ФАКУЛТЕТ ТЕХНИЧКИХ НАУКА

ОДСЕК ЗА ПРОИЗВОДНО МАШИНСТВО

ПРОЈЕКТОВАЊЕ ТЕХНОЛОГИЈЕ ТЕРМИЧКЕ ОБРАДЕ

ПРОРАЧУН СОНИХ КУПАТИЛА

ПРИРЕДИО: АЛЕКСАНДАР МИЛЕТИЋ

НОВИ САД, 2011

Пројектовање технологије термичке обраде ©Лабораторија за термичку обраду

1 | С т р а н а

САДРЖАЈ

1 УВОД ................................................................................................................................................................. 2

2 КОНСТРУКЦИЈА СОНОГ КУПАТИЛА .................................................................................................................. 4

2.1 КУПАТИЛА СА СПОЉАШЊИМ ЗАГРЕВАЊЕМ ......................................................................................................... 4 2.2 КУПАТИЛА СА УНУТРАШЊИМ ГРЕЈАЧИМА ............................................................................................................ 5 2.3 КУПАТИЛА СА УРОЊЕНИМ ЕЛЕКТРОДАМА ........................................................................................................... 5 2.4 КУПАТИЛА СА ПОТОПЉЕНИМ ЕЛЕКТРОДАМА ....................................................................................................... 7 2.5 ТРАЈНОСТ СОНОГ КУПАТИЛА ............................................................................................................................. 8

3 ОДРЕЂИВАЊЕ ВРЕМЕНА ТРАЈАЊА ЦИКЛУСА.................................................................................................. 9

4 УКУПАН УТРОШАК ТОПЛОТЕ ...........................................................................................................................10

5 ЕНЕРГЕТСКИ БИЛАНС .......................................................................................................................................11

Пројектовање технологије термичке обраде ©Лабораторија за термичку обраду

2 | С т р а н а

1 УВОД Сона купатила спадају у групу топлих купатила код којих се загревање врши у специјалним солима. Нашла су примену у већем броју различитих операција термичке обраде. Посебно су погодна за термичку обраду алатних челика, пре свега оних алата који се не могу брусити након калења или оних алата код којих се захтева врхунски квалитет површине и оштре резне ивице. У табели (Табела 1) дат је састав и радна температура појединих соних мешавина.

Табела 1: Састав и препоручене радне температуре соних купатила (1)

Бр. Састав Приближна темп. топљења

Опсег радних температура

1 NaOH 75% + KOH 19% + H2O 6% 140 ºC 160-280 ºC

2 KOH 50-60%% + NaOH 50-40% - 300-400 ºC

3 KNO3 100% 337 ºC 350-500 ºC

4 KNO3 50-60% + NaNO2 50-40% 135 ºC 160-550 ºC

5 NaNO3 50-60% + NaNO2 50-40% 145 ºC 150 - 500 ºC 6 KNO3 50-60% + NaNO3 50-40% 225 ºC 260 - 600 ºC

7 NaNO3 100% 370 ºC 400 - 600 ºC

8 NaCl 10-15% + KCl 20-30% + BaCl2 40-50% + CaCl2 15-20% 400 ºC 500 - 800 ºC

9 NaCO3 45-55% + KCl 55-45% 450 ºC 550 - 900 ºC

10 BaCl2 50% + KCl2 30% + NaCl 20% 540 ºC 570 - 900 ºC

11 BaCl2 70-96% + NaCl 30-4% 600 - 800 ºC 700 - 1250 ºC

Модерна сона купатила користе се за већи број различитих поступака термичке обраде:

предгревање - препоручује се код загревања алатних челика у аустенитну област како би се избегла појава пукотина и кривљења. Предгревање се најчешће обавља у тројним еутектичким мешавинама хлорида које се топе на око 540 °C, а користе се у опсегу радних температура од 600 до 1010 °C. Ове соли обезбеђују предгревање челика без опасности од разугљеничења, уз незнатну појаву талога. Брзина загревања у оваквим солима је велика. Обично је довољно 10 минута за загревање већине алата. Дуже време загревања није штетно за челик и помаже успостављање температурне равнотеже чиме се скраћује време загревања у аустенитној области (2).

степенасто каљење (eng. martempering) – обавља се на температури нешто вишој или нижој од температуре почетка мартензитне трансформације. Користе се нитрати, соли 4 - 6 (табела 1) се користе у највећем броју случајева. Натријум нитрат (бр. 7) и калијум нитрат (бр. 3) користе се за степенасто каљење алатних челика (за рад на топло и брзорезних челика).

изотермно каљење (eng. austempering) – обавља се на температури изнад почетка мартензитне трансформације. За овај вид обраде користе се нитратне соли (бр 4 - 6).

загревање за каљење - приликом загревања у аустенитну област мора се обратити посебна пажња јер сувише дуго загревање или загревање на превисоким температурама доводи до пораста зрна, кривљења, опадања чврстоће и пада дуктилности. Веома је важно успостављање равномерности температуре пре каљења како би се избегао шкарт. Равномерност и велика брзина загревања у соним купатилима чине их погодним за загревање комада осетљивих на појаву пукотина или кривљење. Загревање за каљење обавља се у хлоридима (бр. 8 - 11). Препоручује се време загревања од 1 min за сваких 6 mm дебљине попречног пресека (2).

Пројектовање технологије термичке обраде ©Лабораторија за термичку обраду

3 | С т р а н а

отпуштање - обавља се у мешавинама нитрата/нитрита које се топе на температурама од око 140 до 600 °C. Неутралне хлоридне соли могу се користити за отпуштање мањих делова и лакших шаржи уколико се отпуштање обавља на температурама изнад 600 °C.

нитрирање - азот за нитрирање у течном средству добија се из соли заснованих на цијаниду. Процес нитрирања обавља се на температури 510-580 °C у трајању од око 4 часа.

цементација - као и у случају нитрирања, угљеник за наугљеничавање добија се из соли која садржи цијанид. Процес се обавља на температурама 850-950 °C.

карбонитрирање - процес обогаћивања површинског слоја материјала угљеником и азотом. За овај вид термичке обраде могу се употребљавати цијанати који нису штетни за околину као цијаниди.

Предности примене соних купатила су:

велик коефицијент преноса топлоте, висока брзина загревања, велика продуктивност - загревање у соним купатилима одвија се три до четири пута брже у односу на остале начине загревања (зрачење, конвекција у гасовима). На слици Слика 1Слика 1 приказано је поређење брзине загревања у различитим условима.

Слика 1: Брзина загревања челичног цилиндра (CK40) при различитим условима загревања (3).

равномерна расподела температура у купатилу - уједначено загревање - Као последица уједначеног загревања настанак пукотина, кривљење и пуцање комада се ређе јављају. Приликом урањања комада растопљена со се стврдњава на површини комада и изолује га док површина не достигне температуру топљења соли чиме се смањују топлотни шокови.

смањена деформација комада - деформације су мање због дејства потисне силе соли (нпр. радни комад који тежи 5 kg у ваздуху тежи само 1,5 kg у растопљеној соли).

заштита површине од оксидације и разугљеничавања - површина комада заштићена је од оксидације у току процеса термичке обраде јер се ваздух потискује током урањања. Након урањања, танак слој соли на комаду штити метал од оксидације.

свестраност - постоји могућност делимичног урањања комада, променљиво време трајања поступка термичке обраде за различите комаде, убацивање и вађење комада из купатила у било ком тренутку времена.

прецизна контрола - тачност одржавања температуре соног купатила. могућност аутоматизације - у случају великосеријске производње постављањем робота за

руковање радним комадима могуће је постићи високу ефикасност преноса делова, чиме се повећава продуктивност и смањују трошкови. Међутим, недостатак представља чињеница да се процес пуњења и пражњења соног купатила не може аутоматизовати.

Пројектовање технологије термичке обраде ©Лабораторија за термичку обраду

4 | С т р а н а

Недостаци примене соних купатила су:

загађење околине - загађење ваздуха, загађење воде, проблем уклањања отпада. велик специфичан утрошак енергије - услед топлотних губитака са огледала купатила. Ови

губици могу се значајно смањити применом одговарајућих поклопаца. избор радне температуре - контролише се избором састава соли. Температура топљења

соли и радна температура зависе од састава купатила (Табела 1), па је за прелазак са једне на другу радну температуру потребно извршити промену састава соли.

тешки услови рада - изнад соног купатила јављају се тешка испарења па је неопходно обезбедити квалитетну вентилацију.

утицај оператера - велики утицај радника на тачност и поновљивост. непрестан рад купатила - рад соног купатила се врло ретко прекида због сложеног, а пре

свега дуготрајног пуштања у рад.

2 КОНСТРУКЦИЈА СОНОГ КУПАТИЛА Сона купатила се конструктивно изводе на више начина:

купатила са спољашњим загревањем - загревање се може вршити електричним путем или се користе гасни горионици;

купатила са унутрашњим грејачима; купатила са уроњеним електродама - разликују се купатила са делимично и потпуно

уроњеним електродама; купатила са потопљеним електродама.

2.1 КУПАТИЛА СА СПОЉАШЊИМ ЗАГРЕВАЊЕМ

Могу се загревати гасом (Слика 2) или електричним грејачима (Слика 3). Округао или четвртасти лонац смешта се у шахту за загревање. Лонац може бити израђен дубоким извлачењем или заваривањем. Израђују се од нискоугљеничног челика или гвожђе-никл-хром легуре (најчешће је у питању Fe-35Ni-15Cr). Гасна купатила се чешће користе, почетна улагања су нижа него код електрично загреваних купатила. Инсталација и руковање гасним купатилима су једноставни. Купатила са спољашњим загревањем могу се лако пустити у рад, па су стога погодна за прекидан рад. Поред ове предности, овако загревана купатила карактерише флексибилност у примени, где се са једне на другу примену прелази једноставним избором лонца који садржи одговарајућу мешавину соли. Ретко се користе за континуалну високосеријску производњу због ограничења у погледу величине лонаца и њихове највише радне температуре (2).

Слика 2: Шематски приказ купатила са спољашњим загревањем - гасно загревано купатило

Пројектовање технологије термичке обраде ©Лабораторија за термичку обраду

5 | С т р а н а

Слика 3: Шематски приказ купатила са спољашњим загревањем: а) округла изведба, б) четвртаста изведба (4).

2.2 КУПАТИЛА СА УНУТРАШЊИМ ГРЕЈАЧИМА

Загревање се врши помоћу цевастих грејних елемената смештених у растоп соли (Слика 3а). Недостатак ове изведбе представља кратак радни век грејача. Предвиђена су за нискотемпературна загревања (450 - 525 °C), за термичку обраду профила и лимова од легура лаких метала (5).

2.3 КУПАТИЛА СА УРОЊЕНИМ ЕЛЕКТРОДАМА Овај тип купатила најчешће се користи у термичкој обради. Примењује се за загревање на високим температурама 950 - 1350 °C. Простор за топљење соли озидан је ватросталном облогом и у њега се смештају со и електроде које се напајају преко трансформатора напона (Слика 3б). Користе се низак напон и висока струја.

Уроњене округле или четвртасте електроде међусобно су удаљене 25 до 50 mm. Струјно коло између електрода се затвара преко соли. Кроз комаде пролази незнатно струје, па не постоји опасност од њиховог прегревања. Велика густина струје између електрода доводи до прегревања соли на том месту. Као последица тог прегревања долази до интензивне циркулације растопљене соли, чиме се повећава коефицијент преноса топлоте на комаде и повећава равномерност загревања по висини купатила (3 °C) (5).

Пројектовање технологије термичке обраде ©Лабораторија за термичку обраду

6 | С т р а н а

Слика 4: Шематски приказ купатила са: а) потопљеним унутрашњим грејачима, б) потопљеним електродама (4).

Поједине особине купатила са уроњеним електродама (6):

Лака замена електрода - без потребе за растављањем пећи. Једноставно покретање купатила - гасна бакља се користи за топљење соли између две

електроде чиме се обезбеђује ток струје између електрода. Непрекидан рад - не препоручују се за прекидан рад јер зависно од величине купатила

загревање може трајати један или више дана. Мање енергетски ефикасна од купатила са потопљеним електродама - површина

огледала соног купатила већа је у случају изведбе са потопљеним електродама. Губици услед зрачења огледала могу се значајно умањити постављањем одговарајућег поклопца. Поклопац би требало да има добру топлотну изолацију, а поред тога мора лако да се одиже или одговарајућим механизмом помера у страну при пуњењу и пражњењу купатила. Код краткотрајних поступака смањење зрачења огледала може се постићи прекривањем слојем угљене прашине или графита (5).

Пројектовање технологије термичке обраде ©Лабораторија за термичку обраду

7 | С т р а н а

Простор за топљење соли - не може се лако мењати као код купатила са спољашњим хлађењем. Замена се врши заменом ватросталне облоге.

2.4 КУПАТИЛА СА ПОТОПЉЕНИМ ЕЛЕКТРОДАМА

Код ових купатила електроде се постављају испод радне дубине чиме се обезбеђује грејање одоздо (Слика 5). Основне особине купатила са потопљеним електродама (6):

Највећи радни простор уз најмању величину каде - електроде не заузимају ниједан део површине купатила и долазе у додир само са сољу. Величина купатила је мања, а радни век електрода дужи у односу на купатила са уроњеним електродама.

Изражена циркулација растопљене соли - загревање одоздо обезбеђује равномерне температуре купатила и кретање соли услед дејства природне конвекције.

Положај електрода - електроде су затворене, па је смањена могућност повређивања у току одржавања. Захваљујући положају електрода настали талог се може лако уклонити.

Замена електрода - уколико се ради о легираним електродама замена захтева растављање пећи. Легиране електроде могу се заменити графитним електродама које се обнављају у току употребе. Пећи са графитним електродама поседују механизам за гурање који омогућава померање графитних електрода кроз зид купатила (Слика 5) (4).

Покретање купатила - може се пуштати у рад на више начина. Могуће је додати растопљену со из неке друге пећи или се могу користити гасна бакља/електрични грејачи за отапање довољне количине соли која ће успоставити проток струје између електрода.

Слика 5: Шематски приказ соног купатила са потопљеним графитним електродама (4).

Трансформатор

Трансформатор

Потопљена графитна електрода

Трансформатор

Прикључак

Пројектовање технологије термичке обраде ©Лабораторија за термичку обраду

8 | С т р а н а

2.5 ТРАЈНОСТ СОНОГ КУПАТИЛА У добро пројектованом соном купатилу, трајност округлог лонца зависиће од највеће радне температуре (Табела 2).

Табела 2: Радни век округлог лонца од легираног челика(2)

Температура (°C) Радни век (месеци)

840 9 - 12 870 6 - 9 900 3 - 6

Трајност електрода и елемената опеке соних купатила са уроњеним и потопљеним електродама за различите конструкционе изведбе дата је у табели.

Табела 3: Трајност електрода и елемената изолације појединих соних купатила(2; 6)

Купатила са потопљеним електродама

Изведба А Изведба Б

Темп. (°C) Радни век (год.) Темп. (°C) Радни век (год.)

Електроде Изолација Електроде Изолација

535 - 735 15 - 25 15 - 25 535 - 735 10 - 20 10 - 20

735 - 955 6 - 12 6 - 12 735 - 955 4 - 8 4 - 8

955 - 1175 5 - 7 5 - 7 955 - 1175 3 - 4 3 - 4

1010 - 1285 2 - 4 2 - 4 1010 - 1285 1 - 3 1 - 3

Купатила са уроњеним електродама

Изведба „кроз зид“ Изведба „делимично уроњено коленасто“ Изведба „коленасто преко врха“

Темп. (°C) Радни век (год.)

Електроде Изолација

535 - 735 2 - 4 4 - 5

735 - 955 1 - 2 2 - 3

955 - 1175 0,5 - 1 1 - 2

1010 - 1285 0,25 - 0,5 1,5

Пројектовање технологије термичке обраде ©Лабораторија за термичку обраду

9 | С т р а н а

3 ОДРЕЂИВАЊЕ ВРЕМЕНА ТРАЈАЊА ЦИКЛУСА Време трајања циклуса у соним купатилима зависи од врсте процеса који се обавља у одређеном купатилу. Уколико се ради о процесу који подразумева загревање време трајања једног циклуса може се одредити на следећи начин:

휏 = 휏 + 휏 + 휏 ...................................................................................... Jed. 1

gde su:

휏 - време загревања до задате температуре,

휏 - време задржавања на температури процеса,

휏 - време мировања.

Време загревања одређује се применом бездимензионих критеријума:

Fo – Фуријеов број:

퐹 = ∙ ................................................................................................ Jed. 2

где су:

휏 - време загревања,

푋 – карактеристична димензија комада.

Bi – Биов број:

퐵 = ∙ 푋 ............................................................................................... Jed. 3

где су:

휆 – средњи коефицијент провођења топлоте комада,

훼 – средњи коефицијент преноса топлоте соног купатила.

Θ – бездимензиони температурни критеријум

훩 = ć

ć ........................................................................................ Jed. 4

훩 = ć

ć ......................................................................................... Jed. 5

gde su:

푡 ć - температура соног купатила,

푡 и 푡 - температуре површине и језгра на крају загревања,

푡 - почетна температура комада.

Избор броја потребних купатила зависи од задате производности и величине шарже која може да се смести у купатило.

Пројектовање технологије термичке обраде ©Лабораторија за термичку обраду

10 | С т р а н а

4 УКУПАН УТРОШАК ТОПЛОТЕ Топлота се у току једног циклуса користи за загревање комада и помоћних елемената, као и за покривање свих губитака:

푄 = 푄 + 푄 + 푄 +푄 +푄 +푄 ............................................................... Jed. 6

где су:

푸풌 - корисна топлота

Користи се за загревање комада:

푄 = 퐺 ∙ 푐 ∙ (푡̈ + 푡̇ )...................................................................... Jed. 7

где су:

퐺 - маса комада (пуњења),

푐 - специфична топлота материјала комада,

푡̈ , 푡̇ - температуре комада на крају и почетку загревања.

푸풑 - помоћна топлота

Користи се за загревање помоћних елемената у купатилу (шаржери, качаљке ...):

푄 = 퐺 ∙ 푐 ∙ 푡̈ + 푡̇ ..................................................................... Jed. 8

gde su:

퐺 - маса помоћних елемената, најчешће се усваја да је 퐺 приближно 10% од 퐺 ,

푐 - специфична топлота материјала помоћних елемената,

푡̈, 푡̇ - температуре помоћних елемената на крају и почетку загревања.

푸품풅 – губици топлоте у току држања

Одређују се као производ губитака у току држања (푞 ) и времена држања (휏 ):

푄 = 푞 ∙ 휏 .......................................................................................... Jed. 9

푸품풛 – губици топлоте у току загревања

Одређују се као производ средњих губитака у току загревања (푞 )и времена загревања (휏 ):

푄 = 푞 ∙ 휏 ....................................................................................... Jed. 10

푸품풔 - губици топлоте у току стајања (мировања)

Представљају губитке празног хода купатила, а одређују се као производ губитака празног хода купатила (푞 ) и времена трајања празног хода (휏 ):

푄 = 푞 ∙ 휏 ..................................................................................... Jed. 11

Пројектовање технологије термичке обраде ©Лабораторија за термичку обраду

11 | С т р а н а

푸풐풗 - губици топлоте кроз отвор купатила

Одређују се на основу следећег израза:

푄 = 푞 ∙ 휏 ..................................................................................... Jed. 12

где су:

휏 - време за које су врата отворена,

푞 - губици кроз отворена врата:

푞 = 5,76 ∙ 휀 ∙ ć − ∙ 휓 ∙ 퐹 .......................................................... Jed. 13

где су:

ε - коефицијент емисивности (0.8 - 1),

ψ - коефицијент дијафрагмирања - одређује са на основу односа висине отвора (А) и висине смештајног простора купатила (Б) - Прилог - слика 5 – 6,

Fo - површина отвора купатила,

To - температура околине у коју се преноси топлота (собна температура).

5 ЕНЕРГЕТСКИ БИЛАНС КОЕФ ИЦИЈЕ НТ КОРИСНОГ ДЕ Ј СТВА КУПАТИЛА

Одређује се као однос корисне топлоте и укупне утрошене топлоте:

휂 = .............................................................................................. Jed. 14

ПОТРЕ БНА СНАГА ПЕ ЋИ

Обухвата снагу потребну за загревање радних комада (푃 ), снагу за загревање помоћних елемената (푃 ) и снагу неопходну за покривање свих губитака (푃 ):

푃 ć = 푘 ∙ 푃 + 푃 + 푃 = 푘 ∙ ...................................................... Jed. 15

gde je:

k - коефицијент сигурности, узима се k = 1.2 - 1.5.