К.Н.Соколов

ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ

Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР

в качестве учебного пособия для студентов металлургических и машиностроительных специальностей вузов

КИЕВ — ДОНЕЦК

ГОЛОВНОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО ИЗДАТЕЛЬСКОГО ОБЪЕДИНЕНИЯ

«ВИЩА ШКОЛА»

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящая книга представляет собой учебное пособие для студентов технических вузов, обучающихся по специаль­ ности 0407 «Металловедение, оборудование и технология термической обработки металлов». В учебном пособии рас­ сматривается один из разделов специального курса, завер­ шающего подготовку инженеров. В соответствии с програм­ мой книга состоит из введения и двенадцати глав. В первой главе даны классификация и основные элементы нагрева­ тельных устройств; описаны способы отопления и теплотех­ нические конструкции термических печей, выбор их внут­ ренних размеров, материалов кладки, особенности теплового расчета и устройство горелок, форсунок и нагревательных элементов.

Во второй, третьей и четвертой главах приводятся кон­ струкции камерных печей периодического и непрерывного действия и печей-ванн. Наряду с описанием типовых пла­ менных термических печей конструкций Теплопроекта, Стальпроекта и электрических печей конструкции Всесоюз­ ного научно-исследовательского института электротермиче­ ского оборудования (ВНИИЭТО) рассматриваются вариан­ ты оригинальных и перспективных конструкций.

В пятой главе рассматриваются нагревательные уста­ новки, включая нагрев плазмой, электронным лучом, лучом лазера. В шестой и седьмой главах описано оборудование, используемое для охлаждения, поточные линии и агрегаты для термической обработки деталей. Вспомогательное и до­ полнительное оборудование, применяемое с целью получе­ ния контролируемых атмосфер, создания вакуума, очистки* деталей от окалины и дробеструйного наклепа, правки, за­ чистки пороков, рассматривается в восьмой главе.

В девятой главе дана характеристика приборов, приме­ няемых для цехового контроля качества деталей. Коммуни­ кации термического цеха (трубопроводы и борова), подъ­ емно-транспортное оборудование, загрузочные бункеры, магазины-накопители описаны в десятой и одиннадцатой главах. В двенадцатой главе приводятся данные по эксплу­ атации и ремонту печей.

Вкниге особое внимание уделяется вопросам механиза­ ции и автоматизации печей и оборудования.

Вновое издание учебного пособия введены такие подра­ зделы: поточные линии и агрегаты, вакуумные печи и

устройства, методы управления составами контролируемых атмосфер, межоперационные конвейеры, устройство и рас­ чет трубопроводов и боровов. Существенно переработаны и дополнены главы, в которых рассматриваются классифика­ ция и основные элементы нагревательных устройств, печиванны, конструкции нагревательных установок, оборудова­ ние для охлаждения, контролируемые атмосферы и др.

Наряду с лекционным курсом программой предусматри­ ваются практические занятия. Поэтому в учебном пособии приводятся расчеты теплового баланса термической печи; электрических нагревательных элементов; установок непо­ средственно электронагрева, индукционного нагрева (т.в.ч.); тепловые расчеты баков и маслоохладительных установок. Овладение указанными расчетами поможет студентам при курсовом проектировании.

Автор выражает благодарность сотрудникам кафедры термической обработки Днепропетровского металлургиче­ ского института (зав. кафедрой проф., д-р техн. наук И. Е. Долженков) за рецензирование книги и ценные сове­ ты, а также В. И. Коротичу за помощь при оформлении ру­ кописи.

Отзывы и пожелания просьба направлять по адресу: Киев-54, Гоголевская, 7. Головное издательство издатель­ ского объединения «Вища школа».

ВВЕДЕНИЕ

На XXVI съезде КПСС отмечалось, что в развитии металлургии, одновременно с ростом производства металла, еще решительнее будет проводиться линия на коренное улучшение качества металла, увеличе­ ние выпуска эффективных видов металлопродукции. В решении этой задачи термическая обработка является одним из важных факторов и поэтому она широко используется в производстве металлических изде­ лий и полуфабрикатов.

По прогнозу на 2000 г. намечается интенсивный рост выпуска тер­ мически обрабатываемого металла: по отношению к 1980 г. планиру­ ется увеличение в три—четыре раза.

Воснове термической обработки металлов лежат процессы нагрева

иохлаждения. Поэтому печи, нагревательные и охладительные устрой­

ства составляют основное оборудование термических цехов.

Начало печной теплотехники относится к XVIII в., когда М. В. Ло­ моносов в своем труде «Начала металлургии» изложил основные прин­ ципы работы самодувных печей. В 1836 г. Н. М. Меркуловым, а затем П. П. Аносовым построены первые отжигательные печи с обращенным ходом пламени. С. Г. Лукашевич и И. И. Свиязев разработали элемен­ ты механики газов при их движении в печах. Большая заслуга в об­ ласти развития печной теплотехники и конструирования печей принад­ лежит В. Е. Грум-Гржимайло, который создал теорию печей, применив законы гидравлики к движению газов в них. Однако в печах, построен­ ных на основе применения принципов гидравлической теории, скорости движения газов были незначительными, грели они медленно.

Большую роль в интенсификации работы нагревательных печей и создании новой теории печей сыграли труды Н. Н. Доброхотова, кото­ рый впервые указал на тесную взаимосвязь теплопередачи с движением газов. Советская школа М. В. Кирпичева предложила новый метод ис­ следования печей на моделях. Это значительно упростило анализ ра­ боты печей и помогло выбору наиболее эффективных конструкций. В настоящее время методы моделирования и подобия широко применя­

ются в теплотехнике.

В создании электрических печей и нагревательных аппаратов при­ оритет принадлежит русским ученым и инженерам. В. В. Петров открыл световое и тепловое действие электрического тока, положил начало изу­ чению электрического нагрева. В 1906—1907 гг. А. Н. Лодыгин создал ряд конструкций электрических печей для переплава и термической об­ работки металлов. В 1911 г. А. И. Дегтярев разработал и ввел в экс­ плуатацию первую в мировой практике промышленную печь сопротив­ ления с металлическими нагревателями мощностью 20 кВт. В 1913— 1914 гг. на Путиловском заводе А. Н. Королевым была построена про­ мышленная электрическая печь сопротивления для нагрева под закалку артиллерийских снарядов, а в 1916 г. такие печи использовались на ряде заводов для нагрева крупных пушечных деталей.

Для разработки конструкций электрических печей и электротерми­ ческого оборудования создан ряд проектных организаций и печестрои­ тельных заводов. Большая работа проводится по унификации печного и агрегатного оборудования, их узлов и деталей, что позволит резко

уменьшить объем работ по проектированию, снизить стоимость изго­ товления и длительность освоения в производстве. в

Строительство электрических печей сопротивления в Западной Евро­ пе и Америке началось позднее, но развивалось быстрыми темпами.

Отечественное печестроение значительно усовершенствовалось в свя­ зи с развитием массового производства специальных машин. Возросшие требования к точности и стабильности результатов обработки деталей предопределили широкое внедрение в термических цехах механизиро­ ванного и автоматизированного оборудования.

Применение автоматизированных печей, поточных линий и агрегатов позволяет повысить эффективность производства: увеличить производи­ тельность труда и оборудования; достичь стабильности и точности вы­ полнения технологических процессов; сократить количество рабочих и необходимых площадей; упростить планирование производства. Однако пока у нас отсутствуют специализированные фирмы по изготовлению пламенных печей, поэтому заводы-потребители строят печи собствен­ ными силами.

Большой вклад в развитие современных конструкций печей и разра­

зарубежные ученые В. Тринкс, П. Пашкис, М. Моугиней, ряд проект­ ных организаций и печестроительных фирм.

В 1930—1936 гг. советскими учеными разработаны принципиально новые методы нагрева с использованием теплового действия электриче­ ского тока. В 1930—1932 гг. Н. В. Гевелинг использовал способ контакт­ ного электронагрева для поверхностной закалки стальных изделий. В 1935 г. в лаборатории Ленинградского электротехнического институ­ та под руководством В. П. Вологдина разработали метод поверхност­ ной закалки изделий с применением токов высокой частоты (т.^ в. ч.). В 1936 г. на заводе «Светлана» начали применять индукционный нагрев для целей термообработки.

Дальнейшие исследования Г. И. Бабата, М. Г. Лозинского, И. Н. Кидина, К. 3. Шепеляковского, Всесоюзного научно-исследовательского института токов высокой частоты (ВНИИТВЧ), Всесоюзного научноисследовательского института электротермического оборудования (ВНИИЭТО), завода «Светлана», ЗИЛ, УЗТМ, ЧТЗ и др. позволили широко внедрить поверхностную закалку т. в. ч. в производство. Значи­ тельный вклад в теорию индукционного нагрева токами промышленной частоты и внедрение его в производство внес Н. М. Родигин. Способ нагрева в электролитах разработан И. 3. Ясногородским, который на­ чал свои исследования еще в 1938 г. и довел их до промышленного внедрения. В настоящее время разрабатываются и внедряются в про­ изводство станки-автоматы для поверхностной закалки в электролитах разнообразных деталей.

Применение индукционного нагрева для поверхностной закалки в ближайшие 10—20 лет значительно расширится, причем будут исполь­ зоваться токи средних частот.

В последнее время созданы новые методы нагрева лучами лазера, электронной пушкой, низкотемпературной плазмой.

В СССР выпускается ряд установок с лазерными твердотельными и газовыми оптическими квантовыми генераторами (ОКГ). Для нагрева при термической обработке используются потоки малой плотности (104—105 Вт/см2). С помощью ОКГ можно нагревать изделия сложной формы, отражая и преломляя луч зеркалами.

Электронно-лучевой нагрев используют для поверхностной закалки зубьев шестерен, узких пазов колец и изделий сложной формы. В этом случае расходуется намного меньше энергии по сравнению с другими методами нагрева. Наша промышленность выпускает электронные уста­ новки мощностью до 500 кВт.

Указанные методы нагрева используются в термической обработке пока недостаточно широко. Это объясняется отсутствием надлежащей аппаратуры и тем, что получаемые температуры намного превышают необходимые. Однако предполагают, что к 2000 г. с помощью лазерно­

го и электронного нагрева будет обрабатываться до 5 % всех проходя­ щих термообработку металлов и сплавов.

Параллельно с совершенствованием конструкций печей и нагрева­ тельных аппаратов механизируются закалочные баки, закалочные ма­ шины и вспомогательное оборудование для удаления окалины, правки деталей, отрезки образцов. Широкое применение получают дробеструй­ ные аппараты для очистки деталей от окалины, а также для упрочнения поверхности деталей, агрегаты для обработки холодом и получения контролируемых атмосфер. В совершенствовании конструкций устано­ вок для получения контролируемых атмосфер и внедрении их в про­ мышленность много сделали А. А. Шмыков, В. Ф. Копытов, а также сотрудники ВНИИЭТО, Стальпроекта и ряда других организаций.

Применение контролируемых атмосфер и вакуума при проведении термической обработки в дальнейшем получит значительное распрост­ ранение, а объем термической обработки в атмосфере воздуха сокра­ тится. Таким образом, в 2000 г. в контролируемой атмосфере и вакууме будет нагреваться около половины всего термически обрабатываемого металла.

При проектировании оборудования термических цехов основное вни­ мание должно уделяться внедрению технологии, повышающей качество выпускаемой продукции и ускоряющей цикл термической обработки, в связи с чем необходимо систематически совершенствовать оборудова­ ние, механизировать и автоматизировать процессы, создавая поточные линии. Это позволит не только улучшить качество продукции, но и зна­ чительно повысить производительность и облегчить труд рабочих.

Непрерывное совершенствование технологических процессов, обору­ дования и внедрение наиболее прогрессивных методов производства — характерные черты социалистической промышленности.