Большие вертикальные печи

Большие вертикальные (шахтные) печи (ВПБ) применяются для нагрева под закалку сталей и цветных сплавов, включая алюминиевые, для нормализации, отпуска и старения длинномерных и часто достаточно массивных деталей, гнутых и прессованных профилей, труб и тонкостенных трубчатых конструкций. Длина садок достигает 20...25 м, а масса — от 1...2 до 100 и более тонн.

Схема вертикальной печи для нагрева под закалку прессованных алюминиевых профилей приведена на рис. 2.7. Корпус 1 представляет собой металлическую секционную двухстенную конструкцию, пространство между стенками которой заполнено пористой теплоизоляцией типа ваты или войлока. Высота одной секции 2…2,5 м, общая высота печи доходит до 20 и более м.

В горизонтальном сечении печь имеет форму круга или квадрата. Рабочее

пространство отгорожено от нагревателей 3 направляющим экраном 2, который

предназначен для организации воздушного греющего потока. Экран по высоте состоит из секций, закреплённых на внутренних стенках секций корпуса 1.

Садка собирается на приспособлении типа «звездочка» 15, которое с помощью троса или цепи 8, системы блоков 9 и лебёдки 11 снизу, через водяной закалочный бак, не показанный на схеме, втягивается в печь. После нагрева закалка производится путём быстрого опускания садки в бак со скоростью 1...2 м/с, что полностью исключает возможность даже незначительного подстуживания профилей и распада пересыщенного твёрдого раствора. Конструкция бака и его работа рассмотрена в книге 2.

Заслонка 6 при загрузке и разгрузке, печи с помощью встроенного механизма опускается на 200...400 мм вниз и по направляющим 7 откатывается из-под печи. Температура нагрева под закалку термоупрочняемых алюминиевых сплавов составляет 470...525 °С, и при этом разбег для конкретного сплава не должен превышать ±(3…5) °С. При такой температуре и низкой степени черноты нагреваемых сплавов доля конвективной составляющей значительно превышает лучистую в общем коэффициенте теплопередачи от греющего воздушного потока к металлу. Поэтому скорость потока воздуха в рабочей камере печи определяет время нагрева садки; обычно она составляет 15...30 м/с.

 Для организации направленного движения воздуха и обеспечения требуемой скорости его движения в печи устанавливаются 2 или 4 достаточно мощных центробежных вентилятора 12, которые по каналам 14 отсасывают воздух из рабочей камеры снизу и по каналам 13 направляют его к нагревателям 3. Температура воздуха на выходе из зоны расположения нагревателей должна быть выше заданной температура нагрева металла на 20...30 °С. Недогрев воздуха приводит к существенному увеличению времени нагрева садки, особенно ее нижнего конца, а перегрев потока — к перегреву верхнего конца и даже к оплавлению металла.

 

Рис. 2.7. Большая вертикальная электрическая печь СШО для нагрева под

закалку алюминиевых прессованных профилей

 

Направляющий экран 2 разделяет два противоположно направленных потока, и для выравнивания их скоростей необходимо правильно рассчитать, с учётом площади поперечного сечения садки, зазор между экраном 2 и внутренней стенкой корпуса 1 так, чтобы сечение кольцевого канала в зоне нагревателей 3 примерно соответствовало бы «живому» сечению в рабочем пространстве с учетом площади, занимаемой садкой.

Установленная мощность нагревателей таких печей составляет 400...800 кВт и делится на зоны по высоте печи. Обычно в одной секции корпуса 1 размещается одна зона регулирования температуры, и устанавливается термопара 16.

Вокруг корпуса 1 монтируется каркас 4 с рабочими площадками 5, расстояние между которыми по высоте соответствует высоте секций корпуса. В комплекте с баком печь образует закалочный агрегат.

Печи аналогичной конструкции используются для нагрева под закалку стальных тонкостенных конструкций типа баллонов, баков, корпусов различных химических аппаратов, ракет и их двигателей и т. п. и часто включаются в специализированные шахтные агрегаты.

Для термической обработки крупных стальных деталей массой от нескольких сот килограммов до десятков тонн, таких как валы различного назначения и формы, стволы, роторы больших электромашин, коленчатые валы судовых дизелей, валки прокатных станов, применяют большие шахтные печи с загрузкой сверху, чаше топливного типа.

Печь (рис. 2.8) представляет собой футерованную шахту 2 с металлическим наружным корпусом 1, установленную обычно в глубоком бетонном кессоне на кольцевом фундаменте 6. Над полом цеха такие печи выступают на 1...3 м и имеют на уровне загрузочного окна площадку для обслуживания.

Массивные садки подвешиваются на раздвижных балках 8, при этом нагрузка от веса садки равномерно распределяется через пружинные опоры 9 на металлоконструкцию рабочей площадки, а кладка 2 не нагружена. Крышка печи 7 состоит из двух литых футерованных половинок, установленных на шаровых или роликовых опорах; при загрузке и разгрузке печи они раздвигаются в противоположные стороны. В печах колодцевого типа крышки могут быть съемными арочными, и для их перемещения используются цеховые краны.

 

Рис. 2.8. Большая шахтная топливная печь ТШОВ

 

Садки из деталей массой до 2...3 т каждая собираются на приспособлениях типа «звёздочка», крупные заготовки подвешиваются индивидуально с помощью хомутов или толстых коротких стержней через петлевые серьги на якоре. Масса подвесок составляет 10...20% от массы деталей. Загрузка и выгрузка садок осуществляется мостовыми кранами цеха. Для закалки кран должен иметь повышенную скорость опускания груза      (до 1...1,5 м/с) и механическую систему растормаживания при аварийном отключении электропитания, особенно при закалке в масле и других горючих средах.

Печь отапливается газовыми горелками, размещаемыми в каналах 3 в несколько ярусов по высоте на расстоянии 1...1,5 м. На одном ярусе располагается от 3 до 6 горелок в зависимости от диаметра рабочей камеры. Оси горелок направлены по касательной к внутренней стене печи. Продукты сгорания отводятся через щели 4 в поду печи и далее в боров 5.

Наибольшее распространение получили газовые вертикальные печи типа ТШОВ с непосредственным отоплением или с системой рециркуляции печных газов. Реже применяются электрические печи сопротивления типа СШО и СШЗ, но КА используются лишь на некоторых узкоспециализированных предприятиях.

 В середине 80-х годов одной из фирм ФРГ разработана вертикальная секционная сборная печь, идея которой заключается в том, что тяжёлая и достаточно толстая деталь типа, например, прокатного валка, устанавливается на футерованном поду-стенде, и затем цеховым краном сверху на деталь «надеваются» секции печи необходимого для размеров данной детали диаметра. Высота каждой секции около 2 м; общая высота печи и необходимое число секций определяется высотой детали. В комплект может входить любое количество секций с одинаковым диаметром или с набором из двух и более (по требованию заказчика) типоразмеров. Печи предназначены для предприятий индивидуального типа производства с широкой номенклатурой подвергаемых термической обработке крупных деталей.

 

Вертикальные печи ПАП

Для нагрева под закалку прессованных алюминиевых панелей и плит большой площади и отпуска стальных деталей, например, после индукционной закалки, применяют печи аэродинамического подогрева (ПАП), конструкция и принцип действия которых показан на рис. 2.9.

В печах ПАП отсутствуют нагреватели сопротивления. Вместо них установлен мощный скоростной вентилятор 6, система направляющих экранов 3 вдоль обеих боковых и верхней стен рабочей камеры и решётка типа жалюзей 5 с переменным проходным сечением. Садка, состоящая из тонкостенных панелей или плит, подвешивается на приспособлении 4. Между деталями оставляются каналы для прохода воздушного потока, создаваемого вентилятором.

Садка, экраны 3 и решетка 5 представляют собой сопротивления скоростному потоку воздуха, и часть его кинетической энергии переходит в тепловую, что и приводит к разогреву садки и всех элементов конструкции печи, соприкасающихся с потоком, до температуры 200...600 °С [12].

Загрузка производится с помощью тележки 8, которая на катках 9 перемещается в направлении, перпендикулярном плоскости (рис. 2.9). Под печью расположен закалочный бак 10. Закалка панелей может производиться в холодной или горячей воде или в жидком азоте. Поэтому  стенки бака теплоизолированы, а сверху он закрывается крышкой, которая при закалке отодвигается. После окончания охлаждения в баке садка поднимается на подвеске 4 и устанавливается на тележку 8. Снизу печь закрывается крышкой 2.

 

Рис. 2.9. типа ПАП Вертикальная печь

 

Камера  печи 1 устанавливается над полом цеха на опорах 7 и представляет собой, как и крышка 2, металлическую  двухстенную конструкцию, заполненную теплоизоляцией волокнистого типа. Толщина волокнистого наполнителя чаще определяется не тепловым потоком через стену, а ее звукоизоляционными свойствами, так как скоростной поток создает весьма высокий уровень шума, превышающий допустимые санитарные нормы при толщине стены, рассчитанной только через тепловой поток.

 

Ямные печи

Печи со съемным сводом или ямные используются в основном для отжига, отпуска, нормализации и, очень редко, закалки средних и крупных по массе поковок и отливок и громоздких сварных конструкций. От шахтных они отличаются малой высотой по сравнению с размерами по горизонтали, а также тем, что детали или заготовки обычно укладываются мостовым краном или кран-балкой прямо на под печи и часто безо всяких прокладок или стеллажей, то есть «навалом».

В плане печи имеют прямоугольное или круглое сечение. Поэтому к данной группе фактически относятся шахтные топливные печи ТШОК, называемые часто колодцами.

Для операций термической обработки с температурой выше 500...600 °С обычно применяются топливные печи с непосредственным отоплением и отводом продуктов сгорания через под в боров. Крышки цилиндрических печей съемные, а у прямоугольных печей длиной более 3...4 м — раздвижные.

Для низкого (после индукционной закалки) и среднего отпуска стальных к деталей, старения цветных сплавов применяются вентиляторные электрические печи сопротивления (рис. 2.10). Корпус 3 по конструкции аналогичен рассмотренной ранее вертикальной печи (рис. 2.7), но чаще имеет форму параллелепипеда.

Рис. 2.10. Ямная электрическая печь СЯО для низкого отпуска

 

Крышка 1 съемная или откидная. Нагреватели 2 отгорожены от садки экранами 4, установленными вдоль длинных стен камеры нагрева. Для ускорения нагрева применяются вентиляторы 5.

Колпаковые печи

На металлургических заводах для различных видов отжига тонкого листа, ленты и проволоки, сортового и калиброванного проката широко применяются колпаковые печи, состоящие из переносного нагревательного колпака и неподвижного пода-стенда, с рабочей температурой 700...1150 °С. Атмосфера чаще защитная или специальная, но иногда так называемый «чёрный» отжиг проводится в окислительной среде. При использовании КА садка закрывается муфелем, который остается на стенде и после снятия с него нагревательного колпака, позволяя проводить дальнейшее охлаждение с регулируемой скоростью в КА. В некоторых конструкциях колпаковых печей возможно применение как КА, так и низкого и среднего вакуума.

Тонкий стальной лист обрабатывается в рулонах, устанавливаемых друг на друга в стопы высотой до 4 рулонов, но не белее 2,5 м. Количество стоп от 1 до 4. Бунты проволоки или узкой ленты укладываются на приспособления типа «елочка» с кольцевыми подкладками под каждым бунтом.

Обычно один нагревательный колпак обслуживает от 2 до 4 стендов. В термоотделениях цехов холодного проката тонкого листа общее число стендов достигает 100 и более. Рулон представляет собой многослойное тело, теплопроводность которого в радиальном направлении на порядок ниже, чем в осевом, из-за наличия газовых прослоек между витками листа в рулоне. Поэтому стадия нагрева до заданной температуры отжига и последующего ее выравнивания по толщине рулона имеет большую продолжительность — до 50...80 ч и более. Охлаждение со скоростью 10...40 °С/ч до температуры 400...600 °С проводится под нагревательным колпаком. Последующее охлаждение проходит под муфелем или специальным охладительным колпаком.

Следовательно, нагревательный колпак находится на стенде с садкой 50…80% от общего времени операции, включая сборку и разборку садки на стенде. Поэтому число нагревательных колпаков в термоотделениях холодного проката составляет 60...80% от числа стендов. Рекристаллизационный, выпрямляющий и, реже, обезуглероживающий отжиг различных марок тонколистовой холоднокатаной стали шириной 300...1050 мм проводится в одностопных цилиндрических и многостопных прямоугольных печах.

Рис. 2.11. Трёхстопная электрическая колпаковая печь СТЗ для отжига тонколистовой рулонированной стали

 

     На рис. 2.11 приведена схема трёхстопной печи СГЗ. Нагревательный колпак имеет металлический каркас 3, сваренный из фасонного проката и обшитый листом. В безмуфельном варианте кожух должен быть газонепроницаемым. Футеровка 2 выполняется из волокнистых теплоизоляционных материалов и пористых огнеупоров.

     Нагреватели 12 размещаются на всех внутренних стенах колпака, причём на своде их мощность компенсирует только потери теплопроводностыо. Для переноса колпака сверху имеется петля.

      Стенд 1 представляет собой мощную металлическую раму, покрытую листом, и многослойную футеровку из достаточно прочных на сжатие материалов. Под стендом расположен приямок высотой не менее 2 м для обслуживания размещенного там электрического и газового оборудования, приборов контроля и автоматики. Стены 13 приямка бетонные и выполняют функцию фундамента стенда и печи в целом. В стенде под каждой стопой смонтированы вентиляторы 6, трубки для подвода и отвода КА и для ввода с каждый рулон контрольных термопар.

Над каждым вентилятором установлена литая решетка 7, на которую ставится нижний рулон 8. Между рулонами ставятся конвекторные решетчатые прокладки 9. Каждая стопа или вся садка накрывается муфелем 10 из жаростойкой листовой волнистой стали толщиной 3...5 мм. Снизу муфель входит в тесочный затвор 15. Аналогичное уплотнение 14 имеется по всему периметру стенда для исключения подсоса холодного воздуха в колпак 3.

 В печах с вакуумной дегазацией садки вместо песочного уплотнения 14 устанавливается резиновое водоохлаждаемое уплотнение.

Топливные колпаковые печи делятся на муфельные и безмуфельные. В муфельных печах горелки обычно размещаются в стенде по всему периметру, и их факелы направлены вверх в пространство между муфелем и колпаком. Продукты сгорания отводятся через окна, расположенные в стенде у коротких боковых стен колпака прямоугольного сечения. В остальном их конструкция аналогична печи СГЗ.

Безмуфельные печи типа ТГЗ отапливаются радиационными газовыми U- образными трубами, устанавливаемыми вдоль длинных боковых стен колпака. При этом должна быть обеспечена высокая степень надежности стыковочных узлов газовых, воздушных и дымоотводящих трубопроводов.

Для отжига различного проката и труб с последующим глубоким охлаждением и малой скоростью под нагревательным колпаком, а также для реставрационной цементации калиброванного проката из эвтектоидных и заэвтектоидных сталей, склонных к поверхностному обезуглероживанию при прокатке, применяются колпаковые печи прямоугольного сечения с небольшой высотой рабочей камеры (рис. 2.12). Они отличаются от рассмотренных выше печей отсутствием вентиляторов,  а муфель 4 и колпак 2 имеют общий песочный затвор 8.

Рис. 2.12. Колпаковая электрическая печь СГЗ для отжига листовой и калиброванной стали

 

Нагревательный колпак состоит из каркаса 1 и футеровки 2 из плотных материалов. Нагреватели 5 размещены на всех стенах колпака, его своде и на стенде 9. Для защиты нагревателей от ударов при перемещении колпака в его нижней части выложен кольцевой бурт 6.

    Во всех типах колпаковых печей для точной и безаварийной установки на стенд колпака и его снятия есть центрирующие устройства, состоящие из двух вертикальных стоек 7, закрепленных на каркасе стенда в двух противоположных углах, и надевающихся на них кольцевых петель, приваренных к каркасу колпака.

 

Элеваторные печи

Элеваторные или печи с подъемным подом применяются для отжига отливок, поковок, слитков и иногда для ХТО. В России эти печи чаще всего используются для отжига отливок с получением структуры ковкого чугуна.

 Конструктивно элеваторные печи (рис. 2.13) очень близки к колпаковым: имеется нагревательный колпак 2 установленный на стойках 5 на уровне 2…3 м от пола цеха, и подъемный под 4, который снизу вводится в колпак.

Обычно в комплект печи входит два пода-стенда, один из которых находится под нагревательным колпаком 2, а  другом стенде садка охлаждается или идет ее сборка-разборка. Для обслуживания элеваторных печей, в отличие от колпаков, не требуется мощного кранового оборудования, так как загрузка и разгрузка пода производится поштучно, а при небольшой массе обрабатываемых изделий – вручную.

Рис. 2.13. Элеваторная печь СЭЗ/ТЭЗ

 

Обогрев при работе с КА производится электрическими нагревателями 1 или газовыми радиационными трубами 3. Нагревательный колпак 2 чаще выполняется в безмуфельном варианте, для чего между ним и подом 4 установлен песочный или резиновый затвор 10.

Подъём и опускание пода 4 производится в крупных печах гидроподъёмником 7 с опорной плитой 6. В верхнем положении под фиксируется винтовыми или рычажно-поворотными упорами 9. В небольших печах вертикальное перемещение пода осуществляется электромеханическим приводом с ходовыми самотормозящимися винтами.

Для горизонтального перемещения под установлен на колёсных опорах 8, на полу цеха уложены рельсы или направляющие желоба 11.

Топливные печи с окислительной атмосферой обогреваются горелками, которые устанавливаются в каналах в продольных стенах колпака в шахматном порядке, а продукты сгорания отводятся чаще через отверстия в своде дымососом. Такие печи могут работать и с КА, для чего садка закрывается муфелем.

Заводами ЭТО серийно выпускаются небольшие элеваторные вакуумные печи типа СЭВ, используемые для различных операций термической обработки специальных сталей и сплавов при температуре 1000...2000 °С и вакууме    10^-1...10^-5 Па: Можно производить даже закалку в вакууме небольших садок массой до 10 кг. Схема печи СЭВ приведена на рис. 2.14.

 Печь состоит из нагревательной 2 и шлюзовой 6 камер. Нагревательная камера 2 выполняется из высокоогнеупорных материалов типа графитизированного войлока или пакета металлических экранов и помещена в металлический водоохлаждаемый корпус 1, рассчитанный на соответствующий вакуум. Нагреватели 3 изготавливаются, в зависимости от рабочей температуры печи, из нихрома, хромеля, молибдена или графита. Откачка производится вакуумной системой через отверстие 4.

Шлюзовая камера 6 выполняет несколько функций:

— загрузка и выгрузка садок 16 через окно 13;

— охлаждение садки в вакууме или нейтральном газе;

— закалка в баке 15 в масле или растворе полимера;

— достижение форвакуума после очередной загрузки садки. Кроме того, она является фундаментом печи в целом, для чего снабжена тремя опорами 14.

Для сохранения вакуума в камере нагрева 2 и защиты нагревателей 3 от воздействия паров закалочной среды между нагревательной 2 и шлюзовой 6 камерами установлен вакуумный затвор 5 проходного (шторного) типа. В печах без закалочного бака он часто отсутствует.

 Под 7 закреплён на стойке 9 и кронштейне 10, который имеет ходовую гайку, перемещающуюся по винту 8, ось которого проходит через уплотнение 11 и связана с электроприводом 12. Все элементы корпуса 1, зaтвopа 5 и шлюзы 6 собраны через резиновые уплотнения 17.

Загрузка садки в печи производится следующим образом. В шлюзе 6  закрытом запоре 5 давление поднимается до атмосферного путём напуска воздуха или инертного газа. Открывается дверца окна 13, и обработанная садка извлекается с пода 7 или из бака 15. На под 7 устанавливается новая («сырая») садка, и дверца окна 13 запирается. Через канал 18 из шлюза 6 откачивается воздух до выравнивания давления с нагревательной камерой 2. Затем открывается затвор 5, и по каналам 4 и 18 продолжатся откачка до рабочего вакуума. Под 7 с садкой идёт вверх в камеру нагрева 2.

Если остаточное давление в камере 2 не превышает 10⁰…10^-1 Па, то нагреватели во время разгрузки печи остаются под напряжением; в противном случае они включаются только по достижении указанного вакуума. Это касается  лишь нагревателей из материалов, склонных к быстрому окислению в воздушной среде.

 После окончания режима нагрева под 7 опускается в нижнее положение и закрывается затвор 5. Садка охлаждается в вакууме или в напускаемом нейтральном газе или закаливается в баке 15, куда сбрасывается специальным приспособлением, не показанным на схеме. Затем цикл завершается разгрузкой.

Печи СЭВ используются в основном в приборостроении, электронной, радиотехнической и оборонной отраслях и в лабораторной практике.

Рис. 2.14. Элеваторная вакуумная печь СЭВ

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: