Конструкция горны и печи

Наши предки для нагрева кусков самородного металла использовали костры, а для поднятия жара дули в костер через трубки или применяли мехи. Часто костры для плавки или нагрева металла устраивали на склонах гор вдоль русла рек (рис. 44).

Там все время дул ветер и через специальные каналы воздух подводился к очагу — эти костры назывались «волчьими ямами».

По мере совершенствования мехов отпадает необходимость строить «нагревательные устройства» на горах и их начинают размещать недалеко от жилищ. От дождя и снега костер защищают навесом, для подачи воздуха устанавливают мехи, а для удобства работы очаг горна, или горновое гнездо, поднимают на некоторую высоту от земли. В таком виде горн просуществовал вплоть до начала XX в.

Основа стационарного горна (рис. 45) — постамент (лежанка, постель, стол), который служит для размещения очага и нагреваемых заготовок.

Обычно постамент горна устанавливается по центру задней от входа (основной) стены кузницы. Высота постамента определяется ростом кузнеца исходя из удобства переноса заготовки из горна на наковальню и обратно и принимается равной 700—800 мм, а площадь горизонтальной поверхности «стола» обычно равна 1x1,5 или 1,5x2 м. Постамент горна может выкладываться из кирпича, пиленого камня или железобетона, в виде ящика, стенки которого сложены из бревен, досок, кирпича или камня, а внутренность заполнена битым мелким камнем, песком, глиной и горелой землей. Верхняя горизонтальная часть стола выравнивается и, если есть возможность, выкладывается огнеупорным кирпичом.

Постамент также можно делать литым (рис. 46), сварным или сборным, а поверхность стола выкладывать огнеупорным кирпичом и окантовывать металлическим уголком.

Центральное место стола занимает очаг, или горновое гнездо, которое может размещаться как в центре, гак и у задней или боковой стенки горна.

Очаг — место, где развивается наиболее высокая температура, поэтому его стенки обычно выкладывают огнеупорным кирпичом и обмазывают огнеупорной глиной. Размеры гнезда определяются назначением горна и размерами нагреваемых заготовок. Центральное гнездо обычно в плане имеет круглую или квадратную форму размером 200x200 или 400х400 и глубиной 100— 150 мм.

Рассмотрим один из конструктивных вариантов и принцип действия фурмы нижнего дутья (рис. 47). Воздух (от вентилятора или мехов) подводится через патрубок 3 и попадает в корпус 1 фурмы и через чугунную колосниковую решетку 6 в зону горения. Регулирование количества подаваемого воздуха осуществляется рукояткой, которая перемещает заслонку и тем самым перекрывает канал подводящего патрубка 3. Для очистки корпуса фурмы от золы и других отходов горения открывается донная крышка 4, которая в исходном положении прижимается к днищу корпуса грузом 5.

Для создания пламени различного вида следует применять несколько колосниковых решеток с разнообразными формами отверстий для прохода воздуха. Равномерно расположенные круглые отверстия (рис. 47, б) способствуют образованию факельного пламени, щелевые отверстия (рис. 47, в, г) — узкого и удлиненного.

При горизонтальном расположении фурмы (слева или сзади) необходимо предохранять стенку горна от прогорания. Обычно для этого используют чугунную фурменную плиту, в которой имеются пазы для ввода конца фурмы (см. рис. 42). При выгорании участка плиты в районе фурмы ее переворачивают на 90° и фурма устанавливается в другой паз. Чтобы не выгорала сама фурма, следует охладить ее изнутри холодной проточной водой (рис. 48).

Внутренний диаметр фурмы в зависимости от размера горна составляет 25—30 мм.

Над стационарным горном для сбора и отвода из кузницы дыма и газов устанавливается зонт, который может иметь различное конструктивное исполнение. Размеры нижнего входного отверстия зонта обычно равны размерам стола горна. В качестве задней стенки зонта используется стена здания. Зонты обычно изготовляют из листового железа толщиной 0,5—1,5 мм.

Для лучшего улавливания дыма и газов зонты устанавливают над горном на высоте H = 400÷800 мм (см. рис. 46), а точная высота уже определяется на месте в зависимости от индивидуальных особенностей горна— силы дутья, высоты и размеров вытяжной трубы и других параметров. В некоторых случаях зонты оснащаются опускающимися крыльями. Недостаток металлических зонтов в том, что они довольно быстро прогорают, а их ремонт сложен и трудоемок.

Более надежны и долговечны зонты, сложенные из огнеупорного кирпича (рис. 48). Однако кирпичные зонты значительно тяжелее металлических и для их поддержки необходима жесткозаделанная металлическая рама из уголков или швеллеров, а иногда и дополнительные подпорки по углам.

В кузницах, в которых устанавливают горны с двумя очагами, для более качественной вытяжки необходимо делать для каждого очага свою вытяжку или общий зонт разделять перегородкой. Кроме этого, в этих горнах предусматривают индивидуальное регулирование подачи воздуха.

Более совершенная конструкция открытого горна показана на рис. 49.

Горновая чаша 6 с чугунной решеткой 5, а также фурма 7 с крышкой 8 крепятся на сварной металлической подставке 9. Воздух от вентилятора подается в очаг горна по трубе 10 и регулируется заслонкой 11. Уголь 4 закладывается на чугунную решетку, а газы удаляются через зонт 3 и две трубы 1 и 2. При прохождении дыма через наружную трубу внутренняя нагревается, что улучшает тягу. Зола и шлак, которые накапливаются на дне зольника, удаляются при открытии крышки 8.

Переносные горны —это цельнометаллические сварные или сборные конструкции, применяемые для нагрева заготовок небольшого размера при ремонтных работах на полевых станах, строительных площадках, в альплагерях, т. е. вдалеке от промышленных предприятий.

Переносной горн (рис. 50) состоит из металлической рамы 5, на которой сверху крепится стол с очагом 1 и вентилятором 6 для подачи воздуха.

Вентиля тор приводится во вращение от ножной педали 3, через кривошип, маховик 2 и ременную передачу 4. На рис. 51 и 52 показаны конструкции переносных горнов.

Несмотря на широкое применение открытых горнов при кузнечных работах их коэффициент полезного действия (отношение количества теплоты, требуемой для нагрева заготовки, к общему количеству теплоты, получаемой в результате сгорания топлива) очень низкий и составляет 2—5%.

Установлено, что для нагрева 1 кг металла до ковочной температуры требуется 1 кг каменного угля. Кроме того, в результате непосредственного соприкосновения металла с каменным углем происходит насыщение серой поверхности нагреваемого металла, что ухудшает механические свойства кованых изделий. Поэтому кузнецы начинают закладывать заготовки в горн, когда уголь хорошо разгорится и сера выгорит. Для повышения КПД открытого горна кузнецы, используя способность каменного угля спекаться под действием высокой температуры, устраивают над очагом куполообразную «шапку» из спекшегося угля, в которую и закладывают заготовки. В результате этого заготовки нагреваются быстрее и окисляются меньше.

Кроме «шапки» кузнецы обычно делают над очагом печурку из нескольких кирпичей (рис. 53) или из согнутой металлической заготовки квадратного сечения (40x40 мм) (рис. 54), которые устанавливают у очага, и все пространство заваливают влажным углем.

Заготовки небольшого диаметра вставляют в щель устройства.

Для нагрева крупных заготовок лучше применять шахтные горны (рис. 55).

Такой горн устанавливается в центре кузницы и имеет высоту 0,6 м с площадью стола 1 м2, Шахта имеет глубину 0,5 м с сечением у основания 300x300 мм, сверху 150x150 мм. Дутье подводится на расстоянии 400 мм от верха горна. Дном шахты служит чугунная заслонка, которая легко выдвигается для очистки горна. После очистки заслонку задвигают и засыпают тонким слоем золы для предохранения ее от нагревания.

Современный стационарный горн закрытого типа (рис. 56) имеет камеру 2, выложенную изнутри огнеупорным кирпичом 9, установленную на металлической подставке 7.

Уголь засыпается на колосниковую решетку 8 через топочный люк 4, в котором имеется окно 3 для «шуровки» топлива. Воздух от вентилятора по трубе 5 подается в металлическую коробку 6 и далее через отверстия в колосниковой решетке 8 попадает в горновой очаг. Продукты горения через дымоход 12 и зонт 1 отводятся в атмосферу. Неполностью сгоревший угарный газ СО дожигается вследствие подачи дополнительного воздуха через трубку 10. Окно 11 служит для загрузки и выгрузки заготовок.

Горны, работающие на жидком или газообразном топливе — это нагревательные устройства камерного или шахтного типа. (рис. 57), состоящие из камеры нагрева 1 и топочной камеры 3.

Обе камеры изнутри облицованы огнеупорным материалом. Воздух в камеру поступает по патрубку 6 через коническое сопло 7 и отверстия 9 и 8. Топливо подается сверху через воронку 5, стекает по соплу 7 и подхватывается струей воздуха, распыляется и сгорает. Разжигают смесь через специальное окно 4, в которое вводят горящий факел. По мере разогрева камеры увеличивают подачу воздуха и топлива и устанавливают необходимый режим горения.

Кроме горнов различных конструкций и типов в кузницах применяют электрические и газовые печи.

Печи по сравнению с горнами имеют ряд преимуществ:

заготовка при нагреве практически не соприкасается с топливом, в результате чего она не насыщается серой и другими вредными элементами; меньше окисляется. Сгорание топлива в печах более полное, в связи с чем повышается КПД печей до 10—15%.

При необходимости можно применять паяльную лампу и пылесос. На рис. 58, а, б показаны два варианта горнов с паяльной лампой.

Три кирпича 6 ставятся на торец, на них кладется колосниковая решетка 4, а на нее устанавливается печурка 1 из 4-х кирпичей, в которую засыпается уголь 3. Снизу размещается паяльная лампа 7 с патрубком 5. Горн разжигают и можно нагревать заготовку 2. Более простая конструкция показана на рис. 58, б. Паяльную лампу 7 ставят в небольшую ямку, а рядом складывают печурку из огнеупорного кирпича 1. Небольшие заготовки 2 закладывают в щель между кирпичами.

Конструкция легкого переносного горна с бытовым пылесосом показана на рис. 59.

Постамент горна 1 сварен из уголков, а стол горна выложен из огнеупорного кирпича. К верхним горизонтальным уголкам приваривается зольник 3, сверху которого плотно укладывается чугунная фурма 2. На высоте 150 мм от основания к зольнику приваривается патрубок с внутренним диаметром 30 мм, в который вставляется носок шланга 4 пылесоса 5. При этом необходимо иметь в виду, что шланг должен быть вставлен в верхнее гнездо пылесоса, а нижнюю чашку пылесоса с фильтром снимают и весь пылесос устанавливают на подставку.