252 ПЛАМЕННЫЕ ПЕЧИ для НАГРЕВА ПОД КОВКУ И ШТАМПОВКУ

8. Продолжительность эксплуатации различных элементов кладки

Характеристика

и расход материалов

для постройки печей

Характеристики огнеупорных материалов, легковесных огнеупоров и теплоизоляционных материалов, которые используют при постройке печей, а также жароупорных сплавов для металлических частей арматуры и гарнитуры печей, поддонов, конвейеров и т. д. приведены в табл. 5-6.

Данные по расходу огнеупорных изделий на текущий ремонт и эксплуатацию печей, а также продолжительность эксплуатации отдельных элементов печей показаны в табл. 7-8.

Глава

электронагрев

И электронагревательные

устройства

1. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА ЭЛЕКТРОНАГРЕВА МЕТАЛЛА ПОД КОВКУ И ШТАМПОВКУ

В кузнечно-штамповочном производстве для нагрева заготовок из различных сталей, цветных металлов и сплавов в интервале 800-1300 °С применяют электрические печи сопротивления, индукционные нагревательные установки, установки электроконтактного нагрева и ванны с расплавами сталей, стекла и электролитов.

Электронагрев по расходу энергии на тонну заготовок менее экономичен, чем нагрев в пламенных печах. Однако его широко применяют, так как он повышает производительность труда, позволяет провести полную автоматизацию и обеспечить высокую стабильность процесса, улучшить условия труда и сократить потери металла на ока-линообразование.

Потери металла в виде окалины при индукционном и электроконтактном нагреве составляют 0,2-0,4 % массы нагреваемого металла, что почти в 10 раз меньше, чем при нагреве в пламенных печах. Уменьшение окалины повышает качество поковок и увеличивает стойкость штампов куз-нечно-прессового оборудования.

Технологические преимущества электронагревательных устройств особенно эффективны в серийном поточном производстве.

В машиностроении наиболее распространенным металлом, обрабатываемым в кузнечно-штамповочных цехах, являются различные стали. Поэтому в дальнейшем речь будет идти о нагреве сталей, если нет особых оговорок.

Нагрев в электрических печах сопротивления

В высокотемпературных (до 1600° С) и среднетемпературных (до 1350 °С) электрических печах сопротивления.

применяемых для нагрева заготовок из стали и цветных металлов под пластическую деформацию, обеспечивае-ется в рабочем пространстве автоматическое регулирование температуры и высокая равномерность нагрева заготовок. Тепловая изоляция высокотем-гтературных и среднетемпературных печей состоит минимум из двух слоев: внутреннего огнеупорного, способного работать при рабочей температуре печи и достаточно механически прочного (этот слой воспринимает все нагрузки от нагреваемых изделий и нагревателей); наружного теплоизоляционного, освобожденного от каких-либо нагрузок, кроме собственного веса, но зато обеспечивающего уменьшение до минимума тепловых потерь. Для внутреннего огнеупорного теплоизоляционного слоя в среднетемпературных электрических печах применяют шамотно-глиняные и шамотно-каолнновые теплоизоляционные изделия, предельная рабочая температура которых 1350 °С.

Основные свойства некоторых теплоизоляционных изделий даны в гл. 6. В высокотемпературных электрических печах огнеупорная изоляция выполняется из высокоглиноземистых корундовых пенолегковесов с допустимой температурой применения 1600°С. Для наружной тепловой изоляции применяют каолиновую вату или сыпучий материал из обожженного вермикулита с максимально допустимой температурой применения 1100°С. Основные свойства важнейших огнеупорных изделий приведены в гл. 6.

Нагревательные элементы печей сопротивления изготавливают из сплавов с высоким омическим сопротивлением. В диапазоне температур 1000-1100 °С применяют нихромовые сплавы, например, Х15Н60, а при более высоких температурах - железохромоалюми-ниевые сплавы.

В печах с рабочими температурами 1300-1500 °С применяют силитовые (карборундовые) и дисилицидмолибде-

1. Основные свойства материалов для нагревательных элементов

новые нагреватели, имеющие форму стержней различных размеров. Основные материалы для нагревательных элементов приведены в табл. 1.

В кузнечно-штамповочном производстве применяют камерные и карусельные электрические печн.

Типовая конструкция камерной печи сопротивления показана на рис. 1. В ией применены дисилицидовые нагреватели с рабочей температурой 1500-1600 °С. Металлический защитный кожух 2 печи футерован огне-упорньпк! кирпичом 7 и теплоизоляционным материалом 9. В верхней части печи смонтированы токоподвод / и асбестовый уплотнитель 3. Внутри камеры расположены нагреватель 5,

термопара 6 и карборундовая подовая плита 8. Печь снабжена экраном 10, кожухом 4, кронштейном дверцы и ручкой 12 дверцы 13. В камерной электрической печи можно поддерживать температуру с точностью ±5°С и создавать любую рабочую атмосферу, используя защитные газы и безокислительную среду. При нагреве заготовок до 1300 °С расходуется примерно 430 МДж электроэнергии на тонну нагретого металла. Крупные заготовки, которые невозможно загрузить в обычную камерную печь, нагревают в камерных печах с выдвижным подом (рис. 2),

Для нагрева большого количества однотипных заготовок часто в куз-

мГлибден? высокотемпературной печи с нагревателями а дисилицид-

Рн. 2. Камерная печь с выдвижным подом:

Дви ГйпоТб Л7ер°цТГза?отГвГ ~ -золяция: . - термопара; 5 - вы-

Рис. 3. Карусельная электрическая печь:

/ - привод с редуктором; 2 - каркас печи; 3 - теплоизоляция; 4 - огнеупорная кладка; 5 - нагреватель; 6 - жароупорная плнта

нечных цехах применяют карусельные электрические печи (рис. 3). Печь имеет кольцеобразную форму. Стены и свод ее неподвижны, а под печи вращается вокруг вертикальной оси. Заготовки через загрузочное окно укладывают в печь на движущийся под, который в печи делает полный круг, затем вынимают их из печи через окно для выгрузки. Электрические печн легко могут быть механизированы и автоматизированы, что позволяет встраивать их в автоматические поточные линии.

Индукционный нагрев

. Индукционный нагрев основан на передаче на малые расстояния специально сформированного потока электромагнитной энергии и превращении ее в тепловую в заготовке. Формирование направленного потока электромагнитной энергии осуществляется с помощью индуктирующих катушек-индукторов плоской или цилиндрической формы, выполненных нз водо-охлаждаемой медной трубки:

Индукторы подключают к специальным генераторам переменного напряжения различных стандартных частот.

Если внутрь индуктора поместить металлическую заготовку, то по aaj кону электромагнитной индукции в ней возникает переменный электрический

ток, под действием которого в заготовке будет выделяться тепловая энергия. Метод нагрева проводящих тел индуктированными токами получил название индукционного.

Вследствие поверхностного эффекта - известного явления неравномерного распределения переменного тока в проводниках - плотности тока в индуктирующем проводнике и протекающего по заготовке неодинаковы по их сечению. Наибольшие значения плотностей тока наблюдается на поверхностях индуктирующего проводника и нагреваемой заготовки. Плотности тока постепенно уменьшаются по экспоненциальному закону по мере удаления от этих поверхностей по следующей зависимости: -

8х = бое

где 6j. - действующее значение плотности тока на расстоянии к от поверхности проводника, А/м; бо - действующее значение плотности тока на поверхности проводника, А/м; е - основание натуральных логарифмов, равное 2,718; А - расстояние, м, от поверхности проводника по направлению к его центру, на котором плотность тока убывает в е раз по сравнению с плотностью тока на поверхности, называемое в технике индукционного нагрева глубиной проникновения тока.

2. Глубина проникновения (мм) тока в металл

Глубина проникновения тока

сора

где со = 2п/ (/ - частота тока, Гц); р, - магнитная проницаемость материала проводника, Гн/м; р, = Цотн [lo (И-отн - относительная магнитная проницаемость, Но = 4П-10- Гн/м); о - удельная электрическая проводимость среды. См.

В практике индукциоиного нагрева кузнечных заготовок встречается понятие сквозного нагрева, под которы.м подразумевается высокопроизводительный равномерный нагрев металла внутренними источниками тепловой энергии.

Существенное влияние на производительность и КПД индукционных нагревателей оказывает отношение диаметров нагреваемых заготовок к глубн1:е проникновения тока в металл.

В табл. 2 представлены значения глубины проникновения тока в некоторых

металлах ьри различных частотах и температурах.

Выбор частоты тока. При выборе преобразователей частоты для индукционного нагрева заготовок необходимо учитывать следующее. Если отношение диаметра нагреваемой заготовки к глубине проникновения тока больше 10, то передача энергии происходит с высоким КПД, Однако при этом объемная удельная мощность (Вт/м ), выделяемая в металле заготовки, более чем в 2 раза ниже максимально возможной, получаемой при отношении диаметра заготовки к глубине проникновения приблизительно равном 4. Поэтому при сквозном нагреве с целью повышения производительности процесса желательно обеспечивать указанное выше соотношение, при котором в нагреваемой заготовке выделяется макси.мальное значение удельной объемной мощности. Это достигается рациональным выбором частоты источника питания индукционного нагревателя.