Профессиональное обучение

Ручная ковка

Нагревательные устройства

Классификация. От правильного выбора и работы нагревательных устройств в значительной степени зависят производительность ковки и качество изготовляемых поковок. В кузнечном производстве применяют различные по конструкции и принципу действия нагревательные устройства. При выборе нагревательных устройств руководствуются различными факторами, главными из которых являются технологические особенности ковки или штамповки, химический состав нагреваемого металла, размеры и форма заготовок, масштаб производства поковок и условия труда. Нагревательные устройства классифицируют по способу нагрева заготовок и по конструктивным признакам, определяющим режим загрузки заготовок. [an error occurred while processing this directive]

По способу нагрева нагревательные устройства делят на печи и электронагревательные устройства (рис. 4.2). В печах заготовки нагреваются до требуемой температуры за счет теплоты рабочего пространства печи (источник теплоты находится вне заготовки), а в электронагревательных устройствах теплота возникает внутри самой заготовки. Печи, в свою очередь, подразделяют на пламенные и электрические. В пламенных печах рабочее пространство нагревают сжиганием топлива (газа или мазута), в электрических — пропусканием электрического тока через элементы сопротивления, установленные внутри нагревательной камеры.

Рис. 4.2. Классификация нагревательных устройств

По конструктивным признакам нагревательные устройства подразделяют на устройства с периодической и с непрерывной загрузкой и выгрузкой заготовок. В первых, называемых камерными, заготовки загружаются и выгружаются из нагревательного устройства через одно и то же окно, а в процессе нагрева они остаются неподвижными. Второй тип нагревательных устройств, называемых методическими или проходными, характеризуется тем, что заготовки загружаются через загрузочное окно, перемещаются в процессе нагрева и выдаются для обработки через окно выгрузки.

Механизированные печи сложной конструкции и электронагревательные устройства рентабельны в крупносерийном производстве. В условиях мелкосерийного производства из-за частых переналадок технологических процессов и неизбежных изменений темпа работы целесообразно применять менее совершенные универсальные печи.

Несмотря на го что электрические печи и электронагревательные устройства имеют ряд преимуществ перед пламенными печами, последние чаще применяют в кузнечном производстве, особенно в единичном и мелкосерийном. Объясняется это тем, что стоимость и время нагрева в электропечах выше, чем в газовых, а электронагревательные устройства нецелесообразно применять в единичном производстве вследствие их недостаточной универсальности.

Кузнечные горны. При ручной ковке для нагрева заготовок, как правило, применяют кузнечные горны, в которых теплота образуется за счет сжигания твердого топлива (угля, кокса), мазута или газа. Кузнечные горны являются простейшими нагревательными устройствами. Несмотря на низкий КПД (до 10 %) и малую производительность, их широко используют для нагрева заготовок при ручной ковке. Горны имеют простую конструкцию, занимают мало места и не требуют сложной аппаратуры для управления. Кроме того, их легко ремонтировать.

По конструкции различают кузнечные горны переносные и стационарные, открытого и закрытого типов, а по роду применяемого топлива — работающие на твердом, газообразном и жидком топливе. Горны закрытого типа имеют специальную камеру, в которой нагревают заготовки; в горнах открытого типа такая камера отсутствует.

Переносный горн — это легкое небольшое нагревательное устройство открытого типа, работающее на твердом топливе. Его применяют при выполнении ремонтных работ и изготовлении единичных деталей малых размеров вдали от производственных зданий, на строительных площадках и др.

Переносный горн (рис. 4.3) имеет раму 5, на которой крепятся очаг горения и нагревания 1 и небольшой вентилятор 6, приводимый в действие от маховика 2 через ременную передачу 4. Маховик 2 вращают ножной педалью 3 или рукояткой, либо используют небольшой электродвигатель. Очаг горения выполнен в виде чугунной чаши с отверстиями в дне для прохождения воздуха из вентилятора.

Рис. 4.3. Переносный кузнечный горн:
1 - очаг, 2 - маховик, 3 - педаль, 4 - ременная передача, 5 - рама, 6 - вентилятор

Стационарные горны устанавливают на одном из участков кузнечного цеха либо в отдельном помещении завода или мастерской. Они бывают открытого и закрытого типов.

Стационарные горны открытого типа изготовляют или полностью из кирпича, или из металла и кирпича. На рис. 4.4 показан стационарный горн открытого типа, изготовленный из строительного кирпича. Рабочая поверхность 4 очага 3 обкладывается огнеупорным шамотным кирпичом. В горне имеются фурмы (сопла) 7 для подачи воздуха в горновой очаг, вертикальный канал 5 для удаления из очага твердых продуктов сгорания (золы и шлака), вытяжной зонт 2 и дымоход 1 для улавливания и отвода дымовых газов. Для охлаждения кузнечного инструмента, выполнения некоторых операций термической обработки и регулирования горения топлива в очаге служит бачок 6 сводой.

Рис. 4.4. Стационарный горн открытого типа из кирпича:
1 - дымоход, 2 - вытяжной зонт, 3 - очаг, 4 - рабочая поверхность очага, 5 - канал для удаления золы и шлака, 6 - бачок с водой, 7 - фурма

Более современными и удобными в изготовлении и ремонте являются стационарные горны открытого типа, изготовленные из металла и кирпича (рис. 4.5). Чугунная горновая чаша 6 с чугунной решеткой 5 и фурма 7 с крышкой 8 крепятся на сварной металлической подставке 9. Воздух от вентилятора подается через фурму в очаг горна по трубопроводу 10 и регулируется заслонкой 11. Топливо (уголь) 4 закладывают на чугунную решетку; при его сгорании основная часть продуктов горения удаляется через внутреннюю трубу 1. Часть дыма улавливается зонтом 3 и удаляется через наружную трубу 2. При прохождении дыма через последнюю внутренняя труба 1 нагревается, при этом тяга в ней увеличивается, что улучшает удаление газов из горна. Твердые продукты сгорания (зола и шлак) накапливаются на дне крышки 8\ по мере необходимости ее открывают и очищают от отходов. Для повышения производительности горна иногда на подставке 9 устанавливают два или три очага, а воздух для них подают от одного более мощного вентилятора. Такой горн называют многоместным.

Рис. 4.5. Стационарный горн открытого типа из металла и кирпича:
1,2 - внутренняя и наружная трубы, 3 - зонт, 4 - топливо, 5 - решетка, 6 - чаша, 7 - фурма, 8 - крышка, 9 - подставка, 10 - трубопровод, 11 - заслонка

В качестве топлива для горна целесообразно использовать малосернистый уголь марки К или ПЖ (полужирный) . При этом необходимо учитывать следующие особенности нагрева. Во-первых, при работе на каменном угле, содержащем большое количество серы, последняя при высокой температуре переходит в верхние слои металла нагреваемой заготовки и снижает его механические свойства. Во избежание этого заготовку закладывают в горн только после того, как очаг разгорится, а содержащаяся в угле сера полностью выгорит. Во-вторых, подаваемый из вентилятора воздух не весь усваивается при сгорании топлива и вызывает интенсивное окисление нагреваемого металла (угар в горнах достигает 5 ... 8 % за один нагрев) . В-третьих, заготовка в горне нагревается неравномерно, поэтому ее приходится периодически переворачивать и передвигать в очаге, нарушая установившийся процесс горения топлива.

Горение угля в горне происходит следующим образом. Сверху в чугунную чашу закладывают уголь, а снизу через отверстия в дне чаши вентилятором подают воздух. При установившемся режиме горения слой топлива разделяется на три зоны (рис. 4.6). В верхней зоне свежий уголь подогревается под действием проходящих через него горячих газов и здесь из него испаряется влага. Нагреваясь, топливо распадается на летучие горючие вещества и кокс.

Рис. 4.6. Схема горения угля в горне

Летучие вещества сгорают, образуя надслойное пламя, а кокс горит с образованием углекислого газа (С + О₂ = СО₂) . В верхней зоне слоя топлива из углекислого газа под действием высокой температуры восстанавливается оксид углерода - угарный газ СО (СО₂ + С = 2СО). Являясь горючим веществом, угарный газ догорает в зоне над горящим слоем топлива (2СО + О₂ = 2СО₂).

Нагреваемую заготовку или ее часть помещают в горящие угли, а сверху засыпают свежим углем. Спекаясь над заготовкой, он образует свод, под которым развивается достаточно высокая температура. Заготовку закладывают так, чтобы между ней и отверстиями в чаше, предназначенными для подачи воздуха, был достаточный слой горящих углей. Регулировкой дутья добиваются нужной температуры нагрева, не допуская перегрева металла.

Холодный горн разжигают в такой последовательности: очищают горновую чашу от остатков несгоревшего угля, золы и продувают ее воздухом вентилятора; на дно чаши насыпают тонкий слой свежего угля, укладывают на него древесную стружку или пропитанную керосином ветошь и поджигают (вместо стружки или ветоши можно применять горящий уголь с соседнего работающего горна); сверху насыпают новый тонкий слой угля и включают вентилятор, подавая в горн небольшое количество воздуха; когда уголь разгорится, добавляют новый слой топлива и увеличивают подачу воздуха, добиваясь стабильной работы горна.

Более экономичными являются горны закрытого типа. Они могут работать на твердом, жидком и газообразном топливе.

Стационарный горн закрытого типа, работающий на угле (рис. 4.7), имеет камеру нагрева 2, выложенную изнутри огнеупорным кирпичом 9 и скрепленную сварным металлическим каркасом 7. Уголь засыпается на чугунную колосниковую решетку 8 через топочный люк 4, который имеет окно 3 для шуровки топлива при его застревании в люке. Воздух от вентилятора через трубу 5 подается в металлическую коробку 6, а оттуда через отверстия в решетке 8 — в горновой очаг. Дня дожигания угарного газа сбоку через трубу 10 в камеру подают дополнительный воздух. Газообразные продукты сгорания из камеры отводятся через дымоход 12 в вытяжной зонт 1. Окно 11 служит для загрузки заготовок в горн и регулирования горения угля в очаге.

Рис. 4.7. Стационарный горн закрытого типа работающий на угле:
1 - вытяжной зонт, 2 - камера нагрева, 3, 11 - окна, 4 - топочный люк, 5,10 - трубы, 6 - коробка, 7 - каркас, 8 - решетка, 9 - кладка, 12 - дымоход

Стационарный горн закрытого типа, работающий на жидком топливе, представляет собой компактное нагревательное устройство, состоящее из камеры нагрева 1 (рис. 4.8) и камеры сгорания 3, называемой также топочной. Обе камеры изготовлены сваркой из листового железа и выложены изнутри огнеупорным материалом. Воздух для горения топлива подается в камеру 3 из воздухопровода 6 через конусный чугунный наконечник 7 с отверстиями 8 и 9 на торце и в нижней его части. Мазут или нефть подается в камеру через воронку 5. Топливо стекает по наклонной наружной поверхности наконечника 7, подхватывается струями воздуха, распыляется и сгорает.

Рис. 4.8. Стационарный горн закрытого типа, работающий на мазуте:
1,3 - камеры нагрева и сгорания, 2 - канал, 4 - окно, 5 - воронка, 6 - воздухопровод, 7 - наконечник, 8, 9 - отверстия в наконечнике

Часть топлива стекает вниз, подхватывается струями воздуха, выходящими из нижнего отверстия 8, также распыляется и сгорает в камере. Для розжига смеси в камере имеется закрывающееся плотной крышкой окно 4. Газообразные продукты сгорания, нагретые до 1350 ..1400 ° С, через канал 2 поступают в нагревательную камеру 1, в которую закладывают заготовки для нагрева. В рассмотренном горне в качестве топлива чаще всего используют мазут, так как он дешевле нефти и характеризуется такой же удельной теплотой сгорания.

Подаваемый в камеру мазут должен быть достаточно жидким и хорошо стекать из основного бака в воронку 5. В случае загустевания мазут подогревают водяным паром, который пропускают через трубчатый змеевик, установленный в основном баке с топливом. Воздух в камеру подают под давлением 4000 . . . 7000 Па (400 . . . 700 мм вод. ст.), регулируя последнее заслонкой, установленной на воздухопроводе 6. Для розжига горна в окно 4 вводят горящий факел и, медленно открывая заслонку на воздухопроводе, подают слабую струю воздуха, а затем небольшое количество мазута. По мере разогрева камеры сгорания подачу воздуха и мазута постепенно увеличивают и разогревают горн до нужной температуры. Соотношение количеств подаваемого мазута и воздуха должно быть таким, чтобы мазут хорошо распылялся и перемешивался с воздухом.

Стационарный горн закрытого типа, работающий на газе, применяют для нагрева концов небольших заготовок при изготовлении поковок гаек, болтов и других деталей типа стержней с головками. В горне имеется цилиндрический или многоугольный металлический сварной каркас 2 (рис. 4.9), выложенный изнутри огнеупорным кирпичом 3. В боковых стенках выполнены круглые или квадратные отверстия 7, куда вставляют нагреваемые концы заготовок. Сверху камеры нагрева установлена цнжекционная горелка 7, через которую подают горючую газовую смесь. Под горна выложен огнеупорным материалом в форме выступающего вверх конуса 6. Такая форма способствует быстрому нагреву горна при его пуске, лучшему перемешиванию газов и уменьшению времени нагрева заготовок.

Рис. 4.9. Стационарный вращающийся горн закрытого типа, работающий на газе :
1 - горелка, 2 - каркас, 3 - кладка, 4 - поворотная платформа, 5 - шариковая олора, 6 - конус, 7 - отверстия

Газообразные отходы сгоревшего топлива выходят через отверстия для заготовок и отводятся с помощью зонта в дымовую трубу.

Горны рассмотренной конструкции бывают неподвижными и вращающимися. В неподвижных горнах рабочая камера обычно имеет прямоугольную форму. На одной ее стенке устанавливается горелка для подачи горючей смеси, на трех других имеются отверстия под нагреваемые заготовки. Вращающийся горн (см. рис. 4.9) помещается на поворотной платформе 4, имеющей шариковые опоры 5 и поворачиваемой вручную при установке в отверстия 7 холодных и удалении нагретых заготовок.