ZVÝŠENÍ ODVODU TEPLA PŘI KALENÍ TLUSTÝCH TĚLES ROZBITÍM
PARNÍHO FILMU
INCREASE HEAT DISSIPATION
BREAKING THE STEAM FILM
HARDENING
THICK
BODY BY
Ing. Kamil Sikora, VÍTKOVICE MECHANIKA a.s., Ing. Antonín Trefil, VÍTKOVICE HEAVY MACHINERY a.s.
Tento článek je zaměřen na problematiku tepelné vodivosti parního filmu, který vytvoří na povrchu kaleného materiálu
izolační vrstvu. Tepelná vodivost páry je nižší než tepelná vodivost vody, což ztěžuje odvod tepla z kaleného materiálu.
S tím souvisí i hustota tepelného toku, která vykazuje několik kritických bodů. Při 130 °C začíná první krize varu, kdy se
z bublinového varu začínají formovat první celistvější blány parního filmu a hustota tepelného toku překračuje 1.105
W.m-2. Druhá krize varu přichází při 220 °C, kdy je tvorba přechodového varu ukončena a celý povrch tělesa pokrývá
parní film. Tomuto bodu se říká Leidenfrostův bod a hustota tepelného toku klesá na cca 500 W.m-2. Od tohoto bodu
hustota tepelného toku opět stoupá a kolem 1 000 °C se dostává opět na hodnoty první krize varu. Rychlost chladnutí je
možno měnit i prostředím, v němž se ochlazuje. Nejpomaleji a nejrovnoměrněji se ochlazuje v chladnoucí peci, v níž se
dá rychlost chladnutí regulovat. Poněkud rychlejší je chladnutí na klidném vzduchu a postupně rychleji působí proud
vzduchu, proud vodní mlhy, teplý olej, vroucí voda, studený olej, studená voda při mírném pohybu a konečně prudká
vodní sprcha. Nejobvyklejším kalicím prostředkem je samozřejmě voda, jejíž účinek lze zesílit přísadou sody nebo
louhu. Naopak přídavek emulgovaného oleje zeslabuje ochlazovací účinky vody.
This article is focused on the thermal conductivity of the vapor film, which creates a hardened surface layer of
insulation material. The thermal conductivity of the steam is lower than the thermal conductivity of water, which makes
the heat removal of hardened material. This is related to the density of heat flow, which has several critical points. At
130 °C, the first boiling crisis, when the bubble boiling beginning to form first coherent membrane steam film and heat
flow density exceeds 1.105 W.m-2. The second boiling crisis arrives at 220 °C when the formation of the transition
boiling stopped, and the entire surface of the body covering the steam film. This point is called the Leidenfrost point
and heat flow density decreases to about 500 W.m-2. From this point, the heat flux density increases again and about
1 000 °C again gets the values of the first boiling crisis. Cooling rate can also change the environment in which it is
cooled. The slowest, and evenly cools the cooling furnace in which the cooling rate can be controlled. Somewhat faster
is cooling in still air and gradually work faster air flow, stream water fog, warm oil, boiling water, cold oil, cold water
with a slight movement, and finally a sharp water spray. The most common quenching agent is a water course, which
can amplify the effect of the addition of soda or lye. In contrast, the addition of emulsified oil attenuates the effects of
cooling water.
1
ÚVOD
Voda je nejčastějším kalicím médiem při
jakostním tepelném zpracování výkovků velkých rozměrů
z nelegované, či nízkolegované oceli, ovšem ochlazování
stálou rychlostí je dosažitelné jen v laboratorních
podmínkách. Při ponoření kaleného tělesa totiž probíhá
velmi rychlé ochlazování jen do doby vytvoření parního
polštáře, který další ochlazování zpomalí.
Rychlost ochlazování je ovšem u vody i přes
velkou závislost na teplotě a rychlosti proudění největší ze
všech běžně používaných kalicích médií. Ideální rychlost
ochlazování je při teplotě vody kolem 20 - 25 °C,
z důvodu příznivé tepelné vodivosti. Je ovšem třeba mít
na paměti vliv kritických teplot, které v průběhu kalení
značně ovlivňují odvod tepla.
Při kalení tlustých těles je sice teplota středu
kaleného tělesa dána zejména rychlostí vedení tepla
v materiálu a nikoliv přestupem tepla do okolí z povrchu,
přesto je důležité dosáhnout co nejrychlejšího a
nejrovnoměrnějšího odstraňování parního polštáře. Tím
získáme alespoň částečnou kontrolu odvodu tepla
z povrchových vrstev, kde se také nejčastěji provádějí
odběry zkoušek.
Obr. 1 Kalení hřídelí ve vodě
Fig. 1 Hardened of shaft in water
Rovnoměrnost ochlazování tlustých těles při
kalení ve vodě však není tak snadné zajistit, jelikož při
styku vody s materiálem, ohřátým na teploty dosahující
cca 850-900 °C, okamžitě vzniká parní film, který působí
jako izolační vrstva. Pokud se tuto izolační vrstvu
nepodaří efektivně odstranit, odvod tepla z kaleného
materiálu nebude rovnoměrný. Tato problematika je
hlavním tématem tohoto článku.
2
PARNÍ FILM
Parní film nevyhnutelně vzniká okamžitě při
ponoření kaleného tělesa do vodní nádrže. Vzniká přímo
na povrchu kalených těles a má proměnlivou tloušťku,
která je přímo úměrná rozdílu teplot a nepřímo úměrná
vlivu okolního proudění. Vzniká v okamžiku ponoření
kaleného tělesa do vody a roste do té doby, než její vztlak
překročí kapilární síly. Poté se odtrhne a začne se tvořit
film nový. Toto se děje do té doby, než se kalené těleso
ochladí natolik, že tzv. Leidenfrostův jev ustane a začne
vznikat běžný bublinkový var. Zejména při kalení velmi
tlustých těles však často dochází k jevu, že se parní film
stává součástí povrchu tělesa po delší čas a chová se jako
tepelný izolant. Tento jev je graficky vyjádřen na obrázku
č.2, kdy na ose y je hustota tepelného toku a na ose x je
teplota parního filmu, mínus teplota varu vody za
stávajících podmínek.
proces přenosu tepla v celé oblasti od vzniku bublinového
varu až po vznik parního filmu. Byly prováděny pokusy
rozdělit režim bublinového varu do několika oblastí,
přičemž každá oblast by byla charakterizována nějakým
specifickým mechanismem přenosu tepla, ale bez většího
úspěchu. Posléze se dospělo se k názoru, že celý proces
lze rozdělit do tří hlavních režimů, z nichž každý má zcela
odlišné fyzikální vlastnosti:
1. režim parního filmu
2. režim bublinkového varu
3. režim konvekčního vedení tepla
Parní film se chová jako izolační vrstva z důvodu
nízké tepelné vodivosti páry a přímo ovlivňuje odvod tepla
z kaleného materiálu. Za ním následuje vrstva
bublinkového varu a nakonec samotná voda o proměnlivé
teplotě, v závislosti na velikosti nádrže, délce kalení a
objemovém toku výměny oteplené vody pomocí čerpadel.
Při volbě okrajových podmínek při výpočtu přestupu tepla
tedy nemůžeme použít teplotu, ale využíváme zde s
úspěchem takzvaného součinitele přestupu tepla.
4
SOUČINITEL PŘESTUPU TEPLA
DO OKOLÍ
Součinitel přestupu tepla konvekcí αk je účinný
empirický nástroj pro přibližné výpočty odvodu tepla. Při volné
konvekci ho vypočteme pomocí kriteriálních rovnic v
následující sérií kroků:
Nu.λ
(W.m-2.K-1)
d
n
Nu = C.(Gr. Pr )
(1)
αk =
Gr =
Pr =
Obr. 2 Kritický tepelný tok
Fig. 2 Critical heating flow
Jak teplota vody stoupá, hustota tepelného toku
prochází několika fázemi. Lokálního maxima je dosaženo
při teplotě 130 °C, kdy dochází k přechodové oblasti mezi
bublinkovým a blánovým varem. V této oblasti hustota
tepelného toku klesá a při 220 °C vzniká trvalý parní film.
Od tohoto bodu hustota tepelného toku už jen stoupá a
začíná se projevovat i vliv tepelného záření. V této oblasti
existuje na povrchu kovu pod vrstvou páry tenká vrstva
kapaliny, nazývaná makrovrstva. Tato makrovrstva je
příčinou vzniku kritického tepelného toku při krizi varu,
kdy dochází k přechodu od bublinového varu k varu
přechodovému a posléze k varu s parním filmem. Hlavní
příčinou sníženého přestupu tepla je však samozřejmě
parní film, jehož vznik makrovrstva usnadňuje.
3
SDÍLENÍ TEPLA PŘI KALENÍ VE
VODĚ
Při analýze přenosu tepla při kalení tlustých těles
se ukázalo, že jediným mechanismem nelze vysvětlit
γ=
Kde
1
T
γ .g .∆t.d
v2
v
a
(1)
(K)
Nu
λ
d
Gr
γ
g
∆t
ν
Pr
a
je
-
(1)
(2)
3
(1)
(3)
(4)
(5)
Nuseltovo kritérium (1),
součinitel tepelné vodivosti (W.m-1.K-1),
výpočtový rozměr (m),
Grashofovo kritérium (1),
teplotní roztažnost (K-1),
gravitační zrychlení (m.s-2),
rozdíl teplot (°C),
kinematická viskozita (m2.s-1),
Prandtlovo kritérium (1).
součinitel teplotní vodivosti (m2.s-1).
Konstanty C a n si vyhledáme v tepelně
technických tabulkách. Při výpočtu zjistíme, že na
rozhraní kalené oceli a vody s přirozeným prouděním
dosahuje αk hodnoty 100 – 1 000 W.m-2.K-1. Na rozhraní
kaleného materiálu a vody s nuceným prouděním dosahuje
αk hodnoty 600 – 10 000 W.m-2.K-1. Na rozhraní kalené
oceli a vody v režimu bublinkového varu dosahuje αk
hodnoty 2 000 – 20 000 W.m-2.K-1 a na rozhraní kalené
oceli a vody v režimu parního filmu dosahuje αk hodnoty
4 000 – 15 000 W.m-2K-1.
Z tohoto rozptylu je zřejmé, že v praxi nemá
smysl usilovat o dosažení nějaké konkrétní hodnoty
součinitele přestupu tepla do okolí pomocí změny teploty
kalícího média, ale raději se pokusit o vytvoření prostředí,
kterého bude tuto změnu kompenzovat. To je možné
jedině vytvořením prostředí, které naruší jednotlivé
tepelné vrstvy kolem kaleného materiálu dynamickým
působením nuceného proudění.
5
MĚŘENÍ TEPLOTY
KALENÍ
HŘÍDELÍ
ELEKTRÁREN
Nu = C. Ren . Pr m
Kde
Re
(1)
(6)
je Reynosldsovo kritérium (1).
Navrhovaným řešením je úprava kalící nádrže
VODY PŘI pomocí řady vysokotlakých trysek, umístěných
VĚTRNÝCH v soustavě trubic. Tyto trubice se umístí na vnitřní stěny
Změna teploty kalícího média v průběhu
ochlazování kaleného tělesa může značně ovlivnit jeho
výsledné mechanické hodnoty. Na úseku kalírny
VÍTKOVICE HEAVY MACHINERY a.s. proběhlo
měření teploty vody pomocí termočlánků, z nichž jeden
byl umístěn metr pod hladinou a druhý tři metry pod
hladinou. V nádrži byly následně kaleny čtyři hřídele za
sebou v 15-ti minutových intervalech. Manipulační čas
mezi kalením jednotlivých hřídelí byl cca 10 minut.
Výsledky je možno vidět v následujícím grafu na obrázku
č. 3.
Obr. 3 Změna teploty vody
Fig. 3 Temperature change of water
Modrá křivka znázorňuje teplotu vody metr pod
hladinou, tedy zhruba v místě kaleného tělesa, která po
ponoření ihned stoupala o cca 5 - 8 °C. Zajímavá je ale
červená křivka, jejíž trend je opačný. To znamená, že
teplotu vody dokážeme snižovat, ale ne v blízkosti
kaleného tělesa, pouze na periferii, kde nemá na vlastní
ochlazování tělesa téměř žádný efekt. Při vyhodnocení
výsledků je tedy zřejmé, že čerpadla dokážou lokálně
snížit teplotu vody, ale prouděním nestačí reagovat na
teplotní změny kalícího média u samotného materiálu a je
nutno zajistit řízené ochlazování jinými prostředky.
6
být zajištěn hodinový průtok čerpadly v množství
minimálně 300 000 m3.h-1, což je většinou zcela mimo
možnosti běžných průmyslových kalíren. Tímto zásahem
se nám součinitel přestupu tepla konvekcí změní, jelikož
už se bude jednat o nucenou konvekci a rovnice (2) se
změní na:
NÁVRH ÚPRAVY KALÍCÍ NÁDRŽE
V literatuře týkající se kalících lázní a nádrží se
uvádí, že čerpadla cirkulace mají zajistit oběh kalící
lázně v třiceti až čtyřiceti násobku celkového objemu za
hodinu. Podle jiných pramenů má kalící médium
cirkulovat dokonce rychlostí, zajišťující výměnu celého
objemu kalící lázně za jednu minutu, což je ovšem u
většiny průmyslových nádrží neproveditelné. Při objemu
průměrné kalící nádrže o obsahu 10 000 m3 by tedy měl
spodní části nádrže poblíž dna. Počet trysek a výkony
čerpadel je třeba navrhnout pro každou kalící nádrž s
ohledem na její velikost a zpracovávaný sortiment.
Přesto se tato investice vyplatí, jak je známo z mnoha
praktických případů. Většina kalícího média u dna a stěn
nádrže se výměny tepla nijak významněji neúčastní a
pouze zpomaluje vlastní cirkulaci v nádrži. Trysky musí
zajistit rozpohybování celého objemu lázně.
7
ZÁVĚR
Cílem úpravy kalící nádrže je dosáhnout
omývání povrchu kaleného tělesa vodou z širšího okolí
nádrže, která by se jinak k povrchu kaleného tělesa kvůli
parnímu filmu nedostala. Výsledkem bývá snadnější
dosažení požadovaných mechanických hodnot, protože
metalurg má k dispozici ještě následné popouštění pro
případné snížení pevnostních a zvýšení elastických
charakteristik. Pokud je však již při kalení odvod tepla
pomalý, pevnost a tvrdost materiálu se zvýšit nedá.
V technické praxi je výpočet hustoty tepelného
toku v kalící nádrži velice obtížný, zejména při kalení
tlustých těles. Rozbití parního filmu je tedy jednou z
nejpoužívanějších cest, jak efektivně převzít kontrolu
nad odvodem tepla z kaleného materiálu. Je třeba
zdůraznit, že rozbití parního filmu není jedinou
možností, jak kontrolovat odvod tepla (můžeme pracovat
i s chemickým složením kalícího média, nebo s jeho
teplotou), ale zcela jistě je tou nejefektivnější.
Stabilní vrstva páry je špatným vodičem tepla a
odděluje ochlazovaný povrch od okolní kapaliny. Při
pozvolném poklesu teploty povrchu kaleného materiálu je
sice stabilní parní polštář narušen vývinem parních bublin,
jež se odtrhují a unášejí značné množství tepla, ale u
tlustých těles k tomu dochází se zpožděním. A jelikož je
zejména počátek kalení velice důležitý pro nastartování
martenzitických přeměn, je narušení parního filmu od
ponoření do vody velice účinným nástrojem získání
částečné kontroly při odvodu tepla z kaleného materiálu.
Literatura:
[1] PŘÍHODA, M., RÉDR, M.: Základy tepelné techniky. Praha,
1991. 677 s. ISBN 80–03–00366–0
[2] BÁLEK, S.: Tepelně technické tabulky a diagramy, ES VŠB,
1993. 172 s. ISBN 80-7078-184-X.
[3] TALER, J., DUDA, P.: Solving Direct and Inverse Heat
Conduction Problems. Berlin 2006. ISBN 978-3-540-33470-5.
[4] MICHEJEV, M. A.: Základy sdílení tepla, Praha 1952
[5] KUNEŠ, J.: Modelování tepelných procesů. Praha: SNTL,
1989. ISBN 80 – 03 – 00134-X.
[6] KRÁSNÝ, O., PICKA, J.: Navrhování a modernizace kalíren,
SNTL Praha 1966.
Download

Parní film.pdf