Роль примесей и добавок к воде

Охлаждающая способность воды зависит от наличия примесей. Примеси бывают естественные и специальные. К нежелательным примесям относятся твердые частицы (окалина, песок), органические соединения некоторых элементов.

Механические твердые примеси осаждаются на дне, всплывают на поверхность. Крупные частицы в стадии пузырькового кипения замедляют охлаждение, а при пленочном кипении ускоряют, создавая локальные теплостоки в паровых пленках.

Примесями являются и органические вещества, нерастворимые в воде и образующие с ней эмульсии, либо ограниченно растворимые в воде: это нефтепродукты, жирные кислоты. Примеси попадают в воду в процессе эксплуатации бака, и их влияние необходимо учитывать.

При перемешивании воды сжатым воздухом она насыщается кислородом и азотом. Большая часть выделившихся газов попадает в паровую пленку, и образуется паровоздушная пленка, увеличивается ее толщина и устойчивость, в результате чего охлаждающая способность в пленочной стадии снижается и не меняется в пузырьковой, что аналогично влиянию температуры и также может повлечь образование трещин.

Рис. 1.13. Зависимость коэффициента теплоотдачи в водных растворах соли и щелочи от температуры охлаждаемой поверхности: 1 – 15 % NaOH; 2 – 15 % NaCl; 3 – 5 % NaOH; 5 – спокойная вода 20 º С [5]

Растворимые в воде соли, щелочи и кислоты относятся к отдельной группе примесей. Влияние растворов электролитов заключается в том, что высокое содержание солей приводит к увеличению охлаждающей способности на стадии пленочного кипения (рис. 1.13) [5].

Если содержание минеральных добавок превышает 1...2 %, то эту среду можно рассматривать как водный раствор. На практике применяются растворы поваренной соли NaCl (1...15 %) и едкого натра NaOH (4...30 %).

Влияние соли на охлаждающую способность воды сказывается не прямо, а косвенно, через ее воздействие на устойчивость паровой пленки и изменение температурных границ пузырькового кипения. Как видно из рис. 1.14 [5], добавка 1% поваренной соли приводит к резкому повышению скорости охлаждения при температурах выше 250 °С.

Рис. 1.14. Зависимость охлаждающей способности водных растворов поваренной соли от концентрации: 1 – 0 %; 2 – 1 %; 3 – 5 %; 4 – 15 %; 5 – 30 % [5]

Начиная с 5% концентрации растворов NaCl паровая пленка разрушается почти мгновенно в момент погружения. Наиболее быстрое разрушение наблюдается у 15 % раствора, который обеспечивает и более высокие скорости охлаждения. Дальнейшее повышение концентрации приводит к снижению скорости охлаждения за счет резкого увеличения вязкости. С повышением температуры водных растворов соли теплота испарения их снижается, и изменяется воздействие растворенной соли на паровую пленку (рис. 1.15) [5]. Повышение температуры раствора соли приводит к снижению скоростей охлаждения в средней области температур. Ниже 250 ⁰С скорости охлаждения изменяются мало. Нагрев раствора сопровождается снижением скоростей охлаждения при высоких температурах и стабилизацией их при низких температурах.

Рис. 1.15. Охлаждающая способность 10 %-го водного раствора соли в результате изменения его температуры [5]	Рис. 1.16. Зависимость охлаждающей способности водных растворов едкого натра от их концентрации: 1 – 0 %; 2 – 1 %; 3 – 5 %; 4 – 15 %; 5 – 30 % [5]

Таким образом, небольшой подогрев приводит к выравниванию охлаждения в растворах соли в отличие от резкого повышения неравномерности охлаждения в чистой воде (см. рис. 1.12). Следовательно, добавки соли в воду несколько снижают зависимость ее охлаждающей способности от темературы.

Щелочи в воде могут растворяться в очень больших количествах. Добавки щелочей, как и солей, воздействуют на устойчивость паровой пленки и характер режима кипения, заметно расширяя область пузырькового кипения и повышая скорости охлаждения при температуре детали выше 250 º С (рис. 1.16) [5]. Введение 5% NaOH обеспечивает мгновенное разрушение паровой пленки. Ниже 250 º C охлаждение в растворах щелочи идет медленнее, чем в воде. Это замедление охлаждения при низких температурах возрастает с увеличением концентрации растворов. Начиная с 30 % концентрации, вследствие значительного возрастания вязкости скорость охлаждения снижается во всем интервале температур. Быстрое и равномерное охлаждение изделий в холодных растворах едкого натра обеспечивает получение высокой твердости на поверхности детали, а также резкое снижение коробления и автодеформаций.

Ранее применялось охлаждение деталей в растворах глицерина (рис. 1.17) [5]. Добавки глицерина к воде повышают ее вязкость и температуру кипения, снижая теплоту испарения и теплоемкость. Даже небольшие добавки в 5...25 % глицерина к воде (кривые 2 и 3) вызывают резкое снижение скорости теплоотвода в период пленочного кипения. Добавки в 50 и 75% (кривая 4) глицерина приводят к резкому снижению скорости охлаждения при температурах выше 500 " С. Таким образом, охлаждающая способности воды снижается при введении в нее глицерина, особенно в верхней и нижней части температурного интервала охлаждения. В настоящее время растворы глицерина применяются только при индукционной закалке.

Попадание в воду даже небольших добавок мыла существенно снижает ее охлаждающую способность вследствие резкого повышение стойкости паровой пленки (рис. 1.18). Появление в воде следов мыла в количестве 0, 0001% вызывает образование минимума скоростей охлаждения при температурах в 400...350 º С. Замедление охлаждения при этом является результатом увеличения толщин паровой пленки перед ее разрушением. Этот эффект с ростом концентрации становится еще более сильным. Часто закалка в водяных баках, загрязненных мылом, сопровождается трещинами и короблением, то-есть эта среда не подходит для объемной закалки [5].

Рис. 1.17. Влияние концентрации на охлаждающую способность водных растворов глицерина: 1 – 0 %; 2 – 5 %; 3 – 25 %; 4 – 75 % [5]	Рис. 1.18. Зависимость охлаждающей способности водных рстворов мыла от концентрации: 1 – 0 %; 2 – 0, 00001 %; 3 – 0, 01 %; 4 – 0, 5 % [5]

Закалочные масла

Для закалки применяют минеральные масла нефтяного происхождения, состоящие из широкого спектра углеводородов, а также кислородных, сернистых и азотистых их соединений. Масло – это гетерогенная смесь многих веществ. Любое масло имеет не одну температуру кипения, а целый интервал. Составляющие масла – углеводороды – горючие вещества и при контакте масла с горячим металлом происходит его закипание и термическое разложение (горение и крекинг). Минеральные масла по сравнению с растительными и животными обладают очень высокой термической стойкостью. Перед использованием их очищают от кислот, парафинов и асфальтенов [5, 6].

Температура вспышки минерального масла свидетельствует о возможной испаряемости и потере масла при закалке. Масла с низкими температурами вспышки склонны к быстрой потере первоначальных свойств (повышается вязкость) и изменению охлаждающей способности.

Вязкость масла зависит от фракционного состава и влияет на охлаждающую способность, повышение вязкостного сопротивления замедляет движение масла относительно охлаждаемого тела и приводит к увеличению длительности стадии пленочного кипения и снижению охлаждающей способности.

Рис. 1.19. Охлаждающая способность воды (1), индустриального масла (2) и отношение скоростей охлаждения в воде и масле(3) [5]	Рис. 1.20. Изменение охлаждающей способности масел в зависимости от их температуры и циркуляции [5]

Масла МЗМ, разработанные специально для закалки, имеют срок службы в три раза больший, чем обычные индустриальные масла, поэтому находят более широкое применение [6, 8]. Высоковязкие масла типа МЗМ-120 или Вапор быстро охлаждают при высоких температурах, масла же пониженной вязкости типа Велосит быстро охлаждают и при низких температурах. Характеристики масел, применяемых для закали, приведены в табл. 1.4 [5, 8].

Процесс охлаждения характеризуется теми же стадиями (рис. 1.19), что и в воде, лишь вместо паровой образуется газопаровая пленка. Стадия пленочного кипения у масел сильно сокращена и быстро заканчивается. Чем выше вязкость масла, тем ниже переход к стадия пузырькового кипения, выше критическая температура перехода.

Паровая пленка пополняется различными газами из-за горения масла и крекинга, толщина пленки увеличивается и уменьшается ее теплопроводность. Скорость охлаждения в пузырьковой стадии также невысокая, так как для того, чтобы пузырек оторвался, необходим большой его размер. На охлаждающую способность масла влияет его температура (рис. 1.20): в холодном масле (кривая 1) охлаждающая способность оказывается более низкой.

Таблица 1.4
Масла, применяемые для закалки [5…8]
Наименование масел	ГОСТ или ТУ	Вязкость, сСт	Температура, º С
			вспышки	застывания	рабочий интервал
А. Масла пониженной вязкости
И-5А (велосит)	20799-75	4…6	112	-25	3…40
И-8А (вазелиновое)	20799-75	8…11	125	-20	30…40
Б. Масла нормальной вязкости
И-12А Индустриальное (веретенное2)	20799-75	12…14	165	-30	40…80
И-12А Индустриальное (веретенное2)	20799-75	18…22	170	-20	40…80
ВЗ-1 Масло вакуумное	381011020-85	18…25	180	–	40…120
МС-20 (авиационное)	21743-76	20…24	250	-15	40…120
МЗМ-16 (минеральное закалочное масло)	38101135-73	16…20	170	–	30…40
В. Масла повышенной вязкости
И-30А Индустриальное (Машинное Л)	20799-75	–	180	-15	80…120
И-40А Индустриальное (Машинное С)	20799-75	27…32	190	-10	80…120
И-50А Индустриальное (Машинное СУ)	20799-75	–	200	-20	80…120
МЗМ-23 (Минеральное закалочное масло)	38101135-73	24…28	200	0	80…120
Г. Масла высокой вязкости
Цилиндровое легкое 24 (Вискозин)	6411-76	24…28*	240	0	160…200
Цилиндровое 38	6411-76	32…50*	300	+17	200…250
Цилиндровое тяжелое 50 (Вапор)	6411-76	50…70	210	-5	200…250
МЗМ-120 (минеральное закалочное масло)	38101135-73	115…125	280	0	160…200

* – вязкость исследована при температуре 100 º С.

Увеличение температуры масла (кривые 2 и 3) разжижает его, но при этом охлаждающая способность несколько возрастает только в стадии пузырькового кипения, а в двух других снижается. Перемешивание масла (кривая 4) приводит к незначительному повышению охлаждающей способности, в большей степени – в стадии конвективного теплообмена.

Давление влияет аналогично воде: в нижней части глубоких баков охлаждающая способность оказывается больше в пленочной стадии, а в пузырьковой и конвективной – почти не меняется.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: