Slane kupke — uređaj i primjena
Kod zagrijavanja proizvoda u tekućini, zbog visokih vrijednosti koeficijenta prijenosa topline s tekućine na metal, može se postići znatno veća brzina zagrijavanja. S druge strane, zbog znatno veće toplinske vodljivosti tekućina u odnosu na plinove, raspodjela temperature u njima mora biti ravnomjernija, pa će se stoga zagrijavanje pojedinih proizvoda ili dijelova proizvoda odvijati pod istim uvjetima.
Najbrža brzina zagrijavanja može se postići u tekućem metalu kao što je rastaljeno olovo. Olovna kupka je željezni lončić napunjen olovom, ugrađen u osovinska električna peć ispod poklopca auspuha. Kada se olovo otopi i postigne unaprijed određenu temperaturu, u njega se spuštaju mali dijelovi koji se brzo zagrijavaju, na primjer, za kaljenje ili kaljenje, dok toplinska vodljivost olova osigurava visoku ujednačenost zagrijavanja dijelova koji padaju u njega. ali olovna kupka ima niz značajnih nedostataka:
• štetan rad s olovom, osobito pri visokim temperaturama,
• nemogućnost korištenja za zagrijavanje na temperature iznad 800°C (pri višim temperaturama olovo intenzivno isparava),
• mali toplinski kapacitet olova, zbog čega se brzo hladi kada se uroni u veće dijelove.
Zbog toga su olovne kupke imale samo ograničenu upotrebu. Za razliku od olova, razne soli, nitrati i baze našli su mnogo širu primjenu. Budući da brojne korištene soli, nitrati i baze imaju vrlo različita tališta, za bilo koju temperaturu u rasponu od 250 do 1300 °C može se odabrati takva sol ili mješavina soli da malo ispari na toj temperaturi i pri istoj vrijeme je fluidno. U tablici 1. navedena su tališta i područja primjene nekih soli i nitrata.
Solne i solne kupke konstruktivno izvedene kao kade s vanjskim grijanjem, kade s unutarnjim grijačima i elektrodama... Prve dvije vrste izvode se na relativno niskim temperaturama — to su uglavnom salitrne i alkalne kupke koje se koriste za toplinsku obradu profila i limova od lakih legura. (450 -525 °C).
Solne kupelji s vanjskim grijanjem su pravokutna ili kružna posuda zavarena od običnog ugljičnog čelika smještena u oknu s metalnim grijačima.
Slane kupke s unutarnjim grijačima rade se isto, ali nemaju vanjske grijače, već su cijevni hermetički grijači uronjeni u nitrat. Imaju značajne prednosti:
1. Nešto manje dimenzije i manji gubici topline u odnosu na vanjske grijaće kupke,
2. potrošnja ogrjevnih legura kod njih je deset puta manja,
3.Oni su sigurniji jer nitrati mogu eksplodirati kada se pregriju u prisutnosti željeznih oksida, a do takvog pregrijavanja u vanjskim grijaćim kupkama može doći zbog onečišćenja donjih slojeva nitrata, što rezultira pregrijavanjem dna kupelji od donjih grijača.
Nedostatak cijevnih grijača u nitratnim kupkama je njihov kratak vijek trajanja zbog visoke temperature i korozije plašta cijevi nitratom.
Tablica 1. Talište i raspon nekih soli
Slane i alkalne kupelji obiju vrsta postižu vrlo velike veličine (duljina 6-8 m) i snagu od nekoliko stotina kilovata.Za više temperature koriste se kupelji s elektrodom. Oni su metalni ili keramički lončić napunjen solju, u koji se spuštaju metalne elektrode koje napaja transformator s naponom od 8-25 V.
U hladnom stanju sol teško provodi struju, ali ako se zagrije nekim vanjskim izvorom, tada se između elektroda uspostavlja struja koja otpušta Jouleovu toplinu u sol. Stoga sama rastaljena sol služi kao grijač u takvim kupkama, u koje se uranjaju predmeti koje treba grijati.
Kupke s elektrodama dolaze s pokrovom i vanjskim elektrodama. Prvi se trenutno ne koriste zbog niske učinkovitosti i neravnomjernog zagrijavanja. U takvim kupkama gustoća struje na površini elektroda zbog velikih dimenzija potonjih nije velika, stoga postoji samo prirodna toplinska cirkulacija soli u njima, koja izjednačava temperature u potonjima po visini. Ipak, u takvim kupkama temperaturna razlika u gornjoj i donjoj razini može doseći 20-25 ° C.
Dakle, glavni nedostatak takvih kupki je nedovoljno intenzivna cirkulacija soli, što dovodi do smanjenja brzine zagrijavanja proizvoda, a time i rada kupke, te do neravnomjerne raspodjele temperature u njoj duž visina.
Štoviše, u tim kupkama strujne linije ispunjavaju gotovo cijeli volumen soli; stoga struja također teče kroz proizvode. S nepovoljnim oblikom potonjeg (oštri rubovi, tanki mostovi između dva dijela proizvoda), u njima se mogu koncentrirati povećane gustoće struje, što će dovesti do pregrijavanja i može dovesti do odbacivanja ili čak taljenja.
Riža. 1. Slana kupka s udaljenim elektrodama i pregradom: 1 — kupka, 2 — obloga, 3 — pregača, 4 — kišobran, 5 — pregrada: 6 — pirometar, 7 — elektroda, 8 — vatrostalni zid, 9 — toplinska izolacija.
Ovi nedostaci su prevladani elektrodnim solnim kupkama s vanjskim elektrodama koje postaju sve raširenije. U njima su elektrode dvije šipke pravokutnog ili kružnog presjeka, spuštene u sol na udaljenosti od 25-50 mm jedna od druge.
U takvim kupkama, gotovo svi strujni vodovi nalaze se u prostoru između dvije elektrode, stoga samo beznačajne struje prolaze kroz grijane dijelove i njihove pojedinačne točke se ne pregrijavaju. Osim toga, kako bi se potpuno isključio prolaz struje kroz dijelove, dio komore u kojem se nalaze elektrode može se odvojiti od radnog dijela pregradom (slika 1).
Budući da je gustoća struje između šipki vrlo velika, sol između njih se pregrijava i počinje intenzivna toplinska cirkulacija, a zagrijane čestice soli dižu se u prostor između elektroda i na gornjoj razini divergiraju kroz volumen kupke, dok su hladnije donji slojevi umetnuti u međuelektrodni prostor ispod.
Pri vrlo velikim gustoćama struje između elektroda (oko 15-25 A / cm2) počinju prevladavati elektromagnetske sile koje bacaju sol u međuelektrodni prostor, zbog čega se smjer cirkulacije mijenja i njezin intenzitet raste. Takva prisilna cirkulacija soli značajno povećava i koeficijent prijenosa topline od soli do proizvoda i ujednačenost zagrijavanja proizvoda duž visine kupelji (do ± 3 ° C).
Zbog navedenih prednosti, kupke s vanjskim elektrodama u posljednje se vrijeme sve više koriste. Solne kupke proizvode se jednofazne i trofazne (slika 1) snage od 20 do 150 kW i na različitim temperaturama do 1300 ° C. Koriste se za zagrijavanje raznih proizvoda za kaljenje i kaljenje, a prvenstveno za alate (uključujući brzorezni čelici), kao i za izotermno žarenje. Osim toga, odabirom odgovarajućeg sastava soli u njima moguće je osigurati provođenje termokemijske obrade, pougljičenja i cijanizacije čelika.
Dobro poznata prednost grijanja u slanim kupkama je prekrivanje predmeta iz kupke tankim slojem soli. Ovaj film štiti površinu proizvoda od oksidacije na zraku, dok u isto vrijeme puca i odbija se kada se ohladi ili kada se uroni u spremnik za hlađenje.
Metalni lončići otporni na toplinu elektrodnih kupelji koje rade do 1000 °C izrađeni su od krom-nikal čelika, a može se pretpostaviti da im je vijek trajanja 1 godina. Keramički tiglovi mogu se koristiti do 1400°C, mogu se potpuno zbijati, peći ili sastavljati od pojedinačnih pečenih visoko aluminijskih keramičkih ploča povezanih zajedno u otopini.
Elektrode mogu biti izrađene od krom-nikal čelika ili niskougljičnih čelika, npr. klasa 10. U visokotemperaturnim kupkama elektrode stoje 3-6 mjeseci, u srednjotemperaturnim do godinu dana.
Raspored pokrova za slanu kupku igra važnu ulogu... Otvoreno slano ogledalo emitira količinu energije koja je jednaka otprilike 5-6 puta gubitku topline zatvorene kupke na 1000 °C. Stoga poklopac za kadu mora biti dovoljno izoliran , u isto vrijeme mora se lako preklopiti ili pomaknuti u stranu tijekom utovara i istovara. Značajno smanjenje gubitaka u kupaonskom zrcalu može se postići presvlačenjem njegove površine slojem ćelijskog grafitnog ugljičnog praha.
Budući da se sol ne provodi u hladnom stanju, potrebno ju je zagrijati za rad kupke. Najprikladnija je uporaba početnog otpora nikroma. Potonji se, prije nego što se kupka skrutne, uroni u sol i spoji na dvije elektrode. Kada se kupka zagrije, transformatorska struja koja teče kroz otpornik je zagrijava, zbog čega se slojevi soli u blizini otpornika zagrijavaju i zauzvrat počinju provoditi. Otpornik se zatim isključi i izvadi iz soli.Za takav otpor može se dopustiti vrlo visoka specifična površinska snaga reda veličine 10-15 W/cm2. Međutim, treba imati na umu da pri radu u soli nichrome postaje vrlo krhak i zahtijeva pažljivo rukovanje.
Ponekad, umjesto metalnog otpora između elektroda, nakon isključivanja peći, polažu se komadi elektrodnog ugljena, koji, zagrijavajući kada je kupka uključena, zagrijavaju sol. Konačno, možete jednostavno zagrijati solna područja u blizini elektroda plinskim plamenikom. Postupak zagrijavanja kupelji je prilično dug, pa je ponekad poželjno ne hladiti kupke preko noći, već ih ostaviti uključene na smanjenom naponu.
Uz isprekidane kupke s elektrodama, također se koriste i kontinuirane jedinice... Za pojedinačne kupke može se koristiti pokretna traka iznad kupke za nošenje dijelova i njihovo uranjanje u sol. Jedinice za složene procese toplinske obrade, koji se provode uzastopno u nekoliko kupki, su složenije, jer to zahtijeva stvaranje naizmjeničnog kretanja dijelova u vodoravnom i okomitom smjeru. Obično se ovaj zadatak rješava pomoću pokretne trake ili vrtuljka s uređajem za podizanje.
Stoga, u usporedbi s konvencionalnim električnim pećima, solne kupke imaju sljedeće prednosti:
1. visoka brzina zagrijavanja i stoga visoka učinkovitost za jednake dimenzije,
2. jednostavna izvedba raznih vrsta toplinske i termokemijske obrade,
3. zaštita proizvoda od oksidacije tijekom zagrijavanja i hlađenja.
Nedostaci solnih kupki su sljedeći:
1.velika specifična potrošnja energije zbog povećanih toplinskih gubitaka iz kupaonskog ogledala i potrebe za njegovim kontinuiranim radom zbog dugotrajnosti i složenosti grijanja (potonje uzrokuje rad pod opterećenjem),
2. prilično velika potrošnja soli,
3. teški radni uvjeti čak i uz dobru ventilaciju.
Prevalencija solnih kupki objašnjava se činjenicom da u mnogim slučajevima njihove prednosti nadmašuju njihove nedostatke.
Za najniže temperature koriste se uljne kupke, izvedene s unutarnjim i vanjskim zagrijavanjem. Elektrodni kotlovi za zagrijavanje vode i proizvodnju vodene pare rade na isti način kao elektrodne solne kupke.