VYPRACOVÁNÍ METODIKY TESTOVÁNÍ SMALTOVANÝCH POVRCHŮ PRO POUŽITÍ DO
KRYOGENNÍCH TEPLOT
Diplomová práce
Studijní program: N2301 – Strojní inženýrství
Studijní obor: 2301T048 – Strojírenská technologie a materiály Autor práce: Bc. Lukáš Němeček
Vedoucí práce: Ing. Jaromír Moravec, Ph.D.
Liberec 2015
2
Prohlášení
Byl jsem seznámen s tím, že na mou diplomovou práci se plně vzta- huje zákon č. 121/2000 Sb., o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.
Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé diplomové práce pro vnitřní potřebu TUL.
Užiji-li diplomovou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tom- to případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.
Diplomovou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím mé diplomové práce a konzultantem.
Současně čestně prohlašuji, že tištěná verze práce se shoduje s elek- tronickou verzí, vloženou do IS STAG.
Datum:
Podpis:
Poděkování
Touto cestou bych chtěl poděkovat vedoucímu mé diplomové práce panu Ing. Jaromíru Moravcovi, Ph.D. za trpělivost a cenné rady při tvorbě mé diplomové práce.
Rovněž bych chtěl poděkovat Ing. Františku Jonákovi z firmy TENEZ, a.s. za připomínky a konzultace a Elišce Němečkové za gramatickou korekturu.
Na závěr děkuji všem, kteří se podíleli menší či větší měrou na mé diplomové práci.
Diplomová práce vznikla na základě finanční podpory projektu studentské grantové soutěže /SGS 21005/ ze strany Technické univerzity v Liberci v rámci podpory specifického vysokoškolského výzkumu.
Abstrakt
Cílem předložené diplomové práce je výzkum chování a návrh metodiky testování smaltového povrchu v záporných teplotách. Testování je zaměřeno na odolnost smaltového povrchu při různých rychlostech ochlazování. Získané poznatky jsou určeny pro společnost TENEZ a.s, pro kterou je tato diplomová práce zpracována.
Práce je koncipována do dvou základních částí teoretické a praktické.
Jedná se o teoretickou část a praktickou část. V teoretické části je popsána problematika smaltů, způsob nanášení jednotlivých vrstev smaltu, vypalování smaltu, ale také zkoušky odolnosti takto vytvořených vrstev. Dále zde jsou popsány další informace potřebné k porozumění dané problematiky.
Praktická část je věnována vlastnímu experimentu. Experiment je zaměřen na návrh zařízení pro podchlazení vzorku, na návrh tvaru testovaného vzorku, na návrh metodiky testování a na vlastní realizaci experimentů. Podmínky testování smaltovaného povrchu simulují reálné podmínky při nasazení v praxi.
KLÍČOVÁ SLOVA: Smaltovaný povrch, kryogenní teplota, ocel P235GH.
Abstract
The objective of this thesis is to design a methodology for enamel surfaces testing at negative temperatures. The testing will focus on enamel surface stability at various cooling rates. The obtained knowledge and this thesis are intended for company TENEZ a.s.
The thesis consists of two parts – theoretical and practical. The theoretical part describes enamel as such, application of individual enamel layers, its baking, thermal expansion, enamel resistance testing, etc. It also provides additional information required for understanding the given issue.
The practical part deals with the performed experiment. The experiment has focused on designing the equipment for specimen cooling, testing methodology, and on executing the experimental work. The enamel surface test conditions simulated the real conditions in practical application.
KEYWORDS: Enamel surface, cryogenic temperature, steel P235GH.
Rozsah práce:
Počet stran: 66 Počet tabulek: 8 Počet příloh: 10 Počet obrázků 31
1
Obsah
1. Úvod ... 4
2. Teoretická část ... 5
2.1 Smalt ... 5
2.2 Tepelná vodivost smaltu a ocelí ... 6
2.3 Tepelná roztažnost smaltu a ocelí ... 7
2.4 Vady smaltu ... 8
2.4.1 Koroze smaltového povrchu ... 9
2.4.2 Oprava vad smaltového povrchu ... 11
2.5 Druhy smaltu ... 12
2.6 Podkladové oceli pro smaltování ... 15
2.7 Technologie smaltování ... 16
2.8 Povrchové úpravy kovu před nanesením smaltu ... 17
2.9 Smaltéřské frity ... 18
2.10 Příprava suspenze smaltu ... 19
2.10.1 Nanášení smaltu ... 20
2.10.2 Sušení smaltu ... 22
2.11 Vypalování v peci ... 22
2.11.1 Kontrola a měření smaltu ... 24
3. Praktická část diplomové práce ... 28
3.1 Plán experimentů ... 28
3.2 Návrh zkušebního zařízení pro ochlazování pomocí tekutého dusíku ... 29
3.3 Návrh tvaru testovaného vzorku ... 32
3.4 Zařízeni pro měření a vyhodnocování ... 35
3.5 Příprava experimentálních měření ... 38
3.6. Realizace experimentálních měření ... 39
3.6 Vyhodnocení experimentu ... 46
4. Závěr ... 53
5. Seznam použité literatury ... 55
6. Obsah příloh ... 56
6.1 Příloha 1 – Schéma konstrukce testovací komory ... 57
2
6.2 Příloha 2 – TEST 1 ... 58
6.3 Příloha 3 – TEST 2 ... 59
6.4 Příloha 4 – TEST 3 ... 60
6.5 Příloha 5 – TEST 4 ... 61
6.6 Příloha 6 – TEST 5 ... 62
6.7 Příloha 7 – TEST 6 ... 63
6.8 Příloha 8 – TEST 7 ... 64
6.9 Příloha 9 – TEST 8 ... 65
6.10 Příloha 10 – TEST 9 ... 66
3
Seznam symbol ů a zkratek
∆X změna délky (rozměru) [m]
Xo původní délka (rozměru) [m]
ɣ koeficient délkové roztažnosti [T-1]
∆T změna teploty [T]
∆V změna objemu (rozměrů) [m3]
Vo původní objem [m3]
β koeficient objemové roztažnosti [T-1]
Tn neutrální teplota (σ = 0) [°C]
Tg teplota zeskelnění (σ≠ 0) [°C]
λ součinitel teplotní vodivosti [W.m-1K-1] v rychlost ohřevu a ochlazení [°C.min-1]
dT diferenciál teploty [°C]
dt diferenciál času [min.]
4 1.
Úvod
V celém světě se dnes hledají materiály, které by byly schopné odolávat stále se zvyšujícím nárokům a požadavkům kladeným v chemickém a farmaceutickém průmyslu. Jde především o materiály schopné odolávat a spolehlivě pracovat ve zvlášť agresivním prostředí. Smaltované povrchy lze do této oblasti bezesporu zařadit. Tyto povrchy musí splňovat množství specifikací a norem. Jedním z hlavních kriterií je chemická odolnost povrchu. Neméně důležitá je i kompaktnost celého povrchu. Bez kompaktnosti povrchu by mohlo snadno dojít k chemickému napadení základního (nosného) materiálu. Zvyšující se nároky na odolnost těchto vrstev, přikládají vývoji v této oblasti stále větší význam, zejména u smaltovaných povrchů, které se již v chemickém a farmaceutickém průmyslu velmi dobře osvědčily.
Tradiční výrobce smaltovaných povrchů TENEZ a.s., Chotěboř se dlouhodobě zabývá vývojem a aplikací těchto povrchů v různých odvětvích. Vývoj je zaměřen především na chemickou odolnost uvedeného smaltu a na odolnost při teplotním namáhání. Při příliš vysokých teplotních gradientech mezi smaltem a základním materiálem může docházet ke vzniku prasklin, odlupování povrchu apod. Při schopnosti odhadnout nebezpečí výskytu vad, lze při uvedení do praxe předejít provoznímu poškození. Tvar a velikost poškození rozhoduje o tom, zdali vada je přípustná či nikoliv. Oprava poškozených míst je nákladná a často ji nelze provést přímo u zákazníka. V krajních případech se zařízení musí demontovat a převést k opravě zpět k výrobci. Takováto oprava je z pohledu zákazníka mnohdy nepřijatelná z důvodu odstávky ve výrobě. Z uvedených důvodů se tato diplomová práce zabývá testováním povrchů z hlediska teplotních rázů, tak aby bylo možné objektivně zhodnotit, jak vysoké teplotní gradienty je daný typ smaltu schopen vydržet bez poškození. Navržená metodika měření bude sloužit společnosti TENEZ a.s. jako ukazatel možnosti použití daných smaltů v konkrétních aplikacích. V konečném důsledku dojde k definování bezpečných provozních podmínek smaltovaných nádrží pro použití při velmi nízkých teplotách.
5 2.
Teoretická č ást
Teoretická část je věnována seznámení čtenáře s tím co je to smalt, jak se nanáší, jaké je složení jednotlivých vrstev smaltu, jak dochází k jeho vytvrzování, nebo k jeho opravám, případně k možnostem aplikačního použití. Jednoduše řečeno, v této části jsou shrnuty všechny podstatné informace, které je vhodné znát pro správné pochopení experimentální části.
2.1 Smalt
Smalt je anorganická látka na bázi skla. Struktura smaltu je velmi blízká struktuře skla. Smalt je stejně jako sklo amorfní látka na bázi křemíku. Základní stavební jednotka je tvořena tetraedry složených z oxidu křemíku (SiO4). Dále se zde vyskytují další důležité prvky, jako jsou například sklotvorné prvky: bor, germanium, fosfor apod. Všechny tyto prvky na sebe váže kyslík, který vytváří sloučeniny (pojivo). Vazební pevnost kyslíku s jednotlivými prvky je rozhodující pro stabilitu a vlastnosti smaltu. Prvky můžeme rozdělit do tří skupin [1]:
• Sklotvorné – jedná se o prvky, které jsou schopny tvořit (napomáhat) vytvoření určité struktury. Tyto prvky jsou tvořeny především na bázi oxidů.
• Intermediální - tyto prvky netvoří smalt, ale především zpevňují strukturu.
Jedná se o hliník a beryllium apod.
• Pozměňující – (modifikátory) tyto prvky pozměňují vlastnosti smaltu. Jsou volně rozmístěné ve struktuře smaltu. Jde především o alkalické kovy a alkalické zeminy.
Atomy kyslíku tvoří ve struktuře spojující vazbu mezi křemíkem a kyslíkem (Si–
O–Si nebo Si–O–A), kde A představuje sklotvorný prvek. Atomy kyslíku tvoří základní pojivo mezi stavebními jednotkami smaltu. Tato síť se vytváří téměř v celém objemu. Nebezpečí se skrývá u prvků sklotvorně neaktivních. Takovéto vazby představují nebezpečí nehomogenity smaltu. Zástupcem je například vazba (Si–O–Na), nebo vazby s prvky alkalických zemin jako jsou Li, Ba, Ca, K apod.
[1,2]
Smalt obsahuje velké množství prvků. Mezi nejdůležitější z nich patří prvky jako jsou Si, B, P, Ge, Ti, Sn, V, Sb, Mo, Pb, Al, Zr a mnoho dalších. Každý z těchto prvků svým procentuálním podílem mění vlastnosti smaltu. Těmito
6
vlastnostmi se rozumí: schopnost vytvoření souvislé vrstvy smaltu při nanášení, teplota vypalování v peci apod. [2]
2.2 Tepelná vodivost smaltu a ocelí
Tepelná vodivost smaltů a jejich materiálových podkladů je velice důležitá.
Právě na jejich rozhraní dochází díky nestacionárním teplotním polím ke vzniku napětí mezi základním materiálem a smaltem. Důležité je proto určit, jaké rychlosti ohřevu a ochlazování jsou pro daný systém ještě únosné, aniž by došlo k poškození smaltovaných povrchů.
Pevnou látkou se teplo šíří vedením neboli kondukcí. Přenos probíhá do té doby, dokud nedojde k vyrovnání teplot. Přenos je realizován pomocí kmitajících částic. Částice s vyšší teplotou a tedy vyšší kinetickou energii rozkmitávají částice ve svém okolí a tím dochází k předávání energie (tepla). Vedení tepla probíhá všemi směry. Protože je teplotní součinitel vodivosti λ pro každý materiál jiný, rozdělují se jednotlivé materiály na tepelně vodivé a izolanty. Dále se vedení tepla rozděluje na [3]:
Stacionární vedení tepla – teplotní pole je v celém objemu homogenní a mění se pouze v čase.
Nestacionární vedení tepla – teplotní pole není v celém objemu homogenní a v čase se mění.
Obr. 1 Součinitel teplotní vodivosti λ v závislosti na tloušťce a druhu materiálu [1].
7
Na obrázku 1 jsou uvedeny hodnoty teplotní vodivosti pro různé materiály v závislosti na druhu a tloušťce materiálu. Přičemž křivka 1 je pro ocel s vrstvou pryže tloušťky 5mm, křivka 2 pro ocel s vrstvou plastu tloušťky 1mm, křivka 3 je pro litinu se smaltovanou vrstvou o tloušťce 1mm, křivka 4 pro ocel s vrstvou smaltu o tloušťce 1mm. Křivka 5 je pro chromniklovou ocel, křivka 6 je pro olovo a křivka 9 je pro běžnou uhlíkovou ocel. Křivky 7 a 8 jsou pro uhlíkovou ocel s připlátovanou nerezovou ocelí o tloušťce 1mm, respektive 3 mm.
2.3 Tepelná roztažnost smaltu a ocelí
Tepelná roztažnost je schopnost těles měnit své rozměry (objem) při změně teploty. Většina látek v technické praxi se při zahřátí rozpíná. Pro zjednodušení se předpokládá rovnoměrné rozpínání těchto látek v závislosti na počáteční velikosti.
Rovnoměrné rozpínání materiálu nelze uvažovat u nehomogenního teplotního pole. Tato nehomogenita je zapříčiněna nerovnoměrným ohřevem nebo ochlazováním tělesa. Zároveň zapříčiňuje napětí v materiálu. Napětí jsou zvlášť nebezpečná u velkých součástí, kde nelze zajistit homogenní teplotní pole. Od povrchu tělesa směrem k jádru klesá ohřívací nebo ochlazovací rychlost. [4,5]
Délková tepelná roztažnost je definována vztahem (1):
(1)
Kde je: ∆X změna délky (rozměru) [m]
Xo původní délka (rozměr) [m]
ɣ koeficient délkové roztažnosti [T-1]
∆T změna teploty [T]
Změna délky (přírůstek) je tedy přímo úměrná velikosti původní délky, koeficientu délkové roztažnosti a změně teploty. Změna teploty je definována jako původní teplota odečtená od cílové teploty [4,5].
Objemová tepelná roztažnost je definována vztahem (2):
(2)
Kde je: ∆V změna objemu (rozměrů) [m3]
Vo původní objem [m3]
β koeficient objemové roztažnosti [T-1]
8
∆T změna teploty [T]
Změna objemu (přírůstek) je tedy přímo úměrná velikosti původního objemu, koeficientu objemové roztažnosti a změně teploty. Změna teploty je definována jako původní teplota odečtená od cílové teploty [4,5].
2.4 Vady smaltu
Tak jako u každého materiálu, také u smaltu se vyskytují různé vady. Vady ve smaltu vznikají nejčastěji v důsledku špatně nastavených technologických parametrů, volbou nevhodného základního materiálu, nebo vadám na jeho povrchu, špatným zvolením druhu smaltu apod. Vady narušují, nebo zcela porušují homogenitu povrchu. Nehomogenní povrch nelze s jistotou považovat za povrch dlouhodobě odolný z pohledu chemického a tepelného namáhání. Vady ve smaltech je možné rozdělit do dvou kategorií [1,2,6]:
Přípustné vady – jsou takové vady, které nemají vliv na bezpečnost a požadovanou životnost smaltové vrstvy u daného produktu.
Nepřípustné vady – jedná se o vady, které výrazným způsobem snižují bezpečnost a životnost smaltové vrstvy.
Přehled jednotlivých druhů vad [1,7]:
Rybí šupina – rybí šupina narušuje homogenitu a přilnavost smaltu a základního materiálu. Nehomogenita je způsobena volným vodíkem. Tyto vady jsou nepřípustné. Vady vznikají v důsledku vzdušné vlhkosti v prostoru pece, pozůstatky povrchových úprav (po moření) apod.
Vada vzniká při vypalování v peci. Volné atomy vodíku difundují do krystalické mřížky základního materiálu. Difuze probíhá do té doby, než systém dosáhne rovnovážného stavu. Po vyjmutí z pece dojde k opačné reakci. Volné atomy vodíku se začnou shlukovat kolem drobných vad na povrchu kovu. Tyto atomy se spojí ve větší molekuly. S nabývajícím počtem molekul se začíná zvyšovat tlak na spojení smaltu a základního materiálu.
V konečném důsledku této vady může dojít k popraskání nebo odloupnutí smaltu. Tato vada se může projevit okamžitě, nebo až v období několika týdnů.
9
Bublinky – jedná se o drobná vyvýšená místa, vytvořená vznikajícími plyny. Tyto plyny jsou zapříčiněny nečistotami základního materiálu (např.:
po moření, po svařování apod.). Vady mohou vznikat i pří nanášení suspenze smaltu.
Nedostatečná soudržnost smaltu se základním materiálem – jde o vadu, která se vyznačuje malou přídržnou silou základního materiálu a smaltové vrstvy. Je zapříčiněna převážně špatnou úpravou základního materiálu, tloušťkou nanesené vrstvy, nebo špatným vypálením smaltové vrstvy v peci.
Pomerančová kůra – u této vady se nejedná o porušení kompaktnosti smaltové vrstvy. Ale vyznačuje se drobnými odchylkami v tloušťce nanesené vrstvy smaltu. Porucha vzniká v důsledku nesprávného nanesení smaltové vrstvy (např.: špatným nástřikem).
Krátery – jedná se o vadu tvořenou drobnými prohlubněmi na povrchu smaltové vrstvy. Krátery jsou pozůstatky drobných bublinek. Velikost kráteru se mění v závislosti na množství vznikajících plynů.
Póry – póry jsou mikroskopické i makroskopické trhliny. Příčinou jejich vzniku jsou jednotlivé vady základního materiálu. Vznik pórů lze nejen připisovat zbytkovému napětí v základním materiálu, ale i drobným trhlinám.
Vodní pás – jde o vadu poškozující vzhled smaltované vrstvy. V krajních případech může dojít i k změně barvy smaltu. Tato vada je zapříčiněna nesprávným procesem sušení.
Přepalování smaltu – vada porušuje celistvost smaltové vrstvy. Vada je zapříčiněna nerovnoměrnou vrstvou smaltu při nanášení. Po vypálení vzniká v daném místě tzv. přepálený smalt.
2.4.1 Koroze smaltového povrchu
Koroze u smaltovaných povrchů se projevuje chemickým nebo fyzikálně- chemickým namáháním povrchu. Mezi fyzikální jevy patří například sluneční záření apod. Tyto jevy výrazně napomáhají celkovému zestárnutí a degradaci smaltové vrstvy. Korozi u smaltů můžeme rozdělit na [1,6,7]:
10 Korozi v kyselém prostředí
Nízkoteplotní koroze
Koroze v alkalickém prostředí
Koroze v prostředí vody a vodní páry Koroze v agresivních atmosférách
Koroze v kyselém prostředí se projevuje úbytkem tloušťky smaltové vrstvy.
Ztenčování smaltové vrstvy je dáno: teplotou, časovou expozicí vrstvy, koncentrací okolní atmosféry nebo kapaliny, prouděním okolní atmosféry nebo kapaliny. Na obrázku 2 je průběh závislosti úbytku plošné hmotnosti smaltu na čase pro různá prostředí.
Obr. 2 Průběh závislosti úbytku plošné hmotnosti smaltu na čase a prostředí pro 1) kyselé prostředí, 2) alkalické prostředí, 3) v horké vodě [1]
Nízkoteplotní koroze se projevuje ve zvlášť agresivních prostředích (páry kyselin). Je zapříčiněna poklesem teploty pod rosný bod. Pod rosným bodem se
11
z par začne vylučovat kondenzát kyselin. Dochází k postupnému rozrušování povrchu v důsledku cyklického namáhání.
Koroze v alkalickém prostředí. Alkalické prostředí je pro smalty mnohem agresivnější prostředí oproti prostředí namáhanému kyselinami. Toto prostředí je tím agresivnější, čím je vyšší teplota. Hydroxylové ionty napadají strukturu mřížky.
Při této reakci dochází k odlupování drobných částic. Při opakovaném namáhání dojde k rozrušení povrchu a následné destrukci.
Koroze v prostředí vody a vodní páry. Významný vliv při korozi ve vodním prostředí způsobuje hodnota pH vody. Dochází k rozrušování mřížky smaltu, přičemž se mírně mění hodnota pH vody. Při určitých zjednodušujících podmínkách se dá tento jev přirovnat k hydrolýze.
Koroze v agresivních atmosférách je speciálním případem koroze. Koroze je zapříčiněna kyselými plyny a rozpouštěcími solemi. Jednotlivými změnami v koncentraci atmosféry se mění namáhání povrchu. K tomuto namáhání se řadí i sluneční svit. Ultrafialová složka slunečního svitu degraduje povrch smaltu.
Působení ultrafialových paprsků na smalt může vést i k změně barevného odstínu smaltu.
2.4.2 Oprava vad smaltového povrchu
Nepřípustné vady smaltového povrchu se musí nutně opravit. Běžně se používají tři druhy oprav: pomocí tantalového šroubu, pomocí smaltovaného hříbku, lokálním přesmaltováním nebo přesmaltováním celého povrchu.
Tantalový šroub podložený teflonovým těsněním je spolehlivá lokální náhrada smaltovaného povrchu. Tantal a teflon mají podobnou chemickou odolnost jako smalt. Z tohoto důvodu se používají právě tyto materiály obr. 3.
Pro opravu větších vad se používá tzv. smaltovaný hříbek. Tento hříbek je rozměrově větší než tantalový šroub. Pro jeho utěsnění se využívá teflonová podložka. Takto opravený smaltový povrch má obdobné technické parametry jako neporušený homogenní smaltový povrch obr. 3. [1,4]
12
Obr. 3 Tantalový šroub a smaltovaný hříbek pro opravy smaltového povrchu [1]
Lokální oprava smaltované vrstvy vyžaduje demontáž celého zařízení - vybroušení poškozeného místa, opětovné přesmaltování vybroušeného místa s následným vypálením v peci. K opravě se používá speciální smalt, který má vlastnosti základového a krycího smaltu současně.
Další možností je oprava celého smaltovaného povrchu. Tato metoda je velice nákladná a vyžaduje přesmaltování celého povrchu s následným vypálením v peci. Pokud je povrch nádrže vlivem opotřebení neopravitelný, smalt se odstraní z celého povrchu. A nanesení jednotlivých vrstev se provede znovu. Jedná se o tzv. resmaltaci celého povrchu.
Plošnou opravu korozně zdegenerovaných povrchů nelze provést jinak než odstraněním všech starých smaltových vrstev a nanesením nových vrstev.
Životnost povrchů při korozním namáhání se přibližně odhaduje na 50 let, k poškození však dochází provozním opotřebením, nebo pádem nějakého předmětu na křehký smaltový povrch [1,8].
2.5 Druhy smaltu
Primární surovinou pro přípravu smaltu jsou takzvané smaltéřské frity.
Jedná se o anorganickou látku na bázi skla. Frita se skládá z křemene a dalších smaltéřských surovin. Tyto frity přichází do smaltovny ve formě granulátu k dalšímu zpracování. Chemická podstata granulovaných frit je určena povrchem,
13
na který se bude nanášet daný smalt. Na obrázku 4 je ukázáno základní rozdělení smaltů. [2,6]
Obr. 4 Základní rozdělení smaltů [1]
Ocel jako základní materiál pro smaltování [1,4,9]
Smaltování se běžně provádí ve dvou, nebo více vrstvách. První, případně druhou vrstvu tvoří základní smalt a druhou, nebo další vrstvy jsou tvořeny krycím smaltem. Použít lze také univerzální jednovrstvé smalty, které v sobě zahrnují vlastnosti základové i krycí vrstvy.
První základová vrstva smaltu je zpravidla tvořena oxidy kobaltu a niklu.
Funguje jako spojovací vrstva mezi základním materiálem a krycí vrstvou smaltu.
Základní vrstva není příliš odolná vůči chemickému namáhání a bývá obvykle tmavé barvy. Teplota vypalování základního smaltu se pohybuje kolem 900°C.
Tloušťka nanesené vrstvy se pohybuje v rozmezí 80 až 120 µm. V některých případech může být nanesená vrstva až do tloušťky 300 µm.
Krycí smalt je funkční vrstvou smaltu. Jedná se o vrstvu, která se nanáší na první základovou vrstvu smaltu. Tato vrstva je odolná vůči chemickému a mechanickému namáhání. Krycí vrstvy rozdělujeme do tří skupin na [2,6]:
• Smalty zakalené – jedná se o smalty, které si nesou své vizuální vlastnosti již z výroby frit. Není třeba je dále dobarvovat před smaltováním apod.
Jedná se o smalty titaničité nebo zirkoničité. Z větší části se jedná o barevné odstíny (modré, černé, hnědé apod.).
14
• Smalty polotransparentní – jedná se o smalty dodávané s jemnějším odstínem frit. Před nanesením smaltu je nutná úprava suspenze. Jednotlivé odstíny se upravují použitím různých přísad (barevných oxidů) při přípravě suspenze.
• Smalty transparentní – transparentní optické vlastnosti jsou již dány výrobcem frit. Transparentní smalt lze použít jako bezbarvý smalt.
V případě potřeby je možné tento smalt obarvit. Tento typ smaltu se vyznačuje vysokým leskem. Široká škála krycích smaltů umožňuje přizpůsobit krycí smaltovou vrstvu tak, aby byla co možná nejvýhodnější pro danou aplikaci.
Jak již bylo uvedeno, univerzální jednovrstvé smalty jsou určité druhy smaltu, které mají vlastnosti základového i krycího smaltu. Mají dobré přídržné síly na povrchu základního materiálu. Dále jsou kompaktní a dokáží odolávat chemickému a mechanickému namáhání smaltu. Těchto vrstev lze nanést několik, záleží pouze na tloušťce požadované vrstvy. Každá vrstva musí být vypálena před nanesením další vrstvy (760 až 860°C). Vrstvy mohou dosahovat tloušťky od 100 až 400 µm. Jednovrstvé smalty se dodávají v různých barevných provedeních ve formě frit [1].
Litina jako základní materiál pro smaltování
Smaltování litin je méně běžné. Smaltování je založeno na stejném principu jako smaltování ocelí. U smaltování litin se využívá smaltu i jako kompenzátoru drobných vad povrchu. Z tohoto důvodu je nanesená vrstva smaltu u litin nepatrně větší. [2,4,10]
Neželezné kovy jako základní materiál pro smaltování
Zde se jedná především o zástupce hliníku a jeho slitin. Pro smaltování slitin hliníku se používají specielní smalty. Tyto smalty se vyznačují nižší teplotou vypalování (500 až 550°C) apod. Jedná se zejména o smalty na bázi olova. S olovem je však spojená zdravotní závadnost povrchu. Chemická a mechanická odolnost není tak výrazná jako u smaltu na oceli. Frity jsou dodávány v různých barevných odstínech. [2,5]
15 2.6 Podkladové oceli pro smaltování
Nejrozšířenějším materiálem pro nanášení smaltu jsou oceli s nízkým obsahem uhlíku. Tyto oceli se používají pro všechny aplikace. Pouze je nutné, aby splňovaly tyto zásady [1,6]:
1) Ocel musí obsahovat minimální množství prvků jako jsou C, Si, S, P, Al, Mn.
2) U oceli je nežádoucí, aby měla sklon k tvorbě vodíkových vad.
3) Ocel musí splňovat technologické podmínky jako je například svařitelnost.
4) Ocel musí být homogenní a je nežádoucí, aby obsahovala vady, jako jsou:
zaválcované okuje nebo strusku. Ocel musí mít také malé množství trhlin apod.
Metalurgie ocelí pro smaltování
Pro smaltování se používají nízkouhlíkové oceli do 0,12%C. Jedná se o oceli krystalizující podle metastabilního diagramu Fe-Fe3C, tak jak je ukázáno na obr. 5.
Dělíme je do 3 základních skupin [1,4]:
a) S obsahem uhlíku do 0,01%C, s feritickou strukturou.
b) S obsahem uhlíku od 0,01 do 0,04%C, s feritickou strukturou a terciálním cementitem.
c) S obsahem uhlíku nad 0,04%C, s feriticko-perlitickou strukturou a terciálním cementitem.
Obr. 5 Fázový diagram železo – uhlík, oblast ocelí vhodných pro smaltování. [1]
16 Prvky ovlivňující oceli pro smaltování [1,6]
Uhlík C – Uhlík nepříznivě působí na smalt. Uhlík reaguje se vzdušným kyslíkem při nanášení smaltu. Vzniká nežádoucí plyn. Může dojít ke vzniku vad, jako jsou póry, krátery apod.
Mangan Mn – Procentuální množství manganu nemá výrazný vliv na kvalitu smaltového povrchu.
Křemík Si – Větší množství křemíku zvyšuje křehkost feritické struktury. Dále zhoršuje parametry, jako jsou: přídržné síly mezi ocelí a smaltovým povrchem.
Křemík má také negativní vlastnosti na technologii moření.
Síra S – Obsah síry nad 0,04%, zhoršuje kompaktnost celého smaltového povrchu.
Fosfor P – Obsah fosforu nad 0,05%, zhoršuje technologii moření.
Měď Cu – Zhoršuje parametry, jako jsou: přídržné síly mezi ocelí a smaltovým povrchem. Křemík má také negativní vlastnosti na technologii moření. Zhoršuje rozpustnost vodíku oceli. A tím snižuje nebezpečí vzniku vodíkových vad.
Hliník Al – Nebezpečí se skrývá u ocelí uklidněných hliníkem. Pokud se hliník nahromadí v jednom místě, může působit jako nežádoucí vměstek. Takto utvořený vměstek je zdrojem vodíku. A s tím spojené nebezpečí vzniku vodíkových vad.
2.7 Technologie smaltování
Smaltování je technologie, při které se nanáší smalt na základní materiál.
Tato technologie je citlivá na správnou volbu smaltu k danému základnímu materiálu. Hrozí zde nebezpečí z pohledu správného přilnutí nanesené vrstvy k základnímu materiálu. Toto spojení je možné jen tehdy, když oba povrchy budou mít podobné fyzikální a chemické vlastnosti.
První fází technologie smaltování je úprava povrchu základního materiálu.
Základním materiálem je v tomto případě ocel. Dále následuje příprava smaltéřské suspenze nebo prášku. Poté následuje nanesení smaltéřské suspenze na základní materiál. Po nanesení následuje sušení a vypálení v peci. Poslední operací při smaltování je kontrola nanesené vrstvy. O kvalitě konečného povrchu se rozhoduje ve výše uvedených krocích. Z tohoto důvodu je zapotřebí sledovat kvalitu provedené práce krok po kroku. [2,6]
17
2.8 Povrchové úpravy kovu před nanesením smaltu
Správné spojení smaltu a oceli je chemicky a fyzikálně složitý proces. Tyto spojení vyžadují adekvátní podmínky pro vznik kvalitního spojení smaltového povrchu a oceli. Z tohoto důvodu se ocelové povrchy upravují. Chemické úpravy povrchů v sobě zahrnují odstranění nežádoucích nečistot, jako jsou: tuky, oleje apod. Odstranění těchto nečistot dovolí správné chemické navázání smaltu na ocelový povrch. Další úpravy se provádějí z hlediska mechanického odstraňování nečistot. Do těchto úprav se řadí: tepelně chemické úpravy a tepelně mechanické úpravy. Tyto technologie bývají časově náročnější. [2,4,8]
Technologie chemických úprav [4,8]
Chemické úpravy se z pravidla používají u menších dílů. Pro různé druhy úprav se používají různá prostředí a odlišný čas výdrže. Používají se úpravy jako je odmašťování, moření, niklování a neutralizace s pasivací.
Odmašťování – tato technologie odstraňuje z povrchu veškerou mastnotu.
Z pravidla se používají čisticí prostředky na bázi hydroxidu sodného. Teplota čistící lázně se pohybuje okolo 30ºC.
Moření – jedná se o technologii, která zajišťuje rozpouštění (odstranění) okují a rzi. Moření významně ovlivňuje přídržné síly, které k sobě váží ocel (základní materiál) a smaltovou vrstvu. K moření se nejčastěji používá kyselina chlorovodíková, fosforečná, dusičná, sírová apod. Moření se provádí ponorem do kyselého roztoku.
Niklování – tato technologie se provádí v mimořádných případech a provádí se hned po moření a před neutralizací. Podstata této technologie spočívá ve vytvoření malé vrstvy niklu na povrchu oceli. Vrstva se vytváří vlivem síranu nikelnatého v prostředí kyseliny sírové. Vrstva niklu se pohybuje přibližně okolo 0,7 až 1,2 g/m2. Niklování stabilizuje povrch a má vliv na přídržné síly mezi smaltem a ocelí.
Neutralizace s pasivací – hlavním úkolem neutralizace je zneutralizování zbytkových kyselin po moření. Pro neutralizaci se používají roztoky alkalických zemin. Neutralizace se provádí v lázni za teploty 80 až 90ºC po dobu 3 až 5 minut.
Pro pozdější nanášení smaltu může tato technologie představovat problém.
18
Zbytky solí pokrývající povrch nezaručují dobré spojení mezi smaltem a ocelí (jako základního materiálu).
Technologie mechanických úprav [7,8]
Tyto technologie mají podobnou funkci jako chemické úpravy povrchu.
Jedná se tedy o odstranění rzi, okují a mastnoty z povrchu ocelí. Používají se převážně mechanické úpravy tryskáním. Při tryskání se povrch čistí abrazivní hmotou, vrhanou na ocel pomocí lopatkových nebo pneumatických tryskačů. Podle charakteru součásti se volí vhodný typ tryskacího zařízení. Povaha abrazivní hmoty se volí dle stupně znečištění povrchu a typu nanášeného smaltu.
Přídržné síly smaltu a oceli jsou tím větší, čím je větší drsnost povrchu. Zpravidla se používá syntetický korund, ocelová drť apod. Běžné měření kvality tryskání je velice subjektivní.
2.9 Smaltéřské frity
Základní vlastnosti smaltu jsou podmíněny vlastnostmi polotovaru (frity).
Frity jsou základní složkou při výrobě suspenze. Tato základní surovina se nakupuje ve formě granulí. Vlastní vrstva smaltu přebírá vlastnosti frit. Tyto vlastnosti jsou například: lesk, celistvost, chemická odolnost, odolnost proti mechanickému namáhání apod. Na tyto vlastnosti mají výrazný vliv některé z oxidů, tak jak je ukázáno v tabulce 1. [1,2]
Tabulka 1 Složky smaltu výrazně ovlivňující jeho vlastnosti. [1]
Oxidy Vlastnosti
SiO2 Základní příměs 40 až 70%.
B2O2 Zlepšení smáčivosti.
Al2O3, Na2O, K2O Zvýšení pevnosti a tvrdosti.
SnO2, MoO3, BaO Zvýšení pevnosti.
Sb2O3 Zlepšení přídržných sil mezi základním materiálem a smaltem.
CoO Zlepšení přídržných sil v systému.
FeO, NiO, MnO Barvení smaltu.
MgO Odolnost proti nárazu.
CuO Zlepšení odolnosti vůči vodě.
19
Jednotlivé oxidy mají různý vliv na výsledné vlastnosti smaltové vrstvy. Z tohoto pohledu je zřejmé, že pro různé aplikace a různé základní materiály se doporučují různé druhy frit. Doporučení vydává výrobce na základě dlouhodobých zkušeností.
Tato volba může být rozhodující pro správnou funkčnost a životnost daného povrchu. [2]
2.10 Příprava suspenze smaltu
Smaltéřská suspenze je nestejnorodá, vícesložková břečka vodního roztoku. Suspenze musí mít celou řadu vlastností, mezi něž například patří rovnoměrné nanesení vrstvy, která po vypálení vytvoří rovnoměrný homogenní povrch. Pro přípravu suspenze se používá celá řada příměsí. Jedná se o příměsi, jako jsou smaltéřské frity, mletý křemen, barvy, kaliny, jíly, bentonity a voda. Další přísady se přidávají v závislosti na druhu suspenze. Přesné složení suspenze si jednotliví výrobci chrání autorskými právy a nelze je zveřejnit.
Příprava suspenze se provádí v tzv. mlecích bubnech různého provedení.
Tato mlecí zařízení nebývají umístěna ve výrobních prostorech z důvodu nadměrné hlučnosti při mletí. Bubny bývají situovány horizontálně. Jedním otvorem se zaváží suroviny i vypouští břečka (obr. 6). Základem dobré suspenze je přesné nadávkování surovin. Bubny mají objem cca. 400 až 4000 litrů. Délka přípravy suspenze se může pohybovat až okolo 16 hodin. Vnitřek bubnu bývá obložen keramickým materiálem. Uvnitř bubnu se spolu se surovinami pohybují i mlecí tělíska, které mají tvar koule a bývají také z keramických materiálů. Na čas mletí a kvalitu suspenze mají významný vliv tparametry jako jsou otáčky bubnu, typ mlecích tělísek a velikost dávky [1,2,6].
Obr. 6 Horizontální mlecí buben – pohon zajišťuje elektromotor [1]
20
Princip přípravy suspenze zajišťují již dříve zmíněná tělíska většinou kulovitého tvaru (koule). Nedostatečně velká odstředivá síla způsobí, že se tělíska neudrží po obvodu bubnu pří otáčení. Odletující tělíska dopadají na vznikající suspenzi. Přitom využívají svou maximální kinetickou energii, tak jak je ukázáno na obrázku 7. [1]
Obr. 7 Dráha pádu mechanického tělíska [1]
2.10.1 Nanášení smaltu
Technologii nanášení smaltu lze provést různými metodami. Každá metoda má svá specifika a úskalí. Volba technologie závisí jak na ekonomickém, tak také na technologickém hledisku (tvar výrobku, funkčnost, sériovost výrobků apod.).
Nanášení lze rozdělit do dvou skupin [2]:
a) Nanášení smaltu za mokra (suspenze) b) Nanášení smaltu za sucha (prášek)
Nanášení smaltu za mokra [1,2]
Jedná se o nanášení suspenze (břečky) na základní materiál. Po nanesení se vrstva suší a následně vypaluje v peci. Nanášení suspenze za mokra je možné dále rozdělit do tří základních metod, tak jak je ukázáno na obr. 8.
21
Obr. 8 Nanášení smaltu za mokra [1]
Nanášení smaltu za sucha [1,2]
Jedná se o metodu nanášení smaltu ve formě prášku. Prášek lze nanášet za tepla nebo za studena. Tuto technologii rozdělujeme také do tří základních metod, jak je zřejmé z obrázku 9.
Nanášení za tepla je charakteristické předehřevem základního materiálu (ocel) na 900ºC. Poté se nanese prášek na povrch. Následuje natavení prášku a vytvoření smaltové vrstvy.
Nanášení za studena (fluidní) je založeno na principu nanesení vrstvy prášku na základní povrch. Poté následuje vložení celého výrobku do pece a natavení naneseného prášku. Prášek na povrchu vytvoří souvislou smaltovou vrstvu.
Obr. 9 Nanášení smaltu za sucha [1]
22 2.10.2 Sušení smaltu
Technologie sušení před vypalováním je zaměřena pouze na smalty nanesené v podobě suspenze. Voda v nanesené suspenzi může zapříčinit vznik vad ve smaltové vrstvě. Obsah vody v suspenzi je minimálně 30%. Sušení následuje okamžitě po nanesení smaltu z důvodu zabránění vzniku vad (reakce s prostředím, nerovnoměrnost povrchu apod.). Teplota a rychlost sušícího procesu je závislá na druhu a povaze smaltu. [1,7]
Sušení na volném vzduchu – sušení na volném vzduchu je ekonomicky nejvýhodnější. Avšak z důvodů nebezpečí napadení základního materiálu (oceli) korozí, je možné vytvořit na povrchu základního materiálu nepatrnou vrstvu niklu (niklování). Vrstva niklu zamezí ovlivnění základního materiálu (ocel) vodou obsaženou v suspenzi. Sušení probíhá v řádu hodin. Po sušení téměř okamžitě následuje vypálení smaltu v peci. [1,3]
Sušení v sušárnách – proces může probíhat v různých typech sušícího zařízení. Sušárny lze rozdělit do dvou typů na konvenční a radiální zařízení.
Konvenční sušárny jsou průchozí a smalt se suší přibližně po dobu 15 minut při 130ºC proudem vzduchu. Sušení radiální zajišťuje infračervený zářič po dobu 3 až 5 minut. [1,3]
2.11 Vypalování v peci
Proces smaltování je zakončen vypálením smaltu v peci. Po vypálení má smalt již své užitné vlastnosti (chemická odolnost, mechanická odolnost, lesk apod.). Každá vrstva smaltu se po nanesení a usušení vypaluje samostatně. Vypalování smaltu se provádí při teplotě od 740ºC do 900ºC. Teplota expozice se pohybuje v tomto rozmezí v závislosti na chemickém složení smaltu (suspenze).
Průběh procesu vypalování je znázorněn na obr. 10. [1,4]
23
Obr. 10. Průběh dějů při vypalování smaltu v peci složeného z následujících etap [1] 1) počátek tvorby oxidu železnatého; 2) fázové přeměny železa; 3) počátek
rozpouštění oxidu křemičitého a jílu; 4) vznik přídržných sil obou vrstev Vypalovací pece – pec je nezbytné zařízení pro vypalování. Dle uspořádání se dělí z několika hledisek na vsázkové pece a kontinuální pece. Dále je lze dělit i podle druhu ohřevu na plynové a elektrické. Elektrické pece jsou pro vypalování nejvhodnější z hlediska regulace teplot, čistoty atmosféry apod. Ale zároveň mají nejdražší provoz. Vsázkové pece se převážně používají v kusové nebo malosériové výrobě. Oproti tomu pece kontinuální se používají při sériové nebo hromadné výrobě. Na obrázku 11 je schematicky ukázána kontinuální a vsázková pec. [4,9]
Obr. 11 Kontinuální a vsázková pec [9]
24 2.11.1 Kontrola a měření smaltu
Pro kontrolu a měření vlastností smaltu bylo vyvinuto velké množství metod.
Jednotlivé zkoušky jsou navrženy pro hodnocení konkrétních vlastností smaltu.
Pro potřeby této diplomové práce jsou zde uvedeny pouze některé z nich.
Celistvost smaltové vrstvy [1,2]
Základním předpokladem u smaltového povrchu je jeho celistvost. Správně vytvořená vrstva smaltu chrání základní materiál před vlivem okolí. Kontrola se provádí vizuálně nebo měřením elektroizolačních vlastností smaltu. Pro bezvadný povrch je důležité dodržení správných technologických podmínek při výrobě (teplota vypalování, čas vypalování, stejnoměrná tloušťka vrstvy apod.). Velké množství vad lze odhalit pouhým vizuálním pozorováním povrchu. Avšak tento způsob je velice subjektivní. Mnohem častěji se používá zkouška, při které se měří elektroizolační vlastnost smaltu. Smalt je stejně jako sklo izolant. V poškozených místech je tato vlastnost narušena. Podstata této zkoušky spočívá v kontrole povrchu pomocí stejnosměrného elektrického napětí. Zařízením pro měření je takzvaný poroskop. Jedná se o generátor vysokého napětí s dvěmi elektrodami.
První z elektrod je připojena na základní materiál a druhá elektroda je připevněna k takzvanému ocelovému štětci. Při kontaktu ocelového štětce s povrchem se vady projeví vysokofrekvenčním výbojem (jiskřením). Na obrázku 12 je ukázána závislost průrazného napětí na tloušťce smaltu a teplotě.
Obr. 12 Závislost průrazného napětí na tloušťce smaltu a teplotě [1]
25
Síly zajišťující soudržnost smaltu a základního materiálu [1,2]
Spojení smaltu a základního materiálu je zajištěno nejen mechanickým spojením, ale také pomocí adheze. Mechanické spojení zajišťuje zdrsněný povrch, v němž se tvarově uchytí smalt. Soudržnost smaltové vrstvy se základním materiálem lze zkoušet několika způsoby. Dílenskou zkouškou může být například vtlačování kulového vrchlíku do smaltové vrstvy, zkouška ohybem apod. Lze také využít zkoušek podle příslušných norem. Jednotlivé zkoušky mají svá specifika.
Jde například o mechanický náraz tělíska na povrch smaltu apod. U všech těchto zkoušek se povrch vyhodnocuje z pohledu celistvosti povrchu.
Tloušťka povlaku [1,2]
Tloušťka smaltové vrstvy se řídí dle konkrétní aplikace. Pokud se na daný výrobek nevztahuje žádná z norem, je tloušťka vrstvy přizpůsobena dané aplikaci.
Tloušťka smaltové vrstvy se obvykle měří na základě elektromagnetického principu. Pomocí takzvaného smaltometru. Měření se provádí minimálně ve třech různých místech.
Mechanické napětí v systému povrchových vrstev [1,2]
Rozdílné fyzikální vlastnosti smaltu a základního materiálu (ocel) způsobují napětí v celém systému povrchových vrstev. Jedná se především o různou tepelnou roztažnost, různý modul pružnosti apod. obr. 13. Toto napětí je příčinou vzniku nežádoucích vad.
Obr. 13 Teplotní závislost mechanického napětí v systému smalt – ocel [1]
26
Kde je: Tn neutrální teplota σ = 0 Tg teplota zeskelnění σ ≠ 0
Pro měření napětí se využívá průhybu (princip bimetalu). K tomu se využívá jednostranně smaltovaný ocelový pásek. Pásek se umístí do pece (pec musí být vybavena regulátorem teploty). Jeden z konců se v peci pevně upne. Zbytek pásku je uložen volně. Pro různé teploty dochází ke změnám průhybu pásku. Ze změřené velikosti průhybu je zpětně dopočítána velikost napětí při dané teplotě. Odolnost při náhlých změnách teploty (teplotní ráz) [1]
Jedná se o důležitý parametr, který zásadně ovlivňuje délku životnosti smaltové vrstvy. Tato odolnost je zásadním způsobem ovlivněna chemickým složením smaltu, kvalitou povrchu základního materiálu, výskytem vad apod.
Běžné smalty lze zahřát (podchladit) na teploty 500⁰C až -50⁰C, aniž by došlo ke vzniku vad. Nebezpečí však nastává při náhlé změně teploty. Je několik způsobů, jak testovat povrch proti teplotním rázům.
Testování dle normy RVHP 2420-80. Testovací vzorek je plochý kotouč o průměru 105mm a tloušťce 10mm. Vzorek je z jedné strany pokrytý smaltovou vrstvou a po bocích jsou umístěny otvory s termočlánky. Vzorek je položen na elektricky vyhřívané desce umístěné ve skleněném válci. Postup testování je následující. V první fázi se testovací vzorek zahřeje na požadovanou teplotu a v druhé fázi následuje ochlazení vzorku vodou o teplotě 20⁰C. Tento cyklus se opakuje dvacetkrát. Pokud nedojde k porušení smaltové vrstvy, test se opakuje při vyšší teplotě. Výsledkem testu je rozdíl mezi maximální teplotou a teplotou chladícího média, při kterém ještě nedošlo k porušení povrchu vzorku. Norma je zahrnuta ve sbírce norem Rady vzájemné hospodářské pomoci. Tato norma 2420- 80 je v současné době již neplatná.
Testování dle normy DIN 51167. Testovací vzorek je kotouč o průměru 50mm a tloušťce 14mm. Tento kotouč má jednu hranu zaoblenou rádiusem (R = 8mm). Smaltová vrstva pokrývá rádius a plochy na něj navazující. V dosedací ploše je umístěn otvor pro termočlánek. Otvor dosahuje do určité hloubky. V tomto místě je umístěn termočlánek. Vzorek je umístěn na elektricky vyhřívané desce, která vzorek ohřeje na teplotu 180⁰C až 260⁰C. Po ohřátí vzorku se vzorek
27
ochlazuje vodní mlhou na teplotu 150⁰C. Tento cyklus se čtyřikrát opakuje. Po páté dojde k ochlazení vzorku až pod teplotu 50⁰C. Pokud nedojde k porušení vzorku, zvýší se teplota a test se opakuje. Výsledkem je nejvyšší teplota, při níž nedojde k porušení smaltové vrstvy. Testování smaltové vrstvy je velice komplexní z důvodu zkoumání rovinných i zaoblených ploch. Norma je již neplatná, avšak byla nahrazena normou DIN EN ISO 13807. K této normě bylo přihlédnuto při návrhu zkušebního vzorku pro testování v záporných teplotách.
Testování dle normy ČSN 94 5050. Testování je určeno pro výrobky spotřebního průmyslu. Vzorek se ohřívá na 271⁰C po dobu 3 minut. Poté následuje ochlazení vodou o teplotě 20⁰C. Vrstva ochlazující vody na povrchu smaltu musí být 10mm. Test se dvakrát opakuje a následně se zkoumá, zdali došlo k poškození smaltové vrstvy. Výsledkem je hodnocení destrukce povrchu.
Pokud došlo k poruše, daný výrobek nesplňuje požadovanou bezpečnostní normu.
Norma ČSN 94 5050 je již neplatná.
28 3.
Praktická č ást diplomové práce
Praktická část diplomové práce navazuje na část teoretickou a je koncipována na základě požadavků od společnosti TENEZ a.s., která je také zadavatelem této diplomové práce. Společnost TENEZ a.s. se zabývá výrobou a vývojem zařízení určených pro chemický, potravinářský a farmaceutický průmysl. Jednotlivá zařízení pracují za různých provozních podmínek, přičemž jedním z nejdůležitějších kritérií je spolehlivost a bezporuchovost zařízení. Tato zařízení jsou namáhána nejen chemicky aktivním prostředím, ale také změnami teploty jak v kladných, tak i v záporných hodnotách. Schopnost povrchu odolat stále se zvyšujícím nárokům je předmětem neustálého vývoje. Jak již bylo uvedeno v teoretické části, z důvodu rozdílných koeficientů tepelné roztažnosti vznikají při teplotních gradientech mezi základním materiálem a smaltem napjatosti. Úkolem výzkumu a vývoje v této oblasti je proto nalezení bezpečných rychlostí ohřevu a ochlazování, při kterých je možné zaručit bezproblémový provoz. Diplomová práce zkoumá a řeší způsob testování smaltovaných povrchů pro nasazení při velmi nízkých teplotách. Jednotlivá měření byla navržena a provedena tak, aby byla nalezena limitní hranice použití smaltu a zároveň dosaženo různých rychlostí ohřevu.
Diplomová práce se dále zabývá návrhem zkušebního zařízení pro ochlazování vzorků pomocí tekutého dusíku, návrhem tvaru testovaného tělesa, metodikou testování, provedením navrženého experimentu a vyhodnocením získaných výsledků. Výsledkem je vytvoření uceleného metodického postupu a získání hodnot nejvyšších rychlostí ochlazení a ohřevu při daných okrajových podmínkách. Okrajové podmínky simulují možné skutečné nasazení smaltovaných povrchů v praxi.
3.1 Plán experimentů
Požadavkem od společnosti TENEZ a.s. bylo ověřit odolnost smaltů při technických parametrech, které garantují svým zákazníkům. Mezi tyto parametry patří odolnost smaltového povrchu při podchlazení – 60 °C a při nejvyšší rychlosti ochlazení nebo ohřevu smaltového povrchu 3 °C.min-1. Smaltový povrch musí za
29
těchto podmínek obstát v teplotním intervalu – 60 až + 100°C. Následné testování je navrženo tak, aby bylo možné získat různé rychlosti ohřevu za přesně daných okrajových podmínek. Zvyšování uvedeného teplotního rozsahu (okrajových podmínek) bylo limitováno vznikem prvních vad nebo maximální ochlazovací schopností dusíku. Teplota tekutého dusíku je -196 °C.
Hlavním požadavkem firmy TENEZ a.s. bylo navržení a vytvoření zařízení a zkušební metodiky umožňující otestovat smaltové povrchy alespoň do teploty - 80°C. Dále pak definování maximální rychlosti ohřevu a ochlazování, při které ještě nedojde k poškození smaltové vrstvy. Proto byl pro první fázi testování navržen následující plán experimentů (tabulka 2). Bylo důležité, aby po každém testu došlo k vizuální kontrole povrchu a také ke kontrole kompaktnosti povrchu pomocí vysokého napětí.
Tabulka 2 Plán experimentů první fáze testování
Číslo testu
Teplota podchlazení
[°C]
Prostředí ohřevu
Teplota v místě ohřevu
[°C]
Test A -80 vzduch 20
Test B -80 pec 100
Test C -80 pec 200
Test D -80 vroucí voda 100
Před vlastním experimentálním testováním však muselo být navrženo testovací zařízení a také tvar zkušebního tělesa, které by v sobě zohlednilo tvarovou složitost smaltovaných nádrží.
3.2 Návrh zkušebního zařízení pro ochlazování pomocí tekutého dusíku Pro podchlazení bylo nutné vyvinout specielní zařízení, které by bylo schopné vzorky podchladit na požadovanou teplotu. Podchlazení bylo realizováno pomocí tekutého dusíku o teplotě -196°C. Základní částí zkušebního zařízení, je testovací komora, která musí umožnit dosažení dostatečně nízkých teplot, aniž by došlo k jejímu porušení. Kromě toho musí být testovací komora dostatečně veliká, aby pojmula odpovídající množství ochlazovacího média, které dokáže dostatečně snížit teplotu v testovací komoře a zároveň odebrat teplo akumulované ve vzorku.
30
Přitom by ale plocha pro odvod tepla z místa testování a tedy plocha umožňující přestup tepla do okolí měla být co nejmenší, aby bylo zabráněno tepelným ztrátám. Na základě předběžného výpočtu tepelné bilance soustavy a s ohledem na konstrukční řešení testovacího zařízení, byla navržena testovací komora o rozměrech 250x250x150 mm o tloušťce stěn 3mm obrázek 14.
Dalším problémem byla volba materiálu pracovní komory, protože mnoho kovových materiálů má svou přechodovou teplotu při teplotách v rozmezí -60 až 0°C a při prudkém podchlazení způsobeném kapalným plynem by došlo ke křehkému porušení pracovní komory. Proto byl pro výrobu pracovní části komory použit materiál X5CrNi18-8. Jde o austenitickou ocel bez přechodové teploty s dostatečnou zásobou plasticity k vyrovnávání teplotních šoků a nerovnoměrnosti gradientů.
Obr. 14 Ocelové jádro testovací komory
Testovací komora byla složena z dvou částí. První pracovní část testovací komory byla tvořena ocelovým jádrem. Druhá část testovací komory byla tvořena tepelnou izolací. Pomocí tepelné izolace bylo docíleno vyšší účinnosti testovací
31
komory. Použití tepelné izolace umožnilo dosáhnout nižších teplot v prostoru pracovní komory. Jako izolace byl použit polystyrén o tloušťce 60mm a se součinitelem teplotní vodivosti λ = 0,034 W.m-1.K-1. Polystyren zamezoval přívodu tepla do pracovní části komory. Izolace se skládala z jednotlivých polystyrenových desek, které byly k sobě přilepeny polyakrylátovým tmelem. Po prvním odzkoušení bylo zařízení nevyhovující. Docházelo k výrazným tepelným ztrátám především v lepených spojích. Spoje nedokázaly zajistit plnohodnotnou tepelnou izolaci.
Spoje díky výrobním nepřesnostem a nerovnoměrnému nanesení lepidla nebyly schopny zajistit dobré izolační vlastnosti v lepených spojích. Z tohoto důvodu bylo přikročeno k nanesení další vrstvy polystyrénu po celém obvodu testovacího zařízení příloha 1. Druhá vrstva polystyrénu nebyla nanesena pouze v prostoru odnímatelného víka a v prostoru podstavy. Rozdíl byl pouze v umístění lepených spojů. Spoje obou vrstev byly konstrukčně umístěny tak, aby došlo k jejich překrytí. Druhá vrstva je navržena tak, aby bylo možné zamezit tepelným ztrátám a v důsledku toho zvýšit účinnost celého zařízení. Takto vytvořená testovací komora již splňovala požadované vlastnosti pro podchlazení vzorků obr 15.
V testovací komoře již bylo možné vytvořit a udržet stabilní hladinu tekutého dusíku.
Obr. 15 Testovací komora s druhou vrstvou polystyrénu
Při provozu byla testovací komora uzavřena odnímatelným víkem.
K pochlazení celé testovací komory bylo zapotřebí přibližně 2 až 3 litrů tekutého dusíku. Z počátku dochází k výraznému odpařování dusíku, kde jsou pouze na podchlazení ocelového pláště spotřebovány přibližně dvě třetiny z celkového
32
obsahu kapalného dusíku. Po podchlazení ocelového jádra se hladina dusíku ustálí a poté již dochází pouze k velmi pozvolnému odpařování dusíku. Z tohoto důvodu je důležité zkontrolovat pracovní prostor před zahájením experimentu, tak aby se úroveň hladiny udržovala na pokud možno konstantní úrovni. Tento stav nastane přibližně po uplynutí 25 minut podchlazení. Teprve poté je možné provádět jednotlivá měření za konstantních podmínek.
3.3 Návrh tvaru testovaného vzorku
Návrh vhodného tvaru testovaného vzorku byl velice složitý. Testovaný vzorek musel mít materiálové vlastnosti i tvar co nejvíce shodný se skutečným materiálem, který se používá v praktických aplikacích. Napětí způsobená teplotním gradientem se totiž projevují odlišně na různých tvarových plochách, zejména v oblasti malých rádiusů a v oblasti přechodových ploch. Veliký vliv má také vzájemná kombinace základního materiálu a použitého smaltu. V závislosti na této kombinaci vznikají v jednotlivých aplikacích odlišná namáhání a v jejich důsledku také odlišné vady. Zvlášť nebezpečný je uhlík v základním materiálu v kontaktu se vzdušným kyslíkem. Při vypalování dochází ke vzniku nežádoucích plynů. Vznik těchto plynů může mít za následek vznik vad, jako jsou krátery, póry apod. Dále zde hrozí nebezpečí z pohledu základního materiálu od síry. Tento prvek může způsobit nehomogenitu materiálu, a tím zvýšit možnost vzniku vodíkových vad.
Použitá ocel musí splňovat velké množství specifik. Jedná se především o odolnost proti deformaci, odolnost proti vzniku trhlin, snadná obrobitelnost a svařitelnost. Ocel musí být homogenní a s co možná nejmenším počtem vad. Pro experiment byla použita ocel P265GH. Chemické složení oceli P265GH odečtené z materiálového atestu je uvedeno v tabulce 3.
Tabulka 3 Chemické složení oceli P265GH
Mn[%] P[%] S[%] C[%] Si[%] Al[%] Cu[%] Nb[%] Ni[%] Cr[%] V[%] Mo[%] Ti[%]
1,085 0,016 0,005 0,112 0,216 0,040 0,031 0,002 0,015 0,021 0,002 0,003 0,001 Smalt byl na vzorky nanesen ve společnosti TENEZ a.s. ve dvou základních vrstvách. První vrstvu tvoří základový smalt, který tvoří přechod mezi
33
ocelí a krycím smaltem. Druhou vrstvu tvoří krycí smalt, který je zároveň funkční vrstvou smaltu. Jedná se o smalt běžně využívaný společností TENEZ a.s.
Základní vlastnosti smaltu jsou dány složením frit. Tyto frity byly dodány společností WENDEL GmbH Email – und Glasurenfabrik. Jedná se o typ G3084/SBE Wendel Email s atestem číslo 22657. Přesné složení jednotlivých smaltových vrstev včetně způsobu vypalování smaltu v pecích je know-how společnosti TENEZ a.s. a podléhá utajení. Po nanesení a vypálení smaltu byla tloušťka stěny smaltové vrstvy změřena pomocí smaltometru. Smaltometr je zařízení měřící tloušťku smaltové vrstvy na základě elektromagnetického principu.
Měření se provádí minimálně ve třech různých místech. Měření byla provedena ve společnosti TENEZ a.s. pomocí smaltometru od společnosti KARL DEUTSCH typ 2042.001 (inventární číslo 005-000006). Změřená tloušťka smaltu se pohybovala v rozmezí od 0,93mm do 1,18mm. Průměrná hodnota tloušťky smaltové vrstvy byla 1mm v souladu s normou ČSN EN ISO 28721-1.
Návrh tvaru a velikost vzorku
Tvar testovacího vzorku byl zcela zásadní pro celý experiment. Vzorek musel zahrnovat všechna kritická místa, které se vyskytují u praktických aplikací.
Jedná se především o specifika, jako jsou: tloušťka základního materiálu, velikosti přechodových rádiusů apod. Nebezpečí je především zapříčiněno různou teplotní roztažností smaltu a základního materiálu (ocel P265GH). Pro splnění tvarových podmínek, které se vyskytují u praktických aplikací, je nezbytné všechna kritická místa zohlednit při návrhu vzorku. Je také důležité, aby smaltovaná konstrukce obsahovala co nejmenší počet ostrých hran a vrubů. Čím je hrana méně zaoblena, tím v ní vzniká větší napětí. Z tohoto důvodu bylo vhodnější testovat menší rádiusy. Vlastní tvar zkušebního vzorku byl tedy odvozen z normy ČSN EN ISO 13807 obrázek 16.
34
Obr. 16 Tvar testovacího vzorku dle normy ČSN EN ISO 13807 [12]
Pro potřeby této diplomové práce byl vzorek upraven, tak jak je ukázáno na obrázku 17. Úprava vzorku nespočívá v úpravě funkční části vzorku. Za funkční část se považuje povrch vzorku, na kterém je nanesen smalt.
Obr. 17 Upravený vzorek v souladu s normou ČSN EN ISO 13807
35
Obr. 18 Zavěšení celého systému testovaného vzorku
Úprava spočívala v nahrazení otvoru Ø5mm závitem M5. Do tohoto závitu byla našroubována upínací závitová tyč (obr. 18) z austenitické oceli a navařeným očkem (Podložka ČSN EN ISO 7089). Testovací tyčka sloužila nejen k zavěšení celého systému testovacího vzorku, ale i k upevnění termočlánkového vedení. Pro sledování teplotního pole ve vzorku byly použity tři termočlánky. Termočlánky byly umístěny na testovaném vzorku tak, aby se vzájemně neovlivňovaly. Jednotlivé termočlánky byly umístěny v otvorech o Ø 5mm ve vzdálenostech 3, 6 a 8 mm od smaltové funkční plochy. Otvory se nacházely na nefunkční ploše vzorku, na roztečné kružnici o Ø 33 mm vzájemně pootočeny o 90°.
3.4 Zařízeni pro měření a vyhodnocování
Praktický experiment vyžadoval použití několika přístrojů a zařízení. Tyto zařízení lze rozdělit do dvou skupin: na zařízení, které simulovalo podmínky experimentu a na zařízení měřící a vyhodnocovací. Jako zařízení pro simulaci reálných podmínek bylo použito speciálně vyvinuté ochlazovací komory a elektrické odporové pece s regulátorem teploty. Jako zařízení pro měření a
36
vyhodnocování byla použita měřící aparatura DiagWeld, vyvinutá na TUL a poroskop pro stanovení celistvosti smaltové vrstvy dodaný společností TENEZ a.s.
Zařízení pro simulací reálných podmínek
Testovací komora byla vyvinuta pro účely této diplomové práce a jejím primárním úkolem bylo ochladit testovaný vzorek na co nejnižší teplotu (viz kapitola 3.2. Jako ochlazovací médium byl zde použit tekutý dusík v objemu cca. 3 litry, který dokázal podchladit testovací komoru i kompenzovat tepelné ztráty.
Rychlost podchlazení testovací komory nebylo možné regulovat. Provozní hladina tekutého dusíku byla udržována na 15mm. Výšku hladiny bylo nutné kontrolovat mezi jednotlivými měřeními. V případě odpaření se musel tekutý dusík dolít.
Kontrola se prováděla vizuálně a výška hladiny byla v pracovní komoře označena ryskou. Vzorky byly po podchlazení ohřívány na vzduchu, nebo v odporové peci s regulátorem teploty. Díky tomu bylo možné získat různé okrajové podmínky pro jednotlivá měření. Do pece byl umístěn jednoduchý stojánek, na který se zavěsil celý systém vzorku. Stojánek měl shodnou teplotu s pecí.
Zařízení pro měření a vyhodnocování
Pro záznam teploty byla použita měřící aparatura DiagWeld, vyvinutá na TUL (obr. 19).
Obr. 19 Měřící aparatura DiagWeld
Základem byl řídící počítač (PLC) PowerPanel od společnosti B&R. Ten byl pomocí sběrnice připojen k termočlánkovému vedení. Pomocí externího počítače
37
bylo možné PLC přednastavit. Při měření lze volit různou frekvenci záznamu dat v závislosti na rychlosti probíhajících dějů. Ovládání zařízení DiagWeld běžným uživatelem bylo standardně realizováno pomocí dotykové obrazovky (obr. 19).
Zařízení bylo také možno ovládat vzdáleně pomocí počítače nebo telefonu přes internetovou síť. Stahování získaných dat bylo možné opět přes internetovou sít, nebo pomocí datového rozhraní přímo na USB disk.
Vyhodnocení vzorků bylo provedeno poroskopem dodaným společností TENEZ a.s. (obr. 20).
Obr. 20 Poroskop dodaný společností TENEZ a.s.
Jedná se o multifunkční poroskop vyrobený společností PCWI International Pty Ltd typ PCWI Compact DC30 (inventární číslo 0873). Poroskop pracuje na principu měření elektroizolačních vlastností smaltu. Smalt je stejně jako sklo izolant. V poškozených místech byla tato vlastnost narušena. Podstata této zkoušky spočívá v kontrole povrchu pomocí stejnosměrného elektrického napětí.
Jednalo se o generátor vysokého napětí s dvěmi elektrodami. První z elektrod byla připojena na vzorek a druhá elektroda byla připevněna k takzvanému ocelovému štětci. Při kontaktu ocelového štětce s povrchem se vady projevily
38
vysokofrekvenčními výboji. Velikost napětí bylo možné nastavit adekvátně k dané tloušťce smaltové vrstvy. Pro minimální tloušťku 1mm smaltové vrstvy bylo použito napětí 12kV v souladu s normami ČSN EN ISO 28721-1 a ČSN EN 14430.
3.5 Příprava experimentálních měření
Měření praktické části diplomové práce bylo provedeno v laboratořích Technické univerzity v Liberci – KSP s využitím výše uvedených zařízení. Měření vycházelo z plánu experimentů. Vzorky byly osazeny třemi termočlánky typu K o průměru 0,5 mm se sklo - keramickou izolací a rozsahem od -256°C do 1250°C.
Tyto termočlánky byly kondenzátorově přivařeny v předvrtaných otvorech.
Před vložením vzorku do testovací komory bylo nutné vzorek zavěsit na drátěné očko obrázek 22. Drátěné očko sloužilo jak k zavěšení vlastního vzorku, tak k vymezení vzájemné vzdálenosti mezi funkční plochou zkušebního vzorku a hladinou tekutého dusíku. Tato vzdálenost se pohybovala v rozmezí od 5 do 6 mm. Po spuštění měřící aparatury DiagWeld byl vzorek zavěšen do testovací komory, tak jak je ukázáno na schematickém obrázku 21. Díky kompenzaci tepelných ztrát nebylo možné garantovat přesnou výšku hladiny po celou dobu experimentu a pokles hladiny se pohyboval v rozmezí 2 až 3 mm.
Obr. 21 Poloha vzorku nad hladinou tekutého dusíku
