3.1. Камерные нагревательные печи

В этих печах на стационарный год загружается порция металла - осадка, которая нагревается до заданной температуры. Основное преимущество печей - их универсальность, что особенно важно для мелкосерийного производства с широкой номенклатурой изделий, простота изготовления и эксплуатация. Эти печи могут применяться и для серийного производства. В этом случае они изготавливаются двухкамерными (рис. 2). Камеры загружаются заготовками поочередно, пока в одной камере металл нагревается, из другой камеры заготовки подаются на штамповку, По характеру теплообмена в рабочем пространстве камерные печи могут быть разделены на печи прямого и косвенного нагрева. Наиболее распространенными являются печи прямого нагрева, в которых продукты горения направляются непосредственно на осадку (загруженные заготовки).

Недостатком камерных печей является отсутствие механизации. Загрузка заготовок осуществляется "навалом", процесс загрузки и выгрузки производится вручную.

Когда требуется нагревать только часть заготовки (например, при штамповке на ГКМ), применяются щелевые (рис. 3), или очковые стационарные, или вращающиеся печи (рис. 4).

Крупные заготовки и слитки обычно нагреваются в камерных печах с выдвижным подом.

2. Проходные печи

Более совершенными и современными по сравнению с камерными являются механизированные печи проходного типа, которые используются для серийного и массового производства.

С точки зрения температурного режима проходные печи можно разделить на две большие группы: однозонные и методические. В однозонных печах, так же как и в камерных, температура в рабочей зоне постоянна. К печам этого типа относятся печи для нагрева прутков перед резкой, целевые (в отличие от печи на рис. 3, заготовки непрерывно движутся через зону нагрева с помощью какого-либо механизма, расположенного вне зоны печи),

Рис.3. Щелевая камерная печь

Рис.4. Очковая вращающаяся печь

печи для нагрева тонких заготовок (листов), прутков и т.п.

Для нагрева прутков перед резкой применяются печи с подъемношагающими балками (рис. 5) или другими механизмами перемещения (например, толкательные). Температура подогрева прутков из сталей колеблется в пределах 400-700 °С. Ширина печи должна соответствовать максимальной длине прутка.

Конвейерные печи для нагрева стальных заготовок до 1200 °С применяются редко из-за низкой стойкости конвейера. Они применяются тогда, когда температура нагрева не превышает 700-850 °С.

Широкое распространение в крупносерийном, массовом производстве получили толкательные печи проходного типа с одинаковой температурой по всей камере (однозонные). Они применяются для поковок средней массы (от 5 до 50 кг) (рис. 6).

Для заготовок более крупных, особенно из легированных сталей, применяются методические или полуметодические печи, которые позволяют более плавно нагревать заготовки (рис. 7).

По способу нагрева методические печи подразделяются на печи с односторонним и двусторонним обогревом. В первом случае заготовки продвигаются вплотную друг к другу по монолитному огнеупорному полу, и нагрев осуществляется только сверху. При двустороннем обогреве (заготовки движутся по охлаждающим трубкам) и сверху, и снизу скорость нагрева увеличивается в 3-3,5 раза.

С точки зрения температурного режима методические печи можно разделить на две большие группы: двухзонные и трехзонные (рис.7).

Первая по ходу металла зона (методическая) характеризуется повышающейся по ее длине температурой, вторая - зона высоких температур (сварочная) - практически постоянной по длине температурой.

Трехзонный режим отличается от двухзонного использованием третьей зоны (зоны томления). В этой зоне температура газов по ее длине одинакова и несколько превышает конечную температуру нагрева металла (обычно на 40-60°С).

Двухзонные печи обычно используются для нагрева заготовок до диаметра 100-150 мм при одностороннем нагреве и до диаметра 200-250 им при двустороннем. Сварочная зона занимает в них, как правило, 30 -35 % от общей длины печи. В кузнечных цехах в ряде случаев применяют и двухзонные печи с большей, чем обычно длиной сварочной зоны (60-75 % от длины печи). Такие печи называются полуметодическими. Трехзонные печи используются для нагрева заготовок диаметром более 200-250 мм. Механизация передачи заготовок в методических печах для низких температур (до 850 °С) - конвейерная; для более высоких температур (до 1250 °С): для средних заготовок - толкательная, для крупных – подъемно шагающие балки.

Рис.5. Печь с подъемно шагающими балками для нагрева металла перед резкой.

Рис. 6. Однозонная толкательная печь

Рис.7. Трехзонная методическая печь

В последнее время все большее применение находят печи с вращающимся подом (карусельные): дисковым (тарельчатым) или кольцевым (рис.8). Эти печи выгодно отличаются от методических своей универсальностью и лучшими качествами нагрева. Нагреваемые заготовки лежат на поду неподвижно и не соприкасаясь друг с другом, что обеспечивает быстрый равномерный нагрев. Механизация загрузки и выгрузки в этих печах достигается с помощью манипулятора или специальных механизмов. Эти печи могут работать как в камерном режиме, когда топливо подается по длине печи равномерно, так и в методическом, при котором расход топлива (и соответственно температура) по зонам распределяется неравномерно. Печи очень компактны.

Особенно широкое применение карусельные печи нашли за рубежом.

4. ПЕЧИ СКОРОСТНОГО И БЕ30КИСЛИТЕЛШ0Г0 НАГРЕВА

Эти печи применяются только в случаях для получения особо точных поковок, что объясняется технической сложностью агрегатов.

4.1. Печи скоростного нагрева

Большинство установок базируется на использовании принципа атакующей струи (скоростного - конвективный нагрев). Другая разновидность нагрева - это использование радиационного прямого и косвенного нагрева. Конструкции печей такие же, как описанные выше с соответствующими доработками.

А-А

Рис.8. Печь с вращающимся подом

4.2. Печи безокислительного нагрева

Обычно используются печи описанных выше конструкций с применением защитной атмосферы, за счет снижения коэффициента расхода воздуха до 0,5...О,6, а также применения муфелей с защитной атмосферой. Имеются и другие способы.

5. РАСЧЕТ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ НАГРЕВА ЗАГОТОВОК

5.1. Общие положения

Продолжительность нагрева - время, которое необходимо для нагрева слитка или заготовки по заданному режиму, зависит от следующих факторов:

1) марки материала и толщины нагреваемых заготовок (слитков);

2) формы сечения и способа укладки заготовок (слитков) на поду печи;

3) температуры рабочего пространства печи и конечной температуры нагрева металла.

Материалы с меньшей теплопроводностью требуют большего времени нагрева. При нагреве тонких заготовок разность температур по сечению невелика, что уменьшает возникновение температурных напряжений, которые могли, бы привести к трещинам, а поэтому такие заготовки можно нагревать с той скоростью, которую допускает печь. По мере увеличения толщины заготовки разность температур по сечению возрастает. Чем выше температура печи и меньше теплопроводность стали, тем больше разность температур в нагреваемой заготовке, т.е. одна и та же заготовка при нагреве может вести себя по-разному; при невысокой температуре ведет себя так же, как «тонкая», а при высокой, как «толстая». Для установления границ «тонких» и толстых заготовок пользуются следующей формулой (2):

(1)

где - коэффициент теплоотдачи,

- толщина заготовки, м;

- коэффициент теплопроводности, ,

, определяется для углеродистой стали при температуре 0 ⁰С по формуле

(2)

где C, Mn, S – содержание углерода, марганца и кремния, %.

Затем по таблице 1определяют теплопроводность в зависимости от температуры (можно пользоваться и табл. 1 прил.) /8/.

Таблица 1

Температура, 0С	200	400	600	800	1000	1200
Величина коэф.	0,95	0,85	0,75	0,68	0,68	0,73

При - область "тонких" заготовок, при - область "толстых" заготовок. Между этими значениями - переходная область.

На рис. 9 для стали с теплопроводностью представлены графически области "тонких" и "толстых" заготовок в зависимости от температуры печи, и переходной области между ними. Этой диаграммой можно пользоваться для приближенного определения "тонких" заготовок из углеродистой и малолегированной сталей.

Расположение заготовок на поду печи также влияет на продолжительность нагрева (рис. 10) -/2,4,7/.

Время нагрева расчетное или взятое из таблиц для одиночного расположения заготовок необходимо умножить на этот коэффициент (рис.10)

Рис. 9. области тонких и толстых заготовок в печи с постоянной температурой.