Околович Г.А. Нагрев и нагревательные устройства

Подождите немного. Документ загружается.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1 Какие газы окисляют железо?

2 Что такое обезуглероживание стали?

3 Чем характеризуется перегрев стали?

4 Что такое пережог стали?

5 Способы защиты стали от окисления и обезуглероживания?

6 Какие напряжения возникают в заготовках при их быстром

нагреве?

7 Как устанавливаются границы между тонкими и массивными те

лами при расчете нагрева?

8 Какие режимы устанавливаются в печах для нагрева тонких и

массивных изделий?

9 Как определить продолжительность нагрева заготовки?

10 Назначение предварительной и окончательной термической

обработки.

11 Охлаждение поковок.

12 Противофлокенная обработка - назначение и режимы.

13 Режимы предварительной и окончательной термической

обработки поковок.

14 Физические основы термомеханической

обработки.

15 Режимы ВТМО и НТМО.

ГЛАВА 6 НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

В кузнечно-штамповочных цехах для нагрева металла под ковку

и штамповку применяют кузнечные горны и нагревательные печи

различных конструкций. Выбор типа печей зависит от вида топлива,

характера производства, состава материала, размера и форм нагре-

ваемых заготовок.

При выборе нагревательных печей надо

учитывать массу

слитков и заготовок, а также темп и серийность производства

поковок в кузнечных цехах.

Для нагрева заготовок перед ковкой применяют

преимущественно печи: для мелких и средних заготовок из

углеродистой стали - камерные щелевые печи, для легированных

стальных заготовок - камерные и двухкамерные печи с

периодической поперечной загрузкой каждой камеры или с

последовательной

их загрузкой. Большое распространение получили

механизированные печи (конвейерные и с толкателями), а также

полуметодические (с укороченной камерой подогрева металла).

Индукционный электронагрев токами высокой частоты

используют для заготовок диаметром до 200 мм.

По режиму нагрева различают камерные и методические печи. В

рабочем пространстве камерной печи температура одинакова. В

методической печи температура специально изменяется по длине

печи.

По способу загрузки и выгрузки различают печи периодического

действия, например камерную, металл загружается и

выдается через

одно рабочее окно. Металл во время нагрева остается неподвижным.

В непрерывных печах металл в процессе нагрева передвигается от

места загрузки к месту выдачи различными способами:

проталкивается вдоль печи толкателем, перекатывается по

наклонному поду, передвигается роликами, протягивается тянущими

устройствами и т.д.

6.1 Подразделение пламенных печей

Пламенные печи подразделяются:

а) по виду применяемого топлива - на печи, отапливаемые газо-

образным, жидким или твердым топливом;

б) по способу использования теплоты отходящих газов - на ре-

куперативные и регенеративные печи.

В качестве газообразного топлива применяют природный и ис-

кусственные газы. Искусственный газ получается из твердого

топлива (генераторный, светильный) и является продуктом

металлургического производства (коксовальный

, доменный газ). Для

сжигания газообразного топлива применяют горелки. В качестве

жидкого топлива используют мазут. Для сжигания мазута

применяют форсунки высокого (10-60 Па) и низкого (0,1-0,3 Па)

давления. Твердое топливо (каменный уголь, антрацит и кокс)

сжигают на колосниковых решетках в топке печи или в горелках

после предварительного размола.

Основными элементами камерных пламенных печей

являются

каркас, футеровка, дымоходы, теплообменные аппараты. Каркас

состоит из кожуха, изготовленного из листовой стали (рисунок 42а),

облицовочных рам 1, вертикальных и горизонтальных стоек 5,6. К

каркасу крепят заслонку 3 для рабочих окон, подъемные механизмы

4 с грузом 8, плиты для горелок (форсунок) и рабочий стол 2. Для

облегчения подъема заслонки на каркас устанавливают

пневматические цилиндры, управление

подъемом заслонки выводят

в удобное для нагревальщика место.

Главной частью печи является рабочее пространство, образу-

ющееся футеровкой. На рисунке 42б показаны элементы футеровки

печи. Она состоит из пода 1 - нижней части печи, на которой

размещают нагреваемые заготовки; свода 6 - верхней части печи, -

передней 4 стенки печи с рабочим окном 3, двух боковых 2 и задней

стенки 7. В стенках печи предусматривают отверстия для

горелок 5,

термопар, дымоходов и рабочих окон. Материалом для футеровки

служит огнеупорный и теплоизоляционный кирпич. Футеровку

выполняют из внешней и внутренней кладки. Внешняя кладка

стенок печи служит для уменьшения потерь теплоты и ее выполняют

из тепло изоляционного кирпича. Внутренняя кладка стенок печи

испытывает постоянное и прямое воздействие горючих газов и ее

выполняют

из огнеупорного кирпича. Под печи испытывает

давление и удары от нагреваемых заготовок - его выкладывают из

высокопрочного огнеупорного кирпича или плит. Свод быстро

нагревается горючими газами и излучает теплоту на нагреваемые

заготовки. Свод выкладывают из фасонного огнеупорного кирпича.

Кирпичи тщательно пригоняют друг к другу для предупреждения

выбивания наружу горючих газов. С

наружной стороны свод

засыпают крошкой из теплоизоляционного кирпича.

Дымоходы в нагревательных печах служат для отвода

отработанных газов из рабочего пространства печи в дымовую трубу

или под зонт печи. Дымоходы строят главным образом в стенках

больших стационарных нагревательных печей. В небольших печах

продукты горения отводятся через рабочее окно под вытяжкой зонт

или

непосредственно в атмосферу цеха.

С целью повышения температуры горения топлива (это

повышает КПД печи) воздух, подаваемый в печь, подогревают в

теплообменных аппаратах (регенераторах или рекуператорах). В

рекуператорах холодный воздух пропускается по трубам,

омывающимся внутри (рисунок 43) или снаружи горячими

отработанными газами. Если рекуператоры непрерывного действия,

то регенераторы периодического. Для повышения произво-

дительности труда нескольких камерных печей монтируют в один

каркас, т.е. получается многокамерная печь с горизонтальным

расположением камер. В двухкамерных печах одну камеру можно

использовать для подогрева заготовок, а другую для окончательного

нагрева.

В методических печах происходит равномерный нагрев

заготовок по сечению благодаря тому, что температура печи

постепенно возрастает от загрузочного

окна к камере.

Методические печи работают на газе, мазуте. Схема

методической печи дана на рисунке 44. Каркас печи 4 выполнен из

листовой стали и скреплен швеллерами. Стенки печи, под и свод

выполнены из кирпича 6 аналогично камерной печи. Рабочее

пространство состоит из камеры 7 подогрева, и камеры 5

окончательного нагрева металла.

Применяют и трехзонные печи, где заготовка

проходит три

стадии нагрева: подогрев, нагрев до заданной температуры и

выдержку при высокой температуре. Заготовки 9 укладываются на

рабочий стол 11 и при помощи толкателя 10 проталкиваются в печь

по направляющим трубам 1, которые охлаждаются водой.

Рисунок 42 - Камерная пламенная печь

Рисунок - 43 Рекуператор

Рисунок - 44 Схема методической печи

По мере подогрева заготовок они продвигаются в глубь печи

разгрузочному окну 2. В камере окончательного нагрева 5 заготовки

нагреваются до заданной температуры. Выдача нагретых заготовок

происходит через разгрузочное окно. Горелки 3 установлены в

торцевой части печи и по боковым стенкам. Продукты горения отво-

дятся через дымоход 8. Для подогрева

воздуха печи снабжены

рекуператорами.

Методические печи применяют в крупносерийном и массовом

производстве.

Скоростной нагрев металла. Для повышения

производительности кузнечных печей, уменьшения угара и

обезуглероживания применяют скоростной нагрев металла,

основными особенностями которого являются повышение

температуры рабочего пространства до 1400-1500

C и обеспечение

всестороннего обогрева заготовок.

На рисунке 45 показана газовая печь для скоростного нагрева

коротких заготовок круглого сечения. Заготовки 3 перекатываются

по двум направляющим 4, приваренным к трубам 2, охлаждаемым

водой. В верхней и нижней части рабочего пространства

расположены горелки 1 и 6. Для подогрева воздуха печь

оборудована рекуператором, от которого воздух по каналу 5

поступает в

горелку. Газ подается по трубам 7.

Эти печи применяют для нагрева заготовок диаметром до

100мм. Производительность печей скоростного нагрева достигает

200кг/ч, угар металла при этом не превышает 1,5 % от массы

заготовки.

6.2 Проектирование и расчет пламенных печей

В камерных печах (рисунке 46) площадь пода печи

определяется в зависимости от производительности G и времени

нагрева заготовок

где F

габ

- габаритная площадь пода;

габ.

- габаритная ширина;

габ.

- габаритная длина.

габ.

= а*d*n + 2z; (6.1)

габ.

= l

заг

+ 2z; (6.2)

где

а = S/d - относительный шаг укладки заготовок;

заг

- длина заготовки, либо группа заготовок уложенных в

торец;

n = n

* t - одновременная загрузка заготовок в печи (шт);

- производительность печи в штуках.

= G/

(6.3)

где

- удельный вес металла;

z - зазор между заготовками и стенками печи.

Рисунок 45 - Схема печи скоростного нагрева

акт

= в

акт

; (6.4)

Отношение активной площади пода к габаритной составляет

коэффициент использования площади пода:

ξ= F

акт

габ

(6.5)

Должно быть

> 0,5,

в противном случае изменяют шаг

укладки заготовок.

Высота печи H принимается для малых печей

Нм = 400 - 600

мм, для крупных печей

Нкр > 1000 мм.

В методических печах размер кривизны свода принимается

равным ширине печи (рисунок 47).

Рисунок 46 - Схема камерной печи

Для малых печей с площадью пода, < 1 м

z = 0,01 - 0,02 м. Для

крупных печей с площадью > 3 м

z = 0,1 - 0,2 м.

Активная площадь пода

Рисунок 47 -Схема методической печи

Полезная площадь пода

под

пол *

габ;

где l

под

= d * n -

полезная длина печи;

n - одновременная загрузка, определяется как для камерных

печей;

габ.

= l

заг

+ 2z - при несколько рядном движении;

габ.

= l

заг

- при однорядном движении;

z = 0,1 - 0,2 м. l

габ.

= d*n + z; (6.6)

Длина методической зоны определяется

мет

= l

пол

* (t

мет

/t)

где

мет

- время нагрева заготовок в методической зоне.

Длина сварочной зоны определяется, как разность габаритной

длины и методической зоны.

Активная площадь пода

акт

= l

пол

* l

заг

; (6.7)

пол

= l

пол

* l

заг

+(1,5 + 2,0); (6.8)

Коэффициент использования пода

x = F

акт

пол

< 1 (6.9)

Высота рабочей камеры

= h

+ h

; (6.10)

где

- толщина заготовок;

- толщина газового слоя, определяется

=(A`+0,05в)t

*10

-3

м;

где t

- температура рабочего пространства печи;

A` - коэффициент высоты, принимаем для

< 900

C A` = 0,5 - 0,055

> 1500

C A` = 0,65

Напряженность пода для всех печей H = G/F;

Особо ответственным элементом печи является свод. При

расчете свода исходят из самого опасного варианта, когда под

воздействием температурных расширений внутренних слоев свод

начинает раскрываться (рисунок 48).

Рисунок 48 - Схема

свода

В этом случае распор свода рассчитывается как горизонтальное

усилие Р в шарнирной системе, состоящей из двух

стержней

(рисунок 49).

В схеме

G - малая единица длины свода. Из равенства крутящих

моментов относительно точки

А следует:

G/2 * в

габ

/4 = Рр*H

;

(6.11)

Рр =

(G*в

габ

)/8h. (6.12)

где

Рр - расчетное усилие.

Принимается следующий запас прочности для печей с

температурой рабочего пространства: до

900

C-Р=2Рр; до 100

C-

Р = 2,5Рр; до 1300

C - Р = 3Рр.

Усилие Р действует на пятовый кирпич и передается на пятовую

балку (рисунок 50).

При расчете пятовой балки рассматривается равномерно

распределенная на нее нагрузка (рисунок 51)

Рисунок 49 - Схема покрытия свода

Изгибающий момент

изг

= Р*l/2 * l/2 - Pl/2 * l/4; (6.13)

изг

= Pl

/8; (6.14)

Момент сопротивления

W = M

изг

/s; (6.15)

Зная

W пятовой балки по сортаменту выбирается швеллер.

Рисунок 50 -Схема конструкции пятовой балки