RACIONÁLIS ENERGIAFELHASZNÁLÁS, ENERGIATAKARÉKOSSÁG 3.1 4.2
Energiatakarékos bevonatok vákuumkemencék teljesítményfokozására Tárgyszavak: vákuumkemence; feketetest-sugárzás; burkolatok; energiamegtakarítás.
Nagy vákuumkemencék izzó zónáinak teljesítmény- és élettartam-növelésére a hagyományosan alkalmazott tiszta molibdén helyett új ötvözött anyagokat alkalmaznak. A fűtőelemnek ellenállónak kell lennie elhajlás és egyéb alakváltozást okozó deformációs hatásokkal szemben. A sugárzás elleni védelem biztonságosabb, és csökken a gázhűtésű fúvókák törési hajlama, amely egyébként a legáltalánosabb hibaforrás az izzó zónában. A kemence teljesítményét az izzó zónában alkalmazott új anyagok – a molibdénötvözetek és a kis mennyiségben adalékolt nemesített molibdén – jelentősen befolyásolják. A Plansee Ag. (Reutte, Ausztria) feketetestszerűen sugárzó fűtőelemeket ajánl, amelyekkel jelentős energiamegtakarítást lehet elérni. A nagyméretű vákuumkemencék mintegy 25%-ában jelenleg tiszta fém van a belső izzó zónákban. A kemencék általában 1315 °C hőmérsékleten üzemelnek. Több villamos energiát használnak, mint a szigetelt típusok: grafitfelület/grafitbélés, grafitlemez/grafitbélés, molibdén/grafitbélés és molibdén/kerámiaszállal béleltek. Az új sugárzó fűtőelemek (kombinálva speciálisan kezelt, fémből készült sugárzásvédő borítással) 15–20% energiamegtakarítást eredményeznek. A hőkezelési műveletek gyors lehűtést, leszívatást (kívánt vákuum eléréséig) és ultratisztaságú műveleti környezetet igényelnek (1. táblázat). 1. táblázat Vákuumkemencék izzó zónáinál alkalmazott szokásos és új anyagok előnyei és hátrányai Izzó zóna anyaga Tiszta fém (Mo) Tiszta fém (ML)* Tiszta fém („Enerzone”) Tiszta Mo/kerámia Grafitfelület/grafitbélés Vékony fémfólia/grafitbélés
Hűtési sebesség
Vákuum minősége
kiváló kiváló kiváló elfogadható elfogadható jó
kiváló kiváló kiváló jó jó elfogadható
Energiaszükséglet gyenge gyenge jó jó kiváló kiváló
Tartósság elfogadható kiváló kiváló elfogadható jó elfogadható
*Lantán-oxiddal adagolt molibdén
BME–OMIKK – Energiaellátás… 2002/4.
3
Mind a TZM∗∗, mind az ML és az előoxidált PM 2000 szuperötvözet (forrasztási anyagok hőkezelésére használva) alkalmazásánál az izzó zónában jelentősen nőtt a kemence élettartama a hagyományos konstrukcióval szemben. Az emisszióképesség és a feketetest fogalma A hevített tárgyak mint a vákuumkemencék molibdén vagy grafit fűtőelemei megfelelő hullámhossztartományban sugárzó energiát emittálnak a villamos energia hatására. A fűtőelem hőmérsékletének emelkedésével a kisugárzott energia hullámhossza rövidebb lesz, és az energia növekszik. Az energiát emittáló fűtőtestek a látható és az infravörös tartományban sugároznak. Általában a polírozott (reflektív) fémfelületek emisszióképessége kisebb. Az emisszióképesség növekszik a hőmérséklet emelésével. Legtöbb nem fémes anyag emisszióképessége nagyobb, mint a fémeké, ugyanakkor a felület minőségétől nagymértékben változik az emisszióképesség. Ez képezi alapját a Plansee által kifejlesztett új, nagy emisszióképességű feketetestszerű fűtőelem-bevonatnak. A feketetest-bevonat előnyösen megváltoztatja a fűtőelem reflektív hátoldalának emisszióképességét. A feketetest-bevonattal ellátott fémlemez az abszorbeált energiát a fémes hátsó oldalon teljes mértékben kibocsáthatja – az emisszióképesség elvileg elérheti az 1,0 értéket. Ez az alapja a feketetest-bevonatú fűtőelemek teljesítménynövelő hatásának, amely előnyt az is fokozza, hogy a hátsó oldali reflektív felület fókuszálható a munkatárgyra, az izzó zóna közepére (2. táblázat). 2. táblázat Tiszta molibdén, TZM és ML-lemezeka) emisszióképességei Hőmérséklet, °C (°F)
Emisszióképességb)
Emisszióképességc)
850 (1562) 900 (1652) 1000 (1922) 1100 (2012) 1150 (2102) 1200 (2192) 1250 (2282) 1300 (2372) 1350 (2462)
0,150 0,155 0,160 0,170 0,175 0,180 0,185 0,190 0,200
0,850–0,900 0,850–0,900 0,850–0,900 0,850–0,900 0,850–0,900 0,850–0,900 0,850–0,900 0,850–0,900 0,850–0,900
a) 20 mikroinch vastagságú hengerelt felület b) bevonatlan Mo-lemez c) feketetest-bevonatú Mo-lemez
A szokásos fűtőelemek (akár Mo-ból, akár grafitból) mindkét irányban azonos mértékben (50/50%) sugároznak. A nagy emisszióképességű fekete ∗∗
4
Titánnal és cirkóniummal ötvözött molibdén BME–OMIKK – Energiaellátás… 2002/4.
test-bevonatú fűtőelemeknél a szalag alakú, lapos fűtőelem belső átmérője hevül fel, ezzel a sugárzás megoszlása kedvezőbb, így gyorsabb felfűtést és energiamegtakarítást lehet elérni. A bevonat lehetővé teszi, hogy a sugárzási energia 75%-át az izzó zóna közepére, a munkadarabra fókuszálják. További előny a fűtőelem nagyobb élettartama, a belső szerkezeti összetevők, gázfúvókák sugárzástól való nagyobb védettsége. A Plansee kísérleti és üzemi körülmények között mechanikailag és termodinamikailag vizsgálta a nagy emisszióképességű feketetest-bevonatot 2000 °C hőmérsékleten, nagy vákuumban, ill. a szokásos gázok (nitrogén, hidrogén, argon, hélium) jelenlétében. TZM molibdénötvözet alkalmazása A nagy hőmérsékleti igénybevétel okozta fokozott követelmények vezettek a TZM molibdénötvözet alkalmazásához. A TZM igen kis mennyiségben finom diszperzió formájában tartalmaz ötvözőelemeket (0,5% titánt, 0,08% cirkóniumot és 0,01–0,04% szenet), amelyek a hőmérséklet növekedésével járó Moszemcsenövekedést gátolják, és növelik a Mo felületi feszültségét nagy hőmérsékleten (1. ábra), továbbá a hajlíthatóságát és folyási határát, és növelik a TZM újrakristályosodási hőmérsékletét (2. ábra). Mindezek a tulajdonságok lehetővé teszik kedvező kiegészítő komponensként való alkalmazását az izzó zónán belül, és a kemence szerkezeti részein mindenütt, ahol nagy a szilárdsági követelmény.
felületi feszültség, MPa
1200
200-2400 °F
1000 800 600
TZM
400 200
MO
0 RT
500
800
MO 1000
1200
1400
1600
1800
hőmérséklet, °C
1. ábra A tiszta molibdén és a TZM felületi feszültségének összehasonlítása
BME–OMIKK – Energiaellátás… 2002/4.
5
ML-huzal
hőmérséklet, °C
ML-lemez
tiszta molibdén
idő, h
2. ábra Tiszta molibdén, TZM-ötvözött és ML-adalékolt molibdén újrakristályosodási hőmérséklete ML-molibdén alkalmazása A Plansee ML-molibdént akkor használják, ha az újrakristályosodott törékeny felületet védeni szükséges, ill. amikor nagy hőmérsékleten jelentős alakstabilitásra van szükség, mint általában a vákuumkemencék fűtő és sugárzás elleni védőelemeinél. A minimális mennyiségű lantán-oxiddal adalékolt molibdén újrakristályosodási hőmérséklete 1400 °C-ra (2550 °F) nő. További előny, hogy a lantán-oxid szálas szerkezete átlapolja a Mo szemcsés szerkezetét és így a hajlíthatóság részben megmarad az újrakristályosodás után is. Továbbá az adalékolt molibdén folyási határa lényegesen kisebb, mint a tiszta molibdéné, és alakváltozási ellenállása lényegesen nagyobb (3. ábra). A jó hajlíthatóság és ugyanakkor nagy deformációs ellenállás kívánatos tulajdonságok a vákuumkemencék fűtő és sugárzás elleni védőelemeinél egyaránt. PM 2000 ODS szuperötvözet Nikkel forrasztóanyagok hőkezelő kemencéinek izzó zónáinál nagy vákuumszint és igen nagy tisztaság szükséges. Gyakorlatban ezért az ilyen hőkezelésekhez a tiszta fémből álló izzó zónákat el kell választani. Sajnos a nikkel forrasztóanyag-felesleg a molibdén-védőfelületbe ötvöződve károsodást okozhat (ez előfordulhat a tiszta Mo, a TZM és a ML ötvözeteknél is), és ez az izzó zónában a védett felületen idő előtti meghibásodáshoz vezet. Vertikálisan fenékig megrakott kemencénél a meghibásodás a sugárzásvédő borítás felső részén, közvetlenül a kemenceszerelvények alatt következik be, mely az izzó zóna legmagasabb hőmérsékletű része (plénum). Horizontálisan 6
BME–OMIKK – Energiaellátás… 2002/4.
elhajlás, mm
megrakott kemencénél ez közvetlenül a plénumon belül következik be. Mindkét esetben a hősugárzás és az izzó zóna hőmérséklete is csökken, mivel a kemence hideg fala túl sok energiát von el, növekszik az energiafelhasználás és költsége. Kénytelenek a teljes izzó zónát helyreállítani vagy kijavítani.
8 7 6 5 4 3 2 1 0
3D oszlop 1 TZM ötvözet
tiszta molibdén
ML ötvözetek
3. ábra Molibdén, TZM és ML ötvözetek alakváltozása vizsgálati hőmérséklet, 1600 °C; vizsgálati idő: 30 h; terhelés: 10 g; vizsgálati minta mérete: 1 x 5 x 110 mm; szétterülés: 100 mm
A Plansee 2000 vasat tartalmazó ODS szuperötvözet. Kémiai összetétele: 19,0% Cr, 5,5% Al, 0,5 % Ti, 0,5% Y2O3 és a többi vas. Az ötvözet ideális nikkel forrasztóanyagok hőkezelésénél alkalmazott zónáknál, mivel felületén sűrű, jól tapadó Al2O3 védőréteg képződik, mely magas hőmérsékleten is ellenáll a korróziónak. A PM 2000-nek nagy a folyáshatára, és jó a fizikai igénybevételekkel szembeni ellenállása. A reflektív fémekkel szemben (beleértve a Moötvözötteket és az adagoló Mo-t is) viszonylag nagy fokú hajlíthatóság jellemzi. Továbbá forró gázok korróziós hatásaival és oxidációival szemben is ellenálló. PM 2000-ből készült teljes izzó zóna 1300 °C hőmérsékleten, levegő jelenlétében sem mutat semmilyen károsodást. A 100%-os PM 2000-ből készült konstrukciók magas költsége miatt alternatív megoldásként alkalmazzák úgy, hogy előoxidált PM 2000-ből készítik az izzó zóna frekventált hőprofilját. A felsorolt konstrukciók a molibdénalapú sugárzásvédő eszközök karbantartások közötti idejét jelentősen meghosszabbítják. (Szentpály Tibor) Ferral, Thomas P. Jr.: Energy-saving blackbody coating, advanced materials improve vacuum furnace hot-zone performance. = Industrial Heating, 68. k. 10. sz. 2001. p. 89–94. Beykirch, G.; Leeners, N,; Simon, F.: Mit modularem Energiemanagementsystem die Stromkosten in der Giesserei im Griff behalten. = Giesserei-Praxis, 2002. 3. sz. p. 101–105.
BME–OMIKK – Energiaellátás… 2002/4.
7
A közvetlen kutatási, fejlesztési költségek alapján érvényesíthető társaságiadó-alap kedvezmény A kormányzat közvetlen és közvetett támogatási eszközökkel serkenti a hazai kutató, fejlesztő tevékenységet. A közvetett ösztönzők körében kiemelt helyet foglal el a K+F költségek alapján érvényesíthető, a társaságiadó-alapot érintő kedvezmény, amelynek mértéke 2001. január 1-jétől emelkedett. A társasági adóról és az osztalékadóról szóló, többször módosított 1996. évi LXXXI. törvény 7. § (1) bekezdés t) pontja értelmében „az adózás előtti eredményt csökkenti … az alapkutatás, az alkalmazott kutatás és a kísérleti fejlesztés adóévben felmerült közvetlen költsége, csökkentve az e tevékenységhez kapott támogatás, juttatás bevételként elszámolt összegével és a belföldi illetőségű adózótól, a külföldi vállalkozó belföldi telephelyétől, vagy a személyi jövedelemadóról szóló törvény előírása szerinti egyéni vállalkozótól igénybe vett kutatási és kísérleti fejlesztési szolgáltatás összegével, függetlenül attól, hogy azt kísérleti fejlesztés aktivált értékeként állományba vették, vagy nem” A törvény 2001. január 1-jétől hatályos módosítása (a 2000. évi CXIII. tv. 36. § (8) bek.) értelmében továbbra is érvényesíthető az adózás előtti eredménycsökkentés a saját célra, illetve a megrendelésre végzett kutatási, fejlesztési szolgáltatás közvetlen költsége alapján. A kedvezmény mértékének növekedése (20% helyett 100 %) mellett azonban a levonási lehetőség kiterjed a – belföldi illetőségű adózó, a külföldi vállalkozó belföldi telephelye és a személyi jövedelemadóról szóló törvény hatálya alá tartozó egyéni vállalkozó kivételével – a mástól igénybe vett kutatási-fejlesztési szolgáltatásra is, beleértve a közvetített szolgáltatást is, ha a számvitelről szóló 2000. évi C. törvény 51. §-a szerint része a közvetlen költségnek.
Statisztikai adatszolgáltatás a kutatási, fejlesztési tevékenységről A növekvő állami, valamint a fokozatosan megnyíló európai uniós támogatások leghatékonyabb felhasználása érdekében a kormányzatnak megfelelő információkkal kell rendelkeznie a hazai (felsőoktatási, K+F intézeti, vállalkozási és egyéb költségvetési) kutatási, fejlesztési tevékenységről. E számbavételt segíti elő a Központi Statisztikai Hivatal (KSH) statisztikai adatgyűjtése a kutatóhelyek K+F tevékenységéről. A KSH évente eljuttatja az 1071 (kutató-fejlesztő intézetek és egyéb költségvetési kutatóhelyek), az 1072 (felsőoktatási kutatóhelyek), illetve az 1074 (egyes jogi személyiségű vállalkozások) számú – a beszámolási évben megvalósított kutatási, fejlesztési tevékenység felmérésére szolgáló – statisztikai kérdőíveinek (és a kitöltést segítő útmutatóinak) egyikét a nyilvántartásában szereplő kutatóhelyek számára. A kérdőív kitöltése és megküldése a KSH számára az Országos Statisztikai Adatgyűjtési Programról szóló kormányrendelet (a 2001. évről szóló adatszolgáltatás esetében a 173/2000 (X. 18.) Korm. rendelet) alapján kötelező az érintettek számára. A kutatási, fejlesztési tevékenységet végző szervezeteknek, szervezeti egységeknek akkor is eleget kell tenniük adatszolgáltatási kötelezettségüknek, ha valamilyen ok miatt nem kapták meg az említett űrlapok egyikét. Ez esetben a vonatkozó kérdőív és kitöltési útmutató letölthető a KSH honlapjáról, a 2002. évben az alábbi címről: http://www.ksh.hu/pls/ksh/docs/hun/info/02osap/osap_2001.htm A jelentést két példányban kell kitölteni; ezek egyikét legkésőbb a beszámolási időszakot követő év március 16-ig (ez évben tehát 2002. március 16-ig) kell megküldeni a KSH Kultúrstatisztikai osztálya számára, az 1525 Budapest, Pf. 51. postacímre. Az adat-szolgáltatással kapcsolatban további felvilágosítás a 06(1)345-6914 telefonszámon kérhető.
8
BME–OMIKK – Energiaellátás… 2002/4.
