СПОСОБ ТЕРМООБРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 2004 года по МПК F27D7/04 F27B5/05 C21D1/767 

Изобретение касается способа термообработки металлических изделий, при котором для охлаждения изделий в вакуумной печи при помощи вентилятора создается поток охлаждающего газа, причем вентилятор запускается от трехфазного двигателя, работающего от заданного напряжения питания при давлении в вакуумной печи выше минимального давления, определенного относительно мощности трехфазного двигателя.

При термообработке металлических изделий, например охлаждении, все более широко применяются вакуумные печи, в которых изделия после нагрева охлаждаются в газообразной среде, например в азоте. По сравнению с обычным охлаждением, например в масляной или в соляной ванне, такое охлаждение в потоке газа имеет то преимущество, что не приводит к загрязнению изделий и в связи с этим не требуется проведения дорогостоящей операции по очистке. Известно, что при охлаждении в потоке газа для достижения эффекта, аналогичного эффекту, получаемому при охлаждении в масляной или в соляной ванне, предусмотрено использование охлаждающего газа высокого давления, что обеспечивает желательный уровень теплоотдачи, благодаря соответствующему повышению плотности газа. Недостатком здесь является то, что высокое давление охлаждающего газа требует применения дорогостоящих мер безопасности, а также сопряжено с относительно большой затратой времени на наполнение и опорожнение вакуумной печи.

Из SU 1740924 А1 известен способ термической обработки металлических изделий, при котором с помощью вентилятора создают поток охлаждающего газа в камере одно- или многокамерной вакуумной печи для охлаждения изделий, причем вентилятор приводят в действие от трехфазного двигателя. Этому способу также свойственны вышеуказанные недостатки.

Еще один недостаток, возникающий при охлаждении в потоке газа высокого давления, состоит в том, что для вентилятора, создающего поток охлаждающего газа в вакуумной печи, требуется относительно высокая мощность на валу, позволяющая обеспечить требуемую скорость охлаждающего газа, учитывая возникающие при высоких давлениях моменты нагрузки. Высокая мощность на валу требует в равной мере наличия высокой мощности у электродвигателя, приводящего в действие вентилятор. Поэтому обычно он бывает выполнен в виде трехфазного двигателя с расчетной мощностью, например, 220 кВт. Расчетная мощность двигателя в 220 кВт дает при напряжении питания примерно 400 В расчетную силу тока в 400 А. При пуске вентилятора, в результате появляющихся импульсных токов, при нормальном состоянии охлаждающего газа, достигающих обычно девятикратного значения расчетного тока двигателя, возникает пусковой ток в 3600 А.

Столь высокие токи ведут, как правило, к повреждениям в цепи и являются причиной сильного износа, прежде всего в местах соединений. Известно, что во избежание этого применяются пусковые аппараты, благодаря которым осуществляется так называемый плавный пуск трехфазного двигателя, при этом пусковой ток снижается, например до пяти/шестикратного значения расчетного тока двигателя. Однако устройство пусковых приборов связано с большими затратами и поэтому невыгодно в экономическом отношении.

Даже если при плавном пуске приводного электромотора вентилятора возможно охлаждение обрабатываемых изделий уже при более низких давлениях в печи, то есть еще при наполнении вакуумной печи охлаждающим газом, началу процесса охлаждения поставлен нижний предел во временном отношении. Это следует объяснять тем, что до пуска вентилятора вакуумная печь должна быть заполнена на определенное минимальное давление относительно питающего напряжения трехфазного двигателя, что позволяет избежать появления, например, пробоев, вызывающих повреждение изоляции. Полученное на основе так называемых кривых Пашена минимальное давление составляет, как правило, около 750 мбар для трехфазного двигателя с питающим напряжением 400 В.

Так как вентилятор может быть запущен лишь тогда, когда достигнуто минимальное давление при заполнении вакуумной печи охлаждающим газом, то в дальнейшем необходимый расход времени на пуск вентилятора влияет на время охлаждения и, следовательно, негативно сказывается на эффективности процесса охлаждения.

Задачей изобретения является усовершенствование способа термообработки металлических изделий, позволяющее просто и с минимальными затратами повысить эффективность охлаждения.

Эта задача при способе термической обработки металлических изделий, при котором с помощью вентилятора создают поток охлаждающего газа в камере одно- или многокамерной вакуумной печи для охлаждения изделий, причем вентилятор приводят в действие от трехфазного двигателя, который работает с номинальным напряжением питания при давлении в камере охлаждения выше минимального давления, определяемого относительно мощности двигателя, согласно изобретению решается тем, что вентилятор запускают от трехфазного двигателя при давлении в камере охлаждения ниже минимального давления, при этом до достижения минимального давления в камере охлаждения для работы трехфазного двигателя используют второе значение напряжения питания, которое ниже номинального.

Такой способ позволяет повысить эффективность охлаждения. В основе этого результата лежит в первую очередь то, что пуск вентилятора уже при более низком давлении в вакуумной печи, чем минимальное давление, позволяет сократить время на охлаждение, что дает возможность варьировать в более широком диапазоне желательный режим охлаждения обрабатываемых изделий. При этом неожиданным преимуществом изобретения является то, что пуск вентилятора при более низких давлениях, чем минимальное, и без риска пробоев, возможен при работе трехфазного двигателя от более низкого напряжения питания, чем то, которое требуется для обеспечения необходимой мощности вентилятора на валу относительно требуемой скорости охлаждающего газа. В связи с более низким напряжением питания снижается также пусковой ток, что делает излишним использование пускового аппарата для плавного пуска. Кроме того, при более низком питающем напряжении снижается также мощность двигателя, но благодаря все еще низкому давлению в вакуумной печи и, соответственно, низкой плотности охлаждающего газа, эта мощность достаточна для запуска вентилятора. После достижения минимального давления в вакуумной печи вентилятор начинает работать от более высокого напряжения питания. Так как в данный момент вентилятор уже работает с номинальной скоростью вращения, то с переключением на более высокое напряжение питания безусловно обеспечивается необходимая для охлаждения мощность на валу, при этом в отличие от уровня техники - эффективность охлаждения не страдает в результате потери времени, связанной с пуском вентилятора. Здесь в полной мере проявляется то обстоятельство, что в процессе вращения вентилятора уже до достижения минимального давления в вакуумной печи в вентиляторе накапливалась кинетическая энергия, которая при переключении на более высокое напряжение питания проявляется как эффект маховика. Кроме того, внедрение способа согласно изобретению способствует, благодаря снижению пусковых токов, более экономному с хозяйственной точки зрения расходу электроэнергии, то есть при сопоставимой эффективности охлаждения можно отказаться от очень высокого давления охлаждения, реализация которого требует значительных затрат. Особое преимущество представляет вариант, когда на трехфазный двигатель подается сетевое напряжение и при помощи трансформатора напряжение переключается с высшего на низшее и наоборот. Преобразование напряжения при помощи трансформатора сравнительно выгодно в стоимостном отношении и позволяет простейшим образом переоборудовать существующие уже установки по термообработке на использование способа согласно изобретению. С аналогичной целью предложено использовать в трехфазном двигателе при давлении выше минимального высшее напряжение питания примерно 400 В и при давлении ниже минимального - низшее напряжение питания около 230 В.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения напряжение питания, подаваемое на трехфазный двигатель, переключается в зависимости от давления, установившегося в вакуумной печи, и/или от силы тока, протекающего через трехфазный двигатель, что призвано обеспечить как можно более простое и автоматизированное применение способа. Кроме того, в варианте изобретения предлагается минимальное давление 50-120 кПа, а предпочтительно 75 кПа, так что принимается в расчет мощность самых обычных трехфазных двигателей для вентиляторов, используемых в вакуумных печах.

Чтобы возможно было применение трехфазных двигателей большой мощности, согласно одному из признаков изобретения, трехфазный двигатель охлаждается водой. Простое регулирование потока охлаждающего газа достигается тем, что предпочтительно число оборотов вентилятора варьируется выше минимального давления в зависимости от желательной скорости охлаждающего газа. Наконец, предлагается, чтобы вентилятор работал при давлении в вакуумной печи до 4000 кПа, обеспечивая при достаточной эффективности охлаждения давление охлаждающего газа в соответствии с требованиями.

Процесс охлаждения изделий ведут в потоке охлаждающего газа путем запуска трехфазного двигателя вентилятора при давлении в камере охлаждения ниже 75 кПа при напряжении питания ниже номинального напряжения питания трехфазного двигателя, предпочтительно составляющего 40-80% от номинального напряжения питания двигателя, разгоняют вентилятор до номинальной частоты вращения, при этом камеру охлаждения заполняют охлаждающим газом до установления в ней давления охлаждения 100-4000 кПа, по существу, одновременно, при достижении давления в камере охлаждения выше 75 кПа напряжение питания двигателя переключают на номинальное, а после окончания процесса охлаждения продувают камеру охлаждения до атмосферного давления, и извлекают изделия.

Подробности и другие преимущества предмета настоящего изобретения даны в следующем примерном описании цементации металлических изделий.

Цементация служит для придания поверхностному слою металлических изделий значительно более высокой твердости, а изделию в целом лучшие механические свойства. С этой целью поверхностный слой, в зависимости от желательных потребительских свойств, обогащается вначале углеродом и/или азотом, а затем охлаждается с понижением соответствующей температуры охлаждения до комнатной температуры или ниже. С технологической и практической точки зрения процесс цементации достигает своей цели, когда науглероживание или нитронауглероживание, а также последующая охлаждение производятся в вакуумной печи, допускающей простой обмен газообразных сред термообработки.

После насыщения обрабатываемых изделий, например углеродом, в вакуумной печи, удаления газообразной цементирующей среды и последующего заполнения вакуумной печи инертным охлаждающим газом сразу же осуществляется процесс охлаждения, при этом не требуется перемещать изделия в другую печную камеру. Для охлаждения изделий в вакуумной печи предусмотрен вентилятор с электроприводом, создающий поток охлаждающего газа со скоростью потока, соответствующей определенным требованиям. Поток охлаждающего газа завершает охлаждение обрабатываемых изделий, понижая температуру охлаждения до комнатной температуры или ниже.

Для привода вентилятора предусмотрен трехфазный двигатель номинальной мощностью в 200 кВт, работающий при давлении в вакуумной печи ниже 75 кПа от напряжения питания в 230 В и при давлении в печи свыше 75 кПа от напряжения питания 400 В. При помощи пускового трансформатора напряжение питания понижается до 230 В. При достижении давления в вакуумной печи во время заполнения охлаждающим газом примерно 75 кПа напряжение переключается с 230 В на 400 В. Во время работы трехфазного двигателя от напряжения в 230 В мощность двигателя составляет лишь треть мощности, которой он располагает при напряжении питания в 400 В, то есть в данном случае 73,3 кВт. Следствием этого является то, что расчетный ток двигателя, составляющий 400 А при мощности двигателя 220 кВт, снижается почти наполовину от начального значения. При пуске вентилятора, следовательно, имеют место в равной мере уменьшенные пусковые токи, которые таким образом не причиняют вреда электросети. Измерения показали, что максимальное значение возникающего продолжительностью 1-2 с пускового тока составляет 1500 А. В связи с более низкими пусковыми токами обеспечивается также сравнительно меньшее потребление тока.

Далее, вследствие сниженного до 230 В напряжения питания исключается опасность пробоев, которые случаются при мощности 220 кВт и давлении ниже 75 кПа. И, наконец, пониженное до 230 В напряжение питания способствует тому, что вентилятор может быть запущен уже при давлении ниже 15 кПа, а при достижении указанного давления располагает полной мощностью на валу.

На фиг.1 представлено изменение во времени давления в печи, частоты вращения вентилятора и напряжения питания согласно известному уровню техники и согласно изобретению на начало процесса охлаждения.

Так как использовавшееся до настоящего времени наполнение закалочного резервуара на минимальное давление для пуска привода вентилятора отпадает, выбранное давление охлаждения может быть достигнуто без промедления. Это ведет к более быстрому началу охлаждения с максимальной эффективностью охлаждения, что обусловливает соответствующий выигрыш во времени в достижении намеченной температуры завершения охлаждения. При аналогичной комбинации деталь-вещество это ведет к лучшему закалочному результату в сравнении с прежним уровнем техники.

На фиг.2 представлены соответствующие кривые измерений для охлаждения с применением и без применения изобретения.

Непрерывное наполнение закалочного резервуара способствует также значительно более быстрому охлаждению температуры газа в течение первых минут охлаждения благодаря увеличенной теплоотдаче. Это ускорение охлаждения температуры газа с применением изобретения представлено на фиг.3.

Так как особенно цементуемые стали имеют относительно низкую прокаливаемость и поэтому для достижения оптимального результата охлаждения требуется очень быстрое охлаждение в течение первой минуты, то это изобретение предназначено в особенности для применения в данном случае.

Изобретение относится к металлургической промышленности. При термообработке металлических изделий с помощью вентилятора создают поток охлаждающего газа в камере одно-или многокамерной вакуумной печи для охлаждения изделий. Вентилятор приводят в действие от трехфазного двигателя, работающего с номинальным напряжением питания при давлении в камере охлаждения выше номинального давления, определенного относительно мощности двигателя. Вентилятор запускают при давлении в камере охлаждения ниже минимального давления. До достижения минимального давления в камере охлаждения для работы трехфазного двигателя используют второе значение напряжения питания, которое ниже номинального. Изобретение позволяет просто и с минимальными затратами повысить эффективность охлаждения. 8 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ термической обработки металлических изделий, при котором с помощью вентилятора создают поток охлаждающего газа в камере одно- или многокамерной вакуумной печи для охлаждения изделий, причем вентилятор приводят в действие от трехфазного двигателя, который работает с номинальным напряжением питания при давлении в камере охлаждения выше минимального давления, определяемого относительно мощности двигателя, отличающийся тем, что вентилятор запускают от трехфазного двигателя при давлении в камере охлаждения ниже минимального давления, при этом до достижения минимального давления в камере охлаждения для работы трехфазного двигателя используют второе значение напряжения питания, которое ниже номинального.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на трехфазный двигатель подают сетевое напряжение и при помощи трансформатора напряжение питания переключают с высшего на низшее и наоборот.3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что для работы трехфазного двигателя при давлении выше минимального используют высшее напряжение питания приблизительно 400 В, а при давлении ниже минимального - низшее напряжение питания приблизительно 230 В.4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что подаваемое на трехфазный двигатель напряжение питания переключают в зависимости от установившегося в камере охлаждения давления и/или в зависимости от силы протекающего через трехфазный двигатель тока.5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что в камере охлаждения предусматривают минимальное давление 50-120 кПа.6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что трехфазный двигатель охлаждают водой.7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что при давлении в камере охлаждения выше минимального давления частоту вращения вентилятора варьируют в зависимости от желаемой скорости потока охлаждающего газа.8. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что для работы вентилятора при номинальном напряжении питания трехфазного двигателя создают давление в камере охлаждения до 4000 кПа.9. Способ по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что процесс охлаждения изделий ведут в потоке охлаждающего газа путем запуска трехфазного двигателя вентилятора при давлении в камере охлаждения ниже 75 кПа при напряжении питания ниже номинального напряжения питания трехфазного двигателя, предпочтительно составляющего 40-80% от номинального напряжения питания двигателя, разгоняют вентилятор до номинальной частоты вращения, при этом камеру охлаждения заполняют охлаждающим газом до установления в ней давления охлаждения 100-4000 кПа, по существу, одновременно, при достижении давления в камере охлаждения выше 75 кПа напряжение питания двигателя переключают на номинальное, а после окончания процесса охлаждения продувают камеру охлаждения до атмосферного давления, и извлекают изделия.