CC BY
17
ГРНТИ 53.43.31
Смаханов Алишер Берикович
магистрант, кафедра «Металлургия»,
Факультет металлургии, машиностроения и транспорта,
Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова,
г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан, e-mail: 47alisher@gmail.com
Ярошенко Юрий Гаврилович
д.т.н., профессор-консультант, кафедра «Теплофизики и
информатики в металлургии», Департамент, Школа базового инженерного образования,
департамент металлургии и металловедения,
Уральский Федеральный университет имени первого
Президента России Б. Н. Ельцина,
г. Екатеринбург, 620002,
e-mail: yury-y@planet-a.ru
Липунов Юрий Иванович
к.т.н., директор, Центр новых систем охлаждения и технологий термоупрочнения металлов, ОАО «Научно-исследовательский институт металлургической теплотехники», г. Екатеринбург, 620137, Российская Федерация, e-mail: vniimt@yandex.ru
Толымбекова Лязат Байгабыловна
доктор PhD, ассоц. профессор (доцент), кафедра «Металлургия», Факультет металлургии, машиностроения и транспорта, Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан, e-mail: lyazat-t@mail.ru
РАЗРАБОТКА РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МЕТОДОМ ВОДО-ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
В статье приведены результаты проведения экспериментов по отработке устройства коллектора водо-воздушного охлаждения и получения равномерности распыления водо-воздушной смеси при орошении подшипниковых колец из стали ШХ15 на поддоне, проведенных в условиях опытно испытательного стенда ОАО «ВНИИМТ». Исследованы процессы подачи водо-воздушной смеси из форсунок различного размера, так и из специальной конструкции водо-воздушного коллектора с форсунками.
Установлены углы раскрытия факелов, пределы изменения параметров водо-воздушной смеси, а именно соотношения расходов воды и воздуха, при которых достигается требуемая равномерность распыла.
Ключевые слова: Водо-воздушное, охлаждение, термообработка, закалка, форсунка, коллектор, сталь, подшипниковая.
ВВЕДЕНИЕ
Термическая обработка является основой всей металлообрабатывающей промышленности. Под термином термическая обработка понимают процесс
изменения структуры стали и металлических сплавов за счёт воздействия на них температуры. Нагрев и последующее охлаждение с определённой скоростью и при определённых условиях устанавливается отдельно, исходя из свойств и структуры исходного металла.
В зависимости от марки стали, конфигурации и размеров изделия в качестве закалочной среды используют воду, масло, соляные, щелочные или полимерные растворы [1, с 40].
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
г» и и
В современной машиностроительной промышленности основную часть изделий термически упрочняют погружением в закалочный бак.
Номенклатура термоупрочняемых изделий достаточно разнообразна -от деталей приборов, машин, до крупногабаритных деталей для металлургического, энергетического, топливного оборудования. Термической обработке подвергаются до 8-10 % изделий из стали от общей выплавки в стране [2, с. 33]. В машиностроении объём термического передела составляет до 40 % стали, потребляемой данной отраслью.
В качестве экспериментального сплава выбрана сталь марки ШХ15, химический состав стали приведён в таблице 1.
Таблица 1 - Химический состав стали ШХ15
ШХ15 С Si Мп № S Р Сг Си
Мп 0,95 0,17 0,2 - - - 1,3 -
Мах 1,05 0,37 0,4 0,3 0,02 0,027 1,65 0,25
Термообработка изделий из подшипниковой стали проводится при температуре от 810 оС до 880 оС с последующим охлаждением в воде до 200 оС и в масле [3, с. 52].
Структура высокоуглеродистой хромистой подшипниковой стали при
и и и и
термической обработке представляет собой отпущенный мелкозернистый мартенсит и мелкодисперсные сфероидизированные карбиды. Необходимую вязкость обеспечивает присутствие участков остаточного аустенита, не успевшего преобразоваться в мартенсит [4, с. 44].
Для легированных сталей, обладающих более высокой устойчивостью переохлаждённого аустенита при закалке, применяют минеральное масло. Самой распространённой и недорогой охлаждающей средой является вода.
Технология закалки в масле имеет ряд значительных и неустранимых недостатков, а именно:
- недостаточная интенсивность охлаждения в интервале структурных превращений приводит к «мягкой» закалке и, в последствии это приводит, к достаточно невысокому уровню механических свойств;
- невозможность управлять процессом;
- низкая экологичность (грязь, испарения, дым, канцерогены);
- высокая пожароопасность из-за постоянного поверхностного возгорания;
- необходимость большого объёма вспомогательного оборудования: систем циркуляции, подогрева-охлаждения, моечных машин и т.д.
Одним из эффективных методов термической обработки сплавов является спрейерная закалка, особенно при необходимости отвести от поверхности изделия тепловой поток с большей интенсивностью. Для закалки подшипниковых сталей нецелесообразно использовать охлаждение чисто водяными струями, поскольку подшипниковые стали имеют большую склонность к трещинообразованию, а большая скорость охлаждения может привести к большим внутренним напряжениям. В связи с вышеприведённым выбираем водо-воздушное охлаждение, как более мягкое и экологически чистое.
Использование систем водо-воздушного охлаждения имеет следующие преимущества:
- за счёт регулируемого охлаждения в определённых температурно-временных пределах получать уровень свойств существенно выше, чем в используемых охладителях, при этом минимизировать остаточные и временные напряжения;
- устранить вероятность трещинообразования и коробления;
- решить экологические проблемы термоупрочнения в масле (отсутствие испарений, грязи, дыма и канцерогенов);
- значительная экономическая эффективность за счёт уменьшения капитальных и эксплуатационных затрат;
- значительно снижается себестоимость термообработки;
- появляется возможность реализации новых экономичных и эффективных технологий (закалка с самоотпуском, термоциклирование и т.д.).
Исполнение устройства водо-воздушного охлаждения, параметры охладителя разрабатываются с учётом специфики существующего производства, марочного и размерного сортамента.
Первые опыты проведения термической обработки водо-воздушной смесью для охлаждения металла были проведены ещё в 1965 году Д. В. Будриным, В. М. Кондратовым [5, с. 22-25].
Для обоснования возможности применения устройств регулируемого водо-воздушного охлаждения для закалки изделий из подшипниковой стали в Центре новых систем охлаждения и технологий термоупрочнения металлов ОАО «ВНИИМТ» разработана программа стендовых исследований [6-8].
На первом этапе на испытательном стенде Центра проводилась отработка конструкции коллектора для водо-воздушного охлаждения и исследование процесса струйного охлаждения при использовании плоскофакельных форсунок (рисунок 1). Задачей данного этапа исследования является определение конструкции коллектора для промышленных условий и режимных параметров подачи водо-воздушной смеси для охлаждения подшипниковых колец.
На первом этапе исследований производились опыты (проливка) форсунок с целью проверки возможности максимального распыления, измерения ширины, а также длины факела. Поскольку распылительная возможность форсунки является
важным показателем, требовалось чтобы струя могла равномерно охлаждать поверхность колец на подносе. Форсунки проливались струёй вниз (рисунок 1), результаты исследований характеристик работы форсунок описаны в таблице 2.
Анализ результатов показывает, что в широком диапазоне изменения давления расхода воды ширина факела форсунки остаётся постоянной. Угол раскрытия факела форсунки составил 54:580.
Следующим этапом было определение режимных параметров работы специально разработанного коллектора для охлаждения подшипниковых колец сверху. Во время опыта коллектор был расположен форсунками вниз, количество форсунок 5 штук. Высота от среза форсунок до роликов 300 мм. На рисунке 2 приведён эскиз коллектора, а на рисунке 1 фотография работающего коллектора.
Таблица 2 - Характеристики работы форсунки диаметром 8,2 мм
Рводы ,Мпа 3„оды, м3/Ч Ширина, Н, факела на расстоянии, от поверхностного орошения, мм
200 300 500
0,20 0,65 200 300 490-500
0,30 0,78 210 310 500-505
0,39 0,91 220 310 510-515
0,40 0,96 205 320 520
0,45 1,00 215 300 530
Рисунок 1 - Проливка форсунок
1 - корпус, 2 - смеситель, 3 - водо-воздушный факел, 4 - форсунка, 5 - соединитель для изменения длины и/или вставки диффузора разных диаметров, 6 - вентиль для воздуха, 7 - манометр для воздуха, 8 - вентиль для воды, 9 - манометр для воды, 10 - расходомер. Рисунок 2 - Эскиз работающего коллектора водо-воздушного охлаждения
Результаты исследования определения параметров работы коллектора приведены в таблице 3.
Таблица 3 - Результаты исследований работы коллектора.
Опыт Расход воды, м3/ч Расход воздуха, нм3/ч Соотношение расходов воздуха и воды, доли Характеристика распыления
1 1,20 85 70 Отдельные струи воды в факеле не наблюдаются. Начало полного распыления воды.
2 1,19 96 80 Крупные капли воды.
3 1,20 109 90 Состояние плотного водяного тумана, визуально капли воды не наблюдаются.
4 1,21 121 100 Состояние плотного водяного тумана, визуально капли воды не наблюдаются.
5 1,02 126 123 Состояние полупрозрачного водяного тумана, визуально капли воды не наблюдаются, тактильно в смеси ощущаются капли воды.
6 0,91 120 131 Состояние полупрозрачного водяного тумана, визуально капли воды не наблюдаются, тактильно в смеси ощущаются капли воды.
7 0,85 137 161 Состояние прозрачного водяного тумана, капли воды не определяются ни визуально, ни тактильно.
8 0,75 129 172 Состояние прозрачного тонкодисперсного водяного тумана.
ВЫВОДЫ
В результате ряда проведённых экспериментов были определены оптимальные параметры, при которых обеспечено более равномерное распределение водо-
и и и /— /— и
воздушной смеси для дальнейшего проведения термической обработки в этой
среде. Как мы видим на рисунке 1 факел первой и последней по ходу форсунок (с боковой выдачей) обеспечивает перекрытие факела второй и четвертой форсунок (с симметричным факелом), что соответственно приводит к более плотному орошению и равномерному охлаждению.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Люты, В. Закалочные среды. Справочник / Под ред. С. Б. Масленкова / Пер. с польск. Челябинск: Металлургия, Челябинское отделение. 1990.-192 с.
2 Промышленность Казахстана и его регионов / Статистический сборник / Астана 2018. - 151 с.
3 Ярошенко, Ю. Г. Экспериментальное исследование процесса водо-воздушного охлаждения стальных колец / Ю. Г. Ярошенко, Ю. И. Липунов, А. Б. Смаханов // Теплотехника и информатика в образовании, науке и производстве: сборник докладов VI Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных (ТИМ'2017) с международным участием (Екатеринбург, 11-12 мая 2017 г.). — Екатеринбург : УрФУ, 2017. — С. 175-180.
4 Лахтин, Ю. М. Материаловедение [Текст] / Ю. М. Лахтин. - М. : ООО «Издательский дом Альянс», 2009. - 528 с.
5 Будрин, Д. В., Кондратов, В. М. Водо-воздушное охлаждение при закалке / Металловедение и термическая обработка металлов. - 1965. - № 6. - С. 22-25.
6 Yaroshenko, Y. G., Startseva, M. V., Lipunov, Y. I., Eismondt, K. Y., Nekrasova, E. V. Developing a Modern Thermal Strengthening Technique for Regulated Fishplate Cooling. WIT Transactions on Ecology and the Environment. Vol.190, № 1, 2014, pp. 491-499.
7 Липунов, Ю.И., Эйсмондт, Е. Ю., Некрасова, Е. В., Захарченко, М. В., Ярошенко, Ю. Г., Абрамов, Э. В. Струйное водяное охлаждение при термоупрочнении проката несимметричного профиля // Сталь. - 2015, № 3, С.83-86.
8 Липунов, Ю. И., Эйсмондт, К. Ю., Старцева, М. В., Ярошенко, Ю. Г., Некрасова, Е. В. Внедрение современного энерго- и ресурсосберегающего оборудования и экологически чистой технологии термоупрочнения в производстве рельсовых накладок // Бюллетень «Чёрная металлургия». - 2013. - № 12. - С. 61-64.
9 Мергенбаев А. А. Значение и роль промышленного производства на современном этапе // Наука и техника Казахстана. - 2010. - № 2. - С. 93-97.
10 Гордиенко А. Н. О методе расчета подшипников скольжения // Наука и техника казахстана. - 2005. - № 3. - С. 16-22.
Материал поступил в редакцию 16.12.19.
Смаханов Алишер Берикович
магистрант, «Металлургия» кафедрасы,
Металлургия, машина жасау жэне келж факультет^
С. ТораЙFыров атындаFы Павлодар мемлекетлк университетi,
Павлодар к., 140008, Казахстан Республикасы,
e-mail: 47alisher@gmail.com
Ярошенко Юрий Гаврилович
т^.д., профессор-кецесшiсi, «МеталлургиядаFы жылуфизика жэне
информатика» кафедрасы, Департамент, базалык инженерлiк бiлiм беру
мектебi, Металлургия жэне металлтану департаментi,
Ресейдщ Тунуыш Президентi Б. Н. Ельцин атындаFы
Урал Федералдык университетi,
Екатеринбург к., 620002, Ресей Федерациясы,
e-mail: yury-y@planet-a.ru
Липунов Юрий Иванович
т^.к., директор, Жана салкындату жYЙелерi жэне металдарды
термо берiктендiру технологиялары орталыFы,
«Металлургия жылутехникасы Fылыми-зерттеу институты» ААК,
Екатеринбург к., 620137, Ресей Федерациясы,
e-mail: vniimt@yandex.ru
Толымбекова Лязат Байгабыловна
PhD докторы, кауымд. профессор (доцент), профессор,
«Металлургия» кафедрасы, Металлургия,
машина жасау жэне келж факультет^
С. ТораЙFыров атындаFы Павлодар мемлекетлк университетi, Павлодар к., 140008, Казакстан Республикасы, e-mail: lyazat-t@mail.ru Материал баспаFа 16.12.19.тYстi.
Су ауамен салкындату эд1с1мен термиялык вцдеу технологиясыныц режимд1к параметрлерш эз1рлеу
Мацалада «ВНИИМТ» ААЦ-ныц mэжiрuбелiк сынац стендшде жург1зыген тубшде шх15 болаттан жасалган Mo^rnmipeKmi сациналарды суландыру кезтде су-ауа цоспасыныц шашырауыныц бiркелкiлiгiн алу жэне су-ауа салцындату коллекторыныц цурылгысын вцдеу бойынша эксперименттер жург1зу нэтижелерi келтiрiлген. Тyрлi влшемдегi форсункалардан, сондай-ац форсункалары бар су-ауа коллекторыныц арнайы цурылымынан су-ауа цоспасын беру процестерi зерттелдi.
Алауларды ашу бурыштары, су ауа цоспасыныц параметрлерШц взгеру шектерi, атап айтцанда су мен ауа шыгындарыныц ара цатынасы орнатылган, ол кезде шашыраудыц цажеттi бiркелкiлiгiне цол жеткiзiледi.
Кiлттi свздер: су-эуе, салцындату, термовцдеу, шыцдау, буржкш, коллектор, Болат, мойынтiрек.
Smakhanov Alisher Berikovich
undergraduate, Department of Metallurgy,
Faculty of Metallurgy, Mechanical Engineering and Transport,
S. Toraighyrov Pavlodar State University,
Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan,
e-mail: 47alisher@gmail.com
Yaroshenko Yuri Gavrilovich
Doctor of Technical Sciences, Professor-consultant
Department of Thermophysics and Informatics in metallurgy,
Department, School of Basic Engineering Education,
Department of Metallurgy and Metal Scince, Ural Federal University
named after the First President of Russia B. N. Yeltsin,
Yekaterinburg, 620002, Russian Federation,
e-mail: yury-y@planet-a.ru
Lipunov Yuri Ivanovich
Candidate of Technical Sciences,
Director, Center for New Cooling Systems and Technologies
of Heat-Hardening of Metals, JSC «Research Institute
of Metallurgical Heat Engineering»,
Yekaterinburg, 620137, Russian Federation,
e-mail: vniimt@yandex.ru
Tolymbekova Lyazat Baygabylovna
PhD, Associate Professor,
Department of Metallurgy, Faculty of Metallurgy, Mechanical Engineering and Transport, S. Toraighyrov Pavlodar State University, Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan, e-mail: lyazat-t@mail.ru Material received on 16.12.19.
Development of regime parameters of thermal treatment technology by water-air cooling method
The article presents the results of experiments on testing a water-air cooling collector device and obtaining uniformity of spraying a water-air mixture during irrigation of bearing rings made of WX15 steel on a pallet, carried out under the conditions of an experimental test bench of VNIIMT OJSC. The processes of supplying a water-air mixture from nozzles of various sizes, as well as from a special design of a water-air collector with nozzles, are investigated.
The flare opening angles, the limits of the parameters of the water-air mixture, namely, the ratio of the flow rates of water and air, at which the required uniformity of spray is achieved, are established.
Keywords: water-air, cooling, heat treatment, hardening, nozzle, manifold, steel, bearing.
