Bagni di sale — dispositivo e applicazione

Quando si riscaldano prodotti in liquido, a causa degli alti valori del coefficiente di trasferimento del calore dal liquido al metallo, è possibile ottenere una velocità di riscaldamento significativamente più elevata. D'altra parte, a causa della conducibilità termica molto più elevata dei liquidi rispetto ai gas, la distribuzione della temperatura in essi deve essere più uniforme, e quindi il riscaldamento dei singoli prodotti o parti del prodotto avverrà nelle stesse condizioni.

La velocità di riscaldamento più veloce può essere raggiunta in un metallo liquido come il piombo fuso. Il bagno di piombo è un crogiolo di ferro riempito di piombo, installato all'interno forno elettrico a tino sotto il coperchio dello scarico. Quando il piombo si scioglie e raggiunge una temperatura prestabilita, vi vengono calate piccole parti che vengono rapidamente riscaldate, ad esempio per tempra o rinvenimento, mentre la conducibilità termica del piombo garantisce un'elevata uniformità di riscaldamento delle parti che vi cadono. ma un bagno di piombo presenta una serie di difetti significativi:

• lavori dannosi con il piombo, specialmente ad alte temperature,

• impossibilità di utilizzo per il riscaldamento a temperature superiori a 800 ° C (a temperature più elevate, il piombo evapora intensamente),

• bassa capacità termica del piombo, grazie alla quale si raffredda rapidamente se immerso in parti più grandi.

Di conseguenza, i bagni di piombo hanno ricevuto solo un uso limitato. A differenza del piombo, vari sali, nitrati e basi hanno trovato un'applicazione molto più ampia. Poiché un certo numero di sali, nitrati e basi utilizzati hanno punti di fusione molto diversi, per qualsiasi temperatura nell'intervallo da 250 a 1300 °C un tale sale o miscela di sali può essere scelto in modo da evaporare poco a quella temperatura e allo stesso il tempo è fluido. La tabella 1 riporta i punti di fusione ei campi di applicazione di alcuni sali e nitrati.

Sale e bagni di sale eseguiti costruttivamente come bagni con riscaldamento esterno, bagni con riscaldatori ed elettrodi interni... I primi due tipi vengono eseguiti a temperature relativamente basse: si tratta principalmente di bagni di salnitro e alcalini utilizzati per il trattamento termico di profili e lastre di leghe leggere (450-525 °C).

I bagni di sale riscaldati esternamente sono un recipiente rettangolare o circolare saldato da semplice acciaio al carbonio posto in un pozzo con riscaldatori metallici.

I bagni di sale con riscaldatori interni sono realizzati allo stesso modo, ma non hanno elementi riscaldanti esterni, e invece gli elementi riscaldanti tubolari ermetici sono immersi nel nitrato. Presentano notevoli vantaggi:

1. Dimensioni leggermente inferiori e minori dispersioni termiche rispetto ai bagni riscaldanti esterni,

2. il consumo di leghe riscaldanti in esse contenute è dieci volte inferiore,

3.Sono più sicuri perché i nitrati possono esplodere se surriscaldati in presenza di ossidi di ferro e tale surriscaldamento nei bagni di riscaldamento esterni può verificarsi a causa della contaminazione degli strati inferiori di nitrato, con conseguente surriscaldamento del fondo del bagno da parte dei riscaldatori inferiori.

Lo svantaggio dei riscaldatori a tubo nei bagni di nitrato è la loro breve durata a causa dell'elevata temperatura e della corrosione del rivestimento del tubo con nitrato.

Tabella 1. Punto di fusione e intervallo di alcuni sali

I bagni salini e alcalini di entrambi i tipi raggiungono dimensioni molto grandi (lunghezza 6-8 m) e una potenza di diverse centinaia di kilowatt, per temperature più elevate vengono utilizzati bagni con elettrodo. Sono un crogiolo metallico o ceramico riempito di sale, nel quale vengono calati elettrodi metallici alimentati da un trasformatore step-down con una tensione di 8-25 V.

Allo stato freddo, il sale difficilmente conduce corrente, ma se viene riscaldato da una fonte esterna, si stabilisce una corrente tra gli elettrodi e rilascia calore Joule nel sale. Pertanto, il sale fuso stesso funge da riscaldatore in tali bagni, in cui sono immersi gli articoli da riscaldare.

I bagni per elettrodi sono dotati di coperchio ed elettrodi esterni. I primi non sono attualmente utilizzati a causa della loro bassa efficienza e del riscaldamento irregolare. In tali bagni la densità di corrente sulla superficie degli elettrodi a causa delle grandi dimensioni di questi ultimi non è elevata, quindi vi è solo una circolazione termica naturale del sale in essi, che equalizza le temperature in questi ultimi lungo l'altezza. Tuttavia, in tali bagni la differenza di temperatura tra i livelli superiore e inferiore può raggiungere i 20-25 ° C.

Pertanto, il principale svantaggio di tali bagni è la circolazione non sufficientemente intensa del sale, che porta ad una diminuzione della velocità di riscaldamento dei prodotti, e quindi del funzionamento del bagno, e ad una distribuzione non uniforme della temperatura in esso lungo l'altezza.

Inoltre, in questi bagni le linee di corrente riempiono quasi l'intero volume del sale; quindi la corrente scorre anche attraverso i prodotti. Con una forma sfavorevole di quest'ultimo (spigoli vivi, ponti sottili tra due parti del prodotto), possono essere concentrate densità di corrente aumentate, che porteranno al surriscaldamento e possono portare al rigetto o addirittura alla fusione.

Riso. 1. Bagno di sale con elettrodi remoti e partizione: 1 — bagno, 2 — rivestimento, 3 — grembiule, 4 — ombrello, 5 — partizione: 6 — pirometro, 7 — elettrodo, 8 — muratura refrattaria, 9 — isolamento termico.

Questi inconvenienti vengono superati dalla sempre maggiore diffusione dei bagni salini con elettrodi con elettrodi esterni. In essi gli elettrodi sono due aste a sezione rettangolare o circolare, calate nel sale ad una distanza di 25-50 mm l'una dall'altra.

In tali bagni, quasi tutte le linee di corrente si trovano nello spazio tra due elettrodi, quindi solo correnti insignificanti passano attraverso le parti riscaldate ei loro singoli punti non si surriscaldano. Inoltre, per escludere completamente il passaggio di corrente attraverso le parti, la parte della camera in cui si trovano gli elettrodi può essere separata dalla sua parte operativa mediante un tramezzo (Fig. 1).

Poiché la densità di corrente tra le aste è molto elevata, il sale tra di esse si surriscalda e inizia un'intensa circolazione termica, e le particelle di sale riscaldate salgono nello spazio tra gli elettrodi e al livello superiore divergono attraverso il volume del bagno, mentre più fredde gli strati inferiori si inseriscono nello spazio interelettrodico sottostante.

A densità di corrente molto elevate tra gli elettrodi (circa 15-25 A / cm2), le forze elettromagnetiche iniziano a prevalere, gettando sale nello spazio interelettrodico, per cui la direzione della circolazione si inverte e la sua intensità aumenta. Tale circolazione forzata del sale aumenta significativamente sia il coefficiente di trasferimento del calore dal sale ai prodotti sia l'uniformità del riscaldamento dei prodotti lungo l'altezza dei bagni (fino a ± 3 ° C).

Per i suddetti vantaggi, negli ultimi tempi si sono diffusi sempre più bagni con elettrodi esterni. I bagni di sale sono prodotti monofase e trifase (Fig. 1) con potenza da 20 a 150 kW e a varie temperature fino a 1300 ° C. Sono utilizzati per il riscaldamento di vari prodotti per tempra e rinvenimento e principalmente per utensili (compresi acciai rapidi), nonché per la ricottura isotermica Inoltre, scegliendo la composizione salina appropriata in essi, è possibile garantire lo svolgimento delle operazioni di lavorazione termochimica, cementazione e cianurazione degli acciai.

Un noto vantaggio del riscaldamento nei bagni di sale è quello di ricoprire gli oggetti rimossi dal bagno con un sottile strato di sale. Questo film protegge la superficie del prodotto dall'ossidazione nell'aria, mentre allo stesso tempo si screpola e rimbalza quando viene raffreddato o immerso in una vasca di raffreddamento.

I crogioli metallici resistenti al calore dei bagni di elettrodi che operano fino a 1000 ° C sono realizzati in acciai al cromo-nichel e si può presumere che la loro durata utile sia di 1 anno. I crogioli in ceramica possono essere utilizzati fino a 1400°C, possono essere completamente compattati, cotti o assemblati da piastre ceramiche ad alto contenuto di alluminio cotte singolarmente unite insieme in una soluzione.

Gli elettrodi possono essere realizzati in acciai al cromo-nichel o acciai a basso tenore di carbonio, ad esempio classe 10. Gli elettrodi rimangono in bagni ad alta temperatura per 3-6 mesi, in bagni a media temperatura fino a un anno.

La disposizione dei coperchi del bagno di sale gioca un ruolo importante... Uno specchio di sale aperto emette una quantità di energia pari a circa 5-6 volte la dispersione termica di un bagno chiuso a 1000°C. Pertanto il coperchio del bagno deve essere sufficientemente coibentato , allo stesso tempo deve essere facile da ripiegare o spostare lateralmente durante le operazioni di carico e scarico. Una significativa riduzione delle perdite dello specchio del bagno può essere ottenuta rivestendo la sua superficie con uno strato di polvere di carbone di grafite cellulare.

Poiché il sale non viene condotto allo stato freddo, è necessario riscaldarlo per eseguire il bagno. Il più conveniente è l'uso della resistenza iniziale al nicromo. Quest'ultimo, prima che il bagno si solidifichi, viene immerso nel sale e collegato a due elettrodi. Quando il bagno viene riscaldato, la corrente del trasformatore che scorre attraverso la resistenza lo riscalda, per cui gli strati di sale adiacenti alla resistenza vengono riscaldati e, a loro volta, iniziano a condurre. Il resistore viene quindi spento e rimosso dal sale.Per tale resistenza può essere ammessa una potenza superficiale specifica molto elevata dell'ordine di 10-15 W/cm2. Tuttavia, va tenuto presente che quando si lavora nel sale, il nicromo diventa molto fragile e richiede un'attenta manipolazione.

A volte, invece di una resistenza metallica tra gli elettrodi, dopo aver spento il forno, vengono posti pezzi di carbone per elettrodi che, riscaldandosi all'accensione del bagno, riscaldano il sale. Infine, puoi semplicemente riscaldare le zone di sale vicino agli elettrodi con un bruciatore a gas. L'operazione di riscaldamento del bagno è piuttosto lunga, quindi a volte è preferibile non raffreddare i bagni durante la notte, lasciandoli accesi a tensione ridotta.

Oltre ai bagni di elettrodi intermittenti, vengono utilizzate anche unità continue... Per i bagni individuali, è possibile utilizzare un nastro trasportatore sopra il bagno per trasportare le parti e immergerle nel sale. Le unità per processi di trattamento termico complessi, eseguiti in sequenza in più bagni, sono più complesse, poiché ciò richiede la creazione di movimenti alternati di parti in direzione orizzontale e verticale. Di solito, questo compito viene risolto utilizzando un nastro trasportatore o una giostra con un dispositivo di sollevamento.

Pertanto, rispetto ai forni elettrici convenzionali, i bagni di sale presentano i seguenti vantaggi:

1. elevata velocità di riscaldamento e quindi alte prestazioni a parità di dimensioni,

2. facile eseguire vari tipi di trattamento termico e termochimico,

3. protezione dei prodotti dall'ossidazione durante il riscaldamento e il raffreddamento.

Gli svantaggi dei bagni di sale sono i seguenti:

1.elevato consumo specifico di energia dovuto all'aumento delle perdite di calore dallo specchio del bagno e alla necessità del suo funzionamento continuo a causa della durata e della complessità del riscaldamento (quest'ultimo causa il funzionamento a vuoto),

2. consumo abbastanza elevato di sale,

3. condizioni di lavoro difficili anche con una buona ventilazione.

La prevalenza dei bagni di sale è spiegata dal fatto che in molti casi i loro vantaggi superano i loro svantaggi.

Per le temperature più basse si utilizzano i bagni ad olio, eseguiti sia con riscaldamento interno che esterno. Le caldaie a elettrodi per il riscaldamento dell'acqua e la produzione di vapore acqueo funzionano allo stesso modo dei bagni di sale a elettrodi.