Соколов К.Н. Оборудование термических цехов

Подождите немного. Документ загружается.

ББК

34.651—5я73

С59

УДК

621.78.002.5

Оборудование термических цехов. Соколов К- Н. — 2-е изд., пе-

рераб. и доп. — Киев; Донецк: Вшца школа. Головное изд-во,

1984.—

328 с.

В учебном пособии рассмотрены классификация и основные элемен-

ты современных конструкций термических печей периодического и непре-

рывного действия, печей-ванн и нагревательных установок. Описывается

дополнительное и вспомогательное оборудование для охлаждения

дета-

лей и механизированные поточные линии для термической обработки из-

делий. Даны примеры тепловых расчетов печей, нагревательных и

охла-

дительных установок.

По

сравнению с первым, второе издание дополнено описанием пото-

чных агрегатов, вакуумных устройств, коммуникаций, межоперационно-

го транспорта, эксплуатации оборудования. Остальной материал сущест-

венно

переработан.

Норматизные документы приведены по состоянию на

01.01.82.

Для студентов металлургических и машиностроительных вузов.

Книга

может быть использована инженерно-техническими работниками,

связанными

с работой печей, нагревательных установок и термической

обработкой изделий.

Табл. 64. Ил. 257. Библиогр.: 104 назв.

Рецензент:

кафедра термической обработки Днепропетровского

металлургического института (зав. кафедрой д.-р техн. наук И. Е. Дол-

женков)

Редакция

Головного издательства при Донецком государственном

университете

Зав.

редакцией М. X.

Тахтаров

2704070000—106

213—83

М2И(04)—84

Издательское объединение

«Вища школа», 1984

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящая

книга представляет собой учебное пособие

для студентов технических вузов, обучающихся по специаль-

ности

0407

«Металловедение, оборудование и технология

термической обработки металлов». В учебном пособии рас-

сматривается один из разделов специального курса, завер-

шающего подготовку инженеров. В соответствии с програм-

мой

книга состоит из введения и двенадцати глав. В первой

главе даны классификация и основные элементы нагрева-

тельных устройств; описаны способы отопления и теплотех-

нические

конструкции термических печей, выбор их внут-

ренних

размеров, материалов кладки, особенности теплового

расчета и устройство горелок, форсунок и нагревательных

элементов.

Во второй, третьей и четвертой

главах

приводятся кон-

струкции камерных печей периодического и непрерывного

действия и печей-ванн. Наряду с описанием типовых пла-

менных термических печей конструкций Теплопроекта,

Стальпроекта и электрических печей конструкции Всесоюз-

ного научно-исследовательского института электротермиче-

ского оборудования (ВНИИЭТО) рассматриваются вариан-

ты оригинальных и перспективных конструкций.

В пятой главе рассматриваются нагревательные

уста-

новки,

включая нагрев плазмой, электронным лучом, лучом

лазера. В шестой и седьмой

главах

описано оборудование,

используемое для охлаждения, поточные линии и агрегаты

для термической обработки деталей. Вспомогательное и до-

полнительное оборудование, применяемое с целью получе-

ния

контролируемых атмосфер, создания вакуума, очистки

деталей от окалины и дробеструйного наклепа, правки, за-

чистки

пороков, рассматривается в восьмой главе.

В девятой главе дана характеристика приборов, приме-

няемых для цехового контроля качества деталей. Коммуни-

кации

термического цеха (трубопроводы и борова), подъ-

емно-транспортное оборудование, загрузочные бункеры,

магазины-накопители

описаны в десятой и одиннадцатой

главах.

В двенадцатой главе приводятся данные по эксплу-

атации и ремонту печей.

В книге особое внимание уделяется вопросам механиза-

ции

и автоматизации печей-и оборудования.

В новое издание учебного пособия введены такие подра-

зделы: поточные линии и агрегаты, вакуумные печи и

устройства, методы управления составами контролируемых

атмосфер, межоперационные конвейеры, устройство и рас-

чет трубопроводов и боровов. Существенно переработаны и

дополнены главы, в которых рассматриваются классифика-

ция

и основные элементы нагревательных устройств, печи-

ванны,

конструкции нагревательных установок, оборудова-

ние

для охлаждения, контролируемые атмосферы и др.

Наряду с лекционным курсом программой предусматри-

ваются практические занятия. Поэтому в учебном пособии

приводятся расчеты теплового баланса термической печи;

электрических нагревательных элементов; установок непо-

средственно электронагрева, индукционного нагрева (т.в.ч.);

тепловые расчеты баков и маслоохладительных установок.

Овладение указанными расчетами поможет студентам при

курсовом проектировании.

Автор

выражает благодарность сотрудникам кафедры

термической обработки Днепропетровского металлургиче-

ского института (зав. кафедрой

проф.,

д-р техн. наук

И.

Е. Долженков) за рецензирование книги и ценные сове-

ты, а также В. И. Коротичу за помощь при оформлении ру-

кописи.

Отзывы и пожелания просьба направлять по

адресу:

Киев-54, Гоголевская, 7. Головное издательство издатель-

ского объединения «Вища школа».

ВВЕДЕНИЕ

На

XXVI

съезде

КПСС

отмечалось,

что в

развитии металлургии,

одновременно

ростом производства металла,

еще

решительнее

будет

проводиться линия

на

коренное улучшение качества металла, увеличе-

ние

выпуска эффективных видов металлопродукции.

решении этой

задачи термическая обработка является одним

из

важных факторов

поэтому

она

широко используется

производстве металлических изде-

лий

полуфабрикатов.

По

прогнозу

на

2000

г.

намечается интенсивный рост выпуска

тер-

мически

обрабатываемого металла:

по

отношению

к 1980 г.

планиру-

ется увеличение

три—четыре раза.

В основе термической обработки металлов лежат процессы нагрева

охлаждения. Поэтому печи, нагревательные

охладительные устрой-

ства составляют основное оборудование термических цехов.

Начало печной теплотехники относится

к XVIII в.,

когда

М. В. Ло-

моносов

своем

труде

«Начала

металлургии»

изложил основные

прин-

ципы

работы самодувных печей.

В 1836 г. Н. М.

Меркуловым,

затем

П.

Аносовым построены первые отжигательные печи

обращенным

ходом пламени.

С. Г.

Лукашевич

и И. И.

Свиязев разработали элемен-

ты механики газов

при их

движении

печах. Большая

заслуга

в об-

ласти развития печной теплотехники

конструирования печей принад-

лежит

В. Е.

Грум-Гржимайло, который создал теорию печей, применив

законы

гидравлики

движению газов

в них.

Однако

печах, построен-

ных

на

основе применения принципов гидравлической теории, скорости

движения газов были незначительными, грели

они

медленно.

Большую роль

интенсификации работы нагревательных печей

создании

новой теории печей сыграли

труды

Н. Н.

Доброхотова, кото-

рый

впервые указал

на

тесную взаимосвязь теплопередачи

движением

газов. Советская школа

М. В.

Кирпичева предложила новый метод

ис-

следования печей

на

моделях.

Это

значительно упростило анализ

ра-

боты печей

помогло выбору наиболее эффективных конструкций.

В настоящее время методы моделирования

подобия широко применя-

ются

теплотехнике.

В создании электрических печей

нагревательных аппаратов

при-

оритет принадлежит русским ученым

инженерам.

В. В.

Петров открыл

световое

тепловое действие электрического тока, положил начало

изу-

чению электрического нагрева.

1906—1907

гг. А. Н.

Лодыгин создал

ряд конструкций электрических печей

для

переплава

термической

об-

работки металлов.

В 1911 г. А. И.

Дегтярев разработал

ввел

в экс-

плуатацию первую

мировой практике промышленную печь сопротив-

ления

металлическими нагревателями мощностью

20 кВт. В

1913-—

1914

гг. на

Путиловском заводе

А. Н.

Королевым была построена

про-

мышленная

электрическая печь сопротивления

для

нагрева

под

закалку

артиллерийских снарядов,

а в 1916 г.

такие печи использовались

на

ряде

заводов

для

нагрева крупных пушечных деталей.

Для разработки конструкций электрических печей

электротерми-

ческого оборудования создан

ряд

проектных организаций

печестрои-

тельных заводов. Большая работа проводится

по

унификации печного

агрегатного оборудования,

их

узлов

деталей,

что

позволит резко

уменьшить объем работ по проектированию, снизить стоимость изго-

товления и длительность освоения в производстве.

Строительство электрических печей сопротивления в Западной Евро-

пе и Америке началось позднее, но развивалось быстрыми темпами.

Отечественное печестроение значительно усовершенствовалось в свя-

зи

с развитием массового производства специальных машин. Возросшие

требования к точности и стабильности

результатов

обработки деталей

предопределили широкое внедрение в термических

цехах

механизиро-

ванного и автоматизированного оборудования.

Применение

автоматизированных печей, поточных линий и

агрегатов

позволяет повысить эффективность производства: увеличить производи-

тельность

труда

и оборудования; достичь стабильности и точности вы-

полнения

технологических процессов; сократить количество рабочих и

необходимых площадей; упростить планирование производства. Однако

пока

у нас

отсутствуют

специализированные фирмы по изготовлению

пламенных печей, поэтому заводы-потребители строят печи собствен-

•- ными силами.

•, Большой вклад в развитие современных конструкций печей и разра-

ботку отдельных вопросов теории печной теплотехники внесли

у Н. А. Минкевич, Н. Н. Доброхотов, М. А. Глинков, В. Ф. Копытов и

:•- зарубежные ученые В. Тринкс, П. Пашкис, М. Моугиней, ряд проект-

ных организаций и печестроительных фирм.

1930-—1936

гг. советскими учеными разработаны принципиально

новые методы нагрева с использованием теплового действия электриче-

ского тока. В

1930—1932

гг. Н. В. Гевелинг использовал способ контакт-

• . ного электронагрева для поверхностной закалки стальных изделий.

В 1935 г. в лаборатории Ленинградского электротехнического институ-

•• ' та под руководством В. П. Вологдина разработали

метод

поверхност-

- " ной закалки изделий с применением токов высокой частоты (т. в. ч.)..

В 1936 г. на заводе

«Светлана»

начали применять индукционный нагрев

для целей термообработки.

, •; Дальнейшие исследования Г. И. Бабата, М. Г. Лозинского, И. Н. 1\и-

дина, К- 3. Шепеляковского, Всесоюзного научно-исследовательского

• института токов высокой частоты (ВНИИТВЧ), Всесоюзного научно-

исследовательского института электротермического оборудования

•

(ВНИИЭТО),

завода

«Светлана»,

ЗИЛ, УЗТМ, ЧТЗ и др. позволили

: широко внедрить поверхностную закалку т. в. ч. в производство. Значи-

тельный вклад в теорию индукционного нагрева токами промышленной

• •- частоты и внедрение его в производство внес Н. М. Родигин. Способ

нагрева в электролитах разработан И. 3. Ясногородским, который на-

чал свои исследования еще в 1938 г. и

довел

их до промышленного

внедрения.

В настоящее время разрабатываются и внедряются в про-

изводство станки-автоматы для поверхностной закалки в электролитах

разнообразных деталей.

' Применение индукционного нагрева для поверхностной закалки в

ближайшие

10—20

лет значительно расширится, причем

будут

исполь-

зоваться токи средних частот.

В последнее время созданы новые методы нагрева лучами лазера,

:-.. электронной пушкой, низкотемпературной плазмой.

-•-.'. В

СССР

выпускается ряд установок с лазерными твердотельными и

газовыми оптическими квантовыми генераторами (ОКХ). Для нагрева

при

термической обработке используются потоки малой плотности

(10

—10

Вт/см

). С помощью О КГ можно нагревать изделия сложной

.\ формы, отражая и преломляя луч зеркалами.

Электронно-лучевой нагрев используют для поверхностной закалки

зубьев

шестерен, узких пазов колец и изделий сложной формы. В этом

случае

расходуется

намного меньше энергии по сравнению с другими

методами нагрева. Наша промышленность выпускает электронные

уста-

новки

мощностью до 500 кВт.

Указанные методы нагрева используются в термической обработке

пока

недостаточно широко. Это объясняется отсутствием надлежащей

аппаратуры и тем, что получаемые температуры намного превышают

необходимые. Однако предполагают, что к

2000

г. с помощью лазерно-

го и электронного нагрева

будет

обрабатываться до 5 %•

всех

проходя-

щих термообработку металлов и сплавов.

Параллельно с совершенствованием конструкций печей и нагрева-

тельных аппаратов механизируются закалочные баки, закалочные ма-

шины

и вспомогательное оборудование для удаления окалины, правки

деталей, отрезки образцов. Широкое применение получают дробеструй-

ные

аппараты для очистки деталей от окалины, а также для упрочнения

поверхности деталей, агрегаты для обработки холодом и получения

контролируемых атмосфер. В совершенствовании конструкций устано-

вок

для получения контролируемых атмосфер и внедрении их в про-

мышленность много сделали А. А. Шмыков, В. Ф. Копытов, а также

сотрудники

ВНИИЭТО,

Стальпроекта и ряда

других

организаций.

Применение

контролируемых атмосфер и вакуума при проведении

термической обработки в дальнейшем получит значительное распрост-

ранение,

а объем термической обработки в атмосфере

воздуха

сокра-

тится.

Таким образом, в

2000

г. в контролируемой атмосфере и

вакууме

будет

нагреваться около половины всего термически обрабатываемого

металла.

При

проектировании оборудования термических цехов основное вни-

мание

должно уделяться внедрению технологии, повышающей качество

выпускаемой продукции и ускоряющей цикл термической обработки,

связи с чем необходимо систематически совершенствовать оборудова-

ние,

механизировать и автоматизировать процессы, создавая поточные

линии.

Это позволит не только улучшить качество продукции, но и зна-

чительно повысить производительность и облегчить

труд

рабочих.

Непрерывное

вовершенствование технологических процессов, обору-

дования

и внедрение наиболее прогрессивных методов производства —

характерные черты социалистической промышленности.

КЛАССИФИКАЦИЯ

И ОСНОВНЫЕ

ЭЛЕМЕНТЫ

НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

Нагрев при термической обработке

может проводиться в печах, ваннах или

специальных установках и аппара-

тах. Современные нагревательные уст-

ройства наряду с высокой производи-

тельностью и большим к. п. д. должны

иметь малый

расход

топлива или элек-

троэнергии на единицу продукции,

быть надежными в эксплуатации при

высоком уровне механизации и авто-

матизации

работы.

Приступая к конструированию пе-

чей и нагревательных аппаратов, не-

обходимо выбрать: способы отопления,

механизацию загрузки, выгрузки и дви-

жения

деталей; конструкцию и разме-

ры рабочего пространства, обеспечива-

ющие

лучшую

передачу тепла деталям;

строение и материалы кладки печи,

позволяющие уменьшить потери тепла

окружающее пространство.

В данной.главе приводятся класси-

фикация

нагревательных устройств и

обоснование выбора топлива, описаны

теплотехнические конструкции печей и

ванн

(табл. 1.1).

1.1.

КЛАССИФИКАЦИЯ

НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ

ОБРАБОТКИ

Основными

нагревательными уст-

ройствами для термической обработки

являются печи, ванны и нагреватель-

ные

установки.

Классификацию

термических

печей

целесообразно проводить по трем ос-

новным

признакам:

технологическому назначению;

способам механизации загрузки,

выгрузки и движения деталей в печи;

источнику тепловой энергии и спо-

собу передачи тепла деталям (тепло-

технической конструкции).

По

технологическому

назначению

печи для термической обработки

могут

быть отжигательными, нормализаци-

онными,

закалочными, отпускными, це-

ментационными,

азотировочными и

т. п. В большинстве случаев один и тот

же процесс термообработки соверша-

ется в печах неодинаковых конструк-

ций

и, наоборот, одна печь часто слу-

жит для разных операций термообра-

ботки,

например для нагрева под за-

калку, нормализацию, высокий отпуск.

При

выборе технологического процес-

са термообработки необходимо учиты-

вать температуру нагрева, точность ее

регулирования, равномерность нагрева

по

величине садки и возможность при-

менения

контролируемой атмосферы.

Определяющими факторами при'

выборе конструкции термических печей

являются

способы

механизации

загруз-

ки,

выгрузки

движения

деталей

в пе-

чи,

которые в свою очередь зависят от

характера производства. При единич-

ном

производстве термической обра-

ботке подвергается большое число де-

талей, различных по форме, размерам

марке сплава.., В этом

случае

наибо-

лее пригодны универсальные камерные

печи периодического действия.

Камерные

печи

периодического

дей-

ствия

могут

быть:

с неподвижным подом и внешней

механизацией загрузки;

с выдвижным подом;

колпаковыми;

ямными

со съемным сводом;

вертикальными, шахтными;

элеваторными (с подъемным по-

дом);

с передвижной камерой;

двухкамерными или многокамер-

ными.

При

массовом производстве по од-

ному режиму обрабатывается значи-

тельное количество одинаковых или

однотипных деталей. В этом

случае

используют специализированные печи

поточного производства увеличенной

длины.

Перемещение деталей в них

механизировано.

Печи

поточного

производства

непре-

рывного

действия

выполняются:

с наклонным подом (при движении

деталей под действием силы тяжести);

толкательные;

с подвижным подом (конвейерные,

туннельные, роликовые, с шагающими

Таблица 1.1. Классификация нагревательных устройств

балками,

с вибрирующим пбДом, кару-

сельные);

барабанными;

протяжными.

Автоматизация и механизация ус-

ложняют постройку печей и нагрева-

тельных устройств и увеличивают их

стоимость, но при этом обеспечивают-

ся

большая надежность и точность со-

блюдения технологического процесса,

резко

сокращаются расходы по зар-

плате и в конечном итоге быстро оку-

паются производственные затраты. По-

этому при массовом производстве

целесообразно создавать поточные аг-

регаты и комплексные поточные авто-

матические линии.

По

источнику

тепловой

энергии

нагревательные устройства для терми-

ческой обработки разделяются на пла-

менные,

электрические и печи аэроди-

намического подогрева (ПАП). В по-

следних используется энергия, выделя-

ющаяся

результате

трения и местных

сопротивлений

воздуха

или газа, дви-

жущегося с высокими скоростями.

Способ

передачи

тепла

деталям

определяется температурным режимом

печи и устройством рабочей камеры.

В камерных печах температурный ре-

жим поддерживается постоянным по

всему рабочему пространству, но мо-

жет меняться во времени,, например

при

операциях отжига, загрузки новой

партии

деталей и т. п.

В печах непрерывного действия

температурный режим постоянен во

времени,

но может меняться по длине.

По

температурному

режиму

печи

непрерывного действия можно подраз-

делять на печи с постоянной темпера-

турой, методические, скоростного на-

грева, рекуперативные (с использова-

нием

тепла, выделяемого охлаждаемым

металлом).

Печи

с постоянной темпе-

ратурой аналогично камерным име-

ют примерно одинаковую температуру

по

всей длине, а топки, горелки или на-

гревательные элементы распределяют-

ся

в них равномерно. Основное пре-

имущество таких печей по сравнению

с камерными состоит в том, что дви-

жение деталей в них механизировано.

Температура печи для термической об-

работки обычно на

30—50

°С выше ко-

нечной

температуры нагрева металла.

В методических печах де-

тали нагреваются постепенно, методи-

чески.

Для подогрева холодных

дета-

лей используется тепло отходящих

газов. Топки, горелки, форсунки сосре-

доточиваются на разгрузочной стороне

печи.

Температура деталей или загото-

вок,

которые движутся навстречу по-

току печных газов от места загрузки

месту выдачи, увеличивается.

Методические печи

могут

быть

двух-

или трехзонными. В конце по-

следних имеется специальная камера

выдержки, в которой температура под-

держивается постоянной. Это позволя-

ет выравнивать ее по сечению деталей.

Методические печи используются лишь

при

необходимости медленного подо-

грева деталей. В большинстве печи для

термической обработки имеют невысо-

,'. кую температуру {не выше

900—

•"- 1000 °С) и посадку деталей в них мож-

.-:../

но производить сразу в рабочую зону.

,V Поэтому в термических

цехах

целе-

сообразнее применять печи с одинако-

вой

температурой, используя тепло от-

• ••.-:

ходящих газов в рекуператорах.

/-•'

В печах скоростного на-

-;/

грев а детали подвергаются быстро-

му му нагреву. В этом

случае

тонкие де-

X" тали целесообразнее нагревать в печах

температурой па

150—200

°С выше

конечной температуры, точно регули-

руя время пребывания их в печи. Это

."-

достигается полной автоматизацией

•

. движения деталей. При нагреве мас-

сивных деталей температуру повышают

'••';'

в начале печи, а когда поверхность де-

талей прогреется до заданной темпе-

. ратуры, ее снижают.

В пламенных печах скоростного

нагрева для получения высокой темпе-

ратуры и повышения к. п. д. применя-

ют рекуператоры, в которых тепло от-

ходящих газов используется для подо-

грева

воздуха,

идущего на горение.

Рекуперативные печи при-

меняются

при отжиге, когда детали

подвергаются нагреву, выдержке и ох-

:''';

лаждению. В этом

случае

они

движут-

ся

по печи несколькими параллель-

, '•

ными рядами или двумя (один над

другим) встречными потоками. Тепло,

'".,

. выделяемое охлаждающимся метал-

•

; лом, используется для подогрева вновь

' посаженных деталей. В рекуператив-

ных печах расходуется минимальное

••

, количество топлива или электроэнер-

гии, они имеют высокий к. п. д. От ре-

куперативных печей

следует

отличать

-,й печи, снабженные рекуператором, ко-

;•

торый позволяет использовать тепло,

-."

уносимое дымовыми газами.

По

устройству

рабочей

камеры

(теплотехнической конструкции) печи

для термической обработки подразде-

ляются на печи:

отдельными камерами сжигания

топлива;

непосредственным отоплением;

косвенной передачей тепла через

стенку муфеля (муфельные печи).

Печи

с отдельными каме-

рами

(топками) применяются при

сжигании

твердого и жидкого топлива

целью получений более полного го-

рения

и равномерного распределения

тепла по объему печи. Топка по отно-

шению

к рабочему пространству печи

может быть расположена

сверху,

сбо-

ку, снизу рабочей камеры и отдельно

(выносная).

Печи

с непосредственным

отоплением

работают на газовом

топливе.

В них

отсутствует

специаль-

ная

камера сгорания, а газ и

воздух

смешиваются в горелках. Последние

можно

вводить непосредственно в ра-

бочее пространство печи. Равномер-

ность

нагрева деталей достигается

результате правильного распределе-

ния

горелок по высоте и длине рабоче-

го пространства и создания необходи-

мого направления факела. В печах, ра-

ботающих при низких температурах

нагрева, отдельные топки . устраивают

случае

газового отопления, соблю-

дая принцип циркуляции и рециркуля-

ции

продуктов сгорания.

В электрических печах сопротивле-

ния

садка нагревается лучеиспускани-

ем непосредственно от нагревательных

элементов.

Последние

могут

распола-

гаться па боковых стенках, поде и сво-

де печи. При температуре печи до

1200 °С применяются металлические

нагревательные элементы в виде ленты

или

проволоки, изготовленные из спла-

вов омического сопротивления. В слу-

чае температур печи более 1300 °С ис-

пользуются неметаллические нагрева-

тельные элементы в виде стержней из

карбида кремния или дисилицида мо-

либдена (последние чаще имеют U-об-

разную форму).

В печах с низкой температурой теп-

ло деталям передается в основном кон-

векцией.

Коэффициент теплопередачи

конвекцией

может быть повышен в ре-

зультате

создания высоких скоростей

движения

в печи специальной атмосфе-

ры

или нагретого

воздуха.

Принудительная

циркуляция в элек-

трических печах с температурой 500 °С

позволяет сократить время нагрева в

два раза, а в печах с температурой

200 °С в пять раз. Циркуляция созда-