§ 30. Агрегаты для газовой цементации и нитроцементации

Разработано много толкательных агрегатов для газовой це­ментации и нитроцементации. Эти агрегаты предназначены для массового и крупносерийного производства. Главное применение они нашли в автомобильной, тракторной, подшипниковой и дру­гих отраслях машиностроения. Все агрегаты можно классифи­цировать по использованию тепловой энергии — на газовые и электрические, по конструкции печей — на муфельные и без­муфельные и по компоновке оборудования — на прямоточные и П-образные.

Первые конструкции толкательных агрегатов для газовой цементации были муфельные, прямоточные, на газообразном топливе (рис. 74). Агрегат состоит из муфельной цементационной печи, закалочного бака, моечной машины и отпускной печи. Существует муфельный агрегат, но с электропечами, с индексом ТЦПА-160 (цифра указывает мощность цементационной печи в кет). Агрегат предназначен для химико-термической обработки сталь­ных деталей с максимальными размерами 300x300x800 мм. При загрузке деталей на поддон весом 97,5 кг и толкании через 45мин

слой цементации получается глубиной 0,9—1,4 мм и произво­дительность агрегата равна 130 кгЫ.

Дальнейшее развитие агрегатов для газовой цементации при­вело к созданию безмуфельных прямоточных агрегатов, работа­ющих на газообразном топливе (рис. 75). У этого агрегата отсут­ствует муфель, и сжигание газа происходит в радиационных тру­бах, что позволяет ускорить процесс. Агрегат состоит из без­муфельной печи для газовой цементации, механизированного за­калочного бака цилиндрической формы, моечной машины, отпуск­ной печи с циркуляцией воздуха и камеры охлаждения поддонов с деталями после отпуска. Производительность агрегата дости­гает 240—700 кг/ч в зависимости от требуемой глубины цементо­ванного слоя. Загрузка деталей на поддоны производится в два ряда с одной стороны, а разгрузка — с противоположной стороны агрегата. Все операции, кроме загрузки и выгрузки, механизи­рованы. К недостаткам данного агрегата относятся необходи­мость установки монорельса или рольганга для передачи пустых поддонов от места разгрузки к загрузочному концу печи и нали­чие большого количества масла в цилиндрическом закалочном баке, что представляет некоторую опасность в пожарном отношении.

|Опыт эксплуатации агрегатов для газовой цементации и нитро­цементации привел к другой компоновке оборудования агрегатов. Современные агрегаты в основном имеют П-образную форму, так что при цементации и закалке поддоны с деталями двигаются в одном направлении, а затем на последующих операциях меняют направление и передвигаются обратно к загрузочной стороне печи. Вследствие этого отпадает необходимость в специальной передаче поддонов от разгрузки. При правильной организации труда на таком агрегате работает один рабочий.

Безмуфельный агрегат для нитроцементации со ступенчатой закалкой показан на рис. 76. Агрегат состоит из безмуфельной печи, закалочной ванны, двухзонной моечной машины и сушиль-но-отпускной камеры. Все ^оборудование расположено очень ком­пактно; моечная машина и отпускная камера примыкают не­посредственно к печи. Длина агрегата 14 м. Поддоны с деталями после охлаждения в закалочной ванне двигаются в обратном направлении. При выходе из отпускной печи поддоны разгру­жаются и передаются с помощью специального механизма в за­грузочный тамбур, оборудованный колпаковой системой и ги­дравлическими подъемниками, закрывающими отверстия загрузки и выгрузки.

Печь для нитроцементации отапливается городским газом. Сжигание газа происходит в 32 вертикально расположенных радиационных трубах, по 16 с^каждой стороны печи. Поверх­ность одной трубы в печи составляет 4800 см², тепловая нагрузка труб 1,12 ккал/(см*-ч), расход топлива 90 мЧч.

Для шестерен, изготовленных из стали марки ЗОХГТ, про­цесс нитроцементации ведется при 850 ± 10° С, температура под-

стужйвания 800—820° С. В печи находится 17 поддонов. Интер­вал толкания для получения слоя 0,5—0,9 мм составляет 20 мин. Время пребывания деталей в печи 5 ч 40 мин.

Процесс нитроцементации ведется с помощью смеси эндогаза, городского газа и аммиака. Подача нитроцементующего газа производится через вводы (рис. 77, поз. I—VI), причем в ввод / подаются эндогаз и аммиак; в вводы //—IV подается смесь трех газов: эндогаза, городского .и аммиака, а вводы V—VI — только эндогаз. Оптимальный расход нитроцементующего газа: эндогаза 25 м³/ч (89,5—92%), городского газа 1,5—2 м³/ч (5—7%), аммиака 0,8—1 м³/ч (3—3,5%).

Перемешивание нитроцементующего газа осуществляется че­тырьмя вентиляторами. Химический состав поступающих и отхо­дящего газов приведен в табл. 5.

Таблица 5

Химический состав газа

В закалочной ванне применяется ступенчатая закалка при температуре закалочной среды 170—190° С. Для создания безо­пасности в пожарном отношении в закрытое пространство над .ванной вводится азот. После закалки детали попадают в двух-зонную моечную машину; в первой зоне производится промывка водой при температуре 60° С; во второй происходит пассивиро­вание.

Из моечной машины поддоны с деталями поступают в отпуск­ную печь с температурой 180—200° С. Температура в этой печи создается горячим воздухом, подающимся из зоны подстужи-вания нитроцементационной печи. В другой конструкции отпуск­ной печи воздух подогревается за счет отходящих газов радиа­ционных труб нитроцементационной печи. Отпуск производят в течение 1 ч. Твердость поверхности зубьев шестерен после обра­ботки составляет HRC 58—62 при нагрузке 150 кГ; при испыта­нии на приборе Роквелла с нагрузкой 15 кГ и соответствующем переводе — HRC 62—65; твердость сердцевины HRC 35—45. Производительность агрегата 400 кг/ч.

На ЗИЛе для цементации и нитроцементации были созданы следующие безмуфельные агрегаты (рис. 78):

1. На девять поддонов, однорядный, с вертикальным распо­ложением радиационных труб в безмуфельной печи, с отпускной печью для низкого отпуска, производительностью 170 кг/ч для получения нитроцементованного слоя глубиной 0,5—0,7 мм.

2. На 21 поддон, однорядный, с вертикально расположенными радиационными трубами в безмуфельной печи, со ступенчатой закалкой в горячем масле с температурой 70—190° С, с промывкой в холодном масле и горячей воде, с отпускной печью, имеющей производительность агрегата 500 кг/ч для получения нитроце-ментованного слоя 0,7—0,8 мм.

Рис. 78. Схема безмуфельных агре­гатов ЗИЛа:

а — для нитроцементации иа девяти поддонах; 6 — для цементации или нитроцементации на 21 поддоне; в — то же на 48 поддонах; г — то же на 18 поддонах; д — для комплексной хими­ко-термической обработки деталей из

хромоникелевых сталей; / — загрузочный толкатель; 2 — там­бур загрузки; 3 — печь для нитро­цементации (цементации); 4 — разгру­зочный тамбур; 5 — бак для закалки в масле; 6 — передаточный механизм; 7 — моечная машина; 8 — отпускная печь; 9 — бак для замочки; 10 — рольганг; 11 — передаточный механизм разгрузки; 12 — вспомогательный бак; 13 — вытаски-ватель поддонов; 14 — передаточный бак с холодным маслом; 15 — трехзонная моечная машина; 16 — гидравлический механизм движения поддонов; 17 — передаточ­ная тележка; 18 — механизм движения передаточной тележки; 19 — тамбур с переда­точным механизмом; 20 — толкатель; 21 — охладительный коридор; 22 — закалочная печь; 23 — бак для закалки в горячем масле

3. На 48 поддонов, двухрядный, с горизонтально расположен­ными радиационными трубами в безмуфельной печи, со ступен­чатой закалкой в горячем масле и другим оборудованием. Про­изводительность агрегата 800 кг/ч для получения нитроцементо-ванного слоя 0,7—0,8 мм.

4. На 18 поддонов для обработки деталей, предназначенных для последующей закалки с нагревом токами высокой частоты,

однорядный с охладительной камерой вместо закалочного бака. Производительность агрегата 400 кг/ч.

5. Для обработки деталей из хромоникелевых сталей, двух­рядный, по 12 поддонов в ряду, с горизонтально расположенными трубами в безмуфельной печи, с печью для высокого отпуска и нагрева под закалку с 11 поддонами и однорядным расположе­нием поддонов в охладительном коридоре, в закалочном и про­мывочном баках моечной машины и печи для низкого отпуска. В промышленности получили распространение агрегаты с 21 поддоном для газовой цементации и нитроцементации. Конструк­ция этого агрегата аналогична описанной выше. Однако 21 -под­донные агрегаты имеют ряд недостатков. Колпаковая система загрузки с подъемом поддонов перед заталкиванием в печь и боль­шие размеры загрузочного тамбура не обеспечивают необходимую герметичность и сохранение состава атмосферы в цементационной печи, кроме того, в агрегатах используют радиационные трубы старой конструкции.

На ЗИЛе был спроектирован агрегат с 20 поддонами для газо­вой цементации и нитроцементации. В этом агрегате предусмо­трены мойка и сушка деталей перед загрузкой в печь. В конструк­ции этого агрегата использованы тупиковые радиационные трубы, обеспечивающие лучшее сжигание топлива, боковая загрузка поддонов с деталями в печь упрощена и осуществляется на одном уровне с подающим рольгангом, загрузочный тамбур уменьшен в размерах и т. д.

К недостаткам данного агрегата относится то, что для его" размещения требуется площади примерно в 2 раза больше, чем для агрегата с 21 поддоном.

На Таганрогском комбайновом заводе [34] установлен агрегат для газовой цементации и нитроцементации, который имеет П-образную форму и состоит из двухрядной безмуфельной печи. В печи установлены горизонтально 108 радиационных труб с электросопротивлением и с тремя-вентиляторами в своде рабо­чего пространства печи (рис. 79). Закалочный бак (рис. 79, б) имеет скиповые дорожки для передвижения поддонов. В агрегат также входит моечная машина и отпускная печь с рециркуля­цией газовоздушной смеси. Цементационная печь снабжена каме­рой загрузки с выдвижной тележкой, толкателем для перегрузки пустых поддонов на загрузочную тележку, кроме того, на обрат­ной ветви агрегата смонтирована система пульсирующих конвейе­ров. Агрегат имеет маслонапорную станцию, установку для при­готовления контролируемой атмосферы, состоящую из двух гене­раторов, смесительной станции и пульта управления. Производи­тельность такого агрегата 300 кг/ч.

Во ВНИИЭТО разработаны такого же типа агрегаты, которым присвоен индекс СТЦА. Производительность агрегатов СТЦА от 150 до 450 кг/ч. Агрегат СТЦА-6.48.4/10 предназначен для газовой цементации и нитроцементации стальных деталей длиной

до 400 мм и состоит из цементационной печи с трубчатыми съем­ными нагревателями и двумя вентиляторами, находящимися в своде рабочего пространства, закалочного бака с горячим мас­лом, передаточного бака с холодным маслом, двухсекционной моечной машины и отпускной толкательной электропечи с венти­ляторами. Разогрев масла в закалочном баке производится также трубчатыми нагревателями, а для циркуляции масла установлена специальная крыльчатка. Печь СТЦ-6.48,4/10 имеет мощность 240 кет и производительность на операции цементации ПО кг/ч и нитроцементации — 300 кг/ч. Цикл цементации при 1000° С (на слой 0,9—1,2 мм) составляет 8 ч, нитроцементации при 860° С (слой 0,4—0,6 мм) — 3 ч. Соответственный расход газа 25 и 27 м³/ч, расход азота 12 м^ъ/ч.

Толкательная отпускная электропечь СТО-6.24.4/3 мощностью 35 кет имеет производительность 300 кг/ч, а время отпуска 1,5 ч. Все приводы в агрегатах СТЦА гидравлические. Механизмы могут работать автоматически и при ручном управлении. Эти агрегаты предназначены для непрерывной работы и могут быть встроены в автоматические линии. Агрегаты изготовляют на Саратовском заводе электротермического оборудования.

В процессе эксплуатации агрегатов для цементации и нитро­цементации в конструкциях и компоновках оборудования были выявлены недостатки. Для проведения процессов химико-терми­ческой обработки необходимо, чтобы поступающие в печь детали были чистыми. Промывание деталей в механических цехах не­достаточно для последующей химико-термической обработки. Грязные детали, а также детали со следами масла на поверхности не дают идентичных результатов при химико-термической обра­ботке и влияют на состав атмосферы в цементационной или нитро-цементационной печи. Поэтому в агрегатах нужно устанавливать моечные машины, через которые должны пропускаться детали перед загрузкой в печи для цементации или нитроцементации.

В печах для цементации и нитроцементации необходимо под­держивать требуемую атмосферу. В существующих конструкциях при загрузке и выгрузке поддонов попадает в печь воздух, и состав атмосферы меняется. Это затрудняет правильное ведение процесса и работу автоматических приборов, регулирующих газовый состав в печах. Поэтому необходимо устраивать у загру­зочных и выгрузочных дверец тамбуров мощные газовые завесы.

Схема газовой завесы представлена на рис. 80. Природный газ подается под давлением 300 мм вод. ст., который через вен­тиль и соленоидный клапан газового запальника поступает к маг­нитному соленоидному клапану, срабатывающему от блокировки с некоторым опережением при открывании дверцы тамбура и затем поступает в горелку диффузионного типа. Горелка пред­ставляет собой трубу, по длине равную проему дверцы, в которой через каждые 5 мм просверлены отверстия диаметром 1 мм. В горелке газ поджигается пламенем запальника, Выходящий

из тамбура эндогаз также сгорает в пламени завесы, а продукты сгорания поднимаются вверх и не попадают в тамбур. Газовая завеса герметизирует печь в период загрузки — выгрузки, при устранении неполадок, при взятии пробных деталей на анализ, создает условия безопасной работы и в течение неограниченного времени предотвращает возможность образования взрывчатых смесей в тамбурах и печи.

Для работы печи большое значение имеет рациональное рас­положение радиационных труб. Тепловая работа печей улуч­шается при горизонтальном расположении труб. При горизон­тальном расположении U-образных или тупиковых труб с ре­куперацией тепла ухо­дящих газов обеспечи­вается равномерность нагрева по высоте печи и получение более одно­родных результатов по глубине слоя, природ­ный газ расходуется бо­лее экономно и умень­шается потребность в жаростойких материа­лах.

Рис. 80. Схема газовой завесы:

/ —■ вентиль; 2 — клапан запальника; 3 — газовый

запальник; 4 — термопара запальника; 5 — клапан

завесы; 6 — горелка

Производить смену вертикальных труб зна­чительно легче, чем го­ризонтальных, так как при вертикальном рас­положении трубы удаляются из печи и устанавливаются в нее с помощью крана. На ЗИЛе вертикальные радиационные трубы в агрегатах имеют диаметр 102 мм и рабочую длину 1170 мм. Мак­симальная производительность горелок в трубах 2,5 м³/ч. Смеше­ние газа с воздухом в этих трубах затруднено и движение продуктов сгорания носит ламинарный характер. На расстоянии 1 м от начала излучающей части трубы устроены вмятины, которые турбулизи-руют поток, они обеспечивают полное догорание газа и не­сколько выравнивают нагрев трубы по высоте. Горизонтальные U-образные трубы имеют эллиптическое сечение с размером по осям 88x170 мм и значительную длину излучающей части (раз­вернутая длина составляет 3,6 м). Продукты горения удаляются с помощью эжектора, установленного в конце трубы. Ввиду вы­сокой температуры отходящих газов и нагрева боковых стенок печи в горизонтальных радиационных трубах рекомендуется при выходе газов из труб устанавливать рекуператоры. Рекупера­тивные радиационные трубы могут быть U-образными и тупико­выми. Тупиковые трубы имеют высокий к. п. д. и низкую тем­пературу отходящих продуктов горения, такие трубы не про­гибаются 13],

Радиационные трубы получили также применение и в электри­ческих безмуфельных печах для газовой цементации и нитро-цементации. В этом случае внутри трубы монтируется нагрева­тель из нихромовой проволоки диаметром ~2,5 мм. Нихромбвые спирали поддерживают огнеупорные прокладки. Фланец трубы снаружи прикреплен к кожуху печи. Внутренняя полость трубы сообщается с наружным пространством, но ввод нагревателя в. печь остается герметизированным. Мощность такого нагре­вателя около 3 кет.

Для изготовления радиационных труб используются катаные трубы из стали Х23Н18 или штампованные, сварные из стали Х18Н25С2. Стойкость последних около 18 мес.

Прогар труб происходит в месте прохождения трубы через кладку печи. Подвергаясь действию науглероживающих газов, трубы цементуются и становятся хрупкими. Значительное влияние на стойкость оказывает местный перегрев металла, неоднородность нагрева по длине трубы и периодичность нагрева. Для повышения эксплуатационной надежности агрегатов для га­зовой цементации были предложены для радиационных труб новые материалы. Так, например, по данным Саратовского СКВ ЭТО в безмуфельных агрегатах с электрообогревом применяются радиационные трубы из сплава Х18Н35С2 диаметром 121 и тол­щиной 5 мм, изготовляемые центробежным литьем и последующей механической обработкой. На Минском тракторном заводе для изготовления радиационных труб безмуфельных агрегатов, ра­ботающих на газообразном топливе, был предложен сплав Х25Н35С2.

Улучшение работы безмуфельных агрегатов можно достичь, если соблюдать постоянный вес загружаемых деталей на поддоны. Количество поступающих в печь газа-карбюризатора и аммиака (при нитроцементации) рассчитывается на определенную поверх­ность деталей, на которой адсорбируется углерод и азот. Увели­чение загрузки на поддоны повышает адсорбируемую поверхность и требует корректировки в подаче газа-карбюризатора и аммиака. Но определять поверхность, подлежащую цементации или нитро­цементации, затруднительно, значительно легче следить за по­стоянством веса деталей на поддонах.

На производстве часто увеличивают загрузку на поддоны. При этом повышается производительность, но качество обработки ухудшается. Увеличение загрузки не должно допускаться, и там, где загружается на поддон много деталей, их количество должно быть уменьшено. Общее правило таково, что вес поддонов с дета­лями не должен превышать установленной нормы. Работу безму­фельных печей для газовой цементации и нитроцементации можно улучшить путем установки в своде печи вентиляторов для равномерного распределения в рабочем пространстве газовой атмосферы, а также устройством внутренних перегородок в рабочем пространстве печи между, зонами, которые позволят вести более

рациональное регулирование температур и углеродного потен­циала по зонам.

Для работы агрегатов газовой цементации и нитроцементации необходимо автоматически регулировать углеродный потенциал. Это позволяет как в печи, так и в эндотермических генераторах установить стабильность процесса, сократить брак. Регулирова­ние можно вести по содержанию в атмосфере печи С0₂ или Н₂0.

Большую стабильность углеродного потенциала атмосферы можно достичь также в результате уменьшения объема тамбуров загрузки и выгрузки поддонов и устройства герметических засло­нок со специальными прижимами.

Для более эффективного автоматического регулирования эндо-газовой атмосферы около печей устанавливают индивидуальные эндотермические генераторы и маслоохладители. Но для регули­рования углеродного потенциала атмосферы печи большое зна­чение имеет добавление природного газа к эндогазу, а природный газ (и аммиак — в случае нитроцементации) всегда добавляется в каждую печь индивидуально. Поэтому установка индивидуаль­ных эндогенераторов не обязательна. Централизованная уста­новка для получения эндотермического газа может обеспечить определенное количество печей достаточно точным составом эндо-газа, если она не будет перегружаться.

Индивидуальные маслоохладители, установленные около от­дельных печей-, будут способствовать получению однородного и постоянного качества закаленных деталей. Этот способ исклю­чает соприкосновение масла с воздухом при его циркуляции и тем самым позволяет сохранить постоянство закаливающей спо­собности масла, при этом отпадает также необходимость замены масла.

Однако нужно указать, что установка индивидуальных гене­раторов и маслоохладителей требует устройства более сложных трубопроводов, имеющих параллельные отводы для подключения запасных установок в случае выхода из строя основных.