Bains de sel — appareil et application

Lors du chauffage de produits dans un liquide, en raison des valeurs élevées du coefficient de transfert de chaleur du liquide au métal, une vitesse de chauffage nettement plus élevée peut être obtenue. D'autre part, en raison de la conductivité thermique beaucoup plus élevée des liquides par rapport aux gaz, la répartition de la température dans ceux-ci doit être plus uniforme et, par conséquent, le chauffage de produits individuels ou de parties du produit aura lieu dans les mêmes conditions.

La vitesse de chauffage la plus rapide peut être obtenue dans un métal liquide tel que le plomb fondu. Le bain de plomb est un creuset en fer rempli de plomb, installé dans four électrique à cuve sous le couvercle d'échappement. Lorsque le plomb fond et atteint une température prédéterminée, de petites pièces y sont abaissées, qui sont rapidement chauffées, par exemple pour la trempe ou le revenu, tandis que la conductivité thermique du plomb assure une grande uniformité de chauffage des pièces qui y tombent. mais un bain de plomb présente un certain nombre de défauts importants :

• travaux nocifs avec du plomb, en particulier à haute température,

• impossibilité d'utilisation pour le chauffage à des températures supérieures à 800°C (à des températures plus élevées, le plomb s'évapore intensément),

• faible capacité calorifique du plomb, grâce à laquelle il se refroidit rapidement lorsqu'il est immergé dans des pièces plus grandes.

Par conséquent, les bains de plomb n'ont reçu qu'un usage limité. Contrairement au plomb, divers sels, nitrates et bases ont trouvé une application beaucoup plus large. Étant donné qu'un certain nombre de sels, nitrates et bases utilisés ont des points de fusion très différents, pour toute température comprise entre 250 et 1300 °C, un tel sel ou mélange de sels peut être choisi de manière à s'évaporer peu à cette température et en même temps. le temps est fluide. Le tableau 1 donne les points de fusion et les domaines d'application de certains sels et nitrates.

Bains de sel et de sel exécutés de manière constructive comme bains avec chauffage externe, bains avec réchauffeurs internes et électrodes... Les deux premiers types sont effectués à des températures relativement basses - il s'agit principalement de bains de salpêtre et alcalins utilisés pour le traitement thermique de profilés et de tôles en alliages légers (450 -525 °C).

Les bains de sel chauffés de l'extérieur sont un récipient rectangulaire ou circulaire soudé à partir d'acier au carbone ordinaire placé dans un puits avec des éléments chauffants en métal.

Les bains de sel avec réchauffeurs internes sont fabriqués de la même manière, mais n'ont pas d'éléments chauffants externes, et à la place des éléments chauffants hermétiques tubulaires sont immergés dans du nitrate. Ils présentent des avantages non négligeables :

1. Dimensions légèrement plus petites et pertes de chaleur inférieures par rapport aux bains chauffants externes,

2. la consommation d'alliages chauffants en eux est dix fois plus petite,

3.Ils sont plus sûrs car les nitrates peuvent exploser lorsqu'ils sont surchauffés en présence d'oxydes de fer, et une telle surchauffe dans les bains chauffants externes peut se produire en raison de la contamination des couches inférieures de nitrate, entraînant une surchauffe du fond du bain par les éléments chauffants inférieurs.

L'inconvénient des tubes chauffants dans les bains de nitrate est leur courte durée de vie en raison de la température élevée et de la corrosion de la gaine du tube avec du nitrate.

Tableau 1. Point de fusion et plage de certains sels

Les bains salins et alcalins des deux types atteignent de très grandes tailles (longueur 6-8 m) et une puissance de plusieurs centaines de kilowatts.Pour des températures plus élevées, des bains avec électrode sont utilisés. Il s'agit d'un creuset en métal ou en céramique rempli de sel, dans lequel sont abaissées des électrodes métalliques alimentées par un transformateur abaisseur avec une tension de 8-25 V.

À froid, le sel conduit à peine le courant, mais s'il est chauffé par une source externe, un courant s'établit entre les électrodes et libère de la chaleur Joule dans le sel. Par conséquent, le sel fondu lui-même sert de réchauffeur dans de tels bains, dans lesquels les articles à chauffer sont immergés.

Les bains d'électrodes sont livrés avec un couvercle et des électrodes extérieures. Les premiers ne sont actuellement pas utilisés en raison de leur faible efficacité et de leur chauffage inégal. Dans de tels bains, la densité de courant à la surface des électrodes en raison des grandes dimensions de ces dernières n'est pas élevée, il n'y a donc qu'une circulation thermique naturelle du sel en eux, ce qui égalise les températures dans ces dernières le long de la hauteur. Néanmoins, dans de tels bains, la différence de température dans les niveaux supérieur et inférieur peut atteindre 20-25 ° C.

Ainsi, le principal inconvénient de tels bains est la circulation insuffisamment intensive du sel, ce qui entraîne une diminution de la vitesse de chauffage des produits, et donc du fonctionnement du bain, et une répartition inégale de la température dans celui-ci le long la hauteur.

De plus, dans ces bains, les conduites de courant remplissent presque tout le volume du sel ; donc le courant circule également à travers les produits. Avec une forme défavorable de ce dernier (arêtes vives, ponts fins entre deux parties du produit), des densités de courant accrues peuvent y être concentrées, ce qui entraînera une surchauffe et peut entraîner un rejet, voire une fusion.

Riz. 1. Bain de sel avec électrodes à distance et cloison : 1 — bain, 2 — revêtement, 3 — tablier, 4 — parapluie, 5 — cloison : 6 — pyromètre, 7 — électrode, 8 — maçonnerie réfractaire, 9 — isolation thermique.

Ces inconvénients sont surmontés par les bains de sels d'électrodes à électrodes externes de plus en plus répandus. En eux, les électrodes sont deux tiges de section rectangulaire ou circulaire, abaissées dans le sel à une distance de 25 à 50 mm l'une de l'autre.

Dans de tels bains, presque toutes les lignes de courant sont situées dans l'espace entre deux électrodes, par conséquent, seuls des courants insignifiants traversent les pièces chauffées et leurs points individuels ne surchauffent pas. De plus, afin d'exclure complètement le passage du courant à travers les pièces, la partie de la chambre où se trouvent les électrodes peut être séparée de sa partie de travail par une cloison (Fig. 1).

Étant donné que la densité de courant entre les tiges est très élevée, le sel entre eux est surchauffé et une circulation thermique intense commence, et les particules de sel chauffées montent dans l'espace entre les électrodes et au niveau supérieur divergent à travers le volume du bain, tandis que plus froid les couches inférieures s'insèrent dans l'espace interélectrode ci-dessous.

À des densités de courant très élevées entre les électrodes (environ 15-25 A / cm2), les forces électromagnétiques commencent à prévaloir, jetant du sel dans l'espace interélectrodes, à la suite de quoi le sens de circulation s'inverse et son intensité augmente. Une telle circulation forcée de sel augmente considérablement à la fois le coefficient de transfert de chaleur du sel aux produits et l'uniformité de chauffage des produits sur la hauteur des bains (jusqu'à ± 3 ° C).

En raison des avantages mentionnés, les bains à électrodes externes ont récemment été utilisés de plus en plus largement. Les bains de sel sont produits monophasés et triphasés (Fig. 1) à une puissance de 20 à 150 kW et à différentes températures jusqu'à 1300 ° C. Ils sont utilisés pour chauffer divers produits pour la trempe et le revenu et principalement pour les outils (y compris aciers rapides), ainsi que pour les recuits isothermes.En outre, en choisissant la composition saline appropriée dans ceux-ci, il est possible d'assurer la conduite des opérations de traitement thermochimique, de cémentation et de cyanuration des aciers.

Un avantage bien connu du chauffage dans les bains de sel est de recouvrir les objets retirés du bain d'une fine couche de sel. Ce film protège la surface du produit de l'oxydation à l'air, tout en se fissurant et rebondissant lorsqu'il est refroidi ou immergé dans une cuve de refroidissement.

Les creusets métalliques résistants à la chaleur des bains d'électrodes fonctionnant jusqu'à 1000 ° C sont en acier au chrome-nickel et leur durée de vie peut être supposée être de 1 an. Les creusets en céramique peuvent être utilisés jusqu'à 1400 ° C, ils peuvent être entièrement compactés, cuits ou assemblés à partir de plaques individuelles en céramique à haute teneur en aluminium collées ensemble dans une solution.

Les électrodes peuvent être en aciers au chrome-nickel ou en aciers à faible teneur en carbone, par exemple la classe 10. Les électrodes restent dans des bains à haute température pendant 3 à 6 mois, dans des bains à température moyenne jusqu'à un an.

La disposition des couvercles de bain de sel joue un rôle important... Un miroir de sel ouvert émet une quantité d'énergie égale à environ 5 à 6 fois la perte de chaleur d'un bain fermé à 1000 ° C. Par conséquent, le couvercle de bain doit être suffisamment isolé , en même temps, il doit être facile à replier ou à déplacer sur le côté pendant le chargement et le déchargement. Une réduction significative des pertes du miroir de salle de bain peut être obtenue en enduisant sa surface d'une couche de poudre de carbone graphite cellulaire.

Le sel n'étant pas conduit à froid, il est nécessaire de le réchauffer pour faire couler le bain. Le plus pratique est l'utilisation de la résistance initiale au nichrome. Ce dernier, avant que le bain ne se solidifie, est plongé dans du sel et relié à deux électrodes. Lorsque le bain est chauffé, le courant du transformateur traversant la résistance la chauffe, grâce à quoi les couches de sel adjacentes à la résistance sont chauffées et, à leur tour, commencent à conduire. La résistance est ensuite éteinte et retirée du sel.Pour une telle résistance, une puissance surfacique spécifique très élevée de l'ordre de 10-15 W/cm2 peut être admise. Cependant, il faut garder à l'esprit que lorsqu'on travaille dans le sel, le nichrome devient très fragile et nécessite une manipulation soigneuse.

Parfois, au lieu d'une résistance métallique entre les électrodes, après avoir éteint le four, des morceaux de charbon d'électrode sont posés, qui, en chauffant lorsque le bain est allumé, chauffent le sel. Enfin, vous pouvez simplement chauffer les zones de sel près des électrodes avec un brûleur à gaz. L'opération de chauffage du bain étant assez longue, il est parfois préférable de ne pas refroidir les bains pendant la nuit, en les laissant allumés à tension réduite.

En plus des bains d'électrodes intermittents, des unités continues sont également utilisées... Pour les bains individuels, un tapis roulant peut être utilisé au-dessus du bain pour transporter les pièces et les immerger dans le sel. Les unités pour les processus de traitement thermique complexes, réalisés séquentiellement dans plusieurs bains, sont plus complexes, car cela nécessite la création d'un mouvement alternatif des pièces dans les directions horizontale et verticale. Habituellement, cette tâche est résolue à l'aide d'un convoyeur ou d'un carrousel avec un dispositif de levage.

Ainsi, par rapport aux fours électriques classiques, les bains de sel présentent les avantages suivants :

1. une vitesse de chauffe élevée et donc des performances élevées à dimensions égales,

2. facile à réaliser différents types de traitements thermiques et thermochimiques,

3. protection des produits contre l'oxydation pendant le chauffage et le refroidissement.

Les inconvénients des bains de sel sont les suivants :

1.consommation d'énergie spécifique élevée due à l'augmentation des pertes de chaleur du miroir de la salle de bain et à la nécessité de son fonctionnement continu en raison de la durée et de la complexité du chauffage (ce dernier provoque un fonctionnement en sous-charge),

2. une consommation de sel assez élevée,

3. conditions de travail difficiles même avec une bonne ventilation.

La prévalence des bains de sel s'explique par le fait que, dans de nombreux cas, leurs avantages l'emportent sur leurs inconvénients.

Pour les températures les plus basses, des bains d'huile sont utilisés, réalisés avec un chauffage interne et externe. Les chaudières à électrodes pour le chauffage de l'eau et la production de vapeur d'eau fonctionnent de la même manière que les bains de sel à électrodes.