Термические печи. Характерные режимы термообработки

Термическая печь – печь для термической обработки металлических изделий. Термические печи классифицируются по технологическим признакам и назначению (закалочные, отжигательные, цементационные и др.), по способу нагрева (электрические, пламенные, косвенного нагрева), по среде рабочего пространства (воздух, газовая контролируемая среда, жидкая среда), по конструкции (камерные, колпаковые, ванные и т.д.), по режиму работы (периодического и непрерывного действия).

В процессе термической обработки повышается качество изделий или сообщаются дополнительные свойства, что обеспечивает сокращение расхода металла в процессе эксплуатации. Термической обработке подвергаются все виды горячекатаного и холоднокатаного проката: лист, уголок, проволока, рельс, труба, швеллер, лента и др.

Виды термической обработки:

1) сортовой прокат – полный и изотермический отжиг, нормализация, закалка (патентирование);

2) горячекатаный лист: а) нормализация или закалка с последующим отпуском; б) отжиг или высокий отпуск;

3) рельсы – нормализация, изотермическая выдержка, отпуск;

4) холоднокатаный лист и лента – рекристаллизационный отжиг.

Все виды термообработки можно разделить на две большие группы:

1) простой нагрев до определённой температуры с последующей выдачей на воздух (нормализация) или в жидкие среды (закалка). Пример режима – на рис. 9.13а;

2) нагрев до определённой температуры с последующей длительной изотермической выдержкой и, в завершение, регламентированным охлаждением или охлаждением вместе с печью (отжиг). Пример режима – на рис. 9.13б.

Для нагрева под нормализацию и закалку применяют нагревательные проходные печи всех типов, описанных ранее. Кроме этих печей применяют специализированные проходные и камерные печи, предназначенные для термической обработки конкретных видов продукции.

Для нагрева под отжиг применяют камерные печи и для отдельных видов продукции – протяжные печи непрерывного действия (отжиг ленты, полосы, проволоки).

а ‑ закалка (индекс "з") и нормализация (индекс "н") в проходной печи; б ‑ отжиг в камерной печи; t_г ‑ температура дыма; t₀ ‑ начальная температура металла; t_п ‑ температура поверхности металла; t_с ‑ температура середины металла; q_пt ‑ плотность теплового потока на поверхности металла в процессе нагрева

Рис. 9.13 – Характерные режимы термообработки в термических печах

Специализированная на термической обработке печь должна обеспечивать заданный технологией температурно-временной режим обработки изделия и высокую равномерность нагрева изделия. Обычные нагревательные печи не всегда в состоянии обеспечить необходимую в термообработке равномерность и точность нагрева. Так, при нагреве слитков под обработку давлением удельный перепад температуры в конце нагрева должен быть не более 100-300 °С на 1 метр толщины, а при нагреве заготовок – не более 1000 °С на 1 метр толщины. Как при нагреве слитков, так и заготовок абсолютное значение перепада температуры составляет 50-70 °С. При термической же обработке металлопродукции перепад температуры по сечению в конце режима термообработки чаще всего должен вообще отсутствовать или составлять не более 5‑10 °С. Когда говорят о перепадах температур, то в термических печах подразумевают перепад не по сечению, а по объему садки металла. Фактически – это разброс температуры по объему садки. Его величина обычно составляет 5‑10 °С, в то время как в нагревательных печах разброс температур может быть 80‑100 °С и больше. Поэтому и говорят, что при термообработке очень жесткие требования по равномерности нагрева.

В качестве примера рассмотрим самые распространённые пламенные термические печи из всего многообразия пламенных и электрических печей. Особенность пламенных печей – они отапливаются газом. Мазут и твёрдое топливо практически не используются.

Составление материального и теплового балансов термических печей имеет особенность, связанную с почти полным отсутствием окисления металла в процессе нагрева из-за малого уровня температур. Фактически материальный баланс можно свести к материальному балансу горения топлива, рассчитанному или на 1 кг топлива, или на 1 м³ топлива, или на 1 Дж химической энергии топлива. Ориентировочный материальный баланс термической печи приведен в табл. 9.5.

Таблица 9.5 – Ориентировочный материальный баланс процессов в рабочем

пространстве термической печи (кг/м³ топлива и кг/МДж

топлива)

Тепловые балансы термических печей похожи на балансы соответствующих нагревательных печей, хотя существуют некоторые особенности, которые будут даны при рассмотрении этих печей.