книги из ГПНТБ / Эстрин, Б. М. Производство и применение контролируемых атмосфер (при термической обработке стали)

герметического металлического кожуха и плотным при­ леганием загрузочных и разгрузочных дверец. Выводы термопар, нагревательных элементов, шеек роликов и др. герметизируют, применяя специальную арматуру.

Нагревательные элементы—важнейшая часть вся­ кой электрической печи сопротивления; ими определяет­ ся надежность печи в эксплуатации.

Нагреватели, особенно находящиеся в защитных сре­ дах1 , как правило, работают в очень тяжёлых темпера­ турных условиях, близких к предельно допустимым для материала, из которого они выполнены.

Основными факторами, обусловливающими срок службы нагревателей, являются максимальная темпера­ тура, при которой они работают (насколько температу­ ра нагревателя выше температуры нагрева изделий), и газовая среда, его омывающая.

При правильном расчете нагревательного элемента, а главное при рациональной его конструкции, обеспечи­

щие окисные пленки, обусловленные малой скоростью окисления основного материала в определенном интер­ вале температур в течение длительного времени.

газовая коррозия материала резко усиливается н срок службы нагревательного элемента весьма сокращается.

По мере работы нагревательного элемента количест­ во окислов непрерывно растет и сечение металлической сердцевины уменьшается, вызывая постепенное увеличе­ ние электрического сопротивления и падение выделяе­ мой мощности. В США практикой установлено, что при уменьшении сечения нагревателя на 8—10% срок его службы быстро сокращается, вследствие чего необходи­ ма его замена. Места с затрудненной теплоотдачей обу­ словливают большую потерю сечения в результате более сильного окисления. Понятно, что чем больше сечение

1 Это объясняется тем, что светлая поверхность изделия затруд­ няет передачу тепла излучением.

222

нагревательного элемента, тем меньшими в процентном отношении будут сужения, обусловленные окислением и местными перегревами. Поэтому срок службы нагревате­ лей находится в прямой зависимости от величины диа­ метра для проволоки или от толщины для ленты. Напри­ мер, срок службы проволоки диаметром 10 мм должен быть вдвое больше, чем проволоки диаметром 5 мм. Следует учесть, что срок службы проволоки значительно больше срока службы ленты, равновеликой по площади сечения [56].

Так, например, лента площадью сечения 40 мм2 : из­ нашивается примерно вдвое быстрее, чем проволока диа­ метром 7,14 мм (при той же площади сечения). Это объясняется следующим.

Для данного сплава при данной температуре срок службы нагревателя прямо пропорционален толщине окисленного слоя в конце срока службы и обратно про­ порционален средней скорости окисления данного спла­

д л я л е н т ы с с о о т н о ш е н и е м с т о р о н т = 1 0 s = 0,0458а. (г)

Для ленты 2X20 мм к концу срока службы толщина окисленного слоя составит 0,0458-2=0,0916 мм, а для проволоки диаметром 7,14 мм она будет равна 0,025Х

223

Х7,14 = 0,1785 мм, или, другими словами, срок службы проволочного нагревателя в 0,1785/0,0916=1,96 раз выше.

Сплавы сопротивления, работающие в контролируе­ мых средах, подвергаются сложной газовой коррозии,

вается соотношение стойкостей для атмосферы эндо­ термического и экзотермического газов. В последнем случае на это соотношение сильно влияет темпера­ тура.

При оценке срока службы нагревательных элементов в контролируемых средах иногда можно с достаточной достоверностью использовать данные по стойкости в ат­ мосфере воздуха (рис. 74).

Чтобы ослабить влияние сложной коррозии (наблю­ даемой в контролируемых средах) на электросопротив­ ление, необходимо применять нагреватели только круп­ ных сечений.

Основным способом передачи тепла от нагреватель-

224

ных элементов (радиантных труб, муфелей) к изделиям является теплообмен излучением.

Среди многих факторов, влияющих на эффективность лучистого теплообмена, следует выделить состояние по­ верхности нагреваемого материала.

Рассмотрим теплообмен между нихромовыми нагре­ вательными элементами печи и садкой — сталью, у ко­ торой в одном случае поверхность окисленная, а в дру­

В результате этого в одних и тех же условиях за еди­ ницу времени сталь со светлой поверхностью восприни­ мает почти вдвое меньше лучистой энергии, чем сталь с окисленной поверхностью.

Прогрев изделий в печи определяется не только теп­ лообменом с поверхностью, но главным образом усло­ виями переноса тепла в глубь изделия.

Скорость нагрева изделия, как правило, лимитирует­ ся второй стадией процесса теплопередачи, протекающей диффузионным путем. Чем толще изделие, тем меньше влияет поверхностный теплообмен на общее время на­ грева.

Поэтому для тонких изделий следует ожидать замед­ ленной скорости нагрева в защитной среде.

Также очевидно существование критической толщи­ ны изделия, при которой время нагрева не зависит от состояния поверхности. Результаты экспериментальных работ по нагреву стальных изделий, проведенные в ла­ бораторной муфельной печи с камерой охлаждения, да­ ны в табл. 19.

Анализ приведенных данных показывает, что ско­ рость нагрева трубчатого образца с исходной светлой поверхностью в защитной среде снижается на ~50 %

по сравнению со скоростью нагрева такого же образца в тех же условиях, но с исходной темной поверхностью и в атмосфере воздуха. Скорость охлаждения этого об­ разца снижается на 46%.

Для образца диаметром 25 мм скорость нагрева сни­ жается примерно на 42%, а скорость охлаждения прак­ тически не меняется.

Для образца диаметром 50 мм время нагрева изме­ няется мало (-—-12,5%). Подобные же результаты полу­ чены В. Ф. Копытовым [57].

Отсюда можно заключить что скорость нагрева тол­ стых изделий (диаметром > 5 0 мм) не зависит от со­ стояния поверхности. При нагреве тонких изделий необ­ ходимо учесть замедление, наблюдаемое в защитной среде. Оно приблизительно оценивается данными, приве­ денными выше.

Г л а в а X I I

ВЫЧИСЛЕНИЕ РАСХОДА КОНТРОЛИРУЕМОЙ АТМОСФЕРЫ В ПЕЧАХ

В машиностроительной промышленности и металлур­ гии широко распространены печи непрерывного дейст­ вия. Конструкции их различаются в основном в зависи-

226

пованных пластин или литых цепных звеньев), натяну­ тое между двумя валами, один из которых является ве­ дущим.

Конвейер может быть размещен в камере печи це­ ликом (вместе с обоими валами); иногда концы его и нижнюю ветвь выносят за пределы футеровки.

Печи состоят обычно из нескольких зон различной протяженности, что определяется в зависимости от тех­ нологического процесса.

При закалке изделия перемещаются в закалочный бак, поэтому в таких печах открыт один только загру­ зочный проем (сторона разгрузки образует гидравличес­ кий затвор).

При отжиге и пайке твердыми припоями к печи при­ страивают камеру охлаждения. В этом случае в печи предусмотрены два открытых проема.

Печи с пульсирующим подом предназначены для на­ грева мелких однородных деталей, перемещение которых вдоль печи осуществляется при помощи жароупорного лотка. Последний приводится в движение эксцентрико­ вым механизмом — лоток передвигается в сторону за­ грузки и сразу под действием толчка пружины возвра­ щается в исходное положение. При этом расположенные на лотке изделия по инерции проскакивают дальше лот­ ка, благодаря чему передвигаются к разгрузочному кон­ цу печи.

В печах с пульсирующим подом устроен постоянно открытый загрузочный проем (разгрузочная сторона пе­ чи обычно образует гидравлический затвор).

Барабанные печи также выполняют с одним постоян­ но открытым загрузочным проемом. Они предназначены для термической обработки мелких однородных деталей (гильз, колпачков, шариков, мелких колец).

Печь представляет собой камеру с радиантными тру­ бами или электрическими нагревателями, через которую проходит жароупорный барабан, вращающийся вокруг своей оси от электропривода. Внутри барабана находит­

После закалки они выда­ ются подъемником.

Широко распростра­ нены протяжные печи, служащие для нагрева труб, проволоки,.ленты и других изделий.

На рис. 75 показана схема протяжной печи, применяемой для пайки медью стальных двух­ слойных свертных тру­ бок. Печь представляет собой камеру с нагрева­ телями, в которой распо­ ложены муфеля, выпол­ ненные из нихромовых трубок. Через них протя­ гиваются свертные труб­ ки. Защитный газ пода­ ется в камеру печи и че­ рез отверстия в верхней части муфеля проникает внутрь. Газ выходит че­ рез постоянно открытые торцы муфеля на загру­ зочной и разгрузочной сторонах печи.

Протяжные печи вы­ полняют с муфелем или без него вертикальными (например, башенные) или горизонтальными.

Крупные протяжные печи используют при тер­ мической обработке тран­ сформаторной полосы. Схема башенной печи

228

предусматривает использование вакуума и защитного газа.

В зависимости от типа печи, конструктивного реше­ ния узлов уплотнения проемов загрузки и выгрузки, способа транспортирования металла, требований, предъ­ являемых к чистоте поверхности, химического состава стали и др. выбирают рациональный расход защитного газа. Величина последнего должна быть с достаточной достоверностью оценена в стадии проектирования.

Ниже изложены разработанные нами методики рас­ чета расхода защитного газа в печах разного типа.

В основу этих методик положена герметичность ко­ жуха, т. е. учет лишь организованных (контролируемых) потерь газа. По мере совершенствования конструкции печей, технологии изготовления отдельных узлов, повы­ шения технического уровня наладки и культуры эксплу­ атации найденные по изложенным ниже методикам ве­ личины расхода газа приближаются к практическим. Эта тенденция подтверждена многолетним опытом.

МУФЕЛЬНЫЕ ПЕЧИ С ОТКРЫТЫМИ НЕДРОССЕЛИРУЕМЫМИ ПРОЕМАМИ

Рассмотрим рис. 75. Будем исходить из того, что убыль газа вследствие истечения его через отверстия по­ полняется соответствующим притоком, благодаря чему положение свободной по­ верхности газа не изменяет­ ся и движение имеет уста­ новившийся характер.

На рис. 76 представлено поперечное сечение одного

Рис. 76. Расчетная схема истечения газа для горизонтальных муфелей с посто­ янно открытой щелью

229

муфеля. В плоскости х—х давление газа в муфеле при­ нимаем равным давлению воздуха на этом же уровне. Соблюдение этого условия, согласно экспериментальным данным, гарантирует от попадания кислорода в муфель. Выделим бесконечно малую площадку dF, расположен­ ную на расстоянии х от плоскости х—х. Очевидно, что объем газа, прошедший через эту площадку в секунду, составит

230

что находится в соответствии с практическими данными.

Если гидростатическое давление газа по всему сече­ нию щели имеет одинаковое значение (например, для барабанной печи), т.е. в тех случаях, когда щель рас­ положена в горизонтальной плоскости, объемная ско­ рость газа w, как это нетрудно доказать, вычисляется по следующему уравнению:

(сюда же могут быть отнесены карусельные печи, рабо­ тающие с постоянно открытыми проемами).

Эта группа печей характеризуется истечением через газослив [58]. Экспериментально установлено, что ста­

свободной поверхности, когда последняя совпадает с плоскостью конвейерного полотна или жароупорной пли­ ты (для карусельной печи — с плоскостью движущегося пода).

231