Термообработка малых партий: экономическая и технологическая целесообразность печей с защитной средой

В предыдущей статье рассматривалась экономика термообработки с применением газоплотных контейнеров (ГПК). Было показано, что при больших объёмах обработки технология позволяет сократить расход защитных газов, снизить себестоимость процесса и одновременно уменьшить капитальные затраты за счёт универсальности используемого оборудования. Приведённые расчёты и примеры наглядно демонстрировали эффективность контейнерных решений именно в условиях высокой загрузки и стабильных объёмов производства.

От больших объемов к гибким решениям

Однако при снижении объёма термообработки структура себестоимости процесса принципиально меняется. Это может быть связано как с сезонными колебаниями загрузки, так и со спецификой мелкосерийного или опытного производства. В условиях стабильно малых партий заготовок оптимальной становится иная модель оборудования, в которой базовыми факторами являются не максимальная производительность, а гибкость, малая тепловая инерция и минимальные потери времени на вспомогательные операции.

Для ряда технологических процессов — межоперационных обработок коррозионно-стойких и жаропрочных сталей — требуется охлаждение со скоростью, превышающей критическую для предотвращения выделения карбидов по границам зёрен (сенсибилизации) и обеспечения требуемой коррозионной стойкости.

Наличие жаропрочного контейнера увеличивает тепловую массу системы и снижает интенсивность теплоотвода от изделий, что приводит к увеличению времени охлаждения и ограничивает достижимую скорость закалки.

В условиях малых загрузок и необходимости интенсивного охлаждения контейнерная схема может оказаться технологически избыточной.

В мелкосерийном производстве, на опытных участках, а также на предприятиях с переменным объёмом заказов более эффективным решением являются небольшие камерные печи с газоплотным корпусом.

Печи СНО(З) и принципы их работы

Камерные печи с газоплотным корпусом, оснащённые системой предварительной вакуумной откачки (тип СНО(З)), предназначены для термообработки деталей и материалов в режиме предварительной вакуумной откачки с последующей подачей защитного газа. Такая схема позволяет исключить доступ кислорода к нагреваемым изделиям и предотвратить окисление, обезуглероживание и протекание нежелательных химических реакций, характерных для нагрева на воздухе.

Конструктивно печи данного типа представляют собой газоплотную рабочую камеру с системой вакуумной откачки и подачи защитного газа. Камера нагрева выполнена в виде моноблочной конструкции с электрическими нагревателями, размещёнными в стенках теплоизоляционного блока. Небольшой рабочий объём обеспечивает низкую тепловую инерцию и высокую скорость выхода на режим, что особенно важно при работе с малыми партиями и частой смене режимов термообработки.

Расход защитного газа и его влияние на себестоимость

Одним из ключевых вопросов при выборе оборудования для термообработки является расход защитной атмосферы. Для камерных печей малого объёма абсолютный расход газа оказывается малым и не оказывает определяющего влияния на себестоимость процесса.

Для оценки расхода защитного газа использована типовая методика, применяемая в термической практике для печей с остаточным давлением порядка 10 мм рт. ст.:

• первичная продувка рабочей камеры — 3–5 объёмов печи* (для снижения остаточного содержания кислорода до технологически достижимого уровня);
• поддерживающая подача газа — 0,1–0,3 объёма печи в час для компенсации утечек и терморасширения.

*Цикл "вакуум-напуск" (полоскание) может повторяться для особо ответственных процессов

В расчётах приняты:

• 4 объёма — на первичную продувку;
• 0,2 объёма/ч — на поддержание атмосферы;
• длительность цикла — 3 часа (нагрев и выдержка).

Таблица 1. Серийные модели и расчётный расход газа

Как видно из приведённых данных, даже для печей с максимальным рабочим объёмом порядка 40 л суммарный расход защитного газа за цикл не превышает 0,2 м³. При использовании азота или диссоциированного аммиака затраты на атмосферу в структуре себестоимости термообработки малых партий становятся несущественными по сравнению с энергетическими и организационными затратами.

В таких условиях на первый план выходят:

• качество поверхности изделий;
• повторяемость температурных режимов;
• скорость технологического цикла;
• гибкость загрузки и переналадки и выгрузки.

В условиях малых объёмов абсолютный расход защитного газа не является определяющим фактором себестоимости, однако поддаётся инженерной оценке и прогнозированию.

Сравнение с контейнерными системами

По сравнению с газоплотными контейнерными системами малые камерные печи характеризуются существенно меньшим абсолютным расходом защитного газа, но более высоким удельным расходом на единицу массы продукции, что является естественным следствием малых садок. Однако при неизбежно малой массе садки именно абсолютные, а не удельные величины определяют экономическую целесообразность технологии.

Газоплотные контейнеры являются технологически оправданным решением при обработке больших садок с развитой поверхностью изделий, длительных высокотемпературных циклах и процессах с контролем углеродного потенциала. В этих условиях контейнер обеспечивает стабильность атмосферы и существенно снижает удельный расход защитного газа.

Наши рекомендации

Контейнерные системы сохраняют своё преимущество при больших объёмах и стабильной загрузке, тогда как печи малого объёма с защитной средой являются оптимальным инструментом для гибкой, точной и экономически оправданной термообработки малых партий изделий.

Нужна помощь в выборе оптимальной печи для ваших задач?

Инженеры "ТулаТерм" помогут рассчитать экономическую эффективность и подберут модель СНО(З), идеально подходящую под объем вашего производства и номенклатуру деталей.

Получить консультацию инженера →

Материал подготовил: Валенцев А.А