Особенности процесса нагрева металлов

При печном нагреве в обычной атмосфере поверхностный слой изделий из металлов существенно окисляется, а изделий из черных металлов, кроме того, обезуглероживается. В тех случаях, когда это нежелательно или недопустимо, нагрев ведут, поддерживая в рабочем пространстве печи искусственную атмосферу или вакуум.

В пламенных термических печах для изолирования пламени от искусственной атмосферы, окружающей нагреваемые изделия, либо их помещают в муфель (муфелирование садки), либо топливо (газ) сжигают внутри трубчатого радиационного нагревателя (муфелирование пламени). Муфели и радиационные нагреватели находят применение и в электропечах.

В пламенных печах для нагрева под обработку металла давлением в качестве искусственной используют атмосферу, получаемую в результате неполного сжигания топлива в приборах, установленных на печи. При этом вследствие низкой теоретической температуры горения не представляется возможным осуществлять нагрев заготовок до ковочной температуры без подвода в рабочую камеру дополнительного тепла; в связи с этим требуется высокотемпературный подогрев топлива либо воздуха, осуществляемый вне рабочей камеры теплом, получаемым при дожигании продуктов неполного сгорания топлива. В практике такие пламенные печи получили название печей безокислительного нагрева металла открытым пламенем (практически происходит малоокислительный нагрев).

Безокислительный нагрев значительно снижает потери металла с окалиной. Однако в вопросе применения печей безокислительного нагрева открытым пламенем имеется еще ряд неясностей. Эти печи сложны, стоимость их высока.

Нагрев в вакууме для предотвращения окисления обрабатываемых изделий ведут только в электропечах. По сравнению с безокислительным нагревом в искусственной атмосфере нагрев при низком давлении печной среды исключает возможность взаимодействия нагреваемого металла с вводимым газом (науглероживание, обезуглероживание, азотирование, насыщение газами и т. п.). Во многих случаях применение низкого давления печной среды вместо использования искусственных, особенно инертных (аргон, гелий), атмосфер оказывается более целесообразным. Увеличение первоначальных затрат на изготовление и установку вакуумной электропечи с избытком компенсируется снижением эксплуатационных расходов, связанных с приготовлением и очисткой газа, используемого для создания в печи искусственной атмосферы.

Преимущества нагрева в вакууме определили широкий круг технологических процессов, осуществляемых в вакуумных электропечах, в том числе различные виды термической обработки, включая отжиг, закалку и др.

Создание вакуумных электропечей сопротивления для нагрева заготовок под обработку металла давлением на оборудовании, не включенном в вакуумную камеру, очень сложно (это не относится к случаю использования в электропечи не окисляющихся на воздухе материалов – нихрома, хромаля). Такая сложность объясняется необходимостью затрачивать значительное время на выдачу садки через шлюзовое устройство, что приводит к ее чрезмерному остыванию. Выдача же садки непосредственно на воздух путем предварительного заполнения печи инертным газом не исключает возможности попадания в печь кислорода воздуха; кроме того, такой способ очень дорог, так как требует большого расхода инертного газа.

Широкое разнообразие технологических процессов, осуществляемых в вакуумных электропечах сопротивления, обусловило большое число конструкций этих печей индивидуального назначения, что усложняет их изготовление. К серийным промышленным относятся лишь элеваторные электропечи.

Необходимо отметить, что еще не всех видов вакуумные электропечи сопротивления достаточно надежны и долговечны в эксплуатации. Печи с нагревателями из хромоникелевых сплавов сопротивления, размещенными на огнеупорной кирпичной футеровке, достаточно надежно работают при температуре до 1100 – 1150° С (температура на нагревательных элементах). Эти же электропечи с экранной теплоизоляцией и нагревателями, укрепленными на керамических изоляторах, нельзя применять при температуре выше 1000° С из-за напыления испаряющимися с нагревателей металлами изоляторов и образования короткого замыкания на корпус печи. Лучше работают молибденовые проволочные нагреватели, закрепленные на керамических изоляторах, но и они постепенно металлизируют изоляторы. Однако температура, при которой начинается интенсивное напыление, и скорости напыления исследованы еще недостаточно.

Для печей характерна тепловая инерция, что обусловливает при периодической работе потери тепла и трудности в эксплуатации. В целях ликвидации указанных недостатков были предложены так называемые печи с малой тепловой инерцией (малоинерционные печи).

Малоинерционные установки с электрообогревом находят применение для термообработки крупногабаритных изделий в целях снятия внутренних напряжений. Максимальная рабочая температура в электропечи 800° С. Нагревательные элементы печи практически образуют внутренний кожух камеры нагрева и представляют собой длинные и широкие полосы; толщина полос выбирается с учетом их механической прочности и электрического сопротивления.