Metode pentru determinarea comparativa a capacitatii de racire a mediilor de calire lichide

Metode pentru determinarea comparativa a

capacitatii de racire a mediilor de calire lichide

In afara mediilor de calire cele mai uzuale, cum sunt apa si uleiul obisnuit pentru tratamente termice, se folosesc in anumite cazuri si alte medii de racire la calire care pot sa asigure fie o racire mai rapida decat in apa, fie o racire mai rapida decat in ulei, fie o viteza de racire intermediara intre aceea a apei si a uleiului conventional de calire. Numarul mare al mediilor de calire folosite face necesara gasirea unor metode pentru determinarea capacitatii lor de racire. Datele obtinute cu ajutorul acestor metode permit o comparare a mediilor de racire cercetate. In general ele nu se exprima in grade/s, deoarece o astfel de valoare este valabila numai pentru o singura dimensiune a epruvetei (daca ne referim la viteza de racire in centrul ei).

Metodele cunoscute pentru compararea capacitatii de racire a mediilor de calire se clasifica dupa parametrul care se ia drept criteriu de caracterizare a mediului in urmatoarele grupe:

1 - masurarea variatiei in timp a temperaturii unei epruvete la racirea in mediul cercetat;

2 - masurarea cresterii temperaturii in mediul cercetat, dupa aportul unor cantitati de caldura;

3 - masurarea cantitatii de caldura necesara atingerii unei anumite temperaturi superficiale a unei epruvete imersate in mediul de racire, [2; 55 60; 76]

4 - Calcularea intensitatii de racire H=α_global/2x

Determinarea comparativa a capacitatii de racire a mediilor de calire lichide

Metodele incadrate in aceasta grupa se bazeaza pe masurarea directa
sau indirecta a variatiei temperaturii functie de timp a unei epruvete racite in
mediul de cercetare.

Dintre metodele de masurare directa a variatiei temperaturii, cele mai
cunoscute sunt:

1 - metodele care folosesc o epruveta prevazuta cu termocuplu;

2 - metoda magnetica.   

5.1.1. Metode care folosesc o epruveta prevazuta cu termocuplu

Aceste metode sunt bazate pe incalzirea unei epruvete si racirea ei in mediul de racire cercetat. Epruveta este prevazuta cu un termocuplu de contact la un aparat de masurat (eventual si de inregistrat) forta termoelectromotoare.

Deosebirile dintre aceste metode sunt in general determinate de forma epruvetelor si de materialul din care sunt confectionate.

Materialele cele mai utilizate pentru confectionarea epruvetelor sunt argintul si otelul.

Argintul, datorita conductivitatii sale termice ridicate, va reproduce in centru conditiile de racire ale suprafetei, respectiv cele ale stratului marginal, in raport cu marimea epruvetei.

Epruvetele din otel vor reproduce in general conditiile de racire numai din miezul pieselor cu dimensiuni comparabile.

Utilizarea in acest scop a otelului austenitic refractar are fata de otelul perlitic urmatoarele avantaje:

- temperatura de calire in cazul otelului austenitic poate fi luata si deasupra punctului A_c1, deoarece nu sunt posibile confuziile datorita caldurii de transformare;

- incalzirea poate fa facuta in atmosfera oxidanta;

- masurarea temperaturii se poate face fie cu un milivoltmetru obisnuit, fie cu inregistratoare de temperatura cu actiune rapida.

Dintre metodele de masurare directa a variatiei temperaturii epruvetei in funcfie de timp, cele mai cunoscute sunt:

A.    Metoda cu epruveta cilindrica din argint

B. Metoda cu sfera de argint

Aceasta metoda consta in masurarea variatiei temperaturii in functie de timp, cu ajutorul unui termocuplu plasat in centrul unei bile de argint cu diametrul de 20 mm incalzita in prealabil la 800°C si imersata brusc in lichidul de calire cercetat.

Suprafata bilei de argint trebuie sa fie polizata fin si neoxidata. Adancimea de scufundare este fixata la 10 mm, 60 mm sau 120 mm sub suprafata lichidului, al carui volum poate varia de exemplu intre 10 si 600 dm³ . Lichidul poate fi in repaus sau intr-o miscare relativa de 10;20;25 cm/s in raport cu epruveta.

De asemenea, temperatura sa este variabila: 20; 40; 60; 80°C.

Se alege argintul datorita marii sale conductivitati termice, precum si
pentru faptul ca este neoxidabil la temperatura de incercare (800°C). Se
prefera forma sferica a epruvetei deoarece toate punctele sunt la egala
distanta de centru, locul de fixare a termocuplului. Acesta este format din
insasi bila de argint si dintr-un fir de Alumel (94% Ni, 3% Mn, 2% Ai, 1%
Si) cu diametrul de 0,5 mm, [3; 33; 55; 60].

Aparatura de inregistrare a fenomenului studiat - respectiv a vitezei de racire - trebuie sa fie suficient de sensibila pentru a raspunde exigentelor.

Ea trebuie sa poata inregistra simultan timpul, temperatura cuptorului, temperatura si viteza lichidului de racire, etc.

In fig. 5.1. este prezentata curba de racire a unei sfere de argint cu diametrul de 20 mm calita in apa la 40°C. Curba cu linie continue, este curba trasata prin derivarea din cea trasata de aparatul de masurare inregistrare (cu linie intrerupta).

Figura 5.1 Racirea unei sfere din Ag, Ø 20 mm, de la 800⁰ C la 40⁰ C

C - Metoda cu epruveta cilindrica din otel austenitic

Una dintre metodele de cercetare folosite pentru determinarea vitezei de racire a mediilor lichide este metoda epruvetei cilindrice din otel austenitic, in centrul careia este sudat un termocuplu. Generatoarea cilindrului din otel austenitic este egala cu de trei ori diametrul cilindrului. Avantajele folosirii epruvetelor confectionate din otel austenitic au fost aratate in capitolul 5.1.1.

Aparatura folosita este mai simpla si mai putin sensibila, dar poate fi mai usor folosita in conditii de intreprindere industriala.

D - Metoda cu epruveta sferica din otel

Aceasta metoda originala pentru determinarea capacitatii de racire a
mediilor de calire a fost propusa de catre cercetatorul italian D.O. Doringo in
anul 1966, [12].

Aparatul descris foloseste in locul unei epruvete cilindrice, o sfera din otel.

Temperatura apei de racire s-a mentinut constant la 20°C.

Adancimea de scufundare a epruvetei a fost, de asemenea, constanta.

Incalzirea epruvetei s-a facut in atmosfera controlata, la temperatura de 820°C, pentru a fi sigura atingerea in miez a temperaturii de 800°C. La intrarea sondei in apa se declanseaza un cronometru.

In momentul cand centrul epruvetei atinge 250°C, se opreste cronometrul si se constata timpul scurs. Din 50 de probe executate se obtine o reproductivitate sigura a rezultatelor.

Drasticitatea (capacitatea) de racire se stabiles.te dupa urmatoarea formula, [12]:

Drasticitate= K/T

In care,

K - valoarea medie a duratei de racire rezultata, inmultita cu 100

T - timpul, in minute si zecimalele sale, necesar pentru racirea miezului probei de la 800°C la 250°C.

Pentru determinarea capacitatii de racire (drasticitatii) altor lichide, sau ale apei in alte condifii de temperatura si de agitare, se substituie valoarea lui T din formula (5.1.) cu timpul cronometrat in cazul folosirii lichidului respectiv.

Se poate adopta si urmatoarea varianta de indicare: se da o prima cifra pentru drasticitatea globala a mediului de racire de la 800°C la 250°C si a doua pentru drasticitatea partiala, de la 800°C la 550°C.

Alti autori caracterizeaza mediile de racire cu ajutorul indicelui de severitate a calirii,"H", care este raportul dintre scaderea de temperatura a epruvetei la racirea intr-un anumit mediu si scaderea de temperatura la racirea in apa intr-un interval anumit, [1; 16; 46; 49; 54].

E - Metoda cu epruveta_sferica din cupru

Principala caracteristica a unui mediu de racire este capacitatea sa de a prelua caldura de la o piesa calda. Ea este determinate de coeficientul de transmitere a caldurii de la suprafata piesei la mediu. Rezulta ca viteza de racire specifica unui mediu de calire este dependenta de coeficientul de transmitere a caldurii.

Alegerea corecta a unui mediu de calire care satisface conditiile tehnice impuse, presupune cunoasterea capacitatii de racire, respectiv a vitezei de racire realizate.

Determinarea mediului de calire optim, care asigura conditiile de tratament termic impuse, este rezultatul suprapunerii curbelor de racire determinate experimental peste diagramele termocinetice.

Dificultafile in determinarea directa a coeficientului global de transmitere a caldurii (α) au dus la ideea stabilirii unei scari relative a capacitatii de racire a diferitelor medii de calire, introducandu-se notiunea de intensitate de racire (H):

H = α/2λ    , [m^-1]

Unde:

α - coeficientul global de transmitere a caldurii;

- coeficientul de conductibilitate termica.

La racire. valoarea criteriului Biot, (Bi), se determina cu ajutorul relatiei (5.3.), unde (D) reprezinta dimensiunea caracteristica a piesei, in metri:

Bi=

In scopul determinarii capacitatii de racire a unui mediu de calire, standardele Internationale recomanda utilizarea unor epruvete sferice cu diametrul de 2 toli. executate dm materiale cu conductibilitate termica ridicata (platina sau argint), in centrul carora se gaseste montat un termocuplu tip cromel - alumel, care prin intermediul unui milivoltmetru indicator permite masurarea temperaturii.

Din ratiuni economice. epruveta se executa din cupru cu urmatoarele caracteristici:

- diametrul epruvetei : 2'; (S = πD²).

- masa cantarita a epruvetei: 0,52 Kg

- caldura specifica medie: c = 0.09 Kcal/Kg grad

- conductibilitatea termica: a = 109 Kcal/m h grad.

Coeficientul de transmitere a caldurii (a) se calculeaza in functie de timpul de racire determinat experimental, folosind relatia de calcul:

a = , [Kcal/m² h grd]

unde:

t - timpul de racire in intervalul considerat, in secunde.

c - caldura specifica medie a metalului, in Kcal/Kg'grad

S - suprafata, in m²

m - masa epruvetei, in Kg

T_i - temperatura inceputului intervalului de racire (temperatura

initiala)

Tf - temperatura sfarsitului intervalului de racire (temperatura

finala)

T_a - temperatura mediului de racire (pentru apa T_a = 20 . 30⁰C)

Cu ajutorul coeflcientului global de cedare termica (a) determinat in baza relatiei (5.4.) se calculeaza intensitatea de racire (H) utilizand relatia (5-2.).

Practic, se incalzeste epruveta la temperatura dorita (temperatura de austenitizare a unui anumit otel), apoi se raceste in mediul de calire analizat (mediul de racire este recirculat pe tot parcursul operatiei de racire), cronometrandu-se timpul de racire pana la o temperatura convenabila (cca. 50°C in cazul apei si solutiilor apoase), fig. 5.2.

Daca instalatia nu permite inregistrarea automata a curbei de variatie a temperaturii in centrul epruvetei, se repeta operatia prezentata mai sus pentru o serie de temperaturi: 100, 200, , 800 °C.

Cu valorile stabilite experimental se traseaza curba de racire a epruvetei in coordonate temperatura - timp, fig. 5.3., curba ce va indica capacitatea de racire a mediului de calire cercetat.

Fig. 5.2. Instalatie pentru determinarea caracteristicilor de racire ale

mediilor de calire (schema functionala)

1 - cuptor; 2 - epruveta sferica din Cu; 3 - milivoltmetru indicator; 4 - bazin de racire;

5- electromotor; 6 - pompa pentru recircularea mediului de calire.

Fig. 5.3. Curba de racire a mediului de calire cercetat; date experimentale

Folosind coordonatele punctelor de pe curba de racire, se calculeaza pentru fiecare interval de temperatura vitezele de racire medii:

v₁=v₂= . . .v₈=

Cu ajutorul valorilor calculate se poate trasa curba de variatie a vitezei de racire a epruvetei in raport cu temperarura acesteia, fig. 5.4.

Fig. 5.4. Curba de variatie a vitezei de racire in raport cu temperatura

F. Metoda I.C.T.C.M.

Din randul metodelor de determinare a capacitatii de racire a mediilor de calire cu ajutorul unei epruvete prevazute cu termocuplu, face parte si metoda pusa la punct de Institutul de Cercetari Tehnologice pentru Constructii de Masini Bucuresti, [76].

Fig. 5.5. Schita epruvetei folosite de I.C.T.C.M. Bucuresti

Epruveta cu termocuplu (din otel austenitic 10NiCrl80) ale carei forma si dimensiuni sunt aratate in fig. 5,5., este incalzita intr-un cuptor tubular cu rezistente. Termocuplul cromel - alumel este fixat in mijlocul epruvetei cu un nit din acelasi material ca aceasta.

De epruveta a fost sudata o teava metalica prin care trece teaca de ceramica cu cele doua fire ale termocuplului.

Termocuplul este conectat la un potentiometru electronic cu inregistrare continua.

Viteza de derulare a hartiei pe care se face inregistrarea curbelor de racire este reglabila, putand varia in 6 trepte de la 300 mm/h la 5400 mm/h.

Vasul in care se introduce mediul de racire cercetat are capacitatea de
2000 cm³ si este prevazut cu pereti dubli pentru circulatia apei reci care
mentine constanta temperatura mediului.

Vasul cu mediul de racire, impreuna cu cuptorul, poate efectua miscare de translatie pe verticala. Cand ansamblul cuptor - vas se deplaseaza in sens, epruveta cu termocuplu este imersata in mediul de racire si declanseaza diagrama de inregistrare, trasandu-se curba de racire pentru lichidul respectiv.

Aparatul este prevazut cu un dispozitiv pentru agitarea mediului si racire cu o frecventa reglabila.

Dupa curbele inregistrate de aparat se traseaza apoi curbele de variatie a temperaturii din centrul epruvetei in functie de timp.

5.1.2. Metoda magnetica

Determinarea capacitatii de racire a mediilor de calire prin aceas:! metoda, se bazeaza pe proprietatea magnetica a nichelului. Nichelul isi pierde magnetismul cand se incalzeste peste punctul Curie de 354°C si isi recapata magnetismul cand se raceste sub aceasta temperatura.

Se pot utiliza si alte materiale magnetice, dar excelenta rezistenta a nichelului il face foarte potrivit pentru aceasta proba, [55; 76].

O sfera de nichel cu diametrul de 20 mm, incalzita la 870°C este introdusa intr-un recipient cu lichidul de calire cercetat. Recipientul estt plasat intr-un camp magnetic. Arunci cand sfera de nichel isi recapata magnetismul, este atrasa spre peretele vasului. Durata de la introducere a epruvetei in mediul cercetat pana in momentul cand devine magnetic, respectiv pana atinge temperatura de 354°C, este inregistrata automat.

Aceasta metoda este adecvata evaluarii vitezei de racire a uleiurilor. intrucat punctul Curie al nichelului corespunde cu punctul de fierbere £' uleiurilor uzuale si aproximeaza temperatura M_s pentru multe oteluri, [55.

Metodele descrise mai sus sunt cele mai utilizate dintre metodele de masurare directa a variatiei temperaturii in functie de timp, la racirea unei probe intr-un mediu de calire, in conditii determinate.

5.1.3. Metode bazate pe masurarea indirecta a scaderii temperaturii in functie de timp

Aceste metode se bazeaza in special pe determinarea marimii valorii duritatii obtinute in sectiunea unor epruvete de diverse forme.

Aceste determinari depind insa de compozitia sarjei de otel din care sunt executate epruvetele.

Dintre metodele indirecte de stabilire a vitezei de racire, cele mai des folosite sunt:

A - Metoda cu epruveta conica

Epruveta conica se executa din ofeluri calibile. Dupa incalzirea pentru calire, epruveta este racita in mediul de racire cercetat. Dupa aceasta, se determina duritatea pe generatoarea conului. In functie de duritatea la anumite distante de varful conului, se poate aprecia capacitatea de racire a unui mediu in comparafie cu un alt mediu in care s-a racit o epruveta similara din acelasi otel.

B - Metoda Shepherd

Aceasta metoda permite determinarea in casura a tendintei de crestere a grauntelui austenitic si a adancimii de calire la unele oteluri de scule.

Principiul metodei consta in supraancalzirea intentionata a unei epruvete din otel, dupa calire epruveta fiind sparta, urmand a se masura grosimea zonei calite.

Epruveta are forma cilindrica cu Ø 20 mm si lungimea de 75 mm.

C - Metoda cu epruveta Harvey

Determinarea capacitatii de racire a mediilor lichide de racire print metoda Harvey se bazeaza pe acelasi principiu ca si in cazul metodei cu epruveta conica.

Schita epruvetei este prezentata in fig. 5.6.

Fig. 5.6. Epruveta Harvey

Un cilindru cu dimensiunile: Ø 100 mm si inaltimea 75 mm din otel tip RUL3 este prevazut cu o gaura excentrica, obtinandu-se grosimi de perete intre 6 si 30 mm.

Capacitatea de racire a mediului se masoara in functie de grosimea peretelui, prin determinarea duritatii Rockwell.

Determinarea capacitafii de racire a mediilor de calire prin masurarea cresterii temperaturii mediului cercetat dupa aportul unor anumite cantitati de caldura

Metodele din aceasta grupa nu se mai bazeaza pe masurarea contin directa sau indirecta, a variatiei temperaturii unei epruvete, ci pe masurar cresterii temperaturii mediului respectiv ca urmare a absorbtiei de caldura anumite intervale de timp.

5.2.1. Metoda ,,Qench - Interval'

Metoda se bazeaza pe racirea unei piese de control cu un anumit continut de caldura, intr-o anumita cantitate stabilita de mediu de racire. Cantitatea de caldura cedata este determinata mai intai dupa o perioadl scurta de imersare (5 secunde) si apoi dupa egalizarea completa a temperaturii (180 secunde).

Raportul: (sporul temperaturii dupa 5 secunde/sporul temperaturii dupa 180 de secunde) x 100 a fost propus ca valoare caracteristica pentru capacitatea de racire a mediulu de calire.

Epruveta folosita este un cilindru din otel Cr - Ni austenitic cu diametrul de 25 mm si lungimea de 75 mm. Epruveta este incalzita 30 min. h 845°C, dupa care este racita intr-un vas Dewar continand 1800 cm³ de mediu de racire. Dupa 5 secunde, epruveta este scoasa, mediul omogenizat, iar temperatura masurata cu un termometru cu mercur. Imediat epruveta este incalzita din nou, racita in mediul de calire cercetat si mentinuta in acesta 180 secunde.

Acest procedeu da informatii asupra capacitafii mediului de calire in prima faza a racirii, nefiind posibila o caracterizare completa a ciclului de racire, [53; 55; 60; 76].

5.2.2. Metoda cresterii temperaturii

Procedeul de investigare este asemanator metodei ,,Quench - Interval". Temperatura mediului se masoara insa dupa o serie de intervale de imersare (de exemplu: 5; 10; 15; 20 secunde) ale epruvetei si se traseaza o curba cu     valorile cresterii temperaturii in functie de durata imersari epruvetei in mediul de racire cercetat.

5.3. Masurarea cantitatii de caldura necesara atingerii unor anumite temperaturi superficiale a epruvetei imersate in mediul de calire

Dintre metodele de cercetare care fac parte din aceasta grupa, cea mai caracteristica este proba Sinclair.

5.3.1. Proba Sinclair

Prinrr-o sarma confectionata din constantan, cu diametrul de 0,3 mm, scufundata in mediul de racire cercetat, este trecut un curent electric care se majoreaza incet cu viteza constants pana cand sarma se topeste.

Patratul intensitatii curentului, proportional cu cantitatea de caldura absorbita, este o valoare caracteristica a capacitafii de racire a mediului cercetat.