RU122332U1

RU122332U1 - COMPOSITION HEAT EXCHANGER

Info

Publication number: RU122332U1
Application number: RU2012118873/02U
Authority: RU
Inventors: Юрий Павлович Трыков; Сергей Петрович Писарев; Виктор Георгиевич Шморгун; Леонид Моисеевич Гуревич; Дмитрий Владимирович Проничев; Вячеслав Фёдорович Казак; Артём Игоревич Богданов; Олег Сергеевич Киселев; Александр Олегович Таубе
Priority date: 2012-05-04
Filing date: 2012-05-04
Publication date: 2012-11-27

Abstract

Композиционный теплообменник, выполненный с внутренними полостями, сформированными гидравлическим давлением, содержащий два никелевых слоя, два жаростойких слоя из интерметаллидов системы алюминий - никель, отличающийся тем, что он выполнен девятислойным и содержит стальной слой в виде пластины, расположенный между приваренными к нему с двух сторон медными пластинами, медные и упомянутые никелевые слои, сдеформированные гидравлическим давлением и расположенные на поверхностях упомянутых никелевых слоев два упомянутых жаростойких слоя из интерметаллидов системы алюминий - никель толщиной 50-70 мкм, полученные сваркой взрывом алюминиевых слоев с упомянутыми никелевыми слоями с последующим их формованием термической обработкой с удалением избыточного алюминия при температуре, превышающей температуру его плавления, причем все металлические слои соединены между собой по всем поверхностям соприкосновения сваркой взрывом, соотношение толщин упомянутых никелевых слоев и медных слоев составляет 1:(1,25-2,5) при толщине каждого никелевого слоя, равном 1-1,2 мм, а внутренние полости в теплообменнике располагаются симметрично с двух сторон стального слоя в виде пластины.A composite heat exchanger made with internal cavities formed by hydraulic pressure, containing two nickel layers, two heat-resistant layers of intermetallic compounds of the aluminum-nickel system, characterized in that it is made of nine layers and contains a steel layer in the form of a plate located between welded to it on both sides copper plates, copper and said nickel layers, deformed by hydraulic pressure and located on the surfaces of said nickel layers, two said heat-resistant layers of intermetallic compounds of the aluminum-nickel system with a thickness of 50-70 microns, obtained by explosion welding of aluminum layers with said nickel layers, followed by their formation by heat treatment with the removal of excess aluminum at a temperature exceeding its melting point, and all metal layers are connected to each other along all contact surfaces by explosion welding, the ratio of the thicknesses of the said nickel layers and copper layers is 1: (1.25-2.5) with a thickness of each nickel layer equal to 1-1.2 mm, and the internal cavities in the heat exchanger are located symmetrically on both sides of the steel layer in the form of a plate.

Description

Полезная модель относится к изделиям, изготовленным с помощью энергии взрыва и предназначается для использования в энергетических, химических, установках, в теплорегуляторах и т.п., эксплуатируемых в окислительных газовых средах.The utility model relates to products made with the help of explosion energy and is intended for use in power, chemical, installations, heat regulators, etc., operated in oxidizing gas environments.

Известна листовая конструкция биметаллического теплообменника, полученного локальной сваркой взрывом разнородных металлических листов одинаковой толщины. В этой конструкции внутренние проходные каналы круглого профиля сформированы гидравлическим давлением в специальных приспособлениях. На межслойных границах высокотемпературным нагревом формируют диффузионные прослойки для снижения теплопередачи в поперечном направлении. (Ю.П.Трыков, С.П.Писарев. Изготовление теплообменных композиционных элементов с помощью взрывных технологий / Сварочное производство №6, 1998. С.34-37).Known sheet design of a bimetallic heat exchanger obtained by local explosion welding of dissimilar metal sheets of the same thickness. In this design, the internal passage channels of the round profile are formed by hydraulic pressure in special devices. Diffusion layers are formed on the interlayer boundaries by high-temperature heating to reduce heat transfer in the transverse direction. (Yu.P. Trykov, S.P. Pisarev. Production of heat-exchange composite elements using explosive technologies / Welding production No. 6, 1998. P.34-37).

Недостатком данной конструкции является отсутствие на ее наружных поверхностях жаростойких интерметаллидных слоев, повышенная склонность металлических слоев к коррозионному разрушению, поскольку внутренние полости таких изделий контактируют с разнородными металлами, возможность разрушения изделий по хрупким интерметаллидным прослойкам при резких перепадах давления в жидкостях - теплоносителях, пропускаемых через внутренние каналы, что весьма ограничивает возможные области использования таких изделий в теплообменной аппаратуре, предназначенной для эксплуатации в окислительных газовых средах.The disadvantage of this design is the absence on its outer surfaces of heat-resistant intermetallic layers, the increased tendency of metal layers to corrosion, since the internal cavities of such products come in contact with dissimilar metals, the possibility of destruction of products by brittle intermetallic layers with sharp pressure drops in fluids passing through internal channels, which greatly limits the possible areas of use of such products in heat exchange equipment, designed for use in oxidizing gas environments.

Наиболее близкой по технической сущности является конструкция шестислойного композиционного теплообменника с внутренними полостями, сформированными гидравлическим давлением, с внутренними слоями из никеля, наружными - из алюминия, а расположенные между слоями алюминия и никеля теплозащитные слои - из интерметаллидов системы алюминий- никель толщиной 15-20 мкм, которые получены сваркой взрывом алюминиевых слоев с никелевыми с последующим формированием интерметаллидных слоев термической обработкой, никелевые слои соединены между собой сваркой взрывом по всем поверхностям их соприкосновения, минимальная ширина перемычек между смежными полостями составляет 12 мм, соотношение толщин слоев алюминия и никеля составляет 1:(0,4-0,67) при толщине каждого слоя никеля 0,8-1 мм. (Патент РФ на полезную модель №90734, МПК В32В 15/20; В23К 20/08; В23К 101/14, опубл. 20.01.2010, Бюл. №2 прототип).The closest in technical essence is the design of a six-layer composite heat exchanger with internal cavities formed by hydraulic pressure, with inner layers of nickel, outer layers of aluminum, and heat-insulating layers located between aluminum and nickel layers from intermetallic compounds of the aluminum-nickel system with a thickness of 15-20 μm obtained by explosion welding of aluminum layers with nickel with the subsequent formation of intermetallic layers by heat treatment, the nickel layers are interconnected by explosion welding on all surfaces of their contact, the minimum width of the bridges between adjacent cavities is 12 mm, the ratio of the thicknesses of the layers of aluminum and nickel is 1: (0.4-0.67) with a thickness of each nickel layer of 0.8-1 mm. (RF patent for utility model No. 90734, IPC В32В 15/20; В23К 20/08; В23К 101/14, published on January 20, 2010, Bull. No. 2 prototype).

Недостатком данной конструкции является то, что сплошные теплозащитные слои из интерметаллидов системы никель-алюминий, обладающие помимо высокого термического сопротивления еще и весьма высокой жаростойкостью, располагаются между слоями из алюминия и никеля и отсутствуют на наружных поверхностях получаемых изделий, контактирующих с окружающей средой. Наружные слои в этой конструкции выполнены из легкоплавкого металла - алюминия с температурой плавления 660°С, поэтому ее предельно допустимая рабочая температура не превышает 400-600°C, малая прочность изделия при изгибающих нагрузках из-за наличия в его конструкции малопрочных алюминиевых слоев и малой толщины перемычек между полостями, что весьма ограничивает возможные области использования таких изделий в теплообменной аппаратуре, предназначенной для длительной эксплуатации в окислительных газовых средах, где требуется повышенная жаростойкость и прочность при изгибающих нагрузках.The disadvantage of this design is that continuous heat-shielding layers of nickel-aluminum intermetallic compounds, which in addition to high thermal resistance also have very high heat resistance, are located between the layers of aluminum and nickel and are absent on the outer surfaces of the resulting products in contact with the environment. The outer layers in this design are made of fusible metal - aluminum with a melting point of 660 ° C, therefore, its maximum allowable working temperature does not exceed 400-600 ° C, the low strength of the product under bending loads due to the presence of low-strength aluminum layers in its structure and low the thickness of the bridges between the cavities, which greatly limits the possible areas of use of such products in heat exchange equipment designed for long-term operation in oxidizing gas environments where increased heat growth resistance and strength under bending loads.

Задачей при разработке данной полезной модели является создание новой, конструкции композиционного теплообменника с внутренними полостями сваркой взрывом со сплошными жаростойкими интерметаллидными слоями оптимальной толщины на наружных поверхностях изделия, обеспечивающими повышенную долговечность теплообменника в газовых средах при повышенных температурах, с повышенной прочностью при изгибающих нагрузках, с однородным металлом, контактирующим с внутренними полостями изделия, с повышенной стойкостью к разрушению при резких перепадах давления во внутренних полостях.The task in developing this utility model is to create a new, composite heat exchanger design with internal cavities by explosion welding with continuous heat-resistant intermetallic layers of optimal thickness on the outer surfaces of the product, providing increased heat exchanger durability in gas environments at elevated temperatures, with increased strength under bending loads, with uniform metal in contact with the internal cavities of the product, with increased resistance to destruction during sharp epadah pressure in the inner cavities.

Технический результат, который обеспечивается при осуществлении данной полезной модели - более высокая в сравнении с прототипом жаростойкость в окислительных газовых средах, повышенная прочность теплообменника при изгибающих нагрузках с обеспечением при этом однородности металлов, контактирующих с внутренними полостями изделия, и повышенной стойкости к разрушению при резких перепадах давления во внутренних полостях за счет размещения сплошных наружных жаростойких покрытий в виде интерметаллидных слоев системы алюминий-никель оптимальной толщины на поверхностях никелевых слоев, размещения стальной пластины в центральной части теплообменника, способствующей существенному повышению его прочности при изгибающих нагрузках, использования новых методов сварки взрывом для создания высокопрочных сварных соединений между однородными и разнородными металлическими слоями, а также нового метода формирования покрытий с удалением избыточного алюминия с поверхностей интерметаллидных слоев при температуре, превышающей температуру его плавления.The technical result that is achieved by the implementation of this utility model is higher heat resistance in oxidizing gas environments in comparison with the prototype, increased heat exchanger strength under bending loads, while ensuring uniformity of metals in contact with the internal cavities of the product, and increased resistance to fracture during sudden changes pressure in internal cavities due to the placement of continuous external heat-resistant coatings in the form of intermetallic layers of the aluminum-nickel opt system small thicknesses on the surfaces of nickel layers, the placement of a steel plate in the central part of the heat exchanger, which contributes to a significant increase in its strength under bending loads, the use of new explosion welding methods to create high-strength welded joints between homogeneous and heterogeneous metal layers, as well as a new method of coating formation with the removal of excess aluminum from the surfaces of intermetallic layers at a temperature exceeding its melting point.

Указанный технический результат достигается тем, что композиционный теплообменник, содержащий внутренние полости, сформированные гидравлическим давлением, два слоя из никеля, два слоя из интерметаллидов системы алюминий-никель, выполнен девятислойным и содержит стальной слой в виде пластины, расположенный между приваренными к нему с двух сторон медными пластинами, медные и никелевые слои сдеформированные гидравлическим давлением и расположенные на поверхностях никелевых слоев два жаростойких слоя из интерметаллидов системы алюминий-никель толщиной 50-70 мкм, полученные сваркой взрывом алюминиевых слоев с никелевыми с последующим их формированием термической обработкой с удалением избыточного алюминия при температуре, превышающей температуру его плавления, все металлические слои соединены между собой по всем поверхностям соприкосновения сваркой взрывом, соотношение толщин слоев никеля и меди составляет 1:(1,25-2,5) при толщине каждого слоя никеля равном 1-1,2 мм, внутренние полости в теплообменнике располагаются симметрично с двух сторон стального слоя.The specified technical result is achieved in that the composite heat exchanger containing internal cavities formed by hydraulic pressure, two layers of nickel, two layers of intermetallic compounds of the aluminum-nickel system, is made nine-layer and contains a steel layer in the form of a plate located between two welded to it copper plates, copper and nickel layers deformed by hydraulic pressure and two heat-resistant layers of intermetallic compounds of the aluminum system located on the surfaces of nickel layers y-nickel with a thickness of 50-70 μm obtained by explosion welding of aluminum layers with nickel with their subsequent formation by heat treatment to remove excess aluminum at a temperature higher than its melting temperature, all metal layers are interconnected over all contact surfaces by explosion welding, the ratio of layer thicknesses nickel and copper is 1: (1.25-2.5) with a thickness of each nickel layer equal to 1-1.2 mm, the internal cavities in the heat exchanger are located symmetrically on both sides of the steel layer.

В отличие от прототипа композиционный теплообменник выполнен девятислойным и содержит стальной слой в виде пластины, расположенный между приваренными к нему с двух сторон медными пластинами, медные и никелевые слои сдеформированные гидравлическим давлением и расположенные на поверхностях никелевых слоев два жаростойких слоя из интерметаллидов системы алюминий-никель. Стальной слой выполнен в виде пластины, что придает изделию высокую прочность при изгибающих нагрузках, снижает вероятность растрескивания интерметаллидных покрытий при эксплуатации изделия, расширяет возможности монтажа изделий с применением сварки плавлением при изготовлении стальных корпусов химических и тепловых агрегатов. Предельная толщина данной стальной пластины не ограничена. Медные пластины, приваренные к стальному слою, обеспечивают в процессе эксплуатации изделия стабильность тепловых потоков при передаче тепловой энергии от веществ - теплоносителей, находящихся во внутренних полостях изделия к стальной пластине. После сварки медных пластин со смежными медными слоями на локальных участках и формирования гидравлическим давлением внутренних полостей обеспечивается однородность металла, окружающего внутренние полости с обеих сторон изделия и тем самым обеспечивается его повышенная коррозионная стойкость при длительной эксплуатации. Кроме того, медные слои при сварке взрывом легко свариваются между собой в широком диапазоне скоростных режимов сварки и образуют прочные и герметичные сварные соединения даже при локальной сварке на узких участках. Медь обладает повышенной теплопроводностью, а это способствует созданию надежной защиты жаростойких интерметаллидных слоев от перегрева в процессе эксплуатации изделия. Никелевые слои необходимы для формирования на их поверхностях интерметаллидных слоев системы алюминий - никель, придающих изделию повышенную жаростойкость при двустороннем контакте с окислительными газовыми средами при повышенных температурах. Для этого при получении изделия на поверхности никелевых слоев приваривают вспомогательные алюминиевые слои, удаляемые на заключительной стадии процесса. Кроме того, никелевые слои придают стенкам изделия повышенную прочность при сжимающих нагрузках в местах расположения внутренних полостей, со стороны изделия с медным слоем, легко свариваются со сталью и медью в широком диапазоне скоростных режимов сварки взрывом, при этом в зонах соединения не возникают нежелательные хрупкие фазы, которые могли бы снизить прочность конструкции в процессе эксплуатации, как в процессе сварки взрывом, так и при последующих термических обработках.Unlike the prototype, the composite heat exchanger is made nine-layer and contains a steel layer in the form of a plate located between copper plates welded to it on both sides, copper and nickel layers deformed by hydraulic pressure and two heat-resistant layers of intermetallic aluminum-nickel systems located on the surfaces of nickel layers. The steel layer is made in the form of a plate, which gives the product high strength under bending loads, reduces the likelihood of cracking of intermetallic coatings during operation of the product, expands the possibility of mounting products using fusion welding in the manufacture of steel bodies for chemical and thermal units. The maximum thickness of this steel plate is not limited. Copper plates welded to the steel layer ensure the stability of the heat flux during the operation of the product during the transfer of heat energy from substances - heat carriers that are in the internal cavities of the product to the steel plate. After welding of copper plates with adjacent copper layers in local areas and the formation of internal cavities by hydraulic pressure, the uniformity of the metal surrounding the internal cavities on both sides of the product is ensured, and thereby its increased corrosion resistance is ensured during long-term operation. In addition, copper layers during explosion welding are easily welded together in a wide range of high-speed welding modes and form durable and tight welded joints even when local welding in narrow areas. Copper has increased thermal conductivity, and this contributes to the creation of reliable protection of heat-resistant intermetallic layers from overheating during operation of the product. Nickel layers are necessary for the formation on their surfaces of intermetallic layers of the aluminum-nickel system, which give the product increased heat resistance upon bilateral contact with oxidizing gas media at elevated temperatures. To do this, upon receipt of the product, auxiliary aluminum layers are removed on the surface of the nickel layers, which are removed at the final stage of the process. In addition, nickel layers give the walls of the product increased strength under compressive loads at the locations of the internal cavities, on the side of the product with a copper layer, easily weld with steel and copper in a wide range of high-speed explosion welding modes, while undesirable brittle phases do not occur in the connection zones , which could reduce the structural strength during operation, both during the explosion welding process, and during subsequent heat treatments.

Получение каждого жаростойкого интерметаллидного слоя системы алюминий-никель на наружных поверхностях изделия помощью сварки взрывом алюминиевых слоев с никелевыми с последующим их формированием термической обработкой с удалением избыточного алюминия при температуре, превышающей температуру его плавления, является новым и экономически выгодным приемом нанесения таких покрытий. Толщина каждого жаростойкого интерметаллидного слоя менее 50 мкм приводит к снижению долговечности предлагаемой конструкции в окислительных газовых средах. При толщине таких покрытий более 70 мкм возникает склонность интерметаллидных прослоек к растрескиванию при резких перепадах давления во внутренних полостях изделия, что снижает их защитные свойства.The preparation of each heat-resistant intermetallic layer of the aluminum-nickel system on the outer surfaces of the product by explosion welding of aluminum layers with nickel and their subsequent formation by heat treatment with the removal of excess aluminum at a temperature exceeding its melting temperature is a new and economical method for applying such coatings. The thickness of each heat-resistant intermetallic layer of less than 50 microns leads to a decrease in the durability of the proposed design in oxidizing gas environments. When the thickness of such coatings is more than 70 μm, there is a tendency for intermetallic layers to crack under sharp pressure drops in the internal cavities of the product, which reduces their protective properties.

В предлагаемой конструкции все металлические слои соединены между собой по всем поверхностям соприкосновения сваркой взрывом, соотношение толщин слоев никеля и меди составляет 1:(1,25-2,5) при толщине каждого слоя никеля равном 1-1,2 мм. Сварка взрывом является наиболее дешевым и надежным способом соединения разнородных и однородных металлических слоев без применения дорогостоящего оборудования. Соотношение толщин слоев никеля и меди равное 1:(1,25-2,5) является оптимальным, поскольку при этом создаются благоприятные условия для получения качественных сварных соединений на межслойных границах при сварке взрывом, обеспечивается экономный расход металлов в расчете на одно изделие. Толщина никелевых слоев менее 1 мм является недостаточной для обеспечения высокого качества изделия из-за возможных нарушений их сплошности при операции формирования гидравлическим давлением внутренних полостей. Их толщина более 1,2 мм является избыточной, поскольку это хоть и не ухудшает качество предлагаемой конструкции, но приводит к чрезмерному расходу дорогостоящего никеля в расчете на одно изделие.In the proposed design, all metal layers are interconnected on all contact surfaces by explosion welding, the ratio of the thicknesses of the layers of nickel and copper is 1: (1.25-2.5) with a thickness of each nickel layer equal to 1-1.2 mm. Explosion welding is the cheapest and most reliable way to connect dissimilar and homogeneous metal layers without the use of expensive equipment. The ratio of the thicknesses of the layers of nickel and copper equal to 1: (1.25-2.5) is optimal, since this creates favorable conditions for obtaining high-quality welded joints at the interlayer boundaries during explosion welding, economical consumption of metals per one product is ensured. The thickness of the nickel layers less than 1 mm is insufficient to ensure high quality products due to possible violations of their continuity during the operation of the formation of hydraulic pressure of the internal cavities. Their thickness of more than 1.2 mm is excessive, because although this does not impair the quality of the proposed design, it leads to an excessive consumption of expensive nickel per one product.

Внутренние полости в теплообменнике располагаются симметрично с двух сторон стального слоя, что в процессе эксплуатации изделия обеспечивает равенство тепловых потоков от веществ - теплоносителей к стальной пластине, повышает эффективность теплообмена.The internal cavities in the heat exchanger are located symmetrically on both sides of the steel layer, which during the operation of the product ensures the equality of heat fluxes from substances - coolants to the steel plate, increases the efficiency of heat transfer.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 изображен внешний вид многослойного теплообменника с внутренними полостями, где позиция 1 - стальная пластина, 2, 3 - медные пластины, 4, 5 - сдеформированные медные слои, 6, 7 - сдеформированные никелевые слои, 8, 9 - жаростойкие интерметаллидные слои, 10, 11 - зоны сварки взрывом медных слоев между собой, 12, 13 - зоны сварки медных пластин со стальной, 14, 15 - зоны сварки никелевых слоев с медными, 16, 17 - внутренние полости изделия.The essence of the utility model is illustrated in the drawing, where Fig. 1 shows the appearance of a multilayer heat exchanger with internal cavities, where position 1 is a steel plate, 2, 3 are copper plates, 4, 5 are deformed copper layers, 6, 7 are deformed nickel layers, 8, 9 - heat-resistant intermetallic layers, 10, 11 - zones of welding by explosion of copper layers between themselves, 12, 13 - zones of welding of copper plates from steel, 14, 15 - zones of welding of nickel layers with copper, 16, 17 - internal cavities of the product.

Работа теплообменника с внутренними полостями осуществляется следующим образом. С двух торцевых сторон изделия приваривают, например аргонодуговой сваркой, к медным слоям 2, 4 и 3, 5 металлические трубопроводы для пропускания через внутренние полости изделия 16-17 жидкостей или газов - теплоносителей. Теплообмен теплоносителей с окружающей внешней средой осуществляется через сдеформированные слои из меди 4, 5, никеля 6, 7 и жаростойкие интерметаллидные слои 8, 9, а со стальной пластиной 1 теплообмен теплоносителей осуществляется через медные пластины 2, 3. Жаростойкие интерметаллидные слои 8, 9 обеспечивают работоспособность изделия в окислительных газовых средах до 1000°C. Теплообмен между веществами - теплоносителями, расположенными в смежных полостях осуществляется через цельносварные перемычки между полостями из меди, никеля и стали. Сварные соединения 10-15 обеспечивают повышенную стойкость изделия к разрушению при резких перепадах давления в его внутренних полостях.The operation of the heat exchanger with internal cavities is as follows. From two end sides of the product, for example, metal pipelines are welded, for example by argon-arc welding, to copper layers 2, 4 and 3, 5 for passing 16-17 liquids or coolant gases through the internal cavities of the product. Heat transfer from the surrounding medium through the deformed layers of copper 4, 5, nickel 6, 7 and heat-resistant intermetallic layers 8, 9, and with steel plate 1, heat transfer through the copper plates 2, 3. Heat-resistant intermetallic layers 8, 9 provide operability of the product in oxidizing gas environments up to 1000 ° C. Heat exchange between substances - heat carriers located in adjacent cavities is carried out through all-welded bridges between the cavities of copper, nickel and steel. Welded joints 10-15 provide increased resistance to failure during sharp pressure drops in its internal cavities.

Пример исполнения №1.Execution example No. 1.

Исходными материалами для изготовления многослойного теплообменника с внутренними полостями были пластины из меди Ml, никеля НП1, стали 12Х1МФ и алюминия АД1. Длина каждой пластины 340 мм, ширина 265 мм. Из пластин составляли два трехслойных пакета под сварку взрывом с размещением в каждом из них между пластинами из алюминия и меди никелевой пластины. После сварки взрывом эти пакеты располагают симметрично с двух сторон стальной пластины, в промежутках между ними размещают медные пластины, на поверхности которых предварительно наносят по трафарету слои противосварочного вещества в виде полос шириной равной 25 мм, с расстояним между противосварочными полосами 15 мм, с расстояниями от краев заготовки 30 мм, толщина наносимых полос - 80-100 мкм. Свариваемые заготовки располагают вертикально параллельно друг другу, при этом поверхности медных пластин с нанесенными противосварочными полосами располагают так, чтобы они были обращены к медным слоям сваренных трехслойных заготовок. Сварку взрывом полученного пакета осуществляют с помощью двух одинаковых зарядов взрывчатого вещества с одновременным инициированием в них процессов детонации. После сварки взрывом данного пакета, обрезки боковых кромок с краевыми эффектами и термической обработки для повышения деформационной способности металлических слоев сваренной семислойной заготовки производят формирование между ее медными слоями внутренних полостей, имеющих форму, как на фиг.1, в специальной оснастке методом их раздувания под действием гидравлического давления. Ширина каждой внутренней полости равна 25 мм, высота - 4 мм. Затем в электропечи производят отжиг полученной заготовки с внутренними полостями для формирования диффузионных интерметаллидных прослоек между слоями из алюминия и никеля, затем нагревают ее до температуры, превышающей температуру плавления алюминия, удаляют с ее поверхностей расплавленный алюминий, выдерживают при этой температуре для превращения остатков алюминия в интерметаллиды, после чего производят охлаждение с получением при этом изделия с внутренними полостями со сплошными жаростойкими интерметаллидными покрытиями на его наружных поверхностях.The starting materials for the manufacture of a multilayer heat exchanger with internal cavities were plates made of copper Ml, nickel NP1, steel 12X1MF and aluminum AD1. The length of each plate is 340 mm, the width is 265 mm. Of the plates, two three-layer packages for explosion welding were made with the placement of a nickel plate in each of them between aluminum and copper plates. After explosion welding, these bags are placed symmetrically on both sides of the steel plate, in the spaces between them, copper plates are placed, on the surface of which layers of anti-welding substance are preliminarily applied in the form of strips in the form of strips equal to 25 mm wide, with a distance between the anti-welding strips of 15 mm, with distances from the edges of the workpiece are 30 mm, the thickness of the applied strips is 80-100 microns. The welded workpieces are arranged vertically parallel to each other, while the surfaces of the copper plates coated with anti-welding strips are positioned so that they face the copper layers of the welded three-layer workpieces. Explosion welding of the resulting package is carried out using two identical explosive charges with the simultaneous initiation of detonation processes in them. After explosion welding of this package, trimming of the side edges with edge effects and heat treatment to increase the deformation ability of the metal layers of the welded seven-layer billet, internal cavities are formed between its copper layers having the shape, as in FIG. 1, in a special tool by the method of inflating them under the action hydraulic pressure. The width of each inner cavity is 25 mm, the height is 4 mm. Then, the resulting billet with internal cavities is annealed in an electric furnace to form diffusion intermetallic interlayers between aluminum and nickel layers, then it is heated to a temperature higher than the melting temperature of aluminum, molten aluminum is removed from its surfaces, and it is kept at this temperature to convert aluminum residues to intermetallic compounds after which cooling is performed to obtain products with internal cavities with continuous heat-resistant intermetallic coatings on it the outer surfaces.

В результате получают цельносварной композиционный теплообменник длиной - 300 мм, шириной - 225 мм с десятью внутренними полостями шириной 25 мм, высотой 4 мм, по пять полостей симметрично расположенных с каждой стороны стальной пластины, с герметичными перемычками между полостями шириной около 15 мм, со сплошными интерметаллидными жаростойкими слоями на его наружных поверхностях толщиной δ_инт=70 мкм, внутренние полости изделия окружены однородным металлом из меди, максимальная средняя толщина изделия в местах расположения внутренних полостей δ_max=22 мм, минимальная средняя толщина в местах расположения перемычек между полостями δ_min =18 мм, толщина стальной пластины в изделии δ_min=6 мм, толщина каждой медной пластины равна толщине каждого сдеформированного медного слоя - δ_Cu=2,5 мм, толщина каждого никелевого слоя - δ_Ni=1 мм, соотношение толщин слоев никеля и меди 1:2,5.The result is an all-welded composite heat exchanger 300 mm long, 225 mm wide with ten internal cavities 25 mm wide, 4 mm high, five cavities symmetrically located on each side of the steel plate, with sealed bridges between cavities about 15 mm wide, with solid intermetallic heat-resistant layers on its outer surfaces with a thickness of δ _int = 70 μm, the internal cavities of the product are surrounded by a homogeneous metal of copper, the maximum average thickness of the product at the locations of the internal cavities her δ _max = 22 mm, the minimum average thickness at the locations of the jumpers between the cavities δ _min = 18 mm, the thickness of the steel plate in the product δ _min = 6 mm, the thickness of each copper plate is equal to the thickness of each deformed copper layer - δ _Cu = 2.5 mm, the thickness of each nickel layer is δ _Ni = 1 mm, the ratio of the thicknesses of the layers of Nickel and copper 1: 2.5.

Изделие обладает повышенной стойкостью к разрушению при резких перепадах давления в его внутренних полостях, его рабочая температура в окислительных газовых средах достигает 1000°C, что на 400-600°C выше, чем у изделий, по прототипу, его прочность при изгибающих нагрузках в 7,5-8,5 раз выше, чем у изделий по прототипу, а это позволяет использовать изделия предлагаемой конструкции в энергетических и химических установках, эксплуатируемых в окислительных газовых средах.The product has high resistance to destruction under sharp pressure drops in its internal cavities, its working temperature in oxidizing gas environments reaches 1000 ° C, which is 400-600 ° C higher than that of the products according to the prototype, its strength under bending loads of 7 , 5-8.5 times higher than that of the products of the prototype, and this allows the use of products of the proposed design in power and chemical plants operated in oxidizing gas environments.

Пример исполнения №2.Execution example No. 2.

То же, что в примере 1, но сплошные жаростойкие интерметаллидные слои на наружной поверхности изделия имеют толщину δ_инт=60 мкм, максимальная средняя толщина изделия в местах расположения внутренних полостей δ_max=22,2 мм, минимальная толщина в местах расположения перемычек между полостями δ_min=18,2 мм, толщина стальной пластины δ_ст=8 мм, средняя толщина медных слоев δ_Cu=2 мм, никелевых слоев - δ_Ni=1,1 мм, соотношение толщин слоев никеля и меди 1:1,82, прочность изделия при изгибающих нагрузках в 8-9 раз выше, чем у изделий по прототипу.The same as in example 1, but the continuous heat-resistant intermetallic layers on the outer surface of the product have a thickness of δ _int = 60 μm, the maximum average thickness of the product at the locations of the internal cavities δ _max = 22.2 mm, the minimum thickness at the locations of the jumpers between the cavities δ _min = 18.2 mm, the thickness of the steel plate δ _st = 8 mm, the average thickness of the copper layers δ _Cu = 2 mm, the nickel layers - δ _Ni = 1.1 mm, the ratio of the thicknesses of the layers of Nickel and copper 1: 1.82, the strength of the product under bending loads is 8-9 times higher than that of the products of the prototype.

Пример исполнения №3.Execution example No. 3.

То же, что в примере 1, но сплошные интерметаллидные жаростойкие слои на наружных поверхностях изделия имеют толщину δ_инт=50 мкм, максимальная средняя толщина изделия в местах расположения внутренних полостей δ_max=22,4 мм, минимальная толщина в местах расположения перемычек между полостями δ_min=18,4 мм, толщина стальной пластины δ_ст=10 мм, средняя толщина медных слоев δ_Cu=1,5 мм, никелевого слоя - δ_Ni=1,2 мм, соотношение толщин слоев никеля и меди 1:1,25, прочность изделия при изгибающих нагрузках в 9-10 раз выше, чем у изделий по прототипу.Same as in example 1, but continuous intermetallic heat-resistant layers on the outer surfaces of the product have a thickness of δ _int = 50 μm, the maximum average thickness of the product in the locations of the internal cavities δ _max = 22.4 mm, the minimum thickness in the locations of the jumpers between the cavities δ _min = 18.4 mm, the thickness of the steel plate δ _st = 10 mm, the average thickness of the copper layers δ _Cu = 1.5 mm, the nickel layer - δ _Ni = 1.2 mm, the ratio of the thicknesses of the layers of Nickel and copper 1: 1, 25, the strength of the product under bending loads is 9-10 times higher than that of the products of the prototype.

Для сравнения использовали полученный по прототипу шестислойный теплообменник с внутренними полостями. Исходными материалами для его изготовления были две пластины из алюминия АД1 длиной 300 мм, шириной 215 мм, толщиной каждой их них δ_A1=1,5 мм, а также две никелевые пластины из никеля НП1, длина и ширина никелевых пластин такие же, как и алюминиевых, соотношение толщин слоев алюминия и никеля составляет 1:(0,4-0,67) при толщине каждого слоя никеля 0,8-1 мм. На одну из никелевых пластин наносят в продольном направлении полосы из противосварочного вещества шириной 25 мм, расстояние от боковых кромок пластины до противосварочных полос с обеих сторон составляло 20 мм, расстояние между противосварочными полосами - 12 мм. Пластины собирали в пакет со сварочными зазорами и сваривали взрывом. Между алюминиевыми и никелевыми слоями происходила сварка по всем поверхностям контакта, а между никелевыми - лишь на локальных участках шириной 12 мм. Затем сваренную заготовку подвергали разупрочняющей термообработке, после которой производили формирование внутренних полостей методом раздувания под действием гидравлического давления. Ширина каждой полости составляет 25 мм, высота - 4 мм, затем отформованную заготовку подвергали термической обработке - отжигу для формирования между слоями алюминия и никеля теплозащитных слоев из интерметаллидов системы алюминий-никель.For comparison, we used the six-layer heat exchanger with internal cavities obtained from the prototype. The initial materials for its manufacture were two plates of aluminum AD1 with a length of 300 mm, a width of 215 mm, and a thickness of each of them δ _A1 = 1.5 mm, as well as two nickel plates of nickel NP1, the length and width of the nickel plates were the same as aluminum, the ratio of the thicknesses of the layers of aluminum and Nickel is 1: (0.4-0.67) with a thickness of each layer of Nickel of 0.8-1 mm Strips of an anti-welding substance 25 mm wide are applied longitudinally to one of the nickel plates, the distance from the side edges of the plate to the anti-welding strips on both sides was 20 mm, and the distance between the anti-welding strips is 12 mm. The plates were collected in a bag with welding gaps and welded by explosion. Between aluminum and nickel layers, welding was performed on all contact surfaces, and between nickel layers only in local sections 12 mm wide. Then, the welded billet was subjected to softening heat treatment, after which the internal cavities were formed by inflation by hydraulic pressure. The width of each cavity is 25 mm, the height is 4 mm, then the molded preform was subjected to heat treatment — annealing to form heat-protective layers of aluminum-nickel intermetallic compounds between the aluminum and nickel layers.

В результате получают композиционный теплообменник с внутренними полостями в виде сотовой панели, в котором две сплошные диффузионные теплозащитные интерметаллидные прослойки состава алюминий-никель толщиной 15-20 мкм расположены между наружными слоями из алюминия толщиной 1,5-2 мм и никеля толщиной 0,8-1 мм. Никелевые слои образуют вокруг полостей с шириной каждой из них равной 25 мм и высотой - 4 мм, замкнутые контуры. Ширина перемычек между внутренними полостями около 10-12 мм. Предельная рабочая температура таких изделий в окислительных газовых средах не превышает 400-600°C, что на 400-600°C ниже, чем у изделий предлагаемой конструкции из-за отсутствия жаростойких покрытий на его наружных поверхностях. Прочность изделий при изгибающих нагрузках в 7,5-10 раз ниже, чем у изделий предлагаемой конструкции.The result is a composite heat exchanger with internal cavities in the form of a honeycomb panel, in which two continuous diffusion heat-shielding intermetallic interlayers of the composition of aluminum-nickel with a thickness of 15-20 μm are located between the outer layers of aluminum with a thickness of 1.5-2 mm and nickel with a thickness of 0.8- 1 mm. Nickel layers form around the cavities with a width of each of them equal to 25 mm and a height of 4 mm, closed contours. The width of the jumpers between the internal cavities is about 10-12 mm. The maximum working temperature of such products in oxidizing gas environments does not exceed 400-600 ° C, which is 400-600 ° C lower than that of products of the proposed design due to the absence of heat-resistant coatings on its outer surfaces. The strength of products under bending loads is 7.5-10 times lower than that of products of the proposed design.

Claims

A composite heat exchanger made with internal cavities formed by hydraulic pressure, containing two nickel layers, two heat-resistant layers of intermetallic compounds of the aluminum-nickel system, characterized in that it is made of a nine-layer and contains a steel layer in the form of a plate located between two welded to it copper plates, copper and said nickel layers deformed by hydraulic pressure and located on the surfaces of said nickel layers, two of said heat-resistant an intermetallic system of aluminum - nickel 50-70 μm thick, obtained by explosion welding of aluminum layers with the mentioned nickel layers and their subsequent molding by heat treatment to remove excess aluminum at a temperature exceeding its melting temperature, all metal layers being interconnected over all surfaces contact by explosion welding, the ratio of the thicknesses of the mentioned nickel layers and copper layers is 1: (1.25-2.5) with a thickness of each nickel layer equal to 1-1.2 mm, and the inner polo The parts in the heat exchanger are located symmetrically on both sides of the steel layer in the form of a plate.