Hevítőberendezések
A hevítőberendezések csoportosítása
A hevítőberendezések feladata a különböző méretű és súlyú acél- és fémanyagok kovácsolási hőfokra hevítése. Az anyagok súlya tág határok között változik. Ezért a kovácsipari kemencék méret és szerkezet szerint a legkülönbözőbbek lehetnek.
A legegyszerűbb hevítőberendezés a nyitott kovácstűzhely. Ennek számos hátránya és hiányossága van. A hevítendő anyag közvetlenül érintkezik a tüzelőanyaggal, ez ként, foszfort tartalmaz, melyek károsan befolyásolják a felhevített darab tulajdonságait.
A technika fejlődésével egyre nagyobbak a minőségi követelmények a kovácsdarabokkal szemben. A fejlődés folyamán a nyitott tűzhelyek zárt tűzhelyekké, ún. hevítőkemencékké alakultak, amelyeket az alábbiak szerint csoportosítunk:
1. Fűtésük szerint:
a) szilárd tüzelőanyaggal;
b) folyékony tüzelőanyaggal;
c) gáznemű tüzelőanyaggal;
d) elektromos árammal fűtött kemencékre.
A kovácsolás technológiájának megfelelően az alkalmazott kemencetípusok is többfélék. Kialakításuknál tekintetbe kell venni a felhevítendő anyag minőségét (acél, egyéb fém), a rendelkezésre álló tüzelőanyagot, a darab nagyságát. Bármelyik típusú kemencéről van szó, a tüzelőanyag elégetéséhez megfelelő mennyiségű levegőt kell biztosítanunk. A levegőt ventilátorok szállítják.
A kemencék hatásfokának növelésére a levegőt nem hidegen, hanem előmelegítve juttatjuk a kemencébe. Az előmelegítésre a kemencéből távozó füstgázokat használhatjuk fel a leggazdaságosabban. Füstgázokkal működő levegő-előmelegítő berendezés a regenerátor és a rekuperátor.
2. Az anyag berakásának és hevítésének módja szerint vannak:
a) kamrás kemencék;
b) tolókemencék.
A kisebb méretű kemencékben néhány kilogrammos munkadarabokat, a középnagyságúakban egy tonna súlyú darabokat és öntecseket hevítenek. Nagyobb öntecsek, bugák vagy munkadarabok hevítését nagy kovácskemencékben végzik. A továbbiakban a legelterjedtebb kovácskemencék felépítését, elvi működését vizsgáljuk meg.
a) Kamrás kemencék
A felhevítendő munkadarab nagyságától, az acél minőségétől, a tüzelőanyagtól függően a kamrás kemencék különböző szerkezetűek lehetnek. Mivel a szilárd tüzelőanyaggal működő kovácskemencék már elavultak (nem alkalmazzák azokat), e kemencetípusokat nem tárgyaljuk.
A folyékony vagy gáznemű tüzelőanyagokkal dolgozó kemencék szerkezete egyszerűbb, mint a szilárd tüzelőanyaggal fűtött kemencéké, mert ezekben hiányzik a tüzelőanyag elégetéséhez szükséges tüzelőtér. A kovácsiparban elterjedt kemencetípus az ún. Rockwell-féle kemence.
A Rockwell típusú kemence tüzelőanyaga gáz és pakura. A kemencének lemez- és öntöttvas lapokból készült köpenye van. Szerkezete egyszerű. A kemencetér egyúttal a tüzelőanyag égéskamrájául is szolgál. A kemencében két porlasztófúvóka van, ezek egymással szemben helyezkednek el. A távozó égéstermékek a berakónyíláson át a pajzs elé jutnak. A pajzs és kemencefal között halad a légvezeték, ez a porlasztóba szállítja a levegőt. A távozó gázok körülveszik a levegővezetéket, és előmelegítik a levegőt. Alul találjuk az apró nyílásokkal ellátott csövet. Ebből a kilépő sűrített levegő elállja a kemencéből távozó füstgázok útját, azokat a kemence és a pajzs közötti felső térbe tereli.
A pakurakemencéket általában 150 mm-ig terjedő, kisebb szelvényű darabok hevítésére használják.
A kamrás kemencék nagy öntecsek hevítésénél használatosak, ezeket a darabokat kovácssajtókkal vagy nagy teljesítményű gépi kalapácsokkal kovácsoljuk. Az ilyen kemencéket leggyakrabban kihúzható fenékkel látják el. A kemence fenekét tűzálló téglával bélelt nehéz kocsi képezi. A kihúzható kemencében láncok és elektromos csörlő segítségével mozog a kocsi.
Az ilyen kemencék rendszerint folyékony vagy gáznemű tüzelőanyaggal üzemelnek. A munkadarabtól függően a kemence méretei is különbözőek. Ha kis öntecseket kovácsolunk, a kemencefenékre (a kocsira) több öntecset helyezhetünk. Nehéz, nagy öntecsek kovácsolásakor a kemencébe egy öntecset raknak, a kemence hőfokát lassan emelik, hogy az öntecs egész szelvényében egyenletesen izzon át, abban ne keletkezzenek repedések.
Vízszintes kovácsológépek részére, ahol a rudak végére képezünk ki vastagodásokat, peremeket stb., az ún. rúdvéghevítő kemencéket használják. Az ilyen típus fenékkel rendelkező kemence. Ennek tetejére építik rá a rekuperátort. Ezen keresztül távoznak a forró füstgázok, közben a befúvatott levegőt előmelegítik.
Darabolt anyag hevítéséhez is hasonló kamrás kemencéket használnak. A darabolt anyagot folyamatosan adagolják a kemencébe, ezért az égők az oldalfalakban helyezkednek el.
Az egykamrás kemence hátránya: a hideg betétanyag a már felmelegített anyagot lehűti, a kamra csak akadozva tud meleg anyagot szolgáltatni. A folyamatos melegszolgáltatást jobban biztosítja a kétkamrás kemence. E kemence működésének feltétele, hogy az egyik kamrában a felhevítés ideje ugyanannyi legyen, mint a másik kamrában a felhevített anyag feldolgozásának ideje. Csak ilyen körülmények között tudja a két kamra a kovácsoló- vagy sajtológépeket folyamatosan ellátni meleg anyaggal. Így az izzított anyagra a várakozás kiküszöbölhető.
b) Tolókemencék
Nagyüzemi sorozatgyártásnál az anyag fokozatos felmelegítését, üzemszerű adagolását tolókemencékkel oldják meg. A tolókemence egy tolórészból és egy hevítőrészből áll. A hideg darabokat a kemence homlokrészén helyezik a kemencébe. Itt a hőfok 600-800 C-fok. Innen a hideg kovácsdarabokat a tolószerkezet a kemence hossztengelyének irányába fokozatosan a magasabb hőfokú övezet felé tolja. A fokozatos előtolás következtében a kovácsdarab egyre magasabb hőfokú térbe jut, így egész szelvényében egyenletesen átizzik. Mire a darab a kemencén végighalad, eléri a kovácsoláshoz szükséges hőfokot.
A hevítés időtartamának és a revésedés csökkentésének érdekében kétzónás tolókemencéket is alkalmaznak. Ezek előmelegítő és izzítótérre tagolódnak.
Az előmelegítő tér végén a boltozatba építették az égőket. Ezek melegüket a berakónyílás felé adják le. Az itt előmelegített anyag tolódik a rövidebb izzótérbe, ahol a homlokégők adják a végső hőmérséklethez szükséges rövid meleget. A rövid, gyors felizzítás következtében a leégés, azaz a revemennyiség csökken.
A korszerű tolókemencék azonos elven működnek. Az anyag berakása automatizált.
Az automatikusan működő, ún. áttolókemencéknél az oldalfalakon elhelyezett ajtónyílások az üzemzavarok (összeakadt darabok) elhárítására szolgálnak. A leállás előtt a kemence tartalmának kiürítése rudak segítségével, kézi erővel történik. A darabokat előretolva szedhetjük ki.
A tolókemencék igen előnyösek, a darabok felhevítését korszerűen végzik. Az előnyök mellett azonban hátrányaik is vannak. Például alakos és váltakozó keresztmetszetű darab egyáltalán nem, vagy csak nehézségekkel továbbítható folyamatosan előre a kemencetéren keresztül.
Alakos (profilos) darabok hevítésére a fenti hátrány kiküszöbölésére a forgófenekű, ún. karusszel vagy gyűrűs fenekű kemencéket alkalmazzák. E kemencetípust főleg süllyesztékes kovácsüzemekben használják izzításhoz. Ennél a típusnál nem kell a darabot a súrlódásra érzékeny, izzó fenéken tolva továbbítani.
A forgófenék a darabot mozgatás nélkül viszi előre az előmelegítő zónából az izzítótérig. A kemencén két ajtó található, ezek egymás mellett, 30-40 fokban helyezkednek el. Az egyiken a hideg anyagot rakják be, a másikon a képlékeny darabokat szedik ki.
A kemence égői a kihúzónyílásból nézve annak oldalfalain 1/3–1/2 hosszig helyezkednek el. A kemence légmentességét megfelelő homokzár biztosítja. A forgófenekű kemencék mozgatása automatizált. Működésük lehet szakaszos, amikor bizonyos szögelfordulás után a fenék megáll, s csak újabb indításra fordul egy szakasszal tovább; folyamatos, ha a fenék adott kerületi sebességgel állandóan forog. Az adagolás folyamatos, a felhevített darabokat ütemesen adják ki. A kemence jellemzője a tolókemencéhez hasonló ellenirányú hőáramlás.
Az eddig ismertetett kemencetípusoknál a hevítendő darabok közvetlenül érintkeztek a forró gázokkal, így a reveképződés eléggé jelentős. A továbbiakban a revésedés és a reve elleni védelemre használt berendezéseket (kemencéket) tárgyaljuk.
3. Tokos kemencék
A felhevített acélok és fémek felületén több-kevesebb reve képződik.
A reve mennyisége függ:
– az anyag összetételétől;
– a kemence atmoszférájától
– az izzítás hőfokától;
– a magas hőfokú izzítás idejétől.
A nagy mértékű reveképződés nehézségeket okoz a kovácsdarabok további megmunkálása során, ezért arra kell törekednünk, hogy az a lehető legkisebb legyen.
Tokos kemencének nevezzük azt a kemencét, amelyben a munkadarab sem a tüzelőanyag lángjával, sem a füstgázokkal nem érintkezik. A tokos kemence munkatere, amelybe a melegítendő darabot helyezzük, teljesen zárt. A melegítés kívülről történik. A láng, valamint a forró füstgázok a munkateret minden oldalról érik. Mivel a hevítés közvetett, a darabok melegedése és lehűlése sokkal lassabban megy végbe, mint más kemencékben. E kemencék hatásfoka ezért rosszabb, mint a kamrás kemencéké. A tokos kemencét akkor használjuk, ha az anyagot reveszegényen akarjuk melegíteni.
4. Gyorshevítő kemence
A gyorshevítő kemencében a darab hevítésének ideje csökken le. Ez az újszerű hevítési mód abból áll, hogy egy magas hőmérsékletet biztosító olajégő szerkezet egy gyorségető kamra segítségével az olajgőz-levegő legtökéletesebb keveredését biztosítva, igen magas hőfokú lángot ad. A forró égéstermékek gyors áramlással veszik körül a darabot. A füstgázok egy részét az égő mellett visszaszívják a kemencetérbe, ezért az újonnan elégetett füstgáz alsó rétege annyira lehűl, hogy a kovácsdarabot a túlhevítéstől megvédi. E kemence munkaterének ésszerű kiképzése az anyag tökéletes áthevítését, ezzel a melegedési idő lényeges csökkentését eredményezi.
A kemencékben a tökéletlen égést szolgáltató, ún. redukáló atmoszféra-Iétesítő szerkezet működik. A kemence munkaterében levegőhiánnyal tökéletlen égést hozunk létre. A tökéletlen égés füstgázai az oldalcsatornán a boltozat fölött áramlanak át az égőkamrába. Itt viszont levegőfelesleggel dolgozó égő van, amelynek légfeleslegével a füstgázban levő, még el nem égett gázok is elégnek. A felső tűztérben keletkezett hőt a boltozaton át vezetéssel, majd a boltozat sugárzással adja át a munkadarabnak. A munkatér levegőjének hiányos atmoszférája gátolja a revésedést.
A védőatmoszférához tartozik a lítiumgőz is. Ennek tulajdonsága, hogy a kemenceatmoszféra káros vízgőztartalmát a szokásos gáz- vagy olajtüzelésű kemencékben leköti, a hevítendő darabot jól tapadó vékony védőréteggel vonja be, így a reveképződést megakadályozza. A védőrétegnek fontos szerepe van a süllyesztékes kovácsolásnál is.
5. Elektromos kemencék
A korszerű kemencetípusok közé tartoznak az elektromos kemencék is. Kovácsüzemekben ritkán használatosak, mert üzemeltetési költségük magas. Főleg hőkezelőüzemekben találhatók. Az elektromos hevítésnek különböző módjai lehetnek:
a) indukciós hevítés (korszerű sajtolóüzemekben);
b) ellenállásos hevítés.
Kovácsműhelyekben az ellenállásfűtésű kemencéket használják, főleg színesfémek hevítésére. A kemence falai, a boltozata tűzálló téglákból épül fel, ezek mentén helyezkednek el az ún. fűtőellenállások. A fűtőellenálláson áthaladó áram által létesített hő felmelegíti a kemencetérbe rakott kovácsdarabokat.
Az elektromos kemencék előnye, hogy a hevítendő darabok nincsenek szennyeződésnek kitéve, a hevítési hőfok pontosan beállítható és szabályozható. Hátrányuk: munkafelületük kicsi, üzemeltetésük költséges.
B) A kemencék építőanyagai
A kemencéket a bennük uralkodó magas hőfok miatt tűzálló anyagokból (téglákból) építik. Többféle tűzálló anyagot ismerünk. A tűzálló anyagoktól megkívánjuk, hogy:
– olvadáspontjuk magas legyen;
– alakállóak legyenek;
– a hőingadozással szemben ellenállóak legyenek;
– tömörek és szilárdak legyenek;
– kémiai behatásoknak jól ellenálljanak.
A kovácskemencék egyes részeihez, a hőfoktól és a hőingadozásoktól függően, más és más összetételű tűzálló anyagot használunk. A leginkább használatos tűzálló anyagok a következők:
1. samott-tégla (szilícium-dioxid és timföld);
2. szilikáttégla (főleg szilícium-dioxid);
3. magnezittégla (magnézium-oxid).
A tűzálló téglák felhasználási területét a tűzállóképesség, de főleg a lágyulási pont határozza meg. Emellett egyéb tulajdonságokat is figyelembe kell venni. A porozitást, a térfogat-állandóságot, a tágulási és a hővezető képességet is.
A tűzállóságot a hőálló anyag olvadáspontja jellemzi. Az olvadáspontra jellemző az anyag lágyulása, ezt a Seeger-kúpok segítségével határozzuk meg. A Seeger-kúpok 60–70 mm magas, 20 mm alapvonalú, háromoldalú gúlák. Különböző olvadáspontú szilikátanyagból készülnek.
E kúpok hőnek kitéve lassan lágyulnak. Akkor tekinthetők megolvadtaknak, ha oldalra dőlt hegyük az alapot eléri. A lágyulási pont a hőmérsékleten túl a terheléstől is függ. A falazat terhelése a lágyulási pontot csökkenti.
A tűzállóságot a gyakorlatban mérőszámmal határozzák meg „SK” (Seeger-kúp) jelöléssel. Az SK jelzés szerint a használatos tűzálló téglák olvadáspontja a következő:
Tűzálló téglák olvadáspontja
A tégla neme Jelzése Olvadáspontja, C-fok
samott-tégla SK 32 1710
samott-tégla SK 33 1730
samott-tégla SK 34 1750
samott-tégla SK 35 1770
szilikáttégla SK 30-33 1670–1730
magnezittégla SK 40-41 1920–1960
Kovácskemencék építésekor leggyakrabban a samott-téglát használjuk építőanyagul. A samott-tégla olvadáspontja 1770 C-fok körül van. A falazatba építés után ez a nyomás hatására lényegesen alacsonyabb. A samott-tégla lágyulása így már 1300 C-fokon bekövetkezhet.
Látható, hogy a kemencék túlfűtése nemcsak tüzelőanyag-pazarlást jelent, hanem a kemencék élettartamát is jelentősen megrövidíti.
Kisebb kovácskemencékben alkalmazzák a gáz-olaj kombinált égőt, amelyet felváltva vagy egyidejűleg, világítógázzal és olajjal üzemeltetnek. A tüzelést az üzemeltetés igényei határozzák meg.
Tüzelőanyagok
A kovácsdarabok felhevítéséhez különféle éghető anyagokat használnak. A korszerű kovácskemencék üzemeltetésénél a következő tüzelőanyagok jöhetnek számításba:
a) folyékony;
b) gáznemű.
Mind a két csoport lehet természetes, amely előfordulási állapotban felhasználható, vagy mesterséges, ha a tüzelőanyagot a természetes anyagok átalakításával állítják elő (ebben az esetben a szilárd tüzelőanyagokból előállított folyékony gáznemű tüzelőanyag is felhasználható).
a) Folyékony tüzelőanyagok
A folyékony tüzelőanyagok közül a nyersolajat, ill. gázolajat használjuk gyakran a kovácsüzemekben. A nyersolaj természetes folyékony tüzelőanyag. Származása szerint világosabb vagy sötétebb barna, fűzöld, esetleg kékeszöld folyadék. Fűtőértéke 38–42 MJ/kg.
A nyersolajat csak kivételesen használják fel közvetlen tüzelésre. A nyersolaj különböző szénhidrogénekből áll. Fő alkotó eleme a C, amelyből 80–85%-ot, hidrogénből pedig kb. 12%-ot tartalmaz. A nyersolaj lepárlása útján többféle tüzelőanyag keletkezik (benzin, petróleum, gázolaj stb.). A kovács- és hőkezelő üzemekben fűtőanyagként főleg a pakurát és a gázolajat használják. A magyarországi pakura nagy paraffintartalma miatt alacsonyabb hőmérsékleten nem hígfolyós, hogy tüzelésre felhasználhassuk, különleges, gőzzel fűtött melegítőberendezés szükséges. A porlasztáshoz is ha lehet, gőzt kell használni. A pakura sűrűsége miatt az égő fúvókáját gyakran eltömi, égésnél elkokszosítja.
Sokkal könnyebben kezelhető tüzelőanyag a gázolaj. Fűtőértéke 40–42 MJ/kg, hígfolyós, jól porlasztható. Kemencék fűtésére csak indokolt esetekben használják, fő felhasználási területe a dízelmotoroknál van.
b) Gáznemű tüzelőanyagok
A kovácsüzemi kemencék fűtésénél a legelterjedtebb fűtési eljárás a gáztüzelés. Kényelmes, a kemencék hőmérséklete jól szabályozható. Az éghető gázok közül a földgázt és a világítógázt használják. A generátorgázt tüzelésre nem használják.
A földgáz a föld alatti kőzetek lyukacsos rétegeiben gyűlik össze, rendszerint nagy nyomás alatt áll. Fő alkotóelemei a szénhidrogén-vegyületek. Fűtőértéke összetételétől függ, általában 30–42 MJ/köbcentiméter. Földgáz előfordulhat ásványolajjal együtt vagy anélkül.
Hazánkban száraz földgáz a Nagyalföldön, nedves földgáz a Zala megyei ásványolaj-lelőhelyeken található. A lispei olajkutaktól a földgázt csővezetéken Budapestre szállítják, és a városi világítógázhoz keverik. Ezzel a gáz fűtőértékét növelik. Természetesen az alföldi földgázt is felhasználják kemencék fűtésére.
A kemencék hőfokának mérése
A kovácskemencék egyik fontos tartozéka a hőfokmérő berendezés. Ezzel a gazdaságos tüzelés, az energiafelhasználás pontos mennyiségi és minőségi összefüggéseit és a hőfokot tudjuk ellenőrizni. Megbízható, pontos hőmérő berendezés nélkül szakszerűen kovácsolni, hőkezelni nem lehet.
Izzítási színek alapján a hőmérsékletet csak hozzávetőlegesen becsülhetjük meg. Ez a módszer nagyüzemi kemencék esetén nem alkalmazható.
Magasabb hőmérsékletek mérésére hőelektromos pirométert, izzószálas pirométert vagy sugárzásmérőt (ardométert) használunk.
1. Hőelektromos pirométer
A hőelektromos pirométer két fő részből áll: a hőelemből és a mérőműszerből. A hőelem két különböző fémhuzalból készül. A huzalok egyik végét összehegesztik. A hegesztési pontot melegpontnak nevezzük. Ha a melegpontot melegítik, akkor a két vég között (hidegpont) villamos feszültség keletkezik. A mérőműszer skáláján leolvashatjuk a kalibrált hőmérséklet-értékeket.
A hőelemek fémszála a következő anyagokból készül:
kb. 800 C-fok hőmérsékletig vas-konstantán vagy réz-konstantán;
1000 C-fok hőmérsékletig konstantán-krómnikkel;
1000–1200 C-fok hőmérsékletig nikkel-krómnikkel;
1600 C-fok hőmérsékletig platina iridium.
A hőelektromos pirométert úgy helyezzük a kemencébe, hogy a hőelemet a szúróláng közvetlenül ne érje, mert ebben az esetben nem a kemence és a munkadarabok hőmérsékletét, hanem a szúróláng hőfokát méri.
2. Izzószálas pirométer
Magasabb hőmérsékleteken sok esetben nem lehet, de nem is célszerű a hőelemet közvetlenül használni. Ilyenkor az izzó test hőmérsékletét az általa kibocsátott sugárzásból határozzuk meg. Az izzószálas pirométernél az izzó test színét egy lámpa izzószálának színével hasonlítjuk össze, ebből következtetünk a hőmérsékletére.
A pirométer tárgylencséjét a kemencére irányítjuk. Az izzószál fényerejét változtatható ellenállással szabályozzuk, az izzításhoz szükséges áramot műszerrel mérjük. Hogy milyen izzószál-hőmérséklethez milyen áramerősség szükséges, az ismert.
A műszer 700–1400 C-fokon használható. Hátránya, hogy kemencében történő mérésnél a kemence ajtaját ki kell nyitni, ezért az bizonyos mértékig lehűl.
3. Sugárzásmérő pirométer
A sugárzásmérő pirométer működési elve: az izzó testből kiinduló és tárgylencsével összegyűjtött hősugarakkal egy hőelemet melegítünk. A hőelem elektromos feszültséget hoz létre, melyet a hőfokban kalibrált műszer mér. A sugárzásmérővel 600–2000 C-fok hőfokhatárok között mérhetünk. A mérőműszert 1–3 m távolságra kell elhelyeznünk a mérendő tárgytól vagy a kemencétől.