Подпишитесь на обновления сайта. Получайте новые статьи на почту:

НОВОЕ ТЕРМИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИИ ДИФФУЗИОННОГО КАРБИДНОГО ПОВЕРХНОСТНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ (ДКПЛ)

 

Леонид ТОВАЖНЯНСКИЙ, Олег ЧУНЯЕВ, Артур АСРИЯН

 

НОВОЕ ТЕРМИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИИ ДИФФУЗИОННОГО КАРБИДНОГО ПОВЕРХНОСТНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ (ДКПЛ)

 

Национальный технический университет “ХПИ”
Украина, 61002, г. Харьков, ул. Фрунзе, 21

 

L. TOVAZHNYANSKYY, O. CHUNYAYEV, A. ASRIYAN

 

NEW THERMAL EQUIPMENT FOR
DIFFUSION CARBIDE SURFACE ALLOYING TECHNOLOGY (DCSA)

 

NationalTechnicalUniversity“KPI”
Ukraine, 61002,Kharkov,Frunze St.21

 

SUMMARY. New thermal equipment for diffusion carbide surface alloying DCSA technology has been proposed. Many modern technologies of surface alloying have relatively low productivity, because they rely on traditional periodic thermal equipment. It is clear that transition to continuous thermal equipment can increase production capacity and decrease the cost of heat treatment applied. Requirements for the continuous furnace technical parameters according to the needs of DCSA technology have been presented. The most important requirements are the following: typical operation temperature 1000 – 1200 oC, ability to handle massive loads, and to recuperate the heat during cool down process. The furnace also must provide an even temperature field (± 10 oC is desirable) in the isothermal zone. The furnace’s bottom shouldn’t impose considerable mechanical loads to the thin-wall metal crucibles that are used to handle parts and saturation mixture. A comparison analysis of the modern types of continuous thermal equipment is presented. Ecological safety and absence of corrosive compounds in the furnace atmosphere (typical to fuel furnaces) make electric resistance furnaces (ERF) a better perspective for DCSA technology. The results of analysis suggest superiority of the tunnel ERF furnaces over other types. The most important imperfection of the formerly developed tunnel ERF furnaces is low efficiency of the forced convection heat exchange that is utilized for heat recuperation. The new principal design of counter rotating tunnel furnace has been presented. The main advantage of the new tunnel furnace is presence of the radiant heat-exchange zones adjacent to the central isothermal zone. Utilization of radiant heat-exchange permits effective heat recuperation and decrease furnace dimensions. The new design is especially efficient when surface to weight ratio of the treated load is very low.

 

KEY WORDS: thermal equipment, continuous furnaces, tunnel furnaces, heat recuperation, electric resistance furnaces.

 

СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ.

В настоящее время сформировался обшир­ный новый сегмент рынка поверхностно-легированной металлопродукции, остающийся незаполненным из-за отсутствия высокопроизводительных, ресурсосберегающих технологий про­изводства поверхностно-легированных металлических изделий и проката.

Новые технологии поверхностного легирования не обеспечивают высокой производительности из-за использования оборудования периодического действия. Перспективная технология диффузионного карбидного поверхностного легирования ДКПЛ, разработанная в НТУ «ХПИ» также, до недавнего времени, опиралась на традиционное оборудование. Это ограничивало производительность первой промышленной линии ДКПЛ выпуском 350 т защищенных изделий в год (ассортимент поверхностно-легированной продукции включал метизы, запорную арматуру, детали насосов, инструмент).

Распространение поверхностно-легированных стальных изделий и метал­лопроката в настоящее время сдерживается высокой стоимостью термообра­ботки – одной из основных операций технологического цикла, построенного на диффузионных процессах. Термообработка, проводится, как правило, в камерных атмосферных или вакуумных пе­чах. Авторами был проведен анализ существующего термического оборудования непрерывного действия для определения наиболее перспективного типа печей, который может быть взят за основу для разработки высокопроизводительной технологии.

Печь для термообработки в технологическом цикле ДКПЛ должна удовлетворять определенным условиям:

-          возможность устойчивой работы при высоких температурах: 1100 – 1200 оС;

-          обеспечивать нагрев массивных загрузок (200-600 кг/м2 подвижного пода) и изотермическую выдержку при температурах 1000 – 1200 оС;

-          обеспечивать возможность автоматизации и механизации операций загрузки и разгрузки;

-          соответствовать режиму работы поточной линии ДКПЛ;

-          позволять максимально рекуперировать тепло, израсходованное на нагрев загрузки, при ее охлаждении

-          обеспечивать достаточно равномерное температурное поле (предпочтительно
±10 оС) в зоне изотермической выдержки

-          не подвергать значительным механическим нагрузкам тонкостенные жаростойкие контейнеры, используемые для загрузки изделий и шихты

Поскольку зольные вещества, образующиеся при сгорании органических топлив, отрицательно сказываются на сроке службы контейнеров, применяемых для загрузки изделий и насыщающей шихты, электрические печи сопротивления (ЭПС) оказываются экономичнее топливных. Кроме того, ЭПС более экологичны и безопасны чем топливные, поэтому им следует отдавать предпочтение при проектировании промышленных линий большой мощности.

 

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ЭПС НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ.

К наиболее распространенным типам печей непрерывного действия относятся толкательные, конвейерные, рольганговые, карусельные, печи с пульсирующим подом, печи с шагающим подом и туннельные печи [1-4]. В основном они различаются удельной производительностью, грузоподъемностью пода, максимальной рабочей температурой, степенью изоляции печной атмосферы, равномерностью температурного поля и сложностью приводных механизмов.

  1. Толкательные ЭПС. Основными преимуществами толкательных ЭПС является достаточно хорошая герметичность, относительная простота, отсутствие транспортирующих механизмов в зоне высоких температур. Недостатком этих ЭПС является наличие массивных поддонов, что ограничивает длину электропечей до 10-12м. Кроме того, на нагрев поддонов затрачивается до 25% полезной теплоты. Определенная трудность имеется также в возврате поддонов от разгрузочного конца ЭПС к загрузочному. Стойкость поддонов исчисляется несколькими месяцами, и стоимость поддонов существенно удорожает себестоимость термообработки. Толкательные ЭПС не рассчитаны на нагрев массивных загрузок, поскольку для перемещения загрузки потребуется слишком большое толкательное усилие.
  2. Рольганговые ЭПС. Преимуществом рольганговых электропечей является их универсальность. В них можно обрабатывать изделия разнообразных размеров и конфигураций – листы, прутки, трубы. Термический КПД рольганговых электропечей относительно высок; в случае применения поддонов масса их значительно меньше, чем в толкательных печах, где поддон является и тарой для нагреваемых деталей, и передатчиком толкающего усилия. Температурный диапазон рольганговых электропечей достаточно широк (верхний предел его достигает 1200оС). Дальнейшее повышение рабочей температуры рольганговых печей ограничено работоспособностью роликов. По сравнению с толкательными печами одинакового типоразмера и мощности рольганговые электропечи имеют более высокие технико-экономические показатели: производительность их выше, а удельный расход электроэнергии ниже. Ввиду того, что при ДКПЛ необходима выдержка массивных контейнеров при высокой температуре, применение рольганговых печей не представляется возможным из-за того, что останов рольганга в печах с рабочей температурой более 1000оС ведет к возникновению в роликах остаточных деформаций и выходу их из строя.
  3. Конвейерные ЭПС. Применяются в основном для термообработки мелких и средних по габаритам и массе изделий крупносерийного и массового производства. Для перемещения изделий внутри рабочего пространства ЭПС применяется конвейер, натянутый между двумя валами, один из которых является ведущим, а другой ведомым. Конвейер может быть полностью, вместе с обоими валами, расположен в камере ЭПС. Недостатками в этом случае являются тяжелые условия работы обоих валов конвейера, находящихся в зоне высоких температур, неудобства ремонта из-за плохой доступности, а также трудность загрузки изделий на горячий конвейер. Кроме того, в подобных конструкциях, как правило, валы охлаждаются водой, что приводит к значительным тепловым потерям. Указанные недостатки отсутствуют в случае выноса валов конвейера и его нижней ветви из зоны высоких температур, т.е. вынос концов конвейера за пределы футеровки. Недостатком подобных конструкций является то, что теплота, идущая на нагрев конвейера, полностью теряется после выхода его части из горячей зоны. Эти потери значительно больше потерь с охлаждающей водой у ЭПС с конвейером, расположенным в печи. Максимальная температура термообработки в конвейерных электропечах составляет 1150 оС.
  4. Карусельные ЭПС. Эти печи возможно применять на температуры до 1300 оС при значительных массах загрузки благодаря тому, что механизмы находятся вне зоны высоких температур. В карусельных ЭПС можно нагревать изделия сложной конфигурации без поддонов, что не всегда возможно в других печах непрерывного действия. Карусельные ЭПС сравнительно легко могут быть приспособлены для работы с защитной атмосферой. Недостатком этого вида ЭПС является  трудность механизации загрузки и выгрузки обрабатываемых изделий, так как загрузочный и разгрузочный проемы находятся рядом. По этой же причине эти ЭПС неудобно использовать в поточных линиях.
  5. ЭПС с пульсирующим подом. Эти ЭПС в основном применяются для термообработки мелких изделий под закалку (до 900 оС). В отличие от многих других видов печей печи с пульсирующим подом имеют относительно высокий термический к.п.д. Их основной недостаток  — разброс и нестабильность времени прохождения деталей через печь, зависящие от формы и массы деталей, а также от колебания коэффициента трения. Их нельзя использовать на высокие температуры и для термообработки массивных загрузок.
  6. ЭПС с шагающим подом. Преимущества ЭПС с шагающим подом состоят в том, что в печном пространстве, т.е. в зоне наибольших температур, отсутствуют металлические детали, что позволяет создавать эти ЭПС на сравнительно высокие температуры, при значительных массах садки, исчисляемой десятками и даже сотнями тонн. Электропечи с шагающим подом имеют также и определенные недостатки. К ним относятся сравнительно большая неравномерность температуры в рабочем пространстве, трудность герметизации и, следовательно, сложность применения их с контролируемыми атмосферами, высокие тепловые потери из-за наличия продольных щелей между подвижными балками и неподвижными частями пода печи. Кроме того, механизм шагающего пода сложен, недостаточно надежен в эксплуатации. Применять электропечи с шагающим подом целесообразно для нагрева изделий сложной конфигурации, которые невозможно транспортировать в других ЭПС непрерывного действия. Они применяются для нагрева тяжелых изделий до 1200-1250 оС в тех случаях, когда механическая нагрузка на под печи высока, и применять рольганговые печи практически невозможно.
  7. Туннельные ЭПС. По способу перемещения деталей туннельные печи являются разновидностью толкательных. Их отличие от толкательных печей заключается в том, что ходовая часть тележек и рельсы отделены от печной камеры футеровкой, т.е. вынесены в зону низких температур. В этом состоит их главное преимущество аналогично печам с шагающей балкой и карусельным (с присущими им трудностями получения равномерного распределения температуры в рабочем пространстве). Вместе с тем по сравнению с карусельными печами и печами с шагающим подом печи этого вида имеют серьезные недостатки: во – первых, футерованные тележки, обладающие большой массой, требуют для нагрева тепло, что ведет к снижению к.п.д.; во – вторых, для возврата тележек требуются дополнительные механизмы и производственные площади; в – третьих, чередование нагрева и охлаждения футерованных тележек ведет к снижению их термостойкости. При создании туннельных печей обычно стремятся повысить КПД путем рекуперации тепла, облегчения тележек, применения материалов с малой теплоемкостью.

Очевидно, что среди известных типов печей, полностью удовлетворяющих требованиям термообработки при ДКПЛ нет. Указанным условиям наиболее полно соответствуют ЭПС с шагающим подом, карусельные и туннельные.  Туннельные ЭПС лучше вписываются в технологическую линию ДКПЛ, поскольку тележки, являющиеся подвижным подом печи, можно успешно использовать для межоперационной транспортировки контейнеров к станциям разгрузки, загрузки и обратно на термообработку. 

МОДЕРНИЗИРОВАННЫЕ ТУННЕЛЬНЫЕ ЭПС.

На рис.1 представлена принципиальная схема однопроходной туннельной ЭПС, являющаяся базовой для современных разработок [1, 2]. Рекуперация тепла в таких ЭПС осуществляется за счет принудительного конвективного теплообмена. По мере продвижения по зоне предварительного нагрева (1), загрузка нагревается воздухом, исходящим из зоны нагрева и изотермической выдержки (2). Нагреватели расположены в зоне нагрева и изотермической выдержки (2), где и проходит основная стадия термообработки. По окончании выдержки в зоне (2) загрузка поступает в зону охлаждения (3), где охлаждается воздухом, нагнетаемым с холодного конца туннеля.

Рис. 1. Схема однорядной туннельной печи. 1 – футерованные тележки, 2 – нагреватели, I – зона предварительного нагрева, II – зона нагрева и изотермической выдержки, III – зона охлаждения; черная и белая стрелки – направление движения загрузки и воздуха соответственно.

Fig. 1. The scheme of the one-row tunnel furnace. 1 – lined bogies, 2 – heaters, I – preheating zone, II – heating and isothermal zone, III – cool down zone; black and white arrows – direction of the load movement, and air movement respectively.

Однопроходным туннельным печам присущи главные недостатки туннельных печей, отмеченные выше, за исключением термического к.п.д., который достаточно высок (до 70-75%), благодаря рекуперации тепла. Применение современных ультралегковесных огнеупорных материалов для футеровки тележек (пеношамотный и пенокоррундовый легковесный кирпич, муллитовый войлок и т.п.) позволило в несколько раз уменьшить потери тепла через печной под. Однако из-за невысокой интенсивности конвективного теплообмена, особенно для загрузок с большим отношением массы к площади поверхности, габариты таких печей очень велики (в длину обычно более 100 м), а скорость прохождения загрузки ограничена. Неплотности песочных затворов на большой погонной длине могут приводить к значительным потерям тепла.

Трехрядные противоточные туннельные печи (рис.2), разработанные позже, позволили значительно уменьшить габариты, разрешили проблему возврата тележек от разгрузочного конца к загрузочному, и позволили еще более увеличить термический к.п.д., который достигает  80% [1].

Рис. 2. Схема противоточной трехрядной туннельной печи. 1 – футерованные тележки, 2 – нагреватели, I – зона предварительного нагрева (охлаждения), II – зона нагрева и изотермической выдержки; черная и белая стрелки – направление движения загрузки и воздуха соответственно.

Fig. 2. The scheme of the counter rotating three-row tunnel furnace. 1 – lined bogies, 2 – heaters, I – preheating (cool down) zone, II – heating and isothermal zone; black and white arrows – direction of the load movement, and air movement respectively.

В противоточных трехрядных ЭПС загрузка в первом и третьем ряду движется противотоком к центральному. Предварительный нагрев загрузки производится в первом и третьем ряду сначала воздухом (зона I), а затем от нагревателей (зона II). Окончательный нагрев загрузки и изотермическая выдержка проходят в зоне II центрального ряда, после чего идет охлаждение в зоне I. В центральном ряду скорость прохождения загрузки в 2 раза больше, чем во внешних.

Рис. 3. Схема противоточной двухрядной туннельной печи. 1 – футерованные тележки, 2 – нагреватели, 3 – перегородка, I – зона конвективного теплообмена, II – зона теплообмена излучением, III – зона изотермической выдержки; черная и белая стрелки – направление движения загрузки и воздуха соответственно.

Fig. 1. The scheme of the one-row tunnel furnace. 1 – lined bogies, 2 – heaters, 3 – shield, I – zone of convective heat-exchange , II – zone of radiant heat-exchange, III – isothermal zone; black and white arrows – direction of the load movement, and air movement respectively.

Недостатком противоточных трехрядных ЭПС, как и однорядных является невысокая интенсивность теплообмена при подогреве и охлаждении массивных загрузок воздухом.

С целью интенсификации теплообмена и более полной рекуперации тепла в туннельных ЭПС целесообразно использовать теплообмен излучением, особенно в зоне высоких температур (интенсивность конвективного теплообмена пропорциональна разности температур теплоотдающего потока и тепловоспринимающей поверхности, в то время как интенсивность теплообмена излучением – разности температур между теплоотдающей и тепловоспринимающей поверхностью в четвертой степени). Для проекта поточной линии ДКПЛ по защите листовой стали была разработана противоточная туннельная печь [5], принципиальная схема которой представлена на рис. 3.

В противоточных туннельных ЭПС данной конструкции число рядов кратно двум. Предварительный нагрев загрузки (либо окончательное охлаждение) происходит в зоне конвективного теплообмена I. Основной нагрев загрузки происходит в зоне теплообмена излучением II от горячей загрузки, прошедшей зону изотермической выдержки III.

Зона теплообмена излучением позволяет значительно сократить габариты печи и увеличить термический к.п.д. за счет более полной рекуперации тепла. Поскольку теплообмен излучением становится эффективнее принудительного конвективного теплообмена при температуре выше 300 – 400 оС (в зависимости от скорости движения газового потока и формы тепловоспринимающей поверхности) длина зон I и II рассчитывается так, чтобы температурное поле на их границе находилось в указанном интервале.

ВЫВОДЫ

1. Электрические печи сопротивления для термообработки при ДКПЛ более экономичны, экологичны и безопасны чем топливные, поэтому им следует отдавать предпочтение при проектировании промышленных линий большой мощности

2. Среди печей непрерывного действия условиям термообработки при ДКПЛ наиболее полно соответствуют ЭПС с шагающим подом, карусельные и туннельные.  При этом туннельные ЭПС лучше вписываются в технологическую линию, поскольку тележки, являющиеся подвижным подом печи, можно успешно использовать для межоперационной транспортировки контейнеров к станциям разгрузки, загрузки и обратно на термообработку.

3. Недостатком противоточных трехрядных ЭПС, как и однорядных, является невысокая интенсивность теплообмена при подогреве и охлаждении массивных загрузок воздухом.

4. Зона теплообмена излучением  в туннельной печи новой конструкции позволяет значительно сократить габариты печи и увеличить термический к.п.д. до 85% за счет более полной рекуперации тепла, особенно для загрузок с большим отношением массы к площади поверхности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гутман М.Б., Кацевич Л.С., Лейканд М.С. и др. Электрические печи сопротивления и дуговые печи. Под ред. Гутмана. М.Б. -М.: Энергоатомиздат, 1983.- 360 с.

2. Арендарчук А.В., Катель Н.М., Липов В.Я., Рубин Г.К., Филиппов В.И. Общепромышленные электропечи непрерывного действия. -М.: Энергия, 1977.- 248 с.

3. Электрические промышленные печи. В 2-х ч. Ч.1. Свенчанский А.Д. Электрические печи сопротивления. Изд. 2-е, перераб. -М.: Энергия, 1975.- 384 с.

4. Сатановский Л.Г., Мирский Ю.А. Нагревательные и термические печи в машиностроении. –М.: Металлургия, 1971.- 384 с.

5. Товажнянский Л.Л., Чуняев О.Н., Чуняева Л.О. патент США №60/353,626 „Counter-rotating tunnel furnace”.

Понравилась статья? Расскажите друзьям.
Общайтесь с нами:

Добавить комментарий