金属材料深冷处理工艺技术(二) —深冷处理设备

    3.    深冷处理设备

           深冷处理涉及到的关键技术之一就是如何方便、快捷、低廉、可靠且可控地获得低温。因为装置的性能直接影响到深冷处理工艺的进行。如同热处理一样,如果不能保证热处理工艺的合理进行,就难以充分发挥金属材料的潜力,难以达到提高零件质量和延长使用寿命的目的。深冷处理工艺也是如此,要想在实际应用中确保深冷处理技术对处理材料产生预想的效果,就必须保证深冷处理工艺的合理。合理的深冷处理工艺的顺利执行,这就要求所使用的深冷装置满足以下要求:

    (1)  可靠性高,使用寿命长;
    (2)  温度场分布均匀且温度升降速率控制精确;
    (3)  制冷剂耗量少,节约成本;
    (4)  加工工件范围广。

           目前深冷处理的设备主要有两种形式,一种采用压缩空气来致冷,最低使用温度为-100℃,而最常用的深冷设备都采用液氮致冷,它既经济又方便。液氮制冷的方式,大致可以分为下面两种方式:

    1、    液氮浸泡式制冷:将工件直接放到装有液氮的容器中,使工件骤冷至液氮温度,并在此温度下停留一段时间,最后复温而完成整个深冷处理过程。深冷处理的研制前期都是采用液氮浸泡式方法进行深冷处理的。由于这种深冷处理工艺简单方便,应用较为广泛。但是,这种方法的降温速度较快,导致热应力过大,容易对工件材料造成组织损害,而且工件材料在降温过程中降温速度是不可控制的,进而影响工艺的可调性。

    2、    利用液氮的汽化潜热或者低温氮气制冷:利用低温氮气实现制冷的原理是低温氮气与材料直接接触,通过对流换热来使材料温度降低,而利用液氮的汽化潜热的原理就是液氮与材料不直接接触而通过间接方式使材料温度降低。利用这种方式来制冷按其传热方式又分为三种:(a) 基于辐射换热的系统;(b) 基于对流换热的系统;(c) 基于辐射换热与对流换热相结合的系统。

           中国科学院理化技术研究所自行研制的深冷处理设备,采用最新的加热技术、控温技术和液氮分散技术,使产品的程控升温、恒温、降温各过程均匀稳定。深冷箱最低工作温度为-196 ℃,最高工作温度200℃,温度偏差为±2 ℃以内,升、降温速率为1~10 ℃/ min,不仅可调节还可以自动控制。该深冷处理装置具有如下特点:

    1)     整个箱体由双层不锈钢板制成;箱体内外不锈钢板为SUS304不锈钢;
    2)     能有效阻断箱体内外冷热交换,保温性能好;
    3)     箱体与箱盖间加装密封条及特制的门扣,能确保完全密封和可靠的锁紧;
    4)     箱体底部装有脚轮,方便设备的移动;
    5)     配备电气互锁及报警装置,确保使用安全;
    6)     控制方式灵活可选:人工智能控制或计算机远程控制;计算机控制同时可以实现中央集中控制和远程控制,完成深冷箱温度的实时数据采集、显示、记录并对人工智能控制仪进行运算、控制输出、曲线绘制、数据库保存、查询等功能,具有控制和检测双重作用;
    7)     人性化的微机操作界面,方便用户使用;
    8)     液氮罐与深冷设备连接采用不锈钢真空绝热软管,将液氮损耗降为降为最低。

    不同类型深冷设备介绍:

                               图1  卧式程控深冷箱外观                                               图2  井式程控深冷箱外观
                               图3 程控深冷箱SLX-1000W                                           图4 程控深冷箱SLX-640

          箱内有效尺寸:1300×1014×1014(mm3)                箱内有效尺寸:1000×800×800(mm3)
          外形尺寸:2220×2000×3800(mm3)                    外形尺寸:2230×1200×3250(mm3)

          该两种型号深冷箱装有气缸,其与链条的配合实现箱门的自动上下开启。

    程控深冷箱SLX-32R

      图5 程控深冷箱SLX-32R

           该型号程控深冷箱采用计算机与触摸屏控制系统,方便用户使用。

    SLX-140W

    该型号程控深冷箱为立式双开门,箱内用隔板将上下箱分开,可上下箱时使用,也可单箱使用,方便用户选择。

    SLX-1500大型冷轧辊深冷处理系统

     图7  SLX-1500大型冷轧辊深冷处理系统

          该型号程控深冷箱为大型冷轧辊用深冷设备。该套深冷系统的2个箱槽可以同时工作,  也可以单独工作。方便客户使用。

    实验室用小型深冷处理装置

    图8 实验室用小型深冷处理装置

    4.  结束语 

           深冷处理作为材料热处理的一种延续,材料最终性能的好坏,不单取决于热处理的工艺,还有深冷处理以及热处理与深冷处理之间相互搭配的工艺。随着现代工业的发展,对材料的性能的要求也越来越高。而当代材料的一大研究趋势主要表现为,在基本不改变现有的传统材料的成分基础上大幅度提高其性能,从而有效的提高资源的利用率和回收率,充分发挥材料的潜力。在材料性能得到改善的同时降低了成本,减小了对环境的损害。因此,有关材料的深冷处理的研究必将成为国内外材料科学工作者的一个重要研究方向。而深冷处理涉及到的关键技术之一就是如何方便、快捷、低廉、可靠且可控地获得低温。因此,未来对深冷处理装置及其工业应用的研究具有重要意义。

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