Учебное пособие: Платическая деформация и нагрев металла
Скоростной нагрев стальных заготовок в пламенных печах протекает в 3-4 раза быстрей по сравнению с обычным нагревом. Такому нагреву подвергают заготовки из конструкционной углеродистой стали диаметром или стороной квадрата до 100 мм. Он допускает нагрев около 1 см толщины заготовки в минуту. Скоростной нагрев стали снижает угар металла до 1% вместо 3%, который имеет место при обычном нагреве, уменьшает обезуглероживание поверхностного слоя и повышает производительность печи.
При нагреве происходит неравномерное расширение металлов. Поверхностные слои, нагретые до более высоких температур, расширяются больше, чем внутренние слои. Расширение поверхностных слоев притормаживается соседними внутренними слоями, которые при этом будут растягиваться вследствие расширения наружных. В результате этого наружные слои металла при нагреве будут испытывать напряжение сжатия, а внутренние растяжения.
Напряжения, возникающие в металле вследствие неравномерного прогрева, называются температурными или термическими напряжениями. Эти напряжения тем больше, чем больше разность температур по сечению заготовки. Термические напряжения могут возрасти настолько, что будет нарушена целостность металла (образуются трещины). Вероятность разрушения металла будет большая у высоколегированных и легированных сталей, а также при нагреве крупных заготовок. Поэтому металл необходимо нагревать с определенной допустимой для него скоростью нагрева.
Для ориентировочного определения времени, потребного для нагревания стальных заготовок толщиной более 150 мм или слитков до температуры начала обработки давлением обычным способом в пламенных печах, может служить формула Н.Н. Доброхотова. В.Ф. Копытова:
Т = к*K*D
пластический деформация металл нагрев
где Т - время нагрева, ч;
к - коэффициент, зависящий от расположения заготовок на поду печи;
К - коэффициент, равный для конструкционной углеродистой и низколегированной сталей - 10, а для высокоуглеродистой и высоколегированной сталей - 20;D - диаметр или толщина заготовки ,м.
Коэффициент, а берется из таблиц. Для круглой одиночной заготовки, нагреваемой в печи, к = 1, а при нагреве круглых заготовок, уложенных на поду печи в ряд вплотную друг к другу, к = 2;для одиночных квадратных и прямоугольных заготовок, уложенных на подставках, к = 1, а уложенных вплотную непосредственно на поду печи к = 4. Если заготовки расположены на поду печи на некотором расстоянии одна от другой, то коэффициент ? будет тем меньше, чем больше расстояние между заготовками.
При нагреве крупных заготовок, для уменьшения возникающих термических напряжений, температура печи при их загрузке должна быть значительно ниже конечной температуры нагрева, особенно при нагреве особо крупных слитков из легированной стали.
При нагреве цветных металлов продолжительность нагрева заготовок зависит не только от коэффициентов теплопроводности, но и от количества тепла, воспринимаемого наружной поверхностью, т.е. от качества поверхности, характеризующего степень ее черноты.
На качество продукции при горячей обработке давлением влияет не только температурный режим нагрева и обработки давлением, но и режим охлаждения и температура окончания обработки. Быстрое охлаждение продукции способствует увеличению термических напряжений, а следовательно, образованию наружных трещин, особенно у металлов с небольшой теплопроводностью. Поэтому для каждого рода материала установлен свой режим охлаждения. В случае окончания обработки давлением при температуре, превышающей указанную ранее температуру конца обработки, и медленном охлаждении полученная продукция (поковки) из заэвтектоидной стали, будет иметь грубую цементитную сетку, а из легированной стали карбидную сетку. Детали, имеющие в структуре эту или иную из упомянутых сеток, становятся хрупкими, а термическая обработка слабо устраняет этот дефект.
3) Нагревательные устройства. Нагрев заготовок перед обработкой давлением осуществляется в пламенных и электрических печах и электронагревательных устройствах. Пламенные печи являются наиболее распространенными. В них нагревают как мелкие заготовки, так и крупные слитки весом до 300 т. Пламенные печи работают на твердом (в том числе и пылевидном), жидком и газообразном топливе. Наиболее совершенными в отношении регулирования и получения минимальных потерь от физической и химической неполноты горения являются печи, работающие на газообразном топливе, и электрические печи.
Сжигание жидкого топлива осуществляется при помощи форсунок, которые обеспечивают хорошее смешивание топлива с воздухом и его распыление. Для сжигания газообразного топлива применяют газовые горелки, которые как и форсунки обеспечивают хорошее смешивание топлива с воздухом перед сжиганием. Сжигание пылевидного топлива производят с помощью горелок, имеющих специальные устройства, в которых угольная пыль посредством шнека и воздуха подается к горелке, а последняя обеспечивает хорошее смешивание воздуха с пылью путем завихрения пылевоздушного потока. Применение твердого топлива не желательно, так как сильно загрязняется печное отделение и к тому же невозможно регулировать температуру печи. Печи, работающие на твердом топливе, громоздки, поскольку для сжигания топлива необходима специальная топка. При сжигании топлива в пылевидном состоянии необходимы значительные затраты энергии и средств на размол топлива.
Нагревательные пламенные печи по конструкции и характеру распределения температур в рабочем пространстве печи делятся на камерные, в которых температура по всему рабочему пространству одинакова, и методические, у которых температура в рабочем пространстве повышается от загрузочного окна к окну выдачи нагретых заготовок.
Высокая температура в рабочей камере печи (1400-1500° С) достигается применением высококалорийного топлива и подогретого воздуха в рекуператорах. Горелки или форсунки в этих печах располагаются как над нагреваемыми заготовками, так и под ними.
При нагреве крупных заготовок в камерных печах для облегчения их загрузки и выгрузки применяют различные загрузочные механизирующие устройства, машины или печи с выдвижным подом и со съемным сводом.
Для уменьшения отхода на окалину применяют печи с использованием нейтральных или защитных атмосфер, составляющие которых не вступают в реакцию с нагреваемым металлом.
Разновидностью камерных печей являются нагревательные колодцы, которые находят применение в прокатных цехах для нагрева слитков, часто поступающих из сталелитейных цехов в горячем состоянии. Колодцами эти печи называют потому, что слитки в них загружают сверху и устанавливают вертикально, а сами печи чаще выкладываются в земле. Использование тепла горячих (неостывших) слитков обеспечивает экономию топлива
В камерные печи обычного нагрева заготовки загружают через определенные промежутки времени (периодически) партиями. При очередной загрузке температура в рабочей камере печи понижается тем резче, чем крупнее и легированные стальные заготовки, затем температура постепенно повышается и достигает заданной.
Для нагрева концов штанг и прутков (при работе на горизонтально-ковочных машинах) применяют щелевые печи, загрузочным окнам которых придают вид щели.
Муфельные печи имеют герметически закрывающийся ящик, называемый муфелем, который загружают металлом; нагревание его осуществляется без доступа воздуха и газов. Такой способ нагрева применяют как для стали, так и для специальных сплавов в целях исключения образования окалины.
Безокислительный нагрев стальных и других заготовок, кроме муфельных печей и печей с использованием нейтральных или защитных атмосфер, производят в специальных печах барабанного типа. В барабан печи заливают расплавленное стекло слоем толщиной 100 мм. Из примыкающей подогревательной камеры в барабан печи подаются заготовки, подогретые до 600°C, где они покрываются слоем стекла, которое предохраняет заготовки от дальнейшего окисления, а если заготовка уже была окислена, то окалина растворяется в расплавленном стекле. Нагретые таким способом заготовки на поверхности имеют тонкий слой стекла, который удаляют механическим способом. Нагрев в стекле протекает без риска пережога металла.
Методические печи имеют вытянутую форму. Длина этих печей в шесть и более раз превышает ширину. Температура в таких печах понижается в направлении движения пламени к загрузочному окну. В методических печах производится непрерывная выдача нагретых заготовок, методичный (постепенный) нагрев и лучшее использование тепла, образовавшегося при сгорании топлива, газов. Чем печь длиннее, тем полнее теплоиспользование. При выходе из методической печи отходящие газы имеют более низкую температуру, чем в камерных печах, поэтому эти печи экономичнее камерных.
Рабочее пространство методических печей разделено на две различные по величине части: большую, так называемую подогревательную камеру , и меньшую - со стороны топочных устройств, называемую нагревательной камерой. Заготовки поступают вначале в подогревательную камеру и продвигаются по поду печи, постепенно нагреваясь, затем попадают в нагревательную камеру, где нагреваются до требуемой температуры. Выдача заготовок производится через окна на торце или в боковых стенках нагревательной камеры.
Продвижение заготовок по поду печи осуществляется чаще всего с помощью механического толкателя.
Переходной конструкцией от камерной печи к методической является полуметодическая печь. Длина этой печи более ширины в 4-5 раз. В ней, как и в методической печи, нагревают заготовки, форма которых удобна для продвижения через печь. Эти печи обслуживают прокатное и штамповочное оборудование высокой производительности. Такие печи иногда обеспечиваются механизмом подачи заготовок от печи к обрабатываемой машине. В этом случае заготовка по мере продвижения по поду печи достигает отверстия , проваливается в него, попадая на заслонку , которая под тяжестью заготовки или посредством пневматического цилиндра открывается, и заготовка падает на транспортер , подающий заготовки, например, к штамповочной машине.
Для нагрева заготовок применяют печи с вращающимся подом (карусельные). Печь кольцевого типа представляет собой как бы свернутую в кольцо узкую длинную методическую конвейерную печь. Эти печи позволяют в широких пределах регулировать желаемый режим нагрева металла путем изменения скорости вращения пода, расположения горелок и подачи топлива. Нагрев металла в этих печах протекает быстрее и равномернее, так как заготовки на поду печи укладываются на некотором расстоянии одна от другой. Угар металла при нагреве в этих печах меньше, чем в печах с толкателем заготовок по поду, поскольку в последних заготовки укладываются вплотную друг к другу и требуется большее время нагрева и, кроме того, при продвижении заготовок в печи сбивается окалина и происходит повторное ее образование.