Вакуумная печь иностранного или российского производства – универсальный инструмент термической обработки металлозаготовок. С её помощью выполняется закалка, отжиг, дегазация, спекание и прочие термические процессы, происходящие в вакуумной или атмосферной среде.
Содержание:
- Устройство
- Классификация оборудования
- Принцип действия дуговой печи
- Принцип действия индукционной печи
- Водородные печи
- Преимущества и недостатки
Устройство
Устройство вакуумной печи для термообработки металла основано на горизонтально- или вертикально расположенном рабочем объёме, в котором и происходит обработка заготовок. Она исполнена в виде герметичной ёмкости, снабжённой открывающейся дверцей, через которую помещается металл. Необходимое для осуществления цикла значение вакуума создаётся работой вакуумного насоса, присоединённого к ней посредством гибких шлангов.
Нагревательный элемент рабочей камеры может находиться внутри или снаружи объёма, в зависимости от типа оборудования. Изготавливаются они из тугоплавких металлов: вольфрама, графита, молиблена.
Устройство
Блок охлаждения камеры функционирует за счёт механической помпы. Корпус системы выполнен из не склонной к окислению нержавеющей стали. Охлаждение осуществляется за счёт максимально соприкосновения герметичных стенок систем: рабочей и охладительной.
Конструктивная особенность печей может отличаться в зависимости от целей их предназначения. Их устройство создаётся путём объединения разных с функциональной точки зрения отделений, предназначенных для следующих целей:
- Загрузки;
- Нагрева;
- Выдержки металла;
- Охлаждения;
- Разгрузки.
Внутренние перегородки между ними открывного типа, оснащены вакуумными затворами и пропускными отверстиями. Преимущественно все они имеют смотровые окна, через которые оператор может визуально контролировать за происходящими процессами.
Классификация оборудования
Классификация высокотемпературных вакуумных печей осуществляется по нескольким признакам.
По назначению:
- Промышленные вакуумные печи для азотирования;
- Для плавления (плавильные);
- Для спекания;
- Для отжига;
- Для пайки;
- Для цементизации;
- Для термической обработки.
Классификация оборудования - Промышленные вакуумные печи для азотирования
По устройству и расположению нагревательного элемента и охлаждающей системы:
- Реторные вакуумно-компрессионные печи;
- Трубчатые;
- Муфельные.
По принципу действия:
- Вакуумно-дуговые печи такие установки востребованы в исследовательских центрах, из-за чего часто называются лабораторными;
- Индукционные;
- Водородные;
- Термические.
Принцип действия дуговой печи
Принцип работы оборудования представлен на примере устройства вакуумной печи дугового типа, обработка металла в которой осуществляется с использованием энергии электрической дуги.
Тепловая энергия внутри вакуумно-дуговой печи образуется в результате электрической дуги, представленной в виде одной из составляющих дуговых газовых разрядов. Уникальным является то, что при её минимальных объёмах создаётся высокая температура, концентрирующаяся за счёт внутренней объёмной мощности. За счёт этих характеристик металл заготовки нагревается в минимальный промежуток времени, что в разы снижает общее время, затраченное на один производственный цикл.
Принцип действия дуговой печи
По этим признакам оборудование делится на 2 категории: прямого и косвенного воздействия.
В первых дуга загорается в зазоре, образующемся между электродом и поверхностью заготовки. Во вторых – разогрев поверхности осуществляется за счёт за счёт излучения, горение дуги осуществляется между наконечниками электродов. Процесс теплопередач в них существенно выше, чем в оборудовании прямого воздействия, так как высокотемпературный очаг расположен в максимальной близости к заготовке. Часть тепловой энергии попадает в зону поглощения металла, другая отражается от экранированного свода рабочего объёма и возвращается в дугу, позволяя её концентрировать максимальное количество мощности выделяемой тепловой энергии.
В процессах обработки дорогих металлов с низкими температурами испарения оборудование прямого воздействия не так востребовано из-за того, что процессы испарения начинаются уже в непосредственной близости к поверхностям заготовок. В отношении черных металлов, большие температурные значения и невысокая стоимость сырья делают представленный ранее недостаток не таким значимым. Они перекрываются преимуществом высокой производительности и возможностью проведения высокотемпературных обработок.
Принцип действия индукционной печи
Отличительной особенностью конструкции индукционных печей является присутствие высокочастотного индуктора и футерованного тигеля, установленных внутри рабочего объёма. Преимущественно оборудование используется для плавления черного металла. В нём осуществляются процессы теплопередачи и интенсивное перемешивание расплавов за счёт придания усилия электродинамического характера. За счёт этого происходит поддержания заданной равномерной температуры во всём объёме плавильной камеры и расплава. Одновременно с этим осуществляется небольшая выработка угарных газов в сравнении с обработкой в других вакуумных печах, относящихся к иному типу оборудования.
Таким образом вакуумные индукционные печи обеспечивают равномерное накопление тепловой энергии в центре плавящегося металла, что одновременно может расцениваться преимуществом и недостатком оборудования в сравнении с другими печными устройствами. Нагревание заготовок, имеющих низкое сопротивление и теплопроводность происходит с одновременной сравнительно низкой температурой, что не позволяет использовать установку для рафинирования металлов.
Принцип действия индукционной печи
В результате индукционное печное оборудование используется преимущественно в специализированной производственной отрасли.
Водородные печи
Принцип работы водородных печей периодического воздействия построен на сопротивлении проточной водородной атмосферы с находящейся внутри неё заготовкой. Исполнение оборудования может быть различным: камерное, шахтное или элеваторное. Аналогичная особенность касается и количества технологических отсеков и зон, их может быть 1, 2 и более.
Подвидовая классификация происходит по температуре стенок: горячих или холодных. В первых, их температура равно значению горячей зоны рабочего объёма. Здесь применяется технологическая камера муфельных или реторных типов. Отличительный выполняется с прямоугольным или цилиндрическим сечением. Материал – жаропрочные сплавы, керамика или кварцевое стекло. Для кварцевых или керамических реторт преимущественно используется форма цилиндра. Их недостатком считается повышенная вероятность подверженности тепловому удару, в результате которого элемент утрачивает изначальные значения формостойкости и газоплотности. В результате таких характеристик реальная температура рабочего объёма камер с горячими стенками не должна превышать 1 100°С.
Водородные печи
Камеры, работающие по принципу «холодных стенок» более востребованы, так как могут использоваться в температурных диапазонах от 100 до 3 000°С. Конструкция оборудования построена по принципу расположения нагревательных элементов внутри газоплотной технологической камеры. В результате к материалам её изготовления не предъявляют особых требований, как это происходило в ранее описанном варианте. В большинстве случаев для этого применяется не подверженная коррозии нержавеющая сталь. Теплоизоляция печей с холодной стенкой осуществляется легковесным волокном или графитом, снабжённым дополнительным воздушным охлаждением принудительного типа.
Преимущества и недостатки
Достоинства закалки в вакуумных печах:
- Минимальная степень окисления и полное отсутствие обезуглероживания обрабатываемой заготовки;
- Минимальная степень коробления;
- Высокий показатель гибкости и возможности встраивания оборудования в самые различные производственные циклы;
- Значительное снижение временных затрат, требующихся для термического и химико-термического воздействия на металлы;
- Моментальное переключение режимов обработки;
- Холодная внешняя стенка корпуса оборудования;
- Максимальная автоматизация процессов;
- Снижение энергозатрат и повышение производительной мощи предприятия;
- Возможность максимально точной имитации процессов нормализации и обжига металлов (для отдельных печей);
- Простое обслуживание, минимум обслуживания и длительный межремонтный интервал.
Из недостатков вакуумного печного оборудования можно назвать высокую стоимость конструкции в сравнении с обычными атмосферными устройствами. Сказывается это за счёт более сложной конструкции, требующей присутствия многочисленных периферийных элементов: вакуумных насосов, системы охлаждения, измерительного оборудования, иного (более дорогостоящего) материала изготовления рабочих камер.