О группе компаний

Вакуумные печи SCHMETZ: системы будущего

Компания SCHMETZ занимается разработкой и оптимизацией современных экологически сбалансированных вакуумных печей с 1945 года. Сегодня компания SCHMETZ – это один из мировых лидеров на рынке оборудования для термообработки. В России оборудование SCHMETZ представляет ГК «ФИНВАЛ», которая на протяжении шести лет является официальным дистрибьютором компании в России. За время сотрудничества успешно осуществлен ряд инновационных проектов для ведущих российских предприятий.

Горизонтальная вакуумная камерная печь Тип I

Горизонтальная вакуумная камерная печь Тип I

При проектировании и подборе термического оборудования компания SCHMETZ всегда стремится предложить заказчику наиболее эффективное решение. Широкая гамма материалов обрабатываемых изделий, большой диапазон рабочих температур, высокая степень технологической универсальности оборудования требуют сегодня от производителя использовать на оборудовании новейшие изоляционные материалы, уникальные схемы охлаждения, нагрева и контроля.

С развитием техники и технологий, ростом возможностей машиностроения возросли и требования к вакуумному термическому оборудованию. Так, установки должны сегодня производить несколько технологических операций, избегая перегрузки изделий при условии сокращения доли брака, предотвращения необходимости повторных обработок и минимизации продолжительности цикла обработки изделий.

Конструкторы и инженеры SCHMETZ еще в 70-х годах отрабатывали технологии по использованию на производимом компанией оборудовании таких материалов как графит, молибден, жаропрочные сплавы никеля и хрома, сплавы молибдена и лантана. Эти материалы обладают хорошими теплоизоляционными свойствами и имеют высокую стойкость к воздействию высоких температур. Это предопределило выбор конструкторов SCHMETZ в отношении изоляционных материалов.

Следующим важнейшим этапом в проектировании оборудования было решение вопроса охлаждения обрабатываемых изделий. Проведя ряд тестов, инженеры SCHMETZ остановили свой выбор на азоте и аргоне, потому что эти газы не горючи, не взрывоопасны и легко восполняемы.

На начальной стадии отработки технологии подавляющее большинство изготовителей предлагали своим заказчикам печи либо с цилиндрическими рабочими камерами, либо с квадратными. SCHMETZ предложила два варианта геометрии камер: цилиндрическую и квадратную камеры. В квадратной камере газ подается через систему сопел (дюзов), проходит через всю камеру и удаляется через заднюю стенку рабочей камеры печи. Эта схема и на данный момент используется на печах SCHMETZ под маркировкой 1R. На печах с цилиндрической рабочей камерой заказчикам было предложено использовать систему 1RD (рис.1). При использовании системы 1RD подача охлаждающего газа осуществляется из сопел. Поток газа окружает садку на 360° и удаляется из рабочей камеры печи через заднюю стенку.

Эта система охлаждения наиболее оптимально подходит для обработки крупных садок, состоящих из одной тяжелой заготовки, как, например, форма для литья. Данная схема была для своего времени революционной и хорошо себя зарекомендовала.

Подтверждением того, что система 1RD работает, являются испытания схемы на соответствие нормам NADCAP (Североамериканская ассоциация литья под давлением). Тесты проводились на испытательном стенде SCHMETZ, который позволил создать условия рабочей камеры с габаритами 406×406×406 мм. В камере был размещен имитатор садки массой 560 кг. В ходе эксперимента необходимо было произвести охлаждение испытательной камеры и имитатора садки в температурном диапазоне 1038÷540°С с минимальной скоростью не менее 30 К/мин. В итоге скорость охлаждения составила 37 К/мин.

Также был проведен опыт по установлению максимальной скорости охлаждения. Для этого на испытательном стенде был размещен блок, повторяющий рабочую камеру с габаритами 600×900×600 мм. Газ подавался с давлением равным 10 бар. Испытания показали, что максимальная скорость охлаждения составляет 122К/мин.

Новая концепция оборудования SCHMETZ под названием RD PLUS, основанная на использовании двухкамерной схемы оборудования, позволяет обеспечить рост значений скорости охлаждения в среднем на 15%.

Однако данная система не подходит для обработки садок, состоящих из нескольких изделий, расположенных в ряд, а также для обработки пластинчатых заготовок, размещенных одна над другой.

Рис. 1 Рабочая камера с системой газового охлаждения типа 1RD

Рис. 1 Рабочая камера с системой газового охлаждения типа 1RD

Для устранения недостатков систем 1R и 1RD конструкторы фирмы SCHMETZ предложили использовать более совершенную систему газового охлаждения садки, которая позволила бы решить следующие вопросы:

  • Полное устранение эффекта подогрева садки остаточным горячим газом
  • Обеспечение КПД от использования охлаждающего потенциала газа не менее 95%
  • Производить смену направления потока охлаждающего газа с необходимой частотой, что обеспечит более равномерное по объему охлаждение изделий
  • Обеспечение точности распределения температуры на этапе охлаждения садки в пределах ± 2°С

  • Устранение неоднородности потока охлаждающего газа
  • Осуществлять обработку небольших по габаритам садок
  • Осуществлять обработку садок с изделиями, расположенными россыпью
  • Осуществлять обработку одновременно нескольких крупных заготовок

Для решения этих задач была создана система газового охлаждения, кардинально отличающаяся от систем, которые использовались ранее: газ подается не струями, через отдельные дюзы, а единым потоком, направляющие которого расположены на своде и подине рабочей камеры. Новая система газового охлаждения получила обозначение 2R (рис.2).

С целью создания более универсального оборудования SCHMETZ представила систему 2×2R (рис.3), которая позволяет производить подачу охлаждающего газа по схеме, аналогичной той, что используется в системе 2R, однако, дополнительно к этому подача газа осуществляется и в горизонтальной плоскости. При использовании этой системы оборудование обеспечивает следующие возможности: реверс потока газа в обеих плоскостях, задание и контроль скорости охлаждения с использованием переменных времени цикла или фактической температуры в рабочей камере, в зависимости от требований к обрабатываемым изделиям. Оборудование с использованием такой системы обеспечивает более высокую точность распределения температур, в пределах ±2°С и позволяет заметно уменьшить величину поводок. Использование потока газа в вертикальной плоскости обеспечивает качественную обработку таких изделий, как пластины инструмента, сверла, поршни клапанов и др., а подача газа в горизонтальной плоскости, как правило, используется в случае обработки пластинчатых теплообменников.

Сегодня SCHMETZ производит три типа вакуумных однокамерных печей: горизонтальные с фронтальной загрузкой садки, вертикальные с нижней загрузкой садки и вертикальные с верхней загрузкой садки. Горизонтальные печи являются самым распространенным типом оборудования, которое поставляет SCHMETZ на предприятия заказчиков.

SCHMETZ_termo_article_3b.jpg
SCHMETZ_termo_article_4b.jpg
Рис. 3 Схема работы системы 2×2R Рис.2 Вид рабочей камеры квадратного сечения с системой охлаждения типа 2R

Преимуществами оборудования с квадратной рабочей камерой являются универсальность и компактная конструкция, не требующая специальных условий для размещения оборудования. Использование системы водяного охлаждения корпуса печи позволяет снизить тепловую нагрузку на корпус и обеспечить безопасность эксплуатации оборудования. Турбина, используемая в системе газового охлаждения изделий, позволяет регулировать скорость охлаждения обрабатываемых изделий путем изменения значения давления газа, подаваемого в рабочую камеру. В случае необходимости изготовления оборудования по нестандартным требованиям заказчика, SCHMETZ предлагает оборудование с вынесенным наружу, из корпуса печи, блоком быстрого охлаждения изделий.

Благодаря наличию различных типов термической изоляции рабочей камеры оборудования, SCHMETZ предлагает несколько типов системы нагрева. Схема работы системы нагрева следующая: электрический ток подается по системе герметичных соединений на нагревательные элементы. Для предотвращения контакта материала изоляции рабочей камеры и корпуса печи с электрическим током в системе подачи питания на нагреватели предусмотрены диэлектрические элементы, которые изготовлены из промышленной керамики с высокой степенью сопротивления к высоким температурам, вплоть до 1700°С. Во избежание размыкания цепи и короткого замыкания нагревательные элементы соединяются с токопроводами при помощи плотных болтовых соединений.

Система нагрева является одним из важнейших узлов оборудования. Расположение элементов системы, их геометрия и количество зон нагрева имеют огромное влияние на предупреждение возникновения поводок, возникающих на первоначальной стадии нагрева обрабатываемых изделий.

Стандартная максимальная температура обработки изделий составляет 1250°С. Оборудование SCHMETZ в базовом исполнении оснащается системой нагрева с максимальной рабочей температурой равной 1350°С. Этого достаточно для достижения наибольшей рабочей температуры в 1250°С. Зачастую компания получает заказы на оборудование для спекания изделий в условиях вакуума. Здесь SCHMETZ предлагает установки с максимальной рабочей температурой равной 1600°С. Развитие технологий, использование в промышленности методов порошковой металлургии ставят перед компанией новые задачи по созданию на российском рынке оборудования, с максимальной рабочей температурой равной 2000°С.

Уровень рабочих температур напрямую влияет на выбор материала изоляции рабочих камер оборудования и элементов системы нагрева. Так, для проведения качественной обработки изделий при температурах не более 1250°С рекомендуется использовать графит. При более высоких температурах – молибден или прочие сплавы на основе хрома и никеля.

Конструкторы и инженеры SCHMETZ также уделяют особое внимание вопросу охлаждения изделий. Система охлаждения включает в себя двигатель постоянного тока, турбину и комплекс отверстий и направляющих. Созданная на оборудовании SCHMETZ система охлаждения обеспечивает равномерное распределение температур по объему обрабатываемой садки, а также равномерную подачу газа по всей площади изделий. Для обеспечения высокой скорости охлаждения на установках SCHMETZ используется система газовой закалки с возможностью регулировки давления подачи газа в диапазоне 0,9 –13 бар.

Внедрение вакуумной термообработки в мелкосерийное и многосерийное производство требует высокой универсальности в технологии. Полностью автоматический цикл обеспечивает бесперебойный и повторяемый процесс.

Равномерная термообработка всей садки обеспечивается за счет использования приборов контроля и уникальных систем охлаждения садки, а высокая степень повторяемости обработки сокращает производственные затраты до минимума.

Высокая технологичность оборудования обеспечивает выполнение широкой гаммы производственных процессов на меньшем количестве оборудования. Возможность выбора типа охлаждения предоставляет заказчику возможность осуществлять проектирование производства, учитывая вес, габариты и материал обрабатываемых изделий.

Автор: Виталий Тимошенко
(начальник отдела термического оборудования ГК «ФИНВАЛ»)