Системы распыления охлаждающей жидкости для индукционной закалки

 

Даниэль Дж. Вильямс

 

 

Незначительная доля технологических процессов обработки проходит без закалки. В данной статье приводится серьезный обзор водяных систем охлаждения для индукционного закалочного оборудования.

 

Управляемое охлаждение металла (закалка) из состояния повышенной температуры приводит к образованию твердых мартенситовых структур. Скорость охлаждения должна быть достаточно высокой для того чтобы предотвратить образование нежелательных мягких структур (перлит, байонит). Из-за своей важности закалочные системы охлаждения занимают существенное место в процессах индукционной закалки и подлежат тщательному рассмотрению при проектировании нового индукционного оборудования и процессов.

Параметры процесса требуют очень точного управления для получения гарантированных результатов термообработки. Параметры должны управляться таким образом, чтобы даже при резких возмущениях в ходе технологического процесса, система управления обеспечивала поддержание требуемых параметров в диапазонах, гарантирующих необходимое качество процесса термообработки. Типовой процесс индукционной термообработки управляется следующими восемью параметрами работы оборудования:

1) Время нагрева/скорости нагрева во времени;

2) Уровень мощности;

3) Рабочая частота;

4) Положение детали/ее перемещение (вращение);

5) Поток охлаждающей жидкости;

6) Температура охлаждающей жидкости;

7) Время закалки;

8) Плотность охлаждающей жидкости.

Интенсивное изменение этих параметров может послужить причиной нежелательных процессов или процессов с ненормированными результатами, включая проблемы с глубиной закаливания, твердостью, вариантом термообработки и неоднородностью закаленного слоя.

Большинство индукционных закалочных установок использует воду на стадии охлаждения.

Лишь в небольшом количестве случаев материалы с высокой закалочной способностью закаливаются без использования какой-либо охлаждающей жидкости. Это происходит когда общая масса всей детали существенно больше, чем масса или объем той части, которая подвергается индукционной обработке. В этом случае не нагретые объемы детали играют роль охладителя по отношению к тем небольшим  объемам, которые подлежат закалке.

Спреерная закалка и закалка погружением являются двумя самыми популярными методами жидкостной закалки. Спреерная закалка реализуется в нескольких популярных технологиях. Эти технологии включают: разбрызгивание с интенсивным сканированием нагретой зоны (сканирующая закалка), разбрызгивание после нагрева в неподвижном состоянии (локальная закалка) и беспорядочное разбрызгивание после нагрева. Спреерная закалка во время нагрева, с кратковременным продолжением разбрызгивания воды после прекращения нагрева ограниченно используется для материалов с высокой прокаливаемостью, в случае когда требуется небольшая глубина закаленного слоя.

 

Этот трансмиссионный вал, изготовленный из стали марки 1040, подвергается индукционному нагреву до 1730F (943С) перед спреерной закалкой

 

Закалка погружением в большинстве случаев выполняется, когда закаливаемая деталь находится под индуктором, производящим нагрев. Достаточно редко деталь погружена в охлаждающую жидкость во время нагрева. Закалка погружением особенно эффективна для  устранения проблемы нежелательного нагрева в больших деталях, имеющих несколько областей селективной закалки.

В прошлом сырая нефть и водно-нефтяная эмульсия были популярны в качестве охлаждающих жидкостей при применении индукционного нагрева. Эти жидкости использовались вместо чистой воды, поскольку нефть производит охлаждение с меньшей скоростью по сравнению с водой; таким образом снимались проблемы растрескивания и искажений. Кроме того, нефть замедляла процессы коррозии при закалке. Сырая нефть в основном применялась при закалке погружением для уменьшения опасности возгорания, в то время как водно-нефтяная эмульсия лучшим образом подходила для спреерной закалки.

Охлаждающие жидкости требуют специального использования. Вода, водо-полимерная композиция, нефтяная эмульсия, раствор соли, масло и даже свинец могут быть выбраны как варианты охлаждающей среды. Известно всего несколько вариантов охлаждающей среды, который дают лучшие результаты при закалке по сравнению с чистой водой. Описание применения чистой воды для закалки требует специального рассмотрения. Ржавчина, рост бактерий, растрескивание деталей,  появление областей с пониженной твердостью - вот некоторые из проблем, с которыми можно столкнуться при закалке чистой водой. При применении чистой воды, на резервуар часто наносят защитное покрытие или сам резервуар изготавливают из нержавеющего материала для предотвращения проблем, связанных со ржавчиной. В чистую воду должны быть добавлены: ингибиторы ржавления, добавки, исключающие пенообразование и средства для борьбы с бактериями. Некоторые металлы и сплавы с низкой закалочной способностью требуют применения чистой воды.

Полимерные композиции стали наиболее популярными охлаждающими жидкостями при применении индукционного нагрева. Явления искажения и растрескивания могут быть ослаблены и вообще устранены при применении полимерных композиций. Охлаждающие жидкости могут включать композиции типа ингибиторов ржавчины для предотвращения коррозии и биоцидов для замедления бактериального выращивания. Полимерные композиции являются негорючими и могут вводиться для усиления действия других добавок.

Необходимо консультироваться с изготовителями  полимеров при введении их в охлаждающую среду, чтобы быть в каждом случае уверенными в совместимости с другими добавками, которые могут вводиться в рабочую жидкость. Например, некоторые биоцидные добавки  содержат хлор, который может соединиться с щелочью гликоля с образованием хлорэтила. Кроме этого, потребители могут уточнить, имеются ли в полимере нитраты, присутствие которых может привести к образованию нитрата аминокислоты. Когда жидкости, такие как пожаробезопасный гликоль, содержащие амины, добавляются к полимерным рабочим жидкостям на основе нитрата, могут возникнуть пары нитрата аминокислоты. Изготовители полимерных добавок должны сообщать о всех жидкостях, которые могут потенциально входить в закалочные среды для того чтобы решать проблему совместимости.

Учет особенностей закалочной системы при разработке конструкции

 

При разработке закалочной системы должны учитываться следующие факторы:

- расход охлаждающей жидкости в индукторе;

- расход охлаждающей жидкости в теплообменнике;

- допустимый разброс температур;

- уровень необходимой фильтрации;

- необходимое время прогрева;

- материал и размеры закалочного резервуара;

- допустимый разброс расхода.

Определение расхода воды является специальной задачей и при ее решении учитываются: материал, который подвергается закалке, площадь закаливаемой поверхности и способ закалки. Недостаточный расход является причиной появления на детали областей с пониженной твердостью и, как следствие, искажению детали в результате неравномерного распространения мартенситной структуры.

Суммарный расход, требуемый для закалки заготовки является функцией размера и количества отверстий спреера, а также давления жидкости в индукторе.

 

Этот вал колеса  из легированной стали 41B30 (хром-молибден-бор) закаливается методом сканирования со скоростью 10 дюймов в минуту (25,4 сантиметров в минуту) при расходе охлаждающей жидкости 300 галлонов в минуту (1363,8 литров в минуту).

 

Необходимо, чтобы площадь отверстия спреера была как минимум от 5 % до 10 % от закаливаемой площади в случае обеспечения одновременного охлаждения всей закаливаемой поверхности. Размер отверстия спреера является функцией диаметра или размера детали, подвергающейся закалке, а также расстояния от спреерного кольца до детали. Для детали диаметром 1/2 дюйма (12,7 мм) отверстия спреера должны быть 1/16 дюйма (1,5875 мм). Для детали диаметром 1 дюйм (25,4 мм) отверстия спреера должны быть 1/8 дюйма (3,175 мм).

Например, спреер с единственным отверстием  диаметром 1/16 дюйма (1,5875 мм) с номинальным давлением жидкости 20 фунтов на квадратный дюйм (1,23 кг/см3) пропустит 1/3 галлона (1,515 литра) охлаждающей жидкости в минуту. Увеличение отверстия в 2 раза (до 1/8 дюйма, 3,175 мм) увеличит расход жидкости в 4 раза, что составит приблизительно 1,3 галлона (6,06 литра) в минуту. При удвоении давления от 20 фунтов на квадратный дюйм (1,23 кг/см3) до 40 фунтов на квадратный дюйм (2,46 кг/см3) расход удваивается. Поперечное сечение системы охлаждения индуктора (медной трубки) должно составлять приблизительно 10-15 % лицевой площади индуктора, чтобы предотвратить проблему его перегрева. Для спреера, совмещенного с индуктором, плотность тока в индукторе увеличивается с увеличением количества отверстий спреера в результате уменьшения площади поверхности протекания тока.

Отношение суммарной площади выходных отверстий спреера должно быть меньше площади питающего отверстия спреера. Желательно равенство площадей этих сечений. Отверстия чаще всего располагаются на расстоянии двух диаметров друг от друга или немного ближе. Индукционное оборудование разрабатывается с использованием накопленного опыта, расчетов, специальных таблиц для определения в каждом конкретном случае расхода охлаждающей жидкости. В некоторых случаях необходимы дополнительные закалочные кольца и блоки.

Для индукционной закалки мощность и длительность процесса вычисляются по известной интенсивности отвода тепла. Суммарное количество тепла, которое должно быть отведено, может вычисляться в Британских тепловых единицах (BTU) в секунду (1 BTU/s=0,3 Вт) для выбора теплообменника и определения расхода охлаждающей жидкости. Имеющиеся в распоряжении градирни, холодильники, водопроводная или охлажденная вода также принимаются во внимание при определении размеров и типа теплообменника. Масса заготовки, подвергающаяся нагреву/охлаждению, удельная теплоемкость и разность температур закаливаемой массы до и после закалки также могут использоваться для определения тепловой нагрузки. Благодаря высокой эффективности, малым размерам и стоимости чаще всего используются тарельчатые водо-водяные теплообменники.

Допустимый разброс закалочных температур требует специального определения. Чаще всего допустимые колебания закалочных температур лежат в диапазоне от 70 до 100F (от 21 до 38С). Кулачковые валы из чугуна с шаровидными графитовыми включениями, например, часто закаливаются при температуре 90F (32С) с допуском ±5F (±3С).

 

Локальная закалка выступа кулачка из чугуна с шаровидным графитом. Время нагрева - 1,2 секунды, время охлаждения спреером - 3,0 секунды.

 

Правильное размещение датчика температуры является очень важным. Принципиальным является размещение температурных датчиков в резервуаре с охлаждающей жидкостью таким образом, чтобы как можно точней измерялись температуры жидкости, поступающей от закалочного устройства и от охладителя. Для первоначального разогрева охлаждающей жидкости чаще всего используется электродуговой подогрев. Измеряя текущую температуру резервуара, нагреватель может либо повышать температуру охлаждающей жидкости, либо коммутировать клапан, открывающий доступ охлаждающей воде, что позволяет поддерживать закалочную температуру в пределах допуска. Закалка слишком теплой жидкостью может привести к снижению твердости, а закалка слишком холодной жидкостью может привести к избыточной твердости, растрескиванию и искажениям формы. Выбор оптимальной температуры охлаждающей жидкости зависит от закаливаемого материала, условий термообработки и используемой охлаждающей жидкости.

В некоторых случаях требуются две скорости вращения во время процесса закалки. Например, закалка поверхности зубчатого колеса с высокой удельной мощностью (25-30 кВт/дюйм2 (3,87-4,65 кВт/см2)) требует большой скорости вращения (800-1 000 оборотов в минуту) во время нагрева и намного более низкой скорости (40-60 оборотов в минуту) при охлаждении. Высокая скорость вращения при нагреве необходима, чтобы обеспечить равномерный нагрев в течение очень короткого времени (около 0.200-0.750 секунд). Замедленная скорость вращения при охлаждении необходима, чтобы обеспечить ламинарное обтекание закаливаемой поверхности водой, что предотвращает появление областей с пониженной твердостью и искажение формы. Быстрый нагрев и низкая скорость вращения при охлаждении являются общепринятыми при локальной закалке.

 

Отображение диаграммы закалочного цикла на интерфейсе оператора

 

Фильтрация

 

Фильтрация охлаждающей жидкости необходима, чтобы поддерживать консистенцию и продлить срок ее службы. Частицы примесей в закалочной жидкости могут ухудшить условия протекания рабочей жидкости через отверстия спреера. Размер отверстия спреера учитывается при подборе фильтров, работающих в системе фильтрации охлаждающей жидкости. Ячейка фильтра должна быть меньше чем размер отверстий спреера, чтобы предотвратить засорение. Большинство процессов индукционного нагрева требует фильтров, поглощающих частицы примесей размерами 75-100 микрон. Толщина фильтрующей нити в волоконном фильтре при этом должна быть около 100 микрон в диаметре. В некоторых случаях используются только сетчатые фильтры. В таких случаях размер ячейки фильтра выбирается в зависимости от размера отверстия спреера. Например, для спреера с размером отверстия 3/32 дюйма (2,38 мм) требуется фильтр с размером фильтрующей ячейки  5/64 дюйма (1,98 мм) или меньше.

Размер резервуара с закалочной жидкостью может также определяться требуемой степенью фильтрации. Например, закалочная жидкость в установках с меньшими резервуарами быстрее требует замены. Меньшие по размеру резервуары забиваются шламом  намного быстрее. Будучи настроенными, устройства с малыми резервуарами могут обеспечить лучшую фильтрацию по сравнению с сетчатыми фильтрами. Малогабаритные фильтры со сменными картриджами хорошо работают в комплекте со спреерами с малыми объемами резервуара. Рекомендуется, чтобы система, обеспечивающая закалочную станцию рабочей жидкостью, обеспечивала расход в 3 - 4 раза превосходящий суммарный расход, необходимый для функционирования спреера и охлаждения индукционной установки. В свою очередь, фильтрация воды должна быть определена суммарным расходом необходимым для работы закалочной и индукционной установок. Избыточная фильтрация увеличивает время простоя оборудования и расход фильтрующих материалов.

 

 

 

 

Существует широкий выбор вариантов фильтрации, применяемых в установках индукционного нагрева. Варианты фильтрации включают:

Элементы типа картридж и фильтрующий пакет; обеспечивают очистку от частиц размером от 5 до 100 микрон. Эти элементы располагаются в стальных корпусах и корпусах из цветных металлов. Дифференциальный клапан перепада входного и выходного давлений используется для определения степени засорения фильтра. Клапаны также могут быть использованы для определения момента, когда фильтрующие материалы нуждаются в замене. Система обеспечения рабочей жидкости проектируется таким образом, что фильтр стоит параллельно системе индуктора. В некоторых случаях клапаны используются, чтобы направить часть потока или весь поток охлаждающей жидкости к индуктору, когда это необходимо, исходя из условий нагрева. Эти типы фильтров обслуживаются вручную и должны меняться каждые 2-10 месяцев в зависимости от условий эксплуатации. Фильтрующий элемент типа картридж может обеспечивать проток фильтруемой жидкости различными способами: начиная от ее поступления во внутреннюю часть картриджа и выхода через его наружную поверхность и заканчивая поступлением на наружную поверхность картриджа и выходом через внутреннюю. Картридж имеет 3 слоя волокнистых фильтрующих поверхности, чтобы увеличить площадь фильтрации. Размер фильтра выбирается в зависимости от расхода охлаждающей жидкости.

Фильтры с непрерывной автоматической индикацией состояния хорошо подходят для пользователей, у которых имеются затруднения со своевременной заменой фильтрующего материала. Их также называют натяжными фильтрами, потому что в них фильтрующая бумага натягивается на перфорированные тарелки. Когда перепад давлений слишком велик, фильтрующие материалы автоматически выдавливаются в бункер. Эти фильтры хороши в случаях с большими расходами жидкостей и шлама крупных размеров, потому что их существенный объем и автоматическая замена фильтрующего материала обеспечивают высокое качество охлаждающей жидкости. Эти фильтры рассчитаны на избыточное давление  и требуют наличия резервного бака с отфильтрованной охлаждающей жидкостью для работы системы в случае, когда происходит продавливание фильтрующего материала через перфорированную тарелку и его удаление, что сопровождается падением давления.

Сетчатый фильтр Y-типа - это фильтр корзинного типа, который удерживает твердые примеси, которые являются меньшими, чем размер отверстия фильтра. Этот тип фильтрации является самым дешевым, обеспечивает фильтрацию частиц минимальных размеров и не содержит заменяемых фильтрующих материалов. Сетчатые фильтры Y-типа очень популярны при применении индукционного нагрева и, прежде всего, предназначены для предотвращения засорения отверстий спреера.

Магнитные сепараторы лучше всего подходят для случаев, когда в охлаждающей жидкости присутствуют металлические частицы. Тонкая порошковая фаза, которая откладывается на вращающемся магнитном барабане, в свою очередь осуществляет фильтрацию. При вращении магнитного барабана удаление отфильтрованных масс осуществляется специальным лезвийным устройством. Поскольку лезвие расположено на определенном расстоянии от барабана, на барабане все время остается тонкий пористый слой, через который осуществляется фильтрация.

Другие варианты фильтрации включают центробежные сепараторы, самоочищающиеся винтовые фильтры  и автоматические барабанные фильтры. Фильтры типа картридж и простые сетчатые фильтры в большинстве случаев наилучшим образом соответствуют требованиям, предъявляемым к фильтрации закалочными системами с применением индукционного нагрева. Легко проконсультироваться с изготовителями фильтрующих устройств по поводу их оптимального применения по использованию в закалочных системах.

 

Температура закалки

 

Установление необходимой температуры закалочной воды требуется для управления процессом закалки. Поверхностная твердость закаленной детали может быть чрезмерной, что приводит к браку (искажение формы, растрескивание). Это происходит при заниженной температуре охлаждающей воды. Если температура охлаждающей воды завышена, упрочняемая поверхность не закаливается до необходимой твердости.

Температура закалочной воды повышается или понижается, так как охлаждающая жидкость в теплообменнике поддерживает ее в требуемом диапазоне температур. Очень важным является правильное размещение датчиков температуры воды и электрических цепей управления нагревом и охлаждением закалочной жидкости, чтобы получить и поддерживать необходимый диапазон температур. Пределы установленного диапазона определяются в зависимости от конкретной реализации закалочной системы.

Разогрев охлаждающей среды необходим только в случае, когда установка начинает функционировать после длительного простоя. В индукционном оборудовании, нагрев закалочной жидкости чаще всего производится за счет погружного нагревателя. Охлаждение закалочной жидкости производится в водо-водяных теплообменниках. Как только охлаждающая жидкость нагревается от окружающей комнатной температуры до требуемого рабочего диапазона, индукционная закалочная установка может начинать работу. Газовые горелки и пар могут также использоваться для разогрева охлаждающей жидкости. Однако электрические погружные нагреватели самые эффективные и дешевые.

Следующий пример показывает как рассчитываются коэффициенты, определяющие размеры закалочного нагревателя. 560 фунтов (254 кг) воды, помещены в стальной резервуар с размерами 2 фута (60,96 см) шириной, 3 фута (91,44 см) длиной и 2 фута (60,96 см) высотой; вес резервуара 270 (122,5 кг) фунтов. Воду необходимо нагреть от 70 до 95F (от 21 до 35С). Требуемое время нагрева – 1 час.

Сложение результатов уравнений 1) + 2) + 3) даст 6.75 кВт*ч; данное значение умножается на 1.20 для учета потерь через стенки резервуара и прочих потерь, что даст общую энергию в 8,1 кВт*ч. Посчитанная таким образом энергия делится на время нагрева (1 час) чтобы определить необходимую для нагрева мощность. Вычисления показывают, что в рассматриваемом случае необходим нагреватель мощностью 8,1 кВт. В зависимости от конкретного случая может применяться нагреватель мощностью от 7,5 до 10 кВт. Производители погружных нагревателей охотно дают бесплатные консультации по выбору оборудования, необходимого для процесса закалки. Очень важно проконсультироваться у этих специалистов по детализации таких вопросов, как нагрев специальных типов рабочих жидкостей и потери энергии с единицы площади рабочей жидкости в зависимости от температуры.

После того как закалочная система начнет функционировать и температура рабочей жидкости будет находиться в требуемом диапазоне, необходимо обеспечить рассеяние излишнего тепла. Тепловая энергия быстро накапливается в рабочей жидкости поскольку передается в нее при охлаждении закаливаемых деталей и при охлаждении индукционной установки. Суммарная тепловая энергия за час должна быть вычислена для того чтобы завод, закупающий индукционное оборудование, мог подготовить соответствующие системы охлаждения. Большинство предприятий используют эту энергию для получения горячей воды, используемой на предприятии.

Для отвода этого тепла в некоторых случаях используются кондиционеры, колодезная вода, речная вода, и даже вода из городского водопровода.

Общество с ограниченной ответственностью

«Индукционные Машины»

 

ИНН 0278194207 КПП 027801001

ОГРН 1120280048030

ОКАТО 80401390000 ОКПО 12702813

ОКОГУ 4210014 ОКФС 16 ОКОПФ 12165

Тел: +7(347)285-75-13

e-mail: im@imltd.ru

www: imltd.ru

 

Юридический адрес

450078, РБ, г.Уфа, ул. Владивостокская, 1а

Физический адрес

450071, г.Уфа, ул. 50 лет СССР, 39, корп.6

Почтовый адрес

450064, а/я 75

Яндекс.Метрика
Каталог предприятий: Официальные сайты фирм, адреса и телефоны организаций

Индукционные Машины, 2017

Закалочные станки * Индукционные установки * Электротермическое оборудование * Индукционные  вихревые нагреватели