Соколов К.Н. Оборудование термических цехов

Подождите немного. Документ загружается.

туру

10000—20000

°С и выше. Для ох-

лаждения стенок камеры и электродов

плазматрон вводят газ или

воду

по

трубке 3. Кроме плазматрона 6

уста-

новка

(рис.

5.28,6)

имеет: силовые

трансформаторы 3, повышающие на-

пряжения

тока, ртутные выпрямители

1, аппаратуру 2 управления выпрями-

телями, балластное сопротивление 7,

компрессоры 5 с ресиверами (баллона-

ми) 4 для получения высокого давле-

ния

газа.

Высокая температура плазмы и ма-

лая стойкость сопла сдерживают ши-

рокое применение плазматронов для

нагрева при термической обработке.

5.7.

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ

УСТАНОВКИ

Работа электронно-лучевых устано-

вок

основана на принципе преобразо-

вания

в тепло энергии пучка электро-

нов,

ускоренных в электрическом поле

при

его взаимодействии с поверхно-

стью нагреваемого металла. Электрон-

ный

пучок лучей получается в специ-

альной электронной пушке с высокой

степенью разрежения. Энергия элек-

тронного пучка зависит от ускоряюще-

го напряжения на аноде

(15000—

35000

В). Источником высокого напря-

жения

служат

выпрямители, которые

разделяют на газовые, тиратронные и

полупроводниковые.

Электронно-лучевые установки при-

меняются для нагрева и плавления ту-

гоплавких и химически активных ме-

таллов, зонной плавки, получения пле-

нок,

выращивания монокристаллов,

резки

и сверления без нарушения

структуры металла и др. В установках

используют аксиальную электронную

пушку (рис.

5.29).

Высокое напряже-

ние

подается в пушку через ввод 1 с

изолятором 2 на вольфрамовый катод

3. За катодом находится анод 4 пушки

колонковый клапан 5. Из камеры

пушки с помощью насоса через патру-

бок

10 откачивается

воздух,

в резуль-

тате

чего в ней создается разрежение

10~

—10~

Па. Электромагнитные лин-

зы

6 и 7

служат

для фокусировки и

развертки пучка. В рабочей камере 8

поддерживается вакуум

10^

—10~

Па.

На

рис. 5.29, а дана схема установки

для высокотемпературного отжига уз-

кой

ленты из трансформаторной стали.

Непрерывный

нагрев ленты осущест-

вляется при ее перемотке с одного ба-

рабана 9 на другой.

На

рис. 5,29, б приведена схема

аналогичной установки для электрон-

но-лучевой последовательной закалки

восьми пазов специального кольца.

Кольца

в стопке по три штуки устанав-

ливаются на приспособление 9, кото-

рое,

поднимаясь, замыкает вакуумную

рабочую камеру 8. После откачки воз-

духа

из камеры зажигается электрон-

ный

луч, который нагревает один паз

трех

деталей. Приспособление 9 пово-

рачивается поочередно, подставляя под

луч следующие семь пазов. Весь цикл

обработки занимает 42 с. Производи-

тельность установки равна

2000

пазов

час.

Электронно-лучевые установки мо-

щностью

60—100

кВт применяются для

поверхностной закалки

зубьев

шесте-

рен.

Электронным

лучом можно нагреть

закалить

любую

поверхность, на ко-

торую

его можно направить. Отклоне-

ние

луча

на требуемый

угол

произво-

дится специальными магнитными ка-

тушками.

!в

12 л

v'"

«т

Рис.

5.29.

Схемы

установок для

нагрева

элект- '

;

ронным

пучком

При

электронно-лучевой обработке

расходуется минимальное количество

энергии

по сравнению с другими спо-

собами нагрева (т. в. ч., лазером). Сте-

пень

использования энергии в элек-

тронно-лучевых установках составляет

75 %. Выпускаемые промышленностью

электронные

установки имеют мощ-

ность 60, 125, 250 и 500 кВт, произво-

дительность их диффузионных насосов

соответственно равна 10, 20, 40 и

80 тыс. л/с.

Широкое

применение электронно-

лучевого

нагрева для целей поверхно-

стной

закалки пока сдерживается от-

сутствием промышленных установок.

5.8,

ЛАЗЕРНЫЕ УСТАНОВКИ

Лазер представляет собой оптичес-

кий

квантовый генератор (ОКХ) с мо-

щным

источником когерентно направ-

ленного света. Монохроматичность и

когерентность лазерного излучения по-

зволяют фокусировать луч в пятно диа-

метром до нескольких микрометров

при

очень большой плотности энергии

(до

—10

Вт/см

Лазерный луч широко применяется

для фигурной резки материалов, про-

шивки

самых малых отверстий, сварки,

плавления

и нагрева. Он образуется в

результате

высвобождения энергии си-

стемы возбужденных атомов при инду-

цированном

излучении под воздействи-

ем внешнего электромагнитного поля.

Оптическим резонатором является си-

стема

двух

плоских строго параллель-

ных

друг

другу

зеркал. При накачке

между

зеркалами активной среды ко-

личество атомов на верхнем энергети-

ческом уровне превышает их количест-

во на нижнем. Когда хотя бы один воз-

бужденный атом спонтанно излучает

фотон

в направлении, параллельном

оптической оси, начинается лавинный

процесс излучения. Многократно отра-

жаясь от зеркал резонатора, фотоны

распространяются через активную сре-

ду и интенсифицируют развитие про-

цесса. Если на верхнем уровне актив-

ной

среды возбуждение атомов превы-

шает некоторую пороговую величину,

процесс интенсивно нарастает. Свето-

вые волны, параллельные оси резона-

тора, усиливаются и выводятся через

полупрозрачное зеркало в виде узкого

пучка когерентного света. Монохрома-

тичность излучения определяется резо-

нансными

свойствами атомов. Фаза,

частота, поляризация и направление

распространения

луча

совпадают с ха-

рактеристиками волны внешнего элек-

тромагнитного поля накачки.

Для нагрева, плавления и сварки

используются потоки малой плотности

(10

—10

Вт/см

) и применяется види-

мый

свет с длиной волны

0,3—1,3

мкм,

что обеспечивает максимум поглоще-

ния

света металлом.

Основной

характеристикой лазерно-

го

луча

является энергия излучения,

которая

зависит от мощности излуче-

ния,

длительности светового импульса

площади фокусного пятна на поверх-

ности

детали.

Наибольшее распространение полу-

чили твердотельные лазерные установ-

ки

на рубине или неодимовом стекле.

Твердотельный лазер состоит из таких

основных элементов: оптической голов-

ки

с активным элементом и источником

накачки,

источника питания, блока

поджига, синхронизирующего устрой-

ства и системы охлаждения активного

вещества. Активной примесью в рубине

является хром

{металлы

переходной

группы), а в стеклах — неодим {эле-

мент редкоземельной группы). Приме-

си

обусловливают появление запрещен-

ных энергетических уровней.

В упрощенной

схеме

твердотельно-

го лазера на рубине {рис. 5.30, а) элек-

троны атомов хрома под действием

света спиральной импульсной лампы

подкачки

2 возбуждаются и достигают

более высоких энергетических уровней.

Атомы

отдают

часть своей энергии, в

результате

чего электроны переходят

на

промежуточный метастабильный

уровень, излучают фотоны света харак-

терной длины волны и возвращаются в

невозбужденное состояние. Рубиновый

стержень 1 с посеребренными и отпо-

лированными

строго параллельными

торцами служит оптическим резонато-

ром,

а торцы играют роль параллель-

ных зеркал. Индуцированное излуче-

ние,

много раз проходя через активную

среду,

значительно усиливается. Луч из

лазерной головки поступает в оптичес-

кую систему и фокусируется линзами

на

поверхности обрабатываемой де-

тали.

Импульсная

лампа накачки питает-

ся

за счет энергии, получаемой от ис-

точников

тока высокого напряжения

через специальные накопители 3. Раз-

ряд на лампу производится высоко-

вольтным импульсом от электрода по-

182

Рис.

5.30. Установки с нагревом лучом лазера

джигающего устройства. Длительность

поджигающего импульса не должна

превышать

100—150

мкс. Электричес-

кая

энергия, запасенная емкостным на-

копителем 3, преобразуется в световую

энергию,

излучаемую импульсной лам-

пой.

В современных конструкциях ОКГ

чаще всего используют прямолинейные

трубчатые

лампы. Рабочие характери-

стики

ОКГ существенно зависят от

температуры, поэтому активное веще-

ство, в данном

случае

рубиновый стер-

жень,

охлаждают.

Зарядом управляют

автоматически. В контур автоматичес-

кого управления

входит

схема обрат-

ной

связи, преобразующая напряжение

накопителя

в сигналы управления ре-

жимом заряда и поддерживающая па-

раметры па заданном уровне.

Для увеличения энергии и мощнос-

ти лазеров в одних случаях применяют

несколько

стержней, в

других

— неско-

лько зеркал или призм (метод модуля-

ции

добротности), которые включают-

ся

в те моменты, когда излучение быст-

ро нарастает и лазер

дает

мощный

(«гигантский») импульс.

СССР

выпускается установка

«Квант-16», используемая для термо-

обработки инструмента, лазер ее вы-

полнен

на стекле с неодимом. Длина

волны излучения 1,06 мкм, энергия в

импульсе до 30 Дж, длительность его

6—7 мс и частота повторений до 30 в

мин. Оптическая система установки

позволяет фокусировать излучение в

световое пятно диаметром от 0,2 до

0,5 см с плотностью потока излучения

Вт/см

В последнее время для поверхност-

ной

закалки и химико-термической об-

работки применяют газовые лазеры са-

мых разнообразных конструкций. Схе-

ма оптической части наиболее простого

газового лазера приведена на рис.

5.30, б. Газоразрядная трубка 3 поме-

щается в оптический резон-атор 4 со

строго параллельными зеркалами /.

Газовая смесь возбуждается путем по-

дачи высокочастотного напряжения с

блока питания высокочастотного гене-

ратора на электроды 2. Для зажигания

разряда в трубке используется наруж-

ный

электрод, на который подается им-

пульсное напряжение 10 кВ, получае-

мое при разрядке конденсатора емко-

стью 1—2 мкФ.

В США и Японии для поверхност-

ной

закалки деталей чаще применяют

газовые лазеры с углекислым газом не-

прерывно волнового типа мощностью

1—5 кВт, их к. п. д.

доходит

до 30 %.

Лазер

дает

когерентный луч инфра-

красной

фотонной энергии, выделяю-

щейся

при возбуждении электрическим

током газовой смеси углекислоты, азо-

та и гелия. Ведущими фирмами Япо-

нии

и США по изготовлению лазеров

для промышленных целей являются *

фирмы

«Фотон Сосис», Дж. Ти. И.

«Сильвания», «Когерент Инк» и др. На

одном из предприятий фирмы «Джене-

рал Моторс» (США) посредством га-

зовых лазеров осуществляется закалка

стальной гильзы.

СССР

выпускаются установки га-

зовых лазеров с СО

типа ЛТ1-2.

Лазерное излучение при термичес-

кой

обработке применяется главным

образом для поверхностного упрочне-

ния

деталей импульсной закалкой.

результате

нагрева лазерным лучом

быстрого охлаждения поверхностно-

го слоя достигаются высокие значения

микротвердости. Это создает предпо-

сылки

для увеличения износостойкости

инструмента типа микроштампов, ма-

лых прессформ и инструмента. Хоро-

шая

фокусировка лазерного

луча

поз-

воляет выполнять локальную закалку

участков поверхности детали.

Лазеры начинают применяться для

местной поверхностной закалки

дета-

• = . :•• ,'-г \'.'-•',' •" 183

лей сложной формы, когда доступ

энергии

к нагреваемой поверхности за-

труднен. Изгибая и отражая с помо-

щью зеркал луч лазера, можно нагре-

вать почти

любую

поверхность. Боль-

шим

преимуществом лазера является

возможность нагрева изделий без ва-

куума

— на

воздухе

или в атмосфере

инертного газа. На

воздухе

после пода-

чи первого импульса образуется небо-

льшая окисная пленка, которая увели-

чивает коэффициент поглощения све-

тового излучения. При нагреве в аргоне

глубина закаленного слоя несколько

уменьшается, но качество поверхности

получается высоким, поэтому процесс

шлифовки может быть исключен.

Степень

использования энергии при

лазерной'

обработке составляет 7—

10 % выходной мощности установки,

которая

равна 3—4 кВт, поэтому одно-

временно может быть нагрета поверх-

ность изделия до 6 см

Для нагрева изделий сложной фор-

мы и повышения производительности

установки применяют несколько лазе-

ров или используют многолучевые ус-

тановки,

работающие от одного источ-

ника

энергии. Проектируются лазерные

установки для поверхностной закалки

мощностью до 10 кВт и более. Бескон-

тактный

нагрев позволяет полностью

автоматизировать процесс обработки.

Узкие направленные электронные и ла-

зерные лучи можно использовать для

нанесения

местных упрочнений в виде

сеток с целью создания специальных

композиционных

конструкционных ма-

териалов.

Кроме

твердотельных и газовых ла-

зеров,

в ряде областей промышленнос-

ти применяют полупроводниковые и

химические.

5.9.

ПРИБЛИЖЕННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ

МОЩНОСТИ

УСТАНОВОК

И ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ

НАГРЕВА

Мощность, развиваемая индукцион-

ной

установкой или аппаратом непо-

средственного электронагрева, расхо-

дуется

на нагрев металла, потери в ок-

ружающую

среду

и в самой установке.

Тепло,

идущее на нагрев металла,

— t

), (5.7)

где Q — масса нагреваемого металла,

кг;

£м.к и t

— конечная и начальная

температуры металла, °С; c

— сред-

няя

теплоемкость,

кДж/(кг-К).

Тепло,

затрачиваемое на потери, и

общая

мощность установки определя-

ются в зависимости от ее типа и спосо-

ба нагрева, .... ••

,..,;". ;.

•

5.9.1.

Расчет непосредственного

электронагрева

Основными

потерями тепла при не-

посредственном нагреве в воздушной

или

газовой среде являются потери лу-

чеиспусканием поверхностью заготов-

ки,

которые резко меняются с повыше-

нием

температуры. Поэтому мощность

установки и время нагрева т точнее

можно определить по отдельным ступе-

ням

нагрева:

20—100;

100—200;

200—

300 °С и т. д. Минимально необходимое

напряжение

находится по конечной

стадии нагрева, когда тепло, выделяю-

щееся в заготовке по закону Джоуля,

идет в основном на потери лучеиспус-

канием

ее поверхностью. Если темпера-

туру

окружающего

воздуха

не учиты-

вать, то формула передачи тепла

луче-

испусканием примет вид

100

(5.8)

где С — коэффициент лучеиспускания,.

Вт/(м

*К

);

— конечная темпера-

тура

нагрева металла, К; F — поверх-

ность заготовки, м

; т — время выдерж-

ки

при данной температуре, с.

Приравняв

правые части формул

(5.1) и (5.8), получим для конечной

стадии нагрева на

воздухе:

—

г I " *• * F-

"—

^ 1 1 /MI I ' -1

откуда

— г

Заменив

100

Т,

100

pttyq,

получим

*UU /I/

/ r

F-L,

(5.9)

где р( — электрическое удельное сопро-

тивление,

Ом-м; I — длина заготовки,

м; q— площадь поперечного сечения

заготовки, м

При

минимальном напряжении

min

процесс нагрева сильно затягивается,

поэтому напряжение трансформатора

следует

увеличить на

25—30

%, т. е.

(1,25-1,30)

£/

т1

„.

Результаты расчетов по определе-

нию

времени нагрева целесообразно

сводить в таблицу (табл. 5.8). Для

184

Интервал

темпера-

тур, с°

20—100

100-200

200—300

300-400

400-500

500—600

600-700

700-800

800-900

Итого:

Таблица 5.8. Определение времени

'ср,

С°

150

250

350

450

550

650

750

850

ft •

Ом-м

0,22

0,32

0,44

0,55

0,66

0,77

0,88

0,99

1,10

Ом

0,0084

0,0122

0,0168

0,0210

0,0252

0 0294

0,0336

0,0376

0,0420

кВт

74,4

51,2

37,2

29,8

24,8

21,3

18,6

16,6

14,9

288,8

электронагрева прутка

n0T

кВт

0,05

0,14

0,32

0,64

1,15

1,94

3,07

4,64

6,73

Энергия

полученная,

деталью

(ЛГ-ЛГ

ПОТ

кВт

74,35

51,06

36,88

29,16

23,65

19,36

15,53

11,96

8,17

необходимая

для нагрева

кВт

75,5

99,2

104,0

106,4

110,2

115,2

121,2

131,4

139,0

Время

нагрева

данном

интерва-

ле, с

1,0

1,9

2,8

3,7

4,7

6,0

7,8

11,0

17,0

55,9

каждого периода находят генерируе-

мую за одну секунду в изделии энергию

RU0Q0

и потери энергии лучеиспусканием

IT.

N =

*•

* пПТ

1000 \ 100

Энергия,

необходимая для нагрева ме-

талла,

Время нагрева в данном интервале

температур

" м Л; ' , . . • •

iV г JV ПОТ

Знаменатель последней формулы соот-

ветствует энергии, которую можно ис-

пользовать для нагрева металла. Если

—N

not

)

=50 кВт, а для нагрева из-

делия в секунду требуется JV

—

100 кВт, то время нагрева в данном

температурном интервале составит.

2 с.

Электрическое удельное сопротив-

ление р; меняется с температурой на-

грева по прямой линии, поэтому для

какой-либо температуры t

{

оно может

быть определено графически по

двум

точкам: р

и рэоо (табл. 5.9). Значения

рэоо для всех сталей практически оди-

наковы.

Это объясняется тем, что с об-

разованием твердого раствора и изме-

нением температурных коэффициентов

значения

удельного сопротивления вы-

равниваются.

Пример. Определить напряжение и время

нагрева при непосредственном электронагреве

прутка из стали Ст. 50 (0,5 %) диаметром

10 мм, длиной 3 м, массой 2,0 кг и поверхнос-

тью F=0,094 м

до температуры 900 °С (см.

табл. 5.8).

Для круглого прутка диаметром d и дли-

пой

F UndA 4P

__ .

ttd

Подставив

полученное значение в формулу

(5.9),

определим минимально необходимое на-

пряжение

для круглого прутка:

Температу

900

Та

блица

5.9. Удельное

электросопротивление

сталей

р-10

, Ом-м

Углеродистые стали с

содержанием

углерода, %

0,1

0,14

1,10

0.5

0,18

1.16

1,0

0,23

1,20

40Х,

ЗОХНЗ,

ЗОХГС

0,25

1,20

20ХНЗА,

ЗЗХНЗМ,

ШХ15

0,28

1,22

Легированные ст

О)

«м

Йй

0,32

1,15

18Х2Н4ВА

0,42

1,15

оэ

CJ CJ

0,50

1,18

алн марок '

1X13,

3X13, ПЗ

0,60

1,15

0*75

1,18

хё

СС

хй

1,00

1,20

.0!_0„

0,7

Ой

спея

1.0

185

/raln

= 21

T ' V /

(5.10)

Для данного примера Г

=900 + 273=1173 К,

для окисленной стальной поверхности С—

=4,5

Вт/(м

-К

р*=*1,16

- 10—

ОМ-м. Тогда

минимальное напряжение

£/

mln

2-3-n,73

4|5

— = 19 В.

кг

Принимаем

напряжение трансформатора

£/=1,3,

^min = 25 В. В табл. 5.8 приведены ре-

зультаты

продолжительности нагрева по отдель-

ным

ступеням.

При

напряжении во вторичной обмотке

трансформатора, равном 25 В, максимальная

мощность, подводимая к детали в начальный

момент нагрева, составляет 74:1 = 74 кВт,

а средняя мощность за цикл нагрева 289 : 55,9=^

=^5,2 кВт.

5.9.2.

Расчет

индукционного

нагрева

Мощность

индукционной установки

находится в зависимости от времени

нагрева. Чем меньше время нагрева,

тем требуется большая мощность. Мас-

са нагреваемого металла приближен-

но

определяется глубиной проникно-

вения

д токов в металл при горячем ре-

жиме. Для деталей цилиндрической

формы

масса нагреваемой части

G =

-^-[d

— {d —

2b)

]lym-K

(5.11)

Здесь _.d— диаметр, см; / — длина де-

тали, см; у — плотность, кг/см

Учитывая тепловые потери, нахо-

дим потребное количество тепла:

Ом

Get (hi. к to)

П — „ - _

VT 1

где т]

—термический к. п. д., завися-

щий

от частоты тока. В низкочастотных

установках с тепловой изоляцией и

центрирующими приспособлениями

г]

0,85—0,90.

Для звуковых частот

(2000—10000

Гц) 71т = 0,40, а для ра-

диочастот

(60—80

кГц) Г|

определяет-

ся

степенью перегрева поверхности по

сравнению с заданной температурой:

при

перегреве на 100 °С т]

=0,12; при

перегреве на 200 °С г\

= 0,21. В ин-

дукционных установках с футерован-

ной

катушкой индуктора коэффициент

т]

колеблется в пределах

0,8—0,75,

точнее он может быть подсчитан по

формулам потерь тепла стенками. Для

цилиндрического рабочего пространст-

ва и однослойной футеровки

(5.12)

где /—длина футеровки, м; f

и /

ар—

температура внутренней и наружной

стенок

футеровки, причем t

на

р находится из расчета потерь тепла

через стенку

(следует

учесть,

что теп-

ло,

получаемое наружной стенкой фу-

теровки, передается воде, которая ох-

лаждает трубки индуктора); X = 0,8—

1,0 Вт/(м-К) — коэффициент тепло-

проводности футеровки из шамота;

rfnap

^ви — наружный и внутренний

диаметры футеровки, м. Толщина фу-

теровки берется равной

20—25

мм.

Термический

к.п.д. индуктора

QM/

(QM+QCT).

Средняя мощность, необхо-

димая для нагрева металла (учитывая

тепловые потери),

= Q

/T,

(5.13)

где х — время нагрева детали, с.

Время поверхностного нагрева т.вл.

часто выбирается в пределах 4—

12 с; приближенно его можно опреде-

лить, исходя из удельной мощности ге-

нератора N у

, которая при одновре-

менном

нагреве принимается равной

0,9—1,1

кВт/см

поверхности изделия,

а при непрерывно-последовательном

1,3—1,5

кВт/см

тг-

(5.14)

(0,60—0,

Здесь N уд.

— удельная мощность ге-

нератора, кВт/см

; F — нагреваемая

поверхность детали, см

Зависимость минимального времени

сквозного индукционного нагрева заго-

товок от диаметра и частоты при тем-

пературном перепаде

между

поверх-

ностью и сердцевиной в.конце нагрева

100 °С показана на рис. 5. 31. Для слу-

чая нагрева

труб

вместо диаметра

следует

брать удвоенную толщину

стенки.

Мощность

генератора нагреватель-

ной

установки

/т]эл,

где т1эл

•—

электрический к. п. д.

уста-

новки.

Для высокочастотных установок

с машинным генератором Т1

ал

= т)инд-

т]тр. К. п. д. катушки индуктора т|

1Ш

д =

0,75—0,80,

а к. п. д. трансформатора с

железным сердечником г)

р =

0,80—

0,85,

тогда

г\

эл

0,60—0,65.

Для высокочастотных установок с

ламповым генератором т]

=0,55—

0,60, а для индукционной установки

промышленной

частоты

<Y}

3JI

0,65'—

186

•ш

360

300

1Ь0

120

•

О Ю 20 30 60 90

й.мм

Рис.

5.31. Зависимость времени сквозного на-

грева заготовок индукционным способом от их

диаметра и частоты тока

0,75. При непрерывно-последователь-

ном

методе

индукдионного нагрева вы-

соту

индуктора принимают равной

20—•

30 мм, а скорость его движения в пре-

делах

3—5 мм/с.

Мощность конденсаторных батарей

должна быть равна реактивной

мощности, создаваемой закалочной си-

стемой. В первом приближении N

l,5tf

/cos(p,

а емкость конденсатор-

ных батарей

По

формуле (5.3) найдем рекомендуемую

5-10

5-Ю

частоту f = .= = 3100 Гц. Вы-

бирасм частоту f =

2500

Гц и применяем ма-

шинный

генератор.

Масса

закаленного слоя " •

„ ^

_ ^

=__[d

—

(d — 2б)

]/-уЮ-

= — [5,5

— .

4 4

[5,5 —2-0,4)

]-7-7,8-!0-

= 0,35 кг. """

Количество

тепла, необходимое для нагре-

ва закаленного слоя до температуры 920 °С,

^— ПС If i \ О ЧЯ V

0,67(920

— 20) = 2110 кДж.

Учитывая тепловые потери при г)

=0,4, найдем

потребное количество тепла

:r\

s=s

2lQ

: 0,4 = 525 кДж.

Время нагрева примем по формуле (5,13),

исходя из удельной мощности генератора

1,1 кВт/см

525

_—.—_ _

5с

0,65-1,1-5,5-7,0

- 3,14

Тогда средняя мощность для нагрева металла с

учетом тепловых потерь составит

Л'

= Q

: х =

525/6

= 88 кВт.

При

к. п. д. катушки индуктора Г1ин

=0,75

закалочного трансформатора

TIT

=0,85

по-

требная,

мощность генератора

удельная

0,75-0',85

138,

138

ЗуМ-5,5-7

1,1.

Скопд =

копд

Здесь U — напряжение батареи, кВ.

Коэффициенты

мощности cos cp для

машинных генераторов, работающих

на

частотах

2500

10000

Гц, соответ-

ственно равны 0,3 и 0,15. Для лампо-

вых генераторов при

частотах

60—

80 кГц cos ф = 0,05. Потери энергии в

бумажно-масляных конденсаторах со-

ставляют

0,2—-0,25%,

в керамических

слюдяных

0,05—-0,10

%, поэтому, не-

смотря на малый cos ср и

большую

ре-

активную мощность, они невелики.

Пример

1. Определить условия нагрева

т. в. ч. шейки коленчатого вала автомобиля

^ = 55 мм при ширине закаленного слоя шейки

= 70 мм и глубине слоя 6 = 4 мм. Температура

нагрева равна 920 "С (перегрев

100°С).

Выберем машинный генератор мощностью

150 кВт, В Г-

)

50—2500.

Определим время нагре-

ва всех шеек коленчатого вала автомобиля при

последовательном способе нагрева:

т = *_^_к о_ .—__ _

(5,15)

Полученные

данные сведем в табл. 5.10.

Пример

2. Определить время нагрева т. в. ч.

внутренней поверхности чугунной гильзы диа-

метром rf —145 мм при глубине закалки 6 =

2,0 мм на ламповом генераторе

ВЧГЗ-160/0,066

(мощностью 160 кВт частотой

66 кГц). Используя непрерывно-последователь-

ный

нагрев при температуре 920 X (перегрев

100 °С).

Примем

для ламповой установки

0,12

(при

перегреве, равном

100°С),

т)

эп

= 0,6. Вре-

мя

нагрева вычислим по формуле (5.15):

3,14[14,5

—

(14,5

—2-0,2)

]Х

2-7,8-10-

-0,67(920

—20)

4-160-0,12-0,6

338'

7,4 с.

187

Таблица

5.10.

Время

нагрева

т. в. ч.

шеек

коленчатого

вала

автомобиля

Параметр

Диаметр шейки, см

Ширинз

закален-

ного

слоя, см

Глубина закален-

ного

слоя, мм

Время нагрева, с

Шейка

ьшая

енная

5,5

7,0

5,5

3,2

2,5

унная

5,0

3,8

И «

5,5

4,0

3,0

При

непрерывно-последовательном нагреве и

высоте индуктора

1Ш

ц,

мм=2

см необходимо

обеспечить такую скорость его движения:

20:7,4=2,7 мм/с.

Пример

3. Определить мощность установки

для сквозного индукционного нагрева заготов-

ки,

имеющей

d=7Q

мм, /=200 мм, массу 6 кг,

до температуры 1200 °С при производительнос-

ти

700 кг/ч. Наиболее подходящая частота рав-

на

2500

Гц, минимальное время нагрева т=

120 с (рис.

5.31),

поэтому индуктор необхо-

димо рассчитать на одновременную садку:

700-120

G = ——-—-—• = 4 заготовкам.

6-3600

При

толщине футеровки 20 мм и зазоре

5 мм диаметр индуктора d

a3R

^d+25-2=70+

+25-2—120 мм. Длина катушки индуктора бе-

рется больше длины нагреваемых деталей на

величину диаметра индуктора

1Н

=4/+сЕинд

4-200+,120=920 мм.

Тепло,

необходимое для нагрева заготовок,.

—

to) =6-4X

0,70(1200

— 20) =

19824

кДж„

Принимая

термический к. п. д. индуктора 0,8,.

потребное количество тепла с учетом тепловых,

потерь

:r\?

= 19

824:0,8

=-24 780 кДж.

Потери

тепла через футеровку точнее можно-

подсчитать по формуле (5.12).

При

времени нагрева 120 с и электрическом

к.

п. д. г|эл—0,8 получим мощность, подводимую»

индуктору,

24780

#„_„

= 260 «Вт.

тлзл

120-0,8

При

необходимости уменьшить мощность

уста-

новки

следует

увеличить время нагрева.

Пример

4. Определить время нагрева гиль-

зы

внутренним диаметром 160 мм, высотой

400 мм, массой 12 кг т. п. ч. (50 Гц) до темпе-

ратуры 1000 °С в установке с железным сердеч-

ником

мощностью 35 кВт.

Мощность

установки на индукторе

Л'инд =

откуда

Gct(t

— t

)

12-0,68(1000—20)

т]

эл

35-0,7-0,8

4110 с = 7 мин.

ОБОРУДОВАНИЕ

ДЛЯ

ОХЛАЖДЕНИЯ

Оборудование для" охлаждения, как

нагревательные устройства, относит-

ся

к основному оборудованию, так как

оно

необходимо для непосредственного

выполнения операций термообработки

(закалки,

сорбитизации).

Простейшими устройствами для ох-

лаждения деталей являются закалоч-

ные баки, которые по условиям работы

можно разделить на баки периодичес-

кого и непрерывного действия. Для

уменьшения коробления деталей при

закалке применяют закалочные прес-

сы,

закалочные и гибочно-закалочные

машины,

в которых детали

охлаждают-

ся

в зажатом состоянии. Последнее

позволяет, обеспечивать равномерное

охлаждение. Закалочные жидкости

охлаждают

в маслоохладительных ус-

тановках. При необходимости глубоко-

го охлаждения деталей (до — 30 °С и

ниже) применяют установки для обра-

ботки холодом.

Оборудование для охлаждения по-

ка

не стандартизовано, однако можно

предложить

следующую

ег,о индекса-

цию,

которая состоит из ряда

букв

иг

цифр.

В индексе баков первая буква Б означает

бак,

вторая буква О — охладительный, третья

буква указывает способ механизации: К — кон-

вейерный;

П — с подъемным

столом; С — со

скиповым

подъемником; Т — с поворотной тра-

версой;

Ч — с качающимся столом; Б — бара-

банный;

Ш — с передвижением деталей толка-

телем и подъемниками. За буквами через де-

фис

следуют

цифры,

указывающие основные

размеры транспортного механизма (ленты кон-

вейера, подъемного, поворотного или качающе-

гося

стола, барабана и т. п. в дециметрах). Ин-

декс бака БОП-6.7. читается так: бак охлади-

тельный с подъемным столом размерами

6X7 дм; индекс БОК-6 200 обозначает следую-

щее:

бак охладительный с конвейером шириной

6 дм и рабочей длиной (горизонтальный учас-

ток

ленты конвейера) 200 дм.

В индексе немеханизированных баков

третья цифра указывает тип бака: Г — гори-

зонтальный

прямоугольного сечения; В — вер-

тикальный

круглого сечения. После третьей

буквы через дефис даются внутренние размеры

бака

в дециметрах. Например, индекс

БОВ-16.50 читается так: бак охладительный,

вертикальный,

диаметром 16 дм, высотой

50 дм.

188

В индексе закалочных прессов и машин пер-

вая буква указывает тип охладительной маши-

ны:

П —пресс, М —машина. Вторая буква

соответствует

способу охлаждения: Ш —

охла-

ждение в штампах; Р — охлаждение в роликах

Третья

букьа

показывает назначение пресса

(машины): 3 — закалочный; Г — гибочно-за-

калочный. Четвертая буква —способ механи-

зации: К — карусельный, Б — барабанный,

А — агрегатный. Цифры, стоящие через дефис

после букв, указывают предельный диаметр

или длину изделия (для листов — ширину) в

дециметрах. Индекс ПШЗ-60 читается так: за-

калочный пресс, охлаждение изделий в штам-

пах, максимальный диаметр детали 60 дм; ин-

декс МРЗ-160 означает

следующее:

закалочная

машина с охлаждением изделий в роликах;

максимальная длина изделия равна 160 дм.

6.1.

КОНСТРУКЦИИ

ЗАКАЛОЧНЫХ

БАКОВ

МАСЛООХЛАДИТЕЛЬНЫХ

УСТАНОВОК

Закалочныеб.аки

периоди-

ческого действия устанавливают

у камерных печей, они свариваются из

листовой стали. Толщина стенок малых

баков 3—£ мм, а больших 8—12 мм.

Стенки

бака усиливаются ребрами

из

уголков. Приток холодной воды из

водопровода и удаление нагретой поз-

воляют поддерживать необходимую

температуру водяной ванны. При ис-

пользовании

в качестве закалочной

жидкости масла приходится прибегать

его искусственному охлаждению, ко-

торое может быть местным и цент-

ральным. В первом случае масло ох-

лаждается в баке при помощи змееви-

ка

с циркулирующей в нем холодной

водой, во втором — вне Зака в цент-

ральной маслоохладительной установ-

ке,

обслуживающей несколько баков.

Большое значение имеет способ

подвода в бак холодной жидкости и от-

вода нагретой. Холодную жидкость

следует подводить снизу бака, а нагре-

тую отводить сверху (в соответствии с

ее естественным движением). Если хо-

лодная жидкость поступает сверху, она

сразу стремится на дно бака и обра-

зует около деталей относительные хо-

лодные струи, что вызывает неравно-

мерность охлаждения и коробление

деталей. Нагретая жидкость отводится

сверху по всему периметру бака. Ввер-

ху бака устанавливают сливной кар-

ман,

из которого жидкость по трубе

течет в сливной бак. В карман посту-

пает также жидкость, вытесняемая по-

груженной в бак деталью. Для удале-

ния

скапливающейся в баке окалины

извлечения закаленных деталей его

снабжают подъемным дном или корзи-

ной.

В небольших по объему баках

спускное дно поднимается лебедкой.

При

закалке крупных деталей оно мо-

жет служить амортизатором, предо-

храняющим бак от повреждения сор-

вавшимися

деталями.

Конструкция

бака с закалочной

жидкостью, охлаждаемой вне бака,

представлена на рис. 6. \, а. Холодная

жидкость подводится снизу к центру

бака, а при большом его диаметре

жидкость поступает по змеевику с от-

верстиями.

Чтобы окалина не засоря-

ла отверстия, их делают сбоку змееви-

ка,

а центральную подводящую

трубу

закрывают колпачком. Масляные баки

на

случай пожара должны иметь кры-

шку и аварийный спуск масла. Управ-

ление запирающей заслонкой аварий-

Рис.

6Л. Схемы закалочных баков

189

Рис.

6.2. Вертикальный закалочный бак с многоярусным подводом холодной жидкости

ного спуска

следует

вывести на рабо-

чую площадку.

При

небольшом количестве баков

малой напряженности работы приме-

няют местное охлаждение закалочной

жидкости. Наиболее целесообразно в

этом

случае

использовать охлаждае-

мые водой змеевики 1 (рис. 6. 1, б),

расположенные по внутренним стенкам

бака, и индивидуальные маслоохлади-

тели пластинчатого типа 2 (рис. 6. \,в).

Баки

с двойными стенками,

между

которыми циркулирует охлаждающая

вода, неэффективны, так как их тепло-

передающая поверхность незначитель-

на

и скорость охлаждающей воды не-

велика. При высокой тепловой нагруз-

ке

необходимый для охлаждения змее-

вик

невозможно разместить в баке.

В этом

случае

целесообразно исполь-

зовать централизованное охлаждение

жидкости.

Для закалки иногда приходится

использовать две закалочные жидкос-

ти —

воду

и масло. В этом

случае

удоб-

но

применять сдвоенные баки с отделе-

ниями

для воды и масла.

Часто в баках закалочную жид-

кость подогревают и перемешивают

при

помощи механических мешалок

или

сжатого

воздуха.

Последний нель-

зя

вводить во время закалки, так как

пузырьки

воздуха

могут

адсорбиро-

ваться на детали и способствовать об-

190