儲(chǔ)波 楊雪婷

杭州中泰深冷技術(shù)股份有限公司 浙江 杭州 310000

深冷處理是在極低溫度下，能夠有效處理的技術(shù)，處理溫度達(dá)到-196℃～-130℃，技術(shù)優(yōu)勢(shì)較多，可以提升金屬材料的力度性能，延長使用壽命，相應(yīng)提升尺寸穩(wěn)定性、材料均勻性。此外，深冷技術(shù)可以加強(qiáng)金屬材料物理性能，例如導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性。在20世紀(jì)60年代，美國開始廣泛應(yīng)用深冷技術(shù)，同時(shí)加大技術(shù)研究力度，有效作用于汽車制造、儀器制造、航空航天等領(lǐng)域。在信息技術(shù)發(fā)展中，我國也開始研究深冷處理技術(shù)，特別是油嘴油泵、量具、航空航天領(lǐng)域，涉及軸承泵、工具鋼、高速鋼等金屬材料。本文主要圍繞深冷技術(shù)展開研究。

1 傳統(tǒng)深冷處理技術(shù)與設(shè)備

深冷技術(shù)發(fā)展過程中，相應(yīng)產(chǎn)生了技術(shù)處理設(shè)備，設(shè)備可以有效控制溫度，確保深冷技術(shù)具備多種溫度選擇，而不是應(yīng)用到單一化學(xué)材料中。深冷設(shè)備以液氮為冷源，包括液氮浸泡、液氮?dú)饣Ｒ旱獨(dú)饣饕獞?yīng)用輻射換熱系統(tǒng)、對(duì)流換熱系統(tǒng)、系統(tǒng)結(jié)合方式。我國注重研究深冷技術(shù)處理設(shè)備，以SLX程序?yàn)榭刂葡到y(tǒng)，最低溫度可達(dá)-196℃，溫度均勻性強(qiáng)，控制效果顯著。技術(shù)人員注重改良和創(chuàng)新技術(shù)設(shè)備，并且應(yīng)用到企業(yè)生產(chǎn)中。SLX程序深冷箱以液氮作為冷源，以液氮?dú)饣鼰釣榛A(chǔ)，可以起到制冷效果。處理設(shè)備涉及液氮傳輸系統(tǒng)、液氮罐、深冷箱等。液氮罐可以存儲(chǔ)大量液氮，同時(shí)為系統(tǒng)通過液氮，避免液氮缺失所致故障。液氮傳輸系統(tǒng)通過真空技術(shù)，可以有效隔絕熱量，同時(shí)連接深冷箱和液氮罐。在液氮傳輸期間，可以降低能量損耗。通過安全閥，可以確保管路安全性。壓力報(bào)警系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)提示運(yùn)行問題。深冷箱為不銹鋼材質(zhì)，中間為保溫層，可以降低箱內(nèi)外熱交換。箱體內(nèi)配置液氮分散系統(tǒng)，可以在內(nèi)部均勻分散液氮，起到顯著降溫效果，同時(shí)確保箱體內(nèi)溫度均勻性。深冷箱控制系統(tǒng)，多采用執(zhí)行調(diào)節(jié)控制智能技術(shù)；在檢測溫度時(shí)，多采用PT100溫度計(jì)。通過智能調(diào)節(jié)器制冷信號(hào)、加熱信號(hào)，可以有效調(diào)節(jié)深冷箱內(nèi)部溫度[1]。

2 深冷處理工藝的新進(jìn)展

在操作實(shí)踐中，金屬材料被放置在超低溫度下，可以改變金屬材料微觀結(jié)構(gòu)，同時(shí)改善金屬材料性能。針對(duì)深冷處理設(shè)備機(jī)理問題，處于初步研究階段，未完全認(rèn)識(shí)到材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化。與其他材料相比，深冷處理技術(shù)多應(yīng)用到鋼鐵領(lǐng)域，且不同國家的研究達(dá)成共識(shí)。

2.1 材料工藝進(jìn)展

在近幾年發(fā)展中，深冷處理材料改性工藝研究較多，出現(xiàn)了較多專業(yè)研究與論文，多涉及非金屬材料、粉末冶金、有色金屬等。鋁合金材料深冷處理，可以處理鋁合金工件加工變形問題，同時(shí)將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到鋁合金材料耐磨性、強(qiáng)度、硬度研究中?；诓煌に囈?，深冷技術(shù)可以加大材料硬度與強(qiáng)度，使材料內(nèi)應(yīng)力降低，維護(hù)尺寸穩(wěn)定性。

深冷技術(shù)也被應(yīng)用到硬質(zhì)合金處理中，但是技術(shù)爭議比較多。采用深冷技術(shù)處理硬質(zhì)合金刀具，關(guān)于壽命是否提高的討論較多。在硬質(zhì)合金材料切削工具中，材料硬度無變化，然而耐磨性較強(qiáng)，使用壽命延長。硬質(zhì)合金內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)變化，有助于延長壽命。在處理陶瓷材料時(shí)，應(yīng)用深冷處理技術(shù)，可以有效提升耐磨性與韌性[2]。

2.2 功能方面進(jìn)展

深冷技術(shù)不僅可以延長工件壽命，還可以確保零部件穩(wěn)定性。對(duì)于航空航天、精密機(jī)床來說。在機(jī)加工、應(yīng)用使用期間，零部件極易產(chǎn)生變形問題，對(duì)生產(chǎn)效率、質(zhì)量安全影響較大。內(nèi)部組織、內(nèi)應(yīng)力，對(duì)尺寸穩(wěn)定性影響較大，在受力狀態(tài)改變、長時(shí)間運(yùn)行狀態(tài)下，工件尺寸容易變化，明顯大于公差要求。但是，深冷處理技術(shù)可以有效作用于內(nèi)部組織、內(nèi)應(yīng)力方面。采用深冷處理工藝，可以使材料內(nèi)應(yīng)力降低，促使奧氏體轉(zhuǎn)化，同時(shí)改善工件穩(wěn)定性。當(dāng)前，機(jī)床行業(yè)開始研究尺寸穩(wěn)定性問題，有助于提升機(jī)床行業(yè)整體性。

3 深冷處理技術(shù)和設(shè)備在節(jié)能方面的新進(jìn)展

3.1 回收氮?dú)?/h3>

圖1 深冷處理設(shè)備原理圖

在回收氮?dú)庵?，深冷設(shè)備可以促使液氮?dú)饣佑|工件后實(shí)現(xiàn)熱交換，使工件溫度降低。經(jīng)過換熱操作后，氮?dú)鈺?huì)排放至空氣內(nèi)部，從而造成工件浪費(fèi)。深冷設(shè)備配置氮?dú)饣厥障到y(tǒng)，可以將液氮導(dǎo)入至低溫?fù)Q熱器內(nèi)，無損收集熱交換液氮和氮?dú)?，同時(shí)將其存儲(chǔ)至儲(chǔ)氣罐內(nèi)，有效處理工質(zhì)浪費(fèi)問題。此外，設(shè)冷處理設(shè)備具備良好的溫度均勻性、控溫精度，可以防止液氮直接接觸工件，致使工件冷沖擊，對(duì)處理效果造成影響。下圖為原理圖。液氮利用閥門，進(jìn)入到低溫?fù)Q熱器內(nèi)，在換熱器內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱，使空間溫度降低。完成換熱操作后，液氮會(huì)氣化為氮?dú)?，同時(shí)通過低溫?fù)Q熱器出口排放至儲(chǔ)氣罐內(nèi)，返回至深冷處理設(shè)備。此種方式有效改進(jìn)了箱體結(jié)構(gòu)、換熱方式。將低溫?fù)Q熱器作為中間換熱設(shè)備，可以有效回收和利用氮?dú)?。分布布置低溫?fù)Q熱器，不僅可以提升換熱效率，還可以維護(hù)溫度均勻性[3]。

3.2 回收儲(chǔ)能冷量

為了緩解能量供求雙方的地點(diǎn)、時(shí)間、強(qiáng)度不匹配問題，必須合理應(yīng)用冷量回收儲(chǔ)能技術(shù)，以此發(fā)揮出能源應(yīng)用效果，使環(huán)境濡染降低，屬于節(jié)能減排重要措施。在應(yīng)用深冷處理設(shè)備時(shí)，當(dāng)處理溫度為-120℃，則氮?dú)馀艢鉁囟燃s為-120℃。當(dāng)處理設(shè)備回收該部分冷量時(shí)，可以使能耗降低，減少成本使用。

為了有效回收冷量，采用大量計(jì)算與試驗(yàn)，研究低溫儲(chǔ)能系統(tǒng)。首先選擇適宜的低溫蓄熱材料，建立傳熱數(shù)學(xué)模型，分析和計(jì)算蓄熱器內(nèi)部溫度、熱流、密度、界面移動(dòng)規(guī)律，同時(shí)掌握氣體換熱。優(yōu)化設(shè)計(jì)冷熱蓄能系統(tǒng)，分析熱應(yīng)力，對(duì)低溫蓄熱器設(shè)計(jì)穩(wěn)定性、安全性進(jìn)行驗(yàn)證。采用計(jì)算分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在深冷處理設(shè)備上，合理應(yīng)用研究成果，選擇特種蓄能材料。優(yōu)化設(shè)計(jì)蓄能材料，確保蓄能材料吸收和存儲(chǔ)廢氣冷量，將其作為材料初始處理溫度。當(dāng)前，技術(shù)人員研發(fā)多種蓄冷器，能夠和不同溫度區(qū)材料換熱，同時(shí)升高氮?dú)鉁囟萚4]。

冷量回收裝置、氮?dú)饣厥昭b置可以聯(lián)合使用。當(dāng)深冷處理溫度較低時(shí)，低溫氮?dú)饫眯罾淦鲹Q熱，之后再回收，不僅可以充分應(yīng)用冷量，還可以確保工質(zhì)回收效果，使能耗降到最低。

3.3 變頻控制

通過變頻控制，可以確保溫度均勻性。深冷處理配置葉輪、電動(dòng)機(jī)，然而設(shè)備設(shè)計(jì)選型時(shí)，多以大裝爐量為參數(shù)，因此功率偏大。特別是巨型深冷箱，電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)功率比較大。對(duì)于同一套設(shè)備空爐、半爐，會(huì)浪費(fèi)電動(dòng)機(jī)功率，還會(huì)導(dǎo)致液氮消耗量增加。為了消除以上不良影響，需要將變頻技術(shù)應(yīng)用到巨型設(shè)備上，對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，不僅可以確保溫度均勻性，還可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果[5]。

4 結(jié)束語

綜上所述，利用深冷處理技術(shù)，可以確保材料改性效果。在早期研究中，多集中在高合金鋼、高碳鋼領(lǐng)域，作用機(jī)理和技術(shù)工藝的專項(xiàng)研究多。深冷處理可以有效作用到非金屬、有色金屬、粉末冶金領(lǐng)域，技術(shù)應(yīng)用與研究力度不斷加深。采用深冷技術(shù)處理材料后，既能夠優(yōu)化力學(xué)性能，還可以維護(hù)尺寸穩(wěn)定性，為精密加工業(yè)通過處理方案。當(dāng)深冷處理工藝和設(shè)備應(yīng)用SXL程序，能夠確保環(huán)境溫度達(dá)到-196℃至500℃，具備較高的溫度控制精度，溫度均勻性強(qiáng)，能夠?qū)ぜ⒉牧?，?shí)施有效的深冷處理。此外，深冷處理工藝和設(shè)備也可應(yīng)用到節(jié)能降耗領(lǐng)域，可以有效回收冷量、氮?dú)猓瑢?shí)現(xiàn)自動(dòng)化變頻控制，使液氮領(lǐng)域效率提升，同時(shí)維護(hù)成本效益，值得推廣應(yīng)用。