Нагрівальні печі для термічної обробки
Нагрівальні печі класифікують за кількома ознаками. За технологічним призначенням їх поділяють на уні-версальні, відпалювальні, гартівні, відпускні, цементаційні та спеціального призначення. За температурою розрізня-ють низько-, середньо- і високотемпературні. За видом палива або теплової енергії – мазутні, газові та електричні. За конструкцією - камерні, шахтні, ковпакові, ванні, карусельні, барабанні, конвеєрні, шнекові та ін.
За характером середовища в робочому просторі – повітряною атмосферою, контрольованими атмосферами, печі – ванни та вакуумні печі.
У печах для термічної обробки температура може бути 1500ºС і навіть досягати 3000ºС. Тому порожнина печі завжди футерується вогнетривкими матеріалами. Вони поділяються, як і в металургії, на кислі, лужні та нейтраль-ні. Їх виготовляють з природних матеріалів у вигляді цегли, блоків, тиглів, порошків тощо.
Найпоширенішим вогнетривким матеріалом є алюмосилікат. Він складається з глинозему (Аl2О3) та кремнезему (SiО2). До цієї групи відноситься шамот (28-45% Аl2О3, 52-60% SiО2). Шамот витримує температуру в межах 1580-1730ºС.
Крім шамоту достатньо широко використовується динас – кислий вогнетривкий матеріал з кварциту-пісковику. Вогнетривкість динасу становить 1680-1750ºС.
Високотемпературні печі футерують магнезитовими вогнетривкими матеріалами. Вони містять 85% оксиду магнію. Витримують температуру 2200-2400ºС. Теплова енергія в печах для термічної обробки утворюється від згорання мазуту, газу або шляхом використання електричної енергії.
Електричні печі більш ефективні ніж мазутні або газові. Це обумовлено тим, що вони дають більшу температуру (до 3000ºС), легко і точно витримують тепловий режим, не утворюють диму, компактні, піддають-ся герметизації.
В електричних печах застосовують металеві та неметалеві нагрівники. Металеві нагрівники виготовля-ють з ніхромів і фералей у вигляді дроту. Використовують також нагрівники закритого типу – тени. Більш високих температур у печах досягають шляхом використання провідників з молібдену: ніобію (до 2200ºС), танталу та вольфраму (до 2800ºС).
Неметалеві нагрівники можуть бути карборундові, дисиліцидмолібденові, а також графітні. Карборундові нагрівники (філітові та глобарові) виготовляють у вигляді циліндричних стержнів. Вони можуть працювати при температурі 1400ºС. Нагрівники з дисиліциду молібдену працюють в окисному середовищі при температурі до 1700ºС. У високотемпературних вакуумних печах з нейтральними газами встановлюють графітні нагрівники. Їх максимальна температура близько 3000ºС.
Камерні печі використовуються для нагрівання деталей у термічних цехах індивідуального і серійного виробництв. Вони мають просту конструкцію рис. 10.1.
Рис. 10.1. Термічна камерна піч, що працює на мазуті
Камерна піч складається з прямокутної камери з шамотною футерівкою 2, яка вставлена в корпус 1 з листової сталі. Спалювання палива відбувається в топковій камері 4. Паливо подається форсункою 3. Гарячі гази поступають по каналу 8 в робочий простір 7 і нагрівають деталі, які кладуть на піддон 6. Деталі завантажують у піч через вікно, яке закривається заслонкою 5.
Камерна піч може працювати на газоподібному паливі. Максимальна температура в печі 900ºС.
Шахтні печі використовуються для термічної та хіміко-термічної обробки великогабаритних деталей. Вони можуть бути циліндричного чи квадратного перерізу. Для зручності обслуговування шахтні печі будують у приямку на цегляному чи бетонному фундаменті. Їх нагрівання здійснюється з використанням рідкого та газоподібного палива або електричної енергії.
Шахтні печі зручні тим, що з них важкі деталі можна виймати за допомогою електричної талі або мостових кранів. Робоча температура в цих печах 100-1100ºС.
Вакуумні печі застосовуються для безокисного нагрівання при термообробці деталей з трансформаторних електротехнічних сталей, тугоплавких металів і сплавів. Нагрівання камери здійснюється металевими або графіто-вими нагрівниками опору.
Футерівка печей виконується з кераміки, графіту. В окремих випадках роль теплової ізоляції виконують мета-леві екрани. Вакуумна система складається з вакуумного насосу, трубопроводів, вентелей, затворів.
Печі-ванни застосовуються у цехах машинобудівних заводів для термічної та хіміко-термічної обробки деталей. Нагрівання в них здійснюється рідкими теплоносіями: розплавленими солями, лугами, металами (свинець, олово, силумін), мінеральними маслами. Найбільшого поширення набули соляні, а також лужні нагрівні середовища.
Нагрівання в рідких середовищах має ряд переваг перед нагріванням у печах:
більша швидкість і рівномірність нагрівання;
висока точність встановлення і регулювання тем-ператури;
відсутність окислення та зневуглецювання поверх-ні деталі;
можливість здійснення місцевої термічної оброб-ки.
Разом з тим цьому виду нагрівання притаманні недоліки: необхідність періодичної заміни солей; мала стійкість тиглів; необхідність очищення деталей від налиплих солей та лугів, масла; шкідливість парів нагрітих середовищ. Схема сучасної індукційної ванни показана на рис. 10.2.
Рис. 10.2. Схема індукційної соляної ванни
Вона має стандартний графітовий тигель 3, встановлений у вогнетривкій набивці 4. Високочастотне магнітне поле створює індуктор 5. Він живиться від установки, що виробляє ЗВЧ. Під дією струму графітний тигель розігрівається і сіль 6 розплавляється. Температура вимірюється термопарою 2.
Деталі для термічної обробки опускаються у ванну і необхідний час витримується. Робоча температура терміч-ної обробки контролюється автоматично.
Для поверхневої термічної та хіміко-термічної оброб-ки деталей використовують обладнання з використанням ЗВЧ. Принципову схему індукційної установки з електро-машинним перетворювачем частоти показано на рис. 10.3.
Рис. 10.3. Принципова схема індукційної установки з
електромашинним перетворювачем частоти
Установка живиться від трифазної мережі змінного струму частотою 50 Гц і напругою 380В. Основним елементом установки є генератор ЗВЧ 10 із привідним електродвигуном 11.
Обмотка збудження 4 генератора живиться від випрямляча 3, вхідна напруга якого регулюється авто-транспортом 2. Напруга високої частоти, що знімається з генератора, через компенсувальну батарею 6 подається на знижувальний гартівний трансформатор 7, до вторинної обмотки якого приєднано індуктор 9, в який вставляється деталь, що термічно обробляється. Запускається установка магнітними пускачами 1, 5 та 12.
Нагрівання в установках з псевдокиплячим середо-вищем, яке забезпечує швидке безокисне нагрівання металу, інтенсифікує процеси його хімічної та хіміко-термічної обробки, поліпшує умови праці та підвищує її продуктивність, усуває окалиноутворення і зневуглецюва-ння, зменшує короблення деталей.
Киплячий шар складається з твердих частинок сипу-чого матеріалу. Ним може бути кварцевий пісок, корунд, суміші графіту з вуглекислими та іншими вогнетривкими домішками, які інтенсивно переміщуються завдяки вібрації, яка створюється найчастіше висхідним потоком повітря або газів. Це нагадує киплячу рідину. Таке газове середовище із завислими та безладно рухомими твердими частинками часто називають псевдокиплячим. Нагрівання киплячого шару в установці здійснюється газовим полум’ям або за допомогою електричних нагрівників. Схема установки для утворення киплячого шару зображено на рис. 10.4.
Газорозподільну решітку 1 розміщують у камері печі 2, яка з’єднана трубопроводом 4, через який підводять під решітку повітря або газ. Киплячий шар утворюється