ЩЕЛЕВОЙ СПРЕЙЕР ДЛЯ СОЗДАНИЯ ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ГАЗОЖИДКОСТНОЙ СРЕДЫ ПРИ ТЕРМООБРАБОТКЕ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ЗАГОТОВОК

Полезная модель относится к устройствам для быстрого охлаждения и может применяться при осуществлении технологических процессов закалки или отпуска осесимметричных заготовок из металлов и сплавов при их термической обработке.
Из уровня техники известен щелевой спрейер для непрерывной закалки осесимметричных заготовок (SU 196072 A1, МПК C21D 1/62, В05В 1/00, C21D 9/08, опубл. 30.06.1967), содержащий наружный и внутренний трубные элементы, зафиксированные на одном конце, образующие внутреннюю полость между собой и коническую кольцевую щель на другом конце, подводящие патрубки, закрепленные на наружном элементе и сообщающиеся с внутренней полостью.
Недостатком известного технического решения является его ограниченная возможность по эффективному охлаждению заготовок, вследствие отсутствия в его конструкции элементов для создания кавитационной парогазовой фазы, диспергированной в основном потоке жидкости.
Наиболее близким техническим решением к заявленной полезной модели и выбранном в качестве прототипа признано устройство для закалки распылением термически обработанных металлических изделий [RU 2424327 C2, МПК C21D 1/667, опубл. 20.03.2010), содержащее наружный и внутренний трубные элементы, зафиксированные на одном конце, образующие внутреннюю полость между собой и регулируемую, за счет перемещения одного из элементов, коническую кольцевую щель на другом конце, отверстия на наружном элементе, через которые охлаждающая среда поступает во внутреннюю полость.
Основными недостатками устройства являются следующие:
- отсутствие возможности создания парогазовой фазы, диспергированной в основном потоке жидкости с заданной концентраций;
- трудоемкость процесса настройки устройства на заданную интенсивность охлаждения, связанную с регулированием отдельных крепежных элементов по диаметру кольцевой щели, либо чрезмерное усложнение конструкции устройства с применением систем автоматизации для регулировки интенсивности потока.
Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение эффективности щелевого спрейера при создании охлаждающей водовоздушной смеси.
Указанная техническая задача решена тем, что щелевой спрейер содержит основание с установленным на нем цилиндрическим корпусом, с закрепленным на его торце внешним трубным элементом, снабженным сменной калиброванной насадкой; в корпусе соосно ему установлен поджатый фиксатором внутренний трубный элемент, с образованием между ним и корпусом полости для подачи хладагента, сообщающейся с входной конфузорной частью кольцевой щели, выходная диффузорная часть которой сообщается с атмосферой, при этом конфузорная и диффузорные части образованы внутренними профилированными коническими поверхностями калиброванной насадки и внешними поверхностями внутреннего трубного элемента. Дополнительно в корпусе спрейера установлены штуцеры, сообщающиеся с полостью для подачи хладагента, выполненные с возможностью подсоединения к ним гибких патрубков.
Поверхности сменной калиброванной насадки и внутреннего трубного элемента целесообразно выполнить таким образом, чтобы углы участков сужения и расширения конфузорной и диффузорной частей кольцевой щели находились в пределах 2÷10°, а угол наклона конической щели к оси спрейера составлял 10÷25°.
Положительным техническим результатом, обеспечиваемым раскрытыми выше конструктивными признаками устройства, является повышение эффективности щелевого спрейера при создании охлаждающей водовоздушной смеси для охлаждения осесимметричных заготовок при их термообработке, за счет кольцевой щели, имеющей конфузорную и диффузорную части, формируемые поверхностями внутреннего трубного элемента и сменной калиброванной насадки.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан щелевой спрейер в разрезе вид спереди; на фиг. 2 - щелевой спрейер вид сбоку; на фиг. 3 - увеличенный вид кольцевой щели.
Щелевой спрейер устроен следующим образом.
Его основой служит основание 1 с установленным на нем цилиндрическим корпусом 2. На его торце закреплен внешний трубный элемент 3, снабженный сменной калиброванной насадкой 4. В корпусе 2 соосно ему установлен поджатый фиксатором 5 внутренний трубный элемент 6. Между внутренним трубным элементом 6 и корпусом 2 образована полость 7 для подачи хладагента, сообщающаяся с входной конфузорной частью 8 кольцевой щели 9, выходная диффузорная часть 10 которой сообщается с атмосферой, при этом конфузорная и диффузорные части образованы внутренними профилированными коническими поверхностями калиброванной насадки 4 и внешними поверхностями внутреннего трубного элемента 6. В корпусе 2 спрейера установлены штуцеры 11, сообщающиеся с полостью 7 для подачи хладагента.
Щелевой спрейер используют следующим образом.
Предварительно его собирают, закрепив корпус 2 на основании 1, установив в него внутренний трубный элемент 5 и поджав его фиксатором. Далее, на торце корпуса 2 закрепляют внешний трубный элемент 3, после чего, в соответствии с технологическим процессом термообработки изделия, выбирают скорость охлаждения заготовки и подбирают соответствующую ему калиброванную насадку 4 с необходимыми геометрическими параметрами внутренних поверхностей, после чего ее закрепляют на внешнем трубном элементе 3. На последнем этапе сборки к штуцерам подключают гибкие патрубки, соединенные с системой нагнетания хладагента, в качестве которого используют воду.
При выполнении операции охлаждения заготовки хладагент при температуре Т=80-90°С поступает по патрубкам через штуцеры 11 в полость 7, в которой его давление выравнивается и обеспечивается однородная подача через входную конфузорную часть 8 в коническую кольцевую щель 9, при этом в хладагенте образуются кавитационные парогазовые пузырьки, диспергированные в основном потоке жидкости; диффузорная часть 10 кольцевой щели 9 завершает формирование водовоздушной смеси. Из кольцевой щели 9 водовоздушная смесь подается на поверхность заготовки 12 кольцевым потоком, охлаждая ее.
3
-3
-4
2
Предложенный спрейер использовался для закалки цилиндрических образцов из стали марки 60С2. В качестве хладагента применялась вода, подававшаяся в штуцеры спрейера под давлением 0,21 МПа, с массовым расходом 0,25 кг/с. Продольная скорость подачи заготовки составляла 600 мм/мин. При прохождении кольцевой щели 9 в потоке воды регистрировались кавитационные парогазовые пузырьки, при этом приведенная плотность среды составила 0,18 г/см, а диаметр кавитационных пузырьков оценивался порядком 10 м; количество пузырьков при прохождении в секунду через площадь 10 м поперечного сечения потока составило около 102 шт. При этом теплоемкость газожидкостной среды составила 1,56 кДж/(кг⋅град), а коэффициент теплопроводности 0,138 Вт/(м⋅град). Скорость охлаждения заготовки, характеризующая интенсивность отвода тепла, изменялась в диапазоне 100-120 град/с.