Soľné kúpele — prístroj a aplikácia
Pri zahrievaní produktov v kvapaline je možné vďaka vysokým hodnotám koeficientu prenosu tepla z kvapaliny na kov dosiahnuť výrazne vyššiu rýchlosť ohrevu. Na druhej strane, vzhľadom na oveľa vyššiu tepelnú vodivosť kvapalín v porovnaní s plynmi, teplotné rozloženie v nich musí byť rovnomernejšie, a preto ohrev jednotlivých produktov alebo častí produktu bude prebiehať za rovnakých podmienok.
Najvyššiu rýchlosť ohrevu možno dosiahnuť v tekutom kove, ako je roztavené olovo. Olovený kúpeľ je železný téglik naplnený olovom, inštalovaný v šachtová elektrická pec pod krytom výfuku. Keď sa olovo roztopí a dosiahne vopred stanovenú teplotu, spustia sa do neho malé súčiastky, ktoré sa rýchlo zohrejú napríklad na kalenie alebo temperovanie, pričom tepelná vodivosť olova zaisťuje vysokú rovnomernosť ohrevu súčiastok, ktoré do neho padajú. ale olovený kúpeľ má niekoľko významných nedostatkov:
• škodlivá práca s olovom, najmä pri vysokých teplotách,
• nemožnosť použitia na ohrev na teploty nad 800 °C (pri vyšších teplotách sa olovo intenzívne odparuje),
• nízka tepelná kapacita olova, vďaka čomu sa pri ponorení do väčších častí rýchlo ochladzuje.
V dôsledku toho boli olovené kúpele len obmedzené. Na rozdiel od olova našli rôzne soli, dusičnany a zásady oveľa širšie uplatnenie. Pretože množstvo použitých solí, dusičnanov a zásad má veľmi rozdielne teploty topenia, pre akúkoľvek teplotu v rozsahu od 250 do 1300 °C je možné zvoliť takú soľ alebo zmes solí, aby sa pri tejto teplote odparovala málo a pri rovnakej teplote. čas je plynulý. Tabuľka 1 uvádza teploty topenia a oblasti použitia niektorých solí a dusičnanov.
Soľné a soľné kúpele konštrukčne vykonávané ako kúpele s vonkajším ohrevom, kúpele s vnútornými ohrievačmi a elektródami... Prvé dva typy sa vykonávajú pri relatívne nízkych teplotách — ide najmä o soľné a alkalické kúpele používané na tepelné spracovanie profilov a plechov z ľahkých zliatin. (450 - 525 °C).
Vonkajšie vyhrievané soľné kúpele sú obdĺžniková alebo kruhová nádoba zváraná z hladkej uhlíkovej ocele umiestnená v šachte s kovovými ohrievačmi.
Soľné kúpele s vnútornými ohrievačmi sú vyrobené rovnako, ale nemajú vonkajšie vykurovacie telesá a namiesto toho sú rúrkové hermetické vykurovacie telesá ponorené do dusičnanov. Majú významné výhody:
1. O niečo menšie rozmery a nižšie tepelné straty v porovnaní s vonkajšími ohrievacími kúpeľmi,
2. spotreba vykurovacích zliatin je v nich desaťkrát menšia,
3.Sú bezpečnejšie, pretože dusičnany môžu pri prehriatí v prítomnosti oxidov železa explodovať a k takémuto prehriatiu vo vonkajších vyhrievacích kúpeľoch môže dôjsť v dôsledku kontaminácie spodných vrstiev dusičnanov, čo má za následok prehriatie dna kúpeľa spodnými ohrievačmi.
Nevýhodou rúrkových ohrievačov v dusičnanových kúpeľoch je ich krátka životnosť v dôsledku vysokej teploty a korózie plášťa rúrky dusičnanmi.
Tabuľka 1. Teplota topenia a rozsah niektorých solí
Soľné a alkalické kúpele oboch typov dosahujú veľmi veľké rozmery (dĺžka 6-8 m) a výkon niekoľko stoviek kilowattov.Pre vyššie teploty sa používajú vane s elektródou. Sú to kovový alebo keramický téglik naplnený soľou, do ktorého sa spúšťajú kovové elektródy napájané znižovacím transformátorom s napätím 8-25 V.
V studenom stave soľ sotva vedie prúd, ale ak je ohrievaná nejakým vonkajším zdrojom, potom sa medzi elektródami vytvorí prúd a uvoľní Jouleovo teplo do soli. Preto samotná roztavená soľ slúži ako ohrievač v takých kúpeľoch, v ktorých sú ponorené predmety, ktoré sa majú ohrievať.
Elektródové vane sa dodávajú s krytom a vonkajšími elektródami. Prvé sa v súčasnosti nevyužívajú z dôvodu nízkej účinnosti a nerovnomerného ohrevu. V takýchto kúpeľoch nie je prúdová hustota na povrchu elektród v dôsledku veľkých rozmerov elektród vysoká, preto v nich existuje iba prirodzená tepelná cirkulácia soli, ktorá vyrovnáva teploty v elektródach pozdĺž výšky. Napriek tomu v takýchto kúpeľoch môže teplotný rozdiel v hornej a dolnej úrovni dosiahnuť 20-25 ° C.
Hlavnou nevýhodou takýchto kúpeľov je teda nedostatočne intenzívna cirkulácia soli, čo vedie k zníženiu rýchlosti ohrevu produktov, a tým aj prevádzky kúpeľa, a k nerovnomernému rozloženiu teploty v ňom pozdĺž výška.
Navyše v týchto kúpeľoch prúdové vedenia naplnia takmer celý objem soli; preto prúd preteká aj cez produkty. Pri ich nepriaznivom tvare (ostré hrany, tenké mostíky medzi dvoma časťami výrobku) sa v nich môžu koncentrovať zvýšené prúdové hustoty, čo povedie k prehriatiu a môže viesť k odmietnutiu alebo dokonca roztaveniu.
Ryža. 1. Soľný kúpeľ so vzdialenými elektródami a priečkou: 1 — vaňa, 2 — obklad, 3 — zástera, 4 — dáždnik, 5 — priečka: 6 — pyrometer, 7 — elektróda, 8 — žiaruvzdorné murivo, 9 — tepelná izolácia.
Tieto nevýhody prekonávajú elektródové soľné kúpele s vonkajšími elektródami, ktoré sú čoraz rozšírenejšie. V nich sú elektródy dve tyče s obdĺžnikovým alebo kruhovým prierezom, spustené do soli vo vzdialenosti 25-50 mm od seba.
V takýchto kúpeľoch sú takmer všetky prúdové vedenia umiestnené v priestore medzi dvoma elektródami, preto cez vyhrievané časti prechádzajú len nepatrné prúdy a ich jednotlivé body sa neprehrievajú. Navyše, aby sa úplne vylúčil prechod prúdu časťami, časť komory, kde sú umiestnené elektródy, môže byť oddelená od jej pracovnej časti prepážkou (obr. 1).
Keďže prúdová hustota medzi tyčami je veľmi vysoká, soľ medzi nimi sa prehrieva a začína intenzívna tepelná cirkulácia a ohriate častice soli stúpajú do priestoru medzi elektródami a na hornej úrovni sa rozchádzajú cez objem kúpeľa, zatiaľ čo chladnejšie spodné vrstvy sa vkladajú do medzielektródového priestoru pod nimi.
Pri veľmi vysokých prúdových hustotách medzi elektródami (asi 15-25 A / cm2) začnú prevládať elektromagnetické sily, ktoré vrhajú soľ dole do medzielektródového priestoru, v dôsledku čoho sa obráti smer cirkulácie a jej intenzita sa zvyšuje. Takáto nútená cirkulácia soli výrazne zvyšuje tak koeficient prenosu tepla zo soli do produktov, ako aj rovnomernosť ohrevu produktov pozdĺž výšky kúpeľov (až do ± 3 ° C).
Kvôli spomínaným výhodám sa v poslednej dobe čoraz viac využívajú vane s vonkajšími elektródami. Soľné kúpele sa vyrábajú jednofázové a trojfázové (obr. 1) pri výkonoch od 20 do 150 kW a pri rôznych teplotách až do 1300 °C. Používajú sa na ohrev rôznych produktov na kalenie a temperovanie a predovšetkým na náradie (napr. rýchlorezné ocele), ako aj na izotermické žíhanie.Navyše výberom vhodného zloženia solí v nich je možné zabezpečiť vykonávanie operácií termochemického spracovania, nauhličovania a kyanidácie ocelí.
Známou výhodou ohrevu v soľných kúpeľoch je pokrytie predmetov vybratých z kúpeľa tenkou vrstvou soli. Táto fólia chráni povrch produktu pred oxidáciou na vzduchu a zároveň praská a odskakuje pri chladení alebo pri ponorení do chladiacej nádrže.
Žiaruvzdorné kovové tégliky elektródových kúpeľov pracujúcich do 1000°C sú vyrobené z chrómniklových ocelí a ich životnosť možno predpokladať na 1 rok. Keramické tégliky je možné použiť do 1400°C, je možné ich úplne zhutniť, vypáliť alebo zostaviť z jednotlivých vypálených vysokohliníkových keramických platní spojených dohromady v roztoku.
Elektródy môžu byť vyrobené z chrómniklových ocelí alebo nízkouhlíkových ocelí, napríklad triedy 10. Elektródy zostanú vo vysokoteplotných kúpeľoch 3-6 mesiacov, v strednoteplotných až jeden rok.
Dôležitú úlohu zohráva usporiadanie krytov soľného kúpeľa... Otvorené soľné zrkadlo vyžaruje množstvo energie rovnajúce sa asi 5-6 násobku tepelnej straty uzavretého kúpeľa pri 1000 ° C. Preto musí byť kryt kúpeľa dostatočne izolovaný , zároveň sa musí dať pri nakladaní a vykladaní ľahko sklopiť alebo posunúť nabok. Výrazné zníženie strát kúpeľňového zrkadla možno dosiahnuť potiahnutím jeho povrchu vrstvou uhlíkového prášku z bunkového grafitu.
Keďže soľ nie je vedená v studenom stave, je potrebné ju na spustenie kúpeľa zohriať. Najpohodlnejšie je použitie počiatočného odporu nichrómu. Ten sa pred stuhnutím kúpeľa ponorí do soli a pripojí k dvom elektródam. Keď sa kúpeľ zahrieva, prúd transformátora pretekajúci odporom ho ohrieva, vďaka čomu sa vrstvy soli susediace s odporom zahrievajú a naopak začínajú viesť. Potom sa rezistor vypne a odstráni zo soli.Pre takýto odpor môže byť povolený veľmi vysoký špecifický povrchový výkon rádovo 10-15 W / cm2. Treba však mať na pamäti, že pri práci v soli sa nichróm stáva veľmi krehkým a vyžaduje opatrné zaobchádzanie.
Niekedy sa namiesto kovového odporu medzi elektródami po vypnutí pece položia kúsky elektródového uhlia, ktoré sa zahrievaním pri zapnutí kúpeľa zahrievajú soľ. Nakoniec môžete soľné oblasti v blízkosti elektród jednoducho zahriať plynovým horákom. Prevádzka vyhrievania kúpeľa je pomerne dlhá, takže niekedy je lepšie neochladiť vane cez noc a nechať ich zapnuté pri zníženom napätí.
Okrem prerušovaných elektródových kúpeľov sa používajú aj kontinuálne jednotky... Pre jednotlivé kúpele je možné nad vaňou použiť dopravný pás, ktorý prenáša diely a ponorí ich do soli. Jednotky pre zložité procesy tepelného spracovania, vykonávané postupne v niekoľkých kúpeľoch, sú zložitejšie, pretože to vyžaduje vytvorenie striedavého pohybu dielov v horizontálnom a vertikálnom smere. Zvyčajne sa táto úloha rieši pomocou dopravníka alebo karuselu so zdvíhacím zariadením.
V porovnaní s konvenčnými elektrickými pecami majú soľné kúpele nasledujúce výhody:
1. vysoká rýchlosť ohrevu a tým aj vysoký výkon pri rovnakých rozmeroch,
2. jednoduché vykonávanie rôznych typov tepelného a termochemického spracovania,
3. ochrana výrobkov pred oxidáciou počas zahrievania a chladenia.
Nevýhody soľných kúpeľov sú nasledovné:
1.vysoká merná spotreba energie v dôsledku zvýšených tepelných strát z kúpeľňového zrkadla a nutnosť jeho nepretržitej prevádzky z dôvodu trvania a zložitosti vykurovania (tá spôsobuje prevádzku pod zaťažením),
2. pomerne vysoká spotreba soli,
3. sťažené pracovné podmienky aj pri dobrom vetraní.
Prevalencia soľných kúpeľov sa vysvetľuje tým, že v mnohých prípadoch ich výhody prevažujú nad nevýhodami.
Pre najnižšie teploty sa používajú olejové kúpele, vykonávané s vnútorným aj vonkajším ohrevom. Elektródové kotly na ohrev vody a výrobu vodnej pary fungujú rovnako ako elektródové soľné kúpele.