Нагревательные устройства

Нагревательные устройства, в которых нагревают металл перед обработкой давлением, можно подразделить на нагревательные печи и электронагревательные устройства. В печах теплота к за­готовке поступает из окружающего ее рабочего пространства на­гретой печи; в электронагревательных устройствах теплота выде­ляется в самой заготовке.

Всякая печь имеет нагревательную камеру, выложенную огне­упорным материалом. Нижняя часть камеры, на которую уклады­вают нагреваемые заготовки, называется подом печи. Передача теплоты металлу заготовок происходит конвекцией и излучением. При высоких температурах, существующих в печах для нагрева металла перед обработкой давлением, основным видом передачи теплоты является излучение от нагретых стен печи.

Печи, в свою очередь, разделяют на пламенные, в которых теп­лота получается за счет сжигания топлива, и электрические, в которых источником нагрева рабочего пространства печи яв­ляется электрическая энергия. Пламенные печи работают в основ­ном на жидком и газообразном топливе. Жидкое топливо (мазут) сжигают с помощью форсунок, распыляющих топливо и обеспе­чивающих его хорошее смешивание с воздухом. Для сжигания газа применяют газовые горелки, которые служат для подачи газа и воздуха в печь и смешивания их в необходимой пропорции. По характеру распределения температур в рабочем пространстве печи могут быть разделены на две группы: печи с одинаковой тем­пературой по всему рабочему пространству (камерные) и печи, у которых температура в рабочем пространстве повышается в на­правлении от места загрузки заготовок к месту их выдачи (мето­дические печи).

Камерная печь. В печи (рис. 25,а) заготовки 2 укладывают на поду 1 печи (причем способ укладки влияет на скорость нагрева) и после их прогрева до заданной температуры извлекают, как правило, через окно 4, через которое их загружали в печь. Рабо­чее пространство печи нагревается за счет сжигания топлива с помощью форсунок или горелок 3. Продукты сгорания отводятся через дымоход 5. При нагреве крупных заготовок из легирован­ной или высоколегированной стали для уменьшения температур­ных напряжений температура печи при загрузке заготовок должна быть значительно ниже необходимой конечной температуры на­грева. Затем температуру постепенно повышают. Для облегчения загрузки и выгрузки крупных заготовок применяют различные загрузочные машины, а также печи с выдвижным подом.

Рис.25. Нагревательные печи

Камерные печи имеют ряд разновидностей. Для нагрева под прокатку крупных слитков применяют нагревательные колодцы, которые загружают сверху, и слитки в них располагают вертикально. Для нагрева только концов прутков загрузочное окно делают в виде щели (щелевые печи) или круг­лых отверстий (очковые печи). Для нагрева некоторых специальных сплавов применяют муфельные печи, в которых заготовку помещают в ящик из огнеупорного материала (муфель) для изоляции её от продуктов горения топлива в рабочей камере печи.

Камерные печи широко распространены главным образом в мел­косерийном производстве ввиду наибольшей (по сравнению с дру­гими нагревательными устройствами) универсальности и для на­грева очень крупных заготовок (например, слитков массой до 300 т).

Методическая печь (рис. 25,б). Рабочее пространство печи имеет вытянутую форму и разделено на две (или три) зоны с раз­личной температурой. Заготовки 2 проталкиваются с помощью толкателя 8 и, перемещаясь по поду 6 печи, попадают сначала в первую подогрева-тельную зону 1 (600-800°С), затем в зону максимального нагрева 2 (1250-1350°С), где установлены го­релки 3. Зона 3 является зоной выдержки, в которой происхо­дит выравнивание температуры по сечению заготовки.

Горячие газы движутся навстречу перемещающимся заготов­кам, которые выдаются из печи через окно 7. Методические печи применяют в прокатном производстве и крупносерийном штампо­вочном.

В пламенных печах основные потери теплоты происходят с уходящими газами, имеющими высокую температуру. Чем выше температура уходящих газов, тем больше потери теплоты и ниже к. п. д. печи (поэтому в методических печах к. п. д. выше, чем в обычных камерных, и достигает 40-60%). В регенеративных и рекуперативных печах теплоту уходящих газов используют для подогрева топлива и воздуха, поступающего в печь. Регенератив­ные нагревательные печи снабжа-ют регенераторами, принцип действия и конструкция которых у пламенных нагревательных печей такие же, как и у мартеновских печей для плавки стали. В рекуператорах холодный воздух пропускается по трубам, омы­вающимся снаружи ухо­дящими горячими газами. Рекуператоры бывают ке­рамические и металличе­ские. Наиболее распрост­ранены металлические ре­куператоры, имеющие мень­шие габаритные размеры и лучшую герметичность; в них воздух подогревает­ся до 200-300°С. Приме­нение регенераторов и ре­куператоров повышает к. п. д. пламенных печей.

Электропечи сопротив­ления. Эти печи конструк­тивно выполняют так же, как и пламенные печи, но вместо форсунок или горе­лок в стенах монтируют металлические или карбо­рундовые (силитовые) эле­менты сопротивления, под­ключающиеся к силовой электрической сети. Сопротивления, нагреваясь, излучают теплоту которая передается стенкам печи и заготовкам, находящимся на поду. Большим преимуществом электропечей сопротивления яв­ляется возможность точного регулирования температуры рабочего пространства. Однако используют их в основном для нагрева под обработку давлением цветных сплавов, имеющих относительно небольшую по сравнению со сталью температуру начала ковки. Для стали этот нагрев является дорогостоящим; при темпера­турах, необходимых для нагрева стали, стойкость элементов со­противления низка.

Электронагревательные устройства разделяют на индукцион­ные и контактные.

Индукционное электронагревательное устройство (рис.26,а). Заготовку 1 помещают внутрь многовиткового соленоида (индуктора) 2, выполненного из медной трубки прямоугольного сечения. По индуктору пропускается переменный ток, и в заготовке, ока­зывающейся в переменном электромагнитном поле, возникают вихревые токи (токи Фуко). Теплота в нагреваемом металле вы­деляется в основном вследствие действия вихревых токов. Тол­щина слоя, в котором возникают токи Фуко, уменьшается с ро­стом частоты тока в индукторе (скин-эффект). Поэтому для дости­жения равномерного по сечению нагрева заготовки с увеличением ее диаметра частота тока должна быть ниже. При нагреве загото­вок диаметром до 150 мм применяют ток повышенной частоты (500-8000 Гц); при нагреве заготовок большего диаметра - ток промышленной частоты (50 Гц).

Преимущества индукционного нагрева: высокая скорость, в несколько раз превышающая скорость нагрева в печах; почти полное отсутствие окалины; возможность повышения температуры начала обработки без появления перегрева, удобство автоматиза­ции подачи и выдачи заготовок, улучшение условий труда.

Рис.26. Схемы электронагревательных устройств

Однако индукционное нагревательное устройство обладает меньшей универсальностью, поскольку рассчитано на нагрев за­готовки определенного диаметра. Силовая электроустановка стоит сравнительно дорого. Поэтому индукционный нагрев применяют лишь в цехах крупносерийного производства поковок.

Устройства электроконтактного нагрева (рис. 26,б). В уст­ройствах концы заготовки 1 зажимают между медными контак­тами 5, к которым подводится ток большой силы.

При прохождении тока через заготовку ввиду ее электриче­ского сопротивления в ней выделяется теплота, пропорциональ­ная квадрату силы тока. Концы заготовки, находящиеся под кон­тактами, нагреваются на 200-300° С меньше остальной ее части. Электроконтактный нагрев рационально применять для удлинен­ных заготовок. Диаметр заготовок не превышает 75 мм, так как при больших размерах очень сильно возрастают размеры силовых трансформаторов. Контакты из красной меди имеют низкую стойкость, выдерживая до зачистки около 1000 нагревов.

Контактный нагрев обладает теми же основными достоинст­вами, что и индукционный. Кроме того, электроконтактные уста­новки дешевле индукционных и позволяют легче осуществлять переход с нагрева заготовок одного диаметра на нагрев заготовок другого диаметра.