Seria: T R A N SPO R T z.48 N r kol. 1604
Jan ŁUKOWSKI, M arcin STAŃCZYK, K rzysztof SZAROWICZ
OKREŚLENIE W YTYCZNYCH KONSTRUKCJI SYSTEMÓW OBRÓBKI CIEPLNEJ Z WYKORZYSTANIEM CHŁODZIW POLIMEROWYCH
Streszczenie. Artykuł zaw iera podstawowe wytyczne konstrukcyjne niezbędne przy projektowaniu nowoczesnych system ów obróbki cieplnej, w ykorzystujących jako chłodziwa hartownicze roztwory polim erow e. Szczególną uwagę zwrócono na dobór materiałów konstrukcyjnych i ergonom ię układów.
A DETERMINATION OF INSTRUCTIONS FOR HEAT TREATMENT SYSTEMS WHICH USE POLYMER QUENCHING FLUIDS
Summary. This paper presents the basic instructions for design o f a m odem heat treatm ent system which uses polym er quenching fluids. This paper also introduces problem s o f materials and ergonomics for integral coolin system.
1. W PROW ADZENIE
Zm iany w procesach technologicznych uw arunkow ane w zrostem w ym agań rynku, ja k rów nież m ożliw ościam i w spółczesnej inżynierii, spow odow ały konieczność rozw oju technologii obróbki cieplnej.
O bróbka cieplna szeroko stosow ana w produkcji części m aszyn je s t jed n y m z w ielu kierunków rozw oju technologicznego, którego celem je st osiągnięcie optym alnych w łasności wyrobu. Z espół w szystkich czynników , tj. szybkość i sposób nagrzew ania, a przede w szystkim m ożliw ości chłodziw hartow niczych, w arunkuje odpow iedni stan naprężeń po hartow aniu, strukturę i w łasności m echaniczne. W w iększości przypadków sterow any kom puterow o proces nag rzew an ia w sadu przed hartow aniem nie n astręcza w iększych trudności pod w zględem dotrzym ania param etrów term icznych. Istotnym problem em z punktu w idzenia końcow ych w łasności w yrobu je st proces oziębiania stali podczas hartowania. N a przestrzeni ostatnich kilkunastu lat zauw ażalny je s t znaczn y postęp zw iązany ze sposobami chłodzenia, a w szczególności jak o ścią i m ożliw ościam i w spółczesnych chłodziw hartow niczych. Stosow anie now ych kom ponentów w ym aga b u dow y now ych instalacji bądź m odernizacji istniejącego ju ż system u chłodzenia. P raw idłow y dobór m ateriałów oraz rozm ieszczenie elem entów składow ych układu stanow i o żyw otności i sprawności całej infrastruktury technicznej, a co się z tym w iąże - o k o sztach eksploatacji [1-3].
170 J. Ł ukow ski, M. Stańczyk, K. Szarow icz
2. TYPY I RODZAJE CHŁO DZIW HARTOW NICZYCH
W zależności od rodzaju obrabianego cieplnie m ateriału stosow ane są różnego rodzaju ośrodki chłodzące, po cząw szy od naturalnych, ja k np. w oda i oleje, poprzez solne roztw ory hartow nicze aż po syntetyczne roztw ory chłodzące now ej generacji. W ady i zalety w o d y oraz olejów hartow niczych są o gólnie znane. N iedostatki pow yższych m ediów doprow adziły do opracow ania syntetycznych chłodziw polim erow ych.
Polim erow e ośrodki chłodzące dzieli się na cztery grupy:
q PA G - glikole poliakrylenow e, a A C R - poliakrylany alkaliczne,
□ PV P - poliw inyle pirolidonow e,
□ PEO - polietyle oksazolinow e.
P olim ery typu P A G i PE O n ależ ą do grupy chłodziw , których m echanizm działania oparty je st na zm iennej rozpuszczalności w w odzie i uzależniony je s t od tem peratury ośrodka chłodzącego. P ozostałe d w a typy, tj. A C R i PV P, działają na podstaw ie zm ian y lepkości ośrodka chłodzącego w funkcji tem peratury.
W skład koncentratów oprócz głów nych składników w chodzą ponadto inhibitory korozji oraz dodatki antypienne, antybakteryjne, regulujące napięcie pow ierzchniow e, stabilizujące pH i inne. C h ło d ziw a te m ają szeroko różniące się w łasności, zaś dużą elastyczność charakterystyk hartow niczych m ożna uzyskać p o przez w ybór rodzaju polim eru, jeg o stężenia, tem peratury kąpieli i stopnia jej m ieszania. E fektyw ne stosow anie chłodziw polim erow ych zależy od w ielu czynników , tj. hartow ności stali, grubości przekroju, gładkości pow ierzchni w yrobu, typu pieca, konstrukcji układu chłodzenia oraz w ym aganych w łasności fizycznych w yrobu [1-7].
3. PROJEKTOW ANIE IN STALACJI DO OBRÓBKI CIEPLNEJ
Jednym z w ażniejszych aspektów chłodzenia, który bardzo często je s t pom ijany, je st kom pleksow y projekt system u chłodzenia. D zięki odpow iedniej konfiguracji osprzętu pom ocniczego i sterującego procesem , m ożna uzyskać optym alne w łasności obrabianego materiału. Podczas p rojektow ania now ego sytem u oraz m odyfikacji ju ż istniejących układów należy zw rócić uw agę n a szereg czynników , takich ja k [1-7]:
• łatw ość obsługi i sterow ania,
• w ym iary zbiornika (w anny) i jeg o pojem ność,
• m ateriał konstrukcji zb io rn ik a i osprzętu,
• rozm ieszczenie u kładów składow ych i spraw ny system transportu przem ysłow ego m iędzy nim i,
• ruch ośrodka chłodzącego,
• podgrzew anie i chłodzenie kąpieli,
• filtracja chłodziw a,
• m agazynow anie i p rzechow yw anie chłodziw a.
3.1. W ym iary i objętość zb iorn ik a
Z punktu w idzenia technologii całego procesu istotną sp raw ą są rozm iary zbiornika.
W ym iary gabarytow e dobierane są n a podstaw ie w ym iarów obrabianego w sadu przy uw zględnieniu dodatkow ych u rządzeń m ieszających, dozujących polim er, podgrzew ających itp. P odstaw ą praw idłow o przeprow adzonej obróbki cieplnej (chłodzenia) je s t m ożliw ość
całkowitego zanurzenia w sadu w chłodziw ie. N ależy zw rócić uw ag ę na to, aby w m iarę m ożliw ości w sad nie stykał się z dnem . Z apew nia to praw idłow e chłodzenie całej pow ierzchni obrabianego przedm iotu. K onstrukcja zbiornika p ow inna pozw alać na sw obodną m anipulację w sadem oraz zachow anie odpow iednich param etrów ruchu ośrodka.
Pojem ność zb io rn ik a należy dobrać tak, aby podczas obróbki nie następow ał nadm ierny w zrost poziom u lustra chłodziw a, co w połączeniu ze w zrostem tem peratury, a co za tym idzie, przyrostem objętości, nie prow adziło do przelew ania chłodziw a na zew nątrz w anny.
Z punktu w idzenia p opraw ności procesu niezbędna objętość chłodziw a o kreślana je s t na podstaw ie m asy w sadu i je g o rodzaju. W przypadku zbiorników bez dodatkow ych instalacji chłodzących niezb ęd n ą ilość chłodziw a m ożna określić na podstaw ie poniższego rów nania:
m asa w sadu (m etalu) x ciepło w łaściw e w sadu (m etalu) x spadek tem peratury w sadu
m asa chłodziw a x ciepło w łaściw e chłodziw a x w zrost tem peratury chłodziw a
3.2. M ateriały konstru k cyjn e
Preferow anym m ateriałem na kom pleksow e konstiukcje system ów chłodzenia są stopy żelaza. M iękkie stale są polecane na poszycia zbiorników , natom iast żeliw a na osprzęt, tj. korpusy pom p, zaw ory, itp. M iedź oraz stopy m iedzi nie pow in n y być stosow ane w instalacjach, gdzie chłodziw am i są oleje hartow nicze, gdyż w ch o d zą one z nim i w reakcje chemiczne. Stopy nieżelazne, tj. stopy cynku i m agnezu, m o g ą reagow ać z zasadow ym i środkami polim erow ym i i z tego w zględu pow inny w m iarę m ożliw ości być elim inow ane z konstrukcji integralnych u kładów chłodzenia. Pokrycia galw aniczne zbiorników w przypadku stosow ania chłodziw p o lim ero w y ch też nie są polecane.
Zabezpieczenia antykorozyjne zbiorników pow inny być realizow ane na drodze pokryć lakierniczych opartych n a lakierach epoksydow ych.
3.3. E rgonom ia układu
Podczas p rojektow ania układów chłodzenia pracujących w trybie ciągłym (rys. 1) należy zw rócić u w ag ę n a rozm ieszczenie i typ poszczególnych u rządzeń system u transportow ego itp. W p rzypadku gdy m am y do czynienia z chłodzeniem natryskow ym lub kurtynam i chłodzącym i, gdzie po d ajn ik w sadu znajduje się bezpośrednio nad chłodziw em lub głównym zbiornikiem , należy uw zględnić efekt parow ania chłodziw a. B ardzo często dochodzi do sytuacji, w których odparow ane cząsteczki chłodziw a d o stają się do strefy grzewczej pieca. T ego ty p u efekt je s t niedopuszczalny w przypadku pieców o kontrolow anej atm osferze strefy grzew czej. P onadto zm ienna tem peratura i w ilgotność m oże w pływ ać na odkształcenie taśm przenośników . W tego typu przypadkach należy zw rócić uw agę na system w entylacji układu, um ożliw iający usunięcie odparow anego chłodziw a.
W w ielu p rzypadkach przenośniki taśm ow e zastępow ane są przenośnikam i łańcuchowym i. W celu p o p raw y w arunków pracy przenośników m o g ą być u m ieszczane pod kątem bądź stosow ane s ą specjalne osłony, które w pływ ają na zm niejszenie odkształceń podzespołów p rzenośnika p odczas pracy.
172 J. Ł ukow ski, M. Stańczyk, K. Szarow icz
Rys. 1. Schem at system u chłodzenia pracującego w system ie ciągłym [2]
Fig. 1. Schem atic arrangem ent o f quenching system in a continuous fu m ace [2]
3.4. Ruch ośrodka ch łodzącego
Ruch ośrodka m a bardzo istotny w pływ na szybkość chłodzenia. R edukuje on czas trw ania fazy parow ej i p ow oduje w zro st m aksym alnej szybkości chłodzenia. E fektyw ny ruch ośrodka zapew nia je d n o lity rozkład tem peratury w całej objętości w anny, co w rezultacie w pływ a na w łasności obrabianego w sadu.
Ruch ośrodka m oże być w ym uszony na kilka sposobów . N ajczęściej spotykane są układy z pom pam i napędzanym i silnikam i elektrycznym i. U sytuow anie urządzeń w ym uszających ruch ch ło d ziw a lub sam ych dysz pow inno być tak zap rojektow ane, aby chłodziw o było bezpośrednio u noszone ku górze dookoła chłodzonego elem entu.
Zastosow anie m ieszad ła śm igłow ego stanow i najprostsze ro zw iązanie. Jednak w niektórych przypadkach m oże stanow ić to problem ze w zględu n a o g ra n ic z o n ą objętość zbiornika, w której m ontow ane są dodatkow e urządzenia. M o g ą one przeszk ad zać podczas załadunku i m anipulacji w sadem . W tego typu przypadkach w arto k orzystać z zew nętrznych pom p i układu dysz m ontow anych bezpośrednio w w annie hartow niczej.
N ie p oleca się m ieszania kąpieli za p om ocą sprężonego pow ietrza. Pow oduje to utlenianie, szybsze starzenie się ośrodka chłodzącego oraz jeg o n ad m iern e pienienie.
Sprężone pow ietrze w pływ a rów nież negatyw nie na jednorodność chłodziw a. P onadto pow staje m ożliw ość w p ro w ad zen ia zanieczyszczeń, bakterii, grzybów itp.
3.5. System ogrzew ania i chłodzenia
W szystkie chłodziw a hartow nicze p o siad ają sw o ją o ptym alną tem p eratu rę pracy.
W przypadku chłodziw polim erow ych tem peratura ośrodka, oprócz stę ż e n ia polim eru w w odzie oraz intensyw ności m ieszania, m a znaczący w pływ na szybkość ch ło d ze n ia (rys. 2).
Z tego w zględu istotne znaczenie m a kontrola tem peratury, a w szczeg ó ln o ści m ożliw ość podgrzew ania i chłodzenia ośrodka hartow niczego.
Szybkość chłodzenia [°C/s]
Rys. 2. W pływ tem peratury ośrodka ty p u PA G na szybkość chłodzenia Fig. 2. The effect o f tem perature on quenching charakteristics for PA G
O grzew anie chłodziw a m oże odbyw ać się na k ilk a sposobów . M o żn a stosow ać ogrzewanie elektryczne (oporow e), ogrzew anie za p o m o cą w y m ien n ik ó w ciep ła zasilanych gazem, olejem b ądź w ykorzystując „zbędne” ciepło z różnego rodzaju pieców . M aksym alna moc grzew cza elektrycznych źródeł ciepła nie pow inna przek raczać 15 k W /m 2. W iększe moce m ogą pow odow ać lokalne przegrzew anie chłodziw a, co w konsekw encji prow adzi do szybszej degradacji ośrodka. E fekt taki m oże być rów nież skutkiem zbyt m ałej prędkości m chu chłodziw a podczas nagrzew ania.
C hłodzenie m ediów m oże odbyw ać się poprzez:
• zanurzeniow e w ym ienniki ciepła,
• chłodzenie zew nętrznych pow ierzchni zbiorników ,
• zew nętrzne w ym ienniki ciepła chłodzone cieczą,
• zew nętrzne w ym ienniki ciepła chłodzone pow ietrzem .
Pierwsza i druga m etoda schładzania o ograniczonych m ożliw ościach stosow ana je s t w małych system ach chłodzenia. N a skalę przem ysłow ą, ze w zględu n a sw ą skuteczność, stosowane są układy z chłodnicam i zew nętrznym i (rys. 3). W p rzypadku stosow ania chłodnic typu pow ietrze - ciecz p referuje się usytuow anie w ym ienników ciepła na zew nątrz hali.
Zapobiega to nadm iernem u m ch o w i pow ietrza w okolicach zbiornika, a co się z tym w iąże, zm niejsza się praw dopodobieństw o zanieczyszczenia bakteryjnego i zapylenia.
W celu zapew nienia m aksym alnej skuteczności chłodzenia ciecz p ow inna być pobierana z górnych partii zbiornika, a następnie kierow ana poprzez w ym ienniki ciepła w okolice dna w anny hartowniczej.
174 J. Łukow ski, M . Stańczyk, K. Szarow icz
Rys. 3. Z ew nętrzny w y m iennik ciepła chłodzony cieczą [2]
Fig. 3. W ater-cooled heat exch an g er o f the shell and tube type [2]
Stopy m iedzi i alum inium ze w zględu na m ożliw ość reakcji z ośrodkam i polim erow ym i lub olejam i hartow niczym i nie są polecane do budow y chłodnic. W ielkość chłodnic, ja k rów nież zespół param etrów ch ło d zen ia pow inny być tak dobrane, ab y zapew niały skuteczny odbiór ciepła podczas ch ło d zen ia gorącego wsadu.
4. PODSUMOWANIE
C hłodziw a polim erow e w porów naniu do podstaw ow ych m ediów hartow niczych, takich ja k w oda i olej, p o zw alają n a szersze zastosow anie w o bróbce cieplnej różnych gatunków stali. Szereg czynników ekologicznych, ekonom icznych i technologicznych pow oduje, że chłodziw a syntetyczne coraz częściej s ą stosow ane i coraz częściej w y p ierają standardow e m edia z rynku. Szeroka gam a chłodziw polim erow ych um ożliw ia obróbkę stali konstrukcyjnych, ja k rów nież stopow ych. D uża uniw ersalność tego typu chłodziw pow oduje, że coraz częściej podczas p rojektow ania lub m odyfikacji układów chłodzenia instalacje te projektuje się z m yślą o now oczesnych chłodziw ach syntetycznych. W ysokie w ym ogi w spółczesnego rynku pow odują, że stosow ane do tej p ory technologie nie po zw alają na osiągnięcie optym alnych w łasności gotow ego w yrobu. Z m iany w system ie chłodzenia, a w szczególności m ożliw ość p recyzyjnego sterow ania param etram i obróbki cieplnej w p rzy p ad ku roztworów polim erow ych, p o zw alają na szeroką korektę w łasności w ytrzym ałościow ych, plastyczności, udam ości stali itp. Stabilność procesu i pow tarzalność w yników po hartow aniu w chłodziw ach p olim erow ych w w arunkach przem ysłow ych stanow ią o w ysokich w alorach technologicznych i ekonom icznych tego typu chłodziw .
L iteratura
1. Lalik S., N iew ielski G., Hetmańczyk M.: Wpływ chłodziw hartowniczych na strukturę i właściwości odkuw ek ze stali 40HNMA, Inżynieria M ateriałowa nr 4, 2001.
2. Houghton on Q uenching - katalog handlowy firmy Hougton.
3. Szewieczek D.: Obróbka cieplna materiałów metalowych, W ydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1998.
4. Michels W.H.: Pollution - provention Analysis o f Oil and Polym er Q uenching in the Heat Treatment o f Steel, H eat Treatm ent ofM etals nr 1, 1995.
5. Hasson J.: Quench system design factors, Advenced M atenals & Processes, nr 9, 1995.
6. Han S.W., Kang S.H., Totten G.E., W ebster G.M.: Immersion time quenching, Advenced M aterials & Processes, nr 9, 1995.
7. Totten G.E., W ebster G.M ., Blackwood R.R., Jarvis L.M., N arum i T.: Designing chute quench for continuous fum ace heat treating effectively, Industrial Heating, n r 11, 1995.
R ecenzent: D r hab. inż. E ugeniusz H adasik
A bstract
One o f the m ost perspective directions o f technology developm ent o f thermal processing are the improving thermal procedures, in w hich solutions o f polym er synthetic cooling are used as chilling means. The main benefits o f polym er hardening means using contain in three categories:
ecological, technological and productive. The range o f polym er cooling usage in thermal processing will constantly grow because o f fire-resistance, washing elimination, fat and dry- cleanings, which are essential after processing in other cooling means.
