Способы нагрева заготовок воротниковых фланцев при ковке

Важность нагрева фланцевых заготовок перед ковкой

Нагрев металла перед ковкой и горячей объемной штамповкой – одна из основных и ответственных технологических операций кузнечно-штамповочного производства фланцев. От правильной разработки технологии и ведении процесса нагрева заготовок фланцев зависит сопротивление металла пластическому деформированию, мощность и производительность кузнечного оборудования, качество выпускаемых фланцев, расход металла и топлива, стойкость штамповочного инструмента, стоимость фланцев и условие труда в кузнечных и термических цехах.

При нагреве величина сопротивления деформациям заготовок уменьшается в 10…15 раз, по сравнению с их состоянием при комнатной температуре.

В связи с этим внедрение металла и энергосберегающей технологии ковки и штамповки требуют применения прогрессивных способов и средств нагрева печей и установок, с помощью которых осуществляется нагрев заготовок и их транспортирование (загрузку, продвижение в зоне нагрева и выгрузку).

↑ В начало

Способы промышленного нагрева заготовок

Прогрессивными и эффективными способами нагрева следует считать такие, при которых обеспечивается нагрев заготовок до заданной температуры за минимальное время:

• достигается высокая производительность печи при минимальной или требуемой разности температур по сечению или объему нагреваемой исходной заготовки фланцев воротниковых или других деталей трубопроводов;
• обеспечиваются минимальные потери металла от окисления (угара), обезуглероживания, обезлегирования (выгорания и улетучивания химических элементов) и
• минимальный расход топлива или электроэнергии, материалов и трудозатрат на тонну нагретого металла.

Способы нагрева заготовок можно разделить на следующие виды:

• плазменный нагрев,
• электрический нагрев,
• нагрев в жидкостях,
• передача теплоты.

В кузнечно-штамповочном производстве применяют как плазменные так и электрические способы нагрева. Плазменный нагрев является преобладающим.

Основные факторы, влияющие на технологический процесс ковки и горячей штамповки фланцев:

• температурный интервал деформирования,
• режимы и способы нагрева заготовок фланцев воротниковых перед ковкой и штамповкой,
• охлаждение поковок после их изготовления.

Плазменный нагрев

Нагрев заготовок в плазменных печах осуществляется за счет тепла, выделяющегося при сжигании топлива. Применение твердого топлива в кузнечном производстве затруднено в связи со сложностью получения и регулировки высокой температуры. Твердое топливо сжигают в специальных камерах – топках.

В качестве жидкого топлива для плазменного нагрева используется мазут. Его преимущество – высокая удельная теплота сгорания, но мазут имеет недостаток: его горение сопровождается выделением большого количества копоти. Жидкое топливо впрыскивается в виде мельчайших капель в камеру сгорания с помощью форсунок.

Предпочтение отдается газообразному топливу, оно не имеет вышеуказанных недостатков. Особенно много тепла при сгорании отдает природный газ. Для сжигания газа применяют горелки, обеспечивающие полное его сгорание.

Электрический нагрев фланцевых заготовок

К наиболее эффективным методам нагрева заготовок фланцев под ковку, штамповку и термообработку следует отнести электронагрев. Этот метод успешно используется на различных стадиях производства фланцев и крепежных изделий. Кроме экономии металла и снижения окалинообразования электронагрев позволяет из-за отсутствия окалины увеличить срок службы штампов в 2 – 2,5 раза.

• индукционный нагрев,
• контактный нагрев,
• нагрев в печах электросопротивления.

Индукционный нагрев

Индукционный нагрев (рис. 1) осуществляется путем помещения заготовки в катушку-индуктор, подключенную к источнику переменного тока. Индуцируемое катушкой магнитное поле будет создавать в металле заготовки вихревые токи Фуко, вызывающие ее нагрев.

Преимущества индукционного нагрева:

• высокая скорость нагрева,
• удобство автоматизации,
• компактность установки.

Недостатки индукционного нагрева:

• высокая стоимость,
• сложности нагрева фасонной заготовки,
• неравномерность нагрева.

Электроконтактный нагрев

При электроконтактном нагреве (рис. 2) через заготовку 1 пропускают ток большой силы. Вследствие наличия электрического сопротивления в металлической заготовке выделяется теплота Q = I²Rt, пропорциональная квадрату силы тока и электросопротивлению, а также времени нагреве по закону Джоуля-Ленца. Первичная обмотка 4 трансформатора состоит из нескольких секций для создания возможности регулирования подводимого напряжения от 5 до 14 В. Заготовку подключают к вторичной обмотке 3 трансформатора, зажимая медными охлаждаемыми контактами 2.

 

Электропечи сопротивления используют для нагрева любых по форме и размерам заготовок из сталей, сплавов и цветных металлов, когда требуется обеспечить в рабочей камере печи высокую точность регулирования температуры и равномерность нагрева заготовок. Электроконтактный нагрев применяют при нагреве длинномерных заготовок. Этим методом можно нагреть прутки диаметром до 100 мм, при изготовлении крепежных изделий. Индукционный нагрев по сравнению с нагревом в обычных газовых печах повышает скорость нагрева в 10-15 раз, уменьшает окалинообразование в 5-6 раз, увеличивает производительность в 4-5 раз, повышает мобильность производства. Нагрев в соляных ваннах и нагрев в электролите рационально использовать при производстве фланцев из жаропрочных сталей и сплавов при мелкосерийном производстве.

Нагрев в жидкостях

Преимуществом нагрева в расплавах соли или стекла является быстрота, малое количество окалины и равномерность нагрева заготовки. Соль и стекло являются, кроме того, и хорошей смазкой при ковке.

К недостаткам относятся сложность автоматизации нагрева, отложение соли или стекла в узких полостях и углах штампа, например, в полостях фланца под уплотнительные прокладки овального или восьмиугольного сечения.

Передача тепла заготовке

Основной вид передачи тепловой энергии металлу в пламенных печах - излучение от нагретых стенок печи и горячих газов.

Конвекция заключается в передаче теплоты движущимися раскаленными газами. Конвекцией передается 5-10% теплоты, остальное ее количество - излучением.

Распространение теплоты внутри металлической заготовке (вне зависимости от технологии нагрева) происходит за счет теплопроводности.

Легированные стали, имеющие меньшую по сравнению с углеродистыми теплопроводность, нуждаются в более длительном нагреве.

↑ В начало

Температурные интервалы обработки давлением

Опишем формулами термо-физические процессы происходящие при нагреве и охлаждении заготовок фланцев. Практически начальная температура деформации всегда ниже линии солидус и равна

t_н = αt_пл,

где 

t_пл – температура плавления сплава, взятая из диаграммы состояния; α – понижающий коэффициент, учитывающий возможность перегрева и пережога (α=0,85…0,95).

Для фланцев из высоколегированных сталей и нержавеющих сплавов ориентировочно принимается α=0,75…0,85.

Температуру конца ковки и штамповки определяют исходя из необходимости размельчения зерен металла, снижения скорости рекристаллизации, достаточной пластичности металла и завершение деформации в однородной по структурному состоянию металла температурной области. Для сталей, у которых с понижением температуры не происходит фазовых превращений, за конечную температуру ковки и штамповки ориентировочно можно принять температуру t_н = (0,6…0,7)t_пл. Рекомендуемые температурные интервалы ковки и штамповки основных марок стали приведены в металлургических справочниках.

Температурные зоны горячей обработки металлов давлением заготовок из сталей можно определить по левой части диаграммы состояния сплавов (рис. 3). Из диаграммы видно, что низкоуглеродистые стали имеют широкий (до 500 ºC) температурный интервал обработки (зона 2). Зона 1 соответствует области пережога, а зона 3 - области перегрева.

Окончание обработки давлением при температурах ниже допустимых (в зоне 4) приводит к наклепу металла - браку, исправимому путем рекристаллизационного отжига.

Продолжительность нагрева τ холодных слитков и заготовок диаметром до 350 мм в методических и полуметодических печах можно определить по формуле

τ = kD,

где D – диаметр заготовки фланца, в см, k – поправочный коэффициент, учитывающий состав стали и других факторов; для углеродистых сталей k=0,10…0,15; для легированных конструкционных сталей k=0,15…0,20, для высоколегированных конструкционных k=0,20…0,30, для высоколегированных и инструментальных сталей k= 0,30…0,40.

Продолжительность нагрева холодных слитков и заготовок фланцев до 300 мм в камерных печах со стационарным подом определяют по формуле

,

где D – диаметр или толщина заготовки фланца, м; k – коэффициент, равный 12,5 для углеродистой и низколегированной сталей и 30 для высоколегированной стали; α – коэффициент, учитывающий характер расположения(укладки) заготовок фланцев на поду печи, форму поперечного сечения заготовки фланца, значения которого колеблются от 1 до 3. На кузнечном производстве ООО "Инженерный Союз" для определения продолжительности нагрева заготовок фланцев используются справочные таблицы.

↑ В начало

Дефекты металла заготовок, возникающие при нагреве

При нагреве металла заготовки фланца в печах открытого пламени, когда он непосредственно контактирует с печной атмосферой, происходит его окисление (угар), обезуглероживание и обезлегирование. Атмосфера нагревательных печей обычно окислительная, так как в них топливо сжигается с избытком воздуха. Поэтому потери металла на угар велики и составляют у мелких заготовок воротниковых фланцев 1,5…2,5% от массы нагреваемого металла фланца. При повторном нагреве слитков угар дополнительно составляет 1,5%.

Вред угара не исчерпывается только потерей металла с окалиной. При ковке и штамповке окалина вдавливается и заштамповывается в поковку, снижает качество и увеличивает брак, ускоряет изнашивание кузнечного инструмента и штампов, требует увеличение припусков на механическую обработку фланцев, повышает время и затраты на дополнительную обработку и снижает коэффициент использования металла (КИМ).

Значение поверхностного угара 

α г/см² поверхности в зависимости от температуры (600…1150 °C) и времени для среднеуглеродистой стали можно определить по следующей формуле: 

где τ - время, мин; T - температура, К.

Одновременно с окалинообразованием происходит обезуглероживание и обеднение легирующими элементами поверхностного слоя нагреваемых заготовок воротниковых фланцев; в отдельных случаях глубина обезуглероживания достигает 2 мм. Обезуглероживание и обезлегирование снижают качество металла фланца, уменьшают предел прочности и способствуют образованию трещин в деталях трубопроводов, работающих в условиях знакопеременных нагрузок и экстремальных температур, уменьшают стойкость инструмента и коэффициент использования металла (КИМ).

↑ В начало

Повышение эффективности нагрева заготовок

Для снижения или полной ликвидации окалинообразования, обезуглероживания при нагреве крупных и мелких заготовок фланцев применяют различные способы нагрева и конструкции нагревательных установок. Наиболее прогрессивными и эффективными способами нагрева металла являются:

• скоростной нагрев, при котором нагрев мелких заготовок под штамповку производится со скоростью 5-10 мм/мин;
• безокислительный нагрев, при котором α≤0,5 и угар металла не превышает 0,25%;
• малоокислительный при α=0,5…0,7 и угар металла 0,25…0,7%;
• нагрев металлов в специально контролируемых атмосферах;
• нагрев в расплавленных солях или расплавленном стекле;
• нагрев заготовок с применением защитных обмазок.

Чтобы уменьшить время нагрева заготовок в плазменных печах и повысить производительность труда в кузнечных печах, необходимо интенсифицировать процессы нагрева. Гарантированный способ скоростного и экономичного нагрева металла и повышение энергетического КПД печей – подогрев поступающего в печь воздуха и применение рациональной конструкции горелок.

Интенсификация нагрева заготовок достигается за счет косвенного радиационного нагрева (КРН) с применением плоскоплазменных горелок. Печи КРН по сравнению с традиционными печами позволяют снизить удельный расход топлива на 10-20%, обеспечить высокую равномерность нагрева металла фланцев и сократить угар на 30-50%.

Чтобы внедрить металлосберегающие технологии точной штамповки, надо применять безокислительный нагрев с лимитированной толщиной окалины.

Для внедрения технологи многополосной точной штамповки фланцев с высоким качеством используются в производстве экономичные камерные газовые печи без окислительного нагрева с рекуператором трубчатого типа для нагрева стальных заготовок.

Для эффективного безокислительного нагрева используют печи с двухстадийным сжиганием топлива, в которых на первой стадии природный газ сжигается с α=0,5 и продукты неполного сгорания играют роль защитной атмосферы, а на второй стадии продукты неполного сгорания используют только для нагрева заготовок.

↑ В начало

Заключение

К наиболее эффективным методам нагрева заготовок фланцев под ковку, штамповку и термообработку следует отнести электронагрев. Этот метод успешно используется на различных стадиях производства фланцев и крепежных изделий. Кроме экономии металла и снижения окалинообразования электронагрев позволяет из-за отсутствия окалины увеличить срок службы штампов в 2 – 2,5 раза.

Получив доступ к данной странице, Вы автоматически принимаете Пользовательское соглашение.