CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌ CQ TRÌNH TƠI THÉP TRONG DUNG DỊCH POLYME
2.3.1. Các giai đoạn làm nguội khi tôi trong dung dịch polyme
Cơ chế truyền nhiệt khi tôi trong dung dịch polyme được xác nhận giống như khi tôi trong nước và dầu [3, 14, 46], bao gồm 3 giai đoạn: Giai đoạn màng hơi (giai đoạn sôi màng), giai đoạn sơi bong bóng và giai đoạn đối lưu (giai đoạn làm mát chất lỏng).
Giai đoạn chăn hơi hay giai đoạn sôi màng: Đây là giai đoạn đầu tiên của quá trình
làm nguội, được đánh dấu từ điểm E đến điểm D trên hình 2.7. Khi chi tiết được nhúng vào trong dung dịch tôi, dung dịch làm nguội sẽ thấm ướt bề mặt kim loại. Vì nhiệt độ chi tiết rất cao nên ngay lập tức lớp dung dịch tiếp xúc với bề mặt chi tiết bị hóa hơi, hình thành lớp màng hơi bao quanh chi tiết gọi là chăn hơi. Sự hình thành lớp màng hơi bao quanh chi tiết được đặc trưng bởi hiện tượng Leidenfrost [27]. Vì hơi có hệ số dẫn nhiệt rất bé nên lớp màng hơi hoạt động như một lớp cách nhiệt, truyền nhiệt chủ yếu bởi bức xạ qua màng hơi. Do đó, trong giai đoạn này q trình làm nguội xảy ra với tốc độ nguội chậm. Đối với dung dịch làm nguội polyme, giai đoạn này được bổ sung thêm sự hình thành một lớp màng giàu polyme, lớp màng này bao bọc quanh lớp chăn hơi và làm cho màng hơi ổn định hơn so với khi tôi trong nước. Lớp màng hơi này phát triển và được duy trì khi nguồn nhiệt từ bên trong của một phần bề mặt chi tiết vượt quá tổng lượng nhiệt cần thiết để làm bay hơi dung dịch tơi và duy trì pha hơi. Nhiệt độ mà màng hơi bắt đầu được duy trì gọi là nhiệt độ đặc trưng của chất lỏng hay gọi là nhiệt độ Leidenfrost [27]. Nhiệt độ Leidenfrost của chất lỏng không phụ thuộc vào nhiệt độ tôi của chi tiết, nhưng phụ thuộc vào nhiều yếu tố và một trong những yếu tố này vẫn không thể xác định được cho đến thời điểm hiện tại [63].
Đôi khi, màng hơi có thể bị phá vỡ và có thể được hình thành lại ở một số vùng nào đó trên bề mặt chi tiết (hình 2.8). Chính điều này dẫn đến màng hơi khơng ổn định và chuyển sang giai đoạn sơi bong bóng. Sự khơng đồng nhất về cơ chế truyền nhiệt tại các vị trí trên bề mặt của chi tiết trong q trình sơi màng dẫn đến nguy cơ biến dạng cao trong q trính tơi. Thời gian duy trì màng hơi phụ thuộc vào nhiều yếu tố: như trọng lượng và hình dạng của chi tiết, tính chất vật lý của mơi trường tơi, nhiệt độ và tốc độ khuấy.
Hình 2.8 Sự chuyển tiếp giữa pha lỏng – hơi do sự thấm ướt trong giai đoạn sôi màng
(nguồn: [64])
Giai đoạn sơi bong bóng: Khi nhiệt độ của chi tiết giảm xuống dưới nhiệt độ
Leidenfrost của chất lỏng thì màng hơi bắt đầu bị phá vỡ và dung dịch làm nguội lại thấm ướt bề mặt vật tơi (giai đoạn D – A), khi đó giai đoạn sơi bong bóng bắt đầu xảy ra. Tốc độ nguội tăng nhanh và đạt được lớn nhất tại điểm C. Trong giai đoạn này, khả năng trao đổi nhiệt là lớn nhất do sự hình thành và tách rời của hàng trăm các bong bóng nhỏ từ bề mặt vật tôi trong mỗi giây. Ngay khi giai đoạn này bắt đầu, hệ số trao đổi nhiệt giữa chi tiết và môi trường tăng nhanh và đạt được giá trị lớn nhất. Q trình sơi diễn ra ổn định và đồng đều trên các phần của chi tiết. Trong suốt giai đoạn này, nhiệt độ bề mặt của chi tiết giảm xuống đáng kể nhưng vẫn cao hơn nhiệt độ sơi của chất lỏng. Q trình sơi bong bóng vẫn diễn ra, bề mặt chi tiết được làm nguội thêm, dòng nhiệt từ bề mặt chi tiết ngừng tăng và sau đó giảm dần. Trong thời gian này, tại một số điểm trên bề mặt chi tiết, nhiệt độ giảm xuống gần bằng nhiệt độ sơi của chất lỏng thì dịng nhiệt từ bề mặt chi tiết không đủ để duy trì q trình sơi bóng bóng sẽ chuyển sang giai đoạn làm nguội đối lưu.
Thời gian của giai đoạn sơi bong bóng tỷ lệ thuận với bình phương chiều dày của vật tôi và tỷ lệ nghịch với sự khuếch tán nhiệt của vật chất. Nó phụ thuộc vào hình dạng vật tơi, tốc độ khuấy, độ nhớt động lực học, nhiệt độ ban đầu và tính chất nhiệt của dung dịch tôi.
Giai đoạn đối lưu – giai đoạn làm mát chất lỏng: Khi giai đoạn sơi bong bóng kết
thúc, nhiệt độ bề mặt chi tiết tiếp tục giảm xuống thấp hơn nhiệt độ sôi của chất lỏng. Tốc độ nguội của giai đoạn này là nhỏ nhất trong 3 giai đoạn và phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ khuấy, độ nhớt của dung dịch tơi. Dung dịch có độ nhớt càng cao, tốc độ khuấy càng nhỏ thì thì truyền nhiệt đối lưu càng kém, do đó tốc độ nguội trong chi tiết càng nhỏ. Vì ở giai đoạn này trong thép xảy ra chuyển biến austenit thành mactenxit nên tốc độ nguội trong giai đoạn này càng thấp sẽ càng tốt để giảm thiểu biến dạng và nứt vỡ chi tiết.
Sự phức tạp của quá trình làm nguội vật tơi trong chất lỏng có thể được mơ tả như hình 2.9. Trên thực tế, 3 cơ chế làm ngi (sơi màng, sơi bong bóng và đối lưu) có thể xảy ra đồng thời trên bề mặt của chi tiết. Điều này cho thấy sự chênh lệch rất lớn về hệ số truyền nhiệt, cũng như trường nhiệt độ trên các phần khác nhau của vật tơi. Chính sự khác nhau này dẫn đến ứng suất dư và biến dạng trên chi tiết sau q trình tơi.
Hình 2.9 Hệ số truyền nhiệt, trường nhiệt độ và gradient nhiệt độ trên mẫu hình trụ
khi cả 3 cơ chế truyền nhiệt xuất hiện đồng thời (nguồn: [65])