Электрические нагревательные печи

Электрические нагревательные печи по конструктивным особенностям и степени механизации подразделяются на камерные, шахтные, барабанные, карусельные, толкательные с пульсирующим подом и конвейерные печи, закалочные и цементационные агрегаты непрерывного действия, а также на установки, используемые при нагреве ТВЧ.

Камерные электрические печи. У таких печей в отличие от пламенных нефтяных и газовых рабочее пространство не имеет дымохода и вентиляции. В качестве источника тепла применяют электрическую энергию. Рабочая камера нагревается при помощи нагревательных элементов, изготовляемых из высокоомных хромоникелевых сплавов или карборунда.

 Камерная электрическая печь Н-15

 Электрические печи надежно заземляются путем приварки заземляющей пластинки к ножке печи. Для включения, выключения и регулирования температуры печи служит щит управления. Температура печей контролируется автоматическим прибором— электронным потенциометром ЭПД-17.

Электрические печи в зависимости от мощности и размеров выпускают пяти типов серии

Камерная электрическая печь Н-15 предназначена для термической обработки стальных деталей из конструкционных сталей и рассчитана на длительную работу при температуре до 950°С. Печь представляет собой металлический каркас 1 прямоугольной формы. Рабочая камера 2 выложена огнеупорным шамотным кирпичом 3. Для уменьшения тепловых потерь и защиты термиста от теплового излучения у наружных стен и над сводом печи имеются теплоизоляционная засыпка 8 и слой изоляционного кирпича 6. Нагревательные элементы 5 изготовлены в виде проволоки сечением 4,5 мм и расположены в боковых стенках и на поду печи. Для предохранения нагревательных элементов от повреждений и замыканий служит подовая шамотная плита 7. Сверху, в своде печи находится термопара 4. Для наблюдений за нагревом деталей в заслонке имеется смотровое окошко 9. Заслонка поднимается при помощи механизма от педали. Для безопасной работы на электропечах при загрузке и разгрузке заслонка имеет электроблокировку. Если заслонку открыть, то ток автоматически отключается.

Для закалки инструмента, изготовленного из быстрорежущей стали, применяют электрические печи с двумя вертикально расположенными камерами. Печь представляет собой корпус с регулирующим трансформатором, встроенным в огнеупорную стойку, и снабжена контрольным щитком с автоматическим регулятором температуры. Размеры верхней и нижней рабочей камеры одинаковы. Нижняя камера имеет максимальную температуру (950°С) и служит для подогрева инструмента. Верхняя камера предназначена для окончательного нагрева под закалку на температуру 1350°С. Нижняя камера нагревается нагревательными элементами, изготовленными из обычных хромоникелевых сплавов, которые расположены в двух боковых стенках и на поде. На поде нагревательные элементы перекрываются огнеупорными плитами.

Нагревательными элементами в верхней камере служат карборундовые или селитровые стержни, установленные горизонтально на своде печи. Такое расположение стержней обеспечивает свободную радиацию (излучение) тепла в рабочее пространство печи и ускоряет нагрев металла. В процессе работы карборундовые стержни окисляются, в результате чего повышается их удельное электросопротивление. Для сохранения первоначальной мощности стержней печь снабжена ступенчатым трансформатором. По мере увеличения сопротивления стержней повышают напряжение на клеммах трансформатора. Температура в камерах регулируется и контролируется автоматическими приборами.

Печь имеет две опрокидывающиеся открывающиеся вручную дверцы, электрической печи противовесно сбалансированы прижимами. Камеры могут работать независимо друг от друга, поэтому печь используют для термической обработки быстрорежущих, конструкционных углеродистых и низколегированных инструментальных сталей, а также для пайки резцов.

Шахтные электрические печи. Нагревательные электрические печи с вертикальным расположением камеры нагрева называют шахтными. По тепловому режиму и методам загрузки они подобны камерным печам. Загрузка и разгрузка таких печей механизирована, что позволяет использовать их при различных видах термической обработки. Шахтные печи обозначают буквой Ш и цифрами, указывающими на мощность печи.

Закалочная шахтная печь Ш-35 предназначена для нормализации и улучшения коленчатых валов, осей, винтов, шпинделей и других деталей, имеющих большую длину. Печь представляет собой каркас, изготовленный из листовой стали и огнеупорной кладки, которая выполнена из шамотного кирпича. Рабочая камера имеет прямоугольное сечение. Нагревательные элементы расположены в боковых стенках печи по секциям. Для более удобной и быстрой смены нагревательных элементов при ремонте в печи имеются специальные проемы, которые закрываются кирпичом и крышкой. Печь закрывается футерованной крышкой из двух половин, раздвигаемых при помощи рычажного механизма. Для обеспечения плотного закрытия крышка снабжена противовесами.

Температура в печи должна быть не более 950°С. Она измеряется в двух или трех зонах при помощи термопар, расположенных во всех зонах.

Детали в печи нагревают в вертикальном, подвешенном состоянии, что значительно уменьшает их деформацию. Для подвешивания деталей в крышке печи имеется отверстие. Печь монтируют в углублении кирпичного или бетонного фундамента с таким расчетом, чтобы выступающая над полом часть не превышала 500—600 мм.

Для устранения обезуглероживания и окисления поверхности инструмента в нагревательную печь Г-65 подают нейтральную или восстановительную атмосферу.

 

На рисунке показана схема шахтной отпускной электропечи ПН-32.

Печь имеет цилиндрическую форму и состоит из стального кожуха 1, внутренняя часть которого выложена шамотным кирпичом 2. На боковых стенках шахты на специально встроенных полках расположены нихромовые электрические нагреватели 3 в виде спирали. Внутри шахты установлена жароупорная реторта 4 с деталями. Снизу печи находится вентилятор 5 с жаропрочными лопастями, вращаемый при помощи электродвигателя 6 и предназначаемый для перемешивания атмосферы печи Крышка печи выложена огнеупорным кирпичом и имеет песчаный затвор. Отпуск деталей производится в железных дырчатых корзинах, которые загружают и разгружают при помощи электробалок или электроталей.

Барабанные электрические печи. Такие печи применяют для нагрева под закалку шариков и роликов подшипников качения штифтов, гаек и других небольших деталей. Барабанная печь Б-70

представляет собой металлический кожух, внутри которого имеется рабочая камера, выложенная шамотным кирпичом. С торцов печи расположены чугунные плиты. И рабочей камере горизонтально установлен муфель, отлитый из жароупорного сплава. Муфель вращается при помощи электродвигателя через коробку передач, установленную у разгрузочной стороны печи. Муфель обогревается при помощи нихромовых электрических нагревателей, расположенных на боковых стенках и на поду рабочей камеры.

Печь работает следующим образом. В бункер 2 загружают детали; из него, если открыта задвижка 1, они попадают в барабан 3 с загрузочным ковшиком 4. Как только барабан начинает вращаться, ковшик захватывает детали, находящиеся в нижней части барабана, и пересыпает их в лоток муфеля. Вращающиеся внутри муфеля витки шнека передвигают детали вдоль зоны нагрева. В разгрузочной части муфеля нагретые до 830—850°С детали сбрасываются по трубе 5 в масляный бак, где они и закаливаются. Закаленные детали из масляного бака выгружаются шнековым транспортером 6.

В настоящее время на некоторых шарикоподшипниковых заводах шарики и ролики закаливают в специальных агрегатах ОКБ-128. Такие агрегаты состоят из барабанной печи Б-70, моечной машины шнекового типа и барабанной отпускной печи, в которой шарики и ролики обогреваются горячим воздухом, поступающим через калорифер от вентилятора. Длина агрегата 11,6 м.

Толкательные печи с пульсирующим подом. Такие печи предназначены для нагрева под закалку подшипниковых колец, болтов, шпилек, стержней, втулок роликовых цепей, пластин и других небольших деталей.

Детали в печах с пульсирующим подом передвигаются по жароупорному наклонному лотку, который, начиная от эксцентрикового механизма, периодически их встряхивает. Механизм пульсации работает следующим образом. Подвижный под печи, изготовленный из жароупорной стали, получает от механизма пульсации периодические (через 6—7 сек.) толчки. В результате таких толчков детали передвигаются по поду, проходя через зону нагрева, нагреваются до заданной температуры и через изолированный от атмосферного воздуха люк сбрасываются в масляный бак. Поверхность деталей после закалки получается чистой и не окисленной.

Конвейерные электрические печи. В термических цехах массового производства, где обрабатываются однородные детали, большое распространение получили высокопроизводительные печи с горизонтальным расположением конвейеров. Детали под закалку загружаются с одного, а выгружаются с другого конца печи уже нагретыми до температуры закалки. Передвижение деталей в печи осуществляется конвейерной лентой, натянутой на два барабана или на звездочки. Ленты можно изготовлять в виде плотно собранных штампованных или литых звеньев (панцирный конвейер), штампованных пластин, укрепленных на цепях (пластинчатый конвейер), сплетенных из нихромовой проволоки (сетчатый конвейер) и т. д.

Конвейерная закалочная печь К-70 представляет собой герметический каркас, изготовленный из листовой стали.

Рабочее пространство печи выложено шамотным кирпичом. Между каркасом и кладкой проложен термоизоляционный слой. Нагревательные элементы расположены на боковых стенках и на поду печи под конвейером.

Конвейер печи изготовлен из панцирной ленты, на краях которой имеются борта, предохраняющие детали от падения при движении конвейера. Лента передвигается при помощи электродвигателя ведущего барабана, расположенного у разгрузочного конца печи. Ведомый барабан находится у загрузочного конца печи. Скорость движения конвейерной ленты можно изменять в пределах 0,02—0,21 м/мин.

Печь имеет две зоны: подогрева (800—820°С), нагрева и выдержки (840—850°С). При движении конвейера детали нагреваются до температуры закалки и у разгрузочного конца печи через люк, закрытый от воздуха, поступают в закалочный бак.

Под действием нагрузки закаливаемых деталей конвейерная лента растягивается от нагрева и расширяется. Для постоянного натяжения ленты печь снабжена натяжным механизмом с грузом.

Конвейерные печи для светлой пайки и отжига. Для светлой пайки деталей и отжита, применяют конвейерные печи с защитной атмосферой.

Печь для светлой пайки автомобильных деталей и деталей домашних холодильников состоит из герметического металлического каркаса, камеры нагрева, в которой расположены электрические нагреватели 13, и охладительного коридора 11. Охладительный коридор представляет собой камеру с двойными стенками, между которыми циркулирует холодная вода. Доступ к нагревателям во время ремонта осуществляется через разгрузочный тамбур 10. Детали в печи передвигаются сетчатым конвейером 3. Привод 2 конвейера находится на загрузочной, а натяг — на разгрузочной стороне. Защитный газ в печи обеспечивает получение деталей после отжига и пайки с чистой, без окалины поверхностью. Газ подается в камеру нагрева через отверстия 12, расположенные по обеим сторонам печи.

Рабочая температура в печи должна быть при отжиге 850 - 920°С и при пайке 1050—1150°С. В качестве газовой атмосферы применяют эндотермический газ, очищенный от углекислого газа и водяных паров. Выходящий из печи газ через форкамеру 7 соединяется с кислородом воздуха и сгорает. Для отсасывания продуктов сгорания установлен вытяжной зонт 5.

Рабочее пространство загрузочного окна регулируется заслонкой 6, отлитой из жароупорного сплава. Между форкамерой и местом загрузки, около приводного барабана, находится защитный экран 4 с водяным охлаждением. Нихромовая сетка прижимается к барабану прижимом 1 и передвигается в рабочей камере печи по жароупорным направляющим. Скорость движения сетки регулируется электроприводом конвейера.

Температура в печи регулируется и контролируется автоматически термопарами,  установленными на своде печи в отверстии 5. Для уменьшения потерь тепла печь имеет песчаные затворы 9.

Закалочные баки. Охладительные среды, например вода, водяные растворы солей и щелочей, минеральные масла, находят­ся в резервуарах, называемых закалочными баками.

В термических цехах применяют механизированные и немеханизированные закалочные баки.

Механизированные баки выпускают с индивидуальным охлаждением закалочной жидкости при помощи змеевиков и с централизованной подачей от станции. На рис. 84, а показан •общий вид, а на 84, б — схема конвейерного закалочного бака ЗБ-900К. Жидкость в баке охлаждается при помощи трубчатых •охладителей 7, а перемешивается в зоне закалки при помощи пропеллера 2, приводимого в движение от электродвигателя 1. Конвейерная лента 3 в зоне закалки сначала движется горизонтально, затем под углом 30—40°. Лента приводится в движение от электродвигателя 4, через редуктор 6 и храповой механизм 5. Из закалочной печи нагретые детали поступают на ленту конвейера бака и, медленно поднимаясь по ней, равномерно охлаждаются. Размеры бака с конвейером следующие: ширина 1280 мм, длина 4960 мм, высота 3020 мм. Емкость бака 5 м3.

Механизированные закалочные баки обычно монтируются в линии с конвейерными закалочными печами.

Моечные машины. Для очистки от солей, закалочного масла, сажи и копоти детали после закалки промывают в горячем водном растворе щелочи, содержащем 3—10% кальцинированной или каустической соды. Температура раствора поддерживается равной 80—90°С.

Детали перед отпуском промывают или в промывочных баках, или в моечных машинах. Промывочные баки без циркуляции раствора по конструкции подобны

закалочным немеханизированным бакам. К баку подводятся вода и пар. Детали загружаются в промывочный бак в железных корзинах. Промывка обычно продолжается в течение 5—15 мин., после чего детали просушиваются.

Для промывки деталей в массовом производстве используют конвейерные моечные машины непрерывного действия. Конвейерная моечная машина ММ-400К

представляет собой металлический водонепроницаемый каркас 1, внутри которого непрерывно движется конвейер 3 из штампованных звеньев. Звенья имеют отверстия для стока водного раствора. В нижней части машины помещен сборный железный бак 5 емкостью 1,3 м3. Снаружи машины установлен бачок 6 с фильтром и насос 7, приводимый в движение от электродвигателя.

Детали поступают непосредственно на движущуюся конвейерную ленту, проходя по которой они подвергаются воздействию сильной струи горячего содового раствора, которая подается под давлением от насоса через специальные сопла 4, установленные в шахматном порядке сверху и снизу движущейся конвейерной ленты. Движение ленты производится от электродвигателя 2 через редуктор, храповой механизм и вал с ведущей звездочкой. Скорость движения ее 0,75 м/мин. Производительность машины 150—250 кг/час.

Моечные машины можно применять как самостоятельное оборудование для промывки, но чаще всего их устанавливают в закалочных агрегатах между закалочным баком и отпускной печью.

Конвейерные отпускные электрические печи. Для отпуска закаленных деталей на низкую и высокую температуру применяют конвейерные печи с электрическим обогревом.

Печи для низкого отпуска. Подобно конвейерным закалочным печам, отпускная печь представляет собой металлический каркас. Рабочее пространство печи выложено шамотным кирпичом. Между каркасом и рабочей камерой проложен термоизоляционный слой—шлаковата. Нагреватели расположены по боковым стенкам и под подом в виде спирали из нихромовой проволоки диаметром 3,5—4,5 мм. Ленты с деталями движутся через ведущий барабан, который, в отличие от закалочных печей, расположен с загрузочной стороны печи.

Печи для высокого отпуска. Такие печи отличаются от конвейерных печей для низкого отпуска размерами рабочего пространства, мощностью, температурой нагрева и отсутствием вентиляторов. В термических цехах шарикоподшипниковых заводов применяют конвейерные печи К-45, К-65, К-75 и др.

Закалочные агрегаты непрерывного действия. Такие агрегаты широко применяют на заводах массового и крупносерийного производства. Агрегаты обычно состоят из закалочной печи, закалочного конвейерного бака, моечной машины и отпускной конвейерной печи. При обработке особо точных деталей в агрегат, кроме того, встраивают холодильную камеру с температурой ниже нуля. Агрегаты значительно повышают производительность труда и облегчают условия работы термистов.

Детали на конвейер закалочной печи (ее температура 830— 850°С) поступают при помощи встряхивающего стола. После нагрева в печи они поочередно сбрасываются через люк в масляный закалочный бак.

Из бака закаленные детали (кольца подшипников) подаются по конвейеру в моечную Машину. После промывки их в горячем содовом растворе они поступают в холодильную камеру, где при температуре —12°С охлаждаются в течение 40—45 мин. Охлаждение закаленных деталей до низких температур осуществляется с целью разложения остаточного аустенита в стали и получения колец стабильных размеров. Из холодильной камеры детали передаются в отпускную печь.

Полный цикл термической обработки колец подшипников проходит автоматически — рабочий только укладывает кольца на конвейер закалочной печи и следит за показаниями тепловых приборов. Конвейеры масляного бака моечной машины и холодильной камеры приводятся в движение от отдельных электродвигателей.

Если для закаливаемых деталей не требуется обработка холодом, то холодильная камера отключается и процесс термической обработки происходит обычным путем.

Длина агрегата около 20 м, производительность 160— 280 кг/час.

Агрегаты для газовой цементации. Агрегат для скоростной газовой цементации при нагреве т. в. ч. с закалкой зубчатых колес автомобиля был спроектирован и впервые применен на Московском автозаводе им. Лихачева.

Агрегат для газовой цементации при нагреве ТВЧ:

1 – закалочный бак, 2 – пневматический цилиндр, 3 – конвейер закалочного бака, 4 – шток цилиндра, 5 – закалочный стол, 6 – цементационная печь, 7 – зацеменитированное зубчатое колесо, 8 – форкамера, 9 – верхнее зубчатое колесо, 10 – керамическая гильза, 11 – цилиндрический индуктор, 12 – фотопирометр, 13 – загрузочное устройство, 14 – толкатель цилиндра, 15 – загрузочный коридор, 16 – зубчатое колесо, поступающее в камеру нагрева, 17 – зубчатое колесо для цементации, 18 – труба для подачи газовой смеси.

Агрегат представляет собой герметический корпус, изготовленный из нержавеющей стали. Внутри корпуса вертикально расположен многовитковый индуктор 11, выполненный из медной трубки прямоугольного сечения и питаемый машинным генератором мощностью 1000 квт с частотой 2500 гц.

Внутри индуктор футерован гильзами 10 из специальной керамики. В цементационной печи 6 агрегата находится двадцать зубчатых колес: два вне индуктора, пять в зоне подогрева, тринадцать в зоне цементации.

Процесс цементации зубчатых колес автомобиля в агрегате несложен: нижнее из зубчатых колес, расположенных в загрузочном устройстве 13, толкателем цилиндра 14 передается по коридору 15 в крайнее левое положение до упора. После этого крайнее зубчатое колесо 17 поступает в индуктор и занимает положение зубчатого колеса 16. Далее через определенные интервалы (две-три минуты) шток цилиндра поочередно подает зубчатые колеса в индуктор печи, где они цементируются Температура цементации поддерживается равной 1050— 1080°С При такой температуре цементованный слой глубиной 1,0—1,2 мм образуется за 45—50 мин. Это ускорение цементации достигается благодаря активизации процесса.

При выходе из зоны науглероживания верхнее зубчатое колесо 9 в верхней форкамере 8 охлаждается до температуры закалки Крайнее зубчатое колесо 7 сдвигается на закалочный стол 5 .и вместе со столом при помощи штока 4 пневматического цилиндра 2 опускается в закалочный бак 1. Из масляного бака закаленные зубчатые колеса конвейером 3 подаются на отпуск. В качестве карбюризатора обычно используют природные газы и специальную газовую атмосферу. Газ подают в нижнюю часть цилиндра через трубу 18. Фотопирометр 12 контролирует температуру цементации. Для предохранения от попадания в печь кислорода в ней поддерживается избыточное давление, равное 20—30 мм вод. ст.

Агрегат имеет небольшие размеры, что позволяет устанавливать его в поточных линиях механообрабатывающих цехов. Автоматическая работа агрегата осуществляется электрической и гидравлической системами.

Установки для индукционного нагрева ТВЧ. Такие установки состоят из генератора высокой частоты, преобразующего промышленный ток частотой 50 гц в ток высокой частоты; асинхронного двигателя, высокочастотного трансформатора, конденсатора медного индуктора и устройства для автоматического управления циклом обработки. В качестве генераторов высокой частоты при индукционном нагреве применяют машинные и ламповые генераторы. Машинные генераторы дают ток частотой 500—10 000 гц и служат для закалки валов, осей, штоков, шеек коленчатых валов

Ламповые, терристорные и др., генераторы вырабатывают ток частотой 100 000—5 000 000 гц и выше и используются для закалки небольших по размерам деталей и инструмента на глубину 0,8—1,8 мм. Одним из основных элементов установки является индуктор, изготовленный из медных трубок круглого или прямоугольного сечения. Индуктор имеет форму, соответствующую конфигурации нагреваемой детали. Охлаждается индуктор во время работы проточной водой.

Индукторы для нагрева ТВЧ:

А – одновитковый, б – цилиндрический, в – разъемный, г – плоский, д – двухвитковый, е – с душирующим устройством и т. д.

Для закалки ТВЧ применяют различные приспособления и станки.

Полуавтоматический станок предназначен для закалки автомобильных коленчатых валов из стали 45. Станок работает от машинного генератора с частотой 2000—3000 гц и мощностью 150 кет. Станок имеет 13 разъемных индукторов, питаемых от трансформаторов, и коммутатор. Каждый индуктор состоит из двух половин: одна находится в нижней части станка, другая — в верхней откидной. Вал устанавливают в центрах при помощи фиксатора сразу на индукторов и зажимают рукояткой. При соприкосновении половин индукторов образуется полный виток, охватывающий шейку вала, и при помощи контактов автоматически включается ток. После отключения тока в индуктор через гидравлическую систему 8 подается вода. Продолжительность нагрева шейки 3,8—7,0 сек., а охлаждения — 7—8 сек. Нагрев и закалка последовательно всех шеек вала продолжается 2,5 мин., глубина закаленного слоя при этом составляет 3—4 мм. При такой закалке в результате сокращения времени охлаждения шеек происходит самоотпуск. Станок устанавливают в общей линии, в потоке обработки коленчатых валов. Производительность его 100 валов за смену.