Razvoj indukcijsko segrevane laboratorijske peči za toplotno obdelavo v zvrtinčeni plasti
Development of an Induction Heating Laboratory Furnace for Heat Treatment in a Fluidized Bed
Leskovšek Vojteh, IMT-Inštitut za kovinske materiale in tehnologije, Ljubljana A. Paulin, T. Kolenko, FNT-VTOZD Montanistika, Ljubljana
Vrtinčenje je tehnika, pri kateri se plast suhih med seboj neodvisno gibajočih se delcev Al203 obnaša podobno kot tekočina, pri čemer so zaradi gibanja plina posamezni delci mikroskopsko razmaknjeni. To dosežemo s tokom plina, npr. N2, skozi plast delcev. I/ članku so predstavljeni rezultati razvoja indukcijsko segrevane laboratorijske peči za toplotno obdelavo v zvrtinčeni plasti. Hladno peč smo segrevali na temperaturo 900-1000°C s hitrostjo 30°C/min, pri čemer smo uporabljali ročno krmiljenje. Delovno temperaturo smo vzdrževali v predvidenem območju ročno, s pomočjo krmilne omarice. Izenačenost temperature po prerezu peči je ±5°C. Največji koeficient toplotnega prenosa, ki smo ga dosegli v zvrtinčeni plasti v laboratorijski peči, je bil 300 W/rrf0C. Uporaba N2 za vrtinčenje se je pokazala kot zadovoljiva rešitev tudi za zaščitno atmosfero pred razogljičenjem pri 900°C. Funkcionalni preizkus indukcijsko segrevane laboratorijske peči za toplotno obdelavo v zvrtinčeni plasti je potrdil, da smo dosegli osnovni namen t.j. hitro in enakomerno segrevanje potopljenega valjastega predmeta na temperaturo avstenitizacije.
Ključne besede: indukcijsko segrevanje, razogljičenje, toplotna obdelava, zaščitna atmosfera, zvrtinčena plast.
Fluidization is a technique of making a bed of dry finely dispersed particles, e.g. Al203, to behave remarkably like a liquid in vvhich individual particles are microscopically separated from each other by a moving gas. This is achieved by feeding a supporting gas, e.g. N2, up through the bed of particles. The paper presents the results of the development of an induction laboratory furnace with fluidized bed for rapid heat treatment of items. The cold furnace was heated to 900- 1000°C vvith a heating rate of about 30°C/min and then set in to operation manually. The operating temperature vvas held in the specified range manually too through a control panel. The temperature differentce across the cross section of the furnace was ±5°C. The highest heat transfer coefficient of the fluidized bed vvhich was achieved in the laboratory furnace vvas 300 W/m2oC. The application of N2 as a supporting gas proved to be a suitable solution for protection against decarburisation at 900°C. An operational experiment of the induction laboratory furnace vvith a fluidized bed confirmed that basic purpose vvas achieved, i.e. rapid and uniform heating of an immersed cylindrical object up to the austenitization temperature.
Key vvords: decarburization, fluidized bed, heat treatment, induction heating, protection atmosphere.
1. Uvod
Tehnologija zvrtinčene plasti ni nova tehnika, saj je bila opisana že v ameriškem patentu leta 1879, pri praženju mineralov v zvrtinčeni plasti (1). V patentu je tudi že opisana značilna lastnost zvrtinčene plasti in sicer, možnost doseganja enakomernih temperatur (+1°C) ter njena velika zmogljivost pri prenosu toplote.
Lastnost zvrtinčene plasti je, da se plast zvrtinčenih trdnih delcev obnaša tako kot tekočina, kar omogoča, da sistem lahko obravnavamo kot kvazitekočinsko stanje. Plinske zvrtinčene plasti smatramo za zvrtinčene plasti, dokler izhajajoči delci tvorijo zgornjo raven ali površino plasti. Pri dovolj velikem toku plina, ko prekoračimo največjo hitrost vrtinčenja, površina plasti izgine, tok snovi postane znaten, kar pomeni, da plin odnaša
Nasuta plast
r
L
plin ali tekočina plin ali tekočina (začetna hitrost vrtinčenja)
Začetek vr linčenja
Enakomerno ali
homogeno vr tinčenje
Vrtinčenje vZ
zgoščinami ali
heterogeno vrtinčenje
■.....; \ ■..
^goščirskp plasti
Razredčena zvrtinčena plast s pnevmalskm transporten-
/ S1 <
tekočina
plin
plin
plin ali tekoana (največja hitrost vrtinčenja)
Slika 1. Osnovni tipi zvrtinčenih plasti (I) Figure 1. Various tvpes of contacting in fluidized beds (1)
delce iz plasti. V tem stanju imamo razredčeno zvrtinčeno plast s pnevmatskim transportom delcev.
Osnovni tipi zvrtinčenih plasti so prikazani na sliki 1.
Pri veliki večini zvrtinčenih plasti, ki jih uporabljamo za toplotno obdelavo, uporabljamo tip vrtinčenja z zgoščinami.
Čeprav posamezne lastnosti delca in plina določajo kakovost vrtinčenja, npr. ali se bo pojavilo enakomerno, ali zgoščinsko vrtinčenje, lahko še drugi dejavniki vplivajo na mešanje delcev, velikost mehurjev v plasti in obseg heterogenosti v plasti. Ti dejavniki so geometrija plasti, tok plina, vrsta rešetke in notranji deli retorte, kot so zaslonke, lovilniki prahu in toplotni izmenje-valniki.
2. Teoretični del
2.1. Geometrija in hidrodinamika nasute plasti
Osnovni značilnosti nasute (mirujoče) plasti sestavljene iz zrn sta njena prepustnost in specifična površina. Ta parametra zavisita od pravilnosti zloga, razmerja med dimenzijami delcev in posode, v kateri se nahaja plast ter faktorjev oblike.
Poroznost plasti, e, pomeni delež praznin med delci, skozi katere se lahko pretaka tekočina ah plin. Poroznost zavisi od oblike delcev, stanja njihove površine, značilnosti zloga in ni odvisna od absolutne velikosti geometrijsko podobnih elementov plasti.
Pretok kapljevin* skozi cevi je teoretično in eksperimentalno dobro obdelan. Če si zamislimo poroznost nasute plasti kot snop vzporednih cevi, katerih prerez, je nepravilen in se po dolžini spreminja, lahko z modelom na osnovi hidravličnega polmera in ekvivalentnega premera uporabimo zakonitosti, ki veljajo za pretok kapljevin skozi cevi, tudi za tok skozi nasute plasti (1-4). Znižek tlaka pri toku plinov in tekočin skozi nasuto plast lahko izrazimo, kot sledi:
L	e' d;	e
e p-v~
(1)
Prvi člen na desni strani prejšnje enačbe predstavlja izgube tlaka zaradi viskoznosti tekočine, drugi člen pa kinetične izgube tlaka. Izgube tlaka zaradi viskoznosti nastopajo v zoženih delili pri prehodu plina iz enega vmesnega prostora v drugega, kinetične izgube, kjer je znižek tlaka posledica povečanja kinetične energije, pa nastopajo pri prehodih iz razširjenega v zoženi del in iz zoženega v razširjeni del. Posebno velike so izgube v drugem primeru, ker se tedaj tvorijo vrtinci v kapljevi-ni, kar močno poveča lokalne hitrosti tekočine in s tem njeno kinetično energijo, slika 2.
Enačba (1 j pove. da izgube zaradi viskoznosti znašajo 0,99 celotnih izgub tlaka pri [NRJ p = 1 za plasti s poroznostjo 0,35 in kinetične izgube znašajo 0,97 celotnih izgub pri [NRe] p = 3000. medtem ko sta pri [NRJ p = 60 oboji izgubi približno enaki. Delci mirujoče plasti niso nikoli zloženi v enakomernem pravilnem zlogu, celo pri plasteh sestavljenih iz enakomerno velikih krogel ne. Zaradi različne gostote zloga oziroma poroznosti tudi niha hitrost plina po prerezu okoli neke srednje vrednosti (1-4).
kinetične izgube
izgube vsled viskoznosti kinetične izgube
Slika 2. Shema izgub tlaka pri toku kapljevine skozi nasuto plast (21
Figure 2. Schematically presented pressure losses in fluid flowing through a packed bed (2)
2.2. Hidrodinamika zvrtinčene plasti
Zvrtinčena plast nastane kadar trdni delci s tokom plina ustvarjajo suspenziji podobno stanje, ki se nahaja v določenem delu reaktorja (1,2).
Ko tok kapljevine skozi nasuto plast od spodaj navzgor narašča, dosežemo ravnotežno stanje, pri katerem postane upor sredstva enak težnostni sili plasti. Upor sredstva deluje navzgor, težnostna sila pa navzdol. Plast je spodaj podprta z mrežico ali rešetko, navzgor pa se lahko nemoteno širi. ko presežemo ravnotežno stanje* .
V ravnotežnem stanju je:
(2)
(3)
Fs=-F„ plast
kjer je F„ težnostna sila plasti Fs = (pJ-p)A.L.(l-e)g F„ pa upor sredstva:
F„=-AAP	(4)
Predznak minus predstavlja delovanje sile navzgor. Če v zgornji enačbi izrazimo Ap iz enačbe 1. dobimo izraz
F..=-A L
,50^1^ + 1,75-^^ e d:.	e d..
(5)
Ko vstavimo enačbi 3 in 5 v enačbo 2 dobimo:
(Pd - P) g =
150(l-e)ri-vf 1,75 v;
d; e5
d, e
F = -
Cu Jtp2 vnd2
F, =(pJ-p)g%
Iz pogoja za ravnotežje sil:
F, =-F delec
(8)
(9)
dobimo:
(pd~p) =
pv-; 4dt g
10 vn
log
Slika 3. Poroznost zvrtinčene plasti (2) Figure 3. Porosity of fluidized bed (2)
pokazali, daje odvisnost med logaritmom poroznosti in logaritmom hitrosti toka kapljevine praktično linearna, kot to kaže slika 3.
(6)
Ker ravnotežno stanje velja tako za konec obstojnosti nasute plasti kot za začetek nastajanja zvrtinčene plasti, smo v zamenjali z v,, ki predstavlja začetno hitrost vrtinčenja. pd pomeni gostoto delcev, ki tvorijo plast, in p je gostota kapljevine. Ko vrtinčenje nastopi, je poroznost plasti blizu vrednosti za nasuto plast, t.j. 0,35 do 0.4. Z naraščanjem hitrosti toka kapljevine se veča poroznost plasti. In pri neki hitrosti se poroznost približa vrednosti 1. Delci so med seboj zelo ločeni in sorazmerno oddaljeni. plast je zelo razredčena. Zopet dosežemo ravnotežje sil, ki je meja med zvrtinčeno plastjo in odnašanjem delcev s tokom kapljevine.
Hitrost kapljevine okoli delca je tedaj enaka največji hitrosti delca, ki bi padal skozi mirujočo kapljevino. Za okrogel delec je upor sredstva:
Nasuta plast
Homogena zvrtinčeno plast
Transport
trdnih
delcev^
.M
4P
M
S
1/tekočina tekoana tekočina tekočina plin ' plin plin" plin
tekočina plin tekočina plin
log v
8	(7)
Cu je koeficient upora sredstva, odvisen od oblike trdnega telesa in je funkcija Reynoldsovega števila (2), v„ pa je največ -jaja možna hitrost vrtinčenja ali teoretična hitrost začetka odnašanja delcev.
Težnostna sila za posamezen okrogel delec pa je:
(10)
Odvisnosti C„ od NRe ne moremo izraziti z enotnim matematičnim izrazom za celotno območje Reynoldsovih števil (2). Zato moramo v vmesnem področju med čistim laminarnim in čistim turbulentnim strujanjem. Cu določiti z metodo poskusa in napake (2).
Na ta način lahko določimo dve skrajni hitrosti, ki predstavljata območje obstojnosti zvrtinčene plasti. Poskusi so
--poroznost nasute plasti
Slika 4. Idealni z.nižek tlaka v nasuti in zvrtinčeni plasti(3) Figure 4. Idealized pressure drop versus gas velocity for a packed and fluidized bed of unifornily sized sand particles
Torej ko poznamo v, in vn, lahko ugotovimo obnašanje plasti pri vseh vmesnih hitrostih.
Tudi znižek tlaka je funkcija hitrosti toka kapljevine, kot kaže slika 4. Nad začetno hitrostjo vrtinčenja ostane teoretično znižek tlaka skoraj konstanten.
Zvrtinčena plast, ki jo vrtinči tekočina, bo sledila črti na sliki 3 skoraj do poroznosti e = 1, zvrtinčena plast s plinom pa bo postala nestabilna in nehomogena že precej prej. Delci se bodo zbirali v zgoščine in plinski mehurji bodo potovali med gostejšimi deli plasti. To imenujemo heterogeno vrtinčenje ali vrtinčenje z zgoščinami. Prostornina plasti je večja kot pri navadni zvrtinčeni plasti zaradi prisotnosti plinskih mehurjev.
2.3. Prenos toplote v zvrtinčeni plasti
Zelo ugodne lastnosti prenosa toplote v zvrtinčeni plasti smo poudarili že v uvodu. Zaradi mešanja, ki ga povzroča dvigovanje mehurjev, dosežemo zelo enakomerno porazdelitev temperature v plasti. V primerih, kjer je zaželeno vzdrževanje temperaturnega gradienta v reaktorju, pa le-tega še vedno lahko dosežemo s primerno porazdelitvijo plasti. V zvrtinčeni plasti dosegamo dober prenos toplote med površino predmeta in zvrtinčeno plastjo, kar dodatno olajšuje prenos toplote z zvrtinčene plasti na površino predmeta ali s predmeta v zvrtinčeno plast. Pod ugodnimi obratovalnimi pogoji plinsko zvrtinčeni sistem predstavlja enega najbolj zadovoljivih toplotnih sistemov, ne glede na to, da je bila pretekla zgodovina polna razočaranj. V praksi pa so navkljub ohrabrujočim laboratorijskim rezultatom dosegljivi koeficienti toplotnega prenosa (4), v primeru, ko je prenos toplote s sevanjem neznaten (pod 600°C), omejeni na okoli 400 W/m2oC.
Pri temperaturah nad 600°C postane tudi prenos toplote s sevanjem pomemben v plinskem zvrtinčenem sistemu (4). Vrtinčenje in hitro kroženje delcev v peči z zvrtinčeno plastjo omogoča prenos toplote, ki ga lahko primerjamo s tistim, ki ga omogočajo solne ali svinčene kopeli. Koeficienti prenosa toplote zvrtinčene plasti so med 120 in 1200 W/m2oC.
Vrtinčenje in učinek hitrega kroženja delcev ter izjemno velika površina med trdno in plinsko fazo, pa je razlaga za to odliko. Čeprav so bili predlagani različni modeli (4), ki obravnavajo načine prenosa toplote v zvrtinčeni plasti, so le-ti uporabni z omejitvami, zato ker zahtevajo poznavanje parametrov, ki niso splošno veljavni za posamezna stanja.
Podobno velja za mnoge empirične korelacije (4), ki se nanašajo na koeficiente prenosa toplote med plastjo in površino predmeta v območju obratovalnih pogojev. Njihova uporabnost je dvomljiva, ker ne upoštevajo dinamičnega obnašanja plinskega zvrtinčenega sistema.
Relativne intenzivnosti segrevanja 16 mm jeklene palice v solni kopeli, svinčeni kopeli, v zvrtinčeni plasti in v konven-cionalni peči so prikazane na sliki 5 (5).
o
v
O
4J
O.
e
800
600
400
200
0
svinčeva kopel JffL				
II kopel / IT-zvrtincena			~atmq?f. pec	
j pi i	jji^/			
				
0
200
800
1000
400 600 Čas v s
Slika 5. Relativna intenzivnost segrevanja 16 mm jeklenih palic v solni kopeli, svinčeni kopeli, v zvrtinčeni plasti in v konvencionalni peči (51 Figure 5. Heating rates for 16 mm diameter steel bars in lead, in salt baths, in a fluidized bed and in a conventional furnace (5)
800
600
Q-6
400
200
0
					
V			k		
v ol je'	v zvrtir	ičena pl	ast	--	—
	\ \ )da ^				
40
80
160
200 2^0
120 Čas v s
Slika 6. Relativne intenzivnosti ohlajanja 16 mm jeklenih palic na zraku, v olju, vodi in v zvrtinčeni plasti (5) Figure 6. Quenching rates for 16 mm diameter steel bares in air, in oil, in water and in a fluidized bed (5)
Relativne intenzivnosti ohlajevanja 16 mm jeklene palice na zraku, v olju, vodi in v zvrtinčeni plasti pa so prikazane na sliki 6(5).
Plinski zvrtinčeni sistem torej predstavlja "fluid" z veliko toplotno kapaciteto in izredno majhnim parnim tlakom, to je lastnost. kije v preteklosti niso dovolj upoštevali in izrabili.
2.4. Princip indukcijskega segrevanja
Pri indukcijskem segrevanju (6) hkrati izrabljamo zakon o indukciji - Lenz-ov zakon in joulsko toploto. Induktor, po katerem teče izmenični tok, povzroča izmenično magnetno polje slika 8. V skladu z. Lentz-ovim zakonom se v vseh električnih prevodnikih, ki se nahajajo v izmeničnem magnetnem polju, inducira napetost, ki požene inducirane tokove skozi ta prevodnik. Pri njihovem kroženju, ti inducirani tokovi vzbudijo Foucaultove tokove, pri čemer se v samem prevodniku sprošča joulska toplota.
Induktor ter del, ki ga segrevamo, sta v načelu primerljiva s transformatorjem. Ni nujno, daje induktor tuljava, zato ker izmenični tok. ki teče po prevodniku povzroča izmenično magnetno polje H*", katero vzbudi inducirane tokove v drugem prevodniku. ki je v bližini.
1000
800
o
D
L.
+-J
a t— O) Q_
E
<L>
600
400
200
0
temn nlnsti			
			
//		0 kg	
			
r	- 60 kg		
			
0
16
24
32
Cas v min
Slika 7. Intenzivnost segrevanja in čas. kije potreben, da zvrtinčena plast ponovno doseže začetno temperaturo pri 60 in 40 kg vložku (?) Figure 7. Recoverv rates for 25mm diameter steel items in a 0.3 m' fluidized bed (5)
magnetno polje
inducirani tokovi
induktor
Slika 8. Princip indukcijskega segrevanja (6) Figure 8. Principle of induetion heating (6)
Pri induktivnem segrevanju reaktorja izrabljamo tri fizikalne pojave, ki sledijo drug drugemu:
-	prenos energije induktorja na steno reaktorja z elektromagnetnim valovanjem;
-	pretvorba električne energije v toploto s sproščanjem joulske toplote v steni reaktorja;
-	prenos toplote s prevajanjem v steni reaktorja.
Bistvene prednosti indukcijskega segrevanja stene reaktorja
so:
-	ustvarjanje toplote v steni reaktorja:
-	majhna toplotna vztrajnost (velika prožnost);
-	velika gostota moči (hitrost segrevanja).
Pri indukcijskem segrevanju bo imela stena reaktorja, ki jo segrevamo, mnogo višjo temperaturo kot izvor, če primerjamo s klasi čn im segrev anjem.
3. Eksperimentalni del z rezultati
3.1. Izdelava laboratorijske peči za toplotno obdelavo v zvrtinčeni plasti
Pri načrtovanju laboratorijske peči za toplotno obdelavo v zvrtinčeni plasti, ki smo jo izdelali na IMT, smo morali zadovoljiti sledečim osnovnim zahtevam:
-	izdelati retorto iz ognjevzdržnega jekla, ki bo zadovoljil tako mehanskim (segrevanje do 1200°C), kot električnim zahtevam (indukcijsko segrevanje reaktorja);
-	izdelati rešetko, ki bo zadostila vsem tehnično tehnološkim zahtevam:
-	skonstruirati in izvesti dovod in regulacijo plina N:. ki bo omogočil vrtinčenje in bil istočasno kot zaščitna atmosfera pri segrevanju do 1000°C:
-	izdelati induktor. priključek in krmilno omaro za segrevanje reaktorja s pomočjo SF generatorja 1EVT 100 KVA/10 kllz;
-	izbrati ustrezen ognjevzdržni material za zalitje induktorja in izbrati vrsto toplotne izolacije za reaktor;
-pripraviti ustrezno hlajenje induktorja in generatorja;
-	izbrati vrsto materiala in optimalno velikost zrn. ki sestavljajo zvrtinčeno plast.
Na osnovi teoretičnih predpostavk in izračunov (7), smo izdelali indukcijsko segrevano laboratorijsko peč za toplotno obdelavo v zvrtinčeni plasti slika 9.
smo uporabili za vrtinčenje plasti in za zaščitno atmosfero do I000°C.
3.2. Preiskus toplotne obdelave v zvrtinčeni plasti
Preiskus toplotne obdelave smo opravili s palicami 0 16 x 540 mm iz jekla za poboljšanje Č 1630. Temperaturo palice smo merili v jedru s termoelementom NiCrNi. Glede na to. da jekla Č 1630 ni potrebno držati na temperaturi avstenitizacije, smo jeklene palice segreli na temperaturo avstenitizacije kar v zvrtinčeni plasti s temperaturo 900°C. Temperaturo zvrtinčene plasti smo merili s tremi termoelementi, NiCrNi, ki so bili razporejeni po delovnem prostoru zvrtinčene plasti, znotraj katerega je temperatura nihala v območju +5°C. To nam je omogočilo, da smo segrevali palice na temperaturo avstenitizacije 835°C, s hitrostjo 235°C/min, krivulja št. 4 na sliki 10. Temperaturne krivulje podane na diagramu, smo posneli s pomočjo Data Logging Svstem-3530.
-»-fas v s
Slika 10. Relativna intenzivnost segrevanja palice <f> 16 x 540 mm iz jekla Č 1630 v zvrtinčeni plasti s temperaturo 900°C
Figure 10. Relative intensity of heating of the Č 1630 (C 55) steel rod vvith dimension 0 16 x 540 111111 in a fluidized bed at 900°C
Iz analize temperaturne krivulje št. 4, ki kaže temperaturo v jedru palice, lahko ugotovimo začetek premene Ac, pri 730°C in konec premene Ac, pri 760°C, kar je značilno za to jeklo pri dani hitrosti segrevanja.
Ker smo palico potopili v zvrtinčeno plast ob termoelemen-tu št.2, Ic-ta kaže tudi znižanje temperature zvrtinčene plasti v
Slika 9. Indukcijsko segrevana laboratorijska peč za toplotno obdelavo
v zvrtinčeni plasti Figure 9. Induction heated laboratorv furnace for heat treatment in a fluidized bed.
Laboratorijska peč za toplotno obdelavo v zvrtinčeni plasti je sestavljena iz samonosenega reaktorja z notranjim premerom 165 mm, višino 1000 mm in debelino stene 6.3 mm. ter priključka za plin.
Induktor. dolžine 700 mm in premera 220 mm. z 19 ovoji je zalit v aluminatni cement, ter priključen preko kondenzatorske baterije za kompenzacijo na srednjefrekvenčni generator IEVT 100 KVA/10 kfiz. Zunanji izolacijski plašč je izdelan iz vlaknatega ognjevzdržnega materiala na osnovi A1,0, ter obdan z aluminijskim pločevinskim ohišjem.
Za merjenje temperature v zvrtinčeni plasti smo uporabili termo element NiCrNi po DIN 4370. za merjenje pretoka N: pa rotameter Fisher-Porter (4.1 m„PV/h; 760 mm Hg; 20°C).
N, z deležem 0: pod 10 ppm, shranjen v rezervoarju za tekoči dušik s tlakom 16 barov, ki ga poljubno krmilimo preko reducirnega ventila Messer-Griesheim v območju 0-16 barov.
Slika 11. Spreminjanje koeficienta prenosa toplote pri segrevanju palice 016 x 540 mm iz jekla Č 1630 v zvrtinčeni plasti s temperaturo 900°C.
Figure 11. Variation ofthe heat transfer coefficient in heating C 1630 (C 55) steel rod with dimensions 016 x 540 mm in a fluidized bed at 900°C.
TE 12.3
Samonosno r« torto
Priključek zo % Krmilno omarico
okolici palice in čas, ki je bil potreben, daje zvrtinčena plast v okolici termoelementa št. 2 ponovno dosegla začetno temperaturo. Iz ostalih dveh meritev temperature zvrtinčene plasti pa je razvidno, da potopljena masa 785 g vpliva le na znižanje temperature v bližnji okolici palice, medtem ko v ostalem delovnem prostoru ni bilo zaznati vpliva. Iz eksperimentalno dobljenih podatkov smo izračunali tudi koeficient toplotnega prenosa h. slika 11. V našem primeru smo dobili vrednost h - 900 W/nr°C, kije znotraj območja, ki ga navaja literatura (4).
Veliko hitrost segrevanja smo uporabili zato, da bi lahko ugotovili vpliv toplotnega šoka na pojav morebitnih površinskih razpok oziroma kalilnih razpok. Palice, ki so v jedru dosegle temperaturo austenitizacije 835°C. smo kalili v vodi s temperaturo 20°C.
V	nadaljevanju preiskusa segrevanja palic iz jekla Č 1630 v zvrtinčeni plasti smo osredotočili naše raziskave tudi v smeri ugotavljanja uporabe N, kol zaščitne atmosfere pred oksidacijo površine oziroma pred razogljičenjem.
V	ta namen smo prav tako uporabili palico cf> 16 \ 540 mm iz jekla za poboljšanje Č 1630, ki smo jo segreli na temperaturo 900°C in jo držali v plasti eno uro, potem smo jo ohladili v vodi ter normalizirali pri 830°C.
sredina (200x) centre (20()x)
Slika 12. Mikrostruktura palice (|> 16 x 540 mm iz jekla Č 1630, segrevane v zvrtinčeni plasti na temperaturo avstenitizacije 835 C in kaljene v vodi, pov. 2()0x Figure 12. Microstructure of the as quenched Č 1630 (C 55) steel rod after the austenitization at 835°C, mag. 2(*)x
3.3. Preglcil površin in mikrostrukturne preiskave kaljenih ter kaljenih in normaliziranih vzorcev
Na vseh vzorcih, segretih na temperaturo austenitizacije v zvrtinčeni plasti in kaljenih v vodi, smo pregledali površino s pomočjo magnetne metode na stroju Contromag 20 in ugotovili, da
navkljub velikim hitrostim segrevanja, kakor tudi ohlajanja, na preiskanih palicah ni nobenih površinskih razpok. Tudi pri kasnejšem metalografskem pregledu vseh vzorcev, nismo ugotovili nobenih površinskih razpok oziroma kalilnih razpok.
Metalografski pregled vzorcev segrevanih v zvrtinčeni plasti na temperaturo avstenitizacije 835°C in kaljenih v vodi kaže. da ima kaljeno jeklo martenzitno mikrostrukturo. le v sredini je pod 1 °/c bainita, slika 12.
Nastali bainit v sredini vzorca je posledica prenizke ohlaje-valne hitrosti, ki smo jo dosegli z ohlajanjem v sveži vodi. Pri ohlajanju so se tvorili parni mehurji in na ta način zmanjšali ohla-jevalno hitrost.
Stopnjo razogljičenja površine vzorcev, ki smo jih segrevali v zvrtinčeni plasti in eno uro držali na temperaturi 900:C ter ohladili v vodi. smo ugotavljali na vzorcu dimenzij 0 16 x 540 mm. ki je bil izdelan iz jekla za poboljšanje C 1630. Nato smo palico od čela navzgor razrezali na 60 mm odseke in vzorce nato normalizirali v komorni peči pri temperaturi X3():C.
Pri metalografski preiskavi na normaliziranih vzorcih nismo opazili znakov razogljičenja, slika 13.
Iz tega lahko sklepamo, da za izbrano jeklo C 1630, ki smo ga segrevali lh na temperaturi 900 C v zvrtinčeni plasti, deluje N, z manj kot 10 ppm O, kot zaščitna atmosfera.
Slika 13. Mikrostruktura jeklene palice (j) 16 ,\ 540 mm. ki je bila segrevana v zvrtinčeni plasti lh/900°C. ohlajena v vodi in normalizirana pri 830°C. po\. 100x. Figure 13. Microstructure of quenched and normalized Č 103(1 (C 55> steel rod, mag. I00x.
3.4. Meritve trdote HRc na kaljenih vzorcih
Površinske meritve trdote HRc po dolžini kaljene palice od čela navzgor, so nihale med 65 HRc in 60 HRc. kar |e posledica neenakomernega ohlajanja v vodi, ki ni bila mehčana ali starana, tako da so se na posameznih delih palice pojavljali parni mehurji. ki so zmanjšali ohlajevalne hitrosti. Dosežena trdota v sredini palice na čelu je 65 HRc in je v pričakovanih mejah za to ]eklo.
4. Zaključek
Na osnovi eksperimentalnih rezultatov lahko ugotovimo, da nam je v celoti uspelo izdelati indukcijsko segrevano laboratorijsko peč za toplotno obdelavo v zvrtinčeni plasti. Delovna prostornina zvrtinčene plasti, znotraj katere temperatura niha v območju ±5° C. je 0 165 x 590 mm s koeficientom toplotnega prenosa. h„n(1 r. 300 W/nr:C.
Dosegljivo delovno temperaturo 1000°C omejujejo trdnostne lastnosti izbranega jekla pri povišanih temperaturah, iz katerega je izdelan samonosilni reaktor. Višje delovne temperature. do 1250°C, bomo lahko dosegli z uporabo ustreznega ognjevzdržnega jekla.
S SF induktivnim segrevanjem stene reaktorja je možno zelo natančno krmiliti hitrosti segrevanja zvrtinčene plasti. Dosežena hitrost segrevanja zvrtinčene plasti je bila do 30°C/min. kar močno povečuje prožnost laboratorijske peči.
Uporaba N: kot plina za vrtinčenje seje pokazala tudi kot ustrezna rešitev za nevtralno atmosfero.
Koncept induktivno segrevane laboratorijske peči za toplotno obdelavo v zvrtinčeni plasti omogoča, da celoten proces krmilimo z zaprto zanko s pomočjo mikroprocesorjev, z ustreznimi programatorji pa lahko proces toplotne obdelave v zvrtinčeni plasti programiramo.
Z dograditvijo opreme za krmiljenje atmosfere bo dana tudi možnost, da že na obstoječi laboratorijski peči opravimo vse poskuse, ki so potrebni za ugotavljanje sposobnosti in načina krmiljenja termokemijskih postopkov toplotne obdelave, kot so nitriranje, karbonitriranje in cementiranje z direktno pripravo ustrezne atmosfere v sami zvrtinčeni plasti.
Funkcionalni preizkus indukcijsko segrevane laboratorijske peči za toplotno obdelavo v zvrtinčeni plasti je potrdil:
-	da proces ne onesnažuje okolja,
-	da je proces ekonomičen in varčen v energijskem smislu, kot tudi v smislu porabe materialov,
-	daje proces možno mikroprocesorsko krmiliti z zaprto zanko, z usteznim programatorjem pa celoten postopek toplotne obdelave v zvrtinčeni plasti programirati,
-	da postopek že v tej fazi omogoča zadovoljivo stopnjo ponovljivosti rezultatov.
Na osnovi teh lastnosti smatramo, da je potrebno za bodočnost naše raziskave voditi v dveh smereh in sicer:
-	v smeri razvoja in izdelave indukcijsko segrevanih peči oz. avtomatiziranih celic za toplotno obdelavo in kemotermično obdelavo v zvrtinčeni plasti, z delovno temperaturo do 1250°C ter
-	v smeri razvoja industrijskih peči oziroma avtomatiziranih celic za toplotno obdelavo v zvrtinčeni plasti do 1000°C (npr. za izotermalno kaljenje bainitne nodularne litine).
Preiskus toplotne obdelave palice (j) 16 x 540 mm iz jekla C1630, je dokazal, da smo dosegli osnovni namen, t.j. hitro in enakomerno segrevanje potopljenega predmeta na temperaturo austenitizacije. Hitrost segrevanja potopljenega predmeta se je gibala med 150 in 235°C/min, kar je primerljivo s segrevanjem v solnih kopelih, vendar brez njihovih pomanjkljivosti.
Plinsko zvrtinčeni sistem torej predstavlja "fluid" z veliko toplotno kapaciteto in izredno majhnim parnim tlakom, to pa je lastnost, ki je v preteklosti niso dovolj upoštevali in izrabili.
* - skupen izraz ta tekočine in pline
' - hitrost toka kapljevine pri ravnotežnem stanju sil imenujemo začetno hitrost vrtinčenja, vz, ker se pri minimalni prekoračitvi te hitrosti začno premikati delci med seboj, kar je začetek vrtinčenja.
** - magnetna poljska jakost
5. Literatura
1	D. Kunii, O. Levenspiel: Fludization Engineering, John Wiley and Sons, New York 1969
2	A. Paulin: Kovinarstvo, FNT, Ljubljana 1980
1 J. S. M. Botterill: Fluid bed heat transfer. Academic Press, London, New York, San Francisco 1975
4	A. P. Baskakov, B. V. Berg, O. K. Vitt, N. F. Filippovsky. V. A. Kirakosyan, J. MJ. M. Goldobin and V. K. Maskaev: Heat transfer to objects immersed in fluidized beds. Powder Technology, 8 (1973) 273-282
5	William L. James: Fluidized-Bed Equipment, Metals Handhook, Ninth edition, Volume 4, Ohio 1981. 299
6	EDF, Le chauffage par induction, Direetion des Etudes et Recherches d'Electricite de France, Centre des Renardieres, Moret-sur-Loing
7	V. Leskovšek, V. Hrnčič, A. Paulin, T. Kolenko: Razvoj polindustrijskega agregata za toplotno obdelavo v zvrtinčeni plasti, IMT - Ljubljana, Naloga št. HH-043, 1988.