УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОЛИТНОГО НАГРЕВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ

Полезная модель относится к области металлургии, а именно к химико-термической обработке, в частности, к электрохимико-термической модификации металлов и сплавов, и может быть использована в машиностроении, приборостроении и других отраслях для повышения эксплуатационных свойств изделий.
Известно устройство для концевого нагрева изделий, содержащее цилиндрическую рабочую камеру с электродом, обрабатываемое изделие, устанавливаемое по оси камеры с возможностью вертикального перемещения, сливной патрубок для отвода проточного электролита и тороидальный формирователь радиальных потоков, устанавливаемый симметрично оси камеры [1].
Недостатком устройства является неравномерный нагрев изделия с его разных сторон и по вертикали, связанный с несимметричным расположением сливного патрубка и локализованным действием формирователя.
Наиболее близким по технической сущности и технической задаче является устройство электролитного нагрева, приятое в качестве прототипа, которое содержит цилиндрическую рабочую камеру с электродом, обрабатываемое изделие, устанавливаемое по оси камеры с возможностью вертикального перемещения, и патрубок в центре дна камеры для подачи электролита [2]. Такое устройство обеспечивает осесимметричное обтекание изделия электролитом.
Недостатком устройства является значительная неравномерность нагрева по вертикали, достигающая 10 град/мм. Неравномерность нагрева связана с расширением парогазовой оболочки, окружающей обрабатываемое изделие, толщина которой определяет локальную плотность тока и распределение температуры по высоте.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении равномерности нагрева по всей поверхности обрабатываемого изделия.
Сущность заявляемой полезной модели характеризуется тем, что устройство электролитного нагрева металлических изделий, содержащее рабочую камеру с электродом, патрубком в центре дна камеры для подачи электролита и размещенное в ней с возможностью вертикального перемещения обрабатываемое изделие, согласно предлагаемой полезной модели, в камере дополнительно выполнена горизонтальная перегородка с отверстиями, расположенными симметрично оси камеры, через которые поток электролита распределяется на отдельные струи, причем геометрические размеры горизонтальной перегородки выполнены в соответствии с формулой:
Здесь r - расстояние от оси камеры до осей отверстий, l - длина обрабатываемого изделия, h - расстояние от перегородки до торца изделия, D - диаметр обрабатываемого изделия, d - диаметр отверстия в перегородке.
Кроме того, расстояние от горизонтальной перегородки до торца обрабатываемого изделия выбирается в интервале 5-20 мм.
Кроме того, диаметр отверстия в горизонтальной перегородке выбирается в интервале 4-6 мм.
Технический результат заявляемого устройства электролитного нагрева металлических изделий заключается в выполнении дополнительной горизонтальной перегородки с отверстиями, обеспечивающими равномерную подачу электролита ко всей нагреваемой поверхности обрабатываемого изделия, эффективное удаление перегретого электролита, утонение оболочки, повышение плотности тока через нее и увеличение температуры нагрева верхних участков обрабатываемого изделия, что позволяет значительно снизить общий градиент температуры.
Выполнение горизонтальной перегородки с геометрическими размерами, приведенными в формуле, обеспечивает равномерный нагрев по всей поверхности обрабатываемого изделия.
Кроме того, выполнение расстояния от перегородки до торца обрабатываемого изделия в интервале менее 5 мм могут привести к размягчению материала горизонтальной перегородки из-за близости к раскаленному электроду. При значении более 20 мм снижается действие струй, что приводит к уменьшению температуры нагрева.
Кроме того, выполнение отверстия диаметром менее 4 мм создает повышенное гидравлическое сопротивление, что требует неоправданного увеличения мощности насоса. Значение более 6 мм приводит к снижению скорости струй, что ослабляет их действие и уменьшает температуру нагреваемого изделия.
Заявляемая полезная модель поясняется с помощью Фиг.1 - общий вид камеры. Устройство электролитного нагрева металлических изделий (Фиг.1) содержит рабочую камеру с электродом - 1 и патрубком - 2 в центре дна камеры для подачи электролита с последующим переливом через край камеры. Направление движения электролита указано фигурными стрелками. В камере размещается обрабатываемое изделие - 3 с возможностью вертикального перемещения. Для выравнивания температуры нагрева изделия по его поверхности камера снабжена горизонтальной перегородкой - 4 с отверстиями, расположенными симметрично оси камеры - 5, через которые поток электролита разделяется на отдельные струи, причем размеры устройства подчиняются следующему соотношению:
r≤0,36·l-6,26+0,41·h+0,5·(D+d)
r≥0,21·l-6,26+0,41·h+0,5·(D+d).
Устройство работает следующим образом. Через патрубок 2 подается рабочий электролит, вначале заполняющий нижнюю часть камеры 1, затем через отверстия 5 в перегородке 4 электролит заполняет верхнюю часть камеры 1 вплоть до перелива через ее верхний край. Деталь 3 расположена над рабочей камерой без контакта с электролитом. После этого на нее подается рабочее напряжение, деталь погружается на заданную глубину, нагревается и после окончания требуемой выдержки деталь извлекается из электролита, промывается и сушится.
Предлагаемая полезная модель поясняется примерами:
Пример 1. Обработка изделий в устройстве-прототипе.
Стальные образцы длиной 40 мм нагревались в 10%-ном водном растворе хлорида аммония при подаче электролита через патрубок в центре дна камеры без перегородки. Расход раствора 6,5 л/мин (табл.1).
Пример 2. Обработка изделий в предлагаемом устройстве.
Стальные образцы диаметром D=10 мм и длиной l=40 мм нагревались в 10%-ном водном растворе хлорида аммония в рабочей камере, снабженной перегородкой с четырьмя отверстиями. Расход электролита 6,1 л/мин. Напряжение нагрева 200 В. Диаметр отверстий в перегородке d=5 мм, расстояние от перегородки до торца образца h=5 мм (табл.2). Согласно предлагаемой формуле расстояние от осей отверстий до оси камеры, измеряемое в миллиметрах, должно удовлетворять следующему неравенству:
Таблица 1
Результаты измерений распределения температуры вдоль образца, нагреваемого в устройстве-прототипе
Напряжение, B
Диаметр образца, мм
Средний градиент температуры, °C/мм
Средняя температура, °C
130
10
6
790
150
10
7
830
170
10
8
890
200
10
9
970
200
20
6
860
200
30
6
790
260
10
10
1050
300
10
8
1010
Таблица 2
Результаты измерений распределения температуры вдоль образца, нагреваемого в предлагаемом устройстве
Удаление отверстий от оси образца, мм
Средний градиент температуры, °C/мм
Средняя температура, °C
10
2
930
13
1
900
16
1
890
19
2
860
Измерения температуры на оси образца показали, что наиболее равномерный нагрев с вертикальным градиентом температуры меньше 1 град/мм достигается при удалении осей отверстий от оси образца на 13 или 16 мм. Эти значения согласуются с формулой (2). Выход за рамки неравенства (2), а именно уменьшение расстояния r до 10 мм или увеличение до 19 мм, ведет за собой повышение градиента температуры до 2 град/мм. Такие значения не являются оптимальными, хотя и превышают результат, достигаемый в устройстве-прототипе.
Из данных таблиц 1 и 2 следует, что техническое решение поставленной задачи, а именно уменьшение вертикального градиента температуры нагреваемого изделия, достигается при подаче электролита через горизонтальную перегородку с осе-симметрично расположенными отверстиями, если размеры устройства соответствуют предлагаемому соотношению.
Таким образом выполение предлагаемого устройства позволит обеспечить равномерную обработку поверхности изделия и его упрочение.
Источники информации:
1. Ясногородский И.З. Использование в промышленности нагрева в электролите. - Л.: Машиз, 1953. - С.23.
2. Кусманов С.А., Жиров А.В., Дьяков И.Г., Белкин П.Н. Влияние оксидного слоя на характеристики анодной цементации малоуглеродистых сталей // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2011. - №4. - с.15-21.