По степени механизации:

• не механизированное;

• с малой механизацией;

• механизированное.

1. Нагревательные печи

Печь – это агрегат, имеющий определенное внутреннее пространство, огороженное со всех сторон стенками: снизу – подом, сверху – сводом, боковыми и торцевыми стенками. Ограждение предназначено для создания внутри печи заданной температуры, а если необходимо, то и определенной атмосферы. Чтобы стены могли выдержать высокую температуру для термической обработки, они выкладываются огнеупорным кирпичом (сейчас нередко волокнистые огнеупорные плиты). Печь должна содержать и другие элементы:

• рабочие окна (в печи периодического действия, обычно одно, непрерывного действия - 2);

• теплогенераторы (создают необходимую температуру: газовые горелки, радиационные трубы, электронагреватели);

• электрические нагреватели;

• каналы для отвода дыма в топливных печах.

Классификация нагревательных печей:

По используемому типу энергии:

• электрические;

• топливные.

По виду выполняемого технологического процесса:

• закалочные;

• цементационные;

• отпускные;

• нормализационные;

• отжигательные;

• универсальные.

Система обозначения: буквенно-цифровая

1) Первая буква:

- топливная печь - Т

- электрическая печь - С

2) Конструктивный тип печи – вторая буква:

Роликовая – Р Шахтная – Ш

С неподвижным подом – Н Карусельная – А

С выдвижным подом – Д Протяжные – П

Элеваторная – Э Ямные – Я

Колпаковая – Г Барабанные – Б

Толкательная – Т Печи-ванны – В

Конвейерная – К С пульсирующим подом - И

Туннельная – Л

3. Харарактеризует атмосферу печи – третья буква:

О – окислительная атмосфера (прод. горения, воздух)

З – защитная

Ц – активная (цементующая)

А – азотирующая

Н – водородная

С – расплав соли

4) Редко указывается - четвертая буква: она указывает какую-либо особенность: А – печь входит в состав агрегата; М - модернизированная.

Система цифр: 10.18.8 / 9,5 – размеры рабочего пространства (в дециметрах). 10 – ширина; 18 – длина; 8 – высота; 9,5 – предельная рабочая температура в 100-х ºС (950ºС), которую может обеспечить печь.

Пример: ТДО – 40.120.25/11

3.2 Основные элементы конструкции печей

Каждая печь имеет рабочее пространство, огороженное со всех сторон: снизу под печи, сверху – свод, боковые и торцевые стенки. Оно огорожено с той целью, чтобы создать в нем замкнутое пространство, необходимую рабочую температуру, а часто и определенную атмосферу. Стенки печи несут теплоизоляционную функцию, чтобы энергия не рассеивалась. Для того, чтобы стенки печи были крепкими, их снаружи ограждают стальным кожухом. Если печи не крупные, то нет каркаса, но всегда есть кожух стальной; а у больших печей стальной каркас. Каркас это стальные вертикальные балки или швеллеры, которые снизу залиты в фундамент , а сверху скреплены друг с другом стяжками, тем самым они образуют жесткие замкнутые рамы, способные выдерживать большие распирающие нагрузки, например, от арочного свода печи.

Чтобы изделия можно было загрузить в печь и выгрузить их после нагрева, печи имеют одно или два рабочих окна. Для предотвращения потерь тепла, окна закрываются дверцами, которые открываются и закрываются специальными механизмами.

Чтобы печи могли греть изделия они должны иметь теплогенераторы – горелки, радиационные трубы или электронагреватели. Все перечисленные элементы конструкции, и их взаимное расположение можно видеть на рис. 3.1.

Печи периодического действия отличаются друг от друга элементами, которые обеспечивают способ загрузки и выгрузки изделий и возможность механизации этих операций. Например, печь со стационарным подом имеет для загрузки рабочее окно, а в печи с выдвижным подом, под для загрузки выдвигается из печи. Печи непрерывного действия имеют механизмы, обеспечивающие перемещение изделий через рабочее пространство в процессе их нагрева и выдержки, поэтому основное отличие печей состоит в механизмах, обеспечивающих это перемещение.

Рисунок 3.1 – Основные элементы конструкции термической печи:

1 – под печи; 2 – свод; 3 - баковые стенки; 4 - торцевые стенки; 5 – рабочее окно; 6 – дверца окна; 7 – горелки; 8 – нижние топочные каналы; 9 – каналы, соединяющие нижние топки с рабочим пространством; 10 – каналы для отвода дыма из рабочего пространства; 11 – боров-канал для отвода дыма в трубу; 12 – механизм подъема дверцы рабочего окна; 13 – роликовые дорожки, уложенные на поду печи для облегчения загрузки тяжелых изделий

Стойки каркаса (без цифры) расположены с наружных сторон боковых стенок. Их нижние концы замурованы в фундамент, а верхние – над печью - скреплены горизонтальными стяжками.

3.3 Материалы для изготовления печей

Каркас печи изготавливается из стали Ст.3. Внутренний слой стенки, подвергается нагреву до высоких температур, поэтому выкладывается шамотом (SiO₂ + Al₂O₃), т.к. он обладает высокой жаростойкостью. Для элементов горелочных каналов используется хромомагнезит. Кирпич делают по стандарту (65×113×230), который делится на 3 класса: А, Б, В, отличаются по прочности (В – непрочный). Для небольших термических печей используют группу В, плотность которых 2т/м³. Наружная часть стены – теплоизоляционный слой.

3 1 – шамот

2 2 – шамот легковес

1 3 – вермикулит или диатомит

- засыпка (могут быть и

кирпичи)

В топливных печах двухслойная кладка .Однако сейчас необходимо и топливные печи конструировать с 3-х-слойной кладкой. Каркас печи и некоторые другие элементы, работающие снаружи, изготавливаются из низкоуглеродистой стали. Конструктивные элементы, работающие в рабочем пространстве, изготавливаются из жаростойких сталей (Х25Л, Х25Н2ОС2).

В настоящее время в качестве огнеупорного и одновременно высокотеплоизоляционного материала используются плиты из шамотоволокнистого материала. Они до 50 % экономят расход топлива, что сейчас особенно актуально.

3.4 Теплогенераторы печей

3.4.1 Горелки

Горелки отличаются друг от друга теми элементами конструкции, которые обусловливают получение факела пламени разной длины. Они делятся на три группы (рис. 3.2):

1. короткофакельные (инжекционные, на рис. их нет);

2. среднефакельные (турбулентные);

3. длиннофакельные (труба в трубе)

В первом случае факел горячий, направлять его на изделия нельзя. Быстрое сгорание происходит, когда горелка обеспечивает почти полное смешивание газа и воздуха. Смесь быстро сгорает.

Во втором случае, если горелки среднефакельные, смешивание газа и воздуха происходит в меньшей степени. Горение происходит постепенно. Требуется дополнительное смешивание, которое происходит уже в печи.

В третьем – газ и воздух выходят с небольшим напором, смешивания в горелке нет. Смешение и горение происходит постепенно в печи, факел получается длинный и менее горячий

Рисунок 3.2 – Длиннофакельные и среднефакельные горелки низкого давления:

а – типа труба в трубе; г – турбулентная горел ка (типы б, в и д - применяются редко)

3.4.2 Радиационные трубы

Используются для обогрева печей с контролируемой атмосферой. Они являются теплогенераторами, т.к. в них сжигается газообразное топливо и они нагреваются до высоких температур и излучают тепло в рабочее пространство, рис. 3.3.

t_mр – температура трубы;

t_п – температура печи.

Рисунок 3.3 – Конструкции радиационных труб:

а – U-образная; б – прямоточная вертикальная; в – вертикальная параболической формы, г – Р-образная с рекуператором; д – u – образная с рекуператором; е – электрическая радиационная труба

Трубы должны быть изготовлены из жаростойкой стали (Х18Н25С2, Х25Н20С2).

Наиболее широко используются два типа радиационных труб:

• У – образные, без рекуператора и с рекуператором;

• тупиковые трубы с рекуператором;

Рекуператор изготавливается из жаростойкой стали. В каждой трубе находится рекуператор. Он подогревает воздух до 400-500ºС.

Расчет радиационных труб:

1. Выбирается тип труб и их размеры;;

2. Определяется количество труб по соотношению:

, - в справочнике,

N_n – мощность печи (определяется из теплового баланса).

Трубы устанавливаются в печи в горизонтальном положении в 2 ряда по высоте, в канавках пода и под сводом.

3.4.3 Электронагреватели

Электронагреватели используются из материалов двух типов:

• металлические (в виде ленты или проволоки);

• неметаллические (в виде стержней).

Металлические нагреватели изготавливаются из сплавов:

1. Нихромы – сплавы на основе никеля. Х15Н60 (t_раб = 900ºС), Х20Н80Т(t_раб = 1050-1100ºС);

2. Хромали – хромоалюминиевые сплавы. Х13Ю4 (t_раб = 900ºС), Х17Ю5 (t_раб = 1000ºС), Х23Ю5А (t_раб = 1200ºС), Х27Ю5А (t_раб = 1250ºС).

Хромали в процессе работы сильно охрупчиваются из-за роста зерна (α-решетка), это является их недостатком. Достоинство состоит в том, что они могут обеспечивать получение более высоких температур и ниже цена. Неметаллические электронагреватели требуют использования понижающих трансформаторов, которые достаточно дорогие. Кроме того эти нагреватели очень хрупкие и могут разрушаться от термических напряжений (теплового удара). Они изготовляются из 2-х материалов:

1 – из карбида кремния SіС (t_р до 1400 ^оС);

2 – из дисилицида кремния МоSi₂ (t_р до 1600 ^оС).

Первые изготавливаются в виде прямолинейных стуржней с утолщениями (муфтами) в нерабочей части. Они в печах устанавливаются внизу (в углублениях пода) и в верху (под сводом). Нагреватели из МоSi₂ в печах устанавливаются вертикально вдоль боковых стен.

3.4.3.1 Расчет электронагревателей

Основную роль в расчете играет правильный выбор допустимой удельной нагрузки (мощности) υ Вт/см².

Нагреватель всегда нагревается выше, чем рабочее пространство и он всегда излучает энергию в рабочее пространство.

t_{нагр. доп.} = 1200ºС

Чем ближе t_печи к предельно допустимой t_нагр, тем меньше υ.

υ определяется:

• материалом нагревателя;

• Tпечи.

Нагреватель рассчитывается с целью определения площади поперечного сечения нагревателя и его длины. Расчет производится на основе законов Ома и Джоуля-Ленца.

В промышленности количество нагревателей в печи устанавливается кратно 3 (n = 3К). К – целое число (1, 2, 3…).

Исходные данные:

N_печи, кВт;

t_печи, ºС;

U_раб^max , В

Lп, Bп, Hп, м

N₁ = Nп/n , n = 3, 6, 9, 12 и т.д.

Один нагреватель обеспечивает мощность N₁ = 15-30 кВт. Из этого находим, сколько необходимо установить нагревателей и действительную мощность 1-го нагревателя.

Для определении d проволоки составляется 2 уравнения:

1. N₁ = , т.к.

U=220, 380 B; ρ_t – удельное сопротивление, Ом·мм²/м;

d – диаметр поволоки, мм; l – длина проволоки, м.

2. N₁ = ν_q·S_пров = ν_q·l·П·d. Это второе уравнение определения мощности одного нагревателя. Решая совместно уравнения 1) и 2), получим:

d = , мм

После того как найден d и l , сравним ν_расч с ν_{допуст.}

N₁ - мощность 1-го нагрева;

ρ_t – удельное электросопротивление нагревателя при максимальной рабочей температуре;

U – напряжение на нагревателе 220 или 380 В.

ν_д - допустимая удельная «нагрузка» (мощность) нагревателя.

При соединении нагревателей по схеме «звезда» (левая схема) U = 220В, а при соединении по схеме «треугольник» - U = 380В.

Чем больше U, тем меньше расход нагревателя.

N₁ - кВт, U – В, ν_д – Вт/см², ρ_t = Ом·мм²/ м

Проволока для электрического нагревателя производится по определенному сортаменту.

Если по расчету d = 6,3 – то принимается ближайшее большее – 6,5мм.

Металлический нагреватель часто делают из ленты

в в/а = 10 (8-12)

а

Спирали:

1. цилиндрические из проволоки;

2. зигзагообразные (обычно из ленты).

Д_{спир ,} d_пров, t – шаг спирали – параметры спирали.

Нужно стремиться размещать спирали на поду печи и на боковых стенках. В этом случае их легче заменять. Схемы закрепления нагревателей на стенках рабочего пространства показаны на рис. 3.4.

Расчет неметаллического нагревателя:

1. Размер (выбирается по ширине или высоте рабочего пространства);

2. Количество нагревателей n определяют из N_п/N₁ = n;

N_n; В; L; H – мощность печи и размеры рабочего пространства

По ширине или высоте печи выбирают:

1. типоразмер нагревателя

2. определяют площадь поверхности рабочей части нагревателя: F_р = l_р·π·d_р

3. Определяют N₁ нагревателя по соотношению:

N₁ = F_p·ν_q, кВт n_p = N_n/N_1.

Полученное число округляют до ближайшего целого.

Далее нагреватели размещают в печи чаще всего на поду и вертикальных стенках, а рпи необходимости – и на своде (рис. 3.4.)

3.5 Теплотехнические конструкции термических печей

(способы размещения теплогенераторов в печах)

Теплотехническая конструкция – схема размещения теплогенераторов в печах. Задача – обеспечить равномерный нагрев с заданной точностью, безопасный и экономически эффективный.

Рисунок 3.4 – Примеры крепления цилиндрических и зигзагообразных спиральных электрических нагревателей в рабочем пространстве печей:

а, б – на своде; в, г, д – на боковых стенках; е, ж – в канавках пода; з, и, к – зигзагообразные на своде; л, м, н - зигзагообразные на боковых стенках; о, п - зигзагообразные в углублениях пода

В зависимости от размеров печи и деталей, выбирают теплотехническую конструкцию печи. Существуют 6 различных схем размещения теплогенераторов:

1. С непосредственным нагревом. Тепло выделяется непосредственно в рабочем пространстве. Используется и для топливных и для электрических печей. Для топливной печи схема имеет следующий вид:

Рисунок 3.5 – Поперечные разрезы печей с непосредственным обогревом:

а – ТНО; б, г – ТШО; в – ТДО; д – ТТО; е – СНО

Недостатки:

• нагрев может быть обеспечен с точностью не выше ± 20ºС от заданной температуры;

• непосредственное сжигание топлива может быть при температуре не ниже 500-600ºС, т.к в случае отрыва пламени от горелки может быть взрыв.

К электрическим печам эти недостатки не относятся.

2. С нижними топками

Горение топлива происходит в топочном подовом канале. Садка может быть уложена на под без подставок, т.к. во время работы печи он раскаленный.

Достоинства: равномерный нагрев; возможность использования печи для среднего отпуска.

Недостатки: более сложная конструкция; ослабление пода (рис. 3.6, в).

3. Печи с боковыми топками

Используются в ямных печах.

Недостатки: сопротивление движения газов хуже, больше потери напора; факел может ударяться в кладку, ослабление пода, усложненная конструкция (рис. 3.6, б).

4. С верхними топками

Если печи имеют арочный свод, то дополнительно ставиться решеточная перегородка, получается своего рода топочный канал.

Используется в печах с большой шириной рабочего пространства. Нагрев в этих печах односторонний, свод ослаблен (рис. 3.6, а)

5. С выносной топкой

Обеспечивает низкую (150-200 °С) температуру в рабочем пространстве (рис. 3.6, г).

6. С муфелированием продуктов горения.

Используется для обработки изделий в защитной или активной атмосфере. При этом обязательно должен быть газоплотный кожух и тамбуры, которые отсекают попадание воздуха (рис. 3.7, б). Газ сжигают в радиационных трубах.

С муфелированием садки (рис. 7, а). Муфель тяжелый и дорогой. Нагрев замедленный, снижается КПД.

В горизонтальных печах изделия укладываются на подставки, которые обеспечивают попадание продуктов сгорания топлива снизу садки. Эта конструкция наиболее простая и надежно работающая. В вертикальных печах детали подвешиваются, либо загружаются в корзинах.

Рисунок 3.6 – Поперечные разрезы печей с верхней топкой (а), боковой топкой (б), нижней топкой (в) и выносной топкой (г).

Цель: создать и подержать определенную атмосферу. Используются печи для азотирования, цементации и нитроцементации и светлого отжига рулонов (рис. 3.7, а).

Недостаток: муфель громоздкий и изготавливается из дорогой стали Х28ТЛ. Замедляется нагрев.

Рисунок 3.7 – Поперечные разрезы печей с муфелированием садки (а) и муфелированием продуктов сгорания (б)

7. Печи-ПАП

Печи аэродинамического подогрева. У них механический теплогенератор. Вентилятор вращается мотором с высокой скоростью.

Тепло выделяется в результате трения газов, гоняемых вентилятором в рабочем пространстве. Температура равномерная, достижимая до 500-600 ºС (рис. 3.8).

Недостаток: большой шум, создаваемый вентилятором; к.п.д. хуже, чем у электрических печей.

Рисунок 3.8 – Горизонтальный разрез печи аэродинамического подогрева (печи ПАП)

3.6 Печи периодического действия

Эти печи работают по повторяющемуся периоду: загрузка, нагрев, охлаждение, разгрузка, затем снова – загрузка деталей и т.д.

3.6.1 Печи камерные со стационарным и выдвижным подом

Печи со стационарным подом более простые по конструкции и дешевые. В печи с неподвижным подом трудно загружаются детали крупные и средней величины. Чтобы облегчить загрузку в печь делают роликовую дорожку, а перед печкой ставят стол, на котором продолжение роликовой дорожки (рис. 3.9). Детали укладываются на поддон и на поддоне по роликам вталкиваются в печь.

Рисунок 3.9 – Типовая конструкция камерной топливной печи с неподвижным подом (составные части см. в пояснении к рис. 3.1)

Рисунок 3.10 – Типовая конструкция камерной электрической печи с неподвижным подом (СНО)

1-дверца рабочего окна; 2-механизм ее подъема; 3-зигзагообразные электронагреватели; 4-защитная коробка электрокабелей; 5-алундовые гребенки; 6-кодовая плита.

Рисунок 3.11 – Механизированная камерная печь с неподвижным подом, агрегатированная с закалочным баком (ТНЦА, ТНЗА):

1 – гидроцилиндр привода толкателя поддонов;

2 – стол загрузки-выгрузки поддонов с деталями; 3 – заслонка герметизации тамбура печи; 4 – двухъярусный стол закалочного бака; 5 – тамбур печи; 6 – гидроцилиндр подъема стола закалочного бака; 7 – заслонка рабочего окна печи; 8 – рабочее пространство печи; 9 – U – образные трубчатые нагреватели; 10 - выталкиватель поддонов с деталями из печи; 11 – осевые вентиляторы; 12 – закалочный бак

Когда детали крупные, используются печи с выдвижным подом (в виде тележки на колесной опоре или на роликовых опорах).

При загрузке-выгрузке изделий под выдвигается из печи, благодаря чему загрузка (выгрузка) изделий производится с использованием мостового крана, поэтому в ТДО могут обрабатываться крупные и очень крупные изделия (до 200 т).

Рисунок 3.12 – Типовая конструкция печи с выдвижным подом (ТДО):

1 – роликовая опора; 2 – выдвижной под; 3 – горелки; 4 - каналы для отвода дыма; 5 – песочные затворы

3.6.2 Ямные печи (ТЯО, СЯО)

Они используются для тех же целей, что и ТДО, т.е для обработки крупных поковок и отливок, но их загрузка и разгрузка более сложны, т.к. для захвата изделий подъемным устройством рабочий должен смотреть в раскаленную печь и подвергаться сильному тепловому воздействию.

Рисунок 3.13 – Печь ямная (ТЯО) со съемным сводом:

1 – боковые топки; 2 – дымовой канал; 3 – съемные секции свода

3.6.3 Печь элеваторная (СЭЗ)

Имеет под в виде тележки, которую не выкатывают, а опускают и поднимают. Загрузка и разгрузка изделий производится в специальном месте, можно сделать консольный кран. Достоинство - занимает меньше производственной площади, здание более легкое и дешевое.

Рисунок 3.14 – Поперечные разрезы элеваторных печей с гидравлическим подъемником (а) и винтовым (б):

1 – гидроцилиндр подъемника пода;

2 – поворотные кронштейны-упоры, закрепляющие под печи; 3 – песочные (или гидравлические затворы); 4 – под-тележка печи

3.6.4 Шахтные печи

Имеют вертикально расположенное рабочее пространство и часто располагаются в глубоких шахтах. Рабочее пространство характеризуется диаметром и высотой. ТШО 20.50/12. Печи имеют разнообразные размеры глубиной от 0,5м до 30м. Они применяются почти для всех видов термической и химико-термической обработок. В основном маленькие шахтные печи используются для отпуска, цементации и нитроцементации (США, СШЦ), а крупные для закалки и отпуска осей и валов (пустотелых и полнотелых). Детали помещают либо на подвесках, либо в корзинах. Сверху рабочее пространство закрывается крышкой. На малых печах она целая на поворотном кронштейне, а на больших – откатная из двух половин. Малые печи обогреваются электронагревателями, а крупные – топливом.

Крупные шахтные печи бывают безмуфельные и полумуфельные. Топливо в последних сжигается в кольцевом зазоре между стенкой полумуфеля и стенкой печи (рис. 3.16, б). Это позволяет сжигать топливо при низких температурах, даже можно делать низкий отпуск при 200ºС. Такие печи обеспечивают более равномерный нагрев, но они очень инертные. Многие электрические печи снабжаются вентиляторами, чтобы обеспечить циркуляцию продуктов горения и ускорить нагрев.

Рисунок 3.15 – Вертикальный разрез муфельной шахтной печи для цементации (СШЦ):

1 – муфель; 2 – корзины с деталями; 3 - вентилятор центробежный; 4 – откидные стяжные болты; 5 – крышка, закрывающая муфель 1 сверху; 6 – пропеллерный вентилятор для охлаждения подшипников; 7 – электродвигатель

Рисунок 3.16 – Крупные шахтные печи:

а – топливная с непосредственным обогревом;

б – полумуфельная; в – топливная рецеркуляционная; г – электрическая

3.6.5 Печи с передвижной камерой нагрева

Эти печи в термических цехах используются редко. Они предназначены в основном для азотирования или нитроцементации. Печи имеют подину на 2 садки, что позволяет одну нагревать, а вторую подготавливать к нагреву. Конструкция такой печи выглядит следующим образом (рис. 3.17).

Рисунок 3.17 – Печь с передвижной камерой нагрева:

1 – дверца с обоих торцов печи; 2 – свод печи; 3 – два муфеля; 4 – вентиляторы; 5 – под на 2 садки; 6 – механизмы подъема дверц; 7 - колесные опоры камеры печи, позволяющие передвигать камеру с одной садки на другую

3.6.6 Колпаковые печи

Схема ранее рассмотрена в технологии светлого рекристаллизационного отжига. В ней под и нагревательная камера разделены. Обратная циркуляция защитного газа обеспечивает равномерный нагрев по высоте, т.к. низ рулона обогревается горячим газом. Колпаковые печи для отжига рулонов одностопные. Они имеют круглую форму колпака и центробежные вентиляторы,обеспечивающие интенсивную циркуляцию защитного газа под муделем, нагревающем стопу рулона. Мудели изготавливаются из жаростойкой стали,т. к. работают при температуре до 750-800°С. Чтобы предоставить сильный местный нагрев муделя перед радиальными горелками 2 устанавливают плоские экраны из алундовых плиток 1, закрепоенных внизу нагревательного колпака 3(рис. 3.18).

Рисунок 3.18 – Вертикальные разрезы колпаковых печей с горелками в нагревательном колпаке (а), в поду-стенде (б, в), с радиационными трубами (г) и электрические (д)

3.6.7 Двухкамерные печи

Эти печи следует шире использовать, т.к. они не требуют установки рекуператоров, но в такой же или большей мере экономят топливо. В них тепло отходящего дыма используется для подогрева садки изделий. Наиболее целесообразны такие конструкции, в которых смежные камеры поочередно работают то в режиме подогрева, то в режиме нагрева (рис. 3.19 справа).

Рисунок 3.19 – Поперечные вертикальные разрезы двухкамерных печей

3.7 Печи непрерывного действия

Используются в массовом производстве. Они наиболее экономичны. В них тепловой режим во времени постоянен в отличие от печей периодического действия. Температура зависит от рабочей зоны пространства. Стабильность режима более высокая, поэтому хорошее качество изделий. Время загрузки и разгрузки не сказывается на работу печи, поэтому более высокая удельная производительность (до 30-50%).

Недостатки: более сложная конструкция; они дороже, чем печи периодического действия; на переналадку режима термической обработки в этих печах затрачивается больше времени, поэтому они при частой переналадке режимов работы теряют свое преимущество.

Эти печи отличаются друг от друга механизмами, которые обеспечивают передвижение нагреваемых изделий через рабочее пространство.

По механизмам перемещения деталей подразделяются:

3.7.1 Печи с наклонным подом

Механизма перемещения не имеют, изделия перемещаются под действием собственного веса, т.к. на наклонном поду сила веса распределяется на нормальное и касательное усилие. Работают с круглыми изделиями: трубы, валы, оси, баллоны и т.д. Наклон небольшой 5-10º.

Имеют ограниченное применение, т.к. детали должны быть определенной длины и круглого сечения. Эти печи используются: для нагрева под закалку: для нормализации, отпуска. Способны печи работать по операции отжига, но тогда их преимущество снижается. Они имеют технологические окна, чтобы поправлять детали.

Конструкция печи с наклонным подом приведена на рис. 3.20.

Рисунок 3.20 – Продольные разрезы печей с наклонным подом с боковой выдачей изделий (а) и торцевой (б)

Рисунок 3.20 (а) – 1-трубчатый рекунератор; 2-технологические окна; 3-горелки; 4- подвесной свод; 5- направляющие металлические брусья, по которым перетаскиваются изделия; 6- борев.

Рисунок 3.20 (б) – 1-горелки; 2-борова; 3- опорные столбики из огнеупорного кирпича для направляющих металлических брусьев; 4- пневматический цилиндр; 5- вертикальная выдающая изделия штанга.Она при выдаче изделия поднимает его над упором и далее изделие скатывается на разгрузочный стол.

3.7.2 Толкательные печи

Применяются для любой термической и химико-термической обработок. Можно загружать мелкие и средние детали, имеющие произвольную форму. Садятся детали с помощью поддонов, которые изготавливаются отливкой. Поддоны решетчатые, чтобы уменьшить массу и потери тепла для нагрева поддонов. Допускается масса поддона до 20% от массы садки.

Наличие толкателя является конструктивным признаком. Они могут быть при небольших садках кулисно-речажными с электроприводом. Могут использоваться и пневмотолкатели. Если нужно толкать садку тяжелую, тот используют гидравлические и реечные толкатели. Толкатели располагаются со стороны загрузки. Для разгрузки деталей с разгрузочного торца ставится механизм разгрузки:

а) выталкиватели при боковой выдаче изделий

б) вытаскиватели при торцевой выдаче.

Могут быть печи с защитной и активной атмосферой.

Особенность толкательных цементационных печей: чтобы обеспечить эффективную изоляцию атмосферы печи от воздуха с разгрузочных и загрузочных торцов печи имеют тамбуры. Сначала детали на поддонах подаются в тамбур, он небольшой по габаритам, затем его закрывают дверцей и производят продувку защитным газом (не меньше 5 мин.). Далее открывается дверца печи и детали загружаются из тамбура в печь. С разгрузочного торца все наоборот. Печи обогреваются либо электрическими, либо газовыми радиационными трубами. По размерам эти печи могут колебаться от 2 м до 20 м по длине.

Рисунок 3.21 – Толкательная печь с автоматической разгрузкой (ссыпанием) деталей с поддонов и устройство для опрокидывания поддонов (в).

Рисунок 3.22 – Толкательные печи для газовой цементации безмуфельная (а) и с муфелем (б)

На рисунке 3.22 (а) 1-толкатель гидравлический; 2-загрузочный тамбур; 3-радиационные трубы; 4-подвеска радиационных труб; 5-цементационная зона; 6-зона подстуживания; 7-зона нагрева и выравнивания температуры изделий перед закалкой; 8-разгрузочный тамбур; 9-пневматический вытаскиватель; 10-закалочный бак; 11-специальная загрузочная тележка.

Мудельные цементационные печи (рис. 3.22 б) в настоящее время практически не используются.

На рисунке 3.22 (б) 1-дверца загрузочного тамбура; 2-тамбур; 3-клиновой затвор; 4-пневмоцилиндры затворов; 5-разгрузочный тамбур; 6-топочные каналы с горелками; 7-мудиль; 8-грелки верхнего ряда; 9-секция свода.

3.7.3 Конвейерные печи

Применяются для деталей мелких и средних, легко осуществляется загрузка и разгрузка. Также применяется для всех процессов кроме ХТО. Недостаток: конвейерная лента, которая при температурах 900-950ºС обладает малой прочностью. Размеры печи небольшие и средние. Конвейерные ленты разных типов: сетчатые – самые простые (сетка из проволоки). Эти конвейеры наименее прочные и используются для отпуска низкого и среднего; цепной конвейер – на звездочку одевают цепи (типа велосипедных) на цепи прикрепляют пластины вплотную друг к другу. Цепи изготавливают из стали Х25Н20С2, а пластины из более простой жаростойкой стали; пластинчатый конвейер, который состоит из множества цепей (общие) он более прочный; панцирный (гусеница) – самый прочный. Делается с оббортовкой, чтобы в печи детали не сваливались с ленты,нагрев под закалку,нормализацию, отпуск. Эти печи широко используются для т/о мелких и средних деталей,но из-за недостаточной прочности конвейерных лент тяжелые детали в них не обрабатывают,а максимальная рабочая температура не превышает 900°С.

Рисунок 3.23 – Конструкции печных конвейерных лент:

а – пластинчатой; б – панцирной; в - пластинчатой с пластинами на всю ширину ленты

Конвейерные печи используются топливные и электрические. Длина от 2 до 10 м. Конвейерная лента должна находится полностью в печи. Чтобы она не провисала, делают опоры, уменьшающие натяжение конвейерной лент. Они теплоизолируются. Между опорами ставят горелки, если топливная печь. Барабаны приводятся в действие электродвигателем. Существуют подвесные конвейерные ленты. Конвейерные печи более пригодны для защитной атмосферы, но не для цементации. Можно проводить светлый отжиг.Роликовый (рольганговый) под печей является продолжением внешних рольгангов транспортной системы прокатных цехов,по этому ТРО широко используется для термообработки проката (толстый лист,рельсы,труби и другие изделия).Реже печи используются в машиностроении, например, для нагрева под закалку крупных колец подшипников качения.

Рисунок 3.24 – Типовая топливная конвейерная печь ТКО:

1 – вертикальный колпак для отвода дыма;

2 – горелки; 3 – конвейерная лента; 4 – опорные балки; 5 – электродвигатель(механизмы привода конвейерной ленты)

3.7.4 Туннельные печи (ТЛО)

Сочетают в себе толкательную и конвейерную печи. Предназначены для крупных изделий. В поперечном сечении она соответствует печи с выкотным подом. Под печи выполняется из тележек, каждая из которых ставится на колесные опоры. Размеры тележек 2 на 2 или 3 на 3 м. Печи приспособлены для отжига крупных отливок, нагрева под закалку и высокого отпуска. Крупные печи топливные, более мелкие могут быть и электрические. Тележки мостовыми кранами разгружаются и далее транспортируются к загрузочному торцу.

Рисунок 3.25 – Схема туннельной печи для отжига:

1 – канал для отвода дыма; 2 – зона подогрева садки; 3 – вагонетки пода; 4 – муфели; 5 - горелки; 6 – зона нагрева; 7 – зона охлаждения

3.7.5 Печи с роликовым «подом» (рольганговые)

Отличительная часть печи – ролики. Если у роликов охлаждаются только цапфа, то t_раб ≤ 950ºС. В этом случае они изготавливаются из Х25Н20С2 и имеют диаметр от 60 мм до 350 мм. Ролики имеют различное устройство (рис. 3.24). Привод роликов может быть групповой или индивидуальный (двухступенчатый червячный). Двигатели постоянного тока. При нагреве толстых листов или рельсов скорость перемещения садки очень маленькая и ролики должны медленно вращаться. Также роликовые печи могут обрабатывать листы толщиной до 50 мм. ТРО – самые крупные термические печи (длина до 260м). Роликовый (рольганговый под) печей является продолжением внешних рольгангов транспортной системы прокатных цехов, поэтому, ТРО широко используется для термообработки проката (толстый лист, рельсы, трубы и др. изделия). Реже печи используются в машиностроении, например, для нагрева под закалку крупных колец подшипников качения.

Рисунок 3.26 – Конструкция роликов с водоохлаждаемыми цапфами (а, б) и водоохлаждаемой осью и теплоизоляцией (в)

(а) 1- горелки; 2-роликовый код; 3-борова; 4-звездочки привода роликов.

Рисунок 3.27 – Печи роликовые ТРО (а) и СРО (б, в)

3.7.6 Карусельные печи (тао)

Электрические используются реже, чаще топливные. Конструктивная особенность – под в виде кольца или диска, при вращении которого детали от загрузочного окна перемещается вместе с подом к разгрузочному окну. Диаметр карусели 2 ÷ 20м. Кольцо выполняется на металлической раме, футеруется огнеупором и ставиться на опорные колеса (6-12), которые перемещаются по кольцевому рельсу. В дисковых печах карусель подвешивается или устанавливается на пятовой опоре. Карусели имеют приводной зубчатый венец и его зацепляют с конической шестерней редуктора. Эти печи используются для всех видов термической обработки, но не ХТО. Они имеют высокий к.п.д., но имеют следующий недостаток: загрузка и выгрузка изделий производится манипулятором или роботом, сжигание топлива может быть только непосредственным (в рабочем пространстве).

Рисунок 3.28 – Конструкции печей с карусельным подом небольшого диаметра (а), большого диаметра (б) и с карусельным сводом (в)

Рисунок 3.28 (б) – 1-турбулентные горелки(изображены внизу слева); 2-песочный затвор(уплотнитель); 3-редуктор привода кода; 4-зубчатый обод на поду печи(вращает под); 5-опорные ролики; 6-центрирующие ролики; 7-загрузочное; 8-выгрузочное окно; 9-канал для отвода дыма.

3.7.7 Барабанные печи

Конструктивная особенность – вся печь, либо реторта в процессе работы вращается, и при этом детали перекатываются по винтовым впадинам и при каждом обороте продвигаются от загрузочного к разгрузочному окну на один шаг винтовых впадин.

Печи приспособлены для шарообразных деталей или по форме приближенных к шару (ролики, шарики, гайки и т.п.). Конструкции печей представлены на рис. 3.29.

Рисунок 3.29 – Конструкции барабанных печей с вращением корпуса печи (а), вращением внутреннего барабана – реторты (б, в) и вращением внутреннего барабана с шнековым транспортером (г)

Рисунок 3.29 (а) - 1-закалочный бак; 2-горелка; 3-зубчатый венец,вращающий печь; 4-винтовые ребра (высткпы внутри барабана), обеспечивающие при вращении барабана перемещение деталей от загрузочного торца печи к выгрузочному.Детали загружаются в бункер 5 через центральное отверстие 6 и выгружаются через отверстие 9, оставленая в барабане.Барабан опирается на 2 пары роликов 7, закрепленных в неподвижной раме, что позволяет вращать его вокруг продольной оси с помощью приводного механизма 8.

На рисунке 3.29 (б) показана печь с внутренним барабаном 3, что обеспечивает перемещение деталей при вращении только этого барабана, а не всей печи.

Печь, показаная на рисунке 3.29 (г), позволяет эукономит топливо или электроэнергию, так как является рекуперативной. В ней детали, загруженные в барабан ретарту 1, подогревается за счет охлождающихся деталей, движущихся на встречу от зоны нагрева 3 к выгрузочному люку.

3.7.8 Печи с пульсирующим подом (сио и сиз)

Конструктивная особенность – помещенный в рабочее пространство лоток корытообразный или трубчатого сечения, который совершает возвратно-поступательные движения. Применяется для некрупных изделий.

Рисунок 3.30 – Продольный разрез печи с пульсирующим Подом

В этой печи детали перемещаются за счет силы энергии. Лоток 7 вместе с деталями движется вперед под действием сжатой пружины 1 и затем резко тормозится специальным буферным устройством. При этом детали на определенный шаг продвигаются вперед. После этого вращающийся кулачковый диск 3 отводит люк 7 назад и сжимает пружину 1 до тех пор, пока упорный ролик не попадает на срез диска 3. При этом лоток получает возможность двигатся вперед до точки резкого торможения. Далее циклы повторяются.

3.7.9 Протяжные печи (спз, спо, тпо)

Печи не имеют собственного механизма для перемещения изделий. Механизмы смонтированы снаружи. Используются для проволоки, узкой и широкой ленты. В линии устанавливают стыкосварочную машину, чтобы обеспечить непрерывность изделия. Печи могут работать с защитной атмосферой. У задающих роликов существуют специальные затворы, которые предотвращают попадание воздуха в печь. Направляющие ролики запаздывают по вращению, чтобы было натяжение полосы. Печи протяжные ставятся в агрегаты, например, для светлого отжига, патентирования.

На рисунке 3.31 а показана блок – схема закалочно ­- отпускного агрегата, где 1 - размоточные бобины проволоки, 2 - закалочная печь, 3 - закалочная ванна, 4 - отпускная печь и 5 - намоточные боббины (барабаны). Стыковочное устройство и ножницы на схеме не показаны. Чтобы увеличить производительность агрегата, проволоку пропускают через него в 16 - 24 параллельных ряда, узкую ленту – в 3-6 рядов, а широкую ленту – 1 ряд.

На рисунке 3.32 показан агрегат, состоящий из 5 камер, отделенными друг от друга специальными стенками. 5 - камера скоростного нагрева, 4 - камера выдержки нагретой ленты, 3 - камера ускоренного охлаждения, 2 - камера замедленного охлаждения, 1- камера окончательного охлаждения.

Рисунок 3.31 – Протяжные печи для термообработки проволоки и узкой ленты

Рисунок 3.32 – Протяжной башенный агрегат с зигзагообразными движением широкой стальной ленты для светлого рекристаллизационного отжига

3.7.10 Печи с шагающими балками (тюо, тюз)

Крупные печи используются для нагрева заготовок под прокатку (блюмы, слябы), также могут греть сортовой прокат. Используется система подвижных и неподвижных балок. Последние держат изделия над подом, в связи с чем идет равномерный нагрев снизу, сверху и если надо с боков.

Конструктивная особенность – в рабочем пространстве устанавливают балки, которые совершают циклические движения по кругу или прямоугольнику. Изделия подвижными балками при первом цикле приподымаются над подом или над стационарной балкой и переносятся на шаг вперед. Движение балок зависит от привода, - по кругу и эллипсу - кулачковый механизм, по прямоугольнику – две системы гидроцилиндров, одна вертикальная, а другая – вперед назад. В старых конструкциях балки размещались по всей длине пода в щелях. Их необходимо уплотнять масляными затворами. В настоящее время делают балки рамные. Рама изготавливается из трубных заготовок и по трубам циркулирует вода для охлаждения. Так как балка находится в рабочем пространстве, то используются водоохлаждаемые трубы. Если они не теплоизолированы, то будут уносить много тепла, поэтому их делают с теплоизоляцией жаростойким волокнистым материалом. Стационарные балки делаются на подине (выступы с различными окнами). Чтобы укрепить гребень балки на ней укладывают брусья из жаростойкой стали.

Рисунок 3.33 – Поперечный разрез печей с шагающими

балками

На рисунке 3.33 а, 1 - стационарный под печи в продольных щелях которого установлены теплоизолированные сверху две пары качающихся балок 2. Чтобы предотвратить подсос холодного воздуха в рабочее пространство на каждой балке установлен гидравлический затвор 3. На рисунке 3.33. б приведена схема печи, весь под которой состоит из качающихся балок.

3.8 Печи – ванны

Конструктивная особенность – наличие рабочего пространства, заполненного жидкой (масла) или расплавленной средой.

Рабочие температуры разные от 150 до 1300º С. Тигли печей – ванн изготавливаются из особо жаростойкой стали. Одно вещество не может обеспечить весь диапазон температур, поэтому используются различные соли. Низкотемпературные ванны – соли щелочных металлов (азотисто- и азотистокислых). Для закалочных печей – ванн используются щелочи (NaOH, KOH) и их смеси. Для среднетемпературных – смеси хлористых солей, для 900-950 ºС - хлористый натрий, а до 1300 ºС - BaCl₂.Чтобы выбрать состав соли нужно пользоваться справочниками.

В ваннах с «кипящим» (псевдокипящим) слоем используется среда в виде воздушной суспензии, т.е. в газовой среде взвешены и бурлят («кипят») мелкие твердые частицы, они огнеупорные. Такая среда, в которой взвешены частицы, обеспечивает быстрый нагрев изделий, как и соляные расплавы. Печи – ванны – устройства периодического действия. По ряду признаков ванны классифицируются:

1. По способу передачи тепла в ванне:

• с внешним обогревом;

• с внутренним обогревом;

• электродные;

• с кипящим слоем.

Печи – ванны имеют стенки с огнеупорной и тепловой изоляцией. Ванны могут быть тигельные и бестигельные. Тигель - металлическая емкость, изготавливаемая литьем из жаростойкой стали, иногда из жаростойкого чугуна.

3.8.1 Печь – ванна с внешним обогревом

Могут быть топливные и электрические. Используются тигельные печи. Детали в расплав помещают либо в корзинах, либо на подвесках. Преимущество по скорости нагрева теряется с увеличением массивности нагреваемых изделий. Типовая конструкция приведена на рис. 3.34.

Рисунок 3.34 – Конструкция крупной топливной печи-ванны с внешним обогревом с нижней топкой (а) и боковой топкой (б)

На рисунке 3.34 а показана конструкция большой ванны 2 прямоугольного сечения, отапливаемой горелкой 4, расположенной в нижней точке. Продукты сгорания поднимаются по торцевой стенке 3 тигля, изолированного от перегрева кирпичной кладкой. Далее горячие продукты горения попадают в боковые пазухи, омывают боковые стенки тигля 6 и противоположную торцевую стенку и отводятся в боров 1.

3.8.2 Печи с внутренним обогревом

Могут быть как тигельные, так и бестигельные. Если трубы нагреть до высокой температуры, то в расплаве трубы быстро карродируют и проедаются. Поэтому эти печи используются при низких и средних температурах. На рис. 3.35 показаны печи-ванны с внутренним обогревом трубами газовыми (а) и электрическими (б).

Рисунок 3.35 – Ванны с внутренним обогревом:

а – топливная; б – электрическая

3.8.3 Электродные печи – ванны

Расплав является электролитом, т.е. жидкостью проводящей электрический ток. К электродам подводят переменное напряжение. При прохождении тока через расплав соли между электродами выделяется джоуливая теплота. Если бы при этом не действовал механизм спонтанного перемешивания соли, то ванна была бы с очень неравномерной температурой. Вокруг электродов возникает магнитный поток, который пересекает участок соли между электродами. Наиболее горячий расплав перемешивается и обеспечивает равномерный нагрев. Печи – ванны оснащаются большим понижающим трансформатором – это недостаток печей. Трансформатор должен быть ступенчатым, чтобы менять напряжение. Имеет большие размеры и высокую стоимость. Несмотря на это эти печи – ванны используются наиболее широко.

Рисунок 3.36 – Электродные печи-ванны:

а – схема электромагнитного перемешивания;

б – типовая конструкция 2-х электродной ванны с вытяжным зонтом; в – схема включения 6-ти электродной (3-х фазной) ванны; г - глубокая ванна с расположением электродов в 3 яруса

3.8.4 Печи-ванны с псевдокипящим слоем

Не имеют жидкой среды, а имеют бурлящую среду, представляющую собой суспензию мелких твердых частиц в газовой среде. Теплопередача такая же, как и в классических ваннах, т.е. коэффициент теплоотдачи в 4-5 раз больше, чем в газовых или электрических печах. Используются для нагрева под закалку инструмента, других мелких деталей. Внутреннее теплосопротивление небольшое. Реже используется для нормализации, ХТО (цементации (t = 940^±10ºC) и нитроцементации(t = 860^±10ºC)). В кипящем слое создают углеродный потенциал атмосферы в 2-3 раза более высокий, чем в печах. Цементующий компонент метан. В этих печах нет опасности образования сажи на поверхности, так как частички суспензии ее счищают. Конструкция печи-ванны, используемой для цементации и других операций показана на рис. 3.37.

Рисунок 3.37 – Печь-ванна с псевдокипящим слоем и вторичным подводом воздуха:

1 – колпаковая решетка; 2 – рабочая камера;

3 – трубопровод пода и вторичного воздуха;

4 – отстойная зона; 5 – дымоотвод; 6 – рабочее окно

34