автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Разработка технологии пайки в среде аргона крупногабаритных алюминиевых пластинчато-ребристых теплообменников для воздухоразделительных установок

1. Введение

2. Состояние вопроса

2.1. Развитие способов пайки алюминиевых пластинчато-ребристых теплообменников

2.2. Припои и материалы, применяемые при бесфлюсовой пайке пластинчато-ребристых теплообменников

2.3. Способы подготовки поверхности деталей пластинчато-ребристых к пайке

2.4. Цель и задачи исследования

3. Исследование особенностей формирования соединений алюминиевых сплавов при пайке в среде аргона

3.1. Исследование влияния состава атмосферы на формирование паяных соединений '

3.1.1. Методика и результаты исследований

3.1.2. Выводы

3.2. Исследование поведения титана как геттера при пайке алюминия в среде аргона

3.2.1. Методика и результаты исследований

3.2.2. Выводы

4. Исследование совместимости технологии пайки с конструкцией и материалами пластинчато-ребристых теплообменников

4.1. Разработка типо-размерного ряда теплообменных насадок пластинчато-ребристых теплообменников

4.2. Исследование и выбор материалов пластинчато-ребристых теплообменников

4.3. Выводы

5. Исследование и разработка экологически чистой технологии подготовки поверхности деталей пластинчато-ребристых теплообменников к пайке

5.1. Методика и результаты исследований

5.2. Выводы

6. Разработка термического цикла процесса пайки пластинчато-ребристых теплообменников в среде аргона

6.1. Выбор способа нагрева

6.2. Исследование процесса нагрева пластинчато-ребристого теплообменника и разработка термического цикла пайки

6.3. Выводы

7. Технологическое обеспечение и организация производства крупногабаритных пластинчато-ребристых теплообменников

Для удовлетворения многочисленных потребителей основных продуктов разделения воздуха - азота, кислорода и аргона на территории России эксплуатируются несколько сотен крупногабаритных воздухоразделительных установок (ВРУ) производительностью по перерабатываемому воздуху от 30.000 до 200.000 мАч и более 2000 установок малой и средней производительности. В связи с большой энергоемкостью криогенного способа разделения воздуха эти ВРУ при полной загрузке потребляют более 15 млрд. кВт-ч электроэнергии в год, что составляет заметную долю в суммарном энергетическом балансе страны.

Технико-экономические показатели ВРУ в значительной степени определяются эффективностью теплообменных аппаратов, составляющих примерно половину всего оборудования установки. Большинство из выпущенных до недавнего времени ВРУ создавались по устаревшей технологической схеме с использованием кожухотрубных теплообменников. Применение алюминиевых пластинчато-ребристых теплообменников (ПРТ) позволяет создавать ВРУ на принципиально новых схемных решениях и существенно улучшать технико-экономические показатели установок за счет уменьшения их металлоемкости, габаритных размеров и энергетических затрат на получение готовых продуктов. Так, замена кожухотрубных теплообменников на ПРТ в ВРУ производительностью 200.000 мАч позволила снизить потребление электроэнергии на 7 млн. кВт-ч в год; уменьшить габариты (объем) установки от 11.000 до 9.000 мА; потери сжатого газа в 4 раза; снизить металлоемкость от 1000 до 700 т; сэкономить 120 т нержавеющей стали.

Благодаря высокой компактности (7000 м /м ) более, чем на порядок, превышающей компактность кожухотрубных теплообменников, ПРТ находят широкое применение и в других отраслях техники (авиация, автомобилестроение, компрессоростроение).

ПРТ представляют собой пакеты, состоящие из большого числа параллельных пластин, конструктивно связанных с помощью пайки теплообменной насадкой и проставочными брусками (рис. 1.1). Пространство между каждой парой пластин, заполненное насадкой, является каналом, по которому проходит газ или жидкость.

До недавнего времени ПРТ изготавливались флюсовой пайкой в печах и погружением в расплавленную соль (во флюсовых ваннах). Промышленная технология пайки ПРТ во флюсовых ваннах была освоена в ОАО "Криогенмаш" и обеспечивала высокое качество паяных соединений крупногабаритных пакетов ПРТ. Протяженность паяных швов в таких аппаратах составляет сотни километров, вес - несколько тонн.

К недостаткам способа пайки ПРТ во флюсовых ваннах относятся:

- высокая стоимость флюсов;

- большая энергоемкость процесса;

- сложность удаления остатков коррозионно-активного флюса из каналов пакета после пайки;

- невозможность изготовления ПРТ с максимальной компактностью насадок;

- экологические проблемы, включая утилизацию значительных количеств отработанного флюса;

- коррозия технологического оборудования и оснастки.

В последние годы в промышленно развитых странах крупногабаритные ПРТ изготавливают вакуумной пайкой, которая по сравнению с пайкой во флюсовых ваннах лишена отмеченных недостатков и практически полностью вытеснила флюсовую пайку ПРТ. В России технология вакуумной пайки применяется при изготовлении ПРТ относительно небольших размеров и потому непригодных для ВРУ. Комплектование ВРУ импортными теплооб

Рис. 1.1. Пластинчато-ребристый теплообменник: 1- вход, 2- выход, 3-впускное отверстие, 4 - коллектор, 5 - монтажные пластины, 6 - распределительная насадка, 7 - теплопередающая насадка, 8 - монтажные пластины для переноски, 9 - брусок, 10- проставочный лист, 11 - покрывной лист менниками требует значительных средств. Кроме того, отсутствие собственного производства крупногабаритных ПРТ ставит развитие отечественной криогенной техники в зависимость от зарубежных фирм.

Несмотря на неоспоримые преимущества вакуумной пайки, экспериментальные работы и производственный опыт по пайке ПРТ выявили определенные недостатки и этого процесса. Основными из них являются:

- более продолжительный по сравнению с пайкой в солевых расплавах нагрев конструкции;

- необходимость периодической очистки камеры пайки и вакуумного оборудования от конденсата паров магния, в присутствии которых осуществляется пайка.

Увеличение термического цикла нагрева приводит к растворению (эрозии) тонкостенной насадки в расплаве припоя. Конденсат магния снижает интенсивность теплоизлучения нагревателей и не позволяет получать необходимую для пайки степень разрежения в камере.

Внедренные в производство ПРТ специальные металлургические и технологические приемы по устранению этих недостатков способствовали в какой-то степени улучшению ситуации, но не изменили ее кардинально.

Поэтому поиск и разработка новых более эффективных технологий, обеспечивающих качественное изготовление паяных ПРТ является своевременным и актуальным.

Настоящая работа относится к приоритетным направлениям развития науки и техники России, а ее экологические аспекты - к направлению критических технологий федерального уровня. Она выполнена в соответствии с Государственной научно-технической программой "Технология, машины и производство будущего" (проект 0.06.02.004Т), утвержденной Министерством науки и высшей школы Российской федерации 25.05.92 и непосредственно связана с решением проблемы создания и организации производства ПРТ для криогенной техники.

2. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

8. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Впервые проведены систематические исследования физико-химических процессов, участвующих в формировании паяных соединений алюминиевых сплавов при нагреве в среде аргона. Изучено влияние на качество паяных соединений ПРТ состава газовой среды, установлены температурно-временные режимы термической дегазации конструкционных материалов ПРТ, камеры пайки, сборочно-паяльных приспособлений и параметры нагрева, обеспечивающие необходимые и достаточные условия для формирования качественных соединений. Показано, что такие условия реализуются, когда нагрев пакета ПРТ производится в присутствии титана, выполняющего в атмосфере аргона функции геттера.

Выявлены закономерности окисления компактного и пористого титана в атмосфере аргона. Показано, что в присутствии пористого титана, являющегося более эффективным геттером, нагрев ПРТ в интервале температур пайки протекает в практически безокислительной атмосфере. Это позволяет получать паяные соединения с прочностью на срез 85 - 90 МПа, т.е. выше прочности соединений, паянных в вакууме.

Исследованы процессы взаимодействия расплавленного припоя с основным металлом и показано, что действенным средством уменьшения растворения тонкостенной насадки в припое при пайке крупногабаритных ПРТ является регламентирование толщины плакированного слоя припоя на проставочных листах.

Установлено, что при выбранном конвективно-радиационном способе нагрева ПРТ в термовакуумной камере со встроенными аэродинамическими нагревателями аргона, доля конвективного теплообмена при нагреве пакета уменьшается с ростом температуры и в интервале температур пайки нагрев идет, в основном, за счет теплообмена излучением. Это позволило разработать наиболее рациональный термический цикл нагрева пакетов ПРТ, состоящий из нескольких этапов нагрева и вакуумирования камеры, обеспечивающих минимальный перепад температур в объеме пакета, необходимый состав атмосферы в камере и сокращение как общей продолжительности технологического процесса пайки, так и времени контакта паяемого металла с припоем.

На основе результатов исследований различных способов химической подготовки поверхности алюминиевых сплавов к пайке разработана новая экологически чистая технология подготовки поверхности с использованием нетоксичных, взрывопожаробезопасных, полностью биоразлагаемых очистителей. Эта технология наряду с качественным обезжириванием поверхностей и удалением оксидных пленок выгодно отличается от общепринятых щелочного и кислотного способов минимальным растворением металла при травлении, что приводит к повышению прочности ПРТ.

С учетом принципа совместимости конструкции, материалов и технологии рекомендованы наиболее благоприятные сочетания материалов при пайке ПРТ в среде аргона. Проставочные листы должны изготавливаться из сплава АМцПС с толщиной плакирующего слоя 80 - 120 мкм; насадка - из ленты сплава АМц; бруски - из сплава АД 31. На изготовление и поставку указанных материалов согласованы с металлургическими предприятиями России соответствующие технические условия.

На основе результатов исследований процессов дегазации материалов пакета, камеры, сборочно-паяльного приспособления и геттера с учетом данных по формированию паяных соединений деталей ПРТ, подготовленных к пайке в растворах экологически чистых очистителей, микроструктуры и прочности паяных соединений, математической модели нагрева крупногабаритных ПРТ разработаны новая технология их пайки (патент 2124971, кл. В 231/012, 1999, БИ № 2) и уникальный паяльный агрегат, позволяющий осуществлять пайку пакетов ПРТ размерами до 3000x1200x1100 мм.

93

По сравнению с вакуумной пайкой при сопоставимых показателях качества ПРТ, пайка в среде аргона благодаря сокращению термического цикла более производительна, менее энергоемка, не требует применения сложнолегированных припоев, очистки камеры и вакуумного оборудования от сконденсированного магния.

В ОАО"Криогенмаш" создано специализированное производство ПРТ, оснащенное необходимым технологическим и испытательным оборудованием. В период с 1994 по 1999 г. изготовлено более 150 ПРТ, которые в составе ВРУ поставлены на предприятия России и за рубеж.

Годовой экономический эффект от внедрения в ОАО"Криогенмаш" новой технологии изготовления ПРТ только за счет исключения флюса и снижения энергозатрат составляет 3468798,9 руб.

1. Лашко Н.Ф., Лашко СВ. Пайка металлов. М.: "Машиностроение", 1977, 328 с.

2. West E.G. Resistance Welding brazing of aluminium alloys. Sheet Metal Industry, 1945, 22, № 2, p. 98 104.

3. Jordan M.F., Milner D.R. The removal of oxide from Aluminium by brazing fluxes. J. Inst. Met, 1956, 85, № 2, p. 315 316.

4. Лоцманов C.H. Паяние алюминия и его сплавов. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. М.: ВВИА им. Жуковского, 1951, 193 с.

5. Лоцманов С.Н.Пайка алюминия и его сплавов. М.: "Оборонгиз", 1949, 12 с.

6. Лоцманов СП., Петрунин И.Е., Николаев Г. А. Пайка металлов. М.: "Металлургия", 1973, 280 с.

7. Фролов В.П. Скоростная высокопрочная пайка деталей из алюминия и его сплавов. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. М.: ВВИА им. Жуковского, 1952, 189 с.

8. Сторчай Е.И. Флюсовая пайка алюминия. М.:"Металлургия", 1980,124 с.

9. Сторчай Е.И. Кинетика и механизм процесса флюсования при пайке алюминиевых сплавов погружением в расплавы хлоридно-фторидных солей. Автоматическая сварка, 1975, № 1, с. 36 39.

10. Сторчай Е.И. Механизм процесса флюсования при пайке алюминиевых сплавов погружением в расплавы хлоридно-фторидных солей. Сварочное производство, 1975, № 4, с. 55 56.

11. Сторчай Е.И., Баранов Н.С. Пайка конструкций из алюминия и его сплавов в криогенной технике. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1977, 27 с.

12. Никитинский A.M. Пайка алюминия и его сплавов. М.: "Машиностроение", 1983, 190 с.

13. Никитинский A.M. Теоретические основы и технология флюсовой пайки алюминия и его сплавов в печах. Диссертация на соискание ученой1—' с» "1—' с» Uстепени д.т.н. 1 орький, 1 орьковский политехнический ин-т им. А.А.Жданова. 1985, 444 с.

14. Лашко Н.Ф., Лашко СВ. Вопросы теории и технологии пайки. Саратов. Изд. Саратовского университета, 1974. 248 с.

15. Суслов А.А., Ермолаев В.А., Лоцманов СП. Пайка алюминиевых сплавов в парах магния.- В кн.: Пайка в промышленности. МДНТП, 1970. с. 87 94.

16. Crebec D.K., Ball J., Field D.J. A mechanistic study of aluminium vacuum brazing. "SAE Techn. Pap. Ser.", 1987, № 870185, p. 1 8.

17. Патент 396354 (США) Brazing materials. Singleton Ogle R.- Заявл. 10.12.74; опубл. 15.06.76; Приор. № 531391; МКИ В 32 b 15/20; НКИ 29 -197,5.- Пайка материалов.

18. Werner W.J., Slaughter G.M., Gurtner F.B. Development offiller metals and procedures for vacuum of aluminium Welding Journal, 1972, 51, №2. p. 64 - 70.

19. Патент 3963453 (CIIIA) Brazing materials. Singleton Ogle R.- Заявл. 10.12.74; опубл. 15.06.76; Приор. № 531393; МКИ В 32 b 15/20; НКИ 29 -197,5.-Пайка материалов.

20. Kavase Hirashi. Japan Lidht Metal Welding, 1973, 11, № 123, p. 115 124.

21. Me Gurran В., Nicholas M.G., Karlsson A. Factor influencing surface behaviour of aluminium brazing alloys. "Alum. ТесЬпоГ86". Proc. Int. Conf, London, 11-13 March, 1986. London, 1986, p. 520 536.

22. Jmaizimi S. Кэйкиндзоку ёсэцу. Journal Light Metal Welding and Construction, 1976, 14, № 12. p. 569 - 581.

23. Kurachi Teruo, Jvafaki Shosuke, Abiko Tetsuo. Alum. Weldments J.V.: Proc. 4th Jnt. Conf Alum. Weldments, Tokyo Apr. 1988 Tokyo, 1988, p. 1 - 101.

24. КаЬасэ Xupocu "KaMkudsoky ёсэцу". J. Lidht Metal Weld and Constr.", 1985, 23, № 9, p. 392 399.

25. Kanda Kumiaki, Sato Rinzo, Shimoh Johichi и др. Establishment of Vacuum brazing process of large size ALEX "КоЬэ сэйко гихо, Kobe Steel Eng. Repts, 1987, 37, № 4, p. 85 88.

26. Березников Ю.И. Современные процессы пайки алюминиевых конструкций. М., ЦИНТИХРШНЕФТЕМАШ. Сер. ХМ-9, Технология химического и нефтяного машиностроения и новые материалы. 61с.

27. Torna Кэн, Acano Macagso, Инта Macanao, Такэути Cegsu; Мазубиси пруманиуму к.к. Патент 62-54592, Япония. Заявл. 02.09.85, № 60192071, опубл. 10.03.87. МКИВ 23 К 35/00.

28. Shoer Н. Aluminium brazing alloys for fluxless brazing of aluminium. Light Metals, 1989: Proc Techn. Sess. TMS Lidht Metals Comm. 118 TMS Annu. Meet. Las Vegas, Nov., Febr. 27 March 3, 1989.- Warrendale, 1988 (1989), p. 699 - 702.

29. Tohma K., Takenchi V. Development of sagging resistant brazing sheet for fm of aluminium heat exchangers. "Alum. Technol.'86: Proc. Int. Conf, London, 11-13 March, 1986". London, 1986, p. 537 540.

30. Jtoh Vasunaga, Namba Keizo. Sumitomo Light Metal. Techn. Repts,-1989, 30, №2, p. 53 113.

31. Tohma Ken, Asano Masami, Takcuchi Y. "Kaiikungsoky. J. Jap. Inst. Light Metals" 1987, 37, № 2, p. 119 -126.

32. Shaфles P. Aluminium Brazing Problems Due to Grain Size Welding J., 1975, 54, №3, p. 164- 169.

33. By D.J. Schwatz. Grain Bounday Penetration During Brazing of Aluminium. Welding Journal, 1983, 62, № 10, p. 267-s-271-s.

34. A.c. 247024 (СССР). Припой для пайки алюминиевых сплавов.-Заявл. 12.04.68; опубл. 05.11.69; МКИВ К 26/01.

35. Efchells J.V., Roberts P.M. Brazing furnaces. Weld and Metal. Fabr., 1991, 59, №6, с. 300 312.

36. Vakuum Kammerofen zum Hartloten von Aluminium bauteilen. "Aluminium", 1986, 62, № 9, c. 647.

37. Wang Zhiming //Цзиньшу жэчули. Heat Treat. Met., 1990, № 3, с. 50 55.

38. Сторчай Е.И., Куколев E.H. Влияние величины зазора и состава флюсовой ванны на капиллярное течение припоя при пайке алюминия. Автоматическая сварка, 1978, № 1, с. 65 68.

39. Schoer H. Hartloten von Konstraktionen aus Aluminium Werkstoffen. Bander Bleche Rohre, 1986, 27 № 4, c. 72 74.

40. Смирнов Г.Н. Прогрессивные способы пайки алюминия "Металлургия" М., 1981. 240 с.

41. Патент Японии. Заявитель Мицубиси алуминиуму к.к., Тюгайро когё К.К. Заявка № 61-19357, опубл. 86.05.16, № 2-484.

42. Лашко СВ., Лашко Н.Ф., Уполовникова Г.Н. Контактно-реактивное активирование алюминиевых сплавов при высокотемпературной пайке в безокислительной среде.- Автоматическая сварка, 1975, № 8, с. 27 30.

43. Долгов Ю.С., Сидохин Ю.Ф. Вопросы формирования паяного шва. М., "Машиностроение", 1973, 136 с.

44. Лашко СВ., Лашко Н.Ф. Контактные металлургические процессы при пайке. М. "Металлургия", 1977, 192 с.

45. Суслов A.A. Высокотемпературная бесфлюсовая пайка алюминиевых сплавов в вакууме.- В кн. Производство паяных конструкций и стандартизация технологических процессов пайки. М., 1975, с. 155 167.

46. Перевезенцев Б.Н., Соколова Н.М., Телицина Г.А. Активирование поверхности при вакуумной пайке алюминия. Сварочное производство, 1996, №2, с. 4-5.

47. Григорьев Г.А., Березников Ю.И. и др. Метод определения качества подготовки поверхности изделия под пайку и паяемости металлов. В сб. Технология и оборудование высокотемпературной пайки. М., МДНТП, 1973, с. 36 -39.

48. Rawaze H. Кэйкиндзоку ёсэцу Japan Light Metal WeldingA 1973, № 5, p. 127 133.

49. Schmatz Duane J., Winterbottom Walzer L. Fluxless brazing of aluminium in inert gas. Патент США, кл. 228/217 (В 23 К 1/19) № 4240574, заявл. 14.03.78, № 885911, опубл. 23.12.80.

50. Haffori Takeshi, Sakai Shigeo Мицубиси дзюко гихо. 1989, 26. № 5, с. 454 458.

51. Дэшман С. Научные основы вакуумной техники. М.: изд-во Мир, 1964, 740 с.

52. Черепнин Н.В. Основы очистки, обезгаживания и откачки в вакуумной технике. М.: изд-во Советское радио, 1967, 408 с.

53. Сторчай Е.И. Применение омическо-емкостного метода для исследования процесса флюсования. "Сварочное производство", 1975, № 6, с. 45 47.

54. Кубашевский О., Гобкинс Б. Окисление металлов и сплавов. Изд-во "Металлургия", М. 1965, 247 с.

55. Попов Н.Ф. Нераспыляемые газопоглотители. Л., Энергия, 1975,155 с.

56. Пульцин Н.М. Взаимодействие титана с газами. М.: изд-во Металлургия, 1969, 216 с.

57. Максимович Г.Г., Федирко В.Н., Спектор Я.И., Пичугин А.Т. "Термическая обработка титановых и алюминиевых сплавов в вакууме и инертных средах" Киев: Наукова думка, 1987.- 184 с.

58. Максимович Г.Г., Федирко В.П., Лукьянченко А.Г. Кинетика процессов газонасыщения и сублимации титановых сплавов в вакууме при температурах 1123 и 1273 К.- Физ.-хим. Механика материалов, 1985, № 1, с. 36 -39.

59. Дьячков В.И., Лешке Н.Г., Сыщиков В.И. Кинетика окисления сплава титана ПТ-7М в статической атмосфере аргона технической чистоты.-ж. прикл. химии, 1981, 14, вып. 1, с. 247 251.

60. Пичугин А.Т. Высокотемпературный отжиг титановых сплавов в статической атмосфере аргона технической чистоты.- В кн. Материалы XI конференции молодых ученых ФМИ АН УССР. Секция ФХММ, Львов, 1983, с. ИЗ.

61. Wieting J.K. Empirical correlations for heat transfer and flow friction characteristics of rectangelar off-setfm plate-fm heat exchangers. J. Heat Transfer,1875, 97, p. 488-491.

62. Гухман A.A. Интенсификация конвективного теплообмена и проблема сравнительной оценки теплообменных поверхностей. Теплоэнергетика, 1997, № 4 , с. 5-8.

63. Никитинский A.M., Челышев В.Б., Ванюшкина Н.М. Подготовка поверхности алюминия и его сплавов под пайку и сварку в кислотных растворах. Сварочное производство, 1967, № 9, с. 33 35.

64. Никифоров Г.Д. Металлургия сварки плавлением алюминиевых сплавов. М.: Машиностроение, 1972, 264 с.

65. Канда К., Сато Р. Разработка процесса вакуумной пайки пакетов крупных теплообменников ALEX. / Перевод ВЦП, № С 56110, 1989 - (из журнала RD Кове Сейко Гихо, 1987, V. 37, № 4, р. 85 - 88).

66. Тевис П.И., Ананьев В.А., Крюков В.М. "Рециркулярные нагревательные установки типа UAW Часть III. НИИИНФОРМТЯЖМАШ. Москва, 1970, 72 с.

67. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. "Теплопередача" М.: Энергия, 1975, С.416.

68. Крейт Ф., Блек У. "Основы теплопередачи" М.: Мир, 1983, с.512

69. Способ бесфлюсовой пайки алюминиевых изделий. Патент на изобретение JNo 2124971, кл В 23 К 1/012, зарегистрирован в Государственном реестре изобретений РФ г.Москва, 20 января 1999 г., БИ № 2, 1999.