深冷技术工艺及设备的新进展研究

储波 杨雪婷

杭州中泰深冷技术股份有限公司 浙江 杭州 310000

深冷处理是在极低温度下，能够有效处理的技术，处理温度达到-196℃～-130℃，技术优势较多，可以提升金属材料的力度性能，延长使用寿命，相应提升尺寸稳定性、材料均匀性。此外，深冷技术可以加强金属材料物理性能，例如导热性、导电性。在20世纪60年代，美国开始广泛应用深冷技术，同时加大技术研究力度，有效作用于汽车制造、仪器制造、航空航天等领域。在信息技术发展中，我国也开始研究深冷处理技术，特别是油嘴油泵、量具、航空航天领域，涉及轴承泵、工具钢、高速钢等金属材料。本文主要围绕深冷技术展开研究。

1 传统深冷处理技术与设备

深冷技术发展过程中，相应产生了技术处理设备，设备可以有效控制温度，确保深冷技术具备多种温度选择，而不是应用到单一化学材料中。深冷设备以液氮为冷源，包括液氮浸泡、液氮气化。液氮气化主要应用辐射换热系统、对流换热系统、系统结合方式。我国注重研究深冷技术处理设备，以SLX程序为控制系统，最低温度可达-196℃，温度均匀性强，控制效果显著。技术人员注重改良和创新技术设备，并且应用到企业生产中。SLX程序深冷箱以液氮作为冷源，以液氮气化吸热为基础，可以起到制冷效果。处理设备涉及液氮传输系统、液氮罐、深冷箱等。液氮罐可以存储大量液氮，同时为系统通过液氮，避免液氮缺失所致故障。液氮传输系统通过真空技术，可以有效隔绝热量，同时连接深冷箱和液氮罐。在液氮传输期间，可以降低能量损耗。通过安全阀，可以确保管路安全性。压力报警系统可以实时监控系统运行状态，同时提示运行问题。深冷箱为不锈钢材质，中间为保温层，可以降低箱内外热交换。箱体内配置液氮分散系统，可以在内部均匀分散液氮，起到显著降温效果，同时确保箱体内温度均匀性。深冷箱控制系统，多采用执行调节控制智能技术；在检测温度时，多采用PT100温度计。通过智能调节器制冷信号、加热信号，可以有效调节深冷箱内部温度[1]。

2 深冷处理工艺的新进展

在操作实践中，金属材料被放置在超低温度下，可以改变金属材料微观结构，同时改善金属材料性能。针对深冷处理设备机理问题，处于初步研究阶段，未完全认识到材料内部结构变化。与其他材料相比，深冷处理技术多应用到钢铁领域，且不同国家的研究达成共识。

2.1 材料工艺进展

在近几年发展中，深冷处理材料改性工艺研究较多，出现了较多专业研究与论文，多涉及非金属材料、粉末冶金、有色金属等。铝合金材料深冷处理，可以处理铝合金工件加工变形问题，同时将该项技术应用到铝合金材料耐磨性、强度、硬度研究中。基于不同工艺要求，深冷技术可以加大材料硬度与强度，使材料内应力降低，维护尺寸稳定性。

深冷技术也被应用到硬质合金处理中，但是技术争议比较多。采用深冷技术处理硬质合金刀具，关于寿命是否提高的讨论较多。在硬质合金材料切削工具中，材料硬度无变化，然而耐磨性较强，使用寿命延长。硬质合金内应力状态变化，有助于延长寿命。在处理陶瓷材料时，应用深冷处理技术，可以有效提升耐磨性与韧性[2]。

2.2 功能方面进展

深冷技术不仅可以延长工件寿命，还可以确保零部件稳定性。对于航空航天、精密机床来说。在机加工、应用使用期间，零部件极易产生变形问题，对生产效率、质量安全影响较大。内部组织、内应力，对尺寸稳定性影响较大，在受力状态改变、长时间运行状态下，工件尺寸容易变化，明显大于公差要求。但是，深冷处理技术可以有效作用于内部组织、内应力方面。采用深冷处理工艺，可以使材料内应力降低，促使奥氏体转化，同时改善工件稳定性。当前，机床行业开始研究尺寸稳定性问题，有助于提升机床行业整体性。

3 深冷处理技术和设备在节能方面的新进展

3.1 回收氮气

图1 深冷处理设备原理图

在回收氮气之前，深冷设备可以促使液氮气化，接触工件后实现热交换，使工件温度降低。经过换热操作后，氮气会排放至空气内部，从而造成工件浪费。深冷设备配置氮气回收系统，可以将液氮导入至低温换热器内，无损收集热交换液氮和氮气，同时将其存储至储气罐内，有效处理工质浪费问题。此外，设冷处理设备具备良好的温度均匀性、控温精度，可以防止液氮直接接触工件，致使工件冷冲击，对处理效果造成影响。下图为原理图。液氮利用阀门，进入到低温换热器内，在换热器内强制对流换热，使空间温度降低。完成换热操作后，液氮会气化为氮气，同时通过低温换热器出口排放至储气罐内，返回至深冷处理设备。此种方式有效改进了箱体结构、换热方式。将低温换热器作为中间换热设备，可以有效回收和利用氮气。分布布置低温换热器，不仅可以提升换热效率，还可以维护温度均匀性[3]。

3.2 回收储能冷量

为了缓解能量供求双方的地点、时间、强度不匹配问题，必须合理应用冷量回收储能技术，以此发挥出能源应用效果，使环境濡染降低，属于节能减排重要措施。在应用深冷处理设备时，当处理温度为-120℃，则氮气排气温度约为-120℃。当处理设备回收该部分冷量时，可以使能耗降低，减少成本使用。

为了有效回收冷量，采用大量计算与试验，研究低温储能系统。首先选择适宜的低温蓄热材料，建立传热数学模型，分析和计算蓄热器内部温度、热流、密度、界面移动规律，同时掌握气体换热。优化设计冷热蓄能系统，分析热应力，对低温蓄热器设计稳定性、安全性进行验证。采用计算分析结果，实现优化设计。在深冷处理设备上，合理应用研究成果，选择特种蓄能材料。优化设计蓄能材料，确保蓄能材料吸收和存储废气冷量，将其作为材料初始处理温度。当前，技术人员研发多种蓄冷器，能够和不同温度区材料换热，同时升高氮气温度[4]。

冷量回收装置、氮气回收装置可以联合使用。当深冷处理温度较低时，低温氮气利用蓄冷器换热，之后再回收，不仅可以充分应用冷量，还可以确保工质回收效果，使能耗降到最低。

3.3 变频控制

通过变频控制，可以确保温度均匀性。深冷处理配置叶轮、电动机，然而设备设计选型时，多以大装炉量为参数，因此功率偏大。特别是巨型深冷箱，电动机设计功率比较大。对于同一套设备空炉、半炉，会浪费电动机功率，还会导致液氮消耗量增加。为了消除以上不良影响，需要将变频技术应用到巨型设备上，对电动机转速进行调节，不仅可以确保温度均匀性，还可以实现节能效果[5]。

4 结束语

综上所述，利用深冷处理技术，可以确保材料改性效果。在早期研究中，多集中在高合金钢、高碳钢领域，作用机理和技术工艺的专项研究多。深冷处理可以有效作用到非金属、有色金属、粉末冶金领域，技术应用与研究力度不断加深。采用深冷技术处理材料后，既能够优化力学性能，还可以维护尺寸稳定性，为精密加工业通过处理方案。当深冷处理工艺和设备应用SXL程序，能够确保环境温度达到-196℃至500℃，具备较高的温度控制精度，温度均匀性强，能够对工件、材料，实施有效的深冷处理。此外，深冷处理工艺和设备也可应用到节能降耗领域，可以有效回收冷量、氮气，实现自动化变频控制，使液氮领域效率提升，同时维护成本效益，值得推广应用。