Перспективным, как показали исследования [1–14], является применение псевдоожиженного слоя сыпучих материалов для интенсификации традиционных методов нагрева и охлаждения. Кипящий слой представляет собой гетерогенную систему, которая создается прохождением восходящего потока газа или жидкости через мелкий (0,05…2,0 мм) зернистый материал. Вначале газ фильтруется через неподвижный слой. Затем, при достижении определенной скорости, сопротивление слоя зерен течению газа становится равным весу насыпанного материала, и слой переходит в новое псевдоожиженное состояние. Это состояние не совсем точно названо «кипящем слоем»: пузырьки газа, проходя через слой, захватывают с поверхности частицы зернистого материала, тем самым образуют всплески, напоминающие кипящую жидкость. При этом он обретает свойства, характерные для жидкости: малую вязкость, текучесть, сохранение горизонтального уровня, переток в сообщающихся сосудах, подъемную силу и др. В этом состоянии система приобретает и новые теплофизические свойства. Насыпной зернистый материал – хороший теплоизолятор, а в псевдоожиженном состоянии теплопроводность может превышать теплопроводность металлов. Характерная особенность кипящего слоя – это изменение гидродинамического состояния и тепловых свойств, что позволяет регулировать в нем процессы охлаждения и нагрева.
Исследование нагревающей способности кипящего слоя графитовых и коксовых частиц размером 0,2…0,4 и 0,8…1,2 мм проводили на опытно-промышленной печи.
Нагревающую способность слоя исследовали на цилиндрическом образце из быстрорежущей стали. Температуру в центре и на поверхности образца измеряли платино-родиевой термопарой. Полученные экспериментальные данные нагревающей способности псевдоожиженного слоя углеграфитовых материалов и кварцевого песка показали, что интенсивность нагрева в нем соизмерима с нагревом в расплавах солей, а газовая атмосфера при псевдоожижении воздухом слабо окислительная при 600…800 °С, при псевдоожижении азотом и нейтральными газами свыше 1000 °С – нейтральная во всем диапазоне температур нагрева. Образцы, закаленные в кипящем слое и на воздухе, имеют меньшую деформацию, чем после закалки в масле. Трещинообразование во всех исследованных быстрорежущих сталях отсутствует после закалки в кипящем слое кварцевого песка и изотермической закалки в селитре при 300 °С. Экспериментально установлено, что при оптимальном нагреве под закалку при нормальной температуре отпуска и достаточной кратности приводит к увеличению твердости и максимальной теплостойкости быстрорежущие стали [15–22].