1. Основные положения эффективной эксплуатации теплотехнического оборудования

1.1. Способы тепловой обработки изделий и материалов

В промышленном производстве для перевода сырья в новое качество – готовую продукцию – применяют тепловую обработку. Такой процесс происходит за счет физических и физико-химических превращений в обрабатываемом материале, течение которых зависит от воздействия тепла (теплового режима). Различают такие виды тепловой обработки как плавление, термическая обработка, обжиг, вспучивание, спекание, сушка и тепловлажностная обработка.

Плавление. Плавлением называют процесс перехода твердого вещества в жидкотекучее состояние – расплав. Расплавы получают путем нагревания до высоких температур сырьевых смесей заданного химического состава. В составе сырьевых смесей могут присутствовать кристаллы, кристаллические соединения и аморфные вещества, процесс плавления которых развивается по разному. У кристаллов плавление происходит при постоянной температуре и развивается скачкообразно, а у минералов температура изменяется в некотором интервале.

Процесс плавления является эндотермическим, то есть сопровождается поглощением теплоты, которая характеризуется скрытой теплотой плавления. Эта теплота находится в корреляционной связи с температурой плавления: с повышением температуры плавления скрытая теплота плавления то же возрастает. Температура плавления сырья в основном зависит от строения электронных оболочек атомов и ионов элементов кристаллов, структуры твердых и жидких фаз, характера межатомных и межмолекулярных связей и степени неупорядоченности кристаллической решетки. Но она также зависит и от химического состава газовой среды, в которой осуществляется процесс плавления. В окислительной среде температура плавления существенно повышается. В ходе разогрева плавление сопровождается тепло- и массообменными процессами. Теплообмен в плавильных установках имеет свои специфические особенности для каждого типа установок, но во всех случаях его интенсивность зависит от лучепрозрачности расплава, так как передача тепла идёт в основном за счет лучистого обмена.

Термическая обработка. Термическую обработку применяют главным образом в металлургической и машиностроительной промышленности при изготовлении металлических изделий и деталей. Она представляет собой совокупность теплового воздействия на материал (металл или сплав) с целью изменения структуры и свойств в нужном направлении. Термическая обработка заключается в нагреве материала до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении. Тепловое воздействие может сочетаться с химическим (химико-термическая обработка), деформационным (термомеханическая обработка) и магнитным (термомагнитная обработка). Оно предшествует, как правило, таким технологическим процессам как протяжка листов, труб, лент, проволоки и штамповке различных элементов. Основными видами термической обработки являются отжиг, нормализация, закал и отпуск.

Отжиг – вид термической обработки, при которой после нагрева, выдержки и медленного охлаждения получают мягкий пластичный металл, свободный от внутренних напряжений Большое влияние на процесс проведения обжига имеет степень предшествовавшей деформации. Чем больше суммарная деформация, тем ниже по сравнению с нормальной должна быть температура выдержки. Перед отжигом, как правило, катанку (горячекатаную сталь) нормализуют, то есть после нагрева охлаждают её на открытом воздухе, а не в специальной среде. Такое охлаждение даёт более глубокое окисление поверхности металла, что способствует удалению дефектов и окалины. Завершающими операциями термической обработки служат закал и отпуск. Закал и отпуск обеспечивают высокие показатели прочности и твердости, высокую упругость. Закал заключается в нагреве материала до критической точки и в последующем резком охлаждении. На результаты закала прежде всего влияет его режим, особенно скорость охлаждения. При закале в качестве охлаждающей среды используют масла, воду, эмульсии и растворы солей, которые имеют высокую охлаждающую способность. Отпуск готового продукта производят сразу же после закала. Его температура зависит от вида изготавливаемого изделия, и направлен он на оптимальное сочетание прочности, пластичности и ударной вязкости*.

Нагрев. Нагрев изделий применяют с целью их дальнейшей обработки под давлением (прокатом, ковкой, штамповкой и др.). Его назначение – придание материалу пластичной формы и снятие внутренних напряжений, без изменения физико-химической структуры вещества. Температура нагрева (в пределе 950  1250С) выбирается в зависимости от рода и длительности технологического процесса, а также от химического состава и физических свойств обрабатываемого металла.

Обжиг. Обжигом называют тепловую обработку материалов с целью задания им необходимых свойств за счет фазовых и физико-химических превращений, происходящих при высоких температурах. Обжиг проводят в производстве строительных изделий и материалов и химической промышленности. Процесс обжига осуществляют путем нагрева изделий

Ударная вязкость*– способность материала поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударной нагрузки (примеч. автора)

теплоносителем до определенной температуры и выдерживания при этой температуре. При этом между теплоносителем и материалом происходят процессы тепло- и массообмена. Структурообразующие процессы в ходе обжига возникают за счет удаления влаги и сближения частиц материала, а также вследствие фазовых и химических превращений и частично получения жидкой фазы.

Вспучивание и спекание. Эти виды тепловой обработки применяют для получения пористой структуры материала, с той лишь разницей, что при спекании сыпучий материал соединяется в конгломерат, образуя открытые поры, а при вспучивании увеличивается объем сформованных гранул, и поры получаются закрытыми. При вспучивании и спекании происходят фазовые и физико-химические превращения, изменяется пористость, проходят структурообразующие процессы. Они сопровождаются внешним и внутренним тепломассообменом.

Тепловлажностная обработка. Её применяют в машиностроительной, строительной и пищевой промышленности. Обработка материала в этом случае производится горячей и влажной средой, назначение которой ускорение процессов структурообразования, а в пищевой промышленности она служит для дезинфекции продуктов.