В состав агрегатов для химико-термической обработки в зависимости от особенностей технологического процесса входит следующее оборудование: безмуфельные печи с газовым или электрическим нагревом для цементации (нитроцементации) и нагрева под закалку, механизированные закалочный бак или устройство для медленного охлаждения после цементации, моечно-сушильная машина, отпускная печь и транспортирующие устройства.
В отечественной промышленности нашли широкое применение однорядные агрегаты с вертикальным расположением радиационных труб и с газовым обогревом и двухрядные агрегаты с горизонтальным расположением труб, работающие и с газовым, и с электрическим обогревом. Однорядные агрегаты выполняют только с расположением всех узлов по замкнутому контуру, а двухрядные — в двух вариантах (по контуру и в линию).
Важнейшим показателем любого термического оборудования является его производительность. В безмуфельных агрегатах производительность лимитируется размерами безмуфельной печи, то есть количеством поддонов, которое способна вместить печь. Отечественные агрегаты, разработанные в автомобильной и тракторной промышленности, имеют безмуфельные печи со следующим числом поддонов, однорядные — 9, 12, 18, 21; двухрядные — 28 (14х2), 38 (19x2), 44 (22x2) и 48 (24x2). Количество поддонов в печах 6езмуфельных агрегатов, изготовляемых зарубежными фирмами, примерно равно принятому в нашей промышленности, а размеры самих поддонов, как правило, несколько увеличены, что сказывается на размерах и производительности печей. Некоторые сравнительные данные по отечественным и зарубежным агрегатам приведены в табл. 3.3.
Схемы компоновки ряда агрегатов конструкции ЗИЛ приведены на рис.3.32, а технические характеристики в табл. 3.4.
Агрегат на 9 поддонов (рис. 3.32.а) предназначен для термической обработки по следующим режимам:
— цементация (нитроцементация), закалка в холодном масле, промывка, низкий отпуск;
— нагрев под закалку в защитной атмосфере, закалка в холодном масле, промывка, средний или высокой отпуск, охлаждение после отпуска в воде или эмульсии.
В состав агрегата входят: толкатель 1, загрузочный тамбур 2, безмуфельная печь 3, тамбур разгрузки с закалочным баком 4, моечная машина 5, отпускная печь 6, передаточные тележки 7 и 10, бак для охлаждения после отпуска 8 линия загрузки 9. Агрегат может быть выполнен с расположением возвратной линии не только справа, но и слева от муфельной печи.
Существенным недостатком агрегата является недостаточная длина безмуфельной печи. В силу этого при больших загрузках на поддон прогрев деталей до температуры закалки заканчивается непосредственно перед выдачей деталей в закалочный бак. Опыт эксплуатации агрегатов такого типа показал, что максимально допустимая загрузка деталей на поддон составляет 100 кг и для нормальной работы агрегата необходимо точно выдерживать на каждом поддоне постоянный вес загрузки.
Рис. 3.32. Схемы компоновки безмуфельных агрегатов
На рис. 3.32.б показан 18-поддонный агрегат с охладительным коридором 11 для обработки сталей, которые нельзя закаливать непосредственно после цементации.
21-поддоный агрегат конструкции ЗИЛ (рис. 3.32.в) является базовой конструкцией безмуфельных агрегатов, так как принципиальные схемы его отдельных узлов были использованы при проектировании и изготовлении других типов. Техническая характеристика агрегата приведена в табл. 3.4.
Агрегат получил широкое распространение для выполнения следующих технологических операций: цементация или нитроцементация с непосредственной закалкой в горячем масле, дополнительное охлаждение в холодном масле, промывка, обдувка сжатым воздухом, низкий отпуск.
В состав агрегата входит толкатель 1, тамбур загрузки 2, безмуфельная печь 3, тамбур разгрузки 4, передаточный бак 5, моечная машина 6, система обдувки сжатым воздухом 7, отпускная печь 8, линия загрузки 9 и передаточная тележка 10.
Безмуфельная печь агрегата обогревается вертикальными радиационными трубами, которые оборудованы в нижней своей части и однопроводными и двухпроводными горелками. На своде печи установлено пять вентиляторов, обеспечивающих перемешивание атмосферы в рабочем пространстве. Для выхода отработанных газов печь соединена отводящей трубой с тамбуром разгрузки: в загрузочный тамбур газ из печи попадает через неплотности заслонки. Газы из тамбуров сбрасываются через гидравлические затворы на свечу и сжигаются на выходе из свечи.
Преимуществом 21-поддонного агрегата перед другими конструкциями является расположение всех узлов по замкнутому контуру, что позволяет проводить операции по загрузке и выгрузке деталей на поддон на одном рабочем месте. Открытая сверху загрузочная линия агрегата, вмещающая восемь поддонов, облегчает обслуживание и позволяет осуществить механизацию загрузки путем использования кран-балок, снабженных электроталями со специальными захватами для подъема и переворачивания корзин.
Из двухрядных агрегатов нашли достаточно широкое применение агрегаты на 44 и 48 поддонов. Двухрядный агрегат на 44 поддона конструкции Схема проекта для газовой цементации или нитроцементации с непосредственной закалкой представлен на рис. 3.33.
Рис. 3.33. Схема двухрядного агрегата на 44 поддона
Агрегат состоит из безмуфельной печи 1, закалочного бака 2, моечной машины 3, отпускной печи 4 и камеры принудительного охлаждения 5.
К недостаткам агрегата следует отнести отсутствие механизированной линии для возврата поддонов к месту загрузки.
Агрегат на 48 поддонов конструкции ЗИЛ изготовлен в двух вариантах: с передаточным баком для окончательного охлаждения после закалки в горячем масле и без передаточного бака. Последовательность операций технологического процесса термической обработки следующая: цементация (нитроцементация), непосредственная закалка в горячем масле, промывка, низкий отпуск. На агрегате с передаточным баком после закалки в горячем масле осуществляется охлаждение в холодном масле.
Техническая характеристика агрегата приведена в табл. 3.3, а схема компоновки на рис. 3.34.
В состав агрегата входят: толкатель 1, тамбур загрузки 2, двухрядная четырехзонная безмуфельная печь 3, тамбур разгрузки с закалочным баком 4, моечная машина 5, отпускная печь 6 и линия разгрузки 7.
Безмуфельная печь обогревается 14 расположенными в два ряда в шахматном порядке горизонтальными радиационными трубами. Сжигание газа осуществляется с помощью двухпроводных инжекционных горелок с подсосом вторичного воздуха из атмосферы цеха.
Рис. 3.34. Схема компоновки 48-поддонного агрегата
Расположенные в два ряда поддоны проталкиваются вдоль печи по одинаковому циклу. Работа на одном ряду не возможна без отключения второго ряда поддонов. Герметичность печи обеспечивается тамбурами загрузки и выгрузки.
Передача поддонов в агрегате осуществляется с помощью толкателей, вытаскивателя, подъёмно-опускных столов, передаточных механизмов, имеющих гидравлический и электрический привод. Особенностью данной конструкции агрегатов является движение поддонов по основной линии (безмуфельная печь, тамбуры загрузки и разгрузки, закалочный бак) в два ряда, а по возвратной линии (моечная машина, отпускная печь) — в один ряд. Перестройка с двухрядного в однорядное движение осуществляется с помощью механизмов, передающих поддоны с основной линии на возвратную и обратно.
К недостаткам двухрядных агрегатов описанной конструкции следует отнести большой объем тамбуров загрузки и выгрузки (5.0 м3) и недостаточную длину отпускной печи.
Для повышения производительности агрегатов целесообразно увеличивать не длину печей, а число рядов поддонов в цементационных печах. На ЗИЛе работает линия химико-термической обработки с четырехрядной цементационной печью. Линия отличается высоким уровнем механизации и автоматизации и имеет повышенную производительность (примерно в два раза выше производительности обычных двухрядных безмуфельных агрегатов) и занимает сравнительно мало места.
Последовательность технологических операций следующая: цементация (нитроцементация), непосредственная закалка в масле, промывка низкий отпуск.
Схема компоновки линии приведена на рис. 3.35.
В состав линии входят: тамбур загрузки 1, печь для химико-термической обработки 2, тамбур разгрузки с закалочным баком 3, моечная машина 4, отпускная печь 5, механизм передвижения поддонов по линии 6.
От места загрузки и разгрузки поддоны, пройдя через загрузочный тамбур, направляются в цементационную четырехрядную печь и затем через тамбур разгрузки, оборудованный закалочным баком, и двухсекционную моечную машину колпакового типа проталкиваются через отпускную Г-образную печь к месту разгрузки и загрузки.
Подача поддонов в тамбур осуществляется гидравлическим толкающим механизмом, а поперечное перемещение в печь — толкающим механизмом с электромеханическим приводом. Поддоны из тамбура по одному загружаются в печь и устанавливаются на одной из четырех линий печи. Проталкивание поддонов через печь осуществляется гидравлическим толкателем по керамическим направляющим.
Рис. 3.35. Схема компоновки четырехрядной автоматической линии
Цементационная печь обогревается 52 радиационными трубами, расположенными сверху и снизу направляющих с поддонами. Печная атмосфера перемешивается четырьмя вентиляторами, установленными на своде печи. Выдача поддонов осуществляется поперечным толкателем в тамбур разгрузки, оборудованный закалочным масляным баком.
Промывка деталей от масла происходит в двухсекционной моечной машине, после чего детали поступают в отпускную Г-образную печь. Печь обогревается электрическими нагревателями сопротивления, смонтированными на боковых стенках, в съёмных панелях. Между нагревателями и поддонами с деталями установлен экран, исключающий перегрев деталей и одновременно обеспечивающий циркуляцию потоков воздуха в печном пространстве, создаваемую вентиляторами, установленными на своде печи. Перемещение поддонов происходит по направляющим с помощью гидравлического толкателя, соединённого с подвижной кареткой. Каретка имеет катки и кулачки для перемещения поддонов. При движении каретки вперед кулачки захватывают и двигают поддон вперед. При движении каретки назад кулачки утапливаются, и каретка возвращается под поддоном в исходное положение.
При многорядном расположении поддонов целесообразно применять линии с двухэтажными печами. Схема компоновки такой линии для цементации и нитроцементации деталей с последующей закалкой и низким отпуском показана на рис. 3.36.
Линия состоит из печи предварительного нагрева 1, печи химико-термической обработки 2, закалочного бака 3, моечной машины 4, отпускной печи 6, механизма 5 передачи поддонов из моечной машины в отпускную печь, механизма 7 передачи поддонов из отпускной печи в печь предварительного нагрева, системы гидропривода и электрооборудования.
Процесс химико-термической обработки осуществляется по следующему режиму: нагрев в среде защитного газа до 850°С (при нитроцементации) или 930°С (при цементации), нитроцементация или цементация при температуре соответственно 850°С или 930°С, подстуживание в среде защитного газа до температуры закалки 820...840°С, закалка в масле с температурой 80...180°С, отпуск при 180°С и охлаждение на воздухе до 50°С.
Обрабатываемые детали (валы, пальцы, шестерни и т.д.) укладывают в приспособления, устанавливаемые на поддон. Загрузка и выгрузка деталей на поддоны осуществляется вручную, все остальные операции по передаче поддонов с деталями через агрегат механизированы и автоматизированы.
Рис. 3.36. Схема двухэтажной автоматической линии
В толкательной печи предварительного нагрева, имеющей защитную атмосферу (эндогаз), поддоны движутся в один ряд по керамическим направляющим при помощи толкателя. Загрузка в печь осуществляется через тамбур при помощи толкателя. Разгрузочная часть печи примыкает вплотную к печи химико-термической обработки. В месте соединения этих печей расположено передаточное окно, через которое поддоны из печи предварительного нагрева цепным толкателем с гидроприводом передается в печь химико-термической обработки. Печь обогревается тупиковыми радиационными трубами, расположенными вертикально в два ряда вдоль боковых стен печи. Перемешивание атмосферы в рабочем пространстве печи осуществляется вентилятором, установленным на своде. Во время работы в рабочем пространстве печи поддерживается избыточное давление около 0.15 кПа, обеспечивающее стабильность состава атмосферы.
Из печи предварительного нагрева поддоны поступают на два ряда печи химико-термической обработки. Печь обогревается петлеобразными рекуперативными трубами, расположенными в два ряда в горизонтальной плоскости (под направляющими и под поддонами). Продукты горения от радиационных труб удаляются с помощью дымососа. Циркуляция печной атмосферы в рабочем пространстве печи осуществляется тремя вентиляторами, расположенными на своде печи. На разгрузочной стороне печи в боковой стенке расположено окно для передачи поддонов на стол закалочного бака. Окно закрывается футерованной заслонкой и соединяется с закалочным баком герметичным тамбуром, исключающим контакт выгружаемых из печи деталей с атмосферой цеха.
Внутреннее пространство тамбура заполнено атмосферой, поступающей из печи химико-термической обработки. Поддоны из печи в тамбур передаются с помощью цепного механизма, расположенного на противоположной боковой стороне печи. На торцевой стенке печи предусмотрено ремонтное окно, перекрываемое герметичной футерованной заслонкой.
В закалочном баке на двух столах, перемещающихся по вертикали, помещают одновременно два поддона. В нижнем положении оба стола располагаются ниже уровня закалочной среды. В верхнем положении один стол входит во внутреннее пространство разгрузочного тамбура печи, где на него подают поддон с деталями, а второй стол находится перед загрузочным окном моечной машины, куда и перегружается с помощью толкателя. Подъем столов осуществляется гидроцилиндрами. Передача поддонов с одного стола на другой происходит с помощью цепного толкателя с гидравлическим приводом, в момент кода оба стола находятся в нижнем положении. Температура закалочной среды (180°С), обеспечивающая минимальное коробление закаленных деталей, поддерживается автоматически.
Из закалочного бака поддоны поступают в двухсекционную моечную машину. Одновременно в моечной машине находятся два поддона, каждый из которых в процессе промывки закрыт герметичным колпаком. Поддоны через моечную машину передвигаются механизмом с электрическим приводом. В качестве моющей среды используют содовый раствор.
Печь для отпуска, вмещающая 18 поддонов, располагается над печью химико-термической обработки. Передача поддонов от моечной машины к отпускной печи осуществляется с помощью подъёмника и конвейера. Печь обогревается электрическими нагревателями, закрепленными на съёмных панелях, расположенных на боковых стенках печи. Печь имеет две температурные зоны. Общая мощность печи 250 кВт. С целью обеспечения равномерного прогрева деталей рабочее пространство печи отделено от нагревателей экраном. Кроме того, три расположенных на своде вентилятора, создают в рабочем пространстве печи циркулирующие потоки воздуха. На первый этаж поддоны возвращаются механизмом возврата с помощью подъемника.
Производительность агрегата при цементации до 420 кг/ч, а при нитроцементации — до 700 кг/ч.
Высоколегированные цементуемые стали подвергают термической обработке с полным циклом. В 24-поддонном агрегате с горизонтальными С-образными радиационными трубами (рис. 3.32.г) детали после цементации в печи 3, охлаждаются в коридоре 11, нагреваются для закалки в печи 12, охлаждаются в баке 4 и через передаточный конвейер 10, моечную машину 6 и камеру сушки 7 поступают в отпускную печь 8. После отпуска поддоны разгружаются, заполняются новыми деталями и цикл повторяется.
В 28-поддонном агрегате (рис. 3.32.д) оригинальным является совмещение высокого отпуска и последующего нагрева под закалку в одной печи.
Схемы компоновки некоторых цементационных агрегатов с электрическим нагревом приведены на рис. 3.37.
В состав агрегатов в различной комбинации может входить следующее оборудование: охладительный коридор 1, печь для низкого отпуска 2, моечно-сушильная машина 3, закалочный бак 4, печь для цементации 5, печь для нагрева под закалку 6, печь высокого отпуска 7 и передающий конвейер 8.
Стали, которые непосредственно после цементации нельзя подвергать закалке, обрабатывают в агрегате СТЦА-20.100.5/10 с охладительным коридором.
Высоколегированные стали 20Х2Н4ВА и 18Х2Н4ВА после цементации подвергают только высокому отпуску или полной термической обработке. Агрегат СТЦА-5.100 5/3-П7Л для полной термической обработки показан на рис. З.З7.в.
Поддоны загружаются на участке 8, проходят моечно-сушильную машину 3 и однородную электропечь газовой цементации 5 и через охладительный коридор 1 поступают в электропечь 7 для высокого отпуска, затем охлаждаются в камере 1. Далее поддоны с изделиями нагреваются в закалочной печи 6, охлаждаются в баке 4, проходят моечно-сушильную машину 3, печь низкого отпуска 2 и разгружаются на участке 8.
Ш-образный агрегат СТЦА-20.100.5/7, в котором детали после цементации подвергают только высокому отпуску, показан на рис. 3.37.г. Агрегат включает две цементационные печи 5 и одну отпускную 7.
Основные параметры серийных цементационных толкательных агрегатов с электрическим нагревом приведены в табл. 3.5.
При массовом или крупносерийном производстве для химико-термической обработки применяют комплексные автоматизированные линии, состоящие из агрегатов, объединённых общей транспортной системой (рис. 3.38).
Загрузка и выгрузка деталей производится на одном месте (площадка 1), что значительно сокращает число рабочих. В состав линии кроме четырех агрегатов 10 для цементации или нитроцементации входят общая моечная машина 9, общая сушильная камера 8, транспортные линии б и 12, эндогазовые установки 5 в комплекте с установками для сероочистки, щиты управления и пирометрии, прессы для закалки 3 крупных зубчатых колес, накопители поддонов 7 и 13 как на стороне загрузки линии, так и на стороне разгрузки.
Каждый агрегат состоит из печи цементации или нитроцементации, закалочного бака, моечной машины, печи низкого отпуска и щита управления 2.
Рис. 3.37. Схемы толкательных агрегатов с электрическим нагревом
Сушильная камера 8 имеет газовый обогрев. Её конструкция аналогична конструкции отпускной печи агрегата. Щиты управления и пирометрии расположены на площадке 1 над отпускными печами.
Работа линии осуществляется в следующей последовательности Поддоны, загруженные необработанными деталями, проходят через моечную машину 9 и сушильную камеру 8 и затем загрузочным транспортером 6 направляются к одному из агрегатов. Распределяет поддоны по агрегатам оператор с помощью системы адресования. Поддон по команде оператора останавливается у заданного агрегата и толкателем 4 передаётся на накопитель поддонов агрегата. В случае кратковременного перерыва в работе загрузочной транспортной линии поддоны бесперебойно поступают в агрегат из накопителя, на котором могут размещаться до шести поддонов.
Ближайший к агрегату поддон поступает в тамбур загрузки печи, а из печи передается в закалочный бак. Затем поддоны проходят моечную машину, отпускную печь и поступают на накопитель разгрузки, на котором может находиться до шести поддонов. При кратковременном перерыве в работе разгрузочной транспортной линии поддоны из агрегата принимаются этим накопителем без остановки агрегата. Из накопителя разгрузки поддон подается на разгрузочную транспортную линию и транспортируется к месту разгрузки обработанных и загрузки необработанных деталей.
Рис. 3.38. Схема комплексной линии для химико-термической обработки
Производительность линии при цементации составляет 500 кг/ч.
Химико-термическая обработка мелких деталей может быть проведена и в поточной линии из печей с вращающейся ретортой (рис. 3.39).
Рис. 3.39. Схема расположения печей с вращающейся ретортой в поточной линии химико-термической обработки мелких деталей.
Химико-термическая обработка мелких деталей может быть проведена и в поточной линии из печей с вращающейся ретортой (рис. 3.39).
Линия состоит из трех печей цементации (нитроцементации) 2, моечной машины 4 и двух отпускных печей 5, связанных раздаточными 1 и сборными 3 транспортирующими устройствами.
При такой схеме оборудование для термической и химико-термической обработки может быть легко встроено в общий поток, и при этом рационально решается межоперационная транспортировка, что позволяет полностью автоматизировать весь процесс изготовления деталей.
Производительность линии около 500 кг/ч (при глубине нитроцементованногo слоя на валиках 0,3...0,7 мм) или около 600 кг/ч при светлой закалке деталей типа пластин, шайб и др.