термическая обработка сжиганием

Когда слышишь ?термическая обработка сжиганием?, первое, что приходит в голову многим — это просто раскалить деталь до бела и дать остыть. Грубейшее упрощение, которое я постоянно встречаю даже среди некоторых технологов. На деле же, если говорить о процессах, где нагрев осуществляется именно за счёт контролируемого сжигания топлива — газа, мазута — то это целая философия, балансирующая на грани точности и ?чувства металла?. Не та электрическая печь, где выставил программу и ждёшь. Здесь всё иначе: пламя — живое, неравномерное, и именно в этом сложность и, если угодно, искусство.

Суть процесса: не просто жар, а атмосфера

Ключевое отличие от электрического нагрева — это атмосфера печи. При термической обработке сжиганием продукты горения напрямую контактируют с заготовкой. Это не всегда минус. В некоторых случаях, для определённых марок стали, это может создавать слегка науглероживающую среду, что для поверхности детали, идущей под последующую закалку, бывает даже полезно. Но контроль! Контроль состава атмосферы, точнее, контроль полноты сжигания — вот где собака зарыта. Неполное сгорание — и вместо нейтральной или восстановительной атмосферы получаем окислительную. Заготовка покроется окалиной, и это уже брак по глубине обезуглероженного слоя.

Вспоминается случай на одном из старых производств, где мы работали с крупногабаритными валами для прокатных станов. Печь газовая, колпаковая. Технолог старой закалки твердил: ?Главное — выдержать температуру, а пламя пусть горит синим конусом?. Оказалось, этого мало. При анализе после отпуска обнаружили неравномерность твёрдости по длине вала, метрового! Причина — в разных зонах печи состав атмосферы отличался из-за неправильной расстановки горелок и тяги. Пламя-то горело ?правильно?, а кислородный датчик, которого не было, показал бы колебания в несколько процентов. Вот и вся точность.

Именно поэтому на современном предприятии, таком как ООО Цзиюань Юйбэй Тяжёлое литейно-кузнечное производство, где спектр процессов включает и ковку, и отжиг, и улучшение, подход к термической обработке должен быть комплексным. На их сайте https://www.jyybdz.ru указано, что в парке есть нагревательные и отжигательные печи. Гарантирую, что для ответственных поковок, которые они производят с объёмом в 5000 тонн в год, критически важен вопрос, на чём эти печи работают — на электричестве или на сжигании. От этого зависит вся предшествующая технологическая цепочка.

Практические ловушки и ?тёмная? сторона сжигания

Одна из главных практических проблем — равномерность прогрева. В электрической печи с циркуляцией воздуха добиться её проще. В газовой печи сжигания зоны нагрева формируются факелами. Если загрузка плотная, как часто бывает с поковками для экономии энергии, то внутренние объёмы прогреваются хуже. Приходится идти на уловки: увеличивать время выдержки, что ведёт к росту зерна, или применять ступенчатый нагрев. Это не теория, а ежедневная рутина.

Ещё один нюанс — нагрев под закалку. Допустим, поковка из стали 40ХН после ковки на том самом гидравлическом прессе, который есть у Цзиюань Юйбэй, идёт на улучшение. Закалка — критическая стадия. Если её проводить в печи сжигания, то время нагрева до температуры аустенитизации нужно рассчитывать с поправкой на скорость теплообмена, которая ниже, чем в электрической печи из-за иного механизма передачи тепла (больше излучение от свода и стен, меньше конвекция). Ошибёшься на 10-15 минут — и вместо мелкоигольчатого мартенсита получишь что-то рыхлое, с остаточным ферритом. Механические свойства полетят вниз.

Был у меня негативный опыт с отжигом крупных стальных болванок. Печь газовая, рекуперативная. Казалось бы, режим щадящий — нагрев до 680°C, выдержка, медленное охлаждение. Но из-за плохой регулировки соотношения газ/воздух в одной из зон печи несколько изделий получили так называемый ?синеломкость? — поверхностное окисление, приведшее к микротрещинам при последующей механической обработке на горизонтальных токарных станках. Клиент, естественно, вернул партию. Пришлось разбирать горелки, чистить тракты, калибровать заново. Месяц простоя.

Когда сжигание оправдано? Экономика и металлургия

Так зачем тогда вообще связываться с термической обработкой сжиганием, если столько проблем? Ответ прост: энергоёмкость и стоимость. Для крупных, массивных поковок, тех самых, что в приоритете у кузнечно-прессового производства, нагрев в газовой печи может быть в разы дешевле электрического. Особенно для операций, не требующих сверхвысокой точности по атмосфере: предварительный отжиг для снятия напряжений после ковки, нормализация, высокий отпуск.

Для компании с направлением электрошлакового переплава (ЭШП), которое также указано в деятельности ООО Цзиюань Юйбэй, полученные слитки имеют высокую чистоту. Но внутренние напряжения после кристаллизации — колоссальные. Первичный отжиг таких слитков — идеальный кандидат для печи сжигания. Задача — не получить идеальную структуру, а именно снять напряжения, для чего нужен медленный, объёмный нагрев. Газовая печь справляется с этим эффективнее и дешевле. Это чисто экономическое решение, оправданное практикой.

Однако для финишной операции — улучшения (закалка+высокий отпуск) — я бы всё же рекомендовал электрические печи, особенно для ответственных деталей. В описании компании упомянуты электрические печи для улучшения — это правильный и современный подход. Комбинирование методов: черновой нагрев/отжиг — газом, финишная термообработка — электричеством. Так и поступают грамотные производства, оптимизируя затраты без потери качества.

Оборудование и его ?характер?

Любая печь сжигания имеет свой ?характер?. Две, казалось бы, идентичные печи от одного производителя, установленные в одном цеху, будут вести себя по-разному. Влияет всё: подвод газа, вытяжка, даже направление ветра за пределами цеха (для печей с естественной тягой). Оборудование, будь то нагревательная печь для ковки или отжигательная, требует не столько программиста, сколько опытного печевого.

Этот человек по цвету пламени, по звуку горелки, по оттенку нагретой заготовки (до появления окалины) может определить, всё ли в порядке. Такой навык — результат лет практики. На современном предприятии, конечно, это дублируется приборами: термопарами, газоанализаторами, кислородными зондами. Но в момент сбоя, когда автоматика ?зависла?, именно этот человеческий опыт спасает партию дорогостоящих поковок. В компании с 30 сотрудниками, как указано в описании, такой специалист на вес золота.

Гидравлический ковочный пресс и печь сжигания — это классический тандем кузнечного цеха. Пресс формирует, печь нагревает под последующую деформацию. Здесь требования к точности температуры чуть ниже, но требования к стабильности и скорости выхода на режим — высочайшие. Простой пресса из-за недогрева заготовки — это прямые убытки. Поэтому надёжность и ремонтопригодность горелочных устройств — ключевой фактор выбора такого оборудования.

Взгляд вперёд: есть ли будущее у метода?

Сейчас тренд на цифровизацию и ?зелёные? технологии. Термическая обработка сжиганием, особенно на ископаемом топливе, выглядит анахронизмом. Но не стоит спешить. Развитие идёт в сторону гибридных систем и повышения эффективности. Современные горелки с точным пропорциональным смешиванием и рекуперацией тепла уходящих газов радикально повышают КПД и стабильность атмосферы.

Для производства масштаба ООО Цзиюань Юйбэй, где нужно гибко обрабатывать 5000 тонн поковок в год под разные заказы, полный отказ от печей сжигания в пользу электрических может быть экономически нецелесообразен. Более разумный путь — модернизация существующего парка, установка систем автоматического контроля атмосферы на ключевые газовые печи, сохранение их для операций, где их применение оптимально.

В конечном счёте, термическая обработка сжиганием — это не устаревший метод, а инструмент. Как и любой инструмент, его нужно применять с умом, понимая все его ограничения и сильные стороны. Главное — не мифологизировать его как ?дедовский и верный? и не демонизировать как ?грязный и неточный?. Это технология, требующая глубокого понимания физики процесса и большого практического опыта. И пока в цехах гремят прессы и требуется нагрев сотен килограммов металла, у этого метода останется своя, вполне конкретная и важная ниша.