книги из ГПНТБ / Несенчук А.П. Пламенные печи для нагрева и термообработки металла учеб. пособие

где Bi — безразмерное отношение внутреннего и внешнего сопро­ тивлений переносу (критерий Био):

Рпред ро

Эта формула справедлива для деталей с плоской поверхностью или малым радиусом кривизны. При расчетах мелких изделий с суще­ ственной кривизной поверхности следует вводить поправку. Для вне­ сения этой поправки автор работы [69], ссылаясь на Д. В. Будрина, рекомендует использовать уравнения:

для шара

для цилиндра

172

а

1,0000

0,8875

0,7773

0,671b

0.5716

0/7735

0,3961

0,3222

0,2579

0,2031

0,1573

0,1198

0,0897

Ö

Рис. 7.11. Графики функций переноса для полуограниченного тела:

а — в координатах Ѳ—Ті; б — в координатах Ѳ—Ві

173

где Bi=hR \

R — радиус кривизны;

fi(Ti) — поправочный коэффициент (рис. 7.12).

В случае восстановительного науглероживания, когда задачей является процесс восстановления концентрации в тонком поверхно­ стном слое, для решения уравнения Фурье при граничных условиях

Рис. 7.12. Функции /і критерия Ті

третьего рода необходимо использовать дополнительно начальное условие, учитывающее исходную концентрацию до науглерожива­ ния. Это условие может быть записано следующим образом

где

По данным работы [71] постоянная А имеет порядок 100 см-1. Используя приведенные выше зависимости, можно рассчитать про­ цесс насыщения при химико-термической обработке.

Следует отметить, что при насыщении различная величина рпред (углеродный потенциал) в зонах печи может быть обеспечена:

174

а) подачей в каждую зону контролируемой атмосферы с раз­ личным содержанием Н20 (или С 02), соответствующим величине Рпред данной зоны;

б) подачей контролируемой атмосферы одного состава с макси­ мальным для данной печи значением р“ ®ед ; снижение углеродного

потенциала в зонах, где pnpeÄ<p™^, производится добавками неочи­

щенного экзогаза или воздуха; г) подачей контролируемой атмосферы одного состава с отно^

сителы-ю невысоким углеродным потенциалом; в этом случае повы­

Несмотря на то, что при реализации последнего способа истин­ ное равновесие не достигается, он получил наибольшее распростра­ нение. Одна из причин этого — более высокая стойкость катализа­ тора в генераторе при приготовлении атмосферы со сравнительно невысоким углеродным потенциалом.

7.4. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ КОНТРОЛИРУЕМЫХ АТМОСФЕР

Контролируемые атмосферы по их действию на стали можно условно разделить на следующие виды:

а) инертные атмосферы для защиты от окисления и обезугле­ роживания;

б) науглероживающе-восстановительные атмосферы для защи­ ты от окисления, обезуглероживания, для активного науглерожи­ вания или обезуглероживания, а также насыщения алюминием, азо­ том, хромом, бором и т. д. (газовое алитирование, азотирование, хромирование, борирование).

По классификации А. А. Шмыкова контролируемые атмосферы подразделяются на следующие типы.

I. Водород — водяной пар — азот.

II. Водород — метан — водяной пар — азот.

III. Водород — водяной пар — окись углерода —азот.

III А. Водород — водяной пар — окись углерода — метан — азот.

IV. Окись углерода — двуокись углерода — азот.

V. Окись углерода — двуокись углерода — водород— водяной пар — азот.

V А. Окись углерода — двуокись углерода — водород — водя­ ной пар — метан — азот.

Состав наиболее распространенных атмосфер приведен в табл. 7.6 (инертные газы за исключением азота, очищаемого в спе­ циальных установках от примесей, в таблице отсутствуют).

В литературе приводится различная классификация контроли­ руемых атмосфер. Однако, на наш взгляд, наиболее удобно класси­ фицировать атмосферы по способу их приготовления. Такой класси­

175

176

сферы приготавливаются искусственным образом из углеводородно­ го сырья, технического азота, аммиака в специальных генераторах.

Из атмосфер, применяемых при цементации и нитроцементации, наибольшее распространение получил эндотермический газ (эндо­ газ). Название этого газа указывает, что процесс его приготовления протекает с поглощением тепла. Процесс приготовления заключает­ ся во взаимодействии углеводородов (чаще всего метана, основной

дешев богатый экзогаз, очищенный от С02 и Н20 методом каталити­ ческой конверсии дымовых газов с метаном. Реакция конверсии осу­ ществляется при температуре около 900° С в присутствии катализа­ тора. Полученная атмосфера содержит меньше водорода, но больше азота, чем эидогаз. Она появилась лишь в последние годы и посте­ пенно находит все большее применение при цементации и нитро­ цементации. Для отжига, нормализации и закалки малоуглеродис­ тых сталей и ряда цветных металлов, отпуска среднеуглеродистых сталей, спекания металлокерамических деталей, пайки медью и т. д. применяются экзотермические атмосферы, обозначенные в табл. 7.6 индексом ПС. Атмосферы типа ПС получаются посредством сжига­ ния углеводородных газов с коэффициентом расхода воздуха а = 0 ,5 0 —0,98 и представляют собой дымовые газы, подвергнутые дальнейшей обработке (осушке, очистке). Реакции горения проте­ кают с выделением тепла, поэтому эти атмосферы называют экзо­ термическими. Дальнейшая обработка дымовых газов при приго­ товлении атмосфер заключается в удалении С02 и НгО. Группа бедных экзотермических атмосфер, полученных при а = 0,9, не взры­ воопасна, что делает их весьма перспективными. Некоторые харак­ теристики защитных атмосфер приведены в табл. 7.7 и 7.8.

Г л а в а 8. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ В КОНТРОЛИРУЕМЫХ АТМОСФЕРАХ

В комплексный процесс химико-термической обработки входит целый ряд отдельных операций: нагрев и выдержка при определен­ ной температуре, диффузионные процессы, охлаждение с заданной скоростью, повторный нагрев и выдержка (например, при отпуске), а также мойка и сушка деталей. В современном крупносерийном производстве указанные операции осуществляются в сложных меха­ низированных и автоматизированных агрегатах — комплексных ав­ томатических линиях, в которых до минимума сводится ручной труд

ивлияние субъективных факторов при выполнении операций регу­ лирования технологического процесса. Основная часть таких агре­ гатов — печь, заполненная атмосферой, взаимодействующей с по­ верхностью обрабатываемых изделий. Конструкция печи должна обеспечить стабильность состава атмосферы (иногда и его автоном­ ность в различных зонах), высокую интенсивность переноса тепла

имассы при максимальной стойкости дорогостоящих огнеупорных

ижаропрочных материалов, а также отвечать санитарным условиям

иусловиям взрывобезопасности.

Вданном разделе излагается описание современных агрегатов для химико-термической обработки и приводятся методы расчета.

8.1. ОПИСАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ

Основная особенность, отличающая печи для химико-термиче­ ской обработки,— изоляция атмосферы печи от наружной среды и в большинстве случаев от продуктов горения топлива. Это достига­ ется муфелированием садки или пламени (продуктов горения); герметизацией футеровки печи; организованной циркуляцией атмо­ сферы и поддержанием положительного давления в рабочем про­ странстве (обычно в пределах 10—20 мм водяного столба на уровне нижнего края окон загрузки); применением гидравлических (водя­ ных) затворов, через которые сбрасывается избыток газа при крат­ ковременных повышениях давления в печи; применением шлюзовых камер перед входом в печь и после выхода из нее (шлюзовые камеры продуваются защитным газом); установкой у открытых проемов

пламенных завес, которые создают сопротивление выходящим га­ зам и поджигают их, а также выдачей при непосредственной закалке деталей через закалочную ванну, служащую в данном случае за­ твором.

Муфелирование садки (муфель представляет собой обогревае­ мый снаружи короб из жаропрочной стали или огнеупорной кера­ мики, отделяющий детали и атмосферу печи от внешней среды; приводит к большому расходу термостойких материалов, создаег добавочное термическое сопротивление, затрудняет герметизацию печи, регулирование теплового режима и перемешивание печной атмосферы. Поэтому в последнее время муфельные печи заменяют безмуфельными, в которых муфелируется пламя горелки пли элек­ тронагреватели (использование обнаженных электронагревателей при науглероживании футеровки приводит к коротким замыка­ ниям).

В безмуфельных газовых печах пламя горелки заключают в тру­ бу, герметично смонтированную в рабочем пространстве печи. Пере­ нос тепла от труб к изделиям осуществляется преимущественно излучением, поэтому такие трубы получили название радиационных. У нас в стране радиационные трубы изготавливаются из сталей ма­ рок Х23Н18 и Х18Н25С2. Рабочая температура для таких труб — около 1000° С, что определяет температуру обрабатываемого в печи металла. Изготовление надежных конструкций радиационных труб из керамических материалов, выдерживающих более высокие тем­ пературы, в частности из карборунда, в настоящее время еще не освоено.

Поскольку радиационные трубы начали исследовать сравни­ тельно недавно (примерно с 1960 г.), надежная методика расчета различных конструкций труб отсутствует. Поэтому при расчетах необходимо использовать практические данные, полученные при эксплуатации печей.

Основные показатели работы радиационных труб — коэффици­ ент использования топлива и температура уходящих газов, теплонапряжение поверхности трубы и внутреннего объема, равномер­ ность распределения температуры на поверхности и внутри трубы, стойкость при эксплуатации.

По своей конструкции радиационные трубы могут быть одно- и многоветвьевыми (рис. 8.1 и 8.2). По расположению в печи трубы классифицируются на горизонтальные и вертикальные.

Чтобы достичь равномерности распределения температуры по длине трубы, необходимо искусственно растянуть факел. При ис­ пользовании короткофакельной горелки (рис. 8.1, а) высокотемпе­ ратурная зона располагается на небольшой длине, что приводит к прогоранию трубы в одних местах и недогреву в других. Растяги­ вание факела (рис. 8.1,6) повышает температуру уходящих газов, а утилизация их тепла при использовании одноветвьевых прямоточ­ ных труб практически невозможна, так как рекуператор и горелку необходимо располагать с разных сторон печи (труба проходит сквозь печь). Кроме того, прямоточные трубы имеют выход из печи

180

в двух местах, что ухудшает условия герметизации. Более совершен­ ными, но и значительно более сложными являются конструкции тупиковых труб (рис. 8.1, б и а). В трубе, изображенной на рис. 8.1, а, газ и воздух смешиваются, двигаясь навстречу друг другу. Газ сго­ рает на выходе из отверстий перфорированной промежуточной трубки. При использовании тупиковых радиационных труб можно

Рис. 8.1. Конструктивные схемы одноветвьевых труб

применить рекуператор (подвод воздуха и отвод дыма расположены с одной стороны) и упростить уплотнение проема, так как удлинение трубы осуществляется за счет свободного конца и отпадает необхо­ димость в подвижном соединении.

Применение прямоточных труб может быть оправдано при ис­ пользовании в качестве промежуточного теплоносителя псевдоожи­ женного слоя дисперсного материала [72], в котором сжигается газ или жидкое топливо. При этом достигается полное сжигание топлива II высокая равномерность температур поверхности излучателя. Труба с кипящим слоем (рис. 8.1, д) располагается вертикально. Целесообразно осуществлять псевдоожижение мелкозернистого теплоносителя в слое крупной керамической насадки (например, шаров 0 20—40 мм). Это уменьшает унос частиц, так как при вы­ ходе из насадки скорость газа резко падает.

Перспективными являются многоветвьевые радиационные тру­ бы, основные конструкции которых приведены на рис. 8.2. Р-образ- ная труба (рис. 8.2, а) является разновидностью конструкции тупи­ ковой. Продукты горения отводятся по дополнительной ветви мень­ шего диаметра. Труба снабжена рекуператором и горелкой типа труба в трубе. Двух- и четырехветвьевые трубы (рис. 8.2, б и в) снабжены ребристым рекуператором из жаростойкого чугуна, сече­ ние которого приведено на рис. 8.2, г. Эксплуатационные характери­ стики таких труб приведены в работе [33]. Многоветвьевые горизои-

181