Кузнечная печь

Изготовление горна для собственной кузницы

Ручная ковка становится всё более популярной – и для удовлетворения собственных потребностей, и для производства различной продукции на заказ. Нагрев металла, с целью повышения его пластических характеристик, необходимо выполнять в специальных нагревательных устройствах, простейшим из которых является кузнечный горн. Главная задача горна – обеспечить стабильное повышение температуры металла до температур ковки, т.е., не менее чем до 1200 °С. Как сделать самодельный кузнечный горн, и возможно ли это в принципе, рассмотрено далее.

Классификация видов кузнечных горнов

Она может быть произведена по следующим основным показателям:

1. По виду применяемого топлива. Различают газовые горны, а также устройства, работающие на твёрдом (угле) или жидком (мазуте) топливе.
2. По конструктивным особенностям строятся открытые и закрытые горны.
3. По размерам пода (эффективной поверхности) – малые, средние и крупные.

Твёрдотопливные горны, для которых необходимо применять коксующийся уголь – эффектное для видеосъёмки, но устаревшее техническое решение. При этом потребуется не только обеспечить непрерывную поставку высококачественного древесного угля, но и смириться с технологическими недостатками, среди которых:

• неравномерность нагревания;
• невозможность управлять процессом;
• повышенное содержание серы, что увеличит хрупкость в процессе ковки;
• увеличенный расход топлива, он может составлять до 120 — 150% от веса;
• низкий КПД устройства, сопровождающийся значительным угаром.

Тем не менее, такие конструкции в условиях единичного выпуска изделий могут находить применение в домашних условиях, особенно, если это мини-горны, работающие на дешёвом мазуте.

Конструкция кузнечного горна

Для создания более благоприятных условий работы кузнеца целесообразнее строить закрытые горны. Они, хотя и несколько сложнее в изготовлении, зато отличаются более высокой эффективностью, и обеспечивают равномерный нагрев заготовок, в частности, круглого или прямоугольного поперечного сечения. Открытые горны остаются для кузниц художественной ковки незначительной по своим размерам продукции.

Кузнечный горн закрытого типа состоит из следующих элементов:

1. стальной опорной рамы со стойками;
2. пода;
3. футеровки;
4. шиберной заслонки;
5. вентилятора;
6. дымоотводных труб.

Если при ковке необходимо нагреть металл не полностью, то в заслонке выполняются технологические отверстия. Они снабжаются закрывающимися глазками, необходимыми для того, чтобы снизить потери топлива, и ускорить процесс нагрева.

При обустройстве мастерской экономично оборудовать кузнечный горн простейшим рекуператором – узлом, повышающим температуру отводимых печных газов. Горны с рекуператорами имеют более высокий КПД, а выделяющееся тепло может быть использовано, например, для печи, производящей последующую обработку кованых изделий – их кузнечную сварку, воронение и пр.

Этапы изготовления самодельного горна

Как сделать кузнечный горн, и с чего начать? Для изготовления закрытого горна предварительно потребуется определить размеры его пода. Они определяется желаемой производительностью, и зависят от расхода топлива и интенсивности действия кузнечного горна. Для газового варианта оптимальной можно принять скорость подачи топлива 1 — 1,5 м/с: в этом случае процессы теплопередачи в закрытом пространстве будут протекать достаточно эффективно.

Напряжённость пода Н связана с производительностью горна N простым соотношением:

N = H× F,

где F – площадь пода.

Учитывая площадь, отводимую под кузницу, а также ожидаемую производительность ковки (например, в кг изделий), можно установить фактическую минимальную напряжённость пода (она не должна быть менее 100 — 150 кг/м²∙ч, иначе обустройство даже мини-варианта нагревательной установки оказывается невыгодным).

Для того, чтобы изготовить горн своими руками, потребуются следующие материалы:

1. толстолистовая жаропрочная сталь;
2. огнеупорный кирпич (шамот или динас);
3. стальной профильный металлопрокат (уголки, швеллеры) для монтажа рамы горна, изготовления заслонки и опорных стоек;
4. стальные дымоходы для отведения газов, образующихся в процессе нагревания продукции;
5. огнеупорная обмазка для заделки щелей;
6. листовая или широкополосная сталь для внешней футеровки.

Конструкция открытого горна значительно проще – там необходимо обустроить лишь систему колосников, и обеспечить подачу воздуха, интенсифицирующего процесс нагрева. Для отвода продуктов сгорания в этом случае достаточно обычного вентиляционного зонта из жаропрочной стали.

Кроме того, при строительстве есть смысл воспользоваться стандартными узлами. Здесь следует упомянуть вентилятор для горна, в качестве которого можно принять агрегаты, выпускаемые для двухконтурных котлов большой мощности. Также пригодны вентиляционные трубы и стальные дымоходы, предназначенные для дымоотвода газов при 300 — 400 °С. Обустроить горн своими руками можно, используя горелки от мощных двухконтурных котлов.

Изготовление опорной рамы

Поскольку кузнечный горн – агрегат стационарный, то следует чётко определиться с его местонахождением. В домашних условиях далеко не вся часть мастерской может быть использована под кузницу. Но, безусловно, горн должен примыкать к одной из её стен, желательно к той, которая не сообщается со смежными строениями, поскольку в этом случае гораздо сложнее обустроить дымоходы, и установить вентилятор для горна.

По условиям пожарной безопасности конструкция должно отстоять от капитальной стены мастерской не менее, чем на 1 м, при этом исключается любое применение материалов с пониженной огнестойкостью (в том числе и гипсокартон марки ГКЛО).

При изготовлении опорной рамы целесообразно пользоваться готовыми чертежами, которые можно купить, либо скачать в Интернете. Размеры горна/мини-горна при этом согласовываются с собственными возможностями. Хорошо, если к чертежам прилагаются также фото и/или видео работающего горна.

Опорные стойки и раму изготавливают сварными, для чего обычно применяют низколегированную сталь 09Г2С. Она обладает достаточной прочностью, легко и надёжно сваривается, стойка от высокотемпературной коррозии. Шаг пластинчатых ячеек опорной рамы определяется размерами огнеупора. В готовой раме предусматриваются отверстия под последующее крепление элементов внешней футеровки.

Изготовление пода и свода

При выборе огнеупоров для обустройства верхней части руководствуются соображениями долговечности, видом нагреваемых изделий, а также интенсивности использования кузнечного горна. Чаще других используются шамот и динас.

Шамот изготавливается согласно техническим условиям ГОСТ 390-79. Купить несертифицированную продукцию весьма опасно, поскольку по цвету иногда бывает трудно отличить шамотный кирпич, от обычного, который плавится уже при 1200 ^°С. Пригодный для кладки шамотный кирпич должен быть кремового цвета, и обладать низкой пористостью. В этом случае его вес составляет не менее 5 кг. В Интернете достаточно роликов демонстрационного видео, с помощью которого можно отличить качественную продукцию. Для строительства горна подходят марки ШПД, ША и ШБ.

Скачать ГОСТ 390-79 «Изделия огнеупорные шамотные и полукислые общего назначения»

Динас – огнеупор со значительно более высокими огнеупорными характеристиками: до 1800⁰С, однако он более дорог. Материал по цвету светлее шамота, поскольку имеет повышенный процент кремнезёма. Он лучше выдерживает интенсивные теплосмены, поэтому горны, выложенные из динасового кирпича, долговечнее.

При кладке стоит напомнить, что в кладочном растворе обязательно должна присутствовать огнеупорная глина и измельчённый шамот/динас, в пропорции 60/40. Каналы под вентилятор и дымоходы отделываются по периметру стальными полосами или уголками.

Изготовление заслонки и футеровки производится по той же технологии, что и описанная выше. Для футеровки стоит принимать полосы или листы, имеющие рёбра жёсткости: это снизит теплоотдачу в окружающее пространство, а также поможет увеличить производительность нагрева.

После окончания работ конструкцию тщательно просушивают, после чего испытывают вентилятор для горна, и только затем производят пробный пуск. Длительность нахождения изделий в готовом горне можно сопоставить со значениями, приведенными в следующей таблице:

Время нагрева прутка в горне в зависимости от его диаметра

Диаметр нагреваемого проката, мм	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Ориентировочное время нагрева, мин	0,6	1,1	1,7	3,0	5,0	7,0	9,0	11,0	16,0	19,0

 

 

stankiexpert.ru

Введение.

Нагревательные печи в кузнечных цехах используют для нагрева под пластическую деформацию и под термическую обработку. Нагревательные печи для нагрева заготовок, слитков или блюмсов из черных и цветных металлов под ковку, прессование, штамповку, высадку, гибка и печи для термической обработки деталей, улучшающей их свойства, работают при 150-1300 С. Требования, к нагревательным современным печам:

1)обеспечение необходимой температуры и заданного режима нагрева;

2)высокая тепловая экономичность с полным сжиганием топлива и максимальным к.п.д.;

3)простота конструкции и минимальные габаритные размеры, обеспечивающие нагрев большого ассортимента изделий при различных режимах и с высокой производительностью;

4)механизация и автоматизация загрузки и выгрузки изделий, а также их продвижение в печи, что увеличивает её производительность, облегчает обслуживание и позволяет устанавливать в общем производственном потоке цеха или в поточных автоматических линиях;

5)автоматическое регулирование теплового режима, обеспечивающее более точное соблюдение заданного режима по сравнению с ручным регулированием; В результате этого повышается качество нагреваемых изделий;

6)удобство обслуживания при эксплуатациях и ремонтах;

7)возможность применения защитной контролируемой атмосферы для получения без окислительного нагрева метала.

Всем этим требованиям в первую очередь удовлетворяют электрические и газовые печи, работающие на природном газе и получающие преимущественное применение в кузнечно-термических печах. При нагреве стали под пластическую деформацию температура печи должна быть не ниже 1250 С. В кузнечных печах эту температуру наиболее просто достигнуть при использовании высоко калорийного топлива с высокой теоретической температурой горения.

Для получения рабочей температуры 1200-1250 С теоретическая температура горения топлива должна быть для камерных и щелевых печей не ниже 1850 С, для методических толкательных – не ниже 1700С,Такие температуры можно получить и при сжигании низкокалорийного топлива, используя для горения подогретый воздух.

В печах с интенсивной циркуляцией газов изделия нагреваются равномерно. Более высокие требования по равномерности нагрева предъявляют к печам для нагрева изделий и заготовок из лёгких сплавов и к термическим печам. В этих случаях максимальная разность температур в различных точках изделия не должна превышать 10С. Перепад температур определяют термопарами, помещёнными в нескольких точках нагреваемого изделия. Чем совершеннее конструкция печи, тем меньше перепад.

1 Назначение и принцип работы печи

Назначение и область применения. Печи нагревательные камерные с выдвижным подом применяются для нагрева слитков или крупных заготовок под ковку с конечной температурой нагрева 1100 – 1300 С. Загрузка на под и съем заготовок с пода осуществляются с помощью средств цеховой механизации (обычно мостовыми кранами).

Производительность печей может изменяться в зависимости от марки стали, размеров заготовок или слитков, вида топлива и должна уточняться в каждом конкретном случае.

Состав установки печи. В комплект установки печи входят рельсовые пути как в печи, так и внешние, механизмы выкатки пода и подъема заслонок, а также приборы теплового контроля и автоматики.

Основные технические решения. Печи этого типа отапливаются природным газом или жидким нефтяным топливом (мазутом), сжигаемым с помощью типовых горелок или форсунок. Применение для печей с выдвижным подом газовых горелок среднего давления (инжекционных) не рекомендуется.

Для подогрева воздуха, идущего на горение, печи этого типа оборудуются рекуператорами (трубчатыми, игольчатыми или радиационными).

Продукты горения отводятся в боров и дымовую трубу или вверх под зонт и далее в систему цеховых дымопроводов.

Тепловой режим и режим давлений в печах поддерживаются автоматически.

Кладка печей выполняется из шамотного, шамотного легковесного, диатомового и глиняного (красного) кирпича и заключается в сварной металлический каркас с обшивкой из листовой стали. Печи устанавливаются на специальный фундамент, общий для печи и для рельсовых путей выдвижного пода (внутри печи и вне ее).

В фундаменте предусматриваются приямки для размещения механизмов выкатки пода и для механизмов подъема заслонки.

Подины печей состоят из рамы, сваренной из проката, литой гарнитуры и футеровки из шамотного нормального и легковесного кирпича. Рама подины перемещается на цепях катков.

Механизмы выкатки пода применяются с рейками цевочного типа. В качестве механизмов подъема заслонок используются типизированные электрические лебедки или гидравлические подъемники.

Расположение механизмов может быть как правым, так и левым.

В случае необходимости выкатки пода на трансбордер подина устанавливается на колесах и выкатки ее осуществляется с помощью механизма трансбордера.

Рисунок 1 Печь с выкатным подом

1- Путь роликовый;

2- Механизм выкатного пода;

3- Под выкатной;

4- Дверце;

5- Механизм подъема дверцы;

6- Каркас;

7- Футеровка;

8- Горелка;

9- Дымоход;

10- Рекуператор;

11- Дымоход.

2 Расчет горения топлива

2.1 Расчет количества воздуха

Печь отапливается природным газом месторождение “Елшанское” при n = 1,07

Состав газа

Таблица 1.1

Химические реакции горения

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂ О

С₂ Н₆ + 3,5О₂ = 2СО₂ + 3Н₂ О

С₂ Н₈ + 4О₂ = 2СО₂ + 4Н₂ О

С₄ Н₁₀ + 6,5О₂ = 4СО₂ + 5Н₂ О

N_2т N_2п.г.

Расчет ведем на 100м³ газа.

2.2 Расчет количества и состава продуктов горения

Таблица1.2 Расчет горения топлива

2.3 Расчет температуры горения

Температура горения топлива – важный показатель при расчете горения топлива. Различают температуры калориметрическую, теоретическую и практическую.

Калориметрической температурой t_к горения называют температуру, которую имели бы продукты горения при отсутствии потерь теплоты в окружающее пространство и на диссоциацию. В этом случае подразумевают, что вся теплота, выделяемая при сгорании, идет только на нагрев продуктов горения. Калориметрическая температура является расчетной величиной.

1. Определяют состав продуктов горения топлива, Q_н и объем продуктов горения единицы топлива V_п.г.пр . при заданном коэффициенте расхода воздуха n.

2. Определяют действительное удельное количество теплоты 1 м³ продуктов горения (кДж/м³ ):

i_п.г . = Q_н /V^, _п.г.пр.

i_п.г. – действительное удельное количество теплоты

Q_н – теплота сгорания газообразного топлива

V^, _п.г.пр. – объем продуктов горения практический

V^, _п.г.пр. = 1100,88 : 100 = 11,0088 м³

Q_н = 358*СН₄ + 638*С₂ Н₆ + 913*С₂ Н₈ + 1187*С₄ Н₁₀ = 358*93,7 + 638*0,7 + 913*0,6 + 1187*0,6 = 5051,2 кДж/м³

i_п.г.пр. = 5051,2/ 11,0088 = 458,833 кДж/м³

3. По значению полученного удельного количества теплоты продуктов горения i_п.г . приблизительно определяют соответствующую ему температуру продуктов горения t₁ .

4. По температуре t₁ рассчитывают удельное количество теплоты 1 м³ продуктов горения данного состава (кДж/м³ ):

при 1900С

i₁ = 0,01* t₁ ( СО₂ *Ссо₂ + Н₂ О*Сн₂ о + N₂ *С_{N 2} + О₂ *Со₂ ) i₁ = 0,01*1900(8,97*2,42 + 17,70*1,93 + 72,11*1,48 + 1,22*1,57) = 3125,69 кДж / м³

при 2000С

i₂ = 0,01* t₂ ( СО₂ *Ссо₂ + Н₂ О*Сн₂ о + N₂ *С_{N 2} + О₂ *Со₂ ) i₂ = 0,01*2000( 8,97*2,43 + 17,70*1,94 + 72,11*1,49 + 1,22*1,58) = 3310,2 кДж/м³

5. По значениям температур t₁ и t₂ и удельным количествам теплоты i_1п.г. и i_2п.г, соответствующим этим температурам, находят t_к .

mirznanii.com

Пламенные кузнечные печи – нагревательные устройства, в которых заготовки получают теплоту от непосредственного соприкосновения с омывающим их пламенем.

В зависимости от способа загрузки и выдачи заготовок кузнечные печи подразделяют на печи периодического и непрерывного действия.
Печь периодического действия загружают партиями через окно. Выгружают заготовки через это же окно, после того как вся партия заготовок нагреется до температуры начала ковки. В периодических печах заготовки во время нагрева лежат на поду неподвижно. Эти печи просты по устройству, но не обеспечивают высокого качества нагрева; заготовки одной и той же партии имеют различные параметры нагрева. Заготовки, вынимаемые последними, имеют более длительное время нагрева, что увеличивает окалинообразование и обезуглероживание их поверхности.
В кузнечную печь непрерывного действия заготовки загружают по одной штуке через загрузочное окно, во время нагрева они перемещаются по рабочему пространству печи и выгружаются через окно выгрузки. Качество нагрева заготовок в печах непрерывного действия более высокое, по сравнению с нагревом в печах периодического действия.

В зависимости от способа нагрева, пламенные нагревательные кузнечные печи бывают камерные, методические и полуметодические.
В камерных печах температура на всей площади пода относительно постоянна. По способу загрузки эти печи относятся к печам периодического действия. Камерные кузнечные печи конструктивно могут быть одно- и двухкамерные, с выдвижным подом и механизированные, переносные и стационарные. Камерные печи благодаря простоте конструкции и обслуживания наиболее распространены в условиях единичного и мелкосерийного кузнечного производства.
В методических печах температура рабочего пространства неодинакова. Она повышается по площади пода от окна загрузки к окну выгрузки, что обеспечивает более равномерный и качественный нагрев заготовок. По способу загрузки методические печи относятся к печам непрерывного действия. Эти печи имеют сложную конструкцию и используются только при серийном и массовом производстве поковок.
Полуметодические кузнечные печи отличаются от методических меньшей длиной рабочего пространства, что приводит к повышению скорости нагрева заготовок при передвижении их от окна загрузки к окну выгрузки.

В зависимости от способа механизации перемещения заготовок в процессе нагрева печи подразделяют на конвейерные, карусельные, толкательные, с шагающим подом. Конструктивно печи различаются в зависимости от вида сжигаемого топлива. Печи, работающие на твердом топливе, имеют топку, на жидком топливе — форсунки для распиливания мазута и смешивания его с воздухом, на газообразном топливе — газовые горелки. В качестве твердого топлива используют каменные угли, торф, дрова, кокс, пылевидный уголь. В качестве жидкого топлива широко используют мазут. Однако при его сгорании образуется копоть и загрязняется помещение.
Наиболее рациональными являются газовые печи, обеспечивающие хорошее качество нагрева, высокую производительность, легкость регулирования пламени и удовлетворительные условия труда по задымленности воздуха в кузнице. В зависимости от площади пода пламенные печи подразделяют на малые, средние и большие. Малые печи имеют площадь пода до 1 м², средние — 1 – 4 м² и большие — свыше 4 м². Малые печи служат для нагрева мелких заготовок, средние — для нагрева заготовок массой около 1000 кг и большие — для нагрева крупных заготовок и слитков.

Пламенные нагревательные печи состоят из топки, рабочей камеры, пода, свода, дымоходов и других устройств.

Топка

часть печи, в которой сжигается топливо.

Рабочая камера

часть печи, где осуществляется нагрев заготовок.

Под

нижнее основание рабочей камеры, на которое уклады­вают нагреваемые заготовки.

Свод

верхняя часть рабочей камеры и топки.

Дымоходы

каналы в кладке печи, через которые продукты сгорания удаляются из печи или направляются в устройства для отдачи теплоты.

kovka-eysk.ru

кузнечная печь

Альтернативные описания

• в какой печке используют мех

• медный сигнальный духовой музыкальный инструмент

• мыс в Южной Америке

• остров в архипелаге Огненная Земля

• пионерский будильник

• пионерский, сигнальный духовой инструмент

• принадлежность кузницы

• сигнальный рожок

• «пионерский» мыс

• часть домны

• нижняя часть шахтной плавильной печи

• простейшая металлургическая печь (очаг) на раннем этапе развития металлургии

• небольшая печь с открытой неглубокой шахтой, используемая для плавки металлов в тиглях и нагрева заготовок перед ковкой

• название этого музыкального инструмента в переводе с немецекого означает «рог»

• этот мыс мореплаватель Виллем Схаутен назвал в честь своего родного города в Нидерландах

• мыс, в который трубят

• медный духовой музыкальный инструмент

• труба пионера

• музыкальный мыс

• нижняя часть доменной печи

• печь для плавки металла

• печь в кузнице

• печная труба

• пионерская фанфара или печь

• мыс

• металлургическая печь

• музыкальный инструмент гипсового пионера

• труба

• муз. инструмент гипсового пионера

• пионерская труба

• печь кузнеца

• фанфара для пионерского лагеря

• музыкальный инструмент советского пионера

• будильник пионерлагеря

• труба пионера или печь кузнеца

• кузнечный очаг с мехами

• печь кузнеца и дудка пионера

• печка с мехом

• пионерский рожок

• мыс на Огненной Земле

• фанфара с красным галстуком

• печь с мехами

• дудка для побудки

• сигнальный рожок в детском лагере

• дудка с красным галстуком

• сигнальная труба

• нижняя часть домны

• часть доменной печи

• музыкальная труба пионера

• спутник пионерского барабана

• Кузнечный очаг

• Сигнальный рожок

• Самый южный мыс Огненной Земли

• Простейшая металлургическая печь

• Сигнальный духовой инструмент

• Духовой музыкальный инструмент

• Остров и мыс в Аргентине

• Нижняя часть шахтной плавильной печи

• Нижняя часть доменной печи, вагранки

• “Музыкальный” мыс

• “Пионерский” мыс

• м. и горно ср. (см. гортать, горнуть, загребать), род печи с широким челом (шатром), с мехом, поддувалом или тягой, для калильных и частию плавильных работ; собств. та часть рабочей печи, где огонь, для калки, плавки и пр. Горн кузнечный, в котором калят или разваривают железо для ковки; он бывает, смотря по работам: выварной, укладный, клинный, косоправный и пр. Горн кричный, большой, для выделки из чугунных криц железа. доменный, а в меньшем виде, вагранный, чугуноплавильный. извлекательный (добычный), где выплавляется серебро; разделительный (очистительный), где серебро очищается. Ур.-каз. горн, род чувала, комелька, на котором варят пищу, молоко на каймак; блмр. камбуз, печь на карбасах. Горновой, относящийся к горну. Горновой кожух, очелыш, свод над горном, с трубой. Горновое окно, проем в стене горна, для постановки фурмы. Горновой камень, огнестойкий, употреб. при выкалке горнов. Горнило ср. горн, место для калки, плавки, очистки огнем. Горнильный, к горнилу принадлежащий или относящийся. Горновище ср. остатки или развалины покинутого горна. Горновщик м. рабочий при горне, для поддержки огня и пр. Горнец м. церк. горшок; малорос. белорус. гарнок, гарнушка. Найдется купец и на дырявый горнец. свадебн. песне поминаются горнцы, на пирах, кружки, стаканы; не от этого ли и гордные гости, ошибочн. гордые? Горнатик м. каз. глиняный или модный сосуд. Горнушка ж. вост. зауголок с ямкой, налево от шестка русской печи, куда загребают жар; бабка, бабурка, печурка, загнетка, жароток, порск, зольник

• м. муз. немецк. особый род кларнета, в воен музыке, род трубы, рожок. Горнист м. музыкант, играющий на горне. Горнистов, ему принадлежащий

• название этого музыкального инструмента в переводе с немецекого означает “рог”

• часть кузниця

• пионерская фанфара

• напарник пионерского барабана

• муз. инструмент советск. пионера

• очаг кузнеца

• мыс Огнен. Земли или труба пионера

scanwordhelper.ru

Устройство горна

Классический производственный горн устроен следующим образом, см. рис справа:

1. стол горна из огнеупорного материала;
2. топливник (очаг) с колосниковой решеткой;
3. воздушная камера;
4. воздушный дренаж;
5. подающий воздуховод;
6. воздушный вентиль;
7. камера (шатер) горна;
8. окно для подачи длинномерных заготовок;
9. зонт горна;
10. дымоход (газоотвод);
11. съемное горнило;
12. закалочная ванна (бадья, лохань);
13. газовоздушная камера.

Принцип действия горна

Чтобы самому сделать горн и успешно им пользоваться, разберемся, как работает горн, что в нем к чему и что в нем можно удешевить и упростить в условиях домашнего использования без ухудшения качества обработки металла. В основе работы горна лежит химическая реакция горения углерода 2C + O2 = 2CO2 + 188,1 ккал. По ее энерговыходу (94,05 ккал/моль, т.е. 12 г С, полностью сгорев, дадут 94,05 ккал тепла) видно, что углерод – весьма сильный восстановитель, т.е. жадно соединяется с кислородом.

Это свойство углерода с незапамятных времен используется в металлургии для выплавки железа и других металлов: их руды часто представляют собой соответствующие окислы или их производные соединения. Углерод бесцеремонно обирает себе кислород, и обездоленному металлу не остается ничего иного, кроме как выделиться в свободном виде.

В кузнечном горне восстановительная способность углерода также используется отчасти, как препятствующая окислению заготовки. Попросту, чтобы металл не сгорел. Но не менее здесь важна высокая теплотворная способность углерода: поддувая в массу топлива достаточно воздуха, чтобы углероду его хватило, можно сжечь его довольно быстро, а большое количество выделившегося тепла и температуру разовьет высокую.

Дутье в горн регулируют таким образом, чтобы кислорода топливу чуть-чуть не хватало, это полностью предотвратит окисление металла. Однако, если заготовку в горне передержать, то пойдет науглероживание: металл, особенно сталь, станет, как говорят, пересушенным – чрезмерно, непропорционально возрастанию твердости, хрупким. Пример совершенно пересушенного железа – чугун. В металлургии, чтобы получить из него конструкционную сталь, расплавленный чугун подвергают переделу: в конверторе или иным способом вводят в него кислород, отнимающий лишний углерод.

На другом топливе

Так работает стародавний угольный горн. Первоначально его топили древесным углем, потом – коксом. То и другое – почти чистый углерод. В принципе горн можно топить и дровами, дав им предварительно прогореть до углей, т.е. до древесного угля; как – посмотрим далее.

Устройство горна много упрощается, если на топливо взять очищенный моногаз, пропан или бутан. Они состоят из углерода и водорода, который тоже отличный восстановитель и, соединяясь с кислородом, дает еще больше тепла. Причем газ можно смешивать с кислородом воздуха заранее, еще в горелке. Как устроены газовые горелки для горна, мы тоже далее разберемся, а пока констатируем факт: газовый горн из кирпича можно собрать на скорую руку, лишь бы горелка была, см. рис. (Как сделать самому газовый горн, также можно посмотреть на видео в конце раздела).

Однако это касается только чистых моногазов промышленного назначения. Бытовой природный газ, во-первых, состоит из смеси насыщенных и ненасыщенных углеводородов, имеющих для полного сгорания разную потребность в кислороде и разное тепловыделение. Т.е., настроить тут оптимальную подачу воздуха для нагрева металла под качественную закалку или цементирование принципиально невозможно.

Во-вторых, в составе природного газа в ничтожных количествах есть сера, кремний, фосфор. Хотя бы в виде искусственно вводимой в бытовой газ для немедленного обнаружения утечки «отдушки» – меркаптана. Если фосфор и кремний при точной дозировке еще могут быть полезны (первый – для поверхностного фосфатирования; второй – для улучшения магнитных свойств), то сера – злейший враг стали, начисто убивающий ее эксплуатационную ценность, причем необратимо, для восстановления нужна полная переплавка.

Поэтому бытовой газ как топливо для горна можно использовать, во-первых, только после очистки от серосодержащих соединений. Простейший, но отнюдь не бесплатный ее способ – пропустить газ из баллона, прежде чем подавать в горелку, через емкость с нафталином. Он до серы охоч не менее, чем углерод до кислорода. Во-вторых, нагревать в газовом горне только не ответственные и не нагружаемые в дальнейшем детали; скажем, декоративные элементы художественных металлоизделий.

Примечание: в древесине серы тоже хватает с избытком для отравления стали. Но ее и другие, т. наз. легирующие яды, можно выжечь заранее, см. далее.

Видео: газовый горн своими руками

Назначение частей горна

Теперь вернемся к списку в начале и посмотрим, что в горне для чего. А тогда уже возьмемся за изготовление горна по образцам, рассмотренным далее или самостоятельно, исходя из имеющихся в наличии материалов и возможностей.

В промышленности на футеровку стола идет преимущественно кварцевый огнеупорный кирпич, он при интенсивной рабочей нагрузке служит десятилетия. Самодельный горн обычно футеруют печным шамотным кирпичом, более дешевым и доступным. При нерегулярном пользовании его тоже хватит на годы.

Топливник с колосниковой решеткой, воздушной камерой с дренажом и подающим патрубком с вентилем образуют сердце горна – фурму. В промышленных образцах применяют сменные фурмы под разные способы нагрева и нагреваемые заготовки. Любителю или мастеру-индивидуалу чаще всего достаточно одной наглухо вмонтированной в стол с цельной перфорированной круглыми отверстиями колосниковой решеткой.

Воздушный дренаж необходим, чтобы точно и оперативно, не отрывая взгляда от заготовки, регулировать дутье. Недогретую деталь проковать не удастся и закалку она не примет; перегретая и пересушенная пойдет рваться под молотом, а в закалочной ванне ее поведет как минимум, а то и треснет. И уж во всяком случае окажется недопустимо хрупкой. Как по виду раскаленной заготовки определить ее готовность для ковки или закалки – разговор особый. Но опытные кузнецы знают, что перепустить лишний воздух в атмосферу нужно успеть за секунды.

Назначение камеры, или шатра, горна совместно с его зонтом и дымоходом – удалить дымовые газы из рабочей зоны. Их при подготовке угольной массы (см. ниже) выделяется предостаточно, и ни один для здоровья не полезен. Тяга в дымоходе нужна хорошая, т.к. переднее (рабочее) окно шатра и проемы для длинномера (трубы, металлопрофили) открыты постоянно.

Что касается закалочной ванны и газовоздушной камеры, то они могут быть, а могут и не быть, это уж по вашему усмотрению. Закалочная ванна обязательно нужна, если вы собираетесь ковать т. наз. дамаск, изделия из булатной стали. Им нужна термоударная закалка, т.е. из горна – мгновенно в ванну.

Примечание: о нравах прошлого. Когда-то лучшими считались булатные клинки, закаленные в живом теле пленного сильного врага или, в крайнем случае, мускулистого раба.

Газовоздушная камера в промышленности используется:

• Для дополнительной сушки и подогрева воздуха.
• Для очистки дутьевого воздуха от примесей и конденсата.
• Для введения в воздух газообразных легирующих присадок.

В домашних условиях супер-супер спецспавы не получают; проблема конденсата на производстве возникает при дутье от общей сети сжатого воздуха. В маломощном горне воздух достаточно нагревается, проходя через отверстия колосника фурмы, а очистить бытовой газ от серы можно, пропуская его сквозь слой нафталина, как сказано выше. В общем, делайте газовоздушник, не делайте, дело ваше.

Наконец, горнило. Это жаростойкий колпак, расширяющий зону предельно высокой температуры. Его ставят, если в горне плавят в тигле цветные или драгоценные металлы и сплавы (температура плавления золота 1060 градусов, серебра 960, меди 1080, латуни и бронзы 900), цементируют детали в муфеле и т.п. Искать дорогое готовое горнило нет смысла, в домашней кузне его вполне заменит десяток шамотных кирпичей, выкладываемых на сухую по детали. В такой комплектации самодельный горн заменит и дорогостоящую муфельную печь.

Как топят горн?

Чтобы взяться наконец-то за свой собственный горн, осталось выяснить, а как же его топить? Тогда и в конструкциях разобраться будет проще.

Лучшее топливо для горна – мелкий кокс. Кузнецы его называют коксиком, название переняли и торговцы. Если в продаже кокс, а есть и коксик в мелкой упаковке. Стоит коксик, смотря до региону, раза в 3 дороже каменного угля, но уходит его на 1 ковку при умелом обращении раз в 4-5 меньше.

Кокс – практически чистый аморфный углерод, карбон. Действительно чистый: коксовый газ – ценное химическое сырье, так что металлурги не халтурят. Воспламеняется при 450-600 градусах, поэтому растопка нужна двойная: дровами разжигают уголь, а уж на него накладывают слой в 150-170 м кокса и включают дутье на максимум. Когда уголь прогорит (это видно по пламени), массу кокса разгребают, оставив на колоснике слой в 1/3-1/4 от высоты всей кучи, вводят в очаг заготовку и загребают горящим топливом. Дутье сбавляют до нормы для данной операции и ждут, пока деталь дозреет.

Для работы с дамаском нужен древесный уголь, он загорается при меньшей температуре и сгорает быстрее, т.к. сохраняет микропористую структуру древесины. А также, как активированный уголь в противогазе, дополнительно поглощает легирующие яды. Дело в том, что булат проковывают из пучка проволок или прутков разной твердости. Собственно изделие получается их взаимной диффузией при ковке. Процесс очень тонкий, и регулировка дутья нужна ювелирная, а легкий пористый древесный уголь на манипуляции воздушным дренажом отзывается мгновенно.

Если топить каменным углем, ему нужно дать прогореть до карбона, т.е. летучие составляющие, тот самый коксовый газ, должны выгореть. Это опять-таки видно по цвету пламени. Но столь полного извлечения летучих, как в коксовой батарее, прямо в горне не добиться, так что на угле можно ковать декоративные или среднего качества обиходные изделия. Как правило, одной загрузки угля не хватает и его приходится дожигать. Догрузку на дожигание подкладывают к очагу сбоку на стол и по мере прогорания подгребают образующийся карбон на заготовку.

Дровами топят в общем так же, как углем, но только лиственными. Просто кучей дрова скорее прогорят до золы, чем полностью выпустят летучие и образуют уголь. Кроме того, допускать попадания непрогоревших щепок на деталь никак нельзя, уж больно много в древесине вредных для стали примесей. Поэтому дрова на карбон в горне выжигают в обечайке, см. рис. Догрузку выжигают подложив вплотную к ней и по мере прогорания угли переносят в обечайку шипцами.

Беремся за горн

Начинающему кузнецу для приобретения опыта и чутья лучше всего быстренько сделать мини-горн из 6 шамотных кирпичей, см. рис. Лезвие топора, чтобы побриться можно было, или охотничий нож в нем не раскалишь под закалку, но можно греть мелочь для художественной ковки, концы длинномера под ковку или гнутье или плавить в тигельке драгцвет.

Полки колосниковой решетки из обрезков стальных труб, а самые колосники – из стальной полосы 4-6 мм толщиной. Колосники нужно закрутить на угол винтом, чтобы захватывали дутьевой поток, как показано на рис. Топливо – кокс или уголь. Розжиг и дутье – паяльной лампой, газовой или бензовоздушной горелкой. Если используется паяльная лампа, между ней и горном нужно поставить асбестовую перегородку с окном под сопло: горн интенсивно излучает тепло и резервуар лампы может взорваться. Пользуются этим горном только на открытом воздухе, т.к. зонта с дымоходом нет.

Примечание: еще интересный вариант – небольшой горн на скорую руку минимальной стоимости, см. видео:

Переносной

Следующая конструкция – переносной горн из… гусятницы. Конструкция ясна из рис. Футеровка – шамотный мергель в смеси с шамотным песком (молотым боем шамотных кирпичей, есть в продаже). Обжиг футеровки после сушки – по ходу работы.

Наддув не обязательно вентилятором от ручной сирены, как на рис. Можно использовать любой подходящий, см. далее, присоединив его металлогофром. Это, кстати говоря, сделает работу с длинномером удобнее. В таком случае на глухом конце воздуховода необходим воздушный дренаж вроде того, как для передвижного горна, о котором еще будет сказано.

Возможности горна из гусятницы пошире, чем у 6-кирпичного, т.к. рабочее пространство больше и открыто сверху. Но появляются и существенные недостатки:

1. Неразборная конструкция: при прочистке фурмы (см. далее о стационарном горне) нагар падает вниз и засоряет перфорацию воздуховода, даже если ее отверстия ориентированы вбок или вниз. Для чистки приходится ломать футеровку.
2. Работает только на коксе или древесном угле, т.к. стола с пространством для выжигания нет.
3. Дорогая эксплуатация: расход карбона сравним с таковым угля в настоящих горнах.
4. Невысокая рабочая температура, до 900 градусов, т.к. не обожженная толком футеровка при большей трескается.

О кавалерии и швейных машинах

Когда-то каждый эскадрон кавалерии всех армий мира имел на хозяйстве переносной горн с ножным приводом от кривошипно-шатунного механизма для ковки подков и подковных гвоздей. Его так и называли кавалерийским, см. рис. Если говорить об энергонезависимых горнах, то это куда удобнее, чем вентилятор от сирены: обе руки свободны. Да еще смекалистые конники приучали лошадей давить на педаль копытом.

Ныне кавалерийский горн можно увидеть разве что в музее РККА. Но – проявим и мы смекалку – старые швейные машинки с ножным приводом еще эксплуатируются и продаются. А это – тот же кривошип с ведущим шкивом подходящего диаметра и прочная станина для стола. Плюс колесики, на которых горн катать можно.

Какой нужен вентилятор?

Ниже мы перейдем к конструкциям уже вполне функциональным, для которых требуется полноценное дутье. И электричество для вентилятора найдется везде. Но какой нужен вентилятор для горна? Когда-то горны поддували мехами; кому любопытно, как кузнечные мехи устроены, см. рис. справа.

 

Примечание: именно по остаткам кузнечных мехов глубокой древности археологи установили, что металлургия у первобытных народов имела мистически-сексуальный смысл – от Скандинавии до Южной Африки глиняный штуцер горна выполнялся в виде мужских гениталий, а гнездо под него в горне – женских.

Что касается производительности, то для стационарного горна на коксе вполне хватит 200-250 л/мин. Т.е., мощность мотора вентилятора достаточна от 80-100 Вт.

Существенно важнее то, что нам нужно протолкнуть воздух сквозь довольно плотную массу спекшегося топлива. Поэтому при выборе вентилятора прежде всего нужно обратить внимание на создаваемое им давление при нулевой производительности, т. наз. предельное давление. Смысл этого параметра прост: предельное давление вентилятор создаст, нагоняя воздух в замкнутую полость.

Для горна нужно предельное давление от 220-230 мм. рт. ст., что соответствует примерно 0,3 ати. Осевые вентиляторы (крыльчатки) такое создают только промышленные, типа ВН-2 или его аналогов. Бытовые вытяжные и промышленные охлаждающие по предельному давлению вообще не нормируются и, как правило, нужного не создают.

Кроме того, нагоняют они воздух до предельного давления медленно, за минуты, а при тонких ковочно-кузнечных работах дутье нужно менять за секунды. Ставить ресивер бесполезно: при открывании вентиля воздух в нем расширится по адиабате, что при 0,3 ати даст только пшик.

Итого вывод: для наддува горна нужен центробежный вентилятор-улитка. Спецификацию можно и не смотреть, нужное предельное давление даст любой центробежный вентилятор по самому принципу своего действия. Лучше всего брать улитки от систем радиационной защиты военной техники, у них и производительность высокая. Правда, питание – 12, 24 или 27 В постоянного тока, так что понадобятся трансформатор и выпрямитель соответствующей мощности.

Отлично подойдет любой старый бытовой пылесос, но тут нужно учесть, что его мощность почти всегда будет избыточна. Уменьшать ее ЛАТРом или тиристорным регулятором не следует: мотор будет работать в тяжелом режиме чрезмерного скольжения ротора и ресурс и так подызношенного старика окажется невелик. Лучше всего в фурме сделать широкий воздушный дренаж, как в далее описанном стационарном горне.

Передвижной

Здесь на рис. – чертежи заслуженно популярной конструкции: уже полнофункционального передвижного горна, предназначенного для использования на открытом воздухе. Именно такого рода устройство имелось в виду при размышлении о кавалерии и швейных машинах.

Обратите внимание на узел, обозначенный цифрой 1. Это дренаж тонкой регулировки дутья. Дренажная трубка выдвигается-задвигается, а внизу в ней насверлен продольный ряд мелких, 1-2 мм диаметром, отверстий. Перепуская воздух в дренаж, можно очень точно регулировать наддув.

Стационарный

Стационарные горны делают опытные мастера под свои антропометрические данные. Кусок раскаленного до оранжевого железа весом в несколько кило в клещах – предмет чрезвычайно травмоопасный, поэтому эргономика стационарного горна должна быть идеальной.

Примечание: в романе А. Н. Толстого «Петр Первый» красочно описан случай, как молодой еще царь-мастеровой получил порядочную выволочку от подневольного кузнеца за неловкость при наварке лапы якоря. Только огромная физическая сила Петра предотвратила тогда производственное ЧП.

Берем размеры

Приблизительные размеры стационарного горна показаны на рис.

Именно приблизительные, но высоту стола и его размеры нужно определить точно:

• Становимся ровно, ноги на ширине плеч. Правую свободно опущенную руку сгибаем в локте.
• Помощник измеряет расстояние от локтевого сгиба до пола. Добавляем к нему 5-7 см, это и будет высота стола.
• Теперь берем в ту же руку самые большие клещи, помощник измеряет расстояние от живота до концов их губок.
• Добавляем к нему 10-12 см, мы получили половину длины диагонали стола.
• Длину стороны квадратного стола берем равной 1,4 от длины полудиагонали (0,707 от полной диагонали).

Примечание: делать стол круглым не нужно, т.к. детали клещами брать придется разные. А прямоугольным – можно, если работать будете вдвоем с подручным.

Конструкция

Последовательность изготовления стационарного горна видна из рис. Воздушник фурмы с наддувом от пылесоса или улитки автопечки лучше опустить пониже, а заслонку воздушного дренажа при этом (пп. 4 и 5) сделать выдвижной вперед. Получится воздушный ресивер достаточно большой емкости, и заслонку можно будет выдвигать-вдвигать носком обуви.

Обратите также внимание на цельный колосник, поз. 2. Он в данном случае специальный для горнов. Секрет – в перекрещивающихся ложбинках, разделяющих плиту на квадратики. В них скапливается нагар. Если насверлить отверстия в гладкой плите, то их после каждой ковки придется прочищать стальным прутом.

Но почему нельзя сделать колосниковую решетку наборной из планок, как в печке? Потому, что масса топлива спекается не однородно. В щелях между планками поток воздуха будет прыгать туда, где ему свободнее выйти. В том месте температура окажется выше, и вся заготовка может оказаться пересушенной пятнами. На-глаз мастер-любитель этого не заметит, но под нагрузкой местная хрупкость скажется. А пропускание воздуха сквозь двумерную регулярную структуру (печной колосник одномерный) уменьшает неравномерность воздухораспределения на порядок. Если колосник трехмерный, как показано на рис. с устройством горна в начале, то неравномерность распределения воздуха практически не сказывается.

А как быть, если негде взять спецколосник? Тогда приемлемый выход – полностью самодельная фурма с концентрическим расположением отверстий диаметром 8-10 мм, см. рис. справа, такая система не так быстро засоряется и дутье по площади обеспечивает более-менее равномерное. По принципу действия похоже на рассеиватель душа.

Наддувать воздушный душ пылесосом нельзя, топливо выдует. Нужно взять улитку от автопечки или подобную ей. Регулировать дутье дренажом в таком случае тоже нежелательно, оптимальный для равномерности дутья наддув слабоват. Нужно встроить в воздуховод дроссельную заслонку, а нижнюю крышку фурмы сделать съемной только для чистки.

Газовые горелки

И под конец дадим чертежи нескольких горелок для газовых горнов. Для художественной ковки они вполне подойдут, а, что ни говори, из кузнечных работ она самая востребованная. Все эти горелки – инжекционные прямоточные. Куда более эффективные и универсальные вихревые слишком сложны для самостоятельного изготовления.

Первая, на рис., самая сложная. Чтобы ее сделать, нужно быть токарем-фрезеровщиком не ниже 5 реального разряда. Зато работает на любом газе (кроме ацетилена, см. ниже!), бензовоздушной смеси и дает очень мощный наддув: может продуть и большой стационарный горн, описанный выше.

Следующая (см. рис.) попроще и содержит меньше деталей, хотя и здесь нужно точно точить пологие конусы. Дует тоже отлично, но работает только на пропане. Под бутан сопло требуется совсем узкое, да бутан и применяется мало.

Обтачивать вчистую внешнюю поверхность инжектора Д1 и сверлить сопло нужно в один установ. Сопло сверлится твердосплавным сверлом и проходится вчистую разверткой. Это и есть главный недостаток конструкции: требуется мелкий точный инструмент, не везде и не всегда доступный.

Ниже на рис. две горелки попроще. Слева – точеная универсальная под бытовой газ или пропан. Продуть может максимум небольшой передвижной горн, но выточить детали под силу токарю-середняку. Нужно только владеть технологией посадки деталей в горячий натяг. Которая, впрочем, не сложна.

Справа – горелка-самоделка. Большинство деталей, включая ниппель – от велосипеда. Из токарки требуется только обточить в размер самую малую звездочку от велосипедной КПП. Эта горелка всеядна: пропан, бутан, бытовой газовый коктейль, бензовоздух. Но греть ею можно только малые кирпичные замкнутые горны, показанные в начале.

Примечание: ни в коем случае не запитывайте эти горелки ацетиленом! Металл в горне сожжете и до взрыва недолго!

В заключение

Что ж, как сделать горн, мы теперь знаем. А что в нем делать с металлом – отдельная большая тема. Кузнечное дело с горна только начинается.

clubpechnikov.ru