Hőmérséklet - egyenletesség ellenőrzése gáztüzelésű harangkemencéknél

Szentes Tibor
doktorandusz hallgató

Miskolci Egyetem Anyag- és Kohómérnöki Kar
Energiahasznosítási Kihelyezett Tanszék

Bevezetés

A hidegen hengerelt lemeztekercsekben sokféle eredetű feszültség jöhet létre a megmunkálás következtében. Feszültség keletkezik az egyenlőtlen alakítás, melegedés és hűlés alatt, valamint a szélezés miatt is, különösen akkor, ha az alkalmazott szerszám kopott. Mindez csökkenti az anyag felhasználhatóságát, és így szükséges hőkezelést alkalmazni [1, 2].

A feszültségek hőkezeléssel oldhatók fel. A hőkezelésnél szem előtt kell tartani a betéten belüli hőkiegyenlítettséget is. Mivel az anyagok összetételüktől függően változó és a hőmérséklettől is függő korlátozott hővezetőképességgel rendelkeznek, és így egy ds vastagságú betét réteg határain egy (időben változó hőmérséklet különbség) van a fűtés kezdetétől a kiegyenlítődés befejeztéig. Ezáltal egy ezzel arányos hőfeszültség is fellép az anyag teljes keresztmetszetében, és ha ennek értéke a rugalmassági határ fölé ér az anyagban maradandó alakváltozást, esetleg repedést okoz. Ha ezt nem küszöböljük ki, a hőkezeléssel inkább ártunk, mint használunk. Fontos, hogy mindig egy előre megtervezett hőkezelést végezzünk, amelyet alapszámítások előznek meg és utána, és/vagy közben, egy méréssel ellenőrizni kell az első hőkezelés megfelelőségét (később elegendő lehet a szabályzás ellenőrző jelének figyelése, és a minőségbiztosítási - előírásoknak megfelelően a hőkezelés utáni ellenőrzés).

Gáztüzelésű harangkemence hőátadási viszonyai

A védőgáz atmoszférás harangkemence általános technológiai célja a hőkezelés. Tüzeléstechnikai szempontból többnyire az égővel ellátott hőszigetelt harangból, a tűztérből, a védőtokból, a védőgázból és a betétből áll. A hőtranszport az égőkőből kiáramló láng sugárzása útján és a füstgáz konvekív módon adódik át védőtoknak (azaz a retortának). A retortától a döntő mértékű hőenergiát az áramló védőgáz közvetíti a betétnek (konvektív hőátadás), ill. a hőmérsékleti viszonyokból kifolyólag némi hősugárzás is fellép a toktól a betét felé (1. ábra).

1. ábra
Harangkemencében a füstgáz és a védőgáz áramlása [3]

Ezek alapján a rendszerben a hőátadást befolyásoló jelentősebb tényezők:

Fűtési rendszer (égők száma, elhelyezkedése);
Fűtési ciklus és intenzitás megválasztása a védőgáz minőségének megfelelően.
Áramlási rendszer kialakítása (terelők és a betét elhelyezése), retorta kialakítása;
Betét minősége, hőfelvevő felületének nagysága, tömege, felületi minősége (érdesség, sugárzóképesség), alakja;
Védőgáz minősége, nyomása és kényszeráramoltatás rendszere, teljesítménye (pl. keringtető ventilátor stb.).

A Hőmérséklet egyenletesség ellenőrzése a hőkezelési ciklus alatt

A hő- és a mechanikai igénybevételek okozta belső feszültségek a teljesen kilágyított szintre való lecsökkentését megfelelő hőkezeléssel elérhetjük. Az ausztenites szerkezetű acéloktól eltekintve a legtöbb acél 600 – 650 oC - on éri ezt el [2].

Az alábbi mérési vázlat (2. ábra) is ezen a hőmérsékleten végrehajtott ellenőrző hőkezelést mutat be, a hidegen hengerelt ST12 minőségű (DIN 1623) lágyacél tekercs segítségével. A hőkezelés az előírtaknak akkor felel meg, ha a betét leghidegebb pontja is eléri az alapjelhez viszonyított kb. ± 15 oC tartományt.

2. ábra
A hőkezelés ellenőrzésének mérési vázlata [4]

A mérést egy közel 60 h - ás hőkezeléssel egy 16 h - ás hőntartási ciklus megválasztásával hajtották végre. A mérést a 2. ábrán látható hőelemek elhelyezkedésével a 3. ábrán látható eredményeket adták.

3. ábra
A mérési pontok hőmérsékletei a hőkezelési ciklus alatt [4]

A hőkezelés szakaszai:

A felfűtés A felfűtés 4,8 MJ/m3 fűtőértékű kevertgázzal (kamragáz, kohógáz, földgáz) a védőgáz hőmérsékletének (mint ellenőrző jel) az alapjel eléréséig történt.

A hőntartás elméleti számítások és a korábbi tapasztalatok alapján meghatározott (16 h) ideig tartott.

A hűtés egy 4 h - ás pihentetéssel (kikapcsolt égőkkel) kezdődött. A harangot ezután levették, majd a retorta szabadon, a levegőn hűlt 400 oC - ig, majd innentől hűtővízzel hűtötték a retortát kívülről. A 400 oC - os védőgáz-hőmérséklet elérésénél a ventillátort lekapcsolták (a miértet nem indokolták), majd 300 oC - nál visszakapcsolták. A továbbiakban így hűtötték 80 oC - ig, mert ekkor volt a bontás, azaz a retorta leemelése a betétről és a betét következő állomásra szállítása.

A betét belsejét hőmérséklet-egyenletesség szempontjából a 4. ábra jellemzi.

4. ábra
A mért hőmérsékletek különbségei [4]

Itt látható, hogy a kezdeti felfűtési szakaszban a hőmérséklet különbség jelentős, ami nagy hőfeszültséggel jár együtt, de ezt ezen anyagminőség elviseli. Előzetesen ennek mértékét egy hőkezelést követő minőségellenőrzésnek kell megvizsgálnia. Amennyiben a betét hőfeszültsége okozta minőségromlást a megengedettnél nagyobb mértékűnek találják, akkor a hőkezelés ezen szakasza túlzottan intenzív fűtésű, így ezt egy szabályozott meredekségű fűtéssel kell felcserélni.

A széles szalagok egyenletes felhevítését nehezíti a hővezetőképesség csökkenése a lemez lemezkötegek közötti légrések miatt. Igaz ezek vastagsága nem összevethető a betét vastagságával, mégis igen jelentős lehet a hőszigetelés. A hővezetőképesség csökkenésének mértékében megnőhet a hőkezelés időszükséglete, aminek természetesen költségvonzatai vannak [5].

A légrések mérete és a hővezetőképesség alakulására gyakorolt hatása még további kutatásokat igényel.

Összefoglalás, javaslatok

Napjainkban a hőkezelés, mint minőség- megtartó ill. fokozó eljárás, már természetes. Sőt esetenként alapfeltétele a piaconmaradásnak a jó hőkezelési technológia. Így ezen eljárás tervezése, fejlesztése mindinkább elengedhetetlenné válik.

A cikk összefoglalja a lágyacél lemeztekercsek lágyító hőkezelésének ellenőrző mérését egy védőgáz atmoszférás harangkemencében. Az e témában szerzett tapasztalatok azt mutatják, hogy a hőkezelés során akár túlzott mértékű hőfeszültség is felléphet és a hőntartási időt befolyásolhatja a lemezrétegek közötti légrés. Mindezeket figyelembe véve célszerű lehet tovább vizsgálni a hőátadási, a hővezetési és az áramlási viszonyokat, valamint a tekercs méretét, a légrések számát és vastagságát a technológiai idő csökkentésének érdekében.

Felhasznált irodalom

Dr. Zorkóczy Béla: Metallográfia és anyagvizsgálat. Tankönyvkiadó, Budapest 1968. 197 - 235. old.

Szőke László : Hőkezelés. Tankönyvkiadó, Budapest 1966. 66 - 98. old.

Michael A Bock, Walter Scheuermann: Computerized Control of Type Hydrogen Annealing Furnace. Operations, Industrial Heating Sept. 1994.142 -148. old.

DWA : A betét belső hőmérsékletének alakulása a hőkezelési ciklus alatt.

Szőke László: Hőkezelés. Tankönyvkiadó, Budapest, 1966. 26. old.