книги из ГПНТБ / Технология металлов и других конструкционных материалов учеб. пособие

только во время нахождения металла в печи, но также при подаче его к молоту, при ковке, при охлаждении (так как кислород воздуха, соприкасаясь с раскаленным металлом, энергично его окисляет)' Поэтому необходимо возможно быстрее подавать заготовки из печи к молоту, используя средства малой механизации.

Потеря металла в результате окисления называется угаром и вычисляется в процентном отношении к весу загружаемого в печь металла. При высоких температурах угар может достигать 3% за один нагрев. Однако вред, причиняемый окалинообразованием, не исчерпывается этим. При ковке и штамповке окалина частично оста­ ется на поверхности изделия, заштамповывается и требует снятия резанием значительного слоя металла. Обладая большой твер­ достью, окалина быстро тупит режущий инструмент и резко увели­ чивает износ -штампов. Если изделие поступает на термическую обработку, то при наличии окалины получается «пятнистая» закал­

ка, так как окалина обладает небольшой теплопроводностью и под ее слоем металл не закаливается.

Большое влияние на величину угара оказывает температура

^о«ооВа металлаТак, скорость окисления стали при температуре 1300 в семь раз выше, чем при 850—900°.

Чем больше отношение поверхности заготовки к ее объему (поковки сложной формы), тем больше металла превращается

в окалину, так как окисление происходит по поверхности и пропор­ ционально ее величине.

Одновременно с окислением железа при нагреве прс/исходит окисление углерода — обезуглероживание. Углерод, содержащийся в поверхностных слоях, выгорает, и сталь становится мягче. Процесс обезуглероживания начинается при температуре 800—850°. Его интенсивность зависит от содержания углерода в стали (чем боль­ ше углерода, тем медленнее идет обезуглероживание), от наличия

окалины (слой окалины защищает углерод от выгорания) от соста­ ва печных газов и т. д.

Обезуглероживание — вредный процесс, так как заставляет увеличивать припуски на механическую обработку для удаления непрочного обезуглероженного слоя. При термической обработке ответственных деталей обезуглероживание недопустимо. В таких случаях нагрев ведут в специальных защитных атмосферах.

Устройства для нагрева металла. По виду используемой энергии нагрев можно разделить на пламенный и электрический. В свою очередь пламенный нагрев может осуществляться за счет сжигания твердого, жидкого или газообразного топлива; электрический нагрев

Пламенный нагрев. При этом нагреве используются все нагре­ вательные устройства — горны, печи, колодцы, в которых металл нагревается за счет тепла, выделяющегося при горении топлива.

1 орны в настоящее время находят ограниченное применение (для нагрева мелких заготовок), так как они обладают невысокой

190

производительностью, низким к. п. д. и дают большой угар металла. Кроме того, в горнах трудно создать равномерный нагрев.

Основными печами, применяемыми в кузнечном производстве, являются мазутные и газовые. Они отличаются по размерам, характеру распределения температур в печи, способу загрузки ме­ талла, способу продвижения материала через печь и способу использования тепла отходящих газов.

Размеры печей определяются размерами нагреваемых изделий и требуемой производительностью. В кузнечных цехах машино­ строительных заводов наиболее распространены печи малых и сред­ них размеров для нагрева поковок весом не выше 1 т.

По характеру распределения температур и способу загрузки металла печи можно разделить на камерные (садочные) и методи­ ческие. В камерные металл загружается периодически (садками), и все его количество нагревается одновременно. Температура во всех частях рабочего пространства печи одинакова. В методические печи металл загружается последовательно, по мере нагрева очеред­ ной заготовки. Это печи непрерывного действия. Температура рабо­ чего пространства их в различных частях неодинакова. Имеется подогревательная часть, в которой холодный металл подогревается отходящими газами до температуры порядка 1000°, и сварочная часть, где металл нагревается до ковочной температуры и откуда происходит его выдача.

Камерная печь для нагрева мелких заготовок (рис. 108, а) ра­ ботает на мазуте или газе, которые подаются через форсунку или горелку, установленную в отверстии 1. Для обеспечения высокой температуры нагрева металла мазут или газ сжигаются непосред­ ственно в рабочем пространстве. Дымовые газы уходят через канал 2 и попадают в рекуператор 3, служащий для подогрева воздуха. Посадка заготовок в печь производится через рабочее окно 5. Для защиты рабочего от действия высокой температуры установлен экран-коробка 4, непрерывно охлаждаемый водой.

Для нагрева легированных сталей могут применяться двухка­ мерные печи. Одна камера с более низкой температурой служит для подогрева заготовок, вторая — для окончательного нагрева.

Камерные садочные печи не экономичны, так как очень много тепла теряется с отходящими газами, температура которых не ниже температуры нагрева металла, т. е. 1150—1200°.

Значительно лучше используется тепло в методических печах, так как газы, уходящие из печи, имеют температуру 400—600°. Та­ кие печи обладают большей производительностью и создают равно­ мерный нагрев.

Методические печи бывают различных конструкций. По направ­ лению движения газа и металла печи разделяются на противоточ­

применяются для нагрева металла под ковку и прокатку, второго — для термической обработки. Существуют печи, работающие по сме­ шанному принципу, когда половину своего пути газы движутся

191

в одном направлении с металлом, а вторую половину — навстречу

металлу.

По характеру обогрева печи могут быть с односторонним обо­ гревом, когда заготовки укладываются на поду и нагреваются сверху,' и с нижним обогревом, когда заготовка укладывается на

Рис. 108. Пламенные нагревательные печи

трубы, расположенные на поду и охлаждаемые водой (глиссажные трубы). В последнем случае горелки или форсунки расположены снизу и сверху заготовок, а также с боков и торцов печи. Передвижёние заготовок через печь производится либо вручную, либо при помощи толкателей, конвейеров, шагающих балок и т. д.

Широко применяются толкательные печи. В них длинные заго­ товки при помощи специального механизма толкателя проталкива-

192

ются по глиссажиым трубам или по рельсам из жаропрочной стали; короткие заготовки проталкиваются просто по поду печи, распола­ гаясь вплотную одна к другой. Толкатели могут быть пневматиче­ скими, гидравлическими, рычажными, реечными, винтовыми.

На рис. 108, б изображена методическая печь с пневматическим толкателем и автоматической выдачей заготовок. На стол толкателя 5 вплотную одна к другой укладываются заготовки. При включении толкателя весь ряд передвигается по рельсам 4 на одну заготовку. При этом нагретая заготовка проваливается в окно 2, открывая своим весом дверцу 3, и падает на транспортер 1, который подает ее к молоту. Заготовки могут также удаляться через боковую или тор­ цевую стенку печи.

Печь может быть сконструирована для подачи одного или не­ скольких рядов заготовок, в зависимости от размера последних. При нагреве мелких заготовок иногда применяются толкатели, снабжен­ ные магазинной коробкой с запасом заготовок на 1—1,5 ч работы. При каждом ходе толкатель выталкивает из магазина одну заго­ товку.

Для нагрева концов длинных заготовок под высадку применя­ ются щелевые печи с конвейером, расположенным вне печи. Заго­ товка зажимается профильными звеньями цепи конвейера и протаскивается с определенной скоростью вдоль печи; конец заго­ товки, находящийся в печи, нагревается до требуемой температуры.

Значительное распространение имеют карусельные печи, кото­ рые могут быть камерными и методическими. При большой произ­ водительности (до 40 т/ч) под этой печи имеет форму кольца, при небольшой — форму тарелки (тарельчатые печи).

В карусельных печах заготовки нагреваются быстрее, чем в толкательных (заготовки стайятся на торец, что увеличивает по­ верхность, поглощающую тепло). Угар металла получается мень­ шим, так как заготовка лежит на поду неподвижно и окалина предохраняет металл от дальнейшего окисления, тогда как в толка­ тельных печах при передвижении заготовки окалина осыпается и на ее месте образуется новая.

На рис. 108, в показана тарельчатая камерная печь для нагрева заготовок под штамповку. Вращающаяся подина опирается роли­ ками 2 на круговой рельс и центрируется подшипником 3. Вращение ее осуществляется от электромотора через редуктор и шестеренку, которая сцепляется с большой чугунной шестерней 4, прикреплен­ ной к низу подины. Загрузка и выгрузка производятся через двер­ цу 5. Для предохранения от выбивания пламени устраивается пе­ сочный или водяной затвор 1.

В прокатном производстве нагрев металла производится в на­ гревательных колодцах и методических печах. В колодцах нагрева­ ются слитки, в печах — заготовки, удобные для укладки и проталкивания по поду, и слитки.

Нагревательный колодец (рис. 109) состоит из рабочей каме­ ры 1, в которой устанавливаются нагреваемые слитки 2. Камера закрывается съемной крышкой 3, которая при помощи крана удаля-

ітся всякйй раз при загрузке и разгрузке колодца. Газ, поступаю­ щий по трубе 9, сжигается в горелке 10. Необходимый для горения горячий воздух подсасывается из рекуператоров 5 по каналам 8. Раскаленные продукты горения, поднимаясь вверх, ударяются о крышку колодца и затем опускаются вниз, обтекая со всех сторон нагреваемые слитки. Отработанные газы по каналам 4 поступают в рекуператор, отдают свое тепло его стенкам, а сами по каналам 7 уходят в дымоход. Холодный воздух поступает в рекуператор по трубам 6,

Рис. 109. Нагревательный колодец

Использование тепла отходящих газов. В пламенной печи ос­ новное количество тепла (около 98%) выделяется при горении топлива и около 2% — при горении железа (образование окалины). Из этого количества на нагрев металла идет около 15%, на потери через кладку печи — около 20%, на потери через окна и дверцы — около 10%, и остальное тепло (около 55%) теряется с отходящими газами. Потери через кладку можно уменьшить, применяя тепловую изоляцию печей и легковесные огнеупоры для их постройки. Все окна и дверки должны быть плотно закрыты, исключая время за­ грузки и выдачи металла.

Наиболее действенным способом повышения к. п. д. печи явля­ ется возврат части тепла, теряемого с отходящими газами, обратно в печь. В кузнечных печах это достигается установкой специальных устройств, называемых рекуператорами.

Рекуператор состоит из большого количества газовых труб, изо­ гнутых в виде скобы. По трубам в печь подается подогреваемый

194

воздух. Снаружи трубы омываются горячими отходящими газами. Тепло передается холодному воздуху через стенки труб.

В нагревательных колодцах использование тепла отходящих газов производится также при помощи регенераторов. Регенераторы представляют собой две камеры, снабженные насадкой из огне­ упорного кирпича. Через каждую камеру сначала пропускаются отходящие газы, которые нагревают насадку до высокой темпера­ туры, затем клапаны переключаются, и через камеру продувается подогреваемый воздух. Камеры работают поочередно: когда одна нагревается отходящими газами, вторая отдает тепло проходящему воздуху. Переключение клапанов, управляющих подачей газов и воздуха, производится автоматически.

Безокислительный нагрев. В промышленности применяются сле­ дующие способы безокислительного нагрева.

1.Нагрев в ваннах с расплавленной смесью солей. Применяет­ ся в ограниченных пределах для нагрева мелких заготовок до температуры не выше 1050°.

2.Нагрев с образованием защитных покрытий на поверхности заготовок. Покрытия в виде пленки окисла лития создаются при конденсации паров соединений этого элемента на холодной поверх­ ности заготовок, загруженных в печь. Хорошие результаты получа­ ются при нагреве стали до 980°.

3.Нагрев в расплавленной стекломассе. Применяется для заго­ товок диаметром 100—180 мм при температуре нагрева до 1300°. После нагрева на заготовках остается тонкий слой стекла, который необходимо затем удалить механическим путем.

4.Нагрев в муфельных печах, муфель которых заполнен защит­ ным газом (генераторным, природным). Такие печи целесообразно применять в кузнечном производстве при нагреве мелких заготовок, предназначенных для точной штамповки.

5.Нагрев в печах открытого пламени при неполном сжигании топлива. Безокислительная атмосфера в. печи создается в том слу­ чае, когда количество воздуха, подаваемого в печь, составляет половину теоретически необходимого для полного сгорания топлива. Для компенсации вызываемого этим понижения температуры необ­ ходимо предварительно подогревать воздух и сжигаемый газ или подавать в печь вместо воздуха эквивалентное количество кисло­

рода.

Электрический нагрев. Электрический нагрев позволяет почти полностью избавиться от окалины и улучшает условия труда.

В электропечах сопротивления металл нагревается за счет теп­ ла, выделяющегося при прохождении , электрического тока по спиралям из жароупорных металлов с большим электросопротивле­ нием. Иногда вместо, металлических спиралей применяют стержни из карборунда (силитовые печи). Печи сопротивления применяются при нагреве медных сплавов и в лабораторной практике.

Контактный нагрев основан на свойстве электрического тока выделять тепло при прохождении по проводнику. В качестве провод­ ника используется сама нагреваемая заготовка. Она зажимается

между контактами из красной меди, и по ней пропускается ток силой в десятки тысяч ампер. При этом выделяется очень большое количество тепла, которое в короткое время нагревает заготовку до ковочной температуры.

Чем длиннее заготовка и чем больше сопротивление материала, из которого она изготовлена, тем быстрее происходит нагрев. Поэто­ му контактный нагрев применяется для заготовок, у которых отно­ шение длины к квадрату диаметра больше или равно единице.

Контактный нагрев обладает рядом достоинств (небольшой расход электроэнергии, быстрота и хорошее качество нагрева), ко­ торые обеспечивают широкое его применение как для полного нагрева длинных заготовок под шпамиовку па молотах и прессах, так и для нагрева части длины под местную деформацию, например гибку. Диаметр заготовок, нагреваемых контактным методом, огра­ ничивается приблизительно 75 мм, так как при большем диаметре требуется очень большая сила тока.

При индукционном нагреве заготовка помещается внутри ка­ тушки (индуктора) из медной трубки, по которой'для охлаждения протекает холодная вода. По катушке пропускается ток соответ­ ствующей частоты. При этом ток, индуктируемый в заготовке, нагре­ вает ее. Индукционный нагрев отличается большой скоростью и равномерностью, позволяя почти полностью избежать окалины. Расход энергии несколько выше, чем при контактном нагреве. По этому способу можно нагревать и длинные, и короткие заготовки под штамповку, высадку, осадку и прессование.

Индукционный нагрев особенно выгоден там, где контактный вообще исключается (концевой нагрев под высадку, полный нагрев коротких единичных заготовок диаметром выше 75 мм). Его приме­ нение резко улучшает условия труда, позволяет автоматизировать процесс. Однако индукционный нагрев требует сложного и дорогого электрооборудования. Поэтому его наиболее целесообразно приме­ нять в массовом производстве.

§ 4. Прокатка

Сущность и схема процесса. Прокатка — процесс обжатия за­ готовки между вращающимися валками с целью придания ей тре­ буемой формы и размеров. Различают три способа прокатки: про­ дольную, поперечную и поперечно-винтовую (косую).

Основным способом, при помощи которого производится до 90% всего проката в стране, является продольная прокатка (рис. ПО), в процессе которой металл подвергается обжатию между

196

различной формы, тогда получается профильный прокат — квадрат, круг, шестигранник, рельс и др.

Процесс прокатки осуществляется следующим образом. Полоса высотой Я (рис. ПО) силами трения, возникающими между ее поверхностью и поверхностями валков, втягивается в щель между валками, высота которой меньше начальной высоты полосы, и обжи­ мается до размера h. Разность между начальным Я и конечным /і размерами полосы называется абсолютным обжатием.

Процесс прокатки возможен только в том случае, если угол а, называемый углом захвата, не превышает некоторой величины, определяемой коэффициентом трения между металлом и валками. Прокатку желательно вести с максималь­ ными углами захвата с целью увеличения разового обжатия, а следовательно, и производительности прокатного стана.

Контакт металла с валками происхо­ дит по дуге ab, называемой дугой захвата. Металл деформируется в зоне, огра­ ниченной плоскостями входа ad и выхода Ьс и дугами захвата. Этот объем металла называется очагом или зоной деформации.

Одновременно с уменьшением сече­ ния полосы и увеличением ее длины на­ блюдается некоторое увеличение ее по­ перечных размеров, называемое ушире-

нием. Величина уширения зависит от ве­ Рис. ПО. Продольная про­

личины обжатия, диаметра валков, коэф­ фициента трения и пр. Уширение вли­

катка

яет на точность и качество прокатываемых профилен, при малом сто величине калибр не будет заполняться, и возможно получение не полностью оформленного профиля. Если уширение будет значи­ тельно больше расчетного, образуется излишек металла по ширине. Он будет выдавливаться в зазор между валками и образовывать заусенцы.

Применение прокатки и сортамент изделий. Прокатка характе­ ризуется непрерывностью воздействия инструмента на металл и, как следствие этого, отличается весьма высокой производитель­ ностью. Во многих случаях она позволяет получать заготовки, при­ ближающиеся по форме и размерам к готовым изделиям, а для таких отраслей народного хозяйства, как строительство и транспорт, прокаткой получаются готовые элементы сооружений. Современное прокатное производство не только дает продукцию в виде заготовок большой длины того или иного профиля, но и позволяет получать штучные заготовки с минимальными припусками на механическую обработку.

Сортамент стального проката можно разделить на следующие основные группы: сортовой прокат, листовой прокат, трубы и про­ фили специального назначения.

Наиболее обширной является группа сортового проката (круг­

197

лая, квадратная, шестигранная, полосовая, угловая сталь, швелле­

ры, двутавры, рельсы и др.).

Листовая сталь делится на тонколистовую и толстолистовую. Трубы выпускаются бесшовные (горяче- и холоднокатаные) и

шовные (сварные). Кроме круглых, производятся трубы других сечений (шестигранные, квадратные и др.).

Для массового производства изготавливаются специальные ви­ ды проката: профили транспортного и сельскохозяйственного маши­ ностроения, бандажи, колеса, периодические профили.

Прокатные станы. Прокатный стан (рис. 111) состоит из следу­ ющих основных узлов и механизмов: одной или нескольких клетей 1 с валками 2, электродвигателя 8, моторной муфты 7, редуктора 6.

Рис. 111. Прокатный стам

коренной муфты 5, шестеренной клети 4 и шпинделей 3. Эти меха­ низмы являются элементами главной линии прокатного стана.

Рабочая клеть является основной частью прокатного стана, предназначенной для деформирования металла. Она состоит из двух станин, устанавливаемых на плитовинах и закрепляемых на фундаменте. Станины скрепляются между собой стяжными болтами и поперечиной. В рабочей клети располагаются прокатные валки, подушки с подшипниками для валков и вспомогательные механизмы для подъема и установки валков.

Прокатные валки обжимают заготовку и придают ей требуе­ мую форйу. В зависимости от назначения они изготовляются из отбеленного чугуна, литой или кованой стали.

Шестеренная клеть служит для разделения крутящего момента но отдельным валкам, если привод осуществляется от одного обще­ го двигателя.

Помимо перечисленных механизмов, входящих в главную линию прокатного стана, имеется ряд вспомогательных механизмов, предназначенных для транспортировки исходного материала к ра­ бочей клети, кантовки, уборки после прокатки, резки, правки, свер­ тывания в рулон и т. д.

Прокатные станы разделяются по количеству и расположению валков в рабочей клети, по назначению и расположению рабочих клетей. По первому признаку различают клети дуо (рис. 112, а),

198

имеющие два горизонтальных валка, клети трио (рис. 112, б), имею­ щие три валка, клети кварто (рис. 112, в), имеющие два опорных валка / и два рабочих валка меньшего диаметра 2, клети многовал­ ковые (рис. 112, г), имеющие два рабочих валка небольшого диамет­ ра и большое количество опорных валков, и клети универсальные (рис. 112,6), в которых одновременно имеются и горизонтальные и вертикальные валки.

Клети дуо могут быть нереверсивными и реверсивными (с ме­ няющимся направлением вращения валков после каждого пропуска металла между ними). Нереверсивные клети используются при про­ катке тонких листов и лент, реверсивные — при прокатке профилей крупных размеров, в блюмингах, слябингах, а также у.толстолисто­ вых, рельсобалочных и других станов.

В клети трио прокатка производится в обе стороны без ревер­ сирования валков. В одну сторону прокатка идет между нижним и средним валком, в другую — между средним и верхним. Эти клети требуют установки дорогостоящих подъемных столов.

Клети кварто широко применяются для горячей прокатки тол­ стых и тонких листов, а также для холодной прокатки тонких листов и лент. Они позволяют получить большую точность листа по толщи­ не из-за отсутствия прогиба валков (усилие деформации — воспри­ нимается опорными валками большого диаметра).

Многовалковые клети применяются для холодной прокатки тон­ чайшей ленты.

По назначению станы разделяются на два основных типа: I) станы для прокатки полупродукта, являющегося исходной заго­ товкой для сортового проката и частично для кузнечного производ­ ства; 2) станы для выпуска готового проката.

К первому типу относятся блюминги и слябинги (диаметр вал­ ков 800—1400 мм) для прокатки слитков весом 2—25 т в полупро­ дукт крупного сечения и заготовочные станы (диаметр валков 450— 800 мм) для получения полупродукта меньшего сечения. На блю­ мингах получаются блюмы — полупродукт для производства сорто­ вого проката, на слябингах — слябы (полупродукт для производ­ ства листового проката). Блюмы имеют сечение 200X200 и 350Х Х350 мм, слябы — толщину 65—300 мм и ширину 600—1600 мм.

199