ЗАКАЛОЧНЫЕ БАКИ

ЗАКАЛОЧНЫЕ БАКИ И МАШИНЫ

Лекция 20

К оборудованию, предназначенному для охлаждения при закалке, относят немеханизированные и механизированные закалочные баки, в которых детали охлаждаются в свободном состоянии, закалочные прессы, закалочные и гибозакалочные машины, в которых детали (шестерни, валы, листы, рессоры) закаливаются в зажатом состоянии.

Различают два вида закалочных баков: немеханизи­рованные и механизированные.

Немеханизированный закалочный бак представляет собой ем­кость цилиндрической или прямоугольной формы. Бак сваривают из листовой низкоуглеродистой стали толщиной 4—6 мм. В тер­мических цехах применяют небольшие закалочные баки для за­калки мелких и средних деталей. Размеры баков в плане (в мм): 60x700, 700x1200. Глубина баков около 1000 мм. В немехани­зированных баках все процессы по передаче деталей в бак, пере­мещению в баке и выдаче их из бака выполняют вручную. Ориен­тировочный объем закалочной жидкости в баке составляет 15 л на 1 кг охлаждаемых деталей. Для крупных деталей (штампы, валы и т. п.) размеры закалочных баков могут достигать несколь­ких метров. Расчет размеров закалочного бака может быть выпол­нен, если известны количество теплоты, вносимое горячим ме­таллом, и допустимый перегрев охлаждающей среды. Металл (детали, поддоны, приспособления) при закалке отдает закалочной среде следующее количество теплоты:

где средняя теплоемкость металла при t^н_м иt^к_м Дж/(кг-К); t^н_м иt^к_м - начальная и конечная температура ме­талла, °С; m_м — масса металла, кг.

Эта теплота поглощается закалочной средой, масса которой (в кг):

где — средняя теплоемкость закалочной среды при t^н_з.с.

1 — стол; 2 — штанга; 3 — кран; 4 — цилиндр; 5 — направляющая; 6 — втулка стола;7 — бак; 8 — трубопровод

Конвейерные закалочные баки применяют в автоматических и поточных линиях термической обработки. Баки такой конструкции имеются на Ростовском ГПЗ 10. В конвейрных баках охлаждаются детали, поступающие образом, чтобы нагретые до нужной температуры детали по­падали на ленту конвейера, расположенную ниже уровня закалоч­ной среды.

Конвейерные из нагреветельных печей. Баки устанавливают относительно печей таким закалочные баки имеют стальной сварной кор­пус, в котором размещен пластинчатый конвейер. Ведущий вал конвейера и механизм, вращающий его, расположены над баком, а ведомый вал и подшипники, в которых он вращается, находятся в нижней части бака. Лента конвейера собирается из отдельных пластин, прикрепленных к двум цепям. На ведущем валу кон­вейера посажены две звездочки, тянущие цепи и, следовательно, ленту конвейера. Две звездочки ведомого вала обеспечивают фикси­рованное расположение ленты конвейера относительно оси бака.

Верхняя ветвь конвейера движется по направляющим, при­варенным к боковым стенкам бака, а нижняя ветвь, как правило, висит свободно, что обеспечивает необходимое натяжение ленты конвейера.

Плоскость конвейера, на которую падают детали из печи, рас­полагается ниже уровня закалочной среды на 700—1000 мм. Детали массой до 3 кг падают из печи прямо на ленту конвейера. Более тяжелые детали, чтобы не разрушить пластины ленты кон­вейера, при падении из печи вначале попадают на лоток и уже с него — на ленту конвейера. Лоток устанавливается на 250— 300 мм выше ленты конвейера.

Скорость движения конвейера в баке зависит от времени ох­лаждения деталей. Скорость конвейера регулируют изменением передаточного числа приводного механизма. Во избежание на­громождения деталей и неравномерности их охлаждения скорость конвейера бака должна быть в 2—3 раза больше, чем скорость движения деталей в печи. Скорость конвейера зависит и от типа закалочной среды. При закалке в масле скорость конвейера в 2— 3 раза меньше, чем при закалке в воде.

Охлаждение закалочной среды в баке происходит или непо­средственно в баке, или в отдельно стоящем теплообменнике.

Для выравнивания температуры закалочной среды в баке место забора в теплообменник и место слива охлажденной среды выполняются на противоположных сторонах бака. В конвейерных закалочных баках для интенсификации процессов охлаждения закаливаемых деталей в ряде случаев устанавливают лопастные насосы. Насосы располагают таким образом, чтобы создаваемый ими поток направлялся в ту часть бака, куда поступают детали из печи.

На рис. 2 показан закалочный бак с пластинчатым конвейером. В качестве закалочной среды может быть использована вода или масло. При закалке в воде температура в баке регулируется не­прерывной подачей воды по трубе 3. Вода из бака удаляется через окно 7. Данная система удаления закалочной среды обеспечивает поддержание постоянного уровня воды в баке. Расход воды регу­лируется в зависимости от производительности печи. Датчик

температуры, погруженный взакалочную среду, управляет кла­паном 4, установленным на трубе, подающей холодную воду. Для предохранения пластин конвейера от ударов деталей, падающих из печи, в баке установлен лоток 2. После слива закалоч­ной среды через трубу 9 можно, не разбирая ленты конвейера, через люк 8 удалить из бака окалину, детали, ссыпавшиеся с кон­вейера.

Рис. 2. Конвейерный закалочный бак:

1 — ведомый вал; 2 — лоток; 3 труба; 4— клапан; 5 — направляющая; 6 — ведущий вал; 7 — переливное окно; 8 — люк; 9 — сливная труба

2. УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПОДОГРЕВА, ОХЛАЖДЕНИЯ, ПЕРЕМЕШИВАНИЯ И ОЧИСТКИ ЗАКАЛОЧНЫХ СРЕД

Устройства для подогрева.Для подогрева закалоч­ных сред используются пар, газообразное топливо и электрическая энергия.

При подогреве закалочных сред паром в закалочном баке размещают змеевик из стальных труб. Температура закалочной среды регулируется автоматически путем изменения расхода пара через змеевик. Как правило, подогрев закалочной среды необ­ходим только в начальный период работы печи. В дальнейшем, когда в закалочный бак начинают поступать горячие детали из печи, из-за избытка теплоты температура закалочной среды на­чинает повышаться, система подогрева отключается.

В ряде случаев для подогрева закалочных сред использу­ется природный газ. Сжигание природного газа осуществляется в радиационной трубе, погруженной в закалочную среду. В радиа­ционных трубах устанавливают инжекционные однопроводные или двухпроводные горелки. Температура закалочной среды регу­лируется автоматически. При температуре среды нижезаданной

горелка работает на полную мощность, при температуре среды, превышающей заданную, горелка отключается.

Наибольшее распространение для подогрева закалочных сред получили электрические нагреватели, особенно трубчатые элект­рические нагреватели ((ТЭНы). Электрические нагреватели обы­чно опускаются в закалочный бак сверху, что позволяет отказа­ться от дополнительных отверстий в стенах бака, через которые возможна утечка закалочной среды.

Устройства для подогрева сред целесообразно устанавливать таким образом, чтобы прогревались нижние слои закалочной среды, что улучшает перемешивание среды путем ее естественной кон­векции.

Устройства для охлаждения. Для охлаждения масла, исполь­зуемого в качестве закалочной среды, применяют различные кон­струкции теплообменных устройств. Горячее масло охлаждается водой или воздухом. В теплообменном устройстве охлаждаемая и охлаждающая среды разделены герметичной перегородкой, через которую и осуществляется передача теплоты.

В зависимости от интенсивности тепловыделения в закалочном баке используются теплообменники различной мощности. При охлаждении масла непосредственно в закалочном баке приме­няют баки с двойными стенками, между которыми пропускает­ся проточная вода. В ряде случаев в закалочный бак опус­каются змеевики, сваренные из стальных труб и охлаждаемые водой.

Большой интенсивности охлаждения масла можно добиться путем повышения скорости его движения относительно охлажда­емой поверхности. С этой целью масло из бака отсасывается насо­сом и под давлением подается в трубчатый теплообменник, охла­ждаемый водой. Проходя через теплообменник, масло, соприка­саясь с трубами, охлаждается и направляется в закалочный бак. Подобные маслоохладительные установки работают в автоматиче­ском режиме. При температуре масла в закалочном баке, не пре­вышающей заданную температуру, маслоохладитель не работает. При нагреве масла выше заданной температуры включается насос и масло начинает подаваться в маслоохладитель. Одновременно в маслоохладитель начинает поступать холодная вода. Во время работы маслоохладителя давление масла в нем поддерживается всегда большим, чем давление охлаждающей воды.

На рис. 3 показан трубчатый маслоохладитель, охлаждаемый проточной водой. Маслоохладитель состоит из наружного кор­пуса 3, трубчатого теплообменника 5, водораспределителя / и водяного кожуха 2. Наружный корпус крепится к трубчатому теплообменнику при помощи фланцевого соединения. На боковой поверхности наружного корпуса имеется два отверстия для по­дачи горячего масла и слива охлажденного масла.

Трубчатый теплообменник представляет собой пучок труб, один конец которых приварен к фланцу теплообменника, а другой

Рис. 3. Трубчатый маслоохладитель

имеет заваренные донышки. На пучок труб надеты перегородки 4, расположенные равномерно по длине теплообменника.

Водораспределитель состоит из герметичной коробки, в ко­торую из сети подается холодная вода, и пучка труб, по которым вода поступает в трубы теплообменника. В каждой трубе тепло­обменника находится труба водораспределителя. Маслоохладитель работает следующим образом. Горячее масло поступает в корпус и заполняет все пространство между трубами теплообменника. Перегородки теплообменника заставляют поток масла проходить по извилистому пути, что обеспечивает лучшие условия тепло­передачи от масла к трубам теплообменника. По мере движения масло охлаждается и из корпуса выходит уже охлажденное масло.

Вода, поступающая из сети, направляется по трубам водо­распределителя к заглушённому концу труб теплообменника. Холодная вода, соприкасаясь с горячей поверхностью трубы теплообменника, охлаждает ее. Вода из теплообменника удаля­ется по кольцевому зазору между трубами водораспределителя и теплообменника. По выходе из теплообменника вода из труб по­ступает в водосливный кожух и оттуда направляется в канали­зацию.

В данном теплообменнике пространство, заполняемое охлаж­дающей водой, всегда остается открытым и соединяется с атмос­ферой. Это сделано для того, чтобы давление воды в теплообменнике ни при каких условиях не могло быть большим, чем давление масла, и вода не смогла бы попасть в ту часть маслоохладителя, где находится масло. Конструкция маслоохладителя позволяет вынимать трубчатый теплообменник из наружного корпуса и производить чистку и промывку теплопередающей поверхности.

Кроме трубчатых теплообменников применяют пластинчатые теплообменники. Они состоят из набора тонких (1 – 1,2 мм) теплопередающих пластин с гофри­рованной поверхностью, сжатых в пакет между прочными фланцами при помощи болтовых сое­динений. По образован­ным между пластинами щелевидным каналам движутся противотоком из соответствующих коллекторов жидкости (охлаждаемая и охлаж­дающая).

Рис. 4. Пластинчатый тепло­обменник

Температура применения пластинча­тых теплообменников зависит от материала пластин и прокладок, уложенных между пластинами. Прокладки из специальных сортов резины применяют до 200°С, прокладки из паронита — до 300 °С. Пластинчатый разборный теплообменник типа ТПР показан на рис. 4.

В термических цехах наряду с индивидуальными маслоохла-дительными установками приме­няют и центральные маслоох-ладительные установки или станции. Охлажденное масло из центральной маслоохладитель-ной станции по трубопроводу поступает в закалочные баки различных печей. Масло посту­пает в баки непрерывно и тем самым обеспечивается постоян­ная температура закалочной среды. Через переливное отверс­тие масло сливается из бака

Рис. 5. Схема центральной маслоохладительной установки

в обратную магистраль и насосами прогоняется через фильтры и маслоохладители.

Схема такой установки показана на рис.5. Масло из зака­лочных баков, расположенных в цехе, поступает по трубопроводу 1 в трехсекционный бак 8, затем в фильтры 9 и маслоохладители 4. Для перекачки масла предназначены насосы 2, один из которых резервный. Охлажденное масло поступает к закалочным бакам по трубопроводу 3. Отработанное масло из системы удаляется на­сосом 5. Свежее масло в систему подается по трубопроводу 6. Приемная воронка 7 расположена вне помещений цеха.

Центральные маслоохладительные станции, как правило, рас­полагаются на значительном расстоянии от закалочных баков, а индивидуальные маслоохладители монтируют в непосредствен­ной близости от печи.

Устройства для перемешивания. От условий охлаждения дета­лей в закалочном баке зависит как степень деформации отдельных деталей, так и разброс значений твердости деталей, находящихся в различных местах садки. Устройства для перемешивания зака­лочной среды как раз и предназначены для создания одинаковых условий охлаждения деталей при закалке. Чем равномернее поле скоростей движения закалочной среды относительно закаливаемых деталей по всему сечению садки (поддона), тем стабильнее ре­зультаты термической обработки.

В промышленности применяют различные конструкторские решения, обеспечивающие получение достаточно равномерного охлаждения. В наиболее простом случае в качестве перемеши­вающего устройства используют крыльчатку вентилятора, вра­щающуюся в закалочной среде в непосредственной близости от закаливаемых деталей (рис. 6а). Эта схема перемеши­вания закалочной среды вполне приемлема, когда детали на поддоне расположены редко и между ними имеются боль­шие зазоры, достаточные для прохождения большего количества закалочной среды. Однако, когда детали на поддоне расположены плотно друг к другу, поток закалочной среды, направляемый крыльчаткой на детали, встречая на своем пути сопротивление (детали на поддоне), отклоняется в сторону, а через садку про­ходит только его незначительная часть. Охлаждение деталей, находящихся в разных частях садки, различно: детали, на кото­рые набегает поток, охлаждаются интенсивно и имеют высокую поверхностную твердость, а детали, находящиеся в глубине садки, охлаждаются с меньшей скоростью и имеют меньшую твер­дость.

Более равномерный поток закалочной среды через садку обе­спечивается при наличии в баке системы принудительно направ­ленной циркуляции (рис. 6б). В этом случае весь поток зака­лочной среды, направляемый крыльчаткой 4 в подающий короб 5, поступает к поддону 1 и проходит через садку 2. Равномерное распределение потока по сечению короба обеспечивается установ­кой распределителей 6 потока. При закалке поддон, опускаясь в закалочный бак, оказывается в шахте 3, соединенной с подаю­щим коробом. Расстояние от поддона до стенок шахты небольшое (20—30 мм), что обеспечивает гарантированное прохождение по­тока через весь объем садки.

Рис. 6, Схема устройства перемешивания закалочной среды:

а — без подающего короба; б —с подающих коробом

Для интенсивного перемешивания иногда в баки подают сжатый воздух, который, проходя через масло, перемешивает его. Такой процесс называется барбатацией или барбатированием. Однако в этом случае может наблюдаться неравномерность охлаждения изделий.