ШАХТНАЯ ВАКУУМНАЯ ПЕЧЬ СОПРОТИВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области термообработки изделий, в частности к вакуумным печам шахтного типа для высокотемпературного отжига длинномерных изделий, в том числе тонкостенных труб из тугоплавких материалов - поликристаллов, монокристаллов, например W, Мо, Та и их сплавов.
Общеизвестно, что технологические и эксплуатационные характеристики изделий в значительной степени зависят от ряда факторов, таких как физико-механические свойства, химический состав, оптимальная структура материала, уровень внутренних напряжений в изделиях и др.
-6
На практике эти проблемы решаются с помощью различного вида термообработки изделий в вакууме. Для этих целей используются шахтные вакуумные печи сопротивления с уровнем остаточного вакуума 5*10 мм.рт.ст. с рабочими температурами до 2500°С разной степени совершенства.
Так известна промышленная шахтная печь сопротивления - электропечь СШВЭ-1.2.5/25 И (Техническое описание ИЕВУ 681.313 011ТО от 28.06.1988).
Известная печь содержит герметизируемый крышкой охлаждаемый цилиндрический корпус, в котором размещена нагревательная камера. Основными узлами нагревательной камеры являются блок нагревательный из вольфрама, теплоизолирующий многослойный экран, окружающий нагреватель в виде вертикального цилиндра, закрытого с торцов крышками, и приспособление для установки изделий в рабочем пространстве камеры с упором в вертикальном положении, жестко связанное с верхней крышкой камеры.
Однако известная печь обладает рядом недостатков:
- в процессе обработки изделий нагрузка от их собственного веса приводит к осевой и радиальной деформации (непрямолинейности и овальности), особенно это касается длинномерных, тонкостенных изделий. Наличие этого фактора влечет за собой увеличение процента брака и себестоимости изготовления, что особенно важно в случае обработки изделий из тугоплавких материалов;
- другим серьезным (основополагающим) недостатком известной конструкции является неравномерность нагрева изделий из-за существенного реального перепада температур с загруженными изделиями в рабочей зоне нагревательной камеры (до ±30°С), обусловленного неэффективной организацией теплового потока по высоте и азимуту рабочей зоны. Это приводит к внутренним термическим напряжениям и, как следствие, искажению формы изделия, его геометрических параметров (непрямолинейности и овальности);
- этому же отрицательному фактору способствует произвольное расположение изделий и элементов нагревателя в рабочей зоне, не учитывающее принципа минимального затенения изделий друг другом при восприятии теплового потока.
В качестве наиболее близкого современного аналога печи для высокотемпературной обработки изделий, принятого авторами за прототип, является промышленная вертикальная шахтная печь ЭСКВЭ-1,2.2,5/25 ШМ (Техническое описание печи от 10.2009).
Основными элементами конструкции такой печи являются водоохлаждаемый корпус с герметизирующей крышкой, нагревательная камера с экранной изоляцией и коаксиально размещенными внутри с образованием рабочей зоны нагревательными элементами, а также приспособление для установки изделий с упором в вертикальном положении.
Данная печь является более совершенным аналогом приведенной выше электропечи СШВЭ-1.2,5/25И и конструктивно она отличается от последней наличием более современной элементной базы, автоматизацией рабочего процесса, используемыми материалами и т.д. Однако, ей присущи те же недостатки, что и электропечи СШВЭ-1.2.5/25И.
Необходимым условием успешного проведения термических операций должно быть строгое обеспечение требуемых геометрических характеристик изделия в результате термообработки, например овальности, прямолинейности. Это особенно актуально в случае длинномерных тонкостенных труб, для которых указанные геометрические параметры являются основополагающими.
Заявляемая полезная модель направлена на решение задачи обеспечения при высокотемпературной обработке в глубоком вакууме геометрии изделий, которая бы отвечала заданным высоким требованиям к величине отклонений по наружному диаметру (овальности) и прямолинейности, путем организации в рабочем объеме тепловой камеры стабильного и равномерного по высоте и азимуту надежно управляемого теплового потока, исключающего недопустимые перепады температур и неравномерный нагрев изделий.
Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что в шахтной вакуумной печи сопротивления, включающей водоохлаждаемый корпус с герметизирующей крышкой, нагревательную камеру с экранной изоляцией и коаксиально размещенными внутри нагревательными элементами, образующими рабочую зону нагрева, а также приспособление для установки изделий в зоне нагрева, нагревательная камера дополнительно по высоте рабочей зоны нагрева снабжена цилиндрическим термостатирующим экраном из тугоплавкого металла толщиной 0,3-4 мм, расположенным между нагревательными элементами и приспособлением с размещенными на нем изделиями, при этом расстояние между нагревательными элементами и термостатирующим экраном, а также между термостатирующим экраном и изделиями составляет не менее половины диаметра изделия, а приспособление для установки изделий выполнено с возможностью размещения изделий в подвешенном состоянии.
Решение задачи и аналогичный результат достигается путем реализации второго варианта конструкции шахтной вакуумной печи, в котором нагревательная камера по высоте рабочей зоны нагрева снабжена рядом дополнительных нагревательных элементов, снабженных отдельной системой управления потоками тепла и установленных коаксиально внутри цилиндрической полости рабочего пространства, ограниченного изделиями, на расстоянии от последних не менее половины диаметра изделия, а приспособление для установки изделий выполнено с возможностью размещения изделий в подвешенном состоянии.
Необходимый результат достигается путем учета и реализации в данных вариантах конструкции печи следующих совокупных технических факторов:
- обеспечение в зоне нагрева равномерного поля температур путем организации равномерного, стабильного, теплового потока по высоте и азимуту;
- вертикальное размещение длинномерных изделий в рабочей зоне нагрева;
- взаимное расположение между собой определенным образом изделий и конструктивных элементов нагревательной камеры;
- исключение весового фактора при размещении каждого из длинномерных тонкостенных изделий на приспособлении в рабочей зоне нагрева.
При анализе патентных и научно-технических источников не выявлено технических решений, обладающих всей совокупностью существенных признаков заявляемого технического решения, позволяющих учесть и реализовать вышеуказанные факторы в конструкции печи.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг.1 и фиг.2 схематически показана конструкция шахтной вакуумной печи сопротивления в соответствии с первым вариантом заявляемой полезной модели.
На фиг.3 и фиг.4 схематически показана конструкция шахтной вакуумной печи сопротивления в соответствии со вторым вариантом заявляемой полезной модели.
Шахтная вакуумная печь сопротивления, показанная на фиг.1 и фиг.2, содержит водоохлаждаемый корпус 1 с герметизирующей крышкой 2, размещенную в корпусе цилиндрическую нагревательную камеру 3 экранной изоляцией 4 и цилиндрическими нагревательными элементами 5, коаксиально размещенными внутри камеры и образующими рабочую зону нагрева. Нагревательная камера 3 по высоте рабочей зоны снабжена цилиндрическим термостатирующим экраном 6 из тугоплавкого материала, который установлен между нагревательными элементами 5 и приспособлением 7 с размещенными на нем изделиями 8. Для осуществления контроля температуры в рабочей зоне нагрева как по высоте, так и по азимуту и для обеспечения перепада температур на заданном уровне в водоохлаждаемом корпусе 1 выполнены смотровые окна 9 и соответствующие им отверстия 10 в экранной изоляции 4 и термостатирующем экране 6. Шахтная вакуумная печь сопротивления оснащена штатными системами охлаждения, электропитания, вакуумирования, контроля рабочих параметров и управления (на чертеже не показаны).
Шахтная вакуумная печь сопротивления, показанная на фиг.3 и фиг.4, содержит водоохлаждаемый корпус 1 с герметизирующей крышкой 2, размещенную в корпусе цилиндрическую нагревательную камеру 3 с экранной изоляцией 4 и цилиндрическими нагревательными элементами 5, коаксиально размещенными внутри камеры и образующими рабочую зону нагрева. Нагревательная камера 3 по высоте рабочей зоны снабжена рядом дополнительных нагревательных элементов 11, снабженных отдельной системой управления потоками тепла и установленных коаксиально внутри цилиндрической полости рабочего пространства, ограниченного изделиями 8, размещенными на приспособлении 7. Для осуществления контроля температуры в рабочей зоне нагрева как по высоте, так и по азимуту и для обеспечения перепада температур на заданном уровне в водоохлаждаемом корпусе 1 выполнены смотровые окна 9 и соответствующие им отверстия 10 в экранной изоляции 4.
Осуществление полезной модели в соответствии с первым вариантом.
В водоохлаждаемом цилиндрическом корпусе 1 из нержавеющей стали коаксиально установлена нагревательная камера 3, высота которой составляет 900 мм, а диаметр - 155 мм, из тугоплавкого материала, например, вольфрама. Корпус закрыт герметично крышкой и соединен с системой вакуумирования.
Экранная изоляция 4 нагревательной камеры 3 представляет собой закрытый с обеих сторон крышками цилиндрический многослойный пакет последовательно расположенных экранов из вольфрама, молибдена и нержавеющей жаростойкой стали толщиной 0,15-0,20 мм.
В нагревательную камеру коаксиально на расстоянии 30 мм от экранной изоляции установлены 24 нагревательных элемента, выполненных их вольфрамового прутка диаметром 6 мм и высотой 900 мм.
Внутри нагревательной камеры на расстоянии 10-15 мм от нагревательных элементов установлен термостатирующий экран 6 из тугоплавкого металла, например молибдена толщиной 0,3-0,5 мм.
Каждое из изделий 8 (в количестве 8 штук), представляющее собой трубу (или пруток) из W, Мо и их сплавов длиной 850-900 мм и диаметром 13 мм с толщиной стенки 0,5-1 мм закреплено шарнирно на приспособлении 7 в свободно подвешенном состоянии и установлено в рабочую зону нагрева.
Расстояние между изделиями и термостатирующим экраном составляет 7-8 мм.
Процесс термообработки изделий проводили в глубоком вакууме с выходом на максимальный температурный режим 2200°С и последующей выдержкой на максимальном режиме в течение 2-3 часов. Контроль и регулирование температурного режима для обеспечения температуры заданного уровня в рабочей зоне нагрева осуществляли до температуры 1800°С с помощью температурных датчиков, а свыше 1800°С - пирометрическим способом.
Длинномерные изделия, прошедшие термообработку в шахтной печи (по первому варианту заявляемой полезной модели), имели следующие характеристики:
1. овальность - 0,15÷0,17 мм;
2. непрямолинейность (на длине 850-900 мм)-0,20÷0,22.
Осуществление полезной модели в соответствии со вторым вариантом.
В водоохлаждаемом цилиндрическом корпусе 1 из нержавеющей стали коаксиально установлена нагревательная камера 3, высота которой составляет 900 мм, а диаметр - 155 мм, из тугоплавкого материала, например, вольфрама. Корпус закрыт герметично крышкой и соединен с системой вакуумирования.
Экранная изоляция 4 нагревательной камеры 3 представляет собой закрытый с обеих сторон крышками цилиндрический многослойный пакет последовательно расположенных экранов из вольфрама, молибдена и нержавеющей жаростойкой стали толщиной 0,15-0,20 мм.
В нагревательную камеру коаксиально на расстоянии 30 мм от экранной изоляции установлены 24 нагревательных элемента 5, выполненных их вольфрамового прутка диаметром 6 мм и высотой 900 мм.
Каждое из изделий 8 (в количестве 8 штук), представляющее собой трубу (или пруток) из W, Мо и их сплавов длиной 850-900 мм и диаметром 13 мм с толщиной стенки 0,5-1 мм закреплено шарнирно на приспособлении 7 в свободно подвешенном состоянии и установлено в рабочую зону нагрева.
В нагревательной камере 3 внутри цилиндрической полости рабочего пространства, ограниченного изделиями 8, на расстоянии 7-8 мм от изделий коаксиально установлен ряд дополнительных нагревательных элементов 11 в количестве 12 штук, представляющих собой цилиндрические прутки из вольфрама длиной 900 мм и диаметром 6 мм. При этом дополнительные нагревательные элементы 11 снабжены отдельной системой управления потоками тепла.
Процесс термообработки изделий проводили в глубоком вакууме с выходом на максимальный температурный режим 2200°С и последующей выдержкой на максимальном режиме в течение 2-3 часов. Контроль и регулирование температурного режима для обеспечения температуры заданного уровня в рабочей зоне нагрева осуществляли до температуры 1800°С с помощью температурных датчиков, а свыше 1800°С - пирометрическим способом.
Длинномерные изделия, прошедшие термообработку в шахтной печи (по второму варианту заявляемой полезной модели), имели следующие характеристики:
1. овальность - 0,15÷0,18 мм;
2. непрямолинейность (на длине 850-900 мм)-0,22÷0,24 мм.
Изделия, прошедшие термообработку в шахтной печи (по прототипу), имели следующие характеристики:
1. овальность - 0,20÷0,22 мм;
2. непрямолинейность (на длине 200-250 мм) - 0,22÷0,24 мм.
Таким образом, в заявленной конструкции решена задача оптимальной организации в рабочем объеме тепловой камеры стабильного и равномерного по высоте и азимуту надежно управляемого теплового потока, исключающего недопустимые перепады температур и неравномерный нагрев изделий, позволяющего в итоге получать длинномерные изделия с заданными геометрическими характеристиками, отвечающими требованиям по овальности и прямолинейности.