VÝZNAM KONTROLY KALÍCÍCH MÉDIÍ

Transkript

1 VÝZNAM KONTROLY KALÍCÍCH MÉDIÍ Filip Vráblík, Ing., Pavel Stolař, Ing. Csc., ECOSOND, s.r.o., K Vodárně 531, Čerčany, Česká republika Abstract The maintainance of quenching media is in many cases underestimated. However the rate of economical waste and potential danger is much higher compared to low costs of regular special laboratory tests. This article gives the overwiev of these laboratory tests and their importance in the heat treatment field. Úvod Jako kalící médium v průběžných a víceúčelových pecích je v ČR a SR převážně používán kalící olej. Kalící oleje se od sebe liší nejen svým základem (minerální olej, PEG, syntetický ester nebo hydrokrakovaný olej), ale i obsahem aditiv, které ovlivňují především kalící charakteristiku oleje, ale také dobu jeho stárnutí. Stárnutí oleje se projevuje na kvalitě zpracovávaného materiálu, vzhledu jeho povrchu a množství vynášeného oleje. Proto je třeba provádět i pravidelné kontroly kalícího oleje a předejít tak potížím při kalení nebo dokonce vzniku požáru a následných ekonomických ztrát. V neposlední řadě hraje roli také vliv média na okolní prostředí. Základní parametry jsou uvedeny v následující tabulce. Základ Minerální olej (Durixol) PEG (Synabol) Syntetický ester (Synabol) Hydrokrakovaný olej (Durixol) Roztok polymeru (Polyquench) Bod vzplanutí C / Nehořlavý Viskozita při 40 C 23 40/ Závislá na koncentraci Plameny,saze Ano Ne Páry a plyny při popouštění nevypraných dílů Biologicky odbouratelný Třída nebezpečnosti - voda Péče o lázeň Ano, CO 2, CO, uhlovodíky, produkty stárnutí,saze alkohol,aldehydy min. produkty rozkladu mast.olejů,saze Ano, CO 2, CO, uhlovodíky, produkty stárnutí,saze Ano, podstatně méně než u alkohol,aldehydy min. Ne Ano Ano Ne Těžko odbouratelné Slabě ohrožuje Slabě ohrožuje Neohrožuje vodní Ohrožuje vodní Slabě ohrožuje vodní zdroje vodní zdroje zdroje zdroje vodní zdroje Pravidelně, nepatrné náklady Nepatrné náklady Nepatrné náklady Nepatrné náklady Vyšší náklady, koncentrace - denně, tvrdost vody Princip stárnutí a oxidace V ropných produktech, které jsou ve styku se vzduchem za zvýšené teploty dochází k oxidaci, což se po určité době projevuje výskytem látek kyselého a asfaltovitého charakteru. Jejich tvorba je způsobena přítomností složek schopných reagovat se vzdušným kyslíkem nebo se jiným mechanismem (polymerizace) chemicky měnit. Reakce s kyslíkem a ostatní chemické změny jsou urychlovány zvýšenou teplotou ( s rostoucí teplotou kinetika oxidace strmě roste), přítomností katalyzátorů (Cu, Pb, vlhkost) a množstvím vzduchu obsaženého v oleji. Změny, ke kterým dochází se označují jako stárnutí a vznik produktů oxidace (dehet, asfalteny) je třeba sledovat. Stárnutí oleje se projevuje zvyšováním jeho viskozity, změnou ochlazovací rychlosti a jejího maxima, zvýšením přilnavosti, zhoršení oplachovatelnost apod.

2 Stárnutí oleje má za následek změnu ochlazovací schopnosti oleje, vznik pevných nerozpustných produktů a tím zvýšení viskozity a hustoty kalícího oleje. To může mít za následek nedokonalé prokalení dílů, flekatost a s tím spojené ekonomické ztráty. Proti stárnutí se často používá aditiv (inhibitorů stárnutí), které zpomalují tvorbu uvedených zplodin a souvisejících jevů. Dříve se používala aditiva obsahující asfalt a to napomáhalo k silnému vylučování na kalených součástech, a též na studených místech kalícího systému. Dnes se vyrábí plně syntetická aditiva a vysocevýkonné minerální oleje, které je obsahují a jsou pravidelně doplňovány a kontrolovány, mají životnost téměř neomezenou. Voda v oleji Již malé množství vody (cca 0,05%) přítomné v kalícím oleji může negativně ovlivnit vlastnosti kalícího oleje. Výsledkem jsou měkká místa na kaleném zboží, neprokalené zboží, nebezpečí deformací a zvýšení náchylnosti k tvorbě trhlin. Tyto jevy jsou důsledkem vzniku intenzivního parního polštáře obsahujícího vodní páru, který vzniká na povrchu součástí. Pod parním polštářem je ochlazování materiálu výrazně pomalejší, a proto hrozí nebezpečí neprokalení. Teplotní rozdíly mezi materiálem pod parním polštářem a mimo něj pak způsobují tepelná i transformační pnutí vedoucí k pnutím, deformacím a případně dokonce trhlinám. Extrémním projevem vody v oleji je vzplanutí kalící lázně, které představuje nejčastější příčina požárů v kalírnách, obzvláště v zařízeních, ve kterých jsou kaleny velké vsázky např. průběžné pece, víceúčelové a šachtové pece. Obr.1: Mnohem citlivější a přesnější zkouškou je stanovení obsahu vody v oleji za pomoci KF Coulometru DL 36 metodou dle Karl Fishera Obsah vodu v oleji je proto nutné kontrolovat při každém podezření na její výskyt (pěna na hladině lázně, větší množství vznikajících par, vyšší plameny apod.). Jednoduchou zkouškou je tzv. zkouška prskací, kvantitativně lze stanovit obsah vody v oleji zkouškou podle Karl-Fischera, viz obr. 1. Pro stanovení obsahu vody stačí i vzorek o objemu několika ml. Kontrola kalících médií Žádná zkouška není univerzální, a tak se vhodně kombinují podle toho, zda se jedná o rutinní kontrolu (měla by se provádět 1-2/rok), nebo zda se jedná o zkoušku, která má pomoci vyřešit určitý problém s kalením. Vesměs se však jedná o následující laboratorní testy: Komplexní zkouška oleje obsahuje následující testy:

3 Měření ochlazovací křivek Tato zkouška přináší nejvíce informací. Lze z ní usuzovat na charakter oleje, na míru stárnutí oleje, změnu kalící charakteristiky a částečně i na přítomnost vody v oleji. Z kalící křivky odečítáme: - Maximální ochlazovací rychlost v C/s - Teplotu polohy maximální ochlazovací rychlosti obě tyto veličiny charakterizují změnu rychlosti v průběhu stárnutí oleje. Pokud se obě veličiny změní o více než 5 C/s nebo 10 C, je nutné se touto změnou zabývat. - Velmi intenzívní oblast parního polštáře zvyšuje deformace v důsledku teplotního rozdílu na různých místech kalených součástí či vsázky. Velká oblast parního polštáře zvyšuje deformace. Minimální deformaci může přispět zejména co nejrovnoměrnější ochlazování kaleného předmětu. Rovnoměrnost ochlazování v oleji závisí zejména na rozdílech rychlosti ochlazování během jednotlivých fází kalení. Minimální deformace jsou způsobeny v těch olejích, které mají krátkou oblast parního polštáře, parní polštář se rychle porušuje a následně nastává nepříliš intenzívní oblast ochlazování varem kapaliny. - Zvyšování kalící rychlosti především ve fázi konvekce je častým problémem. Možné příčiny jsou: - Obsah vody v oleji. Již 0,05% vody může způsobit velkou změnu maximální ochlazovací rychlosti a může negativně ovlivnit i rychlost ve fázi konvekce. - Oxidace minerálních olejů redukuje stabilitu parní fáze a zvyšuje maximální ochlazovací rychlost Obr.2: Ochlazovací křivky olejů

4 Teplota o C Parní polštář Oblast varu Konvekce Čas, s Obr. 3: Tři fáze ochlazování v kapalném médiu Spektroskopie Používá se pro stanovení jednotlivých uhlovodíků a ostatních organických látek v ropném produktu. Pro komplexní analýzu se používá kombinace IR, Ramanovy, jaderné rezonanční a hmotové spektroskopie. Pro přímou analýzu minerálních olejů byla se používá IR spektroskopie. Tato analýza umožní jednoznačně rozpoznat cizí látky v oleji (hydraulický olej), stanovit míru stárnutí oleje apod. S ohledem na přístrojovou náročnost se provádí výjimečně. Doplňkové laboratorní zkoušky: Měření viskozity Měření viskozity poskytuje orientační informaci o charakteru oleje. Obecně platí, že viskóznější oleje ochlazují pomaleji než oleje méně viskózní. Měření ochlazovací rychlosti však rychlost ochlazování charakterizuje výrazně lépe, než měření viskozity. Je důležité, aby se olej ulpěný na zakaleném zboží nechal pokud možno velmi dobře odstranit, aby jeho zbytky nezpůsobily tmavé zbarvení zboží po popuštění. Výhodnější jsou proto oleje s poměrně nižší viskozitou, které je možné ze zboží snáze odstranit. Je-li měřena současně ochlazovací rychlost přístrojem Quenchotest, je měření viskozity nepříliš významné. Hustota Hustota vzrůstá s rostoucí molekulovou hmotností uhlovodíků. Vysoká hustota je způsobena přítomností těžkých uhlovodíků(dehtů). S rostoucí hustotou se zvyšuje podíl produktů stárnutí, které

5 způsobují flekatost a zhoršují opratelnost kalených dílů. Pro kalírenskou praxi je však měření hustoty málo přesné, a tím i nepříliš podstatné. Bod vzplanutí C.O.C. Udává nejnižší teplotu kalícího oleje, při níž unikne ze zahřívaného vzorku nad jeho hladinu do vzduchu tolik par, že vzniklá směs par a vzduchu dosahuje dolní meze zápalnosti (výbušnosti). Obsah vody v oleji bod vzplanutí významně snižuje. Voda odpařováním strhává olejové kapky do páry nad olejem, a tím výrazně zvyšuje nebezpečí požáru. Bod vzplanutí je proto vhodné pravidelně kontrolovat. Odparek Rychlost odpařování závisí na teplotě, době odpařování, chemického složení oleje a na velikosti hladiny. V praxi se u některých výrobků omezuje přídavkem povrchově aktivních látek, které zpomalují difúzi par do okolí. Je však nutné včasným doléváním předejít vzniku požáru. Mechanické nečistoty v oleji - Obsah popela udává množství mechanických anorganických nečistot vnesených do oleje. Nečistoty způsobují zejména nevzhledné povrchy součástí. - Obsah ostatních nečistot v oleji, který je možné stanovit zjednodušenou chromatografií na filtračním papíře. Intenzita skvrny okolo kapky oleje položené na filtrační papír charakterizuje celkové množství nečistot v oleji včetně sazí. - Vzorky filtračního papíru je možné uschovat a porovnat s později vykonanými zkouškami a sledovat tak postup znečišťování v čase. Znečištěný olej je možné přefiltrovat nebo lépe nechat usadit. Dostatečně dlouhé usazení umožní odstranit i velmi jemné saze, které nejsou mechanickými filtry zachycovány, případně pouze při velmi vysokých nákladech na filtry. - Emulgovatelnost - charakterizuje stav oleje při praní. Tato veličina je důležitá zejména u olejů, do kterých se s ohledem na následující praní přidávají emulgátory. - Kyselost oleje - nemá výrazný vliv na kvalitu kalení a jako zkouška je nabízena pouze laboratořemi, které nemají příslušné vybavení pro analýzu kalících olejů. Cirkulace lázně Kromě výše zmíněných laboratorních zkoušek je jěště třeba upozornit na cirkulaci lázně. Ta nejen zajišťuje rovnoměrné rozložení teploty a tím zabraňuje lokálnímu přehřátí a urychlení procesu stárnutí oleje, ale přispívá i k včasnému utržení parního polštáře z povrchu materiálu. Závěr Ačkoliv v kalírnách a to především v kalírnách českých známe mnoho triků a jednoduchých postupů jak hlídat kalící lázeň (např. vizuální zkouška přítomnosti vody v oleji), je třeba si uvědomit, že se jedná jen o nepřesnou či dokonce někdy zavádějící informaci o stavu oleje. Minimálně jednou ročně by se tedy měl provádět ucelený laboratorní test, pomocí kterého můžeme předejít případným ekonomickým ztrátám. Z uvedeného přehledu zkoušek a jejich aplikací je zřejmé, že kalící oleje je nutné pravidelně kontrolovat. Kontrolu je však nutné provádět ve specializovaných laboratořích, které jsou pro kontrolu kalících olejů vybaveny. Za nejdůležitější zkoušky z hlediska použití pro kalení jsou pokládány následující testy: stanovení ochlazovací křivky metodou quenchotest, stanovení vody v oleji případně infračervená spektra. Na kvalitu povrchu po kalení má vliv rovněž množství anorganických nečistot v oleji a sazí. Hustota oleje, viskozita oleje a kyselost jsou veličiny, které o kalící schopnosti oleje vypovídají málo a nejednoznačně.