Углеродистые инструментальные стали: виды, применение, ГОСТ

Основные марки и категории инструментальных сталей

В его состав стали могут входить различные легирующие добавки — марганец, свинец, хром, никель, фосфор и другие. Главной функцией легирующих добавок является улучшение свойства материала — повышение прочности, снижение коррозийного потенциала, улучшение электропроводности. Особое положение занимают так называемые инструментальные стали, из которых делают различные детали и инструменты (топоры, иголки, зубила, кувалды, молотки и так далее). Но какими физико-химическими особенностями обладают инструментальные стали? Как их производят? И какие существует основные марки таких сталей?

Основные особенности

Инструментальная сталь — это такая сталь, в состав которой входит не менее 0,7% углерода. В ее состав могут входить и некоторые другие легирующие компоненты (свинец, хром, алюминий, никель, фосфор). Однако их содержание в большинстве случаев невелико — менее 0,1%. Так как инструментальные стали содержат повышенное количество углерода, их очень часто называют углеродистыми. Подобное терминологическое словоупотребление не совсем корректно с точки зрения ГОСТ, однако обыкновенные люди часто используют такое название на бытовом уровне.

По составу различают качественные и высококачественные инструментальные стали. Их особенности:

• Качественные сплавы. Главный критерий — низкое содержание серы (до 0,03%) и фосфора (до 0,035%). Низкая концентрация легирующих веществ делает сплав твердым и прочным. Детали из этого сплава не ломаются, не деформируются, сохраняют форму при ударе и нагреве. Качественные сплавы не имеют специальной маркировки в виде буквы А в конце буквенно-числового обозначения стали.
• Высококачественные сплавы. Главный критерий — сверхнизкое содержание серы (до 0,02%) и фосфора (до 0,03%). По физико-химическим свойствами высококачественные сплавы повторяют просто качественные. Но за счет более низкого содержания легирующих добавок высококачественные сплавы обладают более высокой прочностью, не ржавеют, не гнутся при нагреве и так далее. Высококачественные сплавы имеют специальную маркировку в виде буквы А в конце буквенно-числового обозначения марки стали.

Сплав инструментальных сталей высокопрочный. Поэтому из него часто делают различные инструменты. Это молотки, отвертки, пилы, оборудование для механических или электронных устройств. За счет прочности сплава инструменты сохраняют свою форму даже при длительной эксплуатации. Чистые инструментальные сплавы обладают пониженными антикоррозийными свойствами, поэтому в состав многих сплавов добавляют легирующие добавки, снижающие коррозийную активность материала. В качестве легирующих добавок применяют хром, вольфрам, алюминий и другие вещества.

Виды углеродистой стали

• Инструментальные углеродистые стали стандартного типа. Отличаются средним или высоким содержанием углерода (более 0,7%) и низким содержанием легирующих добавок (суммарно менее 1%). Обладают неплохими физическими свойствами — высокая прочность, устойчивость при ударе или деформации, химическая инертность, низкий коррозийный потенциал. Применяются для изготовления ручных, механических и электронных инструментов.
• Легированные. По составу похожи на предыдущую марку, однако содержат повышенное количество легирующих добавок. Содержание легирующих веществ от 1 до 20%. В качестве дополнительных компонентов чаще всего выступают хром или вольфрам. Эти добавки улучшают антикоррозийные свойства материала, что хорошо сказывается на сроке годности деталей. Также в металл могут вноситься и другие добавки — алюминий, марганец, кремний, медь, азот, кобальт, бор, никель. Их назначение — увеличение пластичности, повышение прочности, снижение электрического потенциала, снижение магнитных свойств.
• Быстрорежущие. Представляет собой особую разновидность легированного сплава, который прошел специальную финальную обработку. Основные легирующие добавки — углерод (0,7-1,5%), хром (3-4%), вольфрам (0-18%), молибден (0,5-6%), кобальт (0-9%). Материал обладает высокой прочностью и прекрасно сохраняет форму при физической деформации, ударе или высокотемпературном нагреве. Поэтому из него делают различное режущие оборудование — дисковые пилы, ножи, лезвия, хирургические инструменты. Материал проходит многократную закалку, отпуск, что усложняет его производство, увеличивает себестоимость.
• Валковые. Материал содержит ряд легирующих добавок (алюминий, кремний, ванадий), улучшающих прочность и пластичность металла. Валковую сталь обычно выплавляют в виде длинных пластин или листов, которые потом нарезаются на нужные детали. Сфера применения — изготовление опорных, прокатных, листовых валков. Также из валковых материалов делают небольшие плоские инструменты для резки металла — обрезные матрицы, пуансоны, ножи, рамные пилы. На финальном этапе обработки материал может проходить отпуск или закалку в цехах для улучшения физических свойств металла.
• Штамповые. Материал содержит среднее количество углерода (от 0,7 до 1,5%) и небольшое количество легирующих добавок (алюминий, хром, никель, марганец). Главное отличие материала заключается в том, что на финальном этапе выплавки материал проходит штамповку. Это обуславливает ряд физических свойств материала — повышенная устойчивость, минимальный риск образования трещин, высокая теплопроводность, устойчивость к образованию окалины. На этапе выплавки материал отличается высокой вязкостью, однако после застывания он становится прочным и однородным. Высокая вязкость при нагреве позволяет упростить процедуру штамповки, а также улучшает теплопроводность металла после остывания.

Марки и категории

Различают множество категорий инструментальных сталей — У7, У7А, У8, У8ГА, У9 и другие. Самые используемые материалы марок У7А, У8, У8А и У9, поскольку они отличаются высокой прочностью, устойчивостью к нагреву, не деформируются при ударе. Марки У10 и выше также отличаются хорошей прочностью, однако они становятся пластичными при длительном контакте с высокими температурами, что снижает их универсальность. Основные марки инструментальных сталей:

Категория	Марки	Физические особенности
Углеродистая, стандартная	У7, У7А	Марки отличаются хорошей прочностью, низкой электропроводностью, низким риском коррозии. Подходят для производства деревообрабатывающих инструментов — топоры, стамески, долота. Также могут применяться для изготовления зубил, иголок, плоскогубцев, кусачек, молотков, ручных пил, крючков.
Углеродистая, повышенной прочности	У8, У9 + подвиды	Марки обладают повышенной прочностью, но хуже переносят локальный или общий нагрев. Поэтому их используют для производства деревообрабатывающего оборудования — топоры, стамески, станковое оборудование, пилы, ролики. Также могут применяться для производства мелких деталей, которые не будут подвергаться нагреву — запчасти для часов, иголки, крючки, заклепки, гвозди, болты, шурупы.
Углеродистая, стандартной или повышенной прочности, с легирующими добавками или без них	У10, У11 + подвиды	Марки хорошо выдерживают деформацию и локальный нагрев до невысоких температур, отличаются пониженным риском коррозии. Легирующие добавки могут улучшать физические свойства марок (устойчивость к нагреву, пониженный риск коррозии, повышенная пластичность). Основные запчасти — сверла, ленточные пилы, фрезы, ролики, шаберы, напильники. Некоторые марки применяются для изготовления медицинского оборудования, деталей для электронных инструментов.
Углеродистая, повышенной или стандартной прочности, без легирующих добавок	У12, У12А	Марки относятся к категории грубых сталей, отличающихся пониженным классом точности. Сфера применения — производство прочных запчастей или деталей, которые не будут нагреваться до средних, высоких температур. Примеры запчастей — резцы, молотки, топоры, ручные пилы, напильники.
Углеродистая, стандартной или повышенной прочности, без легирующих добавок	У13, У13А	Марки относят к группе грубых сталей, которые становятся пластичными при нагреве. Обладают пониженным классом точности, поэтому эти марки используют для производства ручных обрабатывающих инструментов. Примеры — напильники, лезвия, надфили, инструменты для гравировки, хирургическое оборудование.

Особенности закалки, отжига

Многие категории инструментальных сталей подвергаются закалке, отжигу для улучшения физических свойств материала. Для закалки инструмент нагревается в соляных ваннах — это позволяет распределить тепло равномерно по всей поверхности металла. Быстрорежущие металлы нагреваются ступенчато с помощью трех ванн:

• В первой ванне температура находится в пределах от 400 до 550 градусов. Металл сперва помещаются в эту ванну на срок не более 1 часа.
• После равномерного обогрева запчасти деталь переносят в другую соляную ванну, где температура будет на 200-300 градусов выше.
• После нагрева деталь вновь переносят в третью ванну, где температура составляет 1250-1300 градусов. В этой ванне проходит финальная закалка металла.

Ступенчатая закалка позволяет равномерно распределить мартенсит, аустенит по всему материалу, что благоприятно сказывается на его физических свойствах. Чтобы расплавить часть аустенита, нужно выполнить финальный отпуск в ванне, температура которой составляет не более 550 градусов. Отпуск рекомендуется повторять хотя бы 3 раза, чтобы снизить количество аустенита ниже критического уровня. Для дополнительной закалки можно также применять технологию обработки холодом. Для этого закаленный металл следует поместить в емкость с жидким материалом, температура которого составляет от -100 до -50 градусов. Низкотемпературная закалка выполняется в один этап, повторная закалка не требуется, что связано с особенностью расплава аустенита при низких температурах.

Несколько слов о маркировке

Все инструментальные стали имеют специальное буквенно-числовое обозначение. По ГОСТ этот код должен наноситься на все упаковки со стальными деталями, а в ряде случаев обозначение должно наноситься и на саму деталь. В случае транспортировки детали на территорию другого государства маркировка наносится в обязательном порядке. Также должны быть учтены государственные стандарты принимающей сторон. Скажем, государство может потребовать, чтобы помимо отечественной маркировки на нее наносился дополнительный код, соответствующий национальному законодательству.

Код ГОСТ имеет следующую структуру: X1 X2 Y Z. Расшифровка будет такой:

• X1 — этот показатель отражает высокое содержание углерода в сплаве. Переменная X1 может принимать только одно значение — символ У. Так как инструментальные сплавы содержат повышенное количество углерода, то этот символ указывается всегда. Поэтому по факту у всех инструментальных сплавов код начинает с символа У.
• X2 — этот показатель отражает концентрацию углерода в десятых долях процента. Минимальное значение, которое может принимать инструментальная сталь, равно 7 (что ясно из определения этой стальной марки). Формально значение X2 не ограничено, однако по факту содержание углерода в инструментальных сплавах редко составляет более 1,2%. Поэтому обычно переменная X2 находится в пределах от 7 до 12.
• Y — этот показатель указывает на наличие легирующих добавок. Основная легирующая добавка — это марганец, из-за которой переменная может принимать значение Г. В качестве легирующих веществ могут также использоваться хром (символ X), вольфрам (символ В) и другие. Обратите внимание, что при отсутствии легирующих добавок переменная Y будет отсутствовать.
• Z — этот показатель указывает на категорию сплава (качественная или высококачественная). Если сплав является высококачественным, то ставится буква А. Если сплав является просто качественным, то какие-либо символы не ставятся.

Давайте теперь разберем несколько примеров, чтобы понимать, как расшифровывается та или иная марка стали:

• Скажем, у нас имеется деталь марки У8ГА. Символы У и 8 означают, что в состав материала входит повышенное содержание углерода, а точная концентрация углерода составляет 0,8%. Буква Г указывается на то, что в сплаве содержится марганец. Буква отражает тот факт, что сталь является высококачественной.
• Теперь рассмотрим другой пример. У нас имеется сплав с маркировкой У12. Символы У и 12 указывают на то, что в составе сплава содержит углерод в концентрации 1,2%. Переменная Y отсутствует — это значит, что материал не содержит легирующие добавки в значительных количествах. Также у сплава нет буквы А в конце кода — это значит, что материал относится к категории качественных (но не высококачественных).

Заключение

Углеродистые инструментальные стали — стальной сплав, который содержит не менее 0,7% углерода. Материал обладает хорошими физическими свойствами — высокая прочность, хорошая пластичность, низкий риск коррозии, сохранение формы при ударе. Сплав обладает простой выплавкой, что хорошо сказывается на себестоимости материала. Чтобы улучшить свойства металла, в него добавляют различные легирующие добавки — хром, вольфрам, кобальт, алюминий и другие.

Сера и фосфор ухудшают физические свойства материала, поэтому их содержание должно составлять менее 0,03% для серы и менее 0,035% для фосфор. Если металл содержит до 0,02% серы и до 0,03% фосфора, то его называют высококачественным. Из инструментальных углеродистых сплавов делают различные инструменты — молотки, пилы, ролики, отвертки, кусачки и так далее. В зависимости от состава и способов обработки различают несколько категорий стали. Основные типы — стандартная сталь, легированная, быстрорежущая, валковая, штамповая. Популярные марки — У7А, У8, У8А, У9. По ГОСТ инструментальные сплавы должны иметь специальную маркировку в виде буквенно-числового кода.

Используемая литература и источники:

• Технология конструкционных материалов. Под ред. А. М. Дальского. — М.: «Машиностроение», 1958.
• Марочник сталей и сплавов / В. Г. Сорокин, А. В. Волосникова, С. А. Вяткин, и др. Под общ. ред. В. Г. Сорокина. — М.: Машиностроение, 1989.
• ГОСТ 1435-99 Прутки, полосы и мотки из инструментальной нелегированной стали. Общие технические условия

Марки инструментальной стали.

Инструментальная сталь — легированная или углеродистая сталь, предназначенная для изготовления режущих и измерительных инструментов, штампов холодного и горячего деформирования, деталей машин, испытывающих повышенный износ при умеренных динамических нагрузках.

По форме, размерам и предельным отклонениям металлопродукция соответствует требованиям:

• прокат стальной горячекатаный круглый — ГОСТ 2590-88;
• прокат стальной горячекатаный квадратный — ГОСТ 2591-88;
• прокат стальной горячекатаный шестигранный — ГОСТ 2879-88;
• прутки кованые квадратные и круглые — ГОСТ 1113-88;
• полосы — ГОСТ 103-76, ГОСТ 4405;
• прутки, мотки калиброванные — ГОСТ 7417, ГОСТ 8559, ГОСТ 8560 квалитетов h11 и h12;
• прутки со специальной отделкой поверхности — ГОСТ 14955 квалитетов h11 и h12.

Инструментальная легированная сталь ГОСТ 5950-2000

Легированная сталь — сталь, в которую в процессе легирования в определенных количествах вводят специальные элементы, обеспечивающие требуемые свойства. Такие элементы называют легирующими. Они могут повышать прочность и коррозионную стойкость стали и снижать опасность ее хрупкого разрушения.

Легирование стали может проводиться на различных этапах производства металла и заключается во введении легирующих элементов в расплав или шихту. В процессе легирования стали вводимые элементы могут образовывать с основой стали особые химические соединения. Такие интерметаллидные, карбидные и нитридные элементы обладают высокой твердостью и прочностью, химической стойкостью, жаропрочностью и т.п. Равномерное распределение по всему объему твердого раствора и достаточное количество этих элементов в стали придают металлу необходимые свойства при легировании стали.

Для легирования стали используются следующие химические элементы: марганец (Mn) — Г; кремний (Si) — С; хром (Cr) — Х; никель (Ni) — Н; медь (Cu) — Д; азот (N) — А; ванадий (V) — Ф; ниобий (Nb) — Б; вольфрам (W) — В; селен (Se) — Е; кобальт (Co) — К; бериллий (Be) — Л; молибден (Mo) — М; бор (B) — Р; титан (Ti) — Т; алюминий (Al) — Ю.

Чистые металлические элементы при легировании стали обычно не используются. Чаще для легирования стали применяют ферросплавы (сплавы железа) и лигатуры (вспомогательные сплавы). Это экономически выгоднее и позволяет избежать ряда технологических трудностей в процессе легирования стали.

ГОСТ 5950-2000 регулирует нормы изготовления прутков, полос и мотков горячекатаных, кованых, калиброванных и со специальной отделкой поверхности из инструментальной легированной стали, а также нормы химического состава для стали 3Х2МНФ, 4ХМНФС, 9ХФМ, слитков, заготовок, лент, труб, поковки и другой металлопродукции.

Классификация легированных сталей

По количеству легирующих элементов:

• высоколегированная — общая масса легирующих элементов более 10%;
• среднелегированная — общая масса легирующих элементов более 2,5-10%;
• низколегированная — общая масса легирующих элементов до 2,5%.

• I — для изготовления инструмента, используемого для обработки металлов и других материалов в холодном состоянии;
• II — для изготовления инструмента, используемого для обработки металлов давлением при температурах выше 300°С.

По способу дальнейшей обработки:

• а — горячекатаная и кованая металлопродукция для горячей обработки давлением и холодного волочения без контроля структурных характеристик;
• б — горячекатаная и кованая металлопродукция для холодной механической обработки с полным объемом испытаний.

По качеству изготовления:

• обычная;
• высококачественная — А.

По качеству и отделке поверхности:

• горячекатаная и кованая: 2ГП — для подгруппы «а», 3ГП — для подгруппы «б» повышенного качества, 4ГП — для подгруппы «б» обычного качества;
• калиброванная — Б и В;
• со специальной отделкой поверхности — В, Г, Д.

• завод «Электросталь» — ЭИ;
• златоустовский металлургический завод — ЗИ.

Марки инструментальной легированной стали

Марки инструментальной легированной стали I группы: 13Х, 8ХФ, 9ХФ, 11ХФ (ИХ), 9ХФМ, Х, 9Х1, 12Х1 (120Х, ЭП430), 6ХС, 9Г2Ф, 9ХВГ, 6ХВГ, 9ХС, В2Ф, ХГС, 4ХС, ХВСГФ, ХВГ, 6ХВ2С, 5ХВ2СФ, 6ХЗМФС (ЭП788), 7ХГ2ВМФ, 9Х5ВФ, 8Х6НФТ (85Х6НФТ), 6Х4М2ФС (ДИ55), Х6ВФ, 8Х4В2МФС2 (ЭП761), 11Х4В2МФ3° C2 (ДИ37), 6Х6В3МФС (ЭП569, 55Х6В3СМФ), Х12, Х12МФ, Х12Ф1, Х12ВМФ.

Марки инструментальной легированной стали II группы: 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХНВС, 7Х3, 8Х3, 4ХМФС (40ХСМФ), 4ХМНФС, 3Х2МНФ, 5Х2МНФ (ДИ32), 4Х3ВМФ (3И2), 3Х3М3Ф, 4Х5 МФС, 4Х4ВМФС (ДИ22), 4Х5МФ1С (ЭП572), 4Х5В2ФС (ЭИ958), 4Х2В5МФ (ЭИ959), Х3В3МФС (ДИ23), 05Х12Н6Д2МФСГТ (ДИ80).

Обозначение марки стали: первые цифры — массовая доля углерода в десятых долях процента, затем буквы — вещество, используемое в качестве легирующего элемента, цифры, стоящие после букв, — средняя массовая доля соответствующего легирующего элемента в целых единицах процентов. Начальную цифру опускают, если содержание углерода не менее 1%. Буква «А», в середине марки стали — содержание азота, в конце — сталь высококачественная. Например, сталь 5ХНМ — 0,5 С, 1 Cr, 1 N1, до 0,3 Mo.

Нестандартные легированные стали, выпускаемые, например, заводом «Электросталь» обозначаются соответствующим сочетанием букв (в данном случае «ЭИ»), после которого идет порядковый номер стали. Например, ЭИ959, ЭП761, ДИ80 и др.

Применение инструментальной легированной стали

Марка стали	Область применения
Х12МФ	Детали для работы под давлением порядка 1400-1600Мпа. Профилировочные ролики сложной формы, эталонные шестерни, накатные плашки, секции кузнечных штампов, сложные дыропрошивные матрицы и пуансоны вырубных и просечных штампов, пуансоны и матрицы холодного выдавливания для больших давлений. Не применяется для сварных конструкций.
4-9ХС, ХВГ	Ответственные детали с повышенной износостойкостью, усталостной прочностью при изгибе, контактном нагружении, а также упругими свойствами. Сверла, развертки, метчики, плашки, гребенки, фрезы, машинные штампели, клейма для холодных работ. Не применяется для сварных конструкций.
4Х5МФС	Мелкие молотовые штампы, крупные молотовые и прессовые вставки при горячем деформировании конструкционных сталей и цветных сплавов в условиях крупносерийного и массового производства, пресс-формы литья под давлением алюминиевых, цинковых и магниевых сплавов.
3Х3М3Ф	Инструменты для горячего деформирования на кривошипных прессах и горизонтально-ковочных машинах, подвергающихся в процессе работы интенсивному охлаждению (как правило, для мелкого инструмента), пресс-формы литья под давлением медных сплавов, ножи для горячей резки.
Р6М5, Р6М5К5, Р6М5Ф3, Р6М5К8, Р18, Р7М2Ф6, Р12МФ5, Р9М4К8, Р10М4К14, Р12М3К5Ф2, Р12М3К8Ф2, Р12М3К10Ф2, Р12М3К10Ф2	Дисковые фрезы, сверла развертки, зенкеры, метчики, протяжки; фрезы червячные, концевые, дисковые; шеверы.

Инструментальная углеродистая сталь ГОСТ 1435-99

Углеродистая сталь — сталь, не имеющая в своем составе легирующих элементов, но содержащая углерод в различной концентрации: до 0,25% — низкоуглеродистая сталь, 0,24-0,6% среднеуглеродистая сталь, более 0,6 — высокоуглеродистая сталь.

ГОСТ 1435-94 регулирует нормы изготовления прутков и полос кованых, горячекатаных, калиброванных и со специальной отделкой поверхности из инструментальной углеродистой (нелегированной) стали, а также нормы химического состава для слитков, заготовок, листов, лент, проволоки и другой металлопродукции.

Классификация углеродистых сталей

• быстрорежущая — Р;
• шарикоподшипниковая — Ш;
• электротехническая — Э.

По химическому составу:

• качественная;
• высококачественная — А.

По назначению в зависимости от массовой доли хрома, никеля и меди:

• 1 — для продукции всех видов, кроме патентированной проволоки и ленты;
• 2 — для патентированной проволоки и ленты;
• 3 — для продукции всех видов, изготавливающейся с многократными нагревами, усиливающими возможность проявления графитизации стали, а также для продукции, от которой требуется повышенная прокаливаемость (кроме проката для сердечников, патентированной проволоки и ленты).

По способу дальнейшей обработки:

• а — прокат горячекатаный и кованый для горячей обработки давлением (осадки, высадки), холодного волочения;
• б — для холодной механической обработки (обточки, фрезерования и т.п.).

По качеству и отделке поверхности:

• для горячекатаной и кованой стали: 2ГП — для подгруппы «а», 3ГП — для подгруппы «б»;
• для калиброванной стали — Б и В.
• для проката со специальной обработкой поверхности — В, Г, Д.

По состоянию материала:

• сталь без термической обработки;
• термически обработанная сталь — ТО;
• нагартованный прокат — НГ (для прутков калиброванных и со специальной отделкой поверхности).

Марки инструментальной углеродистой стали

Марки инструментальной углеродистой стали: У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У11А, У12, У13, У13А, У7А, У8А, У8ГА, У9А, У10А, У12А.

Обозначение марки стали: У — углеродистая, следующая за ней цифра — средняя массовая дол углерода в десятых долях процента, Г — повышенная массовая доля марганца.

Применение инструментальной углеродистой стали

Марка стали	Область применения
У7(А)	Инструменты для обработки дерева (топоры, стамески и т.п.); небольшие пневматические инструменты (зубила, обжимки и т.п.); кузнечные штампы; игольная проволока; слесарно-монтажные инструменты: молотки, кувалды, отвертки, плоскогубцы, кусачки и др.
У8(А), У8(Г, ГА), У9(А))	Инструменты, используемые в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки и обрабатывающих дерево: фрезы, топоры, стамески, пилы и т.п. Накатные ролики, плиты и стержни для форм литья под давлением оловянно-свинцовистых сплавов. Для слесарно-монтажных инструментов (обжимки для заклепок, кернеры, отвертки, плоскогубцы, кусачки). Для профилей простой формы и пониженных классов точности; холоднокатаная лента толщиной 0,02-2,5мм.
У10А, У12А)	Сердечники.
У10, У10А)	Игольная проволока.
У10(А), У11(А))	Инструменты, используемые в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки и обрабатывающих дерево: пилы ручные и машинные поперечные и столярные, сверла спиральные. Для штампов холодной штамповки (вытяжные, высадочные, обрезные, вырубные) небольших размеров; для калибров простой формы и пониженных классов точности; для накатных роликов, напильников, шаберов слесарных и т.п. Напильники, шаберы, х/к лента толщиной 0,02-2,5мм.
У12(А))	Метчики ручные, напильники, шаберы слесарные; штампы для холодной штамповки (обрезные, вырубные) небольших размеров и без переходов по сечению; холодновысадочные пуансоны и штемпели мелких размеров, простой формы и пониженных классов точности.
У13(А))	Инструменты с пониженной износостойкостью (без разогрева режущей кромки): напильники, бритвенные лезвия и ножи, скальпели, шаберы, гравировальные инструменты.

Инструментальная быстрорежущая сталь ГОСТ 19265-73

Прутки и полосы из инструментальной быстрорежущей стали изготавливаются согласно требованиям ГОСТ 19265-73.

Инструментальная быстрорежущая сталь используется для изготовления, чаще всего, режущих инструментов. Быстрорежущая инструментальная сталь сочетает в себе высокую теплоустойчивость (600-6500С в зависимости от состава и обработки) с высокой твердостью, износостойкостью (при повышенных температурах) и повышенным сопротивлением пластической деформации.

Свариваемость быстрорежущей стали: при стыковой электросварке со сталью 45 и 40Х свариваемость инструментальной стали хорошая.

Инструментальная быстрорежущая сталь может изготовляться методом легирования стали или без него. В последнем случае она будет являться одним из видов углеродистой стали. В зависимости от того к какому виду она относится, быстрорежущая инструментальная сталь обладает свойствами и классификацией легированной стали или углеродистой стали.

Марки инструментальной быстрорежущей стали

Марки инструментальной быстрорежущей стали: Р18, Р6М5, Р9К5, Р9К9, Р6М5К5, Р6М4К9, Р6М5Ф3, Р9М4К8 и т.д.

Обозначение марки стали: Р — быстрорежущая сталь, цифра — содержание вольфрама в десятых долях процента, М, К — легированная молибденом или кобальтом соответственно.

Инструментальные

Инструментальные стали и их характеристика

Человек, научившись соединять железо и углерод, получил новый материал, открывший новые возможности и получив до этого неизвестные свойства, присущие твердому материалу. Инструментальный вид стали в этом претерпел в виде существенных изменений, дав человеку возможность применять ее новые характеристики. Так, узлы и детали механизмов, подверженные большим механическим нагрузкам, должны быть повышенно износостойкими, прочными. Это подразумевает использование сталей отличных от конструкционных-инструментальных.

Применение инструментальных сталей

Стали такого вида характеризуются наличием в составе углерода. Его критическое содержание обычно около 0,7%. По структуре они могут быть в следующих видах: доэвтеклоидной, ледеберитной, заэвтектоидной.

В составе есть и вторичные карбиды, оказывающие влияние на внутреннюю структуру. Это не относится к сплавам с доэвтеклоидной структурой. Тем не мене, в других видах она есть в обязательном порядке. Они являются продуктом расщепления мартенсита или возникают при эвтектоидных изменениях.

Обширно используются инструментальные стали в народном хозяйстве. Их применяют при выпуске:

• поверхностей штампов для изменения форм деталей при контрастных температурах;
• приспособлений для резки;
• инструментов для измерения;
• оборудования для литейного производства, работающего под давлением.

Для инструментальных сталей в зависимости от области их использования установлены определенные требования. Каждые из них учитываются при производстве, но есть и такие, которые являются общими. В их перечень входят следующие виды показателей:

• высокий процент вязкости. Это особенно существенно для продукции, которая впоследствии при эксплуатации будет подвергаться значительным механическим воздействиям;
• показатель прочности;
• длительный срок эксплуатации;
• высокий коэффициент твердости.

Каждая из существующих марок стали, используемая при деформации на пониженных температурах, должна иметь следующие отличительные характеристики: гладкой, без шероховатостей основной частью, относящейся к рабочей поверхности, возможностью сохранения стабильной формы, отсутствием деформации. Важными являются и текучесть, упругость, достижение их определенного предела.

Тот сорт стали, который используется в процессе изменения форм при помощи технологии повышения температуры (тепловой деформации), должен иметь следующие свойства: повышенный уровень теплопроводимости, невосприимчивость к отпуску, стойкость к предельным изменениям температур. Требования существуют и для тех марок сталей, которые изготавливают специально для производства приспособлений для резки.

Технические требования

Углеродистые инструментальные стали должны соответствовать следующим условиям:

• Легко поддаваться обработке металлорежущим оборудованием.
• Не реагировать на повышенные температуры.
• Сохранять стабильность в случае присоединения и приклеивания к другим деталям в процессе их обработки.
• Хорошо поддаваться обработке при шлифовании.
• Положительно поддаваться прокалке.
• Сохранять пластичность при нагревании.
• Сохранять углерод в составе и минимизировать его выделение.
• Не образовывать трещин в конечном продукте.

Виды инструментальных сталей

Производители инструментальных сталей, предлагают пять видов такого материала для производственной сферы, связанной с изготовлением инструмента.

Термостойкие и вязкие инструментальные стали

К ним относятся заэвтектоидные и доэвтектоидные стали. В их составе показатель углерода должен быть в пределах между минимальными и средними значениями. Обязательно наличие в таких легированных сталях молибдена, атомов вольфрама и хрома.

Особо твердые, вязкие, не теплостойкие стали

Отличительная черта сортов сталей, инструментального типа – небольшой объем содержания легированных веществ и значительно большее количество углерода. Отсюда устойчивость к прокаливанию.

Особо твердые, теплоустойчивые, износоустойчивые инструментальные стали

К этому виду можно отнести быстро режущиеся стали. В них содержится максимальное количество легирующих элементов, кроме того, есть сплавы с ледебуритным составом (содержание углерода три процента).

Износоустойчивые, особо твердые, со средней степенью теплоустойчивости сплавы

Это стали с заэвтеклоидной и ледебуритной композицией. Составляющие 2 – 3 % углерода. Пределы для хрома от 5 – 12 %.

Особо твердые, не теплостойкие виды инструментальных сталей

В составе таких видов сталей с заэвтеклоидной композицией нет легированных веществ или их сравнительно мало. На степень прочности в таком составе оказывает влияние содержание именно углерода. Чем его атомов больше в кристаллической решетке, тем лучше для свойства твердости и крепости. Такой вид материала не пользуется спросом при изготовлении инструмента подверженного при эксплуатации ударам и другим значительным физическим нагрузкам. Этим сплавам присущи минимальная вязкость, большая хрупкость, что уменьшает длительность эксплуатации инструмента.

Согласно характеристике твердости, все виды инструментальных сталей можно разделить на следующие виды:

• содержащие углерод в количестве 0,4 – 0,7 % (повышенное состояние вязкости);
• с наличием углерода 0,7 – 1,5 % (повышенное состояние износоустойчивости и твердости).

Различают сорта стали по видам уровня прокаливания. Поэтому принципу легированные стали делят на три вида:

• увеличенная прокаливаемость (применяемый диаметр для прокаливания от 8 см до 10 см);
• нормальная (диаметр 5 – 8 см);
• уменьшенная (значение находится в пределах 1 см и до 2,5 см).

Маркировка инструментальных сталей

Понятие маркировки необходимо для установления сорта инструментальной стали. В ее названии значение имеет каждая буква, цифра.

Система простая. Ключевым символом в знаках является буква «У». Это знак углеродистого содержания.

Его может быть незначительные, десятые части процента. Цифры, которые пишутся после буквенного обозначения говорят от его количестве. Может быть и буква «А». Наличие ее говорит об обозначении высокого уровня качества. Написание буквы «Р» обязательно для быстрорежущих сплавов. Вольфрам является лидирующим веществом. О его содержании и количестве говорят цифры после буквы «Р». Количество других составляющих веществ в быстрорежущих сталях (молибдена, ванадия, кобальта) обозначается значениями, стоящими за их первоначальными буквами в маркировке. Кроме этого, в составе есть и хром. Его количество значительно ниже, но обязательно (не более 4 %).

На наличие в составе углерода указывает цифра, которая почти всегда находится в маркировке перед буквами Х, ХС. Так пишут, если углерода мало, не больше процента, если значение меньше, может не быть обозначения и вовсе. В маркировке после букв, называющих легирующий элемент стоят цифры, указывающие на наличие других элементов, обозначенными целыми долями.

Закаливание, отпуск сплавов для инструментальных сталей

Процентное содержание веществ в инструментальных сталях, основные параметры прописаны в ГОСТе 1435. Соответственно марке инструментальной стали процентное содержание углерода находится в рамках 0,65 – 1,35%

Для изготовления инструмента нужно улучшить свойства инструментальной стали (повысить показатель прочности ). Это достигается процессом отжига. Отжиг сферодизирующего вида используют только для сплавов с заэвтектоидной конституцией. Такой вид термического процесса способствует возникновению цементита зернистой структуры.

Нужный объем зерен достигается технологией охлаждения. Достигается это быстро и процесс поддается корректировке.

Выполняя процесс при 290 градусах, можно достичь лучшую степень твердости (56 – 58 HRC). Также показатели твердости нужны для инструментальной стали в производстве инструментов. Изготовленный из такого материала, он может поддаваться значительным нагрузкам и выдерживать их, эксплуатируясь, длительное время. При изготовлении таких видов инструмента как плашки, инструменты для гравирования, напильники показатели завышены около 63 по требованиям шкалы HRC.

В процессе отпуска, температурные пределы выдерживается в рамках 150 до 200 градусов по Цельсию. Процессом закалки повышается прочность углеродистых сталей. Кроме этого, возникает возможность достичь наилучшего соединения железа с углеродом. Виды такого соединения могут быть следующими:

• карбиды с мартенситом;
• мартенсит.

Инструментальная штамповочная сталь

Обработка металлической продукции, изготавливаемой методом физического изменения формы (деформации) происходит в нагретом или холодном виде. Поэтому штампы для таких производственных процессов классифицируют на холодно и горяче деформированные. Понятно, что при изготовлении штампов различных типов используются инструментальные сплавы различных марок.

Углеродистые стали У 10, У 11, У 12 используют для тонких штампов (ширина до 25 мм) холоднодеформированного вида. Твердость сталей этих типов лежит в рамках от 57 до 59 единиц по HRC, критерий вязкости на высоком уровне, сопротивляемость физическим нагрузкам пластического характера достаточно высокая. Степень прочности позволяет выдерживать возможные силовые воздействия, препятствуя повреждениям при эксплуатации.

Для более объемных приспособлений (объем более 25 мм), подверженных максимальным нагрузкам при применении, используют сплавы с высоким составом хрома (Х9, Х, XGBФ).

Сплавы, применяемые для изготовления конструктивных частей, самих инструментов, узлов, которые в процессе работы подвержены значительным механическим воздействиям, обязаны быть особо вязкими (4ХС4 и 5ХНМ).

Для выполнения таких задач необходимо обеспечить:

• низкое содержание количества углерода в сплаве;
• добавление специальных веществ.

Обязательным условием является обработка высокими температурами всех видов инструментальных сталей.

Поверхности штампов, работающих в условиях высоких температур и с большими механическими усилиями, поддаются серьезным испытаниям. Это предъявляет ряд серьезных требований при выборе сплавов для производства этих штампов:

• стойкость к образованию мелких механических повреждений при перепаде температур (холод и нагрев);
• повышенная степень прогревания и проводимости тепла;
• сопротивление появлению окалины.

Различные требования, соблюдение предписываемых требований обеспечивает получение только качественного материала и его дальнейшее длительное использование.

Углевыжигательные печи: сущность, виды и создание своими руками

Виды и области использования

Перед тем, как выбирать оборудование для производства древесного угля, необходимо определиться с типом материала, который будет использоваться в процессе. Известны три разновидности древесного угля:

• белый, получаемый из ясеня, дуба, акации, березы (твердых пород древесины);
• черный, получаемый из ивы, тополя, осины, липы (древесина, относящаяся к мягким породам);
• красный, изготавливаемый на основе исключительно хвойной древесины.

Последний тип производится особым методом. Происходит мягкое углежжение материала. В ходе процесса сырье помещается в специальную печь, где прогорает при температуре 3550С без доступа воздуха. Сырье сгорает, но не полностью, образуя угли.

В большинстве случаев для производственной деятельности используют черный тип.

Сферы применения довольно широки. Сырье является универсальным материалом, применяемым во многих производствах:

• в виде удобрения в сельском хозяйстве;
• в качестве материала для дымового пороха;
• как сырье для изготовления активированного угля, используемого в медицине;
• как восстановитель в промышленности;
• как очищающий материал для воды, выбросов газа и сточных вод с химических предприятий;
• в виде подкормки для скота в животноводстве;
• для выплавки редких металлов;
• для производства противогазов как средство, улавливающее ядовитые газы;
• при изготовлении электродов;
• при производстве красок;
• для полирования полиграфических деталей;
• при изготовлении пластмасс;
• при изготовлении сопротивлений и контактов, устанавливаемых в электротехнику;
• при производстве стекла;
• в качестве строительного изоляционного материала.

Достоинства и недостатки котлов пиролизного типа

В газогенераторных котлах топливо используется наиболее эффективно, поскольку сгорает практически полностью. Это не только позволяет получить больше тепла, но и уменьшает вредные выбросы в атмосферу.

Иногда такие котлы используют для утилизации отходов производства с минимальным загрязнением атмосферы. Кроме того, сокращается количество золы, благодаря чему меньше частота очистки (при использовании дров – примерно раз в неделю).

При прямом сжигании твердого топлива довольно сложно регулировать нагрев теплоносителя. В пиролизных котлах длительного горения это возможно, благодаря управлению подачей воздуха.

Размер используемых дров может быть довольно крупным, можно использовать не колотые дрова. Современные модели оснащены электронным оборудованием, делающим управление процессом отопления более простым и удобным.

К недостаткам можно отнести высокую стоимость оборудования и высокие требования к качеству сырья. Экономия на топливе со временем окупит затраты на оборудование. В качестве топлива рекомендуется использовать дрова, высушенные в течение 12 месяцев, с влажностью 12-20 %.

В противном случае котел не будет работать с заявленной мощностью, а также будет гаснуть при снижении подачи воздуха. При низкой температуре теплоносителя в обратной трубе, понизится температура в первичной камере, из-за чего может погаснуть топливо.

Чтобы этого избежать, иногда монтируют специальную обходную трубу. При этом конструкция системы отопления усложняется, а стоимость монтажа увеличивается.

Использование принудительной тяги

Для обеспечения правильной работы пиролизного котла длительного горения требуется подача первичного и вторичного воздуха. Принудительная тяга обеспечивается вентилятором или дымососом, который функционирует от электропитания.

• быстро повысить температуру в камере сгорания и системе отопления в целом;
• ускорить начало процесса пиролиза;
• продлить работу котла на одной загрузке топлива;
• автоматически поддерживать температуру теплоносителя.

Единственным минусом является необходимость постоянного наличия электропитания. При его отсутствии работа отопительной системы приостанавливается. Выходом из ситуации может стать использование котла с естественной тягой, которому не требуется подключение к электросети.

Для его полноценной работы необходим грамотно спроектированный и смонтированный дымоход. Очистка таких котлов должна производиться чаще. Благодаря отсутствию электроники, вероятность поломок сводится к минимуму. Однако, эффективность работы таких котлов ниже, что компенсируется более низкой стоимостью.

Использование пиролизных котлов, работающих на твердом топливе, является одним из самых эффективных способов организации автономного отопления. Современное электронное оборудование, контролирующее процесс работы, позволяет автоматизировать процесс отопления.

Отсутствие газовых или недостаточная мощность электрических сетей заставляет домовладельцев решать проблему зимнего отопления с помощью твердотопливного оборудования. Среди этих агрегатов выделяются обособленной группой пиролизные котлы длительного горения (второе распространенное, не совсем точное, правда, название — газогенераторные). Причина тому — их высокий КПД — до 85% и большой диапазон мощности устройства – от 30 до 100 %.

Применяемое оборудование

Производство древесного угля требует применения оборудования:

• генератор электрической энергии;
• устройство для колки дров гидравлического типа;
• углевыжигательная печка;
• бензопила;
• весы.

Основным оборудованием для производства древесного угля является углевыжигательная печь. Она представляет собой механизм, в котором происходит прогорание древесины до образования углей.

Особенность технологии заключается в необходимости использовать специальную печь с пиролизом. В процессе пиролиза углерод разлагается при малом количестве кислорода.В специальных углевыжигательных печах применяется технология пиролиза, при которой древесина прогорает, но не сгорает до конца, превращаясь в уголь.

Минимальная стоимость таких печей составляет 20-100 тысяч рублей. Подобные расценки касаются оборудования, уже бывшего в употреблении. Новые печи с высокой производительностью обойдутся в несколько раз дороже. Их цена достигает 2 миллионов рублей. Современные модели способны перерабатывать древесину вплоть до образования угольной пыли, пользующейся высоким спросом в ряде производственных сфер.

Стоимость стандартного генератора электроэнергии составляет 20 тысяч рублей. Минимальная цена бензопилы и весов начинается от 5 тысяч рублей. Средняя стоимость всего оборудования составляет 150-450 тысяч рублей. Конечная цена зависит от качества и производительности оборудования.

Стоимость комплекта

Для начала производства угля потребуется не только взять в аренду подходящий участок земли, нанять рабочий персонал, но и приобрести оснащение. Самый главный элемент производства — печь. Ее стоимость может варьироваться в зависимости от размеров и объемов перерабатываемого сырья. В среднем такой прибор может стоить около 300000 рублей.

Еще около 60000 рублей уйдет на обустройство территории и установку техники. Также следует запланировать транспортные расходы на доставку. Транспортировка оснащения до места производства может обойтись в 50000 рублей.

Технология изготовления угля

Для производства угля предусмотрена особая технология, состоящая из 4 этапов:

• сушка древесины;
• воздействие на древесину огня при соблюдении условий (пиролиз);
• прокалка;
• остывание.

На первом этапе необходимо тщательно просушить поступившее сырье. Сырая древесина плохо тлеет. Перед ее поджиганием требуется процедура сушки. Сырье помещают в специальный блок углевыжигательной печки. В него подается дымовой газ, разогретый до 1500С. Длительность процедуры зависит от влажности используемой древесины. Чем выше ее влажность, тем дольше происходит ее обработка газом.

После сушки процент влажности сырья должен составлять минимальные значения. Для пиролиза, происходящего на втором этапе производства угля, подходит сырье с максимальной влажностью 5%.

Процесс пиролиза проходит несколько стадий:

• температура в печи увеличивается до 3000С;
• при указанном значении процент влажности сырья достигает нулевой отметки, оно активно поглощает тепло;
• происходит обугливание древесины;
• обугленный материал подвергается действию повышенной температуры, достигающей 4000С;
• происходит тление сырья с активным выделением теплоты;
• при тлении материал становится древесным углем.

В конце процесса пиролиза получается сырье с высоким содержанием углерода. Его уровень достигает 75%.

После пиролиза получившийся уголь проходит прокалку. На указанном этапе от сырья отделяются содержащиеся в нем газы и смолы.

На заключительном этапе технология производства угля предусматривает его остывание. Процедура заключается в уменьшении температуры внутри печи. Выгрузка угля из нее возможна, когда сырье не будет самовоспламеняться при воздействии на него кислорода. Оптимальной температурой угля с возможностью его выгрузки считается 400С. Иногда выгрузку начинают уже при 850С.

Схемы изготовления древесного угля в домашних условиях

Существенно упростить процесс производства угля и избежать значительных финансовых трат на оборудование помогут три схемы его изготовления в домашних условиях:

• на базе дровяной печки;
• в яме;
• при помощи бочки.

Первый способ считается самым простым и имеющим минимальные затраты. Не рекомендуется использовать такой способ в закрытых помещениях. Производство древесного угля требует герметичности используемого оборудования и отсутствия в печи кислорода. Не рекомендуется находиться в помещении в процессе горения дров. При нем активно выделяется опасный для человека углекислый газ, приводящий к отравлениям.

В обычную печь закладывается древесина и поджигается. Как только дрова разгорятся, необходимо прикрыть поддувало вместе с дверцами. Благодаря этому внутри печи создадутся условия, схожие с условиями внутри специализированной углевыжигательной печи. На тление угля уходит порядка 15-20 минут. Сырье потребуется охладить.

Изготовление угля в яме является самым примитивным, но имеющим применение способом. При соблюдении ряда условий имеется возможность добиться конечного продукта с неплохими свойствами.

Процедура изготовления угля в яме состоит из этапов:

1. на открытом участке земли вырывается яма цилиндрической формы шириной 0,8 м и глубиной 0,5 м;
2. дно ямы засыпается песочно-глиняной смесью и тщательно утрамбовывается во избежание смешения сырья с землей;
3. на дно ямы выкладывается материал для розжига, в качестве которого подойдет мелкий хворост с берестом;
4. к смеси хвороста добавляется первая небольшая порция дров без коры;
5. к дровам добавляются заранее очищенные от коры древесные материалы, нарубленные на куски размером 30 см каждый;
6. к прогоревшей порции дров добавляется новая, пока яма не заполнится до самого верха;
7. в процессе прогорания дров необходимо тщательно их шевелить, за счет этого увеличивается плотность их прилегания;
8. на выжиг древесины уходит порядка 1,5 часа, после чего яму потребуется герметизировать, накрыв слоем толстого листового металла, способного прекратить доступ кислорода в яму;
9. остывание угля в яме длится несколько суток;
10. готовое сырье достается из ямы, просеивается и фасуется.

Древесный уголь как бизнес

Дальше рассмотрим приблизительные затраты, которые ложатся на ваши плечи. Припомним, что расценки считаются примерными (состояние на 2021 год):

Дальше рассчитайте прибыль. Оптовая стоимость реализации березового угля в 2021 году составляет 100 руб. за килограмм, а его цена — в пределах шестидесяти с учетом всех издержек. На один килограмм вы получаете 40 руб., на две тонны реализованной продукции (домашняя мастерская) — 80 тыс. руб., для полноценного предприятия, которое изготавливает двадцать тонн в месяц, — 800 000 руб.

Таким образом, осуществленные вложения окупаются через два-четыре месяца, хотя на практике абсолютная окупаемость достигается через четыре-шесть месяцев (нежелательные затраты непременно возникнут).

Изготовление угля в бочке

Указанный способ считается более совершенным. В качестве оборудования для него используется бетонная бочка, на дно которой выкладываются огнеупорные кирпичи в вертикальном положении. Между кирпичами выкладывается растопочный материал, а сверху них устанавливается решетка из металла, на которую раскладываются нарубленные дрова.

Как дрова разгорятся, бочку сверху накрывают плотным слоем листового металла. Производство древесного угля подобным образом требует особой герметичности используемой бочки. Плотная герметизация необходима, когда дым от горящих дров приобретет сизый оттенок. В закрытом положении бочка остается до самого момента ее остывания.

На последнем этапе готовый уголь достается из емкости, проходит сортировку и фасуется.

Углевыжигательная печь своими руками

Древесный уголь – весьма востребованный продукт, использующийся дачниками, отдыхающими, любителями барбекю и шашлыка, а также населением, проживающим в южных регионах страны с малых количеством древесины для отопления жилых помещений. Его производство просто, экономично и экологически безопасно.

• Устройство и элементы
• Принцип работы
• Преимущества и недостатки
• Изготовление своими руками
• Чертеж
• Материалы и инструменты
• Инструкция по изготовлению
• Как делать уголь?
• Как правильно выбрать готовую продукцию?
• Вывод

Производят его методом пережигания дров в специальных углевыжигательных печах. Выбор таких устройств на сегодняшний день огромен. Существуют как серийные печки, так и возможно изготовить печь для производства древесного угля своими руками. Производимый в подобных агрегатах древесный уголь можно разделить на 3 категории:

• Черный уголь (получают из ивы, ветлы, ясеня, липы, ольхи, осины)
• Красный уголь (получают из сосны, ели, лиственницы, кедра)
• Белый уголь (получают из березы, вяза, бука, дуба).

Качество выходной продукции выше у лиственных пород деревьев, а количество получаемого угля больше у хвойной древесины.

Устройство и элементы

Все устройства для производства древесного угля можно разделить на две основные группы – стационарные установки и передвижные печки. Первые используются на больших производствах для изготовления солидных объемов продукции, а вторые – в производстве небольших партий угля в частном порядке.

Также существуют печи-ямы для пиролиза угля, выкопанные ниже уровня земли, но они постепенно уходят в историю в промышленном производстве, но еще широко применяются в приусадебных хозяйствах и в частных домовладениях.

Загрузка обрабатываемого сырья может быть как автоматической, так и ручной. Для этого применяются вагонетки, транспортеры, либо ручной труд человека. Чертеж углевыжигательной печи для производства древесного угля представлен ниже:

Принцип работы

Сухая перегонка дров в древесный уголь происходит при 450 – 500 градусах Цельсия. Этот процесс называется пиролизом. Основной принцип получения древесного угля заключается во внешнем нагревании печи с заложенной внутрь древесиной до температуры в 280 – 300 градусов Цельсия. При достижении заданного значения в дровах начинаются термические процессы, связанные со значительным тепловыделением. За счет этого и происходит процесс пиролиза, то есть обугливания дров без их полного сгорания.

Сначала запускается механизм сушки, удаления лишней влаги из древесины. В этот момент очень важно подавать дополнительное тепло внешней оболочке углесжигательной камеры. В дальнейшем, дополнительная подача тепловой энергии уже не требуется, так как во время основного разложения дров оно уже выделяется, в достаточном количестве для окончательного завершения всего процесса.

Существуют однокамерные и трехкамерные печи для изготовления древесного угля. В трехкамерных печах процессы сушки, основного пиролиза и остывания готовой продукции происходят в разных отсеках. Это позволяет удешевить и ускорить производство продукции, поставив ее на поток. Но такие установки стоят дороже и их монтаж по силам только специалистам. Они применяются на крупных производствах древесного угля.

Преимущества и недостатки

Основными преимуществами агрегатов для получения древесного угля являются:

• Доступное сырье.
• Простота обслуживания.
• Быстрая окупаемость установки.
• Возобновляемость сырья.
• Высокая экологичность конечного продукта.

Основные недостатки таких устройств:

• Сложность в изготовлении трехкамерных агрегатов.
• Труднодоступность дров в южных регионах.

к содержанию ↑

Изготовление своими руками

Небольшое устройство для получения малых объемов древесного угля можно изготовить самостоятельно. Для этого удобнее всего использовать небольшую бочку объемом 200 – 300 литров, либо другую железную емкость.

Чертеж

Для работы pechnoy.guru будет использовать обычные бочки, которые легко достать. Чертеж для такой печи не понадобится (ниже, в инструкции, будет понятно почему).

Но в качестве примера, ниже приведены 2 разных чертежа углевыжигательной печи, они достаточно большие (в домашних условиях их изготовить будет сложно):

Материалы и инструменты

Для изготовления подобной печи будут нужны следующие инструменты и материалы:

• Бочка на 200 литров.
• Бочка на 110 литров.
• Труба 110 мм для дымохода.
• Шамотные кирпичи.
• Минеральная вата.
• Лопата.
• Электродрель с насадкой для сверления больших отверстий в металле.
• Ножницы по металлу.

к содержанию ↑

Инструкция по изготовлению

1. В 200 литровой бочке, в верхней части, по всей окружности делают отверстия (10-20мм). Снизу бочки делаются надрезы, далее их нужно вмять, как показано на фото ниже:
2. В днище 110л бочки нужно сделать отверстие с помощью гвоздя.
3. В этой же бочке, в верхней части, необходимо сделать отверстия (как на 200л. бочке).
4. Вставляем одну бочку в другую (меньшую “вверх ногами”). В дальнейшем, при эксплуатации туда будут закладываться дрова, из которых получится уголь.
5. Закрываем маленькую бочку крышкой.
6. Теперь осталось изготовить крышку для большой бочки с отверстием по центру и приварить дымоходную трубу.
7. В итоге у вас получится такая конструкция, в которой можно делать уголь.

Как делать уголь?

Алгоритм действия следующий:

1. В самодельную углевыжигательную печь помещаются наколотые дрова (в маленькую бочку). Длина их должна быть не более 50 сантиметров, а толщина 10-12 сантиметров. Исключается попадание гнилой древесины, в таком случае процесс пиролиза полноценно выполнить не получится. Маленькая бочка вставляется в большую (как в инструкции выше).
2. Закрываем мелкую емкость крышкой и кладем немного хвороста.
3. Далее нужно сделать шалаш из сухих веток и поджечь их.
4. После того как все прогорит, накрыть крышкой большую бочку и закрепить конструкцию камнями.
5. Спустя несколько часов уголь будет готов. Доставать готовый уголь разрешается только после полного прогорания и остывания заложенного древесного материала, иначе, он может самовоспламениться на воздухе под воздействием кислорода.

к содержанию ↑

Как правильно выбрать готовую продукцию?

Выбирать печь для получения древесного угля для нужд своего производства следует, исходя из вида топлива, на котором она будет эксплуатироваться, предполагаемой мощности и количества производимого продукта.

Чтобы точно соблюдать технологические режимы, необходимо тщательно ознакомиться с технической документацией на изделие, какую температуру и какое время печь может выдавать, насколько быстро или медленно происходит та или иная стадия обработки сырья или продукта.

Следует учитывать и финансовые возможности предприятия, а также прогнозируемый срок окупаемости нового оборудования.

Наиболее популярными модели типовых печей для производства древесного угля являются:

1. Углевыжигательная печь Чародейка. Объем ее рабочей камеры составляет 4.5 куб. метра. Работает на дровах, выход готовой продукции – 500 кг за один рабочий цикл. Обладает устройством дожига пиролизных газов, экологически безопасна. Стоимость ее равна 160000 – 180000 рублей.
2. Печь углевыжигательная «Клен-Э». Размеры ее рабочих камер варьируются от 10 до 15 куб. метров, в зависимости от модификации. Представляет собой металлический цилиндр с диаметром 2162 миллиметров и длиной в 4.5 метра. Она снабжена отдельной топкой и узлом газификации, выход готового продукта равен 1400 – 1500 кг за один рабочий цикл, длящийся 70 часов. Цена на углевыжигательные печи серии «Клен-Э» составляет 90000 – 100000 рублей.
3. Печи передвижные углесжигательные УПП-2М, «Солза», ПУМ-6. Это компактные установки, производительность их составляет 80000 кг угля в год, а вес всего 2.5 тонны. Они мобильны, легко устанавливаются на любой поверхности, оборудованы реверсивным движением теплоносителя внутри камеры. Недостатком их можно назвать плохую теплоизоляцию.
4. Установка «Поликор». Это мощная углевыжигательная печка, ее производительность – 5200 килограмм угля в сутки. Она проста в обслуживании, ее стоимость составляет 400000 – 500000 рублей.
5. Установка углевыжигательная «Заря – 50». Печь с внутренним теплоносителем, изготовлена из стали жаропрочных сортов. Выдает 4300 килограмм угля за один производственный цикл, объем загружаемых дров равен 25 – 28 куб. метров. Габариты ее составляют 12.4х2.45х2.5 метров. Цена ее составляет 800000 рублей.

к содержанию ↑

Вывод

Древесный уголь – это востребованное сырье для многих целей экономики и бытовых нужд дачников и любителей отдыха на природе, шашлычников. Установка для его получения окупится быстро, она неприхотлива в использовании и обладает малым энергетическим потреблением.

Но нужно помнить и о правилах безопасности при работе с углевыжигательными печами. Все работы следует производить только на открытом воздухе, либо в помещении, оборудованном принудительной вытяжной вентиляцией от источника газообразования и горения.

Углевыжигательные печи: сущность, виды и создание своими руками

Современные углевыжигательные печи помогают добывать один из самых востребованных видов топлива – уголь, это продукт, получаемый методом пиролиза (сжигания без пламени) без доступа кислорода. В результате материал содержит высокую концентрацию углеводорода и имеет микропористую структуру.В лесных зонах он является источником дохода для многих предпринимателей, ведь собрать печь и организовать производство можно даже на обычном участке за городом. Готовый уголь активно используют в металлургии, химической промышленности, животноводстве, фармакологии, медицине, строительстве, для обогрева домов.

Производство древесного угля в углевыжигательной печи

Помимо отходной древесины разных пород для производства древесного угля подходят сучки, опилки, пеньки. Если местность болотистая, для этих целей берется торф. Процесс сжигания древесины проходит обязательные 3 этапа:

1. Сушку.
2. Терморазложение.
3. Охлаждение.

Первый шаг требует подогрева камеры, в которую помещается сырье, до температуры 280 0 С. Только после этого начинается экзотермическая реакция с выделением тепловой энергии и запускается процесс «приготовления» угля.

Готовый продукт требует охлаждения до предела, когда самовозгорание станет невозможным. Обычно этот показатель держится на уровне 40°C. Даже после остывания еще примерно сутки смесь выделяемого газа будет содержать большой процент воды. После полного высыхания можно использовать материал по назначению.

Виды углевыжигательных печей

Усовершенствование технологии получения древесного угля привело к появлению специальных печей. Они имеют разную мощность и могут перерабатывать промышленное количество сырья. Различают такие виды:

1. Стационарные. Рассчитаны на большие объемы древесины, могут работать на разных видах топлива.Устанавливаются крупными производителями. Минус такого варианта – необходимость соответствия нормам экологической безопасности.
2. Мобильные. Это компактные устройства небольших размеров, которые легко перемещаются, устанавливаются и просты в эксплуатации. Ими пользуются на лесозаготовительных площадках, в местах строительства. В них удобно использовать древесные отходы в качестве основного источника конечного продукта.

Переработка отходов приносит большую выгоду, так как одновременно утилизируются остатки, и уголь добывается без расходов на топливо.

Мобильная углевыжигательная печь

Оборудование непрерывного действия

Распространенный вид углевыжигательных печей, обеспечивающих цикличность процесса, называют непрерывным. В них образующиеся в результате пиролиза газы снова направляются в древесину, соединяются с парами и газами, еще выделяющимися, и выходят из печи. Эти меры требуются для более равномерного дополнительного прогревания. Минус метода – высокая итоговая концентрация химических соединений. Чтобы их нейтрализовать,желательно установить дополнительное оборудование, которое будет сжигать их. Оно должно располагаться отдельно от основных печей.

По такой схеме работают:

• вертикальные реторты.Снизу происходит прокаливание, в середине – пиролиз, сверху – сушка;
• печи с заменяемыми контейнерами:

Реторты и камеры для углевыжигания собирают из металла с обязательной теплоизоляцией.

Агрегаты периодического цикла

Самым простым вариантом углевыжигательной печи является обычная бочка на 200 л. В ней производится розжиг заложенного сырья, она не подразумевает использование дополнительного тепла. Пар и газ выводятся через отверстие в емкости. Результатом является продукт низкого качества с выходом около 15%, загрязненный, но практически беззатратный.

Еще один вид углевыжигательной печи – с нагревом стен камеры, которая передает тепло закладке. Как правило, это конструкция периодического цикла. В ней происходит следующая последовательность действий:

• загрузка древесины;
• переугливание;
• выгрузка;
• повторение цикла с загрузки.

В таком устройстве часть древесины все время находится в процессе пиролиза.

Переносная углевыжигательная печь периодического цикла действия

Трехкамерная печь

Печь углевыжигательная на 3 камеры позволяет экономно расходовать топливо и не наносит вред окружающей среде. В ней газопаровая смесь выводится из основной камеры, остывает и конденсируется. Образуемая жижка и другие не поддающиеся конденсации газы используются в виде дополнительного источника тепла, добавляясь в топку.

Трехкамерные печи относятся к непрерывным – в каждом отсеке происходит свой этап. Важно то, что в первой камере сушка достигается за счет тепла от горения пиролизных смесей газов. Помимо экономии топлива, такие печи полезны:

• равномерностью использования рабочего персонала, так как загрузка и выгрузка происходят в разное время;
• длительностью использования. При установке на крупных предприятиях и дооснащении газогенераторным котлом оборудование рассчитано на использование опилок для топливного источника;
• наиболее доступной ценой по сравнению с однокамерными вариантами такого же объема, но большей эффективностью за счет распределения нагрузки на разные участки.

Заводская мобильная углевыжигательная печь для домашнего использования

Однокамерная печь

Однокамерные печи позволяют перерабатывать до 8 тонн сырья ежемесячно. Полный цикл требует от 1 до 3 дней работы. Их приобретают как для индивидуального использования, так и для промышленных производств с целью переработки отходов пищевой промышленности, остатков с дерево-перерабатывающих предприятий.

Разница между промышленными образцами и вариантами поменьше для однокамерных печей заключается только в объемах перерабатываемого сырья и легкости транспортировки оборудования. В некоторых странах углевыжигательные печи используют в домашних условиях – такой уголь потом применяют для приготовления блюд на огне.

Схема простейшей углевыжигательной переносной печи

Как сделать углевыжигательную печь своими руками

Умельцы предлагают 2 способа изготовления агрегата в бытовых условиях, они настолько простые, что даже не всегда нужен чертеж.

Первый вариант

Для самостоятельного изготовления следует обеспечить наличие:

• металлической толстостенной бочки;
• подставки под устройство (бочку);
• кирпича;
• минеральной ваты.

Печка из бочки – это самый простой способ получения пожаробезопасной, эффективной конструкции.

В дне емкости потребуется сделать отверстие диаметром 10 см, ее ставят прорехой вниз.

Следующий этап – закладка бочки кирпичами, камнями. Щели нужно закрыть негорючим материалом, а верхнюю часть утеплить минеральной ватой.

На этом монтаж конструкции можно считать законченным. Кустарная печь не будет выдавать качественный уголь, по сравнению с описанными выше конструкциями, но его будет достаточно, чтобы из имеющихся древесных отходов получить топливо для мангала.

Схема углевыжигательной печи УВП-5Б

Второй вариант

Если использовать в устройстве 2 бочки, конструкция будет более надежной. Для этого в 2 раза меньшая ставится в середину большей. Именно в меньшую кладут древесину и закрывают крышкой.В оставшееся пространство между стенками емкостей засыпают мелкие отходы и поджигают их. Дальше закрывают большую бочку крышкой с трубой.

В целях обеспечения безопасности сборка и использование таких вариантов допускаются только на открытом воздухе.

Углевыжигательные печи: проверено временем, улучшено наукой

Дешевые синтетические нефтепродукты всё активнее вытесняют проверенный временем древесный уголь. Однако, по статистике спрос на него совсем не падает, а стабильно растет. Благодаря технологии углежжения или по-научному пиролизу получают уксусную кислоту, ацетатные растворители, формалин и, конечно же, сам уголь, который используется в качестве топлива, а также в производстве сероуглерода, кристаллического кремния, активного угля, электроугольных изделий и т. д.

Процесс пиролиза был изучен ещё в 19 веке. В 20-м он был поставлен на широкую ногу, тогда же стали известны и основные проблемы, связанные с ним: не самый высокий процент выхода готового продукта и, плюс к этому, загрязнение окружающей среды. Однако в начале нового тысячелетия ученым не только удалось добиться максимального выхода древесного угля, но и сделать углевыжигание более экологичным.

Виды и устройство углевыжигательных печей

Половину производимого в России угля получают с помощью специальных печей. Как правило, это маломощные стационарные установки, устаревшей конструкции. Тем не менее, даже на них научились производить уголь первого и высшего сортов, имеющий продолжительное горение и ровный, высокий жар.

И всё же современное производство вынуждает углежогов переходить на более производительные, а главное – мобильные установки. Первые – вертикальные реторты непрерывного действия считаются наиболее прогрессивными и обычно дополнительно оснащаются линиями подготовки древесного сырья, а также утилизации и переработки жидких продуктов пиролиза. Вторые не отличаются производительностью, но их основное преимущество в возможности перемещения печи к месту хранения сырья. Да и начинающему, неопытному углежогу лучше осваивать данный бизнес, имея небольшую установку. Кстати, перевозить их можно на прицепе легкового автомобиля, либо в кузове небольшого грузовичка (типа ГАЗель).

Стационарные углевыжигательные печи по своей конструкции могут быть однокамерные и трехкамерные. Однокамерный аппарат – это вариант для углежога, решившего начать с малого и пока не задумывающегося о перспективе. Трехкамерные печи дороже, но экономичнее и долговечнее. Во-первых, тратят на 40% меньше дров, т. к. в каждой камере идет своя стадия углежжения: пиролиз-сушка-остывание. Во-вторых, снижается пиковая нагрузка на печь, да и работа обслуживающего персонала распределяется равномернее.

Производственный процесс пиролиза

В процессе пиролиза обычно используют древесину лиственных пород, реже – хвойных. При 15-процентной влажности сырья на выходе получается 25% готового древесного угля, жидких продуктов – 55%, остальное – газы. Лучше использовать большие древесные куски для улучшения качества угля. Но важно не переборщить, т. к. при усадке происходит растрескивание и образование мелких частиц. Их объем может достигать 20% от готового продукта. Качественным считается уголь, размер фракции которого не менее 12 мм.

При переработке жидких пиролизных остатков получают до 10% древесной смолы, а также различные её компоненты: 6-9% уксусной кислоты, до 4,5% метанола и 5-6 процентов прочих соединений (альдегидов, кетонов, эфиров и др.).

Обзор установок

Наибольшее распространение на российском рынке получили печи на базе ППУ (печь передвижная углевыжигательная). Так в Нижнем Новгороде выпускается модель УПП-2 М, в Северодвинске – «СОЛЗА», в Москве – ПУМ-6. Все установки похожи друг на друга: вес каждой – около 2,5 тонн; все узлы легкоразборны; производительность – порядка 80 тонн в год.

Общей особенностью моделей является реверсивное движение теплоносителя, что обеспечивает практически полное сжигание продуктов разложения древесины внутри печи до оксида углерода (II). Днище из толстого металла позволяет эксплуатировать установки практически на любом грунте, даже на торфяниках. Печи просты в эксплуатации и легко управляются. Есть, правда, и недостатки. К основным можно отнести: слабую теплоизоляцию и невысокий выход готового угля.

Кстати, аналогичную по производительности установку, но в мобильном исполнении выпускают на Украине. Углевыжигательная печь «Грильбон» способна выпускать до 6 тонн древесного угля ежемесячно. Один цикл пиролиза длится 3 суток. Весит установка всего 1800 кг, а обслуживают её три человека. Главным её достоинством является возможность получения угля ресторанного качества.

Теперь о мощных печах. Имеет смысл обратить внимание на серию российских установок «Поликор». Производительность – 400-2000 тонн/год, в сутки – до 5,2 тонн. Эти стационарные модели дешевы в строительстве и просты в обслуживании.

Однако для тех, кто думает о будущем, лучше сразу брать новейшую установку из семейства «Эколон». Отличает её суперэкологичность (0% выбросов), высокое энергосбережение и способность производить хороший уголь из древесины любой породы и даже древесных отходов. Доказательством этому является тот факт, что печь «Эколон» умеет изготавливать мечту владельцев каминов – «угольные поленья», полностью сохраняющие форму дров.

Аналогичную, но менее мощную углевыжигательную печь (выход – 1,5 т/сутки) выпускают в Вологде. Имя у неё фантастическое – «Фантастика». Комплекс оборудован системой дожига газов, системой удаления влаги. Процесс пиролиза идет всего 6 часов, благодаря быстрому прогреву сырья в камерах и удалению (а не стандартному выпариванию) влаги.