Соляные ванны: устаревшая технология или выгодная альтернатива?

Введение

Солевые электродные ванны часто относят к устаревающим технологиям. Однако это оборудование сохраняет свою эффективность в современной термообработке, особенно в условиях интенсивного серийного производства. Технология охватывает широкий круг задач — от пайки до изотермической закалки.

В статье кратко описываются применения и экономические преимущества этого типа оборудования, а также предлагаются современные альтернативы. Для углубленного изучения конструкции и технологии можно обратиться к списку литературы или описаниям на нашем сайте.

Эта статья предназначена для технологов и руководителей, которые оценивают необходимость модернизации термического участка. Мы не даём готовых ответов, но даём чёткое направление для выбора — на стыке экономической целесообразности и технологической необходимости.

Оглавление

• 1. Введение
• 2. Преимущества электродных соляных ванн
  • 2.1. Равномерный прогрев без коробления
  • 2.2. Исключение окалины, окисления и декарбонизации
  • 2.3. Скорость
  • 2.4. Универсальность
• 3. Недостатки электродных соляных ванн
• 4. Конструкции и принцип работы
  • 4.1. Принцип работы
  • 4.2. Конструктивные особенности нагрева
    • 4.2.1. Металлический тигель с верхним расположением электродов
    • 4.2.2. Керамический тигель с быстросменными электродами
    • 4.2.3. Печь без электродов (для изотермической закалки)
• 5. Сравнение с современным оборудованием. Замена на вакуумные печи
  • 5.1. Практическое решение: Вакуумная печь
• 6. Примеры оборудования
  • 6.1. Электродная ванна
  • 6.2. Безэлектродная ванна
  • 6.3. Печи для нагрева в защитной среде
• 7. Вывод
• 8. Глоссарий терминов
• 9. Список использованных источников

Преимущества электродных соляных ванн

Равномерный прогрев без коробления

При погружении вокруг детали мгновенно формируется «кокон» из затвердевшей соли, что обеспечивает щадящий прогрев и предотвращает тепловой шок, коробление и трещины. Нагрев идёт равномерно со всех сторон. Деталь физически не может нагреться выше или ниже температуры ванны. Электроды создают мощное магнитное поле, которое активно перемешивает расплав, обеспечивая однородность температуры.

Результат: Снижение допусков на обработку, возможность работы со сложными и тонкостенными деталями, предсказуемая геометрия после термообработки. Стабильные, повторяемые результаты. Качество, гораздо меньше зависящее от загрузки.

Исключение окалины, окисления и декарбонизации

Возможность обработки сталей с разным содержанием углерода в одной ванне без риска науглероживания или выгорания углерода. Плёнка соли продолжает защищать деталь даже при переносе на закалку.

На практике: Поверхность «как есть», сокращение припусков под механическую обработку, минимизация брака по поверхностным дефектам. Меньше требований к персоналу.

Скорость

Нагрев в солевой ванне идёт за счёт прямой теплопередачи (кондукции). Это в 4–6 раз быстрее, чем в печах с конвекционным нагревом. Например, для нагрева до 815°C требуется примерно 5 мин/25.4 мм толщины — в 4 раза быстрее, чем в оборудовании радиационного типа.

На практике: Большая пропускная способность на единицу оборудования, снижение удельного энергопотребления, возможность выполнения срочных заказов.

Универсальность

Одну и ту же ванну мощностью 65 кВт можно использовать для четырёх операций: цементация, пайка, совмещённая цементация-пайка и закалка.

На практике: Снижение номенклатуры оборудования и занимаемой площади цеха.

Недостатки

• Длительный и сложный процесс запуска оборудования. Требует аккуратного обращения и навыка.
• Это решение не для одной детали.
• Наиболее эффективно при многосменной работе в режиме непрерывного интенсивного использования.
• Повышенные требования к экологической безопасности и утилизации отходов.

Конструкция

Принцип работы

В электродных печах нагрев происходит за счёт омического сопротивления расплавленной соли прохождению электрического тока. В твёрдом состоянии соли являются изоляторами, но в расплавленном — становятся проводниками.

Электрический потенциал подаётся в ванну через тяжёлые электродные шины, подключённые ко вторичной обмотке специальных многофазных трансформаторов с воздушным охлаждением. Электроды располагаются в углублённой зоне ванны. При подаче тока между близко расположенными электродами возникает сильное магнитное поле.

Согласно закону Максвелла, это поле заставляет частицы соли между электродами двигаться вниз по спирали. Эта электродинамическая циркуляция (при правильном проектировании расположения электродов) обеспечивает равномерность температуры во всём объёме ванны и исключает локальные перепады.

Выбор конструкции (верхние электроды в металле, быстросменные в керамике) определяется типом солевой смеси и технологическим температурным диапазоном.

Конструктивные особенности нагрева

Конструкция печи и расположение электродов напрямую зависят от рабочей температуры и типа используемой соли.

Металлический тигель с верхним расположением электродов

• Применяется для температур до 950°C.
• В этой конструкции электроды вводятся сверху и обычно располагаются вдоль задней стенки, вне рабочей зоны.

Этот тип печи используется, когда соли содержат значительное количество цианидов, карбонатов, едкого натра, а также для низкотемпературных операций с нитратами и нитритами. Он также типичен для процессов цианирования и азотирования.

Керамический тигель с быстросменными электродами

• Предпочтителен для высокотемпературных операций в диапазоне 650–1300°C.

Керамический тигель из специальных огнеупорных материалов (например, на основе оксида алюминия) принципиально более устойчив к высоким температурам.

В настоящее время такая конструкция является практически экзотикой и используется крайне редко.

Печи без электродов (для изотермической закалки)

• Радикально другой тип печи, предназначенный в первую очередь для контролируемого охлаждения.
• Используется для мартенситной и изотермической закалки (мартенсирование, аустенирование).
• В такой печи используется металлический тигель, нагреваемый резистивными нагревателями (ТЭНами) или газовыми погружными горелками. Электродный нагрев здесь не применяется.

Очень интересный тип оборудования. И оно тоже относится к разряду соляных ванн. Это закалочная изотермическая ванна. Её главная функция — не разогрев, а быстрое и точное охлаждение раскалённой детали из высокотемпературной печи с последующей выдержкой при строго заданной температуре (например, 205–400°C). Нагреватели нужны для первоначального расплавления соли и компенсации теплопотерь.

Замена на современное оборудование

В некоторых случаях соляные ванны можно заменить другим оборудованием, но такая замена часто связана со значительными затратами и компромиссами.

Для массового производства соляная ванна, несмотря на кажущуюся «архаичность», часто остаётся более простым, быстрым и экономичным универсальным решением, особенно для разнородных крупносерийных заказов. Вакуумная или атмосферная печь — это шаг к более чистой, но часто более узкоспециализированной и менее производительной термообработке.

Практическое решение: Вакуумная печь

Рассмотрите применение вакуумной печи с защитной атмосферой, если:

• Ваш основной процесс — отжиг, нормализация, термообработка готовых изделий из нержавеющих или инструментальных сталей без изменения химического состава поверхности.
• Безупречная чистота детали на выходе — главное требование для некоторых отраслей (например, для аэрокосмоса, медицины).
• Вы готовы жертвовать скоростью нагрева ради чистоты и простоты обслуживания (отсутствие солей для утилизации).
• В планах нет работ по цементации, цианированию или сложной пайке в агрессивных средах.

Соляная электродная ванна остаётся незаменимой или более выгодной, если:

• Нужен универсальный цех металлообработки
• Регулярно необходимы процессы цементации, пайки, азотирования.
• Важны производительность и скорость цикла.
• Вы можете обеспечить безопасную работу с расплавами и утилизацию отходов.

Часто выбор сводится к компромиссу между чистотой и скоростью, между универсальностью и специализацией.

Примеры оборудования

Электродная ванна

Примером соляной электродной ванны для интенсивной промышленной термообработки является модель СВС 4.5.6/13 мощностью 200 кВт. Подробные характеристики модели можно посмотреть в каталоге.

Безэлектродная ванна

Ванна селитровая низкотемпературная СВС-6.5.6,2/5,5 предназначена для низкотемпературных закалочных процессов (200–550°C). С подробными характеристиками можно ознакомиться тут.

Печи для нагрева в защитной среде

Компания выпускает широкую номенклатуру печей для нагрева в защитных средах. Печи СНО(З) (вакуумные с защитной атмосферой) — пример современной, технологически продвинутой альтернативы классической соляной ванне для ряда процессов. Доступны недорогие варианты для небольших производств.

Таблица 1. Сравнительные технологические преимущества вакуумных печей и соляных ванн

Каталог печей для нагрева в защитной среде вы можете посмотреть тут.

Наиболее популярная модель для малых производств — СНО(З)-40/11.

Вывод

Для операций, где соль выполняет только защитную функцию (нейтральный нагрев), вакуумная или атмосферная печь — полноценная, более чистая, но, как правило, более медленная альтернатива.

Для операций, где соль является активным технологическим агентом (источником углерода, флюсом, закалочной средой), замена на атмосферную печь невозможна или требует коренной перестройки технологического участка, что для малого и среднего производства часто экономически нецелесообразно.

Оптимальный выбор определяется не общей тенденцией, а экономикой вашего конкретного производства и спецификой техпроцесса. А специфика эта лучше известна именно вам.

Примечание: В статье я сознательно не привожу конкретных цифр экономии (например, рублей на килограмм детали), так как они сильно зависят от региона, масштаба и текущих тарифов. Для серьёзных промышленных предприятий основой выбора должна быть технологичность процесса (которая в долгосрочной перспективе и есть главная экономика) и гарантированное качество материала на выходе. Эти принципы и были положены в основу данного сравнения.

Валенцев А.А.

Глоссарий терминов

• Аустенирование: Процесс изотермической закалки, при котором сталь выдерживают в расплаве при температуре выше точки мартенситного превращения для получения бainитной структуры, сочетающей высокую прочность с вязкостью.
• Декарбонизация: Выгорание углерода с поверхности стали при нагреве в окислительной атмосфере, приводящее к снижению твёрдости и прочности поверхностного слоя.
• Кондукция (кондуктивный нагрев): Передача тепла путём непосредственного контакта нагретого тела (расплава соли) с холодным (деталью). Самый быстрый способ нагрева в термической обработке.
• Мартенсирование (мартенситная закалка) – ключевая стадия закалки стали, при которой деталь охлаждают со скоростью, исключающей распад аустенита, что приводит к образованию твёрдой и прочной мартенситной структуры. В соляных ваннах этот процесс часто контролируют, проводя изотермическую выдержку для снижения напряжений.
• Науглероживание (цементация): Процесс диффузионного насыщения поверхности стали углеродом для повышения твёрдости и износостойкости.
• Нейтральная закалка: Нагрев и закалка стали в среде, которая не вызывает ни науглероживания, ни декарбонизации поверхности (нейтральная соль или контролируемая атмосфера).
• Солевая (селитровая) ванна: Термостатируемая среда на основе расплавленных нитратов-нитритов щелочных металлов (например, NaNO₃, KNO₃), используемая преимущественно для изотермической закалки в диапазоне 200–550 °C.
• Электродная соляная ванна: Печь, в которой нагрев расплава происходит за счёт пропускания электрического тока через соль между погружёнными электродами (принцип прямого сопротивления).
• Электродинамическая циркуляция: Перемешивание расплава в электродной ванне под действием электромагнитных сил, возникающих между токоведущими электродами. Обеспечивает равномерность температуры.

*Определения даны в контексте данной статьи.

Список использованных источников

• Mehrkam, Q.D. (1967). An Introduction to Salt Bath Heat Treating. Tooling & Production Magazine, June & July 1967. AJAX REPRINT No. 182. Philadelphia, Pa.: Ajax Electric Company.
• Лахтин, Ю.М., Леонтьева, В.П. (1980). Материаловедение. Учебник. — М.: Машиностроение.
• Гуляев, А.П. (1986). Термическая обработка стали. — М.: Металлургия.
• Бернштейн, М.Л. (1968). Термомеханическая обработка металлов и сплавов. В 2-х т. — М.: Металлургия.
• Смольников, Е.А. Термическая и химико-термическая обработка инструментов в соляных ваннах. Е.А. Смольников. - М.: «Машиностроение», 1981 г., стр. 137.
• Кауфман, В.Г. Электрические печи с жидкими теплоносителями. В.Г. Кауфман. - М.: «Энергия», 1973 г., стр. 41-42.
• Крылов П.А. Электрические соляные печи и ванны. М: Госэнергоиздат, 1962 г., стр.104 (в серии "Библиотека электротермиста", вып. 11).
• Райцес В.Б. Технология химико-термической обработки на машиностроительных заводах М: Машиностроение, 1965 г.
• Шмыков А.А. Справочник термиста, 1952 г. Нагрев под закалку в соляных печах, стр. 269-270.