Промышленная вакуумная печь — агрегат для высокотемпературной обработки материалов с целью улучшения технологических и пользовательских параметров. Заготовки из металлов, керамики и композитов нагревают в герметически закрытой камере без доступа воздуха. В некоторых случаях для термообработки используют инертные газы: аргон, водород.
Промышленная вакуумная печь позволяет контролировать процесс и получать прогнозируемый результат. Главные достоинства технологии — универсальность, высокое качество поверхности, отсутствие загрязнений и деформаций.
Оборудование используют для выполнения операций: отпуска, закалки, спекания, литья, сушки, нитроцементации (насыщение поверхностного слоя азотом), дегазации (удаление из расплава газов). Чистота обработки металлов и сплавов имеет решающее значение при проведении испытаний, где важен каждый фактор влияния.
Высокотемпературную обработку изделий в безвоздушном пространстве или безокислительной среде применяют в машиностроении, металлургии, атомной промышленности, космической отрасли.
Выбор агрегата зависит от задач бизнеса, устройства и принципа действия оборудования.
Преимущества промышленных вакуумных печей
На результат термообработки влияет конструкция агрегата, свойства материала и рабочей среды, выбор технологического режима (нагрева и выдержки). При несоблюдении требований стальная заготовка коробится, демонстрирует повышенную хрупкость, качество поверхности вызывает сомнение.
Преимущества обработки в вакуумной печи заключается в возможности влиять на физико-механические свойства материала. При сравнении плоских срезов образцов до и после высокотемпературного нагрева видно, как изменилась структура металла: размеры зерен, соотношение кристаллов разной величины, распределение частиц в объеме.
После термообработки в вакууме получают изделия с заданной твердостью, прочностью, ударной вязкостью и другими характеристиками. Нитроцементация продлевает срок службы деталей: после операции увеличивается процентное содержание азота или водорода.
Ряд операций — цементация, обезуглероживание стали в водороде, обезжиривание, дегазация — влияют на цвет поверхности и способность отражать свет. Термообработка в вакуумной промышленной печи расширяет сферу использования изделий. Речь идет об увеличении коррозионной стойкости, жаропрочности, магнитной проницаемости, теплопроводности.
Агрегаты отличаются надежностью, компактностью, безопасностью. Вакуумные агрегаты экологичны: не выделяют вредных газообразных или иных соединений.
Производительность работы
Эффективность труда промышленных установок определяется объемом камеры, мощностью электродвигателя, типом нагревательного узла, уровнем автоматизации и механизации процессов. По исполнению различают колпаковые, шахтные, камерные термические установки.
В крупных металлургических предприятиях работают мощные индукционные плавильные агрегаты емкостью 1-10 тонн металла. Научно-исследовательские институты на участки контроля оснащают компактными лабораторными установками для проведения испытаний.
Промышленные вакуумные печи классифицируют по признакам:
- назначению: универсальное и специальное оборудование: для пайки, плавки, спекания;
- типу нагревательного элемента: дуговые, компрессионные, индукционные;
- рабочей среде: вакуумные (термообработка происходит в безвоздушном пространстве), водородные (после откачивания воздуха в рабочую зону нагнетают инертный газ);
- расположению источников энергии в камере (индуктора, электрической дуги) и способу нагрева: прямого и косвенного действия;
- конструктивным особенностям конкретной модели: с одной или двумя камерами (в последнем случае используют двухступенчатый способ нагрева);
- диапазону рабочих температур.
Производительность нагревательной установки и качество продукции зависит от соблюдения требований технологического процесса и сроков проведения обслуживания. Персонал предприятия обязан своевременно и в полном объеме выполнять работы: обновлять уплотнения, чистить инструмент и внутреннее пространство от загрязнений и пыли, проверять состояние контура заземления и функциональность нагревательных элементов.
Последовательность нагрева изделий в промышленных вакуумных печах
Термообработка происходит в рабочей камере — герметически изолированном от остальных частей оборудования пространстве. Внутри находятся нагревательные элементы из графита или металла: однокомпонентного состава или сплава: вольфрама, нихрома, молибдена с кремнием (MoSi2). Максимальная температура нагрева для графитовых тепловых узлов — 2000 0C.
Технологический цикл состоит из трех этапов: загрузки, термообработки и остывания, выгрузки. Автоматически (на конвейерной ленте) или вручную (с помощью приспособлений) металлические заготовки размещают в зоне нагрева. В больших камерах металлические изделия расставляют на одинаковом расстоянии.
После загрузки емкость герметически закрывают и включают насосы. Уровень вакуума (высокий, средний, сверхвысокий) указан в технологической карте. Насосное оборудование создает и поддерживает разряженную атмосферу в пределах 10-10-6 мм ртутного столба.
Когда численное значение вакуума достигнуто, включают нагревательные элементы. При повышении температуры уменьшается прочность и возрастает пластичность стали. Следующая операция — выдержка. Режим нагрева зависит от задачи, объема рабочей камеры, размеров и формы деталей. При остывании кинетическая энергия атомов уменьшается, металл из жидкой фазы переходит в твердое состояние.
Ниже приведено описание наиболее распространенных промышленных вакуумных печей. Независимо от типа, в комплект оборудования входит рабочая камера, насос, нагревательный элемент.
Индукционные вакуумные печи
Оборудование отличается от аналогов способом действия. Источник энергии — мощные индукторы, направленные на рабочую зону с заготовками. При запуске возникает электромагнитное поле переменного тока. Высокочастотная энергия нагревает сырье, а не стенки рабочей камеры.
Преимущество индукционных вакуумных агрегатов — высокая производительность труда, связанная с быстрым и равномерным прогревом металла по толщине. Установки применяют для любых материалов, в том числе, тугоплавких металлов и сплавов. Результат индукционной термообработки — равномерная структура, поверхность металла гладкая и без коррозионных вкраплений.
Производители выпускают вакуумные плавильные установки периодического и непрерывного действия. Независимо от типа оборудования, вначале загружают детали и выкачивают воздух. Заготовки нагревают и выдерживают в герметически закрытом рабочем пространстве.
В печи периодического действия после истечения времени камеру открывают, достают тигель с металлом, огнеупорный сосуд освобождают и очищают. Рабочий цикл завершен. Вакуумное оборудование готово к нагреву следующей партии.
Полуавтоматические агрегаты работают без разгерметизации камеры. После каждого цикла в зону нагрева не впускают воздух. Чтобы не останавливать процесс, детали загружают с помощью шлюзового оборудования.
Для повышения качества продукции используют тигли с футерованным кожухом. При случайном попадании воздуха в камеру огнеупорный контейнер не пропитывается окислами. Результат работы индукционной вакуумной печи непрерывной плавки — сталь высокого качества. Из каждой партии берут пробы и отправляют в лабораторию. Исследования подтверждают отсутствие вредных соединений и другие параметры.
Дуговые вакуумные нагревательные устройства
Оборудование предназначено для плавки разных марок сталей, получения слитков и литейных форм. Источник энергии — электрическая дуга постоянного тока. Металл нагревают в условиях высокого давления и температуры (2000 0C).
Часто плавку сталей и сплавов выполняют одновременно с операцией по удалению газовых включений. Совмещение двух процессов позволяет улучшить характеристики, которые определяются строением кристаллической решетки: твердость, плотность, пластичность.
В металлургической отрасли используют вакуумные печи косвенного и прямого действия. В первом случае дуга проходит между электрическими проводниками и плавильной ванной (или рабочей камерой с раскаленной сталью). Способ теплового воздействия — излучение.
В дуговых установках плавят слитки из ванадия (1920 0C), титана (1668 0C) и других тугоплавких металлов. Максимальный вес литой заготовки — 30000 кг, длина — до 5 м. После термообработки получают металл высокого качества (без примесей).
Второй тип — агрегаты прямого действия. Электрическая дуга располагается между расплавленной массой и графитовым электродом. Отличие оборудование прямого действия заключается в увеличенной теплопередаче печи, более высоком уровне нагрева и непосредственном воздействии электрической энергии на металл.
Высокопроизводительные агрегаты используют для получения расплавов черных сталей и обычных металлов: алюминия, меди, латуни. В установках прямого действия не обрабатывают дорогостоящие материалы с низкотемпературным режимом испарения.
Чтобы улучшить качество металла, применяют насосы с системой воздушной фильтрации. Устройства предотвращают попадание в рабочую зону пыли, которую содержит воздух.
Водородная печь
Термическое оборудование применяют для обработки магнитных сплавов, тугоплавких металлов, керамических и композитных материалов: цементированных карбидов вольфрама, кобальта. Варианты рабочей среды: вакуум, чистый водород или смесь из азота и водорода.
Детали подвергают непрямому нагреву. Полезную работу выполняет электрический ток малой величины, высокого напряжения и частоты. Этот фактор обуславливает экономичность использования установки. Максимальное значение температуры — 1600 0C.
Водородные промышленные агрегаты используют для выполнения операций:
- пайки, отжига, закалки, сушки, пиролиза;
- спекания порошковых металлов и керамических изделий;
- обработки стеклянных заготовок и полупроводниковых изделий.
Выбор модели зависит от технологических требований, конфигураций деталей и объемов партий. Компании производят оборудование с вертикальной или горизонтальной загрузкой, одной или двумя ступенями обработки.
Особенности конструкции водородной печи заключаются в полностью водонепроницаемом корпусе, нагревательной системе из увлажнителя и аппарата для дожигания водорода, цилиндрической или прямоугольной камере, выдвижном подиуме, наличии противовзрывного устройства безопасности.
Кроме промышленного оборудования, выпускают лабораторные водородные установки. Модели отличаются диапазоном температур (200-3000 0C), возможностью создания глубокого вакуума (10-5 мбар), объемом камеры: 2,5-1000 л.
Печь вакуумная муфельная
Оборудование используют для высокотемпературной обработки в безвоздушной среде (или инертном газе) керамики, стекла, металлов, сплавов и композитных материалов. В промышленных агрегатах выполняют пайку, отжиг, закалку, отпуск. Компактные установки применяют для лабораторных испытаний и разовых производственных работ.
Преимущество вакуумных печей: экономичность, безопасность, удобство, высокое качество заготовок.
Жаропрочный корпус покрыт 2-3 слоями футеровки. Защитная изоляция экономит электроэнергию и препятствуют потерям тепла. В рабочей зоне расположена термопара: температуру газообразной среды показывает экран у входа. В камере постоянно поддерживается высокая температура. Чтобы защитить оператора от теплового излучения, предусмотрено устройство для открывания двери.
Способ действия на металл — непрямой нагрев. Технологический процесс начинается с укладки заготовок в муфель и размещения емкости в рабочей зоне. Жаростойкая оболочка защищает сталь от прямого контакта с нагревателем и продуктами сгорания. После термообработки детали имеют однородную структуру и чистую поверхность.
Где заказать типовое и специализированное оборудование?
На рынке РФ продают вакуумные промышленные печи отечественного и зарубежного производства. Китайское оборудование далеко от совершенства. Заказывать западные установки рискованно из-за сложностей с поставками, дефицитом запчастей и высокой стоимости.
НПК «ГКМП» — крупнейший российский производитель термовакуумного оборудования для серийного изготовления изделий и проведения испытаний на принципиально новом уровне. Экспериментальные разработки не имеют аналогов. Серийная продукция полностью соответствует отечественным и мировым стандартам качества.
Специалисты компании знают все о технологиях создания вакуума, испытаниях материалов после нагрева, проектировании, конструировании и изготовлении типового и нестандартного оборудования. Деловую репутацию компании подтверждают факты: 75 успешно сданных заказчикам проектов в области машиностроения, атомной энергетики, приборостроения и космической отрасли.