Разработка технологии подготовки поверхности деталей крупногабаритных алюминиевых пластинчато-ребристых теплообменников к пайке в среде аргона

Применение алюминиевых пластинчато-ребристых теплообменников (ПРТ) при аппаратурном оформлении различных технологических процессов в химии, нефтехимии, криогенике и использование ПРТ в авиации, автомобилестроении, компрессоростроении и других отраслях техники существенно повышает технико-экономические показатели установок и изделий.

ПРТ представляют собой пакеты, состоящие из большого числа параллельных пластин, конструктивно связанных с помощью пайки теплообменной насадкой и проставочными брусками (рис. 1). Пространство между каждой парой пластин, заполненное насадкой, является каналом, по которому проходит газ или жидкость.

До недавнего времени крупногабаритные ПРТ, вес которых составляет несколько тонн, а протяженность паяных швов — сотни километров, изготавливались пайкой пофужением в расплавленный флюс. К числу недостатков этого способа пайки наряду с высокой стоимостью флюсов, большой энергоемкостью процесса, сложностью удаления остатков корро-зионно-активного флюса из каналов пакета после пайки и невозможностью изготовления по этой причине ПРТ с максимальной компактностью насадок следует отнести экологические проблемы, связанные с загрязнением окружающей среды, включая утилизацию значительных количеств отработанного флюса, а также коррозию технологического оборудования и оснастки.

В последние годы в промышленно развитых странах крупногабаритные ПРТ изготавливают вакуумной пайкой, которая по сравнению с пайкой во флюсовых ваннах является экологически чистым процессом и лишена недостатков, характерных для флюсовой пайки. Однако производственный опыт по пайке ПРТ в вакууме показал, что этот способ по сравнению с пайкой в солевых расплавах требует более продолжительного нагрева конструкции, а камера пайки и вакуумное оборудование нуждаются в периодической очистке от конденсата паров магния, в присутствии которых осуществляется пайка.

Рис. 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.

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 [1 — 7] по устранению указанных недостатков способствовали в какой-то степени улучшению ситуации, но не изменили ее кардинально. Поэтому, поиск и разработка новых более эффективных технологий пайки ПРТ относятся к числу приоритетных направлений развития науки и техники.

Учитывая исключительно важное значение использования ПРТ в криогенной технике в ОАО «Криогенмаш» в соответствии с Государственной научно-технической программой «Технология, машины и производство буду-ш-его» (проект 0.06.02.004Т), утвержденной Министерством науки и высшей школы Российской федерации 25.05.92 был выполнен комплекс научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, в результате которых была разработана, освоена и внедрена новая экологически чистая технология пайки крупногабаритных ПРТ в среде аргона [10].

Для реализации процесса пайки создан специальный, не имеющий аналогов в мировой практике, паяльный агрегат, в котором в качестве генератора тепла для нагрева аргона применены аэродинамические нагреватели (АДН), встроенные в камеру пайки. Одновременно АДН выполняют функции побудителя расхода газа, являясь источником мощных конвективных потоков в камере. В результате циркуляции и перемешивания газовой фазы в ней практически отсутствует градиент температуры и интенсифицируется процесс теплообмена между газом и поверхностью ПРТ в камере. Перед заполнением камеры аргоном производится его каталитическая очистка от примесей кислорода и паров воды до уровня 0,2 и 0,1 ррт соответственно. Для поглощения газов, выделяющихся при нагреве из конструкционных материалов пакета, камеры и сборочно-паяльного приспособления, пакет экранируют листами пористого титана, который выполняет функции неиспаряемого геттера. Кроме того, в процессе нагрева на различных температурных уровнях производится вакуумирование камеры до 1Т0″ л Па с последуюгцим ее заполнением очищенным аргоном. При этом происходит также выравнивание поля температур в пакете. Такая схема процесса обеспечивает нагрев пакетов ПРТ размерами 3000×1000×1000 мм до температуры пайки (610 °С) в практически безокислительной атмосфере.

По сравнению с вакуумной пайкой при сопоставимых показателях качества ПРТ, пайка в среде аргона благодаря сокращению термического цикла (на 20 — 30%) более производительна, менее энергоемка (на 30 — 40%), не требует применения сложнолегированных припоев, очистки камеры и вакуумного оборудования от сконденсированных паров магния [9].

Качество паяных соединений ПРТ существенно зависит от полноты удаления жировых загрязнений и оксидных пленок с поверхности деталей. Поэтому операция предварительной подготовки поверхности деталей ПРТ к пайке в технологическом процессе их изготовления (рис. 2) является одной из основных.

В настоящее время в производстве ПРТ детали обрабатывают в щелочных и кислотных растворах или в органических растворителях [11, 12]. Такие способы подготовки поверхности нельзя отнести к экологически чистым. Это обстоятельство послужило основанием для выполнения настоящей работы, тема которой в экологическом аспекте является актуальной, поскольку относится к направлению критических технологий федерального уровня.

При написании диссертации использованы результаты исследований, выполненных совместно с Барановым Н. С., Сторчаем Е. И., Соколовой A.B., Горбатским Ю. В., Лантушенко Ю. Н., Савельевой В. М., Скольцовой М. К., Рослан И. В., которым автор выражает искреннюю благодарность.

Лист.

Насадка.

Брусок формирование насадки.

— 1ППП раскрои обрезка раскрой и обрезка травление раскрой и обрезкаО травление сборка и.

3яги1лтд, опрессовка, А травление.

Теплообменник.

Коллектор и ппуцер исходные материагш раскрой и обрезка сварка сборка коллектора.

Испытания.

Упаковка.

Рис. 2. Технологический процесс изготовления ПРТ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

5. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. С помощью различных независимых методов исследований изучено влияние традиционных способов подготовки поверхности алюминиевых сплавов к пайке на качество соединений пластинчато-ребристых теплообменников, паянных в среде аргона. Показано, что между рекомендуемыми щелочным и кислотным способами подготовки с точки зрения обеспечения качества ПРТ нет существенного различия и при выборе того или иного способа следует руководствоваться критериями экономической и технологической целесообразности. Для подготовки поверхности деталей крупногабаритных ГОРТ щелочной способ является более предпочтительным. Однако как щелочной, так и кислотный способы нельзя отнести к экологически чистым.

2. На основании результатов исследований электрохимического поведения алюминиевых сплавов в нескольких десятках растворов очистителей компании «ЕСТОС», являющихся нетоксичными, взрывопожаробезопасными, полностью биоразлатаемыми жидкостями широкого спектра применения в промышленности и быту, предложены критерии для оценки активности очистителей и их классификация на активные и пассивные. Показано, что растворы активных кислотных очистителей выгодно отличаются от щелочных слабым пенообразованием, и при их использовании на поверхности алюминиевых сплавов не образуется шлам. Это обусловлено исключительно малой скоростью травления металла при полном удалении оксидных пленок, обеспечивающем смачивание металлической поверхности расплавленным припоем.

3. Установлено, что работоспособность очистителей и температурно-временные режимы обработки зависят, в первую очередь, от количества масла на поверхности деталей, а снижение активности растворов с ростом величины обработанной поверхности вызвано изменением их химического состава. обусловленное расходованием активных компонентов и в меньшей степени повышением концентрации ионов алюминия при травлении.

4. На основе полученных результатов для осуществления процесса подготовки деталей ПРТ к пайке в среде аргона выбран 10% раствор кислотного очистителя «ЕС-Очиститель фасадов ФФ», который отличается высокой маслоемкостью и при периодической корректировке состава ванны сохраняет высокую активность при обработке значительно большей величины поверхности, чем в других очистителях. Определены концентрация и темпера-турно-временные параметры процесса удаления жировых загрязнений и оксидных пленок с поверхности алюминиевых сплавов.

5. Разработана экологически чистая технология подготовки поверхности деталей ПРТ в растворе ЕС-ФФ. Исследованы микроструктура и свойства паяных соединений. Показано, что разработанная технология обеспечивает получение прочно-плотных соединений ПРТ, паянных в среде аргона, на уровне расчетных значений и позволяет полностью исключить из технологии изготовления ПРТ операции щелочного и кислотного травления.

6. Показано, что эффективность разработанного процесса может быть существенно улучшена, если в качестве конструкционных материалов ПРТ использовать материалы зарубежной поставки или соответствующие им по качеству изготовления отечественные и формирование насадок производить с использованием масел с пониженной вязкостью.

7. Разработанный процесс подготовки деталей ПРТ к пайке внедрен в ООО ГХТ и на СП Хамильтон Стандарт Наука.

Заключены технические условия с ОАО «СМЗ» на поставку листов отечественного производства, соответствующих листам зарубежной поставки.