4.ПЕЧИ-ВАННЫ

4.1.СОСТАВЫ СОЛЯНЫХ

ИШЛАКОВЫХ ВАНН

Печи-ванны применяются для на­ грева в жидких средах деталей под за­ калку и отпуск; цианирования мелких деталей и инструмента; патентирования проволоки и ленты; нагрева дета­ лей из легких сплавов. Жидкие среды позволяют быстро и равномерно нагре­ вать детали, с высокой точностью под­ держивать необходимую температуру и избегать окисления поверхности. Со­ гласно принятой классификации по способу нагрева ванны можно разде­ лить на четыре группы: с наружным обогревом; с внутренним обогревом (при помощи специальных газовых или электрических трубчатых элементов); электродные и с кипящим слоем.

Жидкая нагревательная средамвыбирается сообразно требуемой темпе­ ратуре и процессу термообработки. Для нагрева до 300 °С применяются преимущественно масла (вапор, виско­ зин № 10), для высокого отпуска сталь­ ных деталей и нагрева под закалку

алюминиевых сплавов — селитровые ванны и расплавы щелочей. При на­ греве под закалку стальных деталей до 700—900 °С используются смеси хлори­ стых солей, а при нагреве под закалку быстрорежущих сталей до 1300 °С —. хлоробариевая соль. Для жидкой це­ ментации и цианирования применяют­ ся ванны из цианистых солей. В слу­ чае ступенчатой и изотермической за­ калки широко используют ванны из расплавов едких щелочей [NaOH, КОН]. Проволоку и ленту патентируют в соляных или свинцовых ваннах. Наиболее распространенные составы ванн с указанием их температуры Плав­ ления и плотности приведены в табл. 4.1.

В качестве соли для ванн с темпе­ ратурой 800—900 °С может быть ис­ пользован минерал сильвинит, пред­ ставляющий собой природный сплав хлористого натрия и хлористого калия, который в 50 раз дешевле обычных со­ лей. Перегрев селитры, особенно в црИсутствии алюминиевых сплавов и са­ жи, может привести к взрыву. Едкие

щелочи опасны для кожного покрова. Не рекомендуется применять свинцо­ вые ванны, так как образуемые в про­ цессе нагрева свинцовые пары ядо­ виты.

При нагреве в соляных ваннах ме­ талл может окисляться или обезугле­ роживаться в результате образования окислов, поэтому ванны необходимо систематически (не реже одного-двух раз в смену) раскислять'веществами, связывающими окислы. Высокотемпе­ ратурные ванны с хлористым барием раскисляют фтористым магнием MgF2 (5—6 % от массы соли), 70—80 %-ным порошком ферросилиция (1—2 %) или бурой Na2B40 7 (0,5—1,0 %). Раскисле­ ние бурой надо проводить совместно с ферросилицием, чтобы предотвратить выделение паров. Среднетемператур­ ные ванны с хлористыми солями чаще

раскисляют бурой (2—3 % по массе) или засыпают зеркало ванны древес­ ным углем (один-два раза в смену). При нагреве в интервале 750—950°С хорошими защитными свойствами об­ ладает смесь хлористых солей (70 % ВаС12 и 30 % NaCl).

В качестве раскислителей распла­ вов щелочных ванн применяют желтую кровяную соль K4FeCN6 (0,2—0,3 % от массы). Длительность действия раскислителя три-четыре смены. Призна­ ком плохого раскисления щелочной ванны является наличие на изделии бурых окислов.

При нагреве в селитровых ваннах изделий из алюминиевых сплавов их коррозию вызывают хлориды и щелоч­ ные окислы. Последние из расплава удаляются в результате периодической очистки (один раз в месяц) и замены

отработанной селитры свежей (через шесть месяцев).

В последнее время изучается воз­ можность замены солей расплавами синтетических шлаков, стекол, силика­ тов и боросиликатов. Для безокислительного нагрева с удалением окалины применяют расплавы силикатов на ос­ нове стеклянной фритты, которые со­ стоят из 37—72 % Si02; 10—25 % В20з; 14—25 % (Na20 + K 20). Их мож­ но применять до температур 1100 °С, при которых время растворения окали­ ны составляет 20—50 с. Наиболее эф­ фективным является использование в качестве жидкой нагревательной среды

ный расплав может применяться при температурах 850—1300 °С. Он имеет небольшую вязкость, хорошую смачи­ ваемость, предохраняет сталь от окис­ ления и обезуглероживания, не разъ­ едает поверхность изделий, растворяет окалину и дает чистую поверхность ме­ талла. Улучшают свойства расплава добавки KF, Na3AlF6.

При нагреве под горячую пластиче­ скую деформацию образующаяся на изделиях силикатная пленка защищает металл от окисления, служит смазкой, снижает усилия при деформации на 20—30 %, улучшает качество поверх­ ности, что дает возможность умень­ шить припуск на механическую обра­ ботку. Силикатная пленка снимается при закалке изделий в воде. Если же пленка остается на изделии после за­ калки (в нержавеющих и быстрорежу­ щих сталях), она удаляется в течение 3—10 мин при промывке в слабых вод­ ных растворах кислот или щелочи (10 %-ной HN03 при нагреве на 70 °С или 15 %-ной КОН). Расход расплава 60—80 кг/т металла.

Натрий-боро-силикатные расплавы рекомендуется применять для нагрева под закалку быстрорежущих, нержаве­ ющих, жаростойких, шарикоподшипни­ ковых и ряда других специальных ста­ лей. Они также могут быть использо­ ваны для электролизного бориров^ния стали. При содержании в расплаве 50 % В20 3, температуре 950 °С, плот­ ности тока 0,3 А/см2 и выдержке 5 ч глубина борированного слоя достигает 260 мкм, а при выдержке 1,5 ч — 80 мкм.

4.2.ПЕЧИ-ВАННЫ

СНАРУЖНЫМ ОБОГРЕВОМ

Печи-ванны с наружным обогревом представляют собой литой или сварной тигель с толщиной стенок 15—30 Мм, вставленный в рабочее пространство, обогреваемое топливом или электриче­ скими элементами сопротивления. Не­ большие ванны чаще выполняют с круглым тиглем. Большие размеры имеют только селитровые ванны для термической обработки труб и профи­ лей проката из легких сплавов и соля­ ные ванны для патентирования прово­ локи. Объем таких ванн может дости­ гать 20 м3. В последнее время большие селитровые ванны, учитывая их взры­ воопасность, заменяют вентиляторны­ ми печами.

В ваннах с наружным обогревом сле­ дует избегать прямого удара пламени в тигель. В небольших круглых ваннах факел пламени направляется танген­ циально поверхности тигля, а в боль­

сгорания. Любые тигельные ванны не­ обходимо снабжать крышкой, так как через открытое зеркало теряется до 30 % всей тепловой мощности. Пример­ ная производительность малых тигель­ ных ванн составляет 2—2,5 кг/ч на 1 л объема тигля.

На рис. 4.1, а показана конструкция большой ванны 2 прямоугольного сече­ ния, отапливаемой горелкой или фор­ сункой 4, расположенной в нижней топ­ ке. Продукты сгорания из нижней топ­ ки поднимаются по торцевой стенке 3 тигля, изолированного кладкой от не­ посредственного действия горячих га­ зов, направляются вдоль его боковых стенок 6 и отводятся по каналу 1 у про­ тивоположной торцевой стенки ванны. Для повышения равномерности нагре­ ва тигля в топке сделан сводик 5. В ваннах с наружным обогревом целе­ сообразно применять боковые топки 2У а продукты сгорания отводить в бо­ ров 1 снизу ванны (рис. 4.1,6).

В электрических ваннах с наруж­ ным обогревом нагреватели располага­ ются на внутренней поверхности клад­ ки в несколько рядов по высоте. Тем­ пература нагревательных элементов обычно на 100—150 °С выше рабочей температуры ванны. Для предохране­ ния нагревателей от перегорания в мо-

мент разогрева температура контроли­ руется не только в тигле, но и в печном пространстве. Электрические ванны ча­ сто снабжаются трансформаторами с несколькими ступенями регулирования.

В небольших высокотемпературных ваннах, используемых для обработки длинных изделий (например, протяжек из быстрорежущей стали), при нагреве токами высокой частоты (т. в. ч.) уста­ навливают графитовые или карборун­ дографитовые тигли. Такая ванна, ти­ гель которой имеет диаметр 200 мм и глубину 1300 мм, позволяет обеспечить равномерное распределение температу­ ры в пределах 7—10 °С.

В ваннах с расплавом цианистых солей все процессы должны быть ме­ ханизированы в такой степени, чтобы предотвратить возможность соприкос­ новения рабочего с солью. На рис. 4.2 изображена полумеханизированная электрическая тигельная цианистая ванна 1. Детали загружаются в нее при помощи выдвижного лотка 3. Тигель ванны имеет корзину 2, которая опро­ кидывается с помощью штурвала 6.

Нагретые детали высыпаются из нее в промывочный бак 5. Из этого бака они пересыпаются аналогичной корзиной во второй промывочный бак 4. Оконча­ тельно отмытые от цианистых солей де­ тали вынимаются рабочим. Вся уста­ новка закрыта кожухом, снабженным хорошей вытяжной вентиляцией. При диаметре тигля 350—400 мм габариты установки составляют 1,5X2,9X2,6 м.

Недостатками ванн с наружным обогревом являются: значительный расход тепла, малый к. п. д., плохая стойкость тиглей и сложность замены в случае их прогара, большой объем кладки. Это обусловило необходимость появления печей-ванн с внутренним обогревом.

4.3.ПЕЧИ-ВАННЫ

СВНУТРЕННИМ ОБОГРЕВОМ

Впечах-ваннах с внутренним обо­ гревом нагревателями служат трубча­ тые элементы, которые размещаются внутри ванны. Трубчатые элементы могут нагреваться теплом, получаемым

': А'

-М

цельнотянутые трубы диаметром 25— 40 мм, внутри которых размещается нихромовая спираль. Последняя изолиру­ ется от стенок трубы керамическими вставками. В качестве изолятора для ванн с температурой ниже 600 °С приме­ няют порошкообразную кристалличес­ кую окись магния — минерал периклаз, обладающий высокой теплопроводно­ стью и хорошими диэлектрическими свойствами. Трубчатые нагревате­ ли изготовляют так: спираль помещают

втрубу и заполняют ее периклазом, за­ тем трубе сообщают холодное обжатие

в20—30 %, после чего ее изгибают до получения требуемой формы.

Благодаря значительному улучше­ нию теплопередачи от нагревательных элементов к соли в ваннах с внутрен­ ним обогревом диаметр проволоки спи­ рали нагревателя может быть намного

уменьшен. В ванне размерами 1,0Х X10XU5 м, мощностью 300 кВт, рабо­ тающей при температуре 500 °С, внут­ ренний обогрев осуществлялся с помо­ щью семидесяти U-образных нагрева­ телей по 4,2 кВт. В этом случае исполь­ зование проволоки диаметром 0,9 мм позволило сократить расход нихрома с 225 до 20 кг, увеличить стойкость тиг­ ля в два раза, заменить массивный ли­ той тигель сварным, сократить простой ванны при смене нагревателей, на 35 % увеличить производительность.

На рис. 4.3, б показан поперечный разрез селитровой ванны мощностью 300 кВт, размерами 2Х8Х1>5 м3 с U-образными электрическими нагрева­ тельными элементами /, расположен­ ными по боковым стенкам. Такое рас­ положение позволяет быстро заменять перегоревшие элементы. Средняя про­ изводительность ванны при нагреве дюралюминиевых листов до 500 °С со­ ставляет 0,7 т/ч. Для повышения стой­ кости тигель 2 может быть вынесен за огнеупорную кладку 3.

^Соляные ванны часто применяются для охлаждения и выдержки деталей при изотермической или ступенчатой закалке. Поскольку в этом случае тем­ пературы равны 500 °С и ниже, исполь­ зуются электрические ванны с наруж­ ным или внутренним обогревом.

Для более равномерного охлажде­ ния изделий расплав перемешивают крыльчатками или подводят в тигель сжатый воздух. Тепло, вносимое нагре­ тым металлом, поглощается в резуль­ тате обдувки воздухом поверхности

тигля, погружения в расплав охлажда­ ющих змеевиков, перекачки расплава охлаждаемого воздухом, из одного от­ сека тигля в другой. Однако при закал­ ке больших масс металла указанное способы не эффективны. В этом случае расплав солей лучше о х л а жд а в в о д я на поверхность ванны воду и одновре­ менно перемешивая его мешалками или вдувая сжатый воздух. Вода энергично отнимает тепло от расплава -следст­ вие ее большой скрытой теплоты паро­ образования. На рис. 4.4 показано бе­ зопасное устройство для введения воды в расплав солей. Вода подв^ гея по

трубке 3 в верх коробки 2, погружен­ ной в расплав нижними краями, и рае_

текается по планке 1. Образующийся пар выходит через щели 4 Г образных щитков 5. Брызги соли и воды остают­ ся внутри коробки. Если ванна длин­ ная, то защитные Г-образные Щитки следует устанавливать не с торца ко­ робки, а по всей ее длине.

Для изотермической и сту енчатой закалки лучше применять гасплавы едких щелочей, так как они быСтр0 охлаждаются (быстрее, чем масло) За счет испарения кристаллизп ионной воды; позволяют получать СЕ^тлую, Не окисленную поверхность детали* и взрывобезопасны.

При закалке в расплава^’ солей в ванну вместе с деталями по ^носятся

ва и снижение его охлаждающей Спо_ собности. Расплав необходим^ очщцать от таких солей. В этом случае тпим^ня. ют ванну (рис. 4.5) с двумя (^ е л е ц ^ . ми, одно из них 3 рабочее, а труг0е у служит для осаждения вносимых в ^ан. ну солей. Расплавленная соль перего_ няется мешалкой 2 в отдел ждения, в которое по трубкам 4 вдува_

ется воздух, понижающий - чперату_

ру. На участке 5 расплав фильтруется и вновь подается в рабочую камеру с помощью второй мешалки 6.

4.4.ЭЛЕКТРОДНЫЕ ВАННЫ

Вэлектродных ваннах нагревателем является сама соль. Электрический ток низкого напряжения (24—6 В) по мас­ сивным железным электродам пропус­ кается через расплавленную соль. Она оказывает сопротивление прохождению тока и разогревается. Печи работают

на переменном токе, применять посто­ янный ток нельзя, так как в этом слу­ чае происходит электролиз соли. Элек­ тродные ванны используются при на­ греве изделия в интервале температур 400—1300 °С. В них можно не приме­ нять жаростойкие тигли, что очень важно в случае нагрева под закалку быстрорежущих и нержавеющих ста­ лей. Рабочее пространство электрод­ ных ванн выкладывается из шамотного кирпича и изолируется диатомитовым кирпичом или шлаковой ватой. Чтобы избежать утечки соли, за огнеупорной

кладкой устанавливают железный про­ межуточный тигель.

Сечение рабочего пространства вы­

ванны достигает 6 м и более. Ванны снабжают вытяжным колпаком или бортовыми отсосами. В электродных ваннах шестиугольного сечения приме­ няют три плоских железных электрода, расположенных через грань. Ток к элек­ тродам подводится по медным шинам от трехфазного трансформатора, пер­ вичная обмотка которого имеет пять ступеней и может переключаться на звезду и треугольник. Таким образом, ванна имеет 10 ступеней регулирования напряжения (от 5,5 до 17,6 В). Сверху печи установлен вытяжной колпак. Для разогрева соли ванны снабжают вспо­ могательным электродом или специ­ альным приспособлением. Однако рав­ номерность нагрева в таких электрод­ ных ваннах составляет ±20 °С. Она в значительной степени зависит от раз­ меров погружаемой садки, так как при этом меняется сопротивление прохо­ ждению тока, кромки деталей могут пе­ регреваться и даже оплавляться.

Наиболее целесообразной конструк­ цией являются электродные ванны с электромагнитным перемешиванием со­ ли. Электроды располагаются по зад­ ней стороне ванны попарно с расстоя нием между каждой парой 20—40 мм. При однофазном переменном токе чис­ ло электродов должно быть кратным двум, а при трехфазном — шести. Ван­ ны снабжаются трансформаторами с регулируемым вторичным напряжени­ ем, равным 5—20 В.

Электрический ток, проходя через соль между электродами как через про­ водник, взаимодействует с магнитным полем, создаваемым вокруг электродов, и по правилу левой руки сообщает дви­ жение проводнику (т. е. объемам соли между электродами) вниз (рис. 4.6, а). При перемене полярности электродов одновременно изменяется и направле­ ние поля. Поэтому результирующая си­ ла, определяющая перемещение соли, всегда направлена вниз. Происходит энергичное перемешивание соли, что обеспечивает равномерность темпера­ туры ванны в пределах ±5°С. Иногда для экранирования рабочего простран­ ства его отгораживают от места распо-

ляется, создавая сплошную пленку, а ближе к кожуху ванны температура шлака понижается и здесь образуется гарнисаж, который служит теплоизоля­ цией. В используемых электродах ко­ ленчатого типа рабочей частью являет­ ся горизонтальный участок, располо­ женный по дну тигля. Рабочая темпе­ ратура ванны в зависимости от марки применяемого шлака достигает 820— 1150°С. Срок службы тигля — не ме­

360X420X500 мм ее мощность состав­ ляет 110 кВт. Максимальная масса сад­ ки 40 кг, расход шлака до 3 кг/сутки.

При термической обработке в рас­ плавленных шлаках поверхность дета­ лей получается светлой, она не разъ­ едается и не обезуглероживается.

4.5. ПЕЧИ-ВАННЫ С КИПЯЩИМ СЛОЕМ

Кипящий или псевдоожиженный слой получается при продувке восходя­ щими потоками воздуха или горячего газа мелкозернистого материала (ко­ рунда, карборунда, кварцевого песка, ферросилиция, глинозема, шамота, ме­ таллического порошка и т. п.). При определенной скорости газа (критиче­ ской) давление в слое численно будет равно массе материала на единицу площади решетки. Частицы в этом слу­ чае станут подвижными, приобретут некоторые свойства жидкости, т. е. на­ ступит псевдоожижение (кипение) слоя. При непосредственном сжигании топлива в слое (например, природного газа) происходит интенсивный тепло­ массообмен между газом и нагретым металлом с коэффициентом теплопере­ дачи 600—700 Вт/(м2*К) и равномерно­ стью поддержания температуры ± 5 °С.

Высокий коэффициент теплопереда­ чи достигается в результате большой теплоемкости зернистого материала и газа. Роль лучистого теплообмена в ки­ пящем слое мала. Для сжигания газа в кипящем слое необходима температура не менее 800 °С. При меньшей темпе­ ратуре требуемое тепло создается с помощью электронагревателей. Зерни­ стый материал располагается на колос­ никовой решетке, которая может быть выполнена в виде плиты с коническими отверстиями диаметром на входе 1 —

3 мм, на выходе 3—4 мм. Отверстия в колосниковой решетке должны состав­ лять 1,5—2 % ее площади. В последнее время применяют решетки в виде кол­ пачков диаметром 35—50 мм, каждый из которых имеет. 4—6 отверстий диа­ метром 3—6 мм.

При подводе всего необходимого для горения воздуха через колоснико­ вую решетку в рабочей зоне создается окислительная атмосфера. Поэтому под колосниковую решетку подают только часть воздуха, необходимого для горе­ ния, а остальное его количество вводят выше рабочей зоны ванны. При двух­ ступенчатом подводе воздуха в ванне можно получить безокислительную ат­ мосферу, а при подаче первичного воз­ духа с а=0,25 — науглероживающую. В случае подвода вторичного воздуха для дожигания га'зов неполного сгора­ ния получаемое тепло возвращается в зону нагрева металла интенсивно дви­ жущимися частицами, а образующиеся при сгорании окисляющие газы отво­ дятся вверх. Если температура слоя превышает 800 °С, в рабочей камере на­ блюдается весьма-устойчивое горение при любых а.

На рис. 4.7 показана схема печиванны с кипящим слоем. Рабочая каме­ ра 2 внизу имеет колпачковую решет­ ку У, состоящую из четырех газорас­ пределительных коллекторов. Вторич­ ный воздух для дожигания подается по соплам из воздухопровода 3. В месте расширения ванны создается отстойная зона 4, что позволяет уменьшить унос зернистого материала. Высота кипяще­ го слоя составляет 0,4—0,8 м, а отстой­ ной зоны 1,0—1,5 м. Изделия загружа­ ются на подвесках через отверстие 6, дымовые газы отводятся по трубопро­

температуры горения газа. Температу­ ра нагрева колпачков на 200—300 °С ниже температуры слоя.

Более эффективный нагрев наблю­ дается при использовании частиц зер­ нистого материала диаметром ЗО-ц* 60 мкм и скоростях их движения 0,8— 0,9 м/с. Кипящий слой позволяет охла­ ждать изделия с различными скоростя­ ми, вплоть до скоростей, превышающих скорости охлаждения в масле.

Скорость нагрева и охлаждения в кипящем слое можно регулировать, из­ меняя размер частиц и скорость их

движения. С уменьшением диаметра псевдоожижаемых частиц теплообмен улучшается, однако при очень мелких частицах (меньше 0,2 мкм) он ухудша­ ется из-за их слипания. Минимальный размер частиц зависит от типа матери­ ала и конструкции колосниковой ре­ шетки. С увеличением температуры на­ грева влияние диаметра частиц осла­ бевает. Меньший коэффициент теплопе­ редачи в кипящем слое дают пористые материалы (например, шамотные ча­ стицы).

Из результатов многих исследова­ ний видно, что теплопередачу в кипя­ щем слое можно повысить, применяя электропроводный зернистый матери-' ал, механическое перемещение и виб­ рацию. Так, виброслой из графитовых частиц, находящихся в контейнере с внешним обогревом, при частоте виб­ рации 16 Гц и амплитуде 5—7 мм спо­ собствует повышению скорости и рав­ номерности нагрева, получению неокисленной поверхности. Частицы виб­ рослоя не забивают малых отверстий и узких каналов в деталях.

Детали в ваннах с кипящим слоем можно нагревать до любой температу­ ры. При этом зернистый материал не взаимодействует с металлом и детали не нуждаются в отмывке.

На рис. 4.8 изображена ванна для светлой термообработки коленчатых валов и шатунов из сталей 18Х2Н4ВА производительностью 1,5 т/ч при разме­

ре рабочей камеры 650X1500X700 мм. Кроме камеры нагрева 2 с колпачковой решеткой 1 и отстойной зоной 3, ванна имеет камеру охлаждения 4. Послед­ няя снабжена змеевиками 5 с циркули­ рующей в них водой и электронагрева­ телями 6 мощностью 100 кВт, что по­ зволяет охлаждать изделия в кипящем слое от 500 до 50 °С. При а=0,25 ки­ пящий слой можно использовать для процесса цементации. Зубья шестерен из стали 12ХНЗА науглероживаются в кипящем слое на глубину 0,7 и 1,5 мм