ПЕЧЬ ПРОХОДНОГО ТИПА ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ОБРАБОТКИ УГЛЕВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ С ИНДУКЦИОННЫМ СПОСОБОМ НАГРЕВА РАБОЧЕЙ ЗОНЫ
PASS-THROUGH FURNACE FOR HIGH-TEMPERATURE TREATMENT OF CARBON-FIBER MATERIALS WITH INDUCTION HEATING OF WORKING ZONE

Изобретение относится к области высокотемпературной обработки углеволокнистых материалов, в частности, к оборудованию для проведения процесса графитации, необходимого для получения высокомодульных углеродных материалов (УВМ).
Известно «Устройство для выращивания кристаллов карбида кремния» CN 1544713 [1], содержащее кольцеобразный графитовый тигель, покрытый кольцевым слоем теплоизоляционного материала, индукционная катушка установлена на трубке из кварцевого стекла. Трубка из кварцевого стекла охлаждается водой.
Недостатком известной конструкции является низкая эффективность, обусловленная высокой разностью температур между графитовым тиглем и внутренней поверхностью охлаждаемой трубки из кварцевого стекла.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является «Высокотемпературная индукционная нагревательная печь для углеродного волокна» CN 202329109 [2], содержащая графитовый тигель, окруженный низкоплотным углеродным материалом – углеродным войлоком, в свою очередь, окруженный оболочкой из керамики, вокруг оболочки расположен индуктор.
Известная печь обладает повышенной эффективностью, так как низкоплотный углеродный материал расположен в керамической оболочке.
Недостатком известной конструкции является низкая надежность и долговечность, обусловленная низким сроком службы углеродного войлока, обусловленным изменением своих свойств в процессе эксплуатации.
Недостатком также является низкая эффективность, обусловленная низкой долговечностью известной печи. Также к снижению эффективности производства приводят низкие термоизоляционные свойства керамической оболочки.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности, долговечности и эффективности.
Технический результат достигается тем, что печь проходного типа для высокотемпературной обработки углеволокнистых материалов с индукционным способом нагрева рабочей зоны, содержащая кольцеобразный графитовый тигель, окруженный низкоплотным углеродным материалом, который в свою очередь, окружен оболочкой, вокруг которой (снаружи) расположен индуктор, характеризуется тем, что в качестве низкоплотного углеродного материала, применяют  углерод-углеродный композиционный материал (обладающий достаточной конструкционной прочностью), тигель выполнен в виде сплюснутого кольца, горизонтальная часть которого расположена параллельно плоскости обрабатываемого материала.
Оболочка может выполняться из керамического волокна с содержанием оксида циркония более 10 вес. %, что позволит использовать распространенные материалы.
На фиг. 1 изображен поперечный разрез предлагаемой печи, где:
1 – кольцеобразный графитовый тигель цилиндрической (в математическом смысле) формы;
2 – низкоплотный углеродный материал вокруг внешней цилиндрической поверхности тигля;
3 – керамическое огнеупорное волокно (например, duralblanket) вокруг внешней цилиндрической поверхности углеродной пористой изоляции;
4 – индуктор, расположенный вокруг внешней цилиндрической поверхности огнеупорного волокна.
Задачей изобретения является создание высокопроизводительной печи высокотемпературной термообработки (графитации) углеволокнистых материалов с обеспечением в рабочей зоне печи в течение длительного времени уровня температур, требуемых для протекания процесса графитации УВМ (Т = 2500° ÷ 3000°С).
Такой уровень температур является предельным для большинства существующих материалов, поэтому создание таких температур в рабочей зоне значительных размеров, требуемых для высокопроизводительного процесса графитации, является сложной технической задачей.
В применяемых за рубежом высокотемпературных печах проходного типа (мировые лидеры Harper – США, Ruhstrat – Германия) конструктивно тигли прямоугольного поперечного сечения образованы пластинами из графита, а для создания температур графитации в рабочей зоне внутри тигля используют расположенные снаружи тигля нагреватели омического сопротивления различных форм, изготовленные из высококачественных графитов или из углерод-углеродных композитных материалов (УУКМ).
При такой конструкции для получения необходимой температуры графитации в зоне прохождения УВМ (внутри тигля) нагреватели должны иметь температуру выше, чем требуемая температура в рабочей зоне, на 100÷120°С, что приводит к их ускоренному износу и остановке печи.
По данным Питера Моргана (США), в области температур 2200 ÷2900°С повышение температуры на каждые 100°С увеличивает скорость испарения графита в три раза.
Также, дополнительно к экстремальным температурам эксплуатации, при применении данной конструкции тигля у нагревателей омического сопротивления всегда имеются холодные зоны токоподвода и горячие зоны рабочей части нагревателя, поэтому в теле нагревателей возникают значительные внутренние термические напряжения, способствующие их ускоренному разрушению.
В конструкции предлагаемой печи указанные недостатки устранены.
В предлагаемой конструкции печи функции тигля и нагревателя совмещены, рабочая зона тигля образована внутренней поверхностью полого кольцевого нагревателя, через которую проходит обрабатываемый углеволокнистый материал, нагрев нагревателей происходит вихревыми токами заданной частоты, возбуждаемыми катушками индуктора. При таком конструктивном оформлении отсутствуют холодные зоны токоподводов, что устраняет появление внутренних термических напряжений в теле нагревателей.
Также, чтобы полностью исключить неравномерность нагрева тела нагревателя и по его длине, нагреватель конструктивно состоит из нескольких частей, имеющих одинаковую температуру по длине каждой части и отсутствие внутренних термических напряжений.
Появление внутренних напряжений из-за термических расширений тела нагревателя при повышении температуры в предлагаемой конструкции также исключено, так как отсутствует жесткое закрепление тела нагревателя, кольца нагревателя лежат на поверхности теплоизоляции из низкоплотного углерод-углеродного материала, обладающего конструкционной прочностью (а не мягкого углеродного войлока), который надежно поддерживает вес нагревателя, но не мешает термическим расширениям колец нагревателя на необходимую величину в процессе изменения температуры тела нагревателя.
Кроме того, для снижения эффекта поверхностного вытеснения тока на поверхность проводника при индукционном нагреве, а также изменения злектрического сопротивления графитового нагревателя с повышением его температуры, есть опасность неравномерного нагрева тела нагревателя по его сечению с сопутствующим возникновением внутренних разрушающих напряжений, поэтому для питания индуктора используются не обычно применяемые при индукционном нагреве металлов частоты 2,4 ÷ 10 кгц, а пониженные частоты, обеспечивающие постепенный равномерный нагрев каждого кольца графитного нагревателя.
Такой режим нагрева обеспечивает равномерный одновременный нагрев по всему сечению тела нагревателя и по всему периметру нагревателя.
С целью увеличения эффективности передачи тепла от тела нагревателя к обрабатываемым плоским углеволокнистым материалам и равномерности нагрева обрабатываемого материала нагретая часть нагревателя приближена к обрабатываемому материалу, для чего нагреватель выполнен в виде сплюснутого кольца, горизонтальная часть которого расположена параллельно плоскости обрабатываемого материала и охватывает обрабатываемый материал со всех сторон, что повышает качество проводимой операции графитации углеволокнистых материалов.
При таких высоких температурах интенсивно проходят процессы окисления материала нагревателя, что прямо влияет на срок службы нагревателя, поэтому входное и выходное отверстие печи защищено от попадания атмосферного воздуха в рабочую зону газовыми затворами, обеспечивающими как надежную защиту рабочей зоны, так и эффективную эвакуацию выделяемых летучих газов в систему аспирации цеха.
Технический результат – повышение надежности, долговечности и эффективности достигается тем, что кольца нагревателя лежат на поверхности теплоизоляции из низкоплотного углерод-углеродного материала, обладающего достаточной для удержания тигля конструкционной прочностью, который надежно поддерживает вес нагревателя, но мало изменяет свои характеристики в процессе эксплуатации.
Промышленная применимость. Печь проходного типа для высокотемпературной обработки углеволокнистых материалов с индукционным способом нагрева рабочей зоны создана при выполнении работ по разработке и созданию более высокопроизводительного оборудования для графитации высокомодульных углеродных материалов в интересах Росатома в период 2008-2018 гг.