ПЕЧЬ ДЛЯ СТАРЕНИЯ ИЛИ ОТПУСКА ДЛИННОМЕРНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ

Известны промышленные электрические или газовые печи для проведения отпуска сталей, прошедших предварительно операцию закалки (Соколов К.Н. Оборудование термических цехов. Машгиз, 1958 и др.). Обычно, стандартные промышленные печи выполняются с нагревателями, расположенными в камере нагрева изделий (по стенкам, в своде и в поду печи). Для улучшения равномерности нагрева в длинных камерных или шахтных печах их выполняют с несколькими тепловыми зонами. Несмотря на принимаемые меры равномерность нагрева отпускных печей остается невысокой, а длительность нагрева и термообработки значительными. Происходит это вследствие того, что при низких температурах теплообмен в печи затруднен, так как излучение от нагревателей слабое, а естественная конвекция практически отсутствует. Обычно, при высоком отпуске высокопрочных сталей с мартенситной структурой изменение температуры отпуска на ±10-15°С (т.е. в пределах нормального разброса значений температурного поля печи) приводит к заметным изменениям прочностных свойств и ударной вязкости, особенно при большой массе садки. Положение еще более усугубляется при отпуске длинномерных изделий, прутков, особенно, когда они связаны в пакеты. При термообработке мартенситно-стареющих сталей изменение температуры старения даже в пределах 10°С приводит к резкому изменению механических характеристик, что делает использование промышленных отпускных печей проблематичным из-за большой нестабильности свойств как по сечению садки, так и, особенно, по длине длинномерных изделий.
Техническим результатом, решаемым созданием заявленной полезной модели, является разработка печи для низкотемпературной
термообработки (отпуска или старения) длинномерных изделий из высокопрочных сталей, позволяющей получить минимальный разброс механических характеристик по длине изделий и стабильность свойств по партии термообработки.
Поставленный результат в известной печи для старения или отпуска длинномерных изделий из высокопрочных сталей, имеющей теплостойкую футеровку, систему нагрева и камеру нагрева, решается тем, что система нагрева и камера нагрева конструктивно разделены, а нагрев изделий ведут в камере нагрева из условия принудительной высокоскоростной циркуляции горячих внутрипечных газов, направленной вдоль изделий.
Конструктивное разделение системы нагрева и камера нагрева обеспечивает значительное повышение стабильности температурного поля печи для низкотемпературной термообработки длинномерных изделий, благодаря чему разброс температуры поверхности нагреваемых изделий по их длине не превышает погрешности измерительного прибора - если нагрев изделий в обычных промышленных печах производится во внутрипечном пространстве посредством слабой при температурах отпуска и неравномерной по длине печи естественной конвекцией непосредственно от нагревателей к изделиям, то в предлагаемой полезной модели нагрев изделий ведут движущимся направленным вдоль изделий потоком горячих внутрипечных газов, имеющих усредненную по всей печи температуру. Для этого система нагрева, куда входят нагреватели, мощный внутрипечной вентилятор и направляющие газового потока, отделена от камеры нагрева, где размещают нагреваемые изделия. В результате такого отделения нагреватели системы нагрева работают в противотоке газового потока, создаваемого в камере нагрева внутрипечным вентилятором осевого типа в торцовой части печи, при этом равномерность температуры нагрева изделий по их длине в камере
нагрева создают за счет принудительной высокоскоростной циркуляции горячих газов, нагретых у нагревателей, направленных вдоль изделий и имеющих усредненную температуру. Принудительная циркуляция горячих газов значительно ускоряет и скорость нагрева изделий в области низкотемпературной термообработки (отпуска или старения) вследствие увеличения теплопередачи от нагревателей за счет конвекции, а высокая скорость потока горячих газов обеспечивает стабильность достижения усредненной температуры горячих газов в любой точке поверхности нагреваемых длинномерных изделий.
Предпочтительные, но необязательные варианты исполнения печи предусматривают разделение системы нагрева печи на несколько секций с автоматически регулируемой температурой в зависимости от достигнутой температуры изделий, что позволяет дополнительно стабилизировать нагрев изделий по их длине. Вариант исполнения печи, предусматривающий использование в качестве футеровки современных теплоизоляционных материалов с низким коэффициентом теплопроводности, позволяет свести к минимуму потери тепла в печи и также обеспечить стабильность и быстроту нагрева изделий. Аналогичный результат, а также минимальные поводки и коробление изделий при термообработке позволяет обеспечить вариант исполнения печи со специальной фиксирующей кассетой, служащей для рационального размещения изделий в камере нагрева. Стабильность механических характеристик по партии термообработки обеспечивает также наличие в составе конструкции печи термопреобразователей, фиксирующих непосредственно температуру поверхностного слоя изделий, а нагрев печных газов в системе нагрева может производиться как электрическими нагревательными элементами, располагаемыми по поверхности боковых стен футеровки печи, так и газовыми плоскопламенными горелками - при использовании соответствующей огнеупорной фурнитуры. Печь также может быть выполнена из условия
того, что после термообработки в любой точке длинномерных изделий величина разброса значений механических свойств находится в пределах погрешности испытательных приборов.
Полезная модель иллюстрируется изображениями поперечного разреза заявленной печи (фиг.1) и вида сверху в продольном разрезе (фиг.2).
Пример использования полезной модели
Построена печь с производительностью до 300 кг/час для старения или отпуска в диапазоне температуры от 300 до 600°С прутков диаметром от 14 до 28 мм длиной до 7 м высокопрочных нержавеющих сталей, например, ХМ-12 и подобных. Для уменьшения потерь тепла и поддержания стабильности температурного поля в процессе термообработки футеровка печи выполнена из материалов с низким коэффициентом теплопроводности - от 0,08 до 0,036 вт/м.°С (при 300°С): муллито-керамических плит, плит минеральной ваты на основе базальта, легковесного, ультралегковесного и пено-шамота. Футеровка собрана с помощью раствора мертеля и имеет наружный металлический каркас. Схема печи приведена на рис.1-2. Печь имеет отделенные друг от друга систему нагрева и камеру нагрева.
3
Система нагрева состоит из двух секций электрических ленточных нагревателей А по стенам печи, мощного осевого внутрипечного вентилятора Б в торце печи, с лопастями из жаропрочной стали и с водоохлаждаемым валом, а также направляющих нагретого воздушного потока В из жаростойкой стали, обеспечивающих минимальные потери его напора. При числе оборотов вала вентилятора 1500 об/мин, его производительности более 8500 м/час и скорости создаваемого воздушного потока 10,5 м/сек обеспечивается напор воздушного потока
более 75 Па, его интенсивная направленная циркуляция и практически равномерное распределение температуры в камере нагрева.
Камера нагрева образована шторками Г из жаростойкой стали, отделяющими от нагревателей нагреваемые изделия Д, расположенные в специальной фиксирующей кассете Е, которая обеспечивает однородные условия доступа потока нагретого воздуха к каждому изделию и минимальное коробление при термообработке.
Температура поверхности нагреваемых изделий контролировалась в 4-х точках по их длине термопреобразователями ТХА, имеющими погрешность не более ±3,75°С и многоканальным программным регулятором температуры ТЕРМОДАТ-19E2 класса точности 0,5 (по ТУ 4218-004-12023213-2004). Разброс температуры по длине нагреваемых изделий не превышал 5°С, т.е. находился в поле допустимой погрешности измерительных приборов.
+20
+20
+20
2
2
2
2
Механические характеристики - предел прочности, предел текучести, относительное удлинение и относительное сужение определяли по ГОСТ 1497-84 на разрывной машине МР-100. Величину ударной вязкости KCU определяли с помощью маятникового копра МК-30 по ГОСТ 9454-78. Разброс значений предела прочности образцов, вырезанных после термообработки из концов и середины изделий, находился в пределах от 128 до 130 кГс/мм, т.е. не превышал 1,5%, а разброс значений предела текучести в пределах от 118 до 122 кГс/мм, т.е. не более 3%. Эти значения находятся внутри поля допустимой погрешности данной испытательной машины, соответственно, до ±2% и до ±3% (см. Инструкцию по эксплуатации разрывной машины МР-100). Разброс значений ударной вязкости KCU находился в интервале от 8,9 кГс. м/см до 9,3 кГс. м/см, т.е. не превышал 5% и предела поля суммарной допустимой погрешности определения KCU по ГОСТ 9454-78, связанной с различием методики и технологии нанесения надреза, с качеством поверхности надреза, измерениями площади сечения образца
в зоне разрушения, округлениями значений, смещением оси надреза от линии удара маятника при установке образца на копре, и др., доходящей до 10% и более (см. ГОСТ 9454-78 п.п.1.2, 1.3, 2.1, 4.1, 5.4, 5.5, а также Золоторевский B.C. Механические свойства металлов, М. «Металлургия», 1983, 237).