Вспомогательное оборудование термических цехов

$ 53. МАСЛООХЛАДИТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ

Для охлаждения закалочной жидкости в немеханизированных закалочных баках применяют змеевики с холодной проточной водой, баки с двойными стенками и с мешалками и т. д.

В случае необходимости более быстрого охлаждения при боль­шом количестве закалочных баков целесообразно применять масло­охладители. В промышленности применяют маслоохладители двух

А-А

Рис. 126. Маслоохладитель труба в трубе

типов: барабанного (колончатого) и так называемого «труба в трубе». Маслоохладитель типа «труба в трубе» (рис. 126) пред­ставляет собой двойной змеевик с расположением труб одной в другой. По внутренней трубе пропускается охлаждающая вода, а по наружной — охлаждаемое масло. Вода и масло двигаются в противоположных направлениях.

Наиболее распространенной конструкцией маслоохладителей (холодильников) являются цилиндрические барабаны (колонки) с двойными днищами и с продольными или поперечными пере­городками. Вдоль барабанов в отверстия внутренних днищ встав­лены латунные или медные тонкостенные трубки диаметром Ш— 15 мм для масла и стальные для раствора каустической соды. В этих маслоохладителях холодная вода и горячее масло цирку-204

лируют также по принципу про­тивотока, причем вода напра­вляется прямолинейно внутрь трубок, а масло движется криволинейно, обходя попереч­ные перегородки между труб­ками с водой. Концы латун­ных трубок развальцованы в отверстиях днищ, и для чистки коллектор трубок-с внутренними днищами может быть выдвинут из корпуса маслоохладителя после съема одной из крайних коробок (головок).

Коллекторы маслоохладите­лей чистят при их загрязнении. Загрязнение коллекторов мас­лоохладителей ухудшает тепло­обмен между горячим маслом и трубами, охлаждаемыми во­дой, поэтому коллекторы масло­охладителей при загрязнении чистят. Для этого головку масло­охладителя снимают,коллектор вынимают и промывают в жид­костях типа толуола. Так как толуол является взрывоопасной жидкостью, промывку ведут за пределами цеха, на значитель­ном расстоянии от заводских сооружений. Меннее эффектив­ными средствами для очистки коллектора являются острый пар, воздух давлением 5—6 am или раствор каустической соды. Существует несколько типов колончато-трубчатых охлади­телей (рис. 127), имеющих индекс ТДВ: ТЛВ-8, ТЛВ-15, ТЛВ-21, ТЛВ-37 и ТЛВ-65 (Т — теплообменник, Л — ко­лончатый, В — вертикальный, цифра — поверхность охлажде­ния в квадратных метрах). Ра­бочее давление масла и воды 3,3 кПсм*. Наибольшая допус­каемая температура для воды 20° С и для масла 55° С, Ма-

Рис. 127. Вертикальный колончато-трубчатый маслоохладитель типа ТЛВ

слоохладители дают перепад температур 10—15° С, т. е. если подается горячее масло с температурой 60° С, то после прохожде­ния через маслоохладитель масло будет иметь 45—50° С. Для облегчения чистки коллекторов маслоохладителей на некоторых заводах масло пропускают по трубкам, а воду — по межтруб­ному пространству. При таком способе прямолинейные трубки загрязняются только изнутри и их легче очистить, чем всю на-

Рис. 128. Схема пластинчатого теплообменника

ружную поверхность плотно установленных трубок коллектора. В этом случае масло охлаждается хуже и перепад температур между горячим и охлажденным маслом меньше, так как коэф­фициент теплопередачи масла к стенке трубы меньше, чем коэф­фициент теплопередачи воды. При охлаждении в холодильнике раствора каустической соды перепад температур равен также 10-15° С.

Для маслоохлаждения можно также использовать пластин­чатые теплообменники. Эти теплообменники изготовляют раз­борными на консольной раме или на двух опорах. Пластины тол­щиной 1—1,2 мм и размером 1370x500 или 960x315 мм изго­товляют двух видов со штампованными гофрами «в елку» и гори­зонтальными гофрами. Материалом пластин может быть сталь 08КП или нержавеющая, а также железо, алюминий, медь и латунь. Пластины собирают, между ними по периметру и вокруг отверстий укладывают резиновую прокладку, после чего они стя-206

гиваются в пакет. По образованным между пластинами щеле-вндным каналам движутся противотоком из соответствующих кол­лекторов жидкости. По одну сторону пластины находится горя­чее масло, а по другую — вода или другой охладитель (рис. 128). Гофрированная форма пластин способствует усиленной турбу-лизации жидкости. Это обеспечивает высокий коэффициент тепло­передачи при сравнительно малом гидравлическом сопротивлении. Пластинчатые теплообменники требуют меньшей площади, легко и быстро разбираются для чистки. Поверхность теплообменников составляет от 3 до 160 м*.

Маслоохладители из­готовляют заводы хими­ческого машинострое­ния.

В централизованную
м а с л оо х л а д ите л ь н у ю с и-
стему кроме маслоох­
ладителя входят сбор­
ная цистерна для масла,
фильтры, насосы и тру­
бопроводы. Размеры
сборной цистерны под­
бираются таким обра­
зом, чтобы во время ра­
боты установки после
заполнения всей систе­
мы (закалочные баки и
трубопроводы) в цистер­
не находилось масло, Рис. 129. Фильтр для очистки масла
занимающее ¹/₃ ее объ­
ема. Цистерна должна иметь объем, обеспечивающий аварийный
спуск в нее всего масла из системы (например, в случае пожара).
Объем сливной цистерны должен быть больше объема масла
в системе на 30—40%. Обычно для удобства работы маслоохлади-
тельной установки сборную цистерну разделяют на два-три отсека,
из которых в работе находится один отсек, а другие — на чистке.
Путем переключения вентилей масло может быть направлено из
одного отсека в другой или сразу поступать в два-три отсека.
Сборную цистерну помещают в подвале под цехом или углубляют
в землю вблизи цеха. Грязь и окалина из отсеков сборной цистерны
периодически удаляют при чистке.

Фильтры устанавливают между сливной цистерной и насосом и служат для очистки масла от частиц окалины и грязи. Фильтр представляет собой два цилиндра, объединенных в одном корпусе (рис. 129). В цилиндрах расположены латунные сетки. Из масла, проходящего через сетку фильтра, выделяются и осаждаются не­растворимые частицы окалины и грязи. В работе всегда находится один цилиндр, а другой подвергается чистке.

Для чистки фильтра снимают крышку цилиндра и вынимают латунную сетку с осевшей в ней грязью и окалиной, а дно ци­линдра очищают через люк сбоку. Затем в цилиндр устанавливают запасную или очищенную и промытую сетку, закрывают крышку и люк, после этого фильтр может быть вновь включен в работу.

Рис. 130. Централизованная ■маслоохладительная установка в подвале

термического цеха:

I — маслоохладитель; 2 — насосы с электродвигателем; $ — фильтры; 4 — сбор­ная цистерна

Расположение централизованной маслоохладитель ной уста­новки в подвале термического цеха показано на рис. 130.

В настоящее время в агрегатах термической и химико-терми­ческой обработки устанавливают индивидуальные маслоохла­дители, способствующие получению лучшего качества обрабаты­ваемых деталей.

Для расчета производительности маслоохладительной уста­новки определяется общий вес деталей, проходящих охлаждение в масле при закалке и после отпуска. Количество тепла, которое передается от металла маслу (и от масла — воде), определяется по формуле

Q = cA (^ — tj щал/ч,

20§

где с —теплоемкость стали в ккал/(кг-град);

А — среднее количество охлаждаемого металла в кг/ч; t_H — температура (нагретого) погружаемого в масло металла; t_K — температура (охлажденного) извлекаемого из масла металла. Количество масла, необходимое для охлаждения металла, определяется по формуле

где с — теплоемкость масла, равная 0,45 ккал!(кг-град);

г\=;50° С — температура масла, поступающего в маслоохла­дитель; (_а^39° С — температура масла-, выходящего из маслоохла­дителя. Зная плотность масла, получим объем его:

	v = T=~km'
где р -или	~ плотность масла, Vi = -ИНГ м*1ч-

Эта величина характеризует производительность маслоохла­дительной установки, по которой можно рассчитывать диаметры трубопроводов.

§ 54. КОНТРОЛИРУЕМЫЕ АТМОСФЕРЫ И УСТАНОВКИ ДЛЯ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ

Окисление металла. При нагреве металлов в печах происходит окисление. Интенсивность окисления будет тем больше, чем выше температура нагрева. Процесс окисления состоит в химическом взаимодействии металла с окислительными газами, находящимися в печной атмосфере.

Ход реакций окисления железа водяным паром и углекислым газом можно проследить по диаграмме, показанной на рис. 131. Если при температуре 1000° С отношение количества водяных паров к водороду будет 6 : 10, то смещение равновесия реакции FeO + H_a^iFe -\- H_aO пойдет вправо, т. е, с восстановлением железа. Но уже при температуре ниже 900° С железо будет оки­сляться. Из этой же диаграммы аналогично можно определить, как влияют СО_а и СО на железо и его окисел. При температуре 1000° С и ССУСО = 6/10 в реакции Fe -f СО_г^ FeO + СО же­лезо будет окисляться, а при температуре ниже 750° С — вос­станавливаться.

Если же в печи присутствуют все четыре газа, то происходит реакция: СО + H₂O^COj + Н, и соотношение компонентов

14 с. л. Рустек 309

смеси, а также окислительная способность газовой смеси изме­нятся.

Продуктом окисления стали является окалина, состоящая из окислов: FeO, Fe₃0₄ и Fe_a0₃.

Окислы Fe₃0₄ и Fe₂0₃ устойчивы в большом диапазоне тем­ператур (от 20 до 1538—1565" С), а окисел FeO устойчив только при температуре выше 570° С до точки его плавления (1377° С). Окисление металла следует рассматривать как процесс двусторон­ней диффузии окисляющих газов с поверхности внутрь металла через слой окалины [2]. Металл в виде ионов тоже диффундирует

t° WOO 800 600 Ш

<--§'

о

ом

Рис. 131. Диаграмма равновесия С02— СО и Н20—На с железом Fe,0,

через пленку окислов. Когда ионы металла достигают внеш­ней поверхности, они реагируют с газом и вследствие избытка кислорода образуют окисел Fe_a0₃. Кислородные же атомы, проникая внутрь и соединяясь снеокисленным металлом,обра­зуют окисел FeO вследствие из­бытка металла. Следовательно, можно считать, что снаружи имеется слой Fe_B0₃, затем Fe₃0₄, FeO и чистое железо, т. е. окислы располагаются по убы­вающим степеням окисления. При температурах ниже 570^е С окисел FeO не образуется и оки-и Fe₃0₄, но при температурах

сленныи слои состоит из i с_а

выше 570° С структура окалины состоит из Fe_a6₃, Fe₃0₄ и FeO, причем толщина их примерно соответствует отношению 1 :10 : 100. Кроме окислительных газов, атмосфера печей содержит восста­новительные газы Н₂, СО, СН₄ и нейтральный газ N₂. Техни­ческий азот вследствие постоянного в нем присутствия влаги и до 4% кислорода вызывает окисление стали. При нагреве металла в нейтральной или восстановительной атмосфере окисления не происходит.

Обезуглероживание металла. В процессе нагрева наряду с окис­лением металла может происходить обезуглероживание поверх­ностного слоя металла, т. е. уменьшение содержания углерода в поверхностном слое.

Обезуглероживание вызывает изменение механических свойств деталей или заготовок. Кроме того, деталь с обезуглероженной поверхностью склонна к закалочным трещинам, короблению, обладает малой сопротивляемостью статическим нагрузкам и низ­ким пределом усталости. При изготовлении, рессор, например, особенно внимательно следят за обезуглероживанием поверхности рессорных листов, так как с обезуглероженным слоем листы имеют низкий предел усталости и рессоры намного быстрее выхо-

дят из строя. При определении обезуглероженного слоя нужно учитывать не только его глубину, но и содержание углерода в нем.

Обезуглероживанию способствуют: Н₂0, СО_а, О_а и Н₂. Сущ­ность процесса обезуглероживания заключается во встречной диффузии обезуглероживающего газа и углерода или карбида железа и реакции между ними. Процесс обезуглероживания может происходить по следующим реакциям:

Fe₃C+ H_aO = 3Fe + CO+Н_а;

Fe₃C + СО_а = 3Fe + 2CO;

2Fe₃C + О_а = 6Fe + 2CO;

Fe₃C + 2Н_а = 3Fe + СН₄.

Наиболее обезуглероживающей средой является Н_аО, СО_а и Н_а. Но, кроме этого, на процесс обезуглероживания влияет температура нагрева и содержание углерода в стали. Из элемен­тов, способствующих обезуглероживанию, нужно назвать алюми­ний, кобальт и вольфрам. Хром и марганец задерживают обезугле­роживание, а кремнии, никель и ванадий не оказывают существен­ного влияния на обезуглероживание.

Окисление и обезуглероживание происходит в поверхностном слое металла. Обычно обезуглероживание предшествует окисле­нию. Поэтому, если образовалась окалина, то металл защищается от обезуглероживания. Обезуглероживание не является опасным явлением, если детали после термической обработки подвергаются механической обработке со снятием стружки или шлифованию, и обезуглероженный слой полностью снимается. Таким образом, печные газы в рабочем объеме влияют на изменение химического состава и свойств поверхностных слоев стали. Для того чтобы предохранить металл от отрицательного влияния печных газов, в рабочее пространство печи искусственно вводят защитную газо­вую среду такого состава, который не окисляет и не обезуглеро­живает металл. Можно также искусственно создать такую атмо­сферу, которая будет науглероживать металл, как это делается при газовой цементации. Эти газовые среды называются контро­лируемыми, так как их взаимодействие с металлом при нагреве регулируется в требуемом направлении.

Существует несколько групп контролируемых атмосфер [401: аммиачная, древесноугольная, экзотермическая, эндотермическая, экзо- эндо-, водородная, аргоновая и гелиевая и паровая.

Аммиачная группа.Материалом для получения атмосфер аммиачной группы является безводный жидкий аммиак. Газ (усл. обозн. ДА), получаемый при диссоциации аммиака (2NH₃—> ЗН_а + + N₂), содержит до 75% водорода и является взрывоопасным.

Газ (усл. обозн. ПСА-08), получаемый из продуктов сжига­
ния аммиака с коэффициентом избытка воздуха а = 0,7-^0,9,
14* 211

содержит 1 — 15%, остальное азот. Этот газ не является взрыво­опасным и применяется при отжиге малоуглеродистой стали, а также при нагреве для пайки. Атмосфера аммиачной группы может быть окислительной при наличии водяных паров, и по­этому газ перед пуском в печь сушат путем понижения темпера­туры газовой смеси. При этом происходит понижение равновес­ного содержания водяного пара, и влажность смеси уменьшается. Температура, начала конденсации водяных паров из газовой смеси называется точкой росы. Чем ниже эта температура, тем меньше влаги содержится в газовой смеси. Допускаемая влажность газа при отжиге в 0,01% соответствует точке росы — 40° С,

заполненных силикагелем (гидратом кремневой кислоты). Процесс поглощения влаги силикагелем идет с выделением тепла, и по­этому работающая колонка охлаждается снаружи водой. В другой колонке в это время происходит восстановление силнкагеля путем продувки нагретым до температуры 250—300° С воздухом в те­чение 2,5 ч. Воздух из воздуходувки 9 подается в камеру частичного сжигания 4 и в нагреватель адсорбера 5. При необ­ходимости газ можно выпускать в атмосферу через водяные за­творы 10.

Характеристика, методов осушки газов приведена в табл. 11.

Таблица И

Рис. 132. Схема приготовления контролируемой атмосферы ПСА-08

Газ ПСА-08 обезуглероживает средне- и высокоуглероди­стые стали. Обезуглероживающее действие этой системы газов вызывается избытком водорода и зависит от направления реакции. Процесс получения контролируемой атмосферы газа происходит по схеме, показанной на рис. 132. Жидкий аммиак из баллонов 1 направляется в испаритель 2, где переходит в газо­образное состояние. Отсюда газообразный аммиак поступает в диссоциатор 3 и распадается на водород и азот. Процесс проте­кает при температуре 600—850° С в присутствии катализатора— железных стружек. После диссоциации газ охлаждается в змее­вике испарителя, промывается в скруббере и вводится в камеру 4 частичного сжигания.

Процесс частичного сжигания ведется также в присутствии катализатора—шамотного кирпича с порошком никеля при тем­пературе 900° С. При сжигании соблюдается точное дозирование воздуха и газа. Затем следует охлаждение и сушка газа в скруб­бере 5, рефрижераторе 6 и адсорбере 7 с силикагелем, после чего газ направляется в печь. Влажность при охлаждении в скруб­берах до температуры точки росы (+20° С) составляет 2,3%. При последующем охлаждении в рефрижераторе до температуры +2° С содержание влаги уменьшается до 0,7%. Сушка газа в этом слу­чае происходит вследствие охлаждения газа и конденсации влаги. Окончательная сушка газа ведется в адсорбере с силикагелем. Адсорбер 7 состоит из двух попеременно работающих колонок,