Zařízení na tepelné zpracování. Katedra materiálu SF TU v Liberci 2010

Transkript

1 Zařízení na tepelné zpracování Katedra materiálu SF TU v Liberci 2010

2 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

3 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

4 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

5 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

6 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

7 Základní rozdělení pecí Dávkové přerušovaný proces - komorové - šachtové - zvonové - kelímkové - muflové Průběžné nepřerušovaný proces - bubnové - tunelové - karuselové 7

8 Komorové pece - schema Plynová pec 8 Elektrická pec

9 Komorové pece 9

10 Provoz s komorovými pecemi 10

11 Komorová pec vozová schema 11

12 Šachtové pece - schema jednoduchá 12 S řízenou atmosférou

13 Šachtové pece - monokarb 13

14 Provoz monokarbů 14

15 Zvonová pec Schema 15

16 Kelímková pec kov nebo sůl Vnější ohřev 16 Přímý ohřev

17 Kelímková pec 17

18 Muflová pec 18

19 Bubnová pec - jehly 19

20 Válečková průběžná pec (tunelová) Poháněné válečky Narážecí 20

21 Válečková průběžná pec 21

22 Pásová průběžná pec (tunelová) 22

23 Pásová průběžná pec 23

24 Karuselová pec 1 tepelná izolace 2 topné těleso 3 podstavec 4 jednotlivé pozice 5 pohon karuselu 6 dveře pro vsázku 24

25 Karuselová pec 25

26 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

27 Ochrana povrchu před oxidací Odstranění oxidačních látek Ochranná atmosféra Pasivní Vakuum Aktivní Řízená atmosféra 27

28 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

29 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

30 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

31 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

32 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 % N % H % CO Obdoba endoatmosféry, ale méně stop kyslíku a vodní páry. 32

33 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 % N % H2 33

34 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

35 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

36 Sublimace látek Voda sublimuje při tlaku pod 611 Pa v obrázku červeně - -Tlak sublimace závisí na teplotě - S teplotou se zvyšuje - roste rychlost 36

37 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

38 Změna složení rychlořezné oceli 38

39 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

40 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

41 Dvoukomorová vakuová kalicí pec ZEZ Liberec (1985) 41

42 Vakuová pec 42

43 Ochlazování proudem plynu 43

44 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

45 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

46 Schema vakuové pece 46

47 Vakuová pec Degussa 47