深冷技術工藝及設備的新進展研究

儲波 楊雪婷

杭州中泰深冷技術股份有限公司 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，處理溫度達到-196℃～-130℃，技術優(yōu)勢較多，可以提升金屬材料的力度性能，延長使用壽命，相應提升尺寸穩(wěn)定性、材料均勻性。此外，深冷技術可以加強金屬材料物理性能，例如導熱性、導電性。在20世紀60年代，美國開始廣泛應用深冷技術，同時加大技術研究力度，有效作用于汽車制造、儀器制造、航空航天等領域。在信息技術發(fā)展中，我國也開始研究深冷處理技術，特別是油嘴油泵、量具、航空航天領域，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展開研究。

1 傳統(tǒng)深冷處理技術與設備

深冷技術發(fā)展過程中，相應產(chǎn)生了技術處理設備，設備可以有效控制溫度，確保深冷技術具備多種溫度選擇，而不是應用到單一化學材料中。深冷設備以液氮為冷源，包括液氮浸泡、液氮氣化。液氮氣化主要應用輻射換熱系統(tǒng)、對流換熱系統(tǒng)、系統(tǒng)結合方式。我國注重研究深冷技術處理設備，以SLX程序為控制系統(tǒng)，最低溫度可達-196℃，溫度均勻性強，控制效果顯著。技術人員注重改良和創(chuàng)新技術設備，并且應用到企業(yè)生產(chǎn)中。SLX程序深冷箱以液氮作為冷源，以液氮氣化吸熱為基礎，可以起到制冷效果。處理設備涉及液氮傳輸系統(tǒng)、液氮罐、深冷箱等。液氮罐可以存儲大量液氮，同時為系統(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，可以有效隔絕熱量，同時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。壓力報警系統(tǒng)可以實時監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)，同時提示運行問題。深冷箱為不銹鋼材質，中間為保溫層，可以降低箱內外熱交換。箱體內配置液氮分散系統(tǒng)，可以在內部均勻分散液氮，起到顯著降溫效果，同時確保箱體內溫度均勻性。深冷箱控制系統(tǒng)，多采用執(zhí)行調節(jié)控制智能技術；在檢測溫度時，多采用PT100溫度計。通過智能調節(jié)器制冷信號、加熱信號，可以有效調節(jié)深冷箱內部溫度[1]。

2 深冷處理工藝的新進展

在操作實踐中，金屬材料被放置在超低溫度下，可以改變金屬材料微觀結構，同時改善金屬材料性能。針對深冷處理設備機理問題，處于初步研究階段，未完全認識到材料內部結構變化。與其他材料相比，深冷處理技術多應用到鋼鐵領域，且不同國家的研究達成共識。

2.1 材料工藝進展

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，同時將該項技術應用到鋁合金材料耐磨性、強度、硬度研究中?；诓煌に囈?，深冷技術可以加大材料硬度與強度，使材料內應力降低，維護尺寸穩(wěn)定性。

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

2.2 功能方面進展

深冷技術不僅可以延長工件壽命，還可以確保零部件穩(wěn)定性。對于航空航天、精密機床來說。在機加工、應用使用期間，零部件極易產(chǎn)生變形問題，對生產(chǎn)效率、質量安全影響較大。內部組織、內應力，對尺寸穩(wěn)定性影響較大，在受力狀態(tài)改變、長時間運行狀態(tài)下，工件尺寸容易變化，明顯大于公差要求。但是，深冷處理技術可以有效作用于內部組織、內應力方面。采用深冷處理工藝，可以使材料內應力降低，促使奧氏體轉化，同時改善工件穩(wěn)定性。當前，機床行業(yè)開始研究尺寸穩(wěn)定性問題，有助于提升機床行業(yè)整體性。

3 深冷處理技術和設備在節(jié)能方面的新進展

3.1 回收氮氣

圖1 深冷處理設備原理圖

在回收氮氣之前，深冷設備可以促使液氮氣化，接觸工件后實現(xiàn)熱交換，使工件溫度降低。經(jīng)過換熱操作后，氮氣會排放至空氣內部，從而造成工件浪費。深冷設備配置氮氣回收系統(tǒng)，可以將液氮導入至低溫換熱器內，無損收集熱交換液氮和氮氣，同時將其存儲至儲氣罐內，有效處理工質浪費問題。此外，設冷處理設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，對處理效果造成影響。下圖為原理圖。液氮利用閥門，進入到低溫換熱器內，在換熱器內強制對流換熱，使空間溫度降低。完成換熱操作后，液氮會氣化為氮氣，同時通過低溫換熱器出口排放至儲氣罐內，返回至深冷處理設備。此種方式有效改進了箱體結構、換熱方式。將低溫換熱器作為中間換熱設備，可以有效回收和利用氮氣。分布布置低溫換熱器，不僅可以提升換熱效率，還可以維護溫度均勻性[3]。

3.2 回收儲能冷量

為了緩解能量供求雙方的地點、時間、強度不匹配問題，必須合理應用冷量回收儲能技術，以此發(fā)揮出能源應用效果，使環(huán)境濡染降低，屬于節(jié)能減排重要措施。在應用深冷處理設備時，當處理溫度為-120℃，則氮氣排氣溫度約為-120℃。當處理設備回收該部分冷量時，可以使能耗降低，減少成本使用。

為了有效回收冷量，采用大量計算與試驗，研究低溫儲能系統(tǒng)。首先選擇適宜的低溫蓄熱材料，建立傳熱數(shù)學模型，分析和計算蓄熱器內部溫度、熱流、密度、界面移動規(guī)律，同時掌握氣體換熱。優(yōu)化設計冷熱蓄能系統(tǒng)，分析熱應力，對低溫蓄熱器設計穩(wěn)定性、安全性進行驗證。采用計算分析結果，實現(xiàn)優(yōu)化設計。在深冷處理設備上，合理應用研究成果，選擇特種蓄能材料。優(yōu)化設計蓄能材料，確保蓄能材料吸收和存儲廢氣冷量，將其作為材料初始處理溫度。當前，技術人員研發(fā)多種蓄冷器，能夠和不同溫度區(qū)材料換熱，同時升高氮氣溫度[4]。

冷量回收裝置、氮氣回收裝置可以聯(lián)合使用。當深冷處理溫度較低時，低溫氮氣利用蓄冷器換熱，之后再回收，不僅可以充分應用冷量，還可以確保工質回收效果，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、電動機，然而設備設計選型時，多以大裝爐量為參數(shù)，因此功率偏大。特別是巨型深冷箱，電動機設計功率比較大。對于同一套設備空爐、半爐，會浪費電動機功率，還會導致液氮消耗量增加。為了消除以上不良影響，需要將變頻技術應用到巨型設備上，對電動機轉速進行調節(jié)，不僅可以確保溫度均勻性，還可以實現(xiàn)節(jié)能效果[5]。

4 結束語

綜上所述，利用深冷處理技術，可以確保材料改性效果。在早期研究中，多集中在高合金鋼、高碳鋼領域，作用機理和技術工藝的專項研究多。深冷處理可以有效作用到非金屬、有色金屬、粉末冶金領域，技術應用與研究力度不斷加深。采用深冷技術處理材料后，既能夠優(yōu)化力學性能，還可以維護尺寸穩(wěn)定性，為精密加工業(yè)通過處理方案。當深冷處理工藝和設備應用SXL程序，能夠確保環(huán)境溫度達到-196℃至500℃，具備較高的溫度控制精度，溫度均勻性強，能夠對工件、材料，實施有效的深冷處理。此外，深冷處理工藝和設備也可應用到節(jié)能降耗領域，可以有效回收冷量、氮氣，實現(xiàn)自動化變頻控制，使液氮領域效率提升，同時維護成本效益，值得推廣應用。