книги из ГПНТБ / Несенчук, А. П. Тепловые расчеты пламенных печей для нагрева и термообработки металла учеб. пособие

Г л а в а 2. ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ ПЛАМЕННОЙ ПЕЧИ

Температурный режим печи разрабатывается в соответствии с принятыми температурным и тепловым графиками, которые стро­ ятся в строгом соответствии с параметрами технологических карт тепловой обработки изделия.

Особо важное значение при разработке температурного режима имеет правильный выбор числа температурных зон рабочего про­ странства, . ..... .............. .

2.1. ТЕМПЕРАТУРНЫЙ И ТЕПЛОВОЙ ГРАФИКИ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛА

При рассмотрении температурного и теплового графиков термо­ обработки и нагрева, а также в последующих главах будут исполь­ зованы следующие обозначения:

U — температура дымовых газов, ° С (Тг, ° К );

tri — температура дымовых газов в расчетном сечении і-й зоны печи, ° С (Тп,° К);

^г.эагр — температура дымовых газов в момент загрузки камерной печи, °С (Гг.загр, °К);

tu — температура металла, °С (Гм, °К);

4ю — температура металла при его загрузке в печь, ° С

(Т’мо.'К);

tm — температура металла в расчетном сечении і-й зоны печи,

(Гмт., °К) (обозначение введено только для камерных печей);

11

Дli — средний температурный напор между поверхностью ме­ талла и газами в і-й зоне печи, ° С (ДТ{, ° К );

Д^нач — начальная неравномерность прогрева металла в расчет­ ном сечении, ° С (АТиЯч, ° К);

ДЛ;он — конечная неравномерность прогрева металла в расчетном сечении (как правило, на выдаче из печи), °С (Д^кон, 0 К).

Выбор числа регулируемых зон, а также геометрических харак­ теристик рабочего пространства во многом определяется характером температурного графика термообработки или нагрева стали.

Температурный график строится согласно требованиям техно­ логии термообработки (нагрева) металла. Чтобы построить такой график, используются данные технологических карт, составленных

Рис. 2.1. Деталь, подлежащая термообработке.

для данного рода тепловой обработки. Из технологической карты выбирается вид обработки (например, закалка полная, отпуск низ­ кий и пр.) и характерные для данного вида обработки температуры металла. Температура продуктов сгорания в разных сечениях печи выбирается или рассчитывается исходя из соображений скорости нагрева, стойкости огнеупоров и в соответствии с технологией тепло­ вой обработки. При разработке температурного графика необходи­ мо четко представлять технологию операции тепловой обработки.

В качестве наглядного примера рассмотрим случай, когда тре­ буется выполнить термообработку шестерни (рис. 2.1), изготовлен­ ной из легированной стали 20ХНР. В соответствии с технологиче­ ской картой термообработки шестерня подвергается следующим видам тепловой обработки: цементации (при температуре операции 940+10° С), ступенчатой закалке [нагрев выше температуры tAC, (940+10)], выдержке при этой температуре и последующему быст­ рому охлаждению в масле МС20 с выдержкой при температуре, несколько большей температуры начала мартенситного преобразо­ вания tu.n [/м.н+(20—30)° С], отпуску низкому при температуре 190+10° С, который применяется для изделий из легированной и углеродистой стали после закалки изделий, подвергнутых цемен­ тации с целью снятия внутренних напряжений и превращения не­ устойчивых структур закаленного состояния в более устойчивые.

Зная производительность печи, вид термообработки и номенкла­ туру деталей, которые могут обрабатываться по одному и тому же температурному графику, можно выбрать тип и число единиц тепло­ механического оборудования, на которых будут выполняться отдель­ ные операции термообработки (цементация, закалка, отпуск). При­ чем, как правило, можно выбрать несколько вариантов термообра­

12

ботки. Например, линия термообработки шестерни (рис. 2.1), может выглядеть так: цементационная печь — закалочная — отпускная печь. Однако такая схема — наименее приемлемый вариант терми­ ческой обработки, так как в ней содержится большое число единиц технологического оборудования. Наиболее рациональным будет такой вариант: цементационная печь — закалочно-отпускной агрегат или цементационно-закалочно-отпускной агрегат (безмуфельный), где в одном устройстве детали последовательно проходят все виды термической обработки. Этот вариант технологической линии обла­ дает рядом бесспорных преимуществ и в последние годы широко внедряется на машиностроительных и автотракторных предприятиях

страны.

Сделав выбор варианта линии тепловой обработки заготовки или изделия и числа единиц теплотехнического оборудования для каждой печи, входящей в линию, определяют число регулируемых зон рабочего пространства.

2.2. ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ТЕМПЕРАТУРНОГО ГРАФИКА ТЕРМИЧЕСКИХ И НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ

В параграфе рассматривается методика выбора температур металла и дымовых газов в характерных сечениях печи (начало и конец каждой регулируемой зоны), которые при разработке тем­ пературного графика ложатся в его основу.

Температура садки металла всегда задается. Так, если металл перед посадом в печь не подогревается, то температура условно счи­ тается равной 20° С, причем температура в центре и на поверхности изделия принимается одинаковой. Это относится к термическим и нагревательным печам (ковка, штамповка, прокатка).

значно.

Температура поверхности металла на выходе из методической зоны нагревательной печи никогда в справочной литературе одно­ значно не задается. Так, при безокислительном нагреве стали в от­ крытом пламени эта температура обычно составляет примерно

1000° С, зависит от совокупности технологических и режимных фак­ торов и в каждом случае решается по особому. Температура метал­ ла в центре (малоуглеродистая сталь) на выходе из первой зоны является расчетной величиной и при построении температурного графика вначале наносится условно. Если нагревается углеродистая или легированная сталь, то, как правило, температура в центре (іцмі) находится с учетом максимального температурного перепада в сечении (^цмі^500°С), а температура на поверхности рассчиты-

13

Таб л . 2.1. Температуры tАС3 н t ACi для некоторых марок сталей

14

вается после определения іцмі. Конечно, температура металла в центре находится лишь при условии, что заготовка представлена массивным телом, ибо в противном случае температуры на поверх­ ности и в центре мало отличаются между собой.

Для термических и камерных печей первая зона температурного графика соответствует завершению основного нагрева металла. Рабочее пространство печи, где происходит основной нагрев, можно представить одной или несколькими регулируемыми зонами. Все это определяется размерами печи, и в частности отношением ее длины к среднему размеру поперечного сечения. Если зона основного на­ грева очень длинна и регулирование температуры в ней затруднено, то она разбивается на несколько регулируемых зон, в которых под­ держивается одинаковая температура. Как видно, одной зоне тем­ пературного графика может соответствовать несколько регулируе­ мых зон печи.

Ликвидация неравномерности прогрева заготовки или изделия по сечению при термообработке достигается загрузкой металла в зону выдержки (зона, следующая за основным нагревом), причем температурой центра металла на выходе из зоны выдержки задают­ ся исходя из допустимого перепада температур в расчетном сечении. В камерных печах зоны выдержки нет, и поэтому металл выдержи­ вается в той же камере, где происходил основной нагрев. Темпера­ тура металла на поверхности в обоих случаях рассчитывается. В нагревательных печах температура металла на его поверхности при поступлении в сварочную зону принимается равной температуре операции ковки, штамповки или прокатки. Значения ее могут быть взяты из справочной литературы или соответствующих технологиче­ ских карт. Здесь также требуется определить температуру металла на выдаче из печи.

Для этого целесообразно предположить, что температура метал­ ла в центре заготовки по истечении времени выдержки принимает значение температуры операции нагрева. Температура же металла на поверхности, как и в случае термообработки, рассчитывается в соответствии с допустимым перепадом температур по сечению.

На характер температурного графика значительно влияет тем­ пература дымовых газов в зонах. При термообработке температура продуктов сгорания топлива в каждой зоне печи условно принимает­ ся постоянной. Ее абсолютное значение выбирается таким, чтобы между газами и поверхностью металла во всех сечениях зоны под­ держивался определенный температурный напор. Этот напор для термических и нагревательных печей определяется в соответствии с термофизическими свойствами нагреваемого металла и целым рядом факторов технологического характера. Обычно он составляет 50—250° С. Причем для томильной зоны методических нагреватель­ ных печей его значение на 50—100° С ниже, чем для сварочной. В камерных печах порядок температурного напора тот же.

15

2.3. ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ГРАФИКИ ПЕЧЕЙ ДЛЯ ТЕРМООБРАБОТКИ

При построении температурного графика термообработки при­ ходится учитывать целый ряд факторов, в том числе скорости на­ грева и охлаждения. Что касается скоростей.охлаждения, то при закалке они принимаются всегда выше критических. Скорости нагрева (определяющие температурные перепады At) металла мо­ гут быть самые разнообразные (но не более 210° С для крупных поковок). В основном скорость нагрева зависит от требуемого тер­ мообрабатываемого слоя, а также допустимой разности температур.

Процесс термообработки расчленяется на три этапа: нагрев изделия с заданной скоростью до требуемой температуры (на по­ верхности изделия); выдержка при этой температуре с целью вырав­ нивания температуры изделия или заготовки по сечению (выдержка изделия в печи нужна только для массивных тел, у которых наблю­ дается значительная неравномерность прогрева металла по сече­ нию); в отдельных случаях, как это имеет место при цементации, требуется дополнительная выдержка, вызванная необходимостью образования требуемой структуры цементируемого слоя и охлажде­ ние с заданной скоростью. Металл охлаждается в водных растворах солей, масле, различного рода эмульсиях и пр. При закалке зона охлаждения печи отсутствует, так как при такой операции требуют­ ся высокие скорости охлаждения, превосходящие критические, и осу­ ществить этот процесс в рабочем пространстве печи, где интенсив­ ность теплообмена сравнительно невелика, невозможно.

Выбрать параметры и построить температурные графики термо­ обработки можно, используя данные работ [1]—[3] и соответствую­ щих технологических карт. Ниже в качестве примера рассмотрим некоторые температурные графики отдельных видов термообра­ ботки.

Как известно, Процесс з а к а л к и представляет собой разно­ видность термической обработки, обусловливающей получение не­ равновесных структур превращения или распада аустенита при рез­ ком его переохлаждении со скоростью выше критической. В соответ­ ствии со сказанным закалка осуществляется нагревом стали до заданной температуры, выдержкой при этой температуре (для вы­ равнивания температуры в сечении) и быстрым охлаждением. Процесс охлаждения протекает вне печи в специальной закалочной ванне. Согласно технологии, закалочные печи могут быть одно-, двух- и трехзонными. Однозонной печь выполняется для отдельных видов закалки и Ві<0,5.

На рис. 2.2—2.5 изображены примерные температурные графи­ ки для различных видов закалки. Заметим, что процесс закалки подразделяется: по условиям нагрева (полная Зп и неполная за­ калка Знп); по условиям охлаждения и изменению структуры (сту­ пенчатая изотермическая З ст, изотермическая на тростит З„30.т, закалка изотермическая на сорбит 3 І13о.с, прерывистая Зпр, закалка с подстуживанием Зпст, закалка с самоотпуском З со); по условиям воздействия внешних факторов (закалка светлая З св, чистая Зч, под

16

давлением Здвл); по условиям изменения структуры или твердости на поверхности и сечению (закалка местная дифференциальная Зм.д, поверхностная Зп0в).

В каждом конкретном случае выбор числа температурных зон печи и организация их режима должны согласовываться с видом закалки.

Так, полная закалка Зп осуществляется нагревом изделия до температуры, несколько большей интервала превращений — точки Іасз- Такой нагрев осуществляется в первой зоне печи, причем на

выходе из зоны поверхность металла должна быть нагрета до тем­ пературы ^пмі= ^асз+ (20—30°С). Затем металд—ноступает D-ao»y— выдержки, где выдерживается при температуре ^ | ^ сге^енйе вре- _

2 Зак. 581

меня, необходимого для выравнивания температуры в контрольном сечении изделия. Во второй зоне печи температура дымовых газов несколько ниже, чем в первой зоне. Это делается с тем, чтобы не вызвать перегрева поверхности выше температуры + с 3+ ( 20—30°С). Охлаждение изделия происходит вне печи. Как видим (рис. 2.2),

Полная закалка применяется для отливок, поковок и механически обработанных деталей с целью получения высокой твердости, высо­ ких механических свойств и износостойкости. Быстрорежущие стали

же для инструмента), при повышенных требованиях минимальной деформации в процессе термообработки. Требуемые механические свойства изделий, подвергнутых ступенчатой закалке, получаются после соответствующего отпуска. Ступенчатая закалка состоит из нагрева изделия или заготовки до температуры Сѵс3+ (20—30° С) (первая зона), выдержки при этой температуре (вторая зона) для выравнивания температуры по сечению (как и в случае Зп, темпе­ ратура продуктов сгорания во второй зоне несколько ниже, чем в первой зоне), быстрого охлаждения в жидкости до заданной тем­ пературы и выдержки при этой температуре.

Температура охлаждающей жидкости при ступенчатой закалке обычно принимается равной +.п+ (2 0 —40° С) (+.ц— температура начала мартенситного преобразования), а при закалке быстрорежу­ щих сталей — +.3+350° С. В качестве охлаждающей жидкости используются расплавы едких щелочей (поверхность изделий полу­ чается светлой). Масло применяется только для ступенчатой закалки после цементации.

Поверхностная закалка Зп0в (рис. 2.4) включает нагрев с боль­ шой скоростью до температуры на поверхности + с 3+ (2 0 —30° С) и, минуя выдержку, быстрое охлаждение. Применяется для деталей машин, а также инструментов, которые имеют высокую прочность и твердость поверхностного слоя, обладают высокой износоустойчи­ востью и повышенной усталостной прочностью. При такой закалке получается минимальная деформация изделия (по сравнению с за­ калкой объемной).

Широкое распространение получил способ поверхностной за­ калки с нагревом т. в. ч. и частично газокислородным пламенем. Такая закалка применяется для шеек коленчатых валов, шеек и ку­ лачков распределительных валов, поршневых пальцев, гильз цилин­ дров двигателей внутреннего сгорания, зубьев шестерен, валов шпинделей и направляющих станков, изготовляемых главным обра­

18