Цех термической обработки металлов

Обновлено: 18.05.2024

Термической обработкой называются процессы, сущность которых заключается в нагреве и охлаждении изделий по определенным режимам, в результате чего происходят изменения структуры, фазового состава, механических и физических свойств материала, без изменения химического состава.

В термическом цехе осуществляются следующие виды термической обработки металла:

отпуск (высокий и низкий )

Отжиг

Отжиг - термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла до определенных температур, выдержка и последующего очень медленного охлаждения вместе с печью. Применяют для улучшения обработки металлов резанием, снижения твердости, получения зернистой структуры. Цель отжига — устранение химической неоднородности сталей, понижение твердости для облегчения механической обработки и др. Отжиг бывает 1-го и 2-го рода.

Сущность отжига 1-го рода заключается в нагреве заготовок выше температуры фазового превращения с последующим медленным охлаждением. Различают следующие разновидности отжига 1-го рода:

- гомогенизационный, применяемый для выравнивания структуры, особенно крупных стальных отливок, поковок;

- рекристаллизационный, устраняющий изменения структуры, возникающие, в частности, в процессе обработки металлов давлением, при котором они получают наклеп, сопровождаемый заметным повышением твердости и снижением пластичности;

- отжиг, снимающий или уменьшающий остаточное внутренние напряжения, возникающие при различных технологических операциях.

С помощью отжига 2-го рода, или полного отжига, изменяют структуру сплава и устраняют внутренние напряжения. Заготовки нагревают до температуры, пресыщающей на 30-50 градусов С температуру фазового превращения, и медленно охлаждают вместе с печью. Такой процесс термообработки проводят после штамповки, отливки заготовок, а также после черновой механической обработки с целью понижения твердости.

Закалка

Закалка - это нагрев до оптимальной температуры 900 – 950 о С , выдержка и последующее быстрое охлаждение с целью получения неравновесной структуры. В результате закалки повышается прочность и твердость и понижается пластичность стали.

Большинство конструкционных сталей нагревают при закалке до температуры 850-900 градусов С, а охлаждают в воде, масле или соляных растворах. Охлаждение в расплавленных солях применяют для высоколегированных сталей, например инструментальных, быстрорежущих сталей, содержащих большое количество легирующих элементов.

В зависимости от температуры нагрева различают закалку полную и неполную. При полной закалке углеродистых сталей в холодной воде получают структуру мартенсита, имеющий весьма высокую твердость и большую хрупкость. Если охлаждение стали вести менее интенсивно, то можно получить менее твердые и напряженные структуры троосита. Для уменьшения хрупкости и внутренних напряжений, стали подвергают отпуску.

Нагрев изделия под закалку до 950 о С осуществляется в шахтных и камерных электропечах печах и электро - соляной ванне. Охлаждение – в водяных и масляных баках и ваннах до температуры 150 о С и в селитровых ваннах до температуры 180 о С. Затем происходит охлаждение металла на воздухе в помещении.

Отпуск

Отпуск заключается в нагреве стали до различных температур, выдержке при этой температуре и охлаждении с разными скоростями. Назначение отпуска - снять внутренние напряжения, возникающие в процессе закалки, и получить необходимую структуру. Повышая температуру отпуска, можно повысить пластичность и вязкость материала при одновременном понижении твердости и прочности. Отпуск при высоких температурах нагрева называют улучшением.

Различают низкий, средний и высокий отпуск. Низкий отпуск, т. е. нагрев стали до небольшой температуры (150-200 градусов С), ведет к понижению остаточных внутренних напряжений при сохранении ее высокой твердости и износостойкости. Средний отпуск, сохраняя повышенную твердость, обеспечивает достаточную прочность, упругость и выносливость. Ее часто применяют при изготовлении пружин и рессор. При высоком отпуске получают достаточно высокий предел упругости при достаточной ударной вязкости и твердости. В результате высокого отпуска получают структуру, которая необходима для деталей машин, подвергающихся действию высоких напряжений и ударным переменным нагрузкам ( для шатунов, болтов и др.). При высоком отпуске изделия нагреваются в шахтных печах до 600 о С, выдерживаются при этой температуре определенное время, затем охлаждаются вместе с печью до 300 о С. Низкий отпуск осуществляется в селитровых ваннах при 300 о С, а далее с такой температурой изделия извлекаются из ванны и охлаждаются на воздухе до температуры рабочей зоны.

ТЕРМИЧЕСКИЕ ЦЕХИ

Термическая обработка предназначена для придания металлу определённых физико-химических свойств – твердорти, вязкости, упругости, электропроводности и др. - путем нагрева до заданной температуры (от 450 до 1300 ºC) и последующего охлаждения в определенных средах. Различают термическую закалку, отпуск, томление, отжиг металла. В необходимых случаях в поверхностный слой металла дополнительно вводят различные химические элементы и соединения: углерод (цементация), азот (азотирование), цианистые соединения (цианирование) и др.

Нагрев заготовок осуществляют в пламенных печах, работающих на газообразном, жидком или твердом топливе и электропечах. Для равномерности нагрева изделия могут помещать в специальные ванны с расплавленным свинцом или солями хлорида бария, селитры.

Цементация производится нагреванием в древесном угле с примесью углекислой соды или в ваннах с цианистыми соединениями; азотирование – в струе аммиака при температуре порядка 500 °С. Распространена термообработка металла токами высокой частоты путём применения индукционного нагрева в высокочастотном электромагнитном поле.

Самым распространенным способом термической обработки является погружение изделий после нагрева в закалочные ванны с минеральными маслами.

Условия труда в термических цехах по состоянию микроклимата во многом приближаются к таковым в кузнечных цехах. В связи с большой концентрацией нагревательного оборудования температура воздуха в помещениях термических цехов может превышать установленные нормативы. Относительная влажность обычно составляет 30 – 60 %. Лучистое тепло достигает также высокого уровня особенно в период загрузки заготовок в печи и при выгрузке.

Воздух рабочей зоны в термических цехах загрязняется различными химическими веществами, состав которых определяется технологией производства. При применении в качестве топлива угля с высоким содержанием серы, и многосернистого мазута воздушная среда загрязняется сернистым газом. В воздух поступает также оксид углерода от нагревательных и закалочных установок, его концентрация периодически может превышать ПДК.

Закалка в ваннах с минеральными маслами сопровождается выделением паров углеводородов и продуктов их пиролиза. При плохой работе вентиляции концентрации этих веществ могут быть значительными.

При цементации изделий с использованием цианида натрия или калия, а также при цианировании в ваннах с расплавленными солями цианистой кислоты происходит выделение цианидов, однако при надежной работе местной вытяжной вентиляции концентрации цианистого водорода и цианистых солей в воздухе рабочей зоны обычно не превышают предельно допустимых.

Работа на свиниовых ваннах сопровождается загрязнением воздушной среды парами свинца; свинец обнаруживается в смывах с рук и на спецодежде калильщиков. При азотировании воздух загрязняется аммиаком.

Применение термообработки металлов токами высокой частоты при отсутствии надежного экранирования приводит к воздействию на операторов высокочастотных элм полей.

Оздоровительные мероприятия. Нормализация микроклимата достигается рациональной организацией вентиляции. Наиболее простым способом удаления больших объемов перегретого воздуха является использование аэрационных фонарей. При невозможности осуществить аэрацию для удаления теплоизбытков применяют местную естественную вытяжную вентиляцию в виде зонтов над источниками тепловыделений и шахт, а также механическую общеобменную приточно-вытяжную вентиляцию.

Как и в других горячих цехах, в термических производствах эффективно использование теплоизоляции источников тепловыделения, экранирование рабочих мест, устройство водных завес в окнах нагревательных печей, окраска нагревательного оборудования в светлые тона и др.

Улучшению теплообмена работающих способствует воздушное душирование, его организация на рабочих местах операторов-термистов обязательна.

Для предупреждения загрязнения воздушной среды вредными химическими веществами необходимо максимальное укрытие закалочных и других ванн с обязательным устройством местной вытяжной вентиляции с воздухоприемниками типа бортовых отсосов. Удаляемый воздух, загрязненный выше допустимых уровней парами свинца, цианистыми соединениями и другими вредными веществами, подлежит очистке перед выбросом его в атмосферу.

Перспективным способом предупреждения загрязнения воздуха рабочей зоны и окружающей атмосферы парами и продуктами термической деструкции углеводородов является замена минеральных масел водными растворами нетоксических синтетических веществ. Производственные испытания таких заменителей дают обнадеживающие результаты. Одним из эффективных путей гигиенической рационализации процессов термической обработки изделий является применение вакуумных процессов.

Большое технико-экономическое и санитарно-гигиеническое значение имеет автоматизация и механизация процессов.

На крупных машиностроительных предприятиях в условиях массового производства работают печи непрерывного действия с толкательными конвейерными или другими механизмами. Автоматизируются все основные процессы: загрузка в печи, перемещение в закалочные ванны, выгрузка, промывка и др.

Для защиты операторов установок высокочастотного нагрева металла от возможного неблагоприятного влияния электромагнитных полей производится экранирование источников излучений с помощью металлической сетки или листового металла.

Как я работал в цехе термообработки на заводе ⁠ ⁠

Мой прошлый пост был о том, как я потерял на улице документы, когда устраивался работать на завод. Сказал «А» - говори «Б». Расскажу про завод.

Завод – это громко сказано. Так, остатки былой советской роскоши. В термичке я был самый молодой, попал туда случайно (вообще шёл на кузнеца), потому что место считалось тёплым, и народ всеми силами старался досидеть там до пенсии. Но в дело вмешался зелёный змий. Один по синьке послал мастершу цеха. Анатольевна женщина строгая, но справедливая, а главное – гордая, поэтому в течение трёх дней обидчик отправился за ворота, а я стал постигать секреты термообработки металла. Собственно, особых секретов не было. Мы делали 5-6 операций уровня «загрузить детали в печь, выдержать несколько часов, достать детали из печи». Меня провели по цеху, показали механизмы управления печами, и посадили читать конспект, написанный одним из моих предшественников. А вечером сказали, что всё, что я узнал за день, ничего не значит. Сейчас пойдём на закалку, и именно то, как я с этим справлюсь, не испугаюсь ли жАра – это и определит смогу ли я работать термистом. Я был вторым номером, и моя задача была подцепить корзину с деталями в глубине печи, помочь выкатить её, а потом зацепить за ухо крюком. Первый номер – Алексеич – нажал на кнопку, зажужжал электромотор, и толстенная, чуть не в двадцать сантиметров, дверца стала подниматься. Я заглянул внутрь и понял, как, если он есть, выглядит Ад. Меня обдало жаром, нутро печи светилось оранжевым цветом, внутри обитого железом кирпичного ящика было видно решительно всё. Внутрь печи уходили х-образные рельсы, на них равномерно были расставлены железные шары. В глубине, на подкатном столике (толстая пластина с желобами под шары) стояла корзина с деталями. Мы подцепили корзину длинными (по два метра)кочерёжками, и выкатили наружу. Мне оставалось продеть крюк в ухо корзины, чтобы Алексеич повёз бултыхать её в масляной ванне. Кажется просто, но в тридцати сантиметрах от меня находилось около 150 кг металла, раскалённого до температуры 860 градусов. Пот заливал глаза, лицо обжигало, рукавица задымилась. Но жалеть себя было некогда. Прикрыв лицо левой рукой, я подцепил корзину со своей стороны, и тут же услышал звук подъёмника крана. «Всё, молодец, справился»,- похвалила меня мастерша,- «ну как тебе, будешь работать»? «Буду» - уверенно ответил я, чувствуя, что нашёл место, куда всё это время стремилась моя душа.

Работать нравилось и получалось. Я лучше «стариков» управлялся с краном - помогал хороший тайминг, выработанный в компьютерных играх (на прикреплённом видео этого нет, так как в тот раз калили на малой печи, которую использовали только когда ломалась большая, а с того места совершенно другая механика движения и, соответственно, отзыв на нажатие кнопок пульта). Как практически на всех своих работах, я внедрил несколько рацпредложений. Тётушки с ОТК всегда радовались, когда на смене был я – это значило, что качество будет в норме, и им не придётся ничего «натягивать». Было время прямо на работе заниматься спортом – отжимания, подтягивания, самодельная штанга. Да и вообще, работа с металлом, с большими температурами – это просто круто. Но зимой заказов не было, и всех на несколько месяцев отправляли домой без сохранения зарплаты. На вторую зиму я ушёл на другую работу.

Оборудование для термической обработки: основные виды печей

В металлургических заводах и термических цехах используется огромное количество различных видов нагревательного оборудования. Самое распространенное оборудование представлено ниже.

Шахтные печи для термообработки различных размеров. Подходят для многих процессов термообработки: для нагрева под закалку, для отжига, отпуска, цементации. Подходят для термообработки цветных сплавов, где технологией не предусмотрена высокая точность технологических параметров и скорость переноса садки из печи в закалочную среду. Шахтные печи, которые есть практически на каждом участке термообработки, это печи серии Ц, СШЦ, США. Их чаще всего устанавливают в приямки или кессоны. Печи с небольшой глубиной допускается устанавливать на пол цеха. Если высота печи, при такой установке, не позволяет производить безопасное обслуживание оборудования, то на высоте допустимой рабочей зоны устанавливается перекрытие. Шахтные печи, так же как и камерные, могут быть с электрическим нагревом и газовым. Позволяют обрабатывать изделия в абсолютно любой атмосфере: эндогаз, азот, воздух, вакуум, водород и др. Чаще всего такие печи используютя для термической обработки длинномерных стальных деталей и узлов, крупногабаритных поковок и отливок, отжига или нормализации проволоки, проката, профиля, листов. Конструктивным признаком шахтных печей является наличие реторты из коррозионостойких сплавов. На практике очень часто используют углеродистые сплавы с 18%Cr + 24%Ni + 2%Si. Содержание углерода в сплаве зависит от максимальной нагрузки на под реторты. Если обработка деталей проводится в агрессивных средах, то используют сплавы с добавками ниобия. В качестве футеровки печей используется кирпич марок КЛ или ШТЛ. Последние несколько лет, заменой кирпичной футеровки служит футеровка из минеральной ваты МКРР, МКРВ и др. Вата имеет ряд преимуществ: она более легкая, более удобна при монтаже и демонтаже, имеет более низкую теплопроводность и более высокую стоикость. При этих своих свойства, вата стоит в несколько раз дешевле кирпича. Применение ватной футоровки возможно как на шахтных печах, так и на камерных печах, на автоматизированных агрегатах, на колпаковых печах.

Камерные печи для термической обработки больше подходят для термической обработки средних и мелких деталей. Могут использоваться на любых типах производств и для любых технологий обработки. Их можно использовать как отдельно стоящие единицы оборудования, так и составе гибких автоматизированных комплексов. Такой комплекс обычно состоит из одной или нескольких нагревательных печей, совмещенного с ними закалочного бака (масло, вода, полимеры), моечной камеры, камер отпуска, которые также могут быть совмещены с водяным баком для охлаждения, с целью избежания отпускной хрупкости. Иногда, в составе таких линий используются камеры обработки холодом, для уменьшения остаточного аустенита после закалки. Автоматизированные комплексы обычно объединены одной погрузо-разгрузочной рельсовой транспортной системой.

Разновидностью камерных печей являются вакуумные печи для термообработки , которые могут использоваться для термической обработки, пайки, спекания материалов.

Вакуумную термообработку применяют для инструмента, быстрорежущих сталей, титановых сплавов, меди, тугоплавких металлов, конструкционных сталей. Основной особенностью вакуумных печей является высокая точность технологических параметров. Отклонения температуры в рабочем пространстве печи менее ±5ºС. Печи также могут использоваться в составе линий термообработки. В качестве закалочных сред применяют азот, гелий, воздух, масло. В составе вакуумных линий никогда не используется водяные закалочные баки. Это усложняет закалку низкоуглеродистых и низколегированных сталей. Внутренняя поверхность печей обычно выполняется из листового молибдена, нагревательные элементы могут быть выполнены из графита, керамики, порошковых материалов. Максимально достигаемое значение вакуума в рабочей камере составляет 0,00005 мбар, максимальльное давление охлаждающей среды составляет 20 бар, максимальная температура – 1300ºС. Для охлаждения рабочей камеры во время технологических процессов используется вода. Кроме рабочей камеры, в составе оборудования должен быть вакуумный насос, рессивер с газовой средой охлаждения, установка оборотного водоохлаждения. Как правило все процессы вакуумной термической обработки имеют степень автоматизации 0,7-0,85. Из недостатков такой термообработки можно назвать обезлегирование поверхности сплавов при высокой температуре, долгая подготовка деталей (мойка, обезжиривание, сушка, иногда предварительный обжиг), высокая стоимость оборудования.

Но гораздо больше вакуумная термообработка имеет преимуществ:

незначительные коробления изделий;
светлая поверхность после обработки;
сокращение времени цементации примерно в 2 раза;
высокая степень автоматизации;
экологичность процессов;
возможность совмещать нанесение покрытий, термическую и химико-термическую обработку.

Печи с выдвижным подом используются для термообработки крупногабаритных и массивных деталей и узлов. Загрузка и выгрузка обычно происходит при помощи кранов и кран-балок. К недостаткам таких печей можно отнести большие теплопотери и большие габариты за счет выдвижного пода. Печи часто используют для аустенитизации, отжига сварных конструкций. Также такие печи могут использоваться для нагрева заготовок под ковку. В этом случае загрузка и выгрузка производится при помощи манипуляторов или роботов. Нагрев рабочего пространства может быть как газовый, так и электрический. Равномерность перепада рабочих температур обеспечиваю вентиляторы из жаростойких сплавов.

Из оборудования для крупносерийных производств, можно назвать автоматизированные агрегаты для термической обработки металлов . Такие линии обычно используются на автомобильных, тракторных, агрегатных производствах. Состав оборудования не отличается от линий камерных печей. Рабочие камеры могут быть выстроены в одну линию или образовывать замкнутый технологический цикл обработки. Детали и узлы располагаются на поддонах, которые приводятся в движение конвейерным приводом. Скорость движения конвейера может быть непрерывной и измеряться в м/ч или характеризоваться циклическим темпом толкания (одно перемещение в 10 минут). Автоматизированные агрегаты могут быть однорядными и 2-х, 3-х рядными. Иметь разную длину нагревательных и отпускных камер. Степень автоматизации практически сопоставима с вакуумным оборудованием, время ручного труда также уходит только на загрузку-разгрузку приспособлений для базирования деталей в печи.

Также в термических цехах используется дополнительное оборудование, например правильные прессы. Они используются для правки проката, труб, профилей, сварных конструкций. Прессы могут быть оборудованы устройствами для контроля геометрии поверхностей правки. Процесс правки может носить динамический (ударный) характер, который часто используется для правки проката и иногда для толстостенных труб или статический характер (плавная прокачка или медленное нагружение) для правки тонкостенных труб и профилей. Процесс правки имеет короткий цикл и состоит из контроля геометрии, правки и окончательного контроля. Для снятия напряженного состояния после правки, для высокоответственных изделий, делается низкотемпературный отпуск (180-200ºС).

Важную роль в технологических процессах термической обработки, играет контроль качества. Для оперативного контроля в цехах, используются стационарные твердомеры Роквелл и Бринелль. Измерения проводятся непосредственно на деталях или контрольных образцах. Для крупногабаритных изделий используются портативные твердомеры с прямым методом измерения и приборы для косвенного измерения механических свойств. Такие приборы могут измерять какую-либо физическую величину, которая напрямую зависит от твердости, прочности, пластичности или вязкости. На производстве часто используют коэрцитиметры. Контроль химико-термической обработки производят как по твердости, так и по глубине слоя на образцах-свидетелях при помощи портативного микроскопа, с нанесенной на объектив линейкой. В промышленности часто используются и другие типы основного оборудования, например установки закалки деталей токами высокой частоты, плазменной и лазерной закалки.

Используются специализированные установки для единичного производства определенных деталей. Например существуют специализированные линии для изготовления рессор автомобилей. Это автоматизированная линия, которая осуществляет индукционный нагрев заготовки для рессоры, гибку и охлаждение в воде или прессе. Есть специализированная линия для термообработки пружин сцепления автомобилей, где закалка и отпуск осуществляются в специальных прессах. Часто термическое оборудование выстроено в одну технологическую цепочку с оборудованием для сварки, механической обработки или высадки. Таким примером могут служить линии для высадки и термической обработки заклепок и болтов. В этой линии несколько станков для высадки головки совмещены одним конвейером с агрегатом для закалки и отпуска деталей.

Таким образом, в цехах термообработки используется просто огромное количество основного и вспомогательного оборудования, основная цель использования которого — обеспечение требуемых свойств металлических изделий.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Здания цехов термической обработки строятся в соответствии со строительными нормами, ГОСТ 12.3.004 - 75 и ОСТ 105 - 699 - 79, из несгораемого огнестойкого материала на расстоянии более 50 м от жилых застроек. Высота здания ( не менее 7 2 м) зависит от технологии термообработки и количества пролетов. [2]

Закалочные прессы в цехах термической обработки металлов следует размещать так, чтобы обслуживающий персонал не подвергался воздействию лучистого тепла одновременно от загрузочных окон двух и более нагревательных печей. К каждому рабочему месту должен подаваться чистый приточный воздух. [3]

Для техники, технологии и организации производства цехов термической обработки деталей также характерны специфические требования. Этот процесс является относительно непродолжительным, в связи с чем незавершенное производство в термических цехах невелико и довольно постоянно по размеру, составляя 3 - 5 % месячного объема термической обработки в цехе, а иногда и еще менее. Так как величина незавершенного производства в термических цехах незначительная и стабильная, то объем производства в этих цехах обычно планируется и учитывается только по показателю товарного выпуска. [4]

Сточные воды получаются в цехах травления черных и цветных металлов, в цехах термической обработки деталей , в отделениях гальванического покрытия и при охлаждении и мытье станков. [5]

К этой категории можно, например, отнести производства слабой азотной кислоты, концентрированной азотной кислоты и купоросного масла; цехи термической обработки металла ; газогенераторные станции, котельные. [6]

Важным условием для установки кооперативных связей является наличие термических и гальванических цехов. Без цехов термической обработки часто бывает невозможным изготовление деталей по всему циклу, так как многие из них требуют промежуточного отжига или снятия внутренних напряжений, а без антикоррозионных покрытий стальные детали не могут находиться продолжительное время в условиях повышенной влажности, тем более транспортироваться на далекие расстояния. Кроме того, отсутствие гальванических цехов затрудняет выполнение сборочных операций. [7]

Непосредственное изготовление продукции начинается цехах горячей обработки металлов. К ним относятся чугунолитейный, сталелитейный цехи, цех термической обработки металлов . Иногда все эти цехи являются участками одного большого цеха горячей обработки металлов. Здесь отливают из металла корпуса ( станины) будущих электрических машин. [8]

Непосредственное изготовление продукции начинается в цехах горячей обработки металлов. К ним относятся чугунолитейный, сталелитейный цехи, цех цветного литья, кузнечный и сварочный цехи, цех термической обработки металлов . Иногда все эти цехи являются участками одного большого цеха горячей обработки металлов. Здесь отливают из металла корпуса ( станины) будущих электрических машин. [9]

Четыре основных технологических прсцгсса: нормализация, отжиг, изотермический отжиг и улучшение - исчерпывают практически все нужды заготовительных цехов. Термическая обработка заготовок проводится в автоматизированных агрегатах по всему циклу без перегрузки. Поэтому цех термической обработки заготовок целесообразно создавать из линий нормализации, изотермического отжига и улучшения. При значительных объемах улучшаемых деталей формируют раздельные линии улучшения с закалкой деталей в воде и масле, а агрегаты для нормализации дополняют печами высокого отпуска. В зависимости от вида термической обработки, размера, массы и конфигурации заготовок агрегаты выполняют толка-тельио-толкательными, толкательно-конвейерными или конвейерно-конвейер-ными. В толкательиых агрегатах детали перемещаются на поддонах, в конвейерных - навалом. В большинстве случаев агрегаты для нормализации и изотермического отжига выполняют толкательными. Наиболее целесообразно использование двух и даже трех агрегатов. В этом случае агрегат нормализации практически универсален, а агрегаты улучшения или изотермического отжига унифицированы по температуре нагрева под закалку. Выдержка различных по массе деталей регулируется независимо темпом толкания в каждом ряду. [10]

Читайте также: