3.4. Нагрев заготовок

Заготовки представляют собой уже деформированный металл, а размеры их меньше слитков, поэтому режим нагрева у заготовок ( проще. В зависимости от химического состава металла и размеров заготовок применяют различные режимы нагрева. В промышлен­ности за последние 30—40 лет наблюдалась тенденция к значитель­ному увеличению скорости нагрева металла. Старые нормы, согласно которым заготовки для ковки и штамповки нагревались медленно и с большими выдержками, давно отменены, и большее применение получили режимы ускоренного нагрева металла (особенно при штамповке).

Широко практикуется нагрев мелких и средних заготовок с лю­бой достижимой скоростью. Только скорость нагрева некоторых специальных сплавов ограничена (в период нагрева их до 500°С).

Необходимый интервал температур в пределах допустимого определяется по затрачиваемому времени на ковку, штамповку в зависимости от сложности технологического процесса, числа требующихся ходов или ударов машины, быстроходности обору­дования и механизации вспомогательных операций. Для точного определения этого интервала необходимо сопоставить продолжи­тельность остывания стали в допустимом интервале температур с продолжительностью технологического процесса. Время штам­повки часто оказывается меньше времени остывания стали в до­пустимом интервале температур, поэтому появляется возможность выбора оптимального интервала температур.

Рис. 38. Зависимость продолжительности нагрева стальных заготовок до 1200°С от их диаметра при различной температуре печи (а); сокращение продолжительности нагрева стали в зависимости от температурного напора в конце нагрева (б):

I — нагрев в обычных печах; II — скоростной нагрев

Для уменьшения расхода энергии штамповку целесообразно проводить при более высоких температурах. Если предусмотрена термическая обработка поковок, то штамповку можно начинать при максимально допустимой температуре и заканчивать при тем­пературе даже выше 1000°С. Однако во избежание снижения стойкости необходимо не интенсивное охлаждение штампов.

Для того чтобы обеспечить высокую температуру начала штам­повки, максимальную производительность штамповочного агре­гата и минимальные потери металла в угар, нагрев металла про­изводят с максимально допустимым температурным напором. При этом температура перегрева стали немного повышается. За­готовки для ковки и штамповки можно нагревать без выдержки в конце нагрева для выравнивания температуры по сечению. При этом допускаются значительно большие перепады темпера­тур между поверхностью и серединой заготовки, чем в случае нагрева слитков.

На рис. 38, а дана зависимость продолжительности нагрева стальных заготовок диаметром до 60 мм, нагреваемых по 1 шт. по 1200°С при различных температурах печи. Как видно из гра­фика, продолжительность нагрева становится небольшой при тем­пературе печи 1400°С и особенно при 1500°С (в печах скоростного нагрева).

Увеличение температурного напора между печью и металлом _в конце нагрева приводит к уменьшению времени нагрева (рис. 38, б). По оси абсцисс откладывают величину температурного напора в конце нагрева металла. По оси ординат откладывают ко­эффициент относительного сокращения времени нагрева металла c=(t₁₂₀₀-t_м)/t₁₂₀₀100% (t₁₂₀₀ — время нагрева данной заготовки до температуры1200°С без температурного напора в конце нагрева; t_м — время нагрева при наличии температурного напора). Если обычные условия работы печей при температуре 1300—1350°С соответствуют конечному температурному напору 100—150°С, то при скоростном нагреве температура печи достигает 1500°С, а конечный температурный напор 300°С. При сверхскоростном нагреве металла (например, в зоне керамического кожуха го­релки, разогретого потоком сгорающего газа до 1650—1700°С) конечный температурный напор может достигнуть 450—500°С. Величина температурного напора между печью и металлом в конце нагрева определяет перепад температур между поверхностью и серединой заготовки в процессе нагрева. При больших сечениях заготовок этот перепад при скоростном нагреве может достигать 600—700°С.

В табл. 11 приведена продолжительность нагрева некоторых углеродистых сталей при температуре печи 1350°С с учетом температуры начала ковки и штамповки.

На практике часто используют удельное время нагрева на единицу диаметра или стороны квадрата. Этот метод расчета нельзя считать достаточно строгим, так как удельное время на­грева стали не постоянно в большом диапазоне размеров сечения прутков.

Для расчета времени нагрева заготовок можно использовать различные справочные данные, в том числе и данные (см. рис. 38), которые относятся к нагреву одной

Табл. 11

Продолжительность нагрева (мин) углеродистой стали

с, %	Температура начала ковки, штамповки, °С	Диаметр заготовки, мм
		25	50	75	100
0,4 0,7 1,1	1275 1250 1200	4 3,5 3	8,5 8 7	11 10 9	15 13,5 12

Табл. 12

Зависимость коэффициента увеличения времени нагрева металла от расположения заготовок на поду печи

Расположение заготовки	Коэффициент увеличения времени для заготовок
	круглых диаметром Do	квадратных с размером грани a0
На подставке (единичная) На поду (единичная) Без зазора Расстояние между заготовками в долях от D0 или а0 0,12 0,25 0,5 1,0 2,0 3,0	1 0 1,0 2,0 1,65 1,47 1,32 1,2 1,1 1,0	1,0 1,25 3,0 2,3 1,95 1,5 1,4 1,3 1,25

заготовки. Если в печи нагре­вают группу заготовок, то время нагрева увеличивается, но не одинаково в зависимости от формы сечения заготовок и расстоя­ния между соседними заготовками.

Зависимость коэффициента увеличения времени нагрева от расположения заготовок на поду камерной печи видна из табл. 15.

Расчеты производительности печей показали, что наиболее целесообразное расположение заготовок на поду соответствует расстоянию между ними для круглых заготовок (0,15—0,25) D₀ и для квадратных по сечению заготовок (0,33—0,5) а₀.

На продолжительность нагрева, кроме диаметра заготовки, влияет отношение диаметра заготовки к ее высоте. По данным ЦНИИТМАШа, за счет изменения величины этого отношения от 0,25 до 2 время нагрева может быть сокращено почти наполовину:

D₀/H₀ 0,25 0,33 0,4 0,5 0,66 0,8 1 2

Коэффициент сокраще-

ния времени нагрева 1,0 0,96 0,92 0,86 0,77 0,73 0,66 0,48

П ри нагреве электрическим током теплота возникает внутри заготовки, следовательно, скорости нагрева могут быть более высокими, чем при нагреве даже в печах скоростного пламенного нагрева. При индукционном нагреве теплота по сечению распре­деляется неравномерно (более высокие температуры имеют на­ружные слои заготовки), причем, чем больше глубина проникнове­ния тока, тем меньше неравномерность, уменьшающаяся в даль­нейшем за счет теплопроводности. Как известно, с уменьшением частоты тока эквивалентная глубина проникновения тока ρ уве­личивается (рис. 39). Приведенный график позволяет определить диапазон (заштрихованная часть) рекомендуемых частот при сквозном индукционном нагреве цилиндрических заготовок для штамповки диаметром 10—200 мм из низколегированной конструк­ционной стали. При построении нижней границы интервала ча­стот было использовано выражение

О 20 40 60 80 100 120 140 160 180 D₀, мм

Рис. 39. График для определения частоты тока f при инду­кционном нагреве круглых заготовок из конструкционной стали (по М. Г. Лозинскому)

Механизированная установка для нагрева перед штамповкой мерных заготовок показана на рис. 40, а. При продолжительном нагреве на заготовках обра­зуется большая окалина. Для создания в индукторе защит­ной атмосферы через него пропускают нейтральный газ.

В качестве защитных атмосфер могут быть применены аргон, а также взрывобезопасные среды. Такие среды, создаваемые, например, из технического азота и природного газа, не содер­жат больших количеств СО (3,0—7,5%) и Н₂ (1,5—7,0%). Защитную атмосферу из природного газа получают при его сжи­гании и специальной обработке с добавкой свежего природного газа, в результате которой образуется среда, содержащая 1—3% СО и 3—9% Н₂. Регулированием состава атмосферы при нагреве стали можно получить любой из следующих составов газов: на­углероживающий, нейтральный или обезуглероживающий.

Р ис. 40. Механизированные установки индукционного нагревателя методического действия с поршневым толкателем (а) и с толкате­лем кривошипного типа (б)

1 - подвод нейтрального газа; 2—индуктор; 3 — мерные заготовки; 4 — наклонное загрузочное устройство;

5 — пневмотолкатель; 6 — кривошипный толкатель

Современные индукционные нагревательные установки обес­печивают нагрев круглых, квадратных и полосовых прутков. Индукторы должны быть расположены строго горизонтально во избежание притока воздуха (кислорода) и значительного увели­чения окалины. При вертикальном расположении индуктора угар стали превышает 3%, тогда как при горизонтальном его положе­нии угар составляет только несколько десятых долей процента.

Щелевые нагреватели применяют для концевого нагрева прут­ков, двух- и трехручьевые нагреватели обеспечивают более высо­кий темп работы оборудования по сравнению с одноручьевой на­гревательной установкой. В начале индукционного нагрева обра­зуется большой перепад температуры по сечению, который к концу нагрева уменьшается. Почти полное выравнивание температур происходит очень быстро, обычно за время переноса заготовки от индуктора к штампу. Способ ускоренного индукционного нагрева основан на применении индукторов с переменным шагом витков.

Р ис. 41. Продолжительность индукционного нагрева круглых стальных заго­товок (по Л. Н. Шамову):

А — обычный и Б — ускоренный

Вначале заготовка попадает в зону плотного расположения вит­ков, потребляя наибольшую мощность, при этом заготовка нагре­вается с поверхности д'о заданной температуры и в дальнейшем при поступлении заготовки в зоны с расположением витков с большим шагом мощность потребляемого тока меньше, но бы­стрый разогрев обеспечивается за счет теплопроводности. При этом время нагрева сокращается примерно в 3 раза, производи­тельность установок может возрасти от 1 —1,5 до 4—5 т/ч, что обеспечивает необходимые темпы изготовления поковок даже на быстроходном специализированном оборудовании.

Ориентировочные данные о продолжительности обычного и ускоренного нагревов в индукторе до температуры начала штам­повки приведены на рис. 41 (температура поверхности 1250°С, перепад температуры Δt = 100°С).

При контактном нагреве неравномерное распределение тем­пературы наблюдается и вдоль оси заготовки, причем в этом слу­чае теплопроводность не способствует значительному выравни­ванию температуры. Однако неравномерность прогрева по сече­нию здесь значительно меньше, чем при индукционном нагреве, и теплопроводность играет ту же роль, что и при индукционном нагреве. Продолжительность нагрева в контактных установках зависит от характеристики установки. Ниже приведена средняя продолжительность нагрева стали электроконтактным способом.

Диам. заготовки, мм	Продолжительность нагрева, с	Диам. заготовки, мм	Продолжительность нагрева, с	Диам. заготовки, мм	Продолжительность нагрева, с
20	10	30	22	46	52
22	12	34	28	50	61
25	15	38	35	60	90
28	20	42	43	70	120

Скорость контактного нагрева зависит от плотности тока, а также от удельного сопротивления металла заготовки. Продол­жительность нагрева металла при контактном способе немного больше, чем при индукционном нагреве.

Из сопоставления различных способов электронагрева металла следует, что они дополняют друг друга. Индукционный способ, являясь наиболее универсальным, довольно трудно осуществим для нагрева и особенно подогрева фасонных

Табл. 13

Сопоставление некоторых показателей различных способов электронагрева металла

Способ нагрева	Затраты в относительных единицах		К.п.д, по нагреву	Минималь­ный расход энергии, кВт· ч/т
	на установку	энергии на нагрев
Индукционный Контактный Электролитный	1 0,45 0,28	1 0,8 0,55	0,4-0,65 0,6-0,7 0,3-0,45	400 325 250

заготовок. Заготовки большой длины целесообразно нагревать способом контактного электронагрева.

Специфика электролитного нагрева состоит не только в том, что его применяют для мелких заготовок, но и в том, что он исклю­чает окисление поверхности металла и очищает ее от любого загрязнения в процессе нагрева. При нагреве в электролите одно­временно происходит термохимическая обработка металла. Этим способом в процессе нагрева можно насытить поверхностный слой металла серой, медью, никелем, азотом и т. п. Это может быть использовано и для создания пластифицированного слоя, полу­чения повышенных механических свойств металла, для предот­вращения его насыщения нежелательными элементами и корро­зионных процессов.

Ориентировочные технико-экономические показатели различ­ных способов электронагрева приведены в табл. 13.

Незначительная продолжительность нагрева способствует уменьшению потерь металла в окалину. Для углеродистых сталей начало интенсивного окалинообразования соответствует 675— 700°С. Плотный начальный слой окисла затрудняет дальнейший процесс угорания металла, так что скорость окисления падает по параболическому закону

х² = kt,

где: x — прирост массы вследствие образования окалины; k — коэффициент пропорциональности; t — время.

Окалина плотно соединяется с металлом, из которого она обра­зовалась, в том случае, если разница плотностей металла и ока­лины невелика. В других случаях слой окалины отстает от ме­талла, при этом скорость его окисления постоянна и выражается законом прямой линии

х = kt.

Появление окалины сопровождается образованием нескольких слоев окислов, богатых кислородом. Слой, прилегающий непосредственно к металлу, содержит окисел FeO. По данным

В.А. Куроедова, при 700°С окалина на стали состоит из окислов, которые находятся в таком соотношении: FeO : Fe₃0₄ : Fe₂0₃ = 100 : 10 : 1. С повышением содержания углерода в стали (на­чиная с 0,3%) потери от угара уменьшаются. Легирование стали также приводит к уменьшению угара. Легирующие элементы (Cr, A1, Si, Ni) приводят к образованию окалины, имеющей при­мерно одинаковый со сталью коэффициент расширения. Стали, которые образуют сплошную нерастрескивающуюся пленку окис­лов, защищающую от дальнейшего окисления, называют жаро­упорными. Пары воды, находящиеся в атмосфере печи, делают окалину рыхлой и впоследствии легко отделимой, но ускоряют угар металла.

Окалину подразделяют на первичную, образующуюся при нагреве перед ковкой, штамповкой, и вторичную, образующуюся в процессе ковки, штамповки, и при последующем охлаждении поковки. Опытным путем установлено, что вторичная окалина достигает 0,5—0,6%.

Обычно считают, что первичная окалина в среднем составляет 1,5—2,5% от массы нагреваемого металла. Однако величина угара металла в камерных и методических печах без применения защит­ной атмосферы достигает 3—4%.

На величину угара влияет большое число факторов. Отношение размеров заготовки (H₀/D₀) определяет кратчайший путь, обес­печивающий сквозной прогрев заготовок: если D₀ < Н₀, то квозной нагрев заготовки происходит по ее радиусу; если D₀ > H₀, то прогрев заготовки произойдет вдоль ее оси. С другой стороны, отношение размеров заготовок определяет их положе­ние на поду печи. Высокие заготовки D₀ < Н₀ укладывают на поду в горизонтальном, а низкие D₀ > Н₀ устанавливают в верти­кальном положении. Различное положение заготовок изменяет условия нагрева и окисления металла, так как со стороны пода металл холоднее и окисляется меньше. При нагреве длинных прутковых заготовок угар зависит и от их длины и диаметра (рис. 47).

О кисление поверхности заго­товки протекает неравномерно. Например, у квадратных загото­вок сильнее угорает металл грани, обращенной к своду (угар со сто­роны этой грани в методической печи составляет 40% от общего).

Рис. 42. Угар стали в зависимости от диаметра и длины заготовки (по М. А. Касенкову)

Несколько меньше угорает металл на грани заготовки, обращенной к сварочной камере (28%), затем на задней грани (18%), еще меньше на грани, прилегаю­щей к подине (11%), и на торцах длинных заготовок (3%). Окалина повышает теплопередачу, что приводит к некоторому уменьшению продолжительности нагрева. Количество окалины возрастает особенно быстро при температурах выше 900°С. Если принять величину окисления при 900°С за единицу, то при более высоких температурах количество окалины прогрессивно увели­чивается:

Температура, °С 900 950 1000 1100 1300

Коэффициент

увеличения окалины 1 1,25 2 3,5 7

Исходя из этих данных, нагревать свыше 900°С следует по возможности быстро, тем более, что образование по сечению заготовки значительного температурного перепада при этих температурах безопасно для любого сплава.

При повышении скорости движения газов до 0,1 м/с интен­сивность окисления стали увеличивается. Дальнейшее возраста­ние скорости движения газов не увеличивает их вредного воздей­ствия.

В расчетах вместо постоянной величины угара 1,5—2,5% следует принимать более точные ее значения с учетом диаметра и длины нагреваемой заготовки. При повторном нагреве (подо­греве) общий угар возрастает примерно в 1,5 раза.

Сокращение продолжительности нагрева с целью уменьшения угара не является единственным средством, хотя и позволяет уменьшить окалину в 1,5—2,0 раза, например при скоростном нагреве. Целесообразно применять для этой же цели защитную атмосферу. При работе без избытка кислорода в печи угар металла резко сокращается.

В связи с переводом нагревательных печей в кузнечных цехах на газовое топливо проблема безокислительного нагрева металла перед штамповкой решается более просто. На ряде заводов успешно эксплуатируют печи для мало- или безокислительного нагрева. Общая их характеристика следующая. Коэффициент расхода воздуха печей, равный 0,45—0,55, зависит от состава нагревае­мой стали. Температура подогрева воздуха —600°С. Газ рекомен­дуется подогревать до 500—600° С. В некоторых конструкциях печей осуществлен принцип двухстадийного сжигания газа. Футеровку применяют карборундовую. Для подогрева воздуха используют рекуператоры из жаропрочных материалов. Такие печи имеют к.п.д. до 35%. Напряженность пода 500—600 кг/(м²ч) и производительность 1000—3000 кг/ч. Первичная окалина не превышает 0,1—0,15%, т. е. в несколько раз меньше вторичной, образующейся в процессе ковки, штамповки.

Для уменьшения угара все большее применение получают различные покрытия и обмазки металла перед нагревом. Эти средства перспективны даже для специальных сплавов, нагреваемыx и обрабатываемых в вакууме и в среде инертных газов. Дело в том, что обмазки и покрытия, кроме предотвращения окалинообразования, обезуглероживания и насыщения металла газами, оказывают и другие положительные влияния. Они пони­жают усилие, необходимое для деформирования, и способствуют лучшему заполнению металлом ручьев, так как служат смазыва­ющим средством, понижают разогрев и деформацию рабочих кромок штампов (являясь теплоизолирующим средством), умень­шают скорость остывания металла, что увеличивает возможное время его деформации и создает условия для прогрессивного изо­термического режима ковки, штамповки.

В качестве покрытий и обмазок, в большей или меньшей сте­пени удовлетворяющих указанным требованиям, применяют кол­лоидные растворы стекла в изопропаноле, стекловые обмазки на основе сульфитных щелоков, литиевые покрытия и др. Наибо­лее перспективно применение покрытий на холодный металл в виде суспензий стекла и покрытий металла расплавами стекла. Для получения тонкой пленки стекла (0,1 мм) вязкость расплав­ленного стекла не должна превышать 10 Нс/м² (100 П), обычное натриевое стекло (оконное) имеет такую вязкость при 1400°С, при 1200°С вязкость повышается до 50—60 Нс/м² (500—600 П).

В настоящее время применяют составы стекол, не содержащие дефицитных составляющих, обеспечивающих тонкую и сплошную пленку на металле, которая должна служить смазывающим и теп­лоизолирующим слоем. Для этого можно применять комбиниро­ванные, двойные обмазки в холодном и нагретом состояниях металла.

В Московском институте стали и сплавов разработаны и опро­бованы стеклосмазки из стекол, содержащих Si0₂; A1₂0₃; В₂0₃; Na₂0; CaO и MgO, для безокислительного нагрева коррозионно-стойких, жаропрочных и различных титановых сплавов. Стекла, измельченные до фракции 40—50 мкм, образуют суспензию плотностью 1,6—1,8 г/см³ при смешивании с целлюлозным щелоком (отход бумажного производства) и в таком виде их наносят на поверхность холодных заготовок и слитков перед нагревом.

При ковке и штамповке тугоплавких металлов и сплавов кроме окисления имеется опасность насыщения их газами и ухуд­шения механических свойств. Первичную обработку этих сплавов ведут при температуре 2400—1400° С. Для уменьшения окисления и предотвращения охрупчивания сплавов их нагревают, обраба­тывают и охлаждают в нейтральной среде или даже в вакууме. Для создания нейтральной среды применяют аргон или гелий. Применяют также восстановительные среды, например водород для молибдена и его сплавов. Учитывая сложность и большие затраты при использовании восстановительных или нейтральных сред и особенно вакуума, стремятся тугоплавкие сплавы обраба­тывать при температурах ниже температуры интенсивной раство­римости газов, однако это удается только для некоторых и уже деформированных сплавов. Для ниобиевых сплавов температура растворимости газов составляет 250°С, что позволяет их вторично обработать давлением на воздухе при этой же температуре.

Рис. 43. Конвейерная установка для гидравлического снятия окалины с нагре­тых заготовок:

1 — приемный стол; 2 — транспортер; 3 — камера;

4 — кожух; 5 — заготовка;6 — привод; 7 — бачок для окалины; 8 — магистраль; 9 — вентиль; 10 — клапан;

11 — питающие трубы; 12 — сопло

Учитывая большие сложности работы в защитной атмосфере и вакуумных процессов, иногда используют обработку тугоплав­ких сплавов в герметических (сварных) металлических оболочках. Такие оболочки применяют и при горячей обработке, например, бериллиевых сплавов, обладающих повышенной токсичностью (пары и мелкодисперсная пыль бериллия).

Так как защитить металл полностью от окисления в обычных условиях пока не удается, то в промышленности применяют раз­нообразные способы удаления окалины с заготовок перед штам­повкой. На многих заводах окалину со стальных заготовок сни­мают с помощью различных скребков, окалиноломателей и ще­точных приспособлений, однако производительнее и лучше для этой цели гидроочистка. На рис. 43 приведена установка непре­рывного действия для очистки от окалины мерных стальных за­готовок при транспортировании их от печи к штамповочному агрегату. Окалину удаляют под действием шести радиальных струй воды, находящихся под давлением 9,81—14,72 МН/м² . Конические насадки с отверстием диаметром 0,75 мм имеют суже­ние под углом 13°. Число применяемых насадок зависит от диа­метра заготовок.

Диаметр заготовки, мм до 40 40-60 60-80 80-100

Число насадок 6 8 10 12

Ниже приведен секундный расход воды Q на одну насадку в зависимости от давления Ρ воды:

Давление Р, МН/м² 9,81 14,72

Расход воды Q :

м³ 0,061 10^-3 0,077· Ι0^-3

л 0,061 0,077

Гидроочистительная установка (см. рис. 43) действует авто­матически.

В Московском институте стали и сплавов создана более совер­шенная конструкция струеобразующего устройства гидроочисти­тельной установки. Вместо сопел применена струевая обойма, в которой вода высокого давления, сбивающая окалину, поступает через щель в обойме (рис. 44). В корпус обоймы 4 вставлено седло /, причем угол расходящейся щели между обоймой и седлом состав­ляет 5°. Детали обоймы соединяются с помощью фланца 3 и бол­тов 5 (6 шт.). Резиновая манжета 2 предотвращает утечку воды.

Струевая обойма в отличие от обоймы с насадками имеет пере­менную ширину струи, поступающей из образующейся под давле­нием воды щели, ширина которой зависит от предварительной затяжки болтов и давления воды. В обойме для очистки прутков диаметром до 85 мм расход воды при давлении 13,7—17,7 МН/м² составляет 1 10^-3—1,5·10^-3 м³ (1—1,5 л/с) и зависит от степени затяжки болтов. При этих условиях угол между струей и осью прутка, равный 55°, обеспечивает удаление окалины при движении прутка со скоростью 0,5 м/с. Другой вариант обоймы применяют при использовании прутков диаметром до 140 мм.

Р ис. 44.Разрез струевой обоймы гидроочистительной установки (МИСиС)

Кроме угара металла нагрев его сопровождается обезуглеро­живанием, которое в обычных условиях печного нагрева может достигать 0,8—1,0 мм в глубину. При нагреве с избытком кисло­рода слой металла, образующий угар, перекрывает обезуглеро-женный слой, но в условиях восстанови­тельной атмосферы угар металла умень­шается, обезуглероживание возрастает и распространяется на большую глубину, чем окисление. Наличие в печной атмо­сфере паров воды и водорода способствует обезуглероживанию, которое происходит из-за окисления углерода.