Zařízení na tepelné zpracování
Katedra materiálu SF TU v Liberci 2010
Požadavky na zařízení Ohřev zpravidla odporový elektrický, výjimečně plynový Maximální dosažitelná teplota : - běžná univerzální zařízení 1000 oC - pro TZ rychlořezných ocelí 1250 oC - pro speciální zařízení 1700 oC Maximální přípustná teplota povrchu pece je 50 oC - pro ochlazování jen okolím s Al nátěrem musí být povrch pece zatížen max 200 W/m2 - pro kompaktnější zařízení nutné ochlazování povrchu – voda – nebezpečí havarií při přerušení dodávky
2
Rovnoměrnost ohřevu Prostorová : - ve vodorovné rovině - svislá – zpravidla horší - Pracovní prostor – tam je zaručena - zlepšení – nucené proudění plynu Časová – kolísání teploty. Nutná regulace pro konstantní teplotu. - moderní pece – počítačová regulace i při ohřevu (1 až 3 prodlevy) a ochlazování. - mikrolegované oceli – musí být řízené ochlazování Ovlivnění rovnoměrnosti vsázkou a přípravkem.
3
Regulace teploty v pecích
4
Časový průběh teploty pece při změně regulované teploty – regulační charakteristika Cu … časové zpoždění, běžně 0,5 až 5 minut Cn … doba náběhu, běžně 5 až 60 minut Rychlost odezvy – sklon tečny .... běžně 1 K/s až 1 K/min Čím více se blíží Cu k Cn, tím horší regulovatelnost pece
Topné elementy Tvar – trubky, tyče, spirály, meandry Materiál : - kovy : - niklchrom - kanthal (speciální slitina železa) - wolfram, molybden – drahé - keramika : - superkanthal (Mo – Si) - silit (SiC s přebytkem Si) - grafit (bez kyslíku) Umístění : - na stropu pece - na bocích pece u složitých vsázek nucený oběh plynu
5
Tepelné izolace Druhy pecí : - s teplou stěnou (ta je současně izolace) - se studenou stěnou (izolace uvnitř) - muflové pece (oddělené vnější topení) Materiály : - keramika : dinas (SiO2), korund (Al2O3), šamot (asi 1/3 Al2O3 a 2/3 SiO2) - pěnokeramika : pěnokorund, pěnošamot - vláknová izolace : desky z vláken grafitu, mullitu (asi 2/3 Al2O3 a 1/3 SiO2)
6
Základní rozdělení pecí Dávkové – přerušovaný proces - komorové - šachtové - zvonové - kelímkové - muflové Průběžné – nepřerušovaný proces - bubnové - tunelové - karuselové
7
Komorové pece - schema
Plynová pec 8
Elektrická pec
Komorové pece
9
Provoz s komorovými pecemi
10
Komorová pec vozová
schema 11
Šachtové pece - schema
jednoduchá 12
S řízenou atmosférou
Šachtové pece - monokarb
13
Provoz monokarbů
14
Zvonová pec
Schema 15
Kelímková pec – kov nebo sůl
Vnější ohřev 16
Přímý ohřev
Kelímková pec
17
Muflová pec
18
Bubnová pec - jehly
19
Válečková průběžná pec (tunelová)
Poháněné válečky
Narážecí
20
Válečková průběžná pec
21
Pásová průběžná pec (tunelová)
22
Pásová průběžná pec
23
Karuselová pec
1 … tepelná izolace 2 … topné těleso 3 … podstavec 4 … jednotlivé pozice 5 … pohon karuselu 6 … dveře pro vsázku
24
Karuselová pec
25
Oxidace slitin železa na vzduchu Do 100 oC rez – není čistý oxid Pak magnetit Fe3O4 – na povrchu dobře lpí Při středních teplotách wustit FeO Při vysokých teplotách hematit Fe2O3 okuje 26
Ochrana povrchu před oxidací Odstranění oxidačních látek
Ochranná atmosféra
Pasivní
Vakuum
Aktivní
Řízená atmosféra
27
Výroba řízených atmosfér Ve vyvíječi je směs vzduchu s uhlovodíkem zahřáta na 1100 oC na Ni katalyzátoru Hlavní je reakce vodního plynu – nedokonalým hořením vzniká směs CO, CO2, H2, H2O, poměr podle teploty a množství přiváděného vzduchu. Reakce 2 CO = CO + C dává možnost 2 nauhličení Mezi 900 a 450 oC nebezpečí sazení – nutno se vyhnout – rychlé chlazení
28
Řízená atmosféra - metan Vzniká nedokonalým spalováním plynného uhlovodíku (metan, propan) Metan – dokonalé spalování : CH4 + 2 O2 = CO2 + 2 H2O Ve vzduchu jsou 2 objemy kyslíku a 8 dusíku, musí tedy mít vzduch 10 objemů metanu – spalovací poměr R = 10 Ve vyhřívaném vyvíječi ŘA je spalovací poměr mezi 2,5 a 10. Pod R=2,5 sazení, nad R=10 kyslík.
29
Vyvíječ řízené atmosféry
1 – filtr, 2, 3 – průtokoměry, 4 – směšovač, 5 – ventil, 6 – retorta, 7 – katalyzátor, 8 – ohřev, 9 – chladič, 10 – ventil a – metan, b – vzduch, c – směs, d – řízená atmosféra 30
Řízená atmosféra - propan
1 – sazení, 2 – lesklé žíhání, 3 – inertní (po odstranění CO2), 4 – volný kyslík, 5 – cementační, 6 – exoatmosféra, 7 – endoatmosféra – aktivní, k cementaci 31
Štěpený metanol Metylalkohol – rozklad : CH3OH = CO + 2 H2 Štěpení katalyticky na platinovém katalyzátoru při 300 až 400 oC Ve směsi 2/3 N a 1/3 CH OH dá po štěpení 2 3 aktivní cementační atmosféru : 40 % N2 + 40 % H2 + 20 % CO Obdoba endoatmosféry, ale méně stop kyslíku a vodní páry.
32
Směs dusík - vodík Pasiní ochranná atmosféra, vodík pomáhá desoxidaci – odstranění stop kyslíku Míchání do tlakových lahví přímo u dodavatele (LINDE) v různém poměru Při delším skladování nebezpečí odmíšení Též rozštěpením čpavku v retortě na katalyzátoru při 1000 oC – dá 25 % N2 + 75 % H2
33
Čistý dusík Levná a spolehlivá pasivní atmosféra Měl by mít čistotu alespoň 99,99 %. To splňuje kapalný dusík – voda a CO2 vymrznou. Pro plynný dusík zpravidla nutná - desoxidace ( nejčastěji katalytický převod stop kyslíku s vodíkem na vodní páru) - a následující vysušení
34
Výhody vakuového TZ Prakticky neexistuje oxidace - bez znatelného ovlivnění, leštěný povrch zůstává lesklý. Nízká spotřeba energie - malé tepelné ztráty, teplo se může šířit pouze zářením Vakuové pece bývají zpravidla se studenou stěnou a tepelnou izolací uvnitř – nejčastěji rohoží ze žáruvzdorných vláken. Studené těsnění. Možnost vysokého stupně automatizace. Ekologicky velmi přijatelné zařízení. Nevznikají při provozu prakticky žádné odpady. Provoz vakuového zařízení vyžaduje vysokou čistotu. Snížení deformací a vnitřních pnutí - rovnoměrnější ohřev, řízený počítačem, často s prodlevami blízko fázových přeměn Nízké provozní náklady, vysoké investiční náklady. 35
Sublimace látek Voda sublimuje při tlaku pod 611 Pa – v obrázku červeně -
-Tlak sublimace závisí na teplotě - S teplotou se zvyšuje - roste rychlost 36
Odpařování ocelí Výřez křivek sublimace ve vakuu Nejnebezpečnější běžné příměsi : mangan, chrom, křemík Současně se mění i rozložení uhlíku (Difuze od povrchu pro odpařený chrom, mangan a k povrchu pro křemík) 37
Změna složení rychlořezné oceli
38
Vedení tepla ve vakuu Ve vakuu proudění plynu neexistuje a tepelná vodivost plynu klesá s tlakem - vakuum je dokonalý tepelný izolátor. Přenos tepla je možný pouze zářením. Do 600 oC je přenos tepla zářením malý - velmi špatně proto jde ve vakuu regulovat teplotu v tomto rozmezí. Proto pro nízkoteplotní tepelné zpracování raději používáme ochranné atmosféry. Pro vyšší teploty velmi výhodné - malé tepelné ztráty. 39
Vakuové kalení Jde velmi dobře, obtíže s ochlazováním. Kalicí vakuový silikonový olej - znečišťuje vakuovou komoru i výrobky. Dříve se často proto používala dvoukomorová vakuová pec. Dnes již nemoderní. Ochlazování ochrannou atmosférou (dusík), nucené proudění (ventilátor) a ochlazování o speciální chladič - má dobré vlastnosti, ale ochlazuje téměř o řád pomaleji než olej.
40
Dvoukomorová vakuová kalicí pec ZEZ Liberec (1985)
41
Vakuová pec
42
Ochlazování proudem plynu
43
Kalení v přetlaku plynu Proudící ochlazovaný plyn s přetlakem - přetlak do 2 MPa, užívá se dusík, helium a vodík. Relativní tepelná vodivost proti atmosférickému dusíku Nejlepší je vodík - při nejvyšším přetlaku má až 15 x vyšší ochlazovací schopnost než dusík při 0,1 MPa Ale je hořlavý. Nový paradoxní název – vakuové přetlakové pece 44
Konstrukce vakuové pece Studené stěny – tepelná izolace uvnitř, ve vakuu. Pec je daleko komfortnější. Také menší nároky na vakuová těsnění. Elektrický ohřev – zpravidla nelze použít běžné odporové materiály (niklchrom) - odpařování ve vakuu. Nejčastěji užíván grafit (trubice, kompozit) Tepelná izolace - pro menší a jednodušší zařízení jednoduchá kontraradiační izolace ze žáruvzdorného plechu (Mo, W). Pro větší zařízení ze žáruvzdorné plsti – nejčastěji grafitové. Těsnění – silikonová guma 45
Schema vakuové pece
46
Vakuová pec Degussa
47
