Охолодний пристрій для гартування металовиробів у водних розчинах солей

Изобретение относится к области металлургии, машиностроения, преимущественно к открытым устройствам для термической обработки металлоизделий из средне-, высокоуглеродистых, легированных и малоуглеродистых легированных сталей. Наиболее близким по технической сущности и совокупности признаков к заявляемому являются устройства [1] для закалки металлоизделий, содержащие закалочный бак, перемешивающий гребной винт, барботер, систему установленных на стенках бака охладительных змеевиков, подводящих и отводящих трубопроводов с вентилями (фиг. 1). Использование перемешивающего устройства в виде гребного винта позволяет перемешивать и выравнивать температуру закалочной среды по объему бака. Однако в случае приготовления и использования для закалки водного раствора соли такое конструктивное решение не может позволить быстро и в полной мере растворить значительное количество кристаллической соли, засыпанной на дно бака для приготовления солевого раствора. При таком решении поток жидкости от работающего гребного винта будет направлен только на площадь дна бака, расположенную непосредственно под ним и к тому же еще поток из-за отсутствия направляющего (фокусирующего) устройства будет рассредоточен, что не позволит создать направленный циркуляционный поток. Кроме того при указанном техническом решении частицы кристаллической соли, подхваченные потоком воды от гребного винта, будут на ходиться постоянно (до растворения) во взвешенном состоянии во всем объеме бака и смогут оседать на дне в удаленных местах от направленного гребным винтом потока воды. Большое количество кристаллической соли при таком конструктивном решении будет находиться в застойных зонах на дне бака и для ее растворения потребуется значительное время и перерасход энергоносителя. Барботер также предназначен для перемешивания закалочной среды и выравнивания ее температуры по объему бака. Но установка барботера в придонном объеме бака тоже не является эффективным решением для быстрого и полного растворения кристаллической соли, находящейся на дне. Система охладительных змеевиков на внутренних стенках бака предназначена для охлаждения закалочной среды и стабилизации ее температуры в данном температурном интервале. В рассматриваемых закалочных устройства х принят подвод холодной воды в нижнюю часть бака, а отвод нагретой среды в верхней части бака, через сливной карман, осуществляется на систему холодильников замкнутый цикл или же за счет создания проточной системы, что возможно только для воды. Указанные закалочные устройства могут использоваться только применительно к готовым для использования закалочным средам (вода или масло). Для водных растворов солей рассматриваемые типовые конструкции закалочных баков не приемлемы по следующим причинам: для проточной системы слив солевого раствора как с малой концентрацией соли (5-10%), а тем более большой (20-28%) в канализацию или систему водопровода недопустим по санитарным нормам; для замкнутой системы циркуляции охлаждающей среды использование солевого раствора также неприемлемо, так как при эксплуатации системы будут изменяться концентрация соли в растворе из-за осаждения ее на стенках трубопроводов, элементах холодильников и т.д. при остановке циркуляционного насоса, который обычно включается только при закалке изделий. Кроме того, рассматриваемые типы закалочных устройств невозможно использовать в случае применения горячих солевых растворов из-за отсутствия нагревателей. В рассмотренных конструкциях закалочных устройств невозможно автоматически поддерживать заданную концентрацию соли в растворе в процессе закалки, когда происходит выпаривание воды из бака. Приготовление растворов с большой концентрацией соли 15-20% на стадии подготовки устройства к работе также вызовет затруднение из-за медленного растворения кристаллической соли в баке. В основу изобретения поставлена задача создания охлаждающего устройства для закалки металлоизделий в водных растворах солей, которое способно эффективно растворить требуемое количество кристаллической соли, усреднить концентрацию раствора по объему бака и стабильно поддерживать заданные температурно-концентрационные параметры закалочной среды в процессе охлаждения изделий за счет введения новых конструктивных элементов: бака для приготовления солевого раствора, разъединительного козырька на стенках закалочного бака, вертикальной направляющей перегородки с козырьком для создания циркуляционного контура в баке для приготовления солевого раствора, нагревательных элементов (змеевиков), дозатора, разбрызгивателей холодной воды, которые в совокупности обеспечивают требуемую скорость охлаждения закаливаемым изделиям, повышая за счет этого качество металла и предохраняя деталь от коробления и растрескивания. Поставленная задача решается тем, что в охлаждающем устройстве для закалки металлоизделий в водных растворах солей, содержащем закалочный бак, перемешивающий гребной винт, барботер, систему установленных на стенках бака охладительных змеевиков, подводящих и отводящих тр убопроводов с вентилями, согласно изобретению дополнительно к закалочному баку установлен сообщающийся с ним бак для приготовления солевого раствора, между баками находится вертикальная разделительная перегородка с двумя расположенными у противоположных сторон перекрывающимися отверстиями в верхней и нижней части перегородки, причем верхнее отверстие расположено ниже зеркала охлаждающей жидкости и сообщается с соосно расположенным проточным отверстием в направляющем кожухе, который установлен внутри бака для приготовления солевого раствора, а гребной винт установлен внутри направляющего кожуха соосно ему. Направляющий кожух с гребным винтом выполнен с возможностью отклонения от вертикальной оси. В баке для приготовления солевого раствора между отверстиями в разделительной перегородке установлена вертикальная направляющая перегородка с козырьком, образующая вместе со стенками и днищем циркуляционный контур перемешивания солевого раствора. Закалочный бак содержит установленный на стенках по периметру над нижним отверстием вертикальной разделительной перегородки разъединительный козырек, охладительные змеевики установлены под козырьком, а в верхней части бака размещены нагревательные элементы. Выше зеркала охлаждающей жидкости в закалочном баке установлены разбрызгиватели холодной воды, сообщающиеся с подводящим трубопроводом через дозатор. Сущность заявляемого технического решения состоит в необходимости создания закалочной среды на водной основе, способной заменить в промышленности дефицитные, дорогие, экологически вредные закалочные масла и охлаждающие устройства для эффективного приготовления и использования водных охлаждающих сред при термообработке широкого сортамента металлоизделий. Технический результат достигается за счет создания конструкции охлаждающего устройства, способного быстро и эффективно растворить требуемое количество кристаллической соли в воде, усреднить концентрацию раствора по объему бака, создать условия для возможности использования солевого раствора любой концентрации (вплоть до насыщения) как в холодном, так и в горячем состояниях, а также стабильно поддерживать заданную концентрацию соли в объеме рабочей части бака в случае использования горячего (до температуры кипения) раствора. В случае работы с нагретой охлаждающей средой в заявляемом устройстве используется принцип испарительного охлаждения. При этом отбираемое от закаливаемой детали тепло тратится на нагрев хладагента до кипения и на испарение воды из бака, что позволяет резко сократить объем хладагента для закалки и отказаться от системы стабилизации температурного режима ванны (холодильников, или др. устройств). В заявляемом решении технический результат достигается тем, что дополнительно к закалочному баку установлен сообщающийся с ним бак для приготовления солевого раствора, между баками находится вертикальная разделительная перегородка с двумя расположенными у противоположных сторон перекрывающимися отверстиями в верхней и нижней части перегородки, верхнее отверстие расположено ниже зеркала охлаждающей жидкости и сообщается с соосно расположенным приточным отверстием в направляющем кожухе, который установлен внутри бака для приготовления солевого раствора, а гребной винт установлен внутри направляющего кожуха соосно ему. При этом направляющий кожух и верхнее отверстие в разделительной перегородке соединены между собой трубой с боковыми перекрывающимися отверстиями и труба входит через приточное отверстие внутрь направляющего кожуха, а направляющий кожух с гребным винтом выполнен с возможностью отклонения от вертикальной оси (поворачиваясь на трубе). В баке для приготовления солевого раствора между отверстиями в разделительной перегородке установлена вертикальная направляющая перегородка с козырьком, образующая вместе со стенками и днищем циркуляционный контур перемешивания солевого раствора, не позволяющий кристаллам соли попасть в закалочный бак. При работе с нагретыми (вплоть до температуры кипения) охлаждающими средами закалочный бак содержит установленный по периметру над нижним отверстием вертикальной разделительной перегородки разъединительный козырек, делящий бак по высоте на верхний с нагретым охладителем и нижний с холодным, причем охладительные змеевики установлены в нижней части бака, а в верхней размещены нагревательные элементы (при необходимости нагревательные элементы могут выполнять роль охладительных элементов). Наличие дозирующего устройства с разбрызгивателями над зеркалом охлаждающей жидкости обеспечивает подвод воды в бак, взамен испарившейся, что позволяет стабильно поддерживать заданную концентрацию соли в закалочном растворе. Вышеперечисленные отличительные от сборного прототипа признаки достаточны для достижения заявляемым решением технического результата. Заявляемая совокупность признаков за счет создания эффективного циркуляционного контура для растворения кристаллической соли, предотвращения попадания нерастворившихся кристаллов соли из циркуляционного контура в закалочный бак, а также перемешивания раствора с целью усреднения концентрации в объеме бака, создание в закалочном баке двух зон с различной температурой раствора (верхний - горячий, нижний - холодный) с целью поддержания заданной концентрации соли в растворе верхней (рабочей) части закалочного бака, а также установка дозатора на подводящем трубопроводе и разбрызгивателей холодной воды над зеркалом закалочного раствора с целью поддержания заданной концентрации раствора и предотвращения сильного парообразования и выплескивания охлаждающей среды (при использовании горячего хладагента) обеспечивают возможность изменения скорости охлаждения металла в широком диапазоне и получение требуемой твердости, прокаливаемости при отсутствии коробления и растрескивания деталей сложной формы и большой разнотолщинности. Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что охлаждающее устройство для растворения кристаллической соли и получения водного солевого раствора заданной концентрации дополнительно содержит сообщающийся с закалочным баком , бак для приготовления солевого раствора, баки разделены между собой вертикальной перегородкой с двумя расположенными у противоположных сторон перекрывающимися отверстиями в верхней и нижней части перегородки, через которые перетекает охлаждающая жидкость, верхнее отверстие расположено ниже зеркала охлаждающей жидкости и сообщается с соосно расположенным приточным отверстием в направляющем кожухе, который установлен внутри бака для приготовления солевого раствора, а гребной винт установлен внутри направляющего кожуха соосно ему. Направляющий кожух с гребным винтом может быть выполнен с возможностью отклонения от вертикальной оси. В целях быстрого и эффективного растворения кристаллической соли в баке для приготовления солевого раствора между отверстиями в разделительной перегородке установлена вертикальная направляющая перегородка с козырьком, образующая вместе со стенками и днищем циркуляционный контур, по которому интенсивно перемещается лоток воды из направляющего кожуха с гребным винтом, увлекающий кристаллическую соль со дна бака, которая по мере перемещения в циркуляционном контуре растворяется. Солевой раствор, не содержащий кристаллов соли, перетекает через направляющую стенку с козырьком во вторую половину бака для приготовления раствора и через отверстие в нижней части разделительной перегородки перетекает в закалочный бак. При работе устройства с нагретыми вплоть до температуры кипения охлаждающими средами закалочный бак содержит установленный по периметру над нижним отверстием вертикальной разделительной перегородки разъединительный козырек, охладительные змеевики установлены под козырьком, а в верхней части бака размещены нагревательные элементы. Такое разделение закалочного бака по высоте на два объема с различными температурами обеспечивает стабильность концентрации соли в верхнем горячем объеме хладагента, в котором при закалке массивных изделий за счет испарительного охлаждения концентрация соли в растворе повышается. А в нижнем объеме с холодным раствором сохраняется исходная (более низкая) концентрация соли и за счет диффузии происходит уменьшение концентрации соли в горячем верхнем объеме раствораи повышение концентрации соли в нижнем холодном объеме раствора. В связи с тем, что растворимость соли в холодной воде ограничена определенной величиной [(например для NaCl при 20°С - 26,4%), (Гороновский И.Т. и др. Краткий справочник по химии., К., Наукова думка, 1987, с. 676).], при превышении концентрации соли в нижнем холодном объеме раствора выше предельного значения будет происходить выпадение избыточной соли на дно бака в виде осадка. Растворение соли, выпавшей на дно закалочного бака производится после долива воды в бак до заданного уровня за счет работы барботера и перемешивающего устройства. Дополнительно установленное дозирующее устройство на подводящем воду трубопроводе и разбрызгиватели над зеркалом охлаждающей жидкости для подвода холодной воды в закалочный бак, взамен испарившейся в процессе охлаждения изделий, также предназначены для выравнивания концентрации соли в верхнем объеме с горячим хладагентом до исходной концентрации и для уменьшения парообразования с зеркала ванны, предотвращения выброса горячего раствора за пределы бака при интенсивном кипении раствора. При попадании холодной воды из разбрызгивателей на поверхность горячего (или кипящего) раствора происходит снижение температуры приповерхностных объемов жидкости. Пузырьки пара, поднимающиеся от закаливаемого изделия из внутренних объемов горячего раствора достигая переохлажденного приповерхностного объема раствора схлопываются в жидкости (для cхлопывания пузырька пара достаточно переохладить жидкость в которой он находился на 5-7°С), а находящийся внутри пузырей пар конденсируется не выход за пределы жидкого раствора. При этом происходит резкое уменьшение бурления раствора в приповерхностном слое закалочной ванны и паровыделение в атмосферу цеха. Дозированная добавка холодной воды на зеркало ванны через разбрызгиватели дополнительно к вышеизложенному способствует также поддержанию концентрации соли на уровне исходного состояния в рабочем объеме закалочного бака. Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами (фиг. 2 и 3) на которых изображены виды: спереди -фиг. 2 (продольный разрез), сбоку - фи г. 3. Устройство содержит закалочный бак 1, на дне которого установлен барботер 2, а на стенках охладительные змеевики 3, подводящий холодную воду 4 и отводящий 5 трубопроводы с вентилями 6. Сообщающийся с ним бак для приготовления солевого раствора 7 отделен от закалочного бака вертикальной разделительной перегородкой 8 с верхним 9 и нижним 10 перекрывающимися отверстиями, внутри бака 7 установлен направляющий кожух 11 с перемешивающим гребным винтом 12, а приточное отверстие 13 в направляющем кожухе 11 выполнено соосно с верхним отверстием 9 в разделительной перегородке 8. Между отверстиями 9 и 10 в вертикальной разделительной перегородке в баке для приготовления солевого раствора 7 установлена вертикальная направляющая перегородка 14 с козырьком 15. В закалочном баке 1 на стенках по периметру над нижним отверстием 10 вертикальной разделительной перегородки 8 установлен разъединительный козырек 16, а нагревательные элементы 17 установлены в верхней части закалочного бака 1 выше разъединительного козырька 16. Над зеркалом охлаждающей среды в закалочном баке 1 установлены разбрызгиватели 18 холодной воды, подаваемой через подводящий трубопровод 4 и дозатор 19. Охлаждающее устройство работает следующим образом. Перед запуском охлаждающего устройства открываются отверстия 9 и 10 в разделительной перегородке 8 и в бак для приготовления солевого раствора 7 засыпается требуемое количество кристаллической соли из расчета приготовления заданной концентрации раствора (напр. для NaCI от 26,4 до 28.9%). Через подводящий трубопровод 4 в закалочный бак 1 заливается холодная вода до контрольного уровня. Отверстия 9 и 10 перекрываются и включается перемешивающее устройство при работе которого вода через отверстия в тр убе, соединяющей отверстие 9 в разделительной перегородке 8 и в направляющем кожухе 11 втягивается внутрь кожуха и гребным винтом 12 нагнетается в циркуляционный контур, образованный днищем, боковыми стенками и направляющей перегородкой 14 с козырьком 15, на дне которого находится кристаллическая соль. Поток воды из направляющего кожуха 11 увлекает кристаллы соли и в процессе перемещения их в циркуляционном контуре с потоком воды происходит растворение соли. После работы циркуляционного контура в течение 30-35 мин нижнее и верхнее отверстия 9,10 в разделительной перегородке 8 открываются и солевой раствор из бака для приготовления раствора 7 через нижнее отверстие 10 в разделительной перегородке 8 начнет перетекать в закалочный бак 1. За счет эжекции, создаваемой гребным винтом 12 в направляющем кожухе 11, вода из закалочного бака 1 через верхнее отверстие 9 в разделительной перегородке 8 и соосное приточное отверстие 13 будет перетекать в направляющий кожух 11 и гребным винтом 12 направляться в циркуляционный контур, где находится еще нерастворившаяся соль. После открытия отверстий 9 и 10 в разделительной перегородке 8 будет происходить постоянный переток воды или солевого раствора с низкой концентрацией из верхней части закалочного бака 1 в бак для приготовления раствора 7, а из него через отверстие 10 будет перетекать в закалочный бак 1 раствор с более высокой концентрацией соли. И так будет продолжаться до тех пор, пока не растворится вся соль и не выравняется концентрация по объему закалочного бака 1. После этого гребной винт 12 отключается и перекрывается верхнее отверстие 9 и нижнее 10 в разделительной перегородке 8. Ареометром замеряется плотность раствора в закалочном баке 1 и полученное значение сравнивается со справочным. В случае отклонения полученных данных по плотности раствора от справочных производят корректировку состава раствора в баке. При работе с нагретой (вплоть до кипения) закалочной средой из бака испаряется часть воды (около 380 кг на 1 тонну закаливаемого металла). Поэтому с целью поддержания заданной концентрации соли в растворе после опускания нагретого изделия в бак 1 с известным весом термист открывает вентиль 6 на подводящем трубопроводе 4 и через дозатор 19 подает на зеркало ванны из разбрызгивателей 18 определенное количество холодной воды соответствующее количеству выпаренной конкретным изделием из бака 1. После этого подача холодной воды в бак 1 через разбрызгиватели 18 прекращается за счет закрытия вентиля 6. В зависимости от марки стали и типоразмера деталей закалку ведут в нагретом (вплоть до кипения) или холодном растворе с требуемой концентрацией. Для изучения условий охлаждения металлоизделий из средне-, высокоуглеродистых и легированных сталей и их влияния на свойства металла, коробление и целостность изделий при закалке было изготовлено в условиях термического цеха Южного машиностроительного завода опутно-промышленное закалочное устройство. В качестве материала для изготовления баков использована листовая сталь Ст.3 сп толщиной 4 мм. Габариты закалочного бака составили 1450 х 1600 х 2100 мм, а бака для приготовления солевого раствора 700 х 1600 х 2100 мм. Для вращения гребного винта использовался электродвигатель переменного тока мощностью 1,1 кВт с 920 об/мин. Для нагрева охлаждающей среды в закалочном баке использовался перегретый пар от цеховой магистрали. Для контроля температуры хладагента в нижней (холодной) и верхней (горячей) зонах закалочного бака были установлены хромель-алюмелевые термопары, а в качестве вторичного прибора использовали КСП-4 с записью показаний термопар на диаграмме. В заявляемом устройстве обрабатывалось несколько видов металлоизделий. Комплект штампа горячего деформирования габаритами 200 х 350 х 250 мм из стали 5ХНМ с простой гравюрой закаливали в заявляемом устройстве в кипящем (верхняя часть закалочного бака) водном растворе NaCl с концентрацией 26,4%, а аналогичный комплект штампа обрабатывали по традиционной технологии с закалкой в масло. При подготовке закалочного устройства к закалке штампа в кипящем солевом растворе верхний объем закалочного бака, расположенный выше разъединительного козырька был нагрет до температуры кипения за счет пропускания пара по трубопроводам (змеевикам), установленным на стенках бака этой зоны. После достижения раствором температуры 100°С пар был отключен, а нижний объем охлаждающей среды, находящийся под разъединительным козырьком закалочного бака, охлаждался до конца процесса закалки за счет охладительных змеевиков, расположенных на стенках бака. Температура раствора на стадии подготовки устройства к работе была 25-30°С. Концентрация NaCl в растворе соответствовала насыщению (26,4%). Нагретые до 860°С штампы опускались краном в рабочую зону закалочного бака в нагретый до температуры 100°С водный раствор поваренной соли и непрерывно охлаждались в растворе до температуры металла центральных объемов штампового кубика 180-190°С, при этом температура поверхностных слоев находилась на уровне 130-135°С. После закалки штампы извлекали из закалочного бака и переносили в отпускную печь, нагретую до 230-250°С и далее производили отпуск по существующей на заводе (ЮМЗ) технологии. После отпуска штампы подвергали окончательной слесарной обработке (шлифовка гравюры и т.д.) и отправляли в производство. Результаты стойкостных испытаний, проведенных для комплектов штампов, закаленных в солевом растворе (заявляемое решение) и в масле (существующая те хнология), а также твердость металла на гравюре штампа приведены в таблице. При апробации режимов закалки металлоизделий в водных растворах солей определяли величину мартенситной прокаливаемости на штампових кубиках из стали 5ХНМ. Кубики после закалки в заявляемом устройстве с солевым раствором и в масле (существующая технология) и последующего отпуска разрезали, шлифовали и делали замеры твердости по сечению. Результаты (приложение 1) говорят о том, что при закалке в заявляемом устройстве с водным раствором соли твердость металла по всему сечению значительно повысилась по сравнению с металлом, закаленным в масло. Этим и объясняется повышение стойкости штампового инструмента, подвергнутого закалке в заявляемом устройстве. Ожидаемый экономический эффект от использования заявляемого устройства при производстве штампового инструмента на Южном машиностроительном заводе, где планируется внедрение в IV квартале 1996 г., составит ориентировочно 800 млн.крб.