установок и основного оборудования — молотов, прессов и т. п. Даже в крупносерийном производстве поковок каждый агрегат выпускает поковки нескольких наименований. Поэтому в каждой печи приходится нагревать разные заготовки с различ­ным темпом их последующей ковки или штамповки. Во всех случаях эксплуатации нагревательных установок эффективность использования основного оборудования зависит от правильного выбора режима их работы.

Например, при ковке одной поковки за 1 мин и нагреве заго­товки данного диаметра за 30 мин организовать работу печи можно по-разному. Если в печи размещаются одновременно 30 загото­вок, начало ковки возможно лишь по истечении 30 мин после загрузки печи (во время нагрева ковочное оборудование простаи­вает). По истечении 60 мин после загрузки печь окажется раз­груженной, и на протяжении следующих 30 мин происходит нагрев новой партии заготовок. В данном случае рабочее время ковки составляет 50% продолжительности нагрева (рис. 50, а).

Ковка первой заготовки происходит в нормальных условиях, все последующие заготовки нагреваются дольше, чем это необ­ходимо, последняя заготовка из каждой партии находится в печи почти 60 мин. Если загружать в печь заготовки партиями по 15 шт. (рис. 50, б), то рабочее время ковки составит 66% от общей про­должительности нагрева (если не принимать во внимание пер­воначальную потерю времени 15 мин, так как первая загрузка печи может быть осуществлена в предыдущей смене).

Последняя заготовка каждой партии находится в печи менее 45 мин. При загрузке печи партиями по 10 заготовок (рис. 50, в) рабочее время составит 75%, а нагрев последней заготовки — не более 40 мин. Уменьшая величину партии заготовок, можно убедиться, что наилучшее использование печи и отсутствие пере­грева металла будет при поштучной загрузке и разгрузке печи (в этом случае рабочее время составляет 100%, если не принимать во внима­ние первоначальных потерь времени, которые будут лишь после остановок печи при односменной и двухсменной работе цеха) (рис. 50, г). В этом случае будет бесперебойная работа агрегата при одинаковом числе нагреваемых в печи заготовок (в данном случае 30) и одинаковом времени нагрева каждой заготовки (30 мин). По такому графику работают механизированные печи и автоматизированные установки; в камерных печах, условия поштучной загрузки часто не соблюдаются.

При согласовании производительности печи с темпом работы кузнеца или штамповщика искомой величиной является число заготовок, одновременно находящихся в печи.

Р ис. 50. График использования рабочего времени при загрузке печи пар­тиями; периоды простоя заштрихованы с наклоном линий вправо; стрел­ками отмечены моменты загрузки печи.

Для соответству­ющего расчета используются следующие данные. Если z — число заготовок в шт., одновременно находящихся в печи, t — продол­жительность нагрева заготовки данного размера в мин, n — наи­большая производительность ковочного или штамповочного агре­гата в ч (в шт.), то за 1 мин можно изготовить n/60 поковок, за время t мин, пока нагреваются заготовки, из печи должно быть выдано t_n/60 заготовок. Следовательно, одновременно в печи на­ходится

заготовок.

Например, при штамповке 80 шт. поковок в час и времени на­пева заготовок 15 мин в печи должно находиться одновременно15*80/60= 20 заготовок. Если же ускорить нагрев заготовок, например нагревать их за 10 мин, то в печи должно находиться 14 заготовок. Следовательно, с уменьшением времени нагрева уменьшается и число заготовок, одновременно находящихся в печи. При увеличении темпа изготовления поковок с 80 до 100 шт. в час число заготовок в печи должно увеличиться с 20 до 25 шт. и т. д. Учитывая местные возможности нагрева металла, в цехах обычно составляют графики зависимости числа загото­вок, находящихся в печи, от времени ковки, штамповки. При­нимать эти данные в качестве руководящих материалов для дру­гих производственных условий нельзя.

При нагреве крупных заготовок и слитков по 1 шт. или не­большими партиями производят аналогичные расчеты. Если из­вестна продолжительность t нагрева в часах, то число слитков в одной или нескольких печах находится как произведение z = nt {n соответствует часовой производительности молота или пресса в шт.). Размеры площади F_п пода печей, обеспечивающих необходимую производительность, определяют из следующих соотношений:

где: f_м — проекция одной заготовки или слитка на под, м²; Q — часовая производительность печи, кг; g — масса одной заготовки (слитка), кг; F_aкт — часть площади пода, занятая металлом (f_Mz), м²; k_п — коэффициент загрузки пода (F_aкт/ F_п,) для камерных печей k_п — 0,5…0,6; для методических 0,7…0,9.

По рассчитанной площади пода предусматривают одну или большее число печей. Иногда число используемых печей дости­гает 6—8 на один пресс, при ковке на молотах обычно применяют одну или две печи, при штамповке, как правило, бывает достаточно и одной печи. Напряженность пода печи (удельная производитель­ность 1 м² печи) представляет собой отношение часовой производи­тельности печи к площади пода печи [камерные для заготовок 400—600 кг/(м²ч), с выдвижным подом для слитков 150— 350 кг/(м²ч), полуметодические 300—450 кг/(м²ч), скоростные 700—1000 кг/(м²ч)].

При нагреве металла в скоростных печах контактным или индукционным способами, когда заготовки нагревают по 1 шт., время нагрева заготовки не должно превышать времени на ее штамповку. Если это условие нельзя соблюсти, то применяют последовательный нагрев двух или нескольких заготовок, одно­временно находящихся в нагревателе, или нагрев заготовок в двух или нескольких нагревателях. В этих случаях расчет числа заго­товок, нагреваемых одновременно, совпадает с приведенным выше. При штамповке от прутка на молоте, прессе и горизонтально-ковочной машине производительность агрегата повышается с уве­личением числа поковок, штампуемых подряд за один нагрев прутка. Темп работы в данном случае влияет на производитель­ность в прогрессирующей степени, а не, как обычно, в прямой пропорции.

Число поковок, штампуемых подряд с одного нагрева прутка, зависит от времени его остывания при штамповке: чем больше это время, тем большую часть нагретого прутка можно перерабо­тать в поковки до возвращения его остатка в печь. Длина нагре­ваемой части прутка должна быть согласована с временем осты­вания. Если нагреть большую длину прутка, чем это необходимо, то пруток остынет в излишне нагретой части, прежде чем этот участок металла поступит на штамповку.

Число поковок, штампуемых за один нагрев прутка,

где: t₀ — время остывания прутка данного диаметра в допусти­мом интервале температур для данной стали; t_п — промежуток времени между извлечением прутка из печи и началом штамповки; t_м — время штамповки одной поковки.

Приведенная зависимость показывает, что число N поковок, штампуемых за один нагрев, зависит от химического состава стали и диаметра прутка (которые определяют величину t₀), а также от сложности технологического процесса (который в за­висимости от способа штамповки и числа ручьев определяет вели­чину t_м) и совершенства организации рабочего места. При не­прерывной механизированной или автоматической подаче заго­товок t_п определяется временем извлечения прутка из печи, под­носки, установки его в штамп и потерями времени на включение штамповочной машины.

При штамповке от прутков различных диаметров на машинах-орудиях одинаковой быстроходности и с одинаковым числом ручьев в штампе число штампованных с одного нагрева изделий зависит от времени остывания прутков. Чем толще пруток, тем медленнее он остывает и тем больше поковок можно отштамповать. При данном темпе работы между величиной /V, длиной загото­вок L₀ (частью прутка, приходящейся на одну поковку) и опти­мальной длиной прутка L_H, участвующей в деформации за один нагрев, действительна зависимость

Пользуясь соотношением масс, можно заключить, что

где L_H — оптимальная длина нагреваемой части прутка; q — масса 1 м прутка данного диаметра; g—масса заготовки L₀ на одну поковку.

По этой формуле можно определить длину нагреваемой части прутка, необходимую для получения оптимальных условий штам­повки поковок данной массы.

На практике число штампуемых поковок за один нагрев ко­леблется в некоторых пределах и достигает 20—25 (например, на подшипниковых заводах), что зависит от начальной и конеч­ной температур штамповки, замедленного или усиленного темпа работы штамповщика и длины нагреваемого конца прутка в пре­делах, определяемых по вышепоказанной формуле.

Число прутков, находящихся одновременно в печи,

где: Τ — время подогрева при штамповке с возвращением прутков в печь или время нагрева при штамповке без возвращения прут­ков в печь; t_H — начальные потери времени (установка в ручей и промежуток времени между нажатием педали и штамповкой); N — число поковок (штампуемых с одного нагрева), взятое по максимуму; t_м — время штамповки (машинное и ручное по пере­кладке из ручья в ручей); t_K — время, связанное с извлечением и удалением остатка прутка из штампа.

Полученное при расчете число прутковых заготовок, нагре­ваемых одновременно в печи, исходя из условия согласованной производительности печи и штамповочной машины, может быть использовано для определения площади пода печи по числу и габаритным размерам прутковых заготовок с учетом способа их укладки.

Штамповка каждой поковки от прутка при все более низкой температуре приводит к неодинаковым усилиям, точности раз­меров поковок (в результате различной тепловой усадки и упру­гой деформации деталей машины) и структуре металла. Для устра­нения перечисленных недостатков целесообразно применять гра­диентный нагрев прутка по длине. Конец прутка, с которого начинают штамповку, нагревают до более низких температур, чем температура остальной его части. При градиентном нагреве обеспечивают тепловой режим штамповки от прутка, близкий к изотермическому, поскольку, чем выше нагретый участок прутка, тем позже он поступает в полость штампа. Удается штамповать точные по размеру поковки при оптимальной для структуры данного металла температуре (в интервале 30—50° вместо 300— 400° С).

Число поковок N_rp, которое можно штамповать подряд при градиентном нагреве,

где: t_max — время остывания металла от наивысшей допустимой температуры до принятой оптимальной по условиям его качества. Длина нагреваемой части прутка

На этой длине обеспечивается плавное повышение температуры от оптимальной на конце прутка до предельно допустимой в конце нагреваемого участка прутка.

При выборе типа установки для нагрева металла руковод­ствуются различными соображениями, главными из которых являются способ штамповки, химический состав нагреваемой стали, масштаб производства поковок и условия труда. Механи­зированные сложные печи рентабельны в крупносерийном про­изводстве, при большом парке этих печей эксплуатация их не вызывает особых затруднений. В мелкосерийном производстве частые переналадки технологического процесса штамповки и неизбежные изменения темпа работы требуют применения менее совершенных универсальных печей.

Экономичность работы печи в процессе ее работы связана с напряженностью пода. Чем выше напряженность пода, тем меньше удельный расход топлива. Для методических печей увели­чение напряженности пода печи означает перевод их на полуме­тодический режим работы, осуществляемый повышением темпе­ратуры в камере подогрева. В таком режиме работают печи боль­шинства отечественных кузнечно-штамповочных цехов.