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. Изделие нагревают в рабочей камере, содержащей электролит, электрод и патрубок для подачи электролита, размещенный в центре дна камеры. Дополнительно устройство содержит горизонтальную перегородку с отверстиями, выполненными симметрично оси камеры, через которые поток электролита разделяется на отдельные струи, обтекающие нагреваемое изделие. Характерные геометрические размеры горизонтальной перегородки выполнены в соответствии с формулой:

r0,36·l-6,26+0,41·h+0,5·(D+d)

r0,21·l-6,26+0,41·h+0,5·(D+d),

где 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.

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:

r0,36·l-6,26+0,41·h+0,5·(D+d)

r0,21·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:

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.

1. Устройство электролитного нагрева металлических изделий, содержащее рабочую камеру с электродом, патрубком в центре дна камеры для подачи электролита и размещения в ней с возможностью вертикального перемещения обрабатываемого изделия, отличающееся тем, что 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:

r0,36·l-6,26+0,41·h+0,5·(D+d),

r0,21·l-6,26+0,41·h+0,5·(D+d),

где r - расстояние от оси камеры до осей отверстий,

l - длина обрабатываемого изделия,

h - расстояние от горизонтальной перегородки до торца изделия,

D - диаметр обрабатываемого изделия,

d - диаметр отверстия в перегородке.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что расстояние от горизонтальной перегородки до торца обрабатываемого изделия выбирается в интервале 5-20 мм.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диаметр отверстий в горизонтальной перегородке выбирается в интервале 4-6 мм.