1. A hőkezelő kemencék felépítése
1.1 A kemencék általános jellemzői
Hőkapacitás
A hőkapacitás a kemence adott hőmérsékletre való felhevítéséhez szükséges hőmennyiség. Ez a kemence által tárolt hő, az egyes alkotórészek tömegének, azok fajhőjének, és a környezetre vonatkozó hőmérsékletkülönbségei szorzatainak összege. A kis hőkapacitású kemencék gyorsan fölhevíthetők, de a hideg betét hatására hőmérsékletük jelentősen visszaesik. Ezzel szemben a nagy hőkapacitású kemencék felhevítése jelentős időt igényel, de kevésbé érzékenyek a betét hűtőhatására.
Szakaszos és folyamatos üzemmódú kemencék
Szakaszos üzemmódú kemencék esetén a betét hevítése és hőntartása, esetleg lehűtése is, a kemencében történik. Ezzel szemben a folyamatos üzemmódú kemencék megfelelő hőmérsékletre hevített zónáin a betét áthalad, mozgás közben hevül, illetve hűl.
Egyterű és osztott terű kemencék.
Egyterű kemencék esetén az olaj és gázégő illetve a fűtőellenállás közvetlenül a kemence teret hevíti. Villamos fűtés esetén tehát a hevítő közeg levegő. Olaj vagy gázfűtés esetén pedig füstgáz. Ennek a darabbal szembeni oxidáló, redukáló vagy semleges hatása a tüzelési rendszertől, a légfelesleg tényezőtől függ.
Osztott terű kemencék esetén az égéstér (fűtőtér) többnyire fémes fallal van elválasztva a kemence munkaterétől. Osztott terű kemencékben tehát tetszés szerinti védő vagy aktív gázok alkalmazhatók.
Az alkalmazott energiafajták
Olaj illetve gázégőkkel hevített kemencék kéményhez csatlakoznak. A légfelesleg tényező beállításával oxidáló, redukáló illetve semleges hatású füstgázok keletkezhetnek. Egyterű kemencék esetén a hőkezelés ilyen atmoszférában történhet. A légfelesleg tényező a tüzelőanyag tökéletes elégetéséhez elméletileg szükséges levegő mennyiséghez képest adja meg a levegő felesleget, illetve levegőhiányt. 0,9-es tényező a szükségeshez képest 90 % levegőt, az 1,1-es tényező pedig 110 % levegőt jelent.
A konduktív villamos hevítés lehet direkt, melynél a hőkezelendő darabon átfolyó áram hevíti a darabot, és indirekt, melynél a hőmennyiség fűtőellenálláson keletkezik, és ez hevíti a kemence teret.
Induktív villamos hevítés esetén az induktor tekerccsel körülvett darabban az indukált örvényáram hevít. Nagy frekvenciás induktor esetén a “bőr” hatás miatt lokális felületi hevítés végezhető. Középfrekvenciás induktor esetén a teljes darab keresztmetszet is hevíthető.
A kemencetér hőmérsékletének egyenletessége
A kemence munkaterének egyenletes hőmérséklet eloszlását, különösen a kisebb hőmérsékleten üzemelő egységek esetén csak a kemence atmoszféra kényszer keringtetésével (légkavarás) lehet biztosítani. Nagyobb hőmérséklet esetén a sugárzásos hőátadás dominál, ebben az esetben a több hőforrás megfelelő elosztásával lehet az egyenletes hőmérsékletre törekedni.
1.2 Kemence típusok
| A kamrás kemencék ajtaja talajszint fölött, a kiszolgálás módja szerinti magasságban helyezkedik el. Ezek a kemencék lehetnek egyterűek, de osztott terűek is (tokos kemencék). |
|
| Az aknás kemencék talajszint alá építettek, egyterűek és osztott terűek is lehetnek. A kiszolgálás, hosszú, karcsú függesztett darabok esetén normál magasságú darukkal lehetséges. Kisebb darabok beemelése rácsos tálcarendszerre rakott állapotban történik. |
|
| Beemelő kemencék esetén a kemence magasan a talajszint fölött helyezkedik el. A darabok sínen közlekedő szállítókocsin érkeznek a kemence alá, a beemelést hidraulikus rendszer biztosítja. |
|
| Sisak kemencék esetében a talajszinten helyezkednek el a kemence alaplapok. Ezeken keresztül történik a védőgáz cirkuláltatás, és a füstgáz elszívás, ezekre rakják a hőkezelendő árut. Az alaplapra daru segítségével emelik rá a belső védősisakot, majd a külső fűtő sisakot. Minden alaplaphoz tartozik egy belső sisak, de egy külső fűtősisakkal több egység is kiszolgálható. |
|
| Kihúzható fenekű kemencéket nagy tömegű darabok hevítésére alkalmaznak. A fenék síneken mozgatható. Kihúzott állapotban daruval rakják meg a kocsit, majd a kemencébe tolják. A szükséges hevítés után a darabokat a kihúzott kocsin is le lehet hűteni (pl. normalizálás). Más hűtési technológiák is alkalmazhatók a darabok daruval való mozgatásával. |
|
| Tégelykemencéket só vagy fémfürdőben végzett hőkezelésekre alkalmaznak. A tégelyeket kívülről vagy belülről fűtik. Legtöbb esetben az acélöntvényből készült tégelyeket kívülről fűtik olaj, gáz vagy ellenállásfűtéssel. A tégelyen belül helyezkedik el az olvadt só vagy fémfürdő. 1000 şC fok feletti hőmérséklet igény esetén acéltégely már nem alkalmazható, ezért keramikus tégelyt használnak. Ennek fűtése viszont rossz hővezető képesség miatt külső hevítéssel nem oldható meg. Ezért belső fűtést alkalmaznak. Az olvadt sóba merített három lágyvas elektródára kapcsolják a kisfeszültségű háromfázisú táplálást. A fűtőellenállás maga az olvadt só. Az egyszerűnek látszó megoldás jelentős hátrányokkal bír. Egyrészt a szilárd só nem vezet, ezért speciális indítási ás leállítási technikák szükségesek. Másrészt az olvadt só ellenállása a fémes vezetőkkel ellentétben a hőmérséklet növekedésével csökken. Emiatt stabil feszültséggel fűtve sem alakul ki stabil állapot. A kemence hőmérséklet szabályozása tehát bonyolult feladat. |
|
| Vákuum kemencékben a darabok vákuumzáró térben helyezkednek el. A hevítés és legtöbb esetben a lehűtés is a vákuumtérben történik. Felhevítéskor problémát jelent, hogy a kis hőmérsékletű hevítés áramlásos hőátadása közeg hiányában nem jön létre. Ezért a hevítés kezdeti szakaszán védőgázt alkalmaznak, és csak magasabb hőmérsékleten kapcsolják be a vákuumszivattyúkat. Fokozott lehűtési sebesség esetén problémát okoz, hogy a hűtést is vákuumban kell megvalósítani. Általában nagy nyomású nitrogén gázfúvatást alkalmaznak. Az elérhető hűtési sebesség annál nagyobb, minél kisebb a kemence hőkapacitása. Ugyanis nemcsak a darabot, de a kemencét is le kell hűteni. Ezért extra kis hőkapacitású berendezésekre van szükség. |
|
| Fluid ágyas egységek esetén nagy hőmérsékletű védő vagy aktív gázokkal tartanak lebegésben kerámia szemcséket. A lebegő szemcsékből álló fluid ágynak látszólagos sűrűsége van. Ez a fúvatás paramétereivel szabályozható. A fluidágy hevítésre és hűtésre egyaránt használható aszerint, hogy milyen hőmérsékletű gázzal végzik a fúvatást. A hőkezelés úgy végezhető a fluid ágyas egységben, mint a só vagy fémfürdőben. | |
| Alagút kemencékben az alagút hossza mentén beállított hőmérsékleti zónákon keresztül haladva hevülnek a darabok. A darabok haladását csúszó síneken vagy szabadon futó görgőkön való áttolása biztosítja. A darabok szabványos rácsos téglalap alakú rekeszekben helyezkednek el. A továbbítást meghajtott görgők is végezhetik. |
|
| A karusszel kemencék forgó fenekűek. A köralagút megoldás révén, a berakó és ürítő ajtó egymás mellé kerül, így egyetlen dolgozó is kiszolgálhatja az egységet. |
|
| A rázófenekű kemencék apró tömegcikkek hőkezelését szolgálják. A kemence feneke lengő mozgást végez. Az egyik irányban a lengést ütköző akadályozza. A darabok továbbítását a berakó végtől az ürítő végig a darabok tömege miatti tehetetlenségi erők biztosítják. |
|
| Az áthúzó kemencéket szalag és drót hevítésére alkalmazzák. A leadó csévéken hegesztéssel végtelenítik a tekercseket, az áthúzó csévéknél a jelölt hegesztési helyeknél darabolnak. |
|
2. A hőkezelés közegei, segédanyagai
Segédanyagoknak tekinthetők a hevítő és hűtő közegek. Ezek lehetnek gáz, folyadék és szilárd halmazállapotúak. Továbbá a darabbal szembeni közömbös védőközegek és a darabbal reakcióba lépő aktív közegek illetve a vákuum. Ugyancsak segédanyagnak tekinthetők a különböző mosó- és közömbösítő adalékok.
2.1 Hevítő közegek
A levegő, gáz, vákuum, fluid, só, fém és olaj hevítő közegek számításba veendő tulajdonságai a következők:
Gázközegek
A levegő a legközönségesebb hevítő és hűtőközeg. Levegőn a hevített felülete oxidálódik és dekarbonizálódik. Hasonlóan hatnak az egyterű kemencében szokásos füstgáz atmoszférák is, mert azok, ha csak a tüzeléstechnikai szempontokat veszik figyelembe, mindig tartalmaznak szabad oxigént.
A dekarbonizáció igen erős revésedést okozó oxidáló atmoszférában megakadályozható. Követelmény, hogy a felületi oxidáció ilyenkor gyorsabb folyamat legyen, mint a dekarbonizáció (nagy karbontarbontartalmú termékek oxidáló lágyítása, pl. csapágygolyók gyártására használt huzalok).
A védőgázok a darabok oxidációjától, vagy dekarbonizációjától illetve cementálódásától óvják a darabot. Az oxidációtól való megóvás feltétele, hogy az adott hőmérsékleten a gáz ne tartalmazzon oxidáló komponenst, illetve benne az oxidáló és redukáló komponensek egyensúlyban legyenek.
A karbonizáció és dekarbonizáció elkerülése érdekében a gázközeg karbonpotenciáljának az illető hőmérsékleten az adott darabbal szemben azonosnak kell lenni a darab felületi karbon tartalmával.
A gázközeg karbonpotenciálja az a karbon tartalom, melyre adott hőmérsékleten az adott kémiai összetételű acél felülete beállni igyekszik.
Ha a gáz karbon potenciálja nagyobb, mint a darab karbon tartalma, akkor karbon felvétel, ha pedig kisebb, akkor karbon leadás következik be.
A leggyakrabban alkalmazott védőgázokat szénhidrogének (leginkább földgáz) részleges elégetésével gázgenerátorokban állítják elő csökkentett légfelesleg tényezővel. Ha az égés még önfenntartó, akkor exogázok keletkeznek. Ha az égés már csak külső hőközléssel tartható fenn, akkor endogázok képződnek. Ezek a gázok nitrogén, vízgőz, széndioxid, szénmonoxid és metán tartalmúak. A nitrogén semleges, a víz és a széndioxid oxidál és dekarbonizál, a szénmonoxid pedig cementál. Az eredő hatás az összetevők arányától és hőmérsékletétől függ. Az arány a részleges elégetés légfelesleg tényezőjétől függ, ezzel állítható be a karbonpotenciál.
Az ipari nitrogén csekély oxigén tartalma miatt védőgáznak nem használható, de endogázokkal keverve semleges monogáz atmoszférák képzésére alkalmas.
A nemes gázok tökéletes védőgázok lennének, de áruk miatt csak speciális esetekben használhatók.
A hidrogén dekarbonizáló hatása miatt gyakorlatilag csak karbon mentes termékek védelmére alkalmas. Redukáló hatása miatt a felületi oxidréteget eltávolítja. Ezért porkohászati termékek zsugorító izzítására igen alkalmas.
A vákuum adja a legtökéletesebb védelmet (csak nagy hőmérsékleten az alacsony gőznyomásu komponensek felületi gyérülésére kell számítani).
Az aktív gázokat cementáló, nitridáló illetve dekarbonizáló technológiákhoz alkalmazzák.
A cementáló gázok általában az igényeknek megfelelő karbonpotencálú endogázok.
A nitridáláshoz atomos nitrogén szükséges. Ezt az ammónia termikus disszociációja szolgáltatja a nitridálás hőmérsékletén. A nitridáló kemencén tehát ammóniát áramoltatnak át.
Szándékos dekarbonizációra ritkán van szükség (pl. transzformátor lemezek szemcsedurvító lágyítása), ilyenkor általában hidrogén gázt alkalmaznak.
Sófürdők
A sófürdőket izzításra, megeresztésre és termál hűtésre alkalmaznak védőközegként, továbbá aktív közegként cementálásra és nitridálásra. A védőközegként alkalmazott sókkal szembeni követelmények a hevített darabbal szembeni semlegesség, valamint az alkalmazni kívánt hőmérséklet alatti olvadáspont. A sók erős felhevülés esetén erősen párolognak. Ennek megelőzése különböző olvadáspontú sók alkalmazásával oldhatók meg. Az izzító és megeresztő sók általában sókeverékek (kloridok, nitridek, karbonátok stb.). Izzítás során a keverék összetétele megváltozhat, ezért időnként a megfelelő komponens adagolásával kompenzálásra van szükség.
Aktív sóként cementálásra és nitridálásra ciánsókat alkalmaznak. Kitűnő technológiai tulajdonságaik mellett nagy hátrányuk, hogy mérgezőek. A sófürdők felhasználását a környezetvédelmi szempontok gyakorlatilag kiszorítják az iparból.
Szilárd védőközegek
Szilárd védőközegek is alkalmazhatók a darabok felületének megóvására. Hagyományos eljárás az öntöttvas forgácsba vagy grafitba való ágyazás, agyaggal lezárt hevítő acéldobozokban. Újabban csomagolópapír vékonyságú fémfóliák kaphatók, a darabokat előbb papírba, majd fémfóliába pakolják (a papír kiégése elfogyasztja a fólián belüli oxigént).
Szilárd és cseppfolyós aktív anyagok
Még ma is alkalmazzák a szilárd cementáló szemcséket. Ezek faszén és báriumkarbonát keverékéből állnak. A hevített báriumkarbonát bomlásterméke a széndioxid reagál a faszénnel, és szénmonoxidot termel. A szénmonoxid cementáló hatása érvényesül a cementáló szemcsébe ágyazott anyagon. Lényegében itt is gáz cementálásról van szó, a cementáló gáz magában a hevítő dobozban képződik.
Kemencében is fejleszthető cementáló atmoszféra, pl. aknás kemence zárt terébe csepegtetett folyékony szénhidrogén adagolásával.
2.2 Hűtőközegek
A hűtőközegek tulajdonságai
A hűtés erélyességét és jellegét a hűtési jelleggörbe adja meg egy-egy hűtőközegre nézve (szabványos próbadarab pl. ezüstgolyó lehűlési regisztrátuma az idő függvényében).
Minél nagyobb a hűtőközeg hőelvonó képessége, annál nagyobb a benne megvalósítható hűtés sebesség. Természetesen a közeg áramoltatása növeli a hűtési sebességet.
A hűtési sebesség mellett lényeges annak változása a hőmérséklet függvényében (jelleggörbe). Pl. a víz igen erélyes hűtőközeg, de kedvezőtlen a jelleggörbéje. Nagy hőmérsékleten a kialakult gőzfilm miatt kicsi a hűtési intenzitás. A hűtés közben a gőzfilm összeomlásakor a hűtés erélyessége hirtelen megnő. A víz tehát nagy hőmérsékleten kisebb, kis hőmérsékleten erélyesebb hűtőközeg. Edzéskor éppen ennek az ellenkezőjére lenne szükség. Nagy hőmérsékleten a C-görbe orrpontjának elkerülése érdekében intenzív hűtés szükséges. Az orrpont alatti hőmérsékleteken pedig a termikus feszültségek csökkentése érdekében a kisebb hűtési intenzitás az előnyös.
A hőkezelés igényeihez igazodva különböző hűtőközegeket alkalmaznak: víz, adalékolt víz, olajok, sók, fém-, olaj- és fluidfürdők, nagy nyomású gáz, levegő.
Az adalékolt vizek (sók, polimerek) és az edző olajok a hűtés intenzitásában és a hűtési jelleggörbében térnek el egymástól.
Vetemedésre hajlamos darabokat ausztenitesítés után belső vízhűtésű, alakos présszerszámokban hűtik. A hevítéskor torzult darabot hidraulika nyomja alakhelyesre.
Hűtésszabályozás
Adott hűtőközegben a lehűtést a közeg lehűtési jelleggörbéjén kívül a következő tényezők szabják meg:
A hűtött darab tömegéhez és hevítési hőmérsékletéhez képest olyan mennyiségű hűtőközeg szükséges, hogy a közeg hűtés közbeni felmelegedése elhanyagolható legyen. A felmelegedést a közeg szekundér hűtésével lehet mérsékelni, pld. a hűtőolajokat vizes kádba vezetett csőkígyón áramoltatják át.
A hűtőközeg erőteljes áramoltatásával a hűtési sebesség növelhető, a darab hűtésének egyenletessége fokozható.
Cseppfolyós hűtőközegek (víz, adalékot tartalmazó víz, stb.) permet és sugár formában is alkalmazhatók. Pl. durvalemezek normalizálási hűtési sebességének növelésére vízpermet alkalmazható. Előtolásos indukciós edzéskor pedig vízsugárhűtés végezhető. Ezeknél az eljárásoknál a hűtés erélyességét szabályozni lehet.
Vákuumkemencés edzéskor nagy nyomású nitrogén gázzal hűtenek. Korszerű berendezéseknél sok nitrogénsugarat alkalmaznak, melyek intenzitása és iránya számítógéppel vezérelhető. A vezérléssel a hűtési intenzitás szabályozható, sőt arra is mód van, hogy a bonyolult alakú szerszámok hűtését úgy programozzák, hogy a hely és idő függvényében változó intenzitású hűtéssel kompenzálják a darabok vetemedését.
Több közegben történő hűtés esetén (pl. víz-olaj, olaj-levegő, sófürdő-levegő, stb.) a lehűtés jellege, az egyes közegek hőmérséklete, hőkapacitása valamint a darabok tartózkodási ideje a hűtés sebességét és jellegét meghatározó tényezők.
2.3 Mosó és közömbösítő fürdők, szárítók
A hőkezelt darabok felülete szennyezett olajokat, só maradékokat tartalmaz. Ezeket mosószeres forró fürdőben feloldják, illetve eltávolítják. A darabok végső öblítése a későbbi korrózió elkerülése miatt semlegesítő fürdőben történik. Ezt követi a meleg fúvott levegős szárítás.
3. A kemencék szabályzása
3.1 Hőmérséklet szabályzás
A hőmérséklet mérésére tágulásos, ellenállás vagy termoelemes érzékelőket illetve sugárzás mérés elvén működő érzékelőket alkalmaznak. A szenzorok a mérési hely hőmérsékletével arányos villamos jelet adnak.
A hőmérséklet szabályzása különböző módon lehetséges:
Ha a darab hőmérsékletét mérjük, és erről a jelről szabályozunk, akkor nagy hőmérsékletlengés keletkezik. Mire a darab eléri a kívánt hőmérsékletet, a kemence ehhez képest már túlhevül. Ez a darab túlhevülését is okozza, ellenkező irányban pedig a darab túlhűl.
Ha a kemence fűtőelemének a hőmérsékletét mérjük, akkor kis hőmérsékletlengéssel végezhető a szabályzás, de a darab hőmérséklete nem egyezik a kemence hőmérsékletével.
Optimális a megoldás, ha az utóbbi szabályozást alkalmazzuk, de a darab kívánt hőmérsékletéhez képest tapasztalati úton megállapított korrigált hőmérsékletre állítjuk a szabályzást. Tehát a kemence hőmérsékletét szabályozzuk, és a darab hőmérsékletét mérjük.
A szabályzás történhet a beállított és érzékelt hőmérséklet jel alapján, a fűtés ki-be kapcsolásával. Ez a rendszer tehetetlenségétől függő hőmérsékletlengéssel jellemezhető szabályozást tesz lehetővé. A hőmérséklet lengés kisimítása a különböző megoldású teljesítmény szabályzásokkal lehetséges. A kívánt hőmérséklet elérésekor nem ki kapcsoljuk a fűtést, hanem egy kisebb teljesítményre kapcsolunk. Ha sikerül azt elérni, hogy a bevitt teljesítmény megegyezik a kemence hőveszteségével, akkor az állandó hőmérséklet tartása további beavatkozás nélkül is elérhető.
Program hevítés különböző módon valósítható meg:
Hevítési sebességen a természetes hevülési görbe megegyezés szerinti szakaszán az átlag sebességét értjük.
3.2 Atmoszféra (közeg) szabályzás
Az egyes technológiák során a hevítő közeg célszerű változtatása, vagy éppen állandó tulajdonságainak biztosítása szükséges. Ilyen feladat lehet a különböző sók összetételének kívánt értéken tartása (a forráspont illetve a kémiai hatás megfelelő értéken tartása céljából), az alkalmazott fluid látszólagos sűrűségének biztosítása, valamint a gázhalmazállapotú közegek kémiai összetételének szabályzása a konkrét feladatnak megfelelő értékek folyamatos biztosítása érdekében. Napjaink gyakorlatában a gázközegek szabályzása a legnagyobb jelentőségű.
A gázközeg összetételének mérése villamos érzékelőkkel történik. Az érzékelők általában azon az elven működnek, hogy a gázkeverék vezetőképessége és dielektromos állandója az egyes komponensek parciális nyomásának, és a hőmérsékletnek a függvénye. A kemencetérben elhelyezett szonda fegyverzeteiből, és a mérendő gázkeverékből, mint dielektrikumból álló kondenzátor tulajdonságait mérve az egyes gázkomponensek koncentrációja meghatározható. A mérés során a sok komponenst tartalmazó gázkeveréknek általában csak az egyik alkotóját elemzik, mégpedig azt, amelyiknek a mérése a legmegbízhatóbban és legegyszerűbben kivitelezhető. Endogáz és levegő keverékéből képzett közegek esetében ez az oxigén. A kémia törvényeiből következik, hogy egy ismert komponenseket tartalmazó gázkeverékben az alkotók a hőmérséklet függvényében más-más egyensúlyi összetételt alkotnak. Így a hőmérséklet és az oxigéntartalom ismeretében a többi komponens parciális nyomása (koncentrációja) kiszámítható. A mérés automatizált, mikroszámítógép végzi az értékelést, eredményként akár a karbonpotenciál pillanatnyi értéke is megjeleníthető.
A gázkeverék összetételének szabályzása pl. cementálás esetén abból áll, hogy a kemencetérbe vezetett endogáz és levegő arányát megváltoztatják. A levegő mennyiség növelésével a karbonpotenciál csökken, és fordítva. Hasonló elven történik az egyéb funkciójú gázközegek összetételének szabályzása is.