Нагревательные устройства. 
Материаловедение и технология материалов

Оборудование, применяемое для нагрева заготовок перед обработкой давлением, подразделяется на нагревательные печи и электронагревател ы i ые устройства.

К нагревательным печам относят оборудование, в котором теплота к заготовке передастся конвекцией и излучением из нагревательной камеры. Пол, стены и свод печей выполняются из огнеупорных материалов. Необходимую температуру (до 1300 °C и более) в печах получают сжиганием газообразного или жидкого топлива либо с помощью электрических нагревателей. По принципу действия печи подразделяются на камерные и методические.

К камерным относят печи, имеющие одинаковую температуру по всему рабочему пространству. Загрузку и выгрузку заготовок производят по мере необходимости. Такие печи обычно имеют одно окно.

Методические печи, как правило, вытянуты в одном направлении, имеют загрузочное окно, в районе которого устанавливается относительно невысокая температура, удлиненную камеру печи, по длине которой температура повышается вплоть до конечной вблизи у окна выгрузки (рис. 18.2, а). Нагреваемые заготовки перемещаются с установленной скоростью от загрузочного окна до окна выгрузки. В методических печах пламенного типа поток нагревающих газов направлен навстречу движению заготовок, что способствует их равномерному нагреву.

Основными параметрами, характеризующими нагрев металла перед обработкой давлением, являются температура, при которой заготовки помещаются в печь, скорость нагрева металла, конечная температура нагрева, время выдержки при заданной температуре, общая продолжительность нагрева.

Все эти показатели оказывают серьезное влияние как на процесс деформации, так и на свойства металла заготовки после ее формообразования обработкой давлением.

Температура в печи в момент ее загрузки зависит от марки стали или рода материала, а также от формы, размера и профиля на;

Рис. 18.2. Нагревательные устройства:

а — методическая печь (1 — наиболее нагретая часть; 2 — выгрузочные и наблюдательные окна; 3 — менее нагретая часть); 6 — нагрев проходящим током (1 — понижающий трансформатор; 2 — нагреваемая заготовка; 3 — токопроводы); в — установка индукционного нагрева (1 — генератор высокой частоты; 2 — индуктор; 3 — заготовка; 4 — батарея конденсатора) греваемой заготовки. Для стальных заготовок небольшого сечения (круглые заготовки диаметром до 100 мм) температуру печи обычно поднимают до 1200—1300°С.

Скоростью нагрева называют повышение температуры за единицу времени (T/t). Скорость нагрева зависит в основном от перепада температур нагреваемой заготовки и печи. Чем эта разница больше, тем больше скорость нагрева. Равномерность нагрева заготовки по сечению в первую очередь зависит от теплопроводности материала. Перепад температур между рабочим пространством печи и нагреваемой заготовкой в пламенных печах обычно составляет 150 °C.

Для уменьшения окисления материала заготовки, обезуглероживания и повышения производительности печи применяют так называемый скоростной нагрев.

При этом температуру печи повышают до 1400— 1500 °C, а рабочее пространство печи существенно уменьшают. Если при обычном нагреве отношение поверхности заготовки к поверхности печи составляет 1:4 или 1:5, то при скоростном нагреве это соотношение составляет 1:1,5 или 1:2.

Скоростной нагрев более экономичен, но при этом возрастает риск возникновения трещин в заготовке. Иногда его приводят в две стадии: первая — предварительный нагрев до 550—600°С с целью увеличения пластичности металла, а затем заготовки помещают в печь для высокоскоростного нагрева.

Кроме того, при скоростном нафеве, наряду с уменьшением времени пребывания заготовки в печи для достижения необходимой температуры, существенно возрастает скорость окисления. Так, если принять скорость окисления при 900 °C за единицу, то при 1000 °C она составит 2, при 1100 °C — 3,5, а при 1300 °C — 7.

Чтобы уменьшить окисление при скоростном нагреве, стараются избежать избытка кислорода, создавая в пространстве печи нейтральную или даже восстановительную атмосферу. Достигается это в пламенных печах регулированием процесса сгорания топлива.

Высокое содержание в атмосфере печи не сгоревших СО и Н₂ позволяет производить скоростной нагрев, исключая окисление поверхности заготовок.

С целью экономии топлива газы, отходящие из печи, используют для подогрева горючих смесей до 500—900°С. Это позволяет повысить эффективность работы и экономить до 35% топлива.

В электронагревательных устройствах теплота выделяется непосредственно в самой заготовке в виде теплоты сопротивления при пропускании через нее большой силы тока (рис. 18.2, б) либо при возбуждении в пей вихревых токов в специальных индукционных печах (рис. 18.2, в).

Контактный нафев обычно применяют в крупносерийном и массовом производствах для заготовок, имеющих постоянное сечение.

Желательно, чтобы длина заготовок была существенно больше их диаметра. Чаще всего элсктроконтактный нагрев используют для заготовок, предназначенных для гибки или местной обработки давлением, так как равномерный нагрев заготовки по всей длине в этом случае затруднен.

Время электроконтактного нагрева измеряется в секундах. Например, нагрев круглой заготовки диаметром 40 мм до 1200 °C происходит всего за 40 с.

При нагревании заготовки проходящим током основной частью установки является трансформатор, обеспечивающий необходимую силу тока. Первичная обмотка его обычно секционирована, что позволяет регулировать в необходимых пределах силу тока нагрева. Вторичная обмотка состоит чаще всего из одного, редко двух-трех витков. Такая конструкция обеспечивает напряжение на зажимах деталей 2—12 В и силу тока до 200 000—300 000 А. Сила тока выбирается исходя из рода материала, сечения нагреваемой заготовки и необходимой скорости нагрева.

Основной частью установки для индукционного нагрева (см. рис. 18.2, в) являются генератор повышенной частоты (50—8000 Гц) и собственно индуктор, выполненный в виде многовитковой спирали из медной круглой или прямоугольной трубы. В необходимых случаях индуктор охлаждается проточной водой, подаваемой по внутренней полости. Внутрь спирали помещается корпус камеры, выполненный из огнеупорного диэлектрического материала. Нагреваемые заготовки помещаются в корпус и перемещаются в нем с помощью толкателя.

По индуктору, подключенному к генератору повышенной частоты, протекает переменный ток, образующий поле индукции. Вследствие этого в заготовках, находящихся в переменном магнитном поле, возникают вихревые токи, сосредоточенные в основном в поверхностных слоях заготовки. Толщина нагреваемого слоя зависит от частоты тока; чем она выше, тем более поверхностным и интенсивным будет нагрев. Поэтому для разофева массивных заготовок иногда применяют промышленную частоту (50 Гц). Глубина прогрева в этом случае может достигать 25—30% от толщины заготовки. Прогрев по всему сечению, т. е. центральной части заготовки, происходит за счет теплопроводности. За время прохождения заготовки от входа в индуктор до выхода должен быть обеспечен нагрев до необходимой температуры.

Нагревательные устройства имеют преимущества перед печами: высокая скорость нагрева (в 10—15 раз выше, чем в печах), почти полное отсутствие окалины (в 4—5 раз меньше), удобство в работе, легкая автоматизация, экологичность. Серьезными их недостатками являются ограничения по габаритам нагреваемых заготовок, требования их постоянного сечения, необходимость для каждого типа и размера заготовки иметь соответствующий индуктор. Кроме того, КПД индукторов относительно невелик.

При выборе нагревательной печи помимо сказанного принимают во внимание группу заготовки. Принято разделять все заготовки на пять групп в зависимости от локальности нагрева.

К группам I и II относятся заготовки, у которых нагревается только один конец: однократно —группа I и многократно — группа.

II. К группе III относятся заготовки, у которых одновременно однократно нагревают оба конца. Группа IV указывает, что у заготовки нагревается только средняя часть. Группа V предусматривает одновременный нагрев всей заготовки.

При выборе типа нагревательной печи или устройства учитывают также серийность и массу заготовок.

Контрольные вопросы и задания

• 1. Как изменяются свойства металла при деформировании в холодном состоянии? Какова природа этих изменений?
• 2. Что такое «возврат», и при каких условиях он протекает наиболее интенсивно?
• 3. От чего зависит величина температуры нагрева при горячей обработке давлением?
• 4. Назовите возможные дефекты металла, вызванные нарушением температурного режима при нагреве заготовок для обработки давлением.
• 5. По каким признакам следует выбирать тип нагревательного устройства?