Способ создания охлаждающей среды с регулируемыми теплофизическими свойствами

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения и может быть использовано для закалки изделий, выполненных из углеродистых и легированных сталей. Для расширения диапазона закаливания изделий из различных металлов за счет управления в расширенном диапазоне интенсивностью отвода тепла в качестве охлаждающей жидкости используют водовоздушную среду, которую создают в кавитирующем устройстве, и в результате структура потока охлаждающей среды состоит из кавитационных парогазовых пузырьков, диспергированных в потоке воды, при этом водовоздушную среду, имеющую приведенную плотность 1-0,01 г/см³, создают из воды и диспергированных в ней кавитационных парогазовых пузырьков с диаметром 10^-6-10^-3 м и в количестве 10³-10⁶, проходящих в секунду через 10^-4 м² поперечного сечения потока.

 

Изобретение относится к металлургии и машиностроению и может быть использовано для закалки изделий, выполненных из углеродистых и легированных сталей.

Известен способ охлаждения проката (авторское свидетельство СССР №619524, C21D 1/60), в котором повышение эффективности охлаждения и экономичности процесса при термической обработке проката достигается путем подачи на охлаждаемую поверхность водовоздушной смеси с дальнейшим ее испарением. Охлаждение происходит с помощью последовательно расположенных секций, на каждой из которых производится охлаждение проката из спрейерных устройств. Воду, отработанную в предыдущей секции, подают на поверхность охлаждаемого проката в последующей секции, а по достижении водой температуры 85-90°С из нее создают водовоздушную смесь и дальнейшее охлаждение в требуемом диапазоне температур осуществляют путем подачи этой смеси на поверхность проката. Основное количество тепла отбирается в испарительной секции с использованием нагретой до температуры кипения водовоздушной смеси. Использование данного способа обеспечивает интенсификацию процесса охлаждения путем повышения коэффициента теплоотдачи и значительное уменьшение расхода воды за счет полного использования, по мнению авторов, ее теплофизических свойств.

Недостаток способа заключается в отсутствии возможности достичь оптимальных режимов охлаждения, которые можно организовать путем изначальной подачи водовоздушной смеси на поверхность проката в первой секции. Кроме того, отсутствует возможность регулирования скорости охлаждения.

В Уральском Государственном Техническом Университете (УГТУ-УПИ г. Екатеринбург [phone]; email: [e-mail]) разработан способ охлаждения (закалки) металлических изделий в водовоздушных смесях (среда водяного тумана) как альтернативный закалке в масло. Водовоздушная смесь, содержащая капли воды заданной дисперсности, создается специальными устройствами и равномерно распределяется по поверхности охлаждаемого тела. Регулирование скорости охлаждения обеспечивается за счет изменения плотности орошения поверхности водовоздушной смесью с неизменными теплофизическими свойствами.

Недостатком способа является ограниченное регулирование интенсивности отвода теплоты, которое, главным образом, достигается за счет варьирования плотности орошения независимо от структуры потока охлаждающей среды и ее теплофизических свойств.

Известен способ управляемого охлаждения при термообработке изделий из различных материалов, металлов и их сплавов водовоздушной смесью и устройство для его осуществления (Евроазиатский патент №006413, C21D 11/00, 1/667). Способ включает регулирование для каждой зоны охлаждения, рассчитанного с помощью ЭВМ, до температуры, определяющей окончание фазовых преобразований. Использование способа позволяет производить закалку водовоздушной смесью, при которой охлаждение всей партии одинаковых изделий проводят в импульсном режиме по одному, заранее рассчитанному, режиму и заданной величине отклонения температуры (глубина термоцикла) при микро- и термоциклировании процесса охлаждения. Регулирование закалочного охлаждения водовоздушной смесью осуществляется путем импульсно-периодической подачи двухфазной среды при помощи программного управления работой каждой форсунки в режимах «открыт-закрыт».

Недостатком данного способа является необходимость для достижения требуемых режимов теплосъема экспериментального подбора длительности импульса (времени воздействия водовоздушного потока на объект) в процессе охлаждения при постоянных теплофизических параметрах охлаждающей среды. Природа регулирования носит технологический характер и обеспечивается автоматизированной системой подачи с заданной периодичностью закалочной водовоздушной среды, причем рассматриваемая среда представляет собой смесь капель воды с водяными парами и воздухом. Такой подход к созданию охлаждаемых сред является традиционным и применяется повсеместно для технологических операций охлаждения.

Задачей предложенного способа является расширение диапазона закаливания в охлаждающей жидкости изделий из различных металлов за счет управления в расширенном диапазоне интенсивностью отвода тепла.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в качестве охлаждающей среды используется водовоздушная среда, которая создается в кавитирующем устройстве. В результате структура потока охлаждающей среды состоит из кавитационных парогазовых пузырьков, диспергированных в потоке воды.

Сущность способа создания водовоздушной среды с регулируемыми теплофизическими свойствами заключается в том, что водовоздушную среду, имеющую приведенную плотность 1-0,01 г/см³, создают из смеси воды и диспергированных в ней кавитационных парогазовых пузырьков с диаметром 10^-6-10^-3 м и концентрацией 10³-10⁶ пузырьков, проходящих в секунду через 10^-4 м² поперечного сечения потока.

Регулирование теплофизических свойств (теплоемкость, теплопроводность) достигается за счет требуемой концентрации и размера парогазовой фазы, при этом интенсивность отвода тепла от нагретых поверхностей металлических изделий может изменяться от максимальных скоростей охлаждения в воде до минимальных скоростей, обеспечиваемых использованием в качестве закалочных сред масла и воздуха.

В технологическом процессе горячей штамповки на ковочном прессе при начальной Т=1050-1100°С и конечной 950-980°С температурах традиционно применяемая при закалке изделий из углеродистых и легированных сталей термообработка ведется путем закалки в масло с последующим отпуском в печи. Предлагаемый способ позволяет после горячей штамповки на ковочном прессе изделие с конечной температурой 950-980°С подвергнуть закалке двухфазной водовоздушной средой с регулируемыми теплофизическими свойствами при температуре 80-90°С без последующего отпуска с обеспечением заданной структуры и твердости материала. Способ реализован для закалки цилиндрических образцов из стали 60С2, при этом охлаждающая двухфазная водовоздушная среда создается в кавитирующем устройстве типа трубки Вентури. Вода подается на вход кавитирующего устройства под давлением 0,21 МПа, с массовым расходом 0,25 кг/с. При прохождении сужающегося участка трубки в потоке воды возникают кавитационные парогазовые пузырьки. Для реализованного случая приведенная плотность среды составила 0,18 г/см³, диаметр кавитационных пузырьков оценивался порядком 10^-3 м, их концентрация при прохождении в секунду через 10^-4 м² поперечного сечения потока составила 10³ пузырьков. При этом теплоемкость среды 1,56 кДж/(кг·град), коэффициент теплопроводности 0,138 Вт/(м·град). Скорость охлаждения, характеризующая интенсивность отвода тепла, изменялась в диапазоне 100-120 град/с.

Для легированной стали 30ХН2МФА для достижения скоростей охлаждения

150-200 град/с давление воды 0,3 МПа массовым расходом 0,5 кг/с. Приведенная плотность среды составила 0,57 г/см³, диаметр кавитационных пузырьков оценивался порядком 10^-4 м, их концентрация при прохождении в секунду через 10^-4 м² поперечного сечения потока составила 5·10³ пузырьков. При этом теплоемкость среды 2,87 кДж/(кг·град), коэффициент теплопроводности 0,39 Вт/(м·град).

В результате закалки получена твердость от 35 HRC до 50 HRC в зависимости от расхода воды и температуры нагрева стали под закалку. Кроме того, структура полученных образцов имела различные формы - от бесструктурного мартенсита до пластинчатого перлита без дополнительного отпуска. Проведенные исследования показали возможность применения двухфазной водовоздушной среды для закалки высокоуглеродистых и легированных сталей марок типа 60С2, Ст40, Ст50, 40ХНМА, 30ХН2МФА, 65Г, 65С2ВА без проведения дополнительного отпуска. При этом теплофизические свойства закалочной (охлаждающей) среды изменялись для каждой конкретной стали с учетом обеспечения заданного теплосъема охлаждающей средой (соотношением количество воздуха - количество воды) при температуре Т=80-90°С.

Применение способа позволит.

1. Сократить этапы технологических операций в комплексном процессе изготовления изделий и снизить расходы материала и времени на производство.

2. Повысить уровень безопасности проведения работ за счет отказа от применения агрессивных сред, таких как масло, эмульсии, керосин, обеспечивая при этом нормативы противопожарного состояния.

3. Улучшить экологические параметры производства, минимизировав вредные выбросы в окружающую среду.

Способ закалки изделий охлаждающей водовоздушной средой с регулируемыми теплофизическими свойствами, отличающийся тем, что закалку осуществляют в водовоздушной среде, имеющей приведенную плотность 0,01-1,0 г/см³ и состоящей из воды и диспергированных в ней кавитационных парогазовых пузырьков с диаметром 10^-6-10^-3 м и в количестве 10³-10⁶, проходящих в секунду через 10^-4 м² поперечного сечения потока воды.