книги из ГПНТБ / Повышение точности поковок С. И. Ключников. 1960- 23 Мб

вок, создавая тонкий слой, защищающий металл от окисления.

Уменьшению окисления в пылеугольных печах способствует также восстановительный характер печных газов при этом роде топлива.

По данным одного завода, производящего обработку слитков с на­ гревом в пылеугольных печах, слитки, подаваемые под ковку, обычно покрыты слоем из золы сгоревшей угольной пыли. На по­

верхности слитко1в слой окалины достигает 0,5—1,5 мм, т. е. не ме­ нее чем в 2 раза тоньше слоя окалины, образующегося при нагреве слитков в печах, отапливаемых жидким топливом. Окалина по со­ ставу отличается от обычной, в ней содержится большой процент

SiO2, А12О, СаО и др. замельных составляющих (до 80%), а коли­ чество FeO составляет около 12—15%. По внешнему виду эта -ока­ лина имеет серовато-черный цвет без наличия металлического блес­ ка. Факел угольной пыли не дает пережога металла. Для умень­

шения образования окалины при -нагреве заготовок в пылеуголь­ ных печах необходимо коэффициент избытка воздуха держать в

пределах 1 —1,05. На фиг. 43 приведена принципиальная схема цир­ куляционного распределения угольной пыли к горелкам кузнечных

печей, осуществленная в отечественном кузнечно-прессовом произ­ водстве. На пути движения остывающих дымовых газов в каждой

печи установлен рекуператор. Зола, осевшая на поковки перед вы­ грузкой заготовок, сдувается сжатым воздухом, для чего в печь вво­ дят трубку, и обдувку производят через передний порог и смотро­ вые лючки.

НАГРЕВ КУЗНЕЧНЫХ ЗАГОТОВОК БЕЗ ОБЕЗУГЛЕРОЖИВАНИЯ

Крупным недостатком, являющимся -следствием нагрева кузнеч­

ных заготовок в обычных пламенных печах, является обезуглеро­

живание слоя металла, находящегося непосредственно под окали­ ной. На поверхности заготовки концентрация углерода в металле устанавливается в зависимости от состава атмосферы печи и тем­

пературы металла. В практике кузнечного нагрева величина обез­ углероживания колеблется от 0,1 до 2 мм, а иногда и больше.

Главными обезуглероживающими реагентами являются углеки­ слый газ и водяной пар. Обезуглероживание идет по реакции

Fe3C + СО2 3Fe + 2СО

или

Fe3C + Н2О^ 3Fe + СО + Н2.

В обоих случаях реакция является обратимой. Точно также уг­ лерод, содержащийся в частицах цементита стали, при известных условиях может реагировать с водородом или кислородом, диф­ фундирующим из печных газов, с образованием — в первом случае метана и во втором — угарного газа. Количество углерода, диффун­ дирующего в единицу времени через единицу площади, по за­ кону Фика пропорционально градиенту концентрации углерода. Ско­

110

рость изменения концентрации углерода в любой точке поверхност­ ного слоя заготовки будет зависеть от коэффициента диффузии, рас­ стояния от поверхности и времени. Процесс обезуглероживания на­ чинается выше нижней критической точки Ас[. Появляющаяся выше

были меньше окислены и наоборот. При высокой температуре вме­ сте с окислением металла идет процесс обезуглероживания поверх­

ности. При сжигании топли­ ва с большим избытком воз­ духа, особенно при темпе­ ратурах выше 1 000—1 100°, процесс окисления идет бы­ стрее, чем обезуглерожива­

ких температур даже при окислительной атмосфере печи окисление

многих сталей идет медленнее, чем обезуглероживание. Так, на­ пример, заготовки подшипниковых колец после горячей высадки и раскатки имеют обезуглероженный слой—от 0,1 до 0,45 мм по на­ ружному диаметру; от 0,08 до 0,4 мм по желобку и от 0,09 до

0,36 мм по торцам заготовки. После отжига указанных заготовок слой обезуглероживания на них увеличивается в 1,4—1,7 раза. При

нагреве заготовок до ковочной температуры и высадки получаю­ щийся слой обезуглероживания после раскатки делается тоньше за счет раздачи металла в тангенциальном направлении.

Ш

Проведенными исследованиями на 1ГПЗ заготовок колец из стали марки ШХ15 установлено влияние суки елейности поверхности заготовок на степень их обезуглероживания в процессе отжига после раскатки колец. Результирующие данные для двух типов ко­ лец приведены в табл. 25. Таким образом, последующий отжиг рас­ катанных кольцевых заготовок увеличивает глубину обезуглеро­ женного слоя на 30—35%.

По данным Смирнова и Старовойтова, глубина обезуглерожива­ ния хромоалюминиевой стали при выдержке 1 час составляет: при

Расстояние от поверхности

Фиг. 45. Концентрация углерода в поверхностном слое обезуглероженной стали марки 45:

а — выдержка 6 часов при температуре 900°; б — выдержка 3 часа при температуре 950°; в — 3 часа при температуре 1000°; г — 2 часа при температуре 1050°; д — 2 часа при 1 100°;

е —2 часа при 1 150°.

температуре 900°—0,15 мм, при 1000°—0,25 мм, при 1100°—0,32 мм.

Степень обезуглероживания увеличивается как с повышением тем­ пературы, так и увеличением времени выдержки. Так, если при 1000°

с увеличением выдержки с одного до двух часов у углеродистой стали обезуглероженный слой увеличился на 16,6%, то при темпера­ туре 1100° увеличение выдержки в два раза дает увеличение обез­ углероженного слоя уже на 45,5%. Присутствие в стали специальных элементов по разному влияет на способность стали к обезугле­ роживанию: алюминий, кремний и вольфрам способствуют обезуг­ лероживанию, а хром и молибден (до 2%), наоборот, препят­ ствуют.

По силе возрастания обезуглероживающего действия можно расположить газы приблизительно в следующем порядке: водород влажный, водяной пар, углекислый газ, воздух влажный, воздух

сухой, кислород чистый, азот технически чистый, водород сухой,

азот очищенный.

Распределение концентрации углерода в поверхностном слое обезуглероженной заготовки для стали марки 45 при различных температурах и выдержках показано на фиг. 45 [14].

112

Основные факторы, влияющие на степень окисления кузнечных заготовок — температура нагрева и продолжительность выдержки

являются также важнейшими факторами, определяющими степень обезуглероживания. Поэтому способы и мероприятия по уменьше­ нию и предупреждению окалины в основном сохраняют силу для уменьшения и предупреждения обезуглероживания. Одним из ра­

дикальных средств предупреждения окалинообразования и обезуг­ лероживания является применение в кузнечных печах защитных ат­

мосфер.

ПРИМЕНЕНИЕ ЗАЩИТНЫХ АТМОСФЕР ДЛЯ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ОКИСЛЕНИЯ И ОБЕЗУГЛЕРОЖИВАНИЯ КУЗНЕЧНЫХ ЗАГОТОВОК

В отличие от обычных печных (в том числе и регулируемых) ат­ мосфер защитные или контролируемые атмосферы создаются пу­ тем специального ввода в печь газов, нейтральных по отношению к нагреваемому металлу. Защитные газы нашли применение в тер­ мических печах электрических и муфельных и в нагревательных пе­ чах с температурой 850—950°, т. е. для нагрева кузнечных загото­ вок под гибку, полугорячую штамповку, полугорячую калибровку и др. операции, не требующие высокого нагрева. Защитные газы

также применяются и в электрических печах сопротивления для на­ грева заготовок из цветных металлов и сплавов под ковку и штам­ повку. Применение защитных атмосфер в высокотемпературных электрических печах лимитировалось дефицитностью материалов (электродов или резисторов), стойких в условиях температур по­ рядка 1100—1200°. За последнее время в Советском Союзе создана

карусельная печь с высокотемпературной спиралью (сплав ЭИ-626) с защитной атмосферой для нагрева кузнечных заготовок до 1200—

1250°.

Различают светлый и чистый нагрев в защитном газе: при свет­ лом нагреве поверхность заготовок должна сохраниться неизмен­ ной или необезуглероженной (для сталей с повышенным содержа­ нием углерода); при чистом нагреве на поверхности нагретой заго­

товки допускается иметь потемнение поверхности.

Практикой установлено, что для безокислительного нагрева не­

обходимо, чтобы в защитной атмосфере было соотношение газов

Однако такие газовые смеси, хорошо защищая металл от окис­

ления, будут вызывать обезуглероживание поверхности почти у всех сталей, поэтому требуется из защитных газовых смесей уда­ лить водяной пар до < 0,04% и углекислоту (СО2) до <0,1%. Если ограничиваться только осушкой защитных газов без удаления из них СО2, то практически не удается создать надежной необезугле-

роживающей атмосферы, так как в данном случае сами компонен­ ты защитной атмосферы будут взаимодействовать друг с другом. В данном случае важное значение имеет реакция

СО2 + Н2 Z СО + Н2О,

связи с чем атмосфера в печи становится резко обезуглероживаю­ щей. Повышение температуры такой защитной атмосферы влечет еще большее образование паров Н2О и увеличивает обезуглерожи­

вающую способность атмосферы. На процесс обезуглероживания и

окисления кроме Н2О и СО2 влияют и сернистые газовые компо­

ненты типа SO2 и H2S. При приготовлении защитных атмосфер применяют абсорбенты: для поглощения паров воды — фосфорный

ангидрид и активизированную окись алюминия (А12О3) и силика­ гель (SiO2); для поглощения О2—медь электролитическую губча­ тую и пирогалловую кислоту.

в виде продуктов частичного сжигания диссоциированного аммиа­ ка с последующей осушкой, состава: (3—15) Н2; (85—-97) N2, при коэффициенте избытка воздуха а = 0,70 н-0,95. Для получения 1000 ж3’ защитной атмосферы расходуется 248 кг NH3. Полная дис­ социация аммиака протекает в диапазоне температур 900—850°, а частичное сжигание диссоциированного аммиака—при~ 1000°. Уста­ новка для приготовления указанной защитной атмосферы состоит из баллонов и цистерн. Жидкий аммиак поступает через фильтр в испаритель. Пары аммиака через регулятор направляются в дис-

социатор, где при температуре 900° и в присутствии катализатора происходит диссоциация. Продукты диссоциации проходят по зме­ евику испарителя, где отдают свое тепло жидкому аммиаку, способствуя этим его лучшему испарению. Охлажденные до 30° про­

дукты диссоциации поступают в скруббер (если требуется отмывка недиссоциированного аммиака), а затем через один из силикагеле­

вых осушителей — к печам. Последующим сжиганием в камере при

1000° водород выжигается до требуемого содержания (5—15%). Затем продукты сжигания проходят трубчатый холодильник и с температурой 30° и влажностью 0,046 кг/мэ поступают в осушитель.

На заводах, где отсутствует общезаводская газогенераторная станция и где нет природного газа, может быть рекомендована для приготовления защитного газа установка КАО-100, работающая на антраците или коксе. Она состоит (фиг. 46) из газогенератора 1 ти­ па Пинча с мокрым скруббером 2 для улавливания твердых ча-

114

стиц и смол, блока очистки от H2S и СОг и блока осушки от влаги. Воздух подается воздуходувкой 7 (вместе с паром) через фильтр

6 под колосники генератора. Камера газогенератора заполнена кок­ сом или антрацитом. Газ очищается в мокром скруббере и каплеот­ бойнике 3, а затем очищается и осушивается.

Установка, показанная на фиг. 46, имеет следующую характе­ ристику:

исключением нержавеющих сталей), не вызывая окисления и обез­ углероживания. Достоинством установки является доступность и

невысокая стоимость исходных материалов, а также универсаль­ ность и высокие качества защитной атмосферы.

Установки ПАСМО и ПАО-80 предназначены для приготовления защитной атмосферы путем неполного или полного сжигания при­ родного газа с воздухом. Первая из указанных установок имеет

производительность 40, а вторая — 80 м^/час. Природный газ и воз­ дух подаются в смеситель раздельно. Газовоздушная смесь через пламягаситель подается газодувкой в камеру сжигания, где при температуре 1000° происходит неполное, а при 1300°—полное ее

Фиг. 47. Электропечь сопротивления с защитной атмосферой для нагрева до 950° (А—устройство для подвода газа и воздуха):

а — вид печи; б — разрез печи.

сжигание. Продукты сжигания охлаждаются в трубчатом холодиль­ нике до 30° и поступают к печам. Исходным сырьем служит высоко­

калорийный бессернистый газ (природный, коксовальный, город­ ской, пропан в баллонах, водяной газ и продукты пиролиза керо­

дает гамму защитных атмосфер, обладающих различными состава­ ми и свойствами, предохраняющими нагреваемые заготовки от окис­ ления и обезуглероживания.

Печи с защитной атмосферой в кузнечном производстве. Для

нагрева кузнечных заготовок в защитной атмосфере при темпера­ туре 850—950° (под гибку, правку, растяжку, раскатку, калибров­ ку, полугорячую штамповку) могут быть применены камерные электрические печи сопротивления, показанные на фиг. 47.

Печь снабжена устройством для подвода защитной газовой сме­ си через дырчатую трубу, заложенную в подине печи у загрузочно­ го окна. Устройство для подвода воздуха и газовой смеси имеет

116

два вентиля: один для воздуха, а другой — для газовой смеси. Воздух подается в печь под давлением 200—500 мм вод. ст., а га­ зовая смесь — 30—50 мм вод. ст. Воздух, проходя внутри трубки Вентури, инжектирует в требуемом количестве газовую смесь, и

общая газовоздушная смесь поступает в дырчатую трубу. Дроссе­ лированием воздушного и газового вентилей достигается необходи­ мое соотношение между газом и воздухом, создавая в рабочей ка­ мере печи нейтральную атмосферу при неполном сгорании смеси.

Газовая смесь, выходя из дырчатой трубы, воспламеняется, обра­

зуя сплошную завесу пламени, закрывающую дверное отверстие печи. Образующийся в рабочей камере печи экран из пламени об­ разует небольшое положительное давление от неполностью сгорев­ шего газа, препятствующее поступлению в печь атмосферного воз­ духа и тем самым предупреждающее окисление и обезуглерожива­ ние нагреваемых заготовок. Печи имеют нихромовые ленточные сопротивления в виде спиральной обвязки на шамотных решетках,

установленных у боковых стенок печи. Они легко выдвигаются из

печи, что обеспечивает их быструю смену. Подина печи представ­ ляет карборундовую плиту, под которой в пазах огнеупорной клад­ ки заложены также нихромовые ленты сопротивления, служащие нагревателями. Номинальная мощность печей 15—20 кет. Питание

печей осуществляется однофазным током 230 в. Производитель­ ность печей 70—100 кг)час. Печи снабжены автоматическими регу­ ляторами температур и приборами, которые могут выключать печь в заранее заданное время.

Для полугорячей кузнечной обработки в массовом и крупносе­ рийном производстве точных поковок целесообразно применение

электрических печей с защитной атмосферой методического или полуметодического типа с конвейером или толкателем. Подвод за­

щитного газа осуществляется по трубке со стороны выдачи нагре­ тых заготовок.

Электрические печи с защитной атмосферой для высокотемпе­

ратурного нагрева мелких кузнечных заготовок впервые в СССР

были применены в производстве точных поковок медицинского инструмента. В качестве нагревателей применены карборундовые стержни [26]. С течением времени сопротивление карборундовых стержней вследствие выгорания углерода из соединения (карбида кремния) увеличивается, что сопряжено с необходимостью увели­ чения питающего напряжения. В воздушной среде процесс выгора­ ния карбида кремния идет относительно активно, и стойкость стержней исчисляется сроком их службы от 300 до 4000 час. (в за­ висимости от температуры стержней). В защитной атмосфере кар­ борундовые стержни показывают значительное увеличение стойко­ сти. Вместо карборундовых могут быть применены графитовые на­ гревательные стержни, которые в условиях защитной атмосферы,

богатой содержанием окиси углерода и метана, показывают вполне удовлетворительную стойкость. В качестве защитной смеси приме­ няются обычные генераторные газы, обогащенные добавками тя­ желых углеводородов и крекинг-атмосферы из жидких горючих,

117

полученной в специальных крекинг-генераторах и крекинг-установ­

ках в самих нагревательных печах.

Малые кузнечные нагревательные печи с защитной атмосферой представляют собой герметический кожух, футерованный огне­ упорным (диатомитным и шамотным) кирпичом. В нагреватель­ ных камерах размещены силитовые стержни-нагреватели. Под пе­

чи выложен шамотной плиткой толщиной 30 мм со свободным не­

заложенным пространством под подом. В этом незаполненном

пространстве при высокой температуре производится крекинг про­ дуктов неполного сжигания жидкого топлива и преобразование их

Фиг. 48. Электрическая силитовая печь для нагрева кузнечных заготовок

вмуфеле с защитной атмосферой.

взащитный газ. В печах, где под расположен между нагревателя­ ми (см. фиг. 48), крекинг-генератор помещается под нижним рядом нагревателей. С торцовой стенки от загрузочного окна крекингкамеры вплотную к подине примыкает стальная сварная камера для сжигания жидкого топлива. Стальная камера образует порог

садочного окна. У задней стенки печи имеется выходное отверстие из крекинг-генератора для выхода газов в нагревательную камеру. Это отверстие во время работы почти полностью заполняется дре­ весным углем, который в нагретом состоянии служит очистите­ лем для проходящего газа от следов СО2, О2 и Н2О.

Каждая печь оборудуется пультом управления и трансформа­ тором на 7 или 10 ступеней переключения. Для производства за­ щитного газа в камеру сжигания крекинг-аппарата подается жидкое топливо (керосин или соляровое масло) и воздух в опре­ деленной пропорции для неполного горения (на 1 л керосина от

4 до 7 ms воздуха). Керосин подается от капельницы, а воздух че­

рез воздухопровод от вентилятора высокого давления. Капельница представляет собой бачок с игольчатым вентилем, позволяющим

регулировать расход керосина в широких пределах. Воздух по­ дается по воздухопроводу, оборудованному игольчатым воздуш­ ным вентилем и дроссельной шайбой с микротягомером типа

ЦАГИ.

118

Рассмотренные печи с защитной атмосферой представляют со­ бой тип комбинированный, т. е. с встроенным в печь устройством для получения защитного газа. Для нагрева кузнечных заготовок с защитной атмосферой в массовом и крупносерийном производст­ ве указанный тип печей может быть расширен применением пря­

моточных печей с графитовыми нагревателями.

Нагрев с защитной атмосферой предусмотрен также в печах треста «Электропечь» с высокотемпературной спиралью. Промыш­ ленные образцы таких печей в настоящее время изготовлены и смонтированы в эксплуатационных условиях в производстве точ­ ных компрессорных лопаток в цехе, оборудованном кривошипными ковочно-штамповочными прессами.

Наряду с электрическими печами возможно применение для высокотемпературного нагрева кузнечных заготовок в защитной атмосфере также пламенных печей с муфелем (фиг. 49). Могут быть рекомендованы печи с муфелями цельными и сборными из

собой трубы прямоугольного или полуовального сечения с толщи­

ной стенок 25—30 мм без торцовых стенок, которые образуются кладкой печи. Сборные муфели состоят из плит огнеупорных мате­ риалов. Сборные муфели должны быть герметичны, что достигается притиркой соединяемых частей в шпунт и заливкой при кладке жидкой шамотной глиной в местах соединений. Как и в электриче­ ских комбинированных печах, пламенные комбинированные печи с защитной атмосферой одновременно выполняют две функции — в

специальных камерах (крекинг-генераторах) приготовляется защит­ ная атмосфера и заготовки нагреваются до требуемой температуры

без окалины и обезуглероживания. Подготовка печи и пуск ее состоят в следующем. Вначале производится разогрев печи до ра­ бочей температуры и наполнение бачка капельницы жидким топ­ ливом для крекингования. Затем закладывается древесный уголь в горловину крекинг-генератора и открывается отверстие в желез­ ную крекинг-камеру. После этого пускают необходимое количест­ во топлива и воздуха и поджигают поступающее в крекинг-камеру топливо. Отверстие в железной крекинг-камере герметично закры­ вается. Соотношение между топливом и воздухом практически устанавливается по цвету сгорающего защитного газа в садочном окне печи. Цвет пламени газа должен быть светящимся, но не коп­ тящим. Нормальный состав защитной атмосферы получается в пре­ делах расхода воздуха 4—7 м^кг керосина или солярового масла. Для обеспечения хорошей бесперебойной работы печи необходимо своевременно производить мелкий ремонт муфеля или замазку ще­

лей между муфелем и кладкой печи, очищать капельницу от засо­ ряющего осадка, имеющегося в топливе, протирать смотровые окна капельницы, очищать горловину крекинг-генератора от скапливаю­ щейся золы древесного угля и пр. Важно также следить за чисто­ той форсунки, обеспечивающей бездымное сжигание топлива в пе-

119