ВАКУУМНАЯ ЭЛЕКТРОПЕЧЬ

Полезная модель относится к электропечам сопротивления для проведения термических операций в вакууме, в частности, к теплоизоляции таких печей, и может быть использована при проведении вакуумной пайки, сварки, отжига при температурах до 2000°С.
Важной особенностью таких печей является способ охлаждения обрабатываемого материала, зависящий как от природы материала, так и от цели термообработки. После завершения цикла нагрева вакуумные печи должны быть охлаждены до того, как загрузка будет извлечена. Тем не менее, экраны, отражающие излучение и концентрирующие тепло внутри рабочей камеры, настолько эффективны, что потребуется чрезмерно долгое время для охлаждения загрузки. Для многих термических операций в вакууме температура, до которой следует охладить обрабатываемое изделие, составляет ориентировочно 400°С, что определяется стойкостью материала обрабатываемых изделий к окислению. Для снижения продолжительности охлаждения в печах осуществляют ускоренное охлаждение, применяя раздвижную теплоизоляцию или специальные камеры охлаждения. В последнее время все более популярными становятся вакуумные электропечи с устройствами для охлаждения газом, циркулирующим внутри печи. Обычно циркуляция газа осуществляется с помощью встроенного вентилятора или турбины, что приводит к увеличению габаритов и материалоемкости печи.
Задачей предлагаемого решения является разработка вакуумной электропечи, обеспечивающей равномерное ускоренное охлаждение изделий от температуры 2000°С в вакууме и снижение ее материалоемкости.
Известна вакуумная электропечь (патент США №3438618, МКИ кл. F27B 5/04, C21D 9/00, з.08.09.1966 г.), содержащая горизонтальный корпус с двумя крышками, одна из которых является загрузочной, расположенные внутри него нагревательную камеру, нагревательные элементы из молибдена и подставку для обрабатываемой загрузки, систему подачи и циркуляции охлаждающего газа, вакуумную систему.
Нагревательная камера камеру состоит из верхней и нижней теплоизоляционных оболочек U-образного сечения, каждая из которых имеет торцевую стенку. Верхняя оболочка выполнена с возможностью горизонтального и вертикального перемещения, нижняя - горизонтального перемещения. Теплоизоляционные оболочки выполнены в виде серии щитов из теплопроводного листового материала и листового экрана. Все типы экранов изготовлены из молибдена, вольфрама или тантала в зависимости от уровня температуры. До температуры 1300 С используют молибден, выше этой температуры - тантал, выше 2200 С - вольфрам. Экраны должны быть возможно более тонкими для уменьшения потерь тепла при нагревании.
Нагревательные элементы представляют собой решетки, жестко связанные с оболочками и установленные внутри нагревательной камеры параллельно оболочкам и стенкам.
Подставка для загрузки представляет собой систему стоек с горизонтальными прутками, расположенными выше уровня горизонтальной части нижнего U-образной формы нагревательного элемента. Стойки проходят через технологические отверстия в теплоизоляционных оболочках и крепятся на нижней части корпуса.
Система охлаждения газом состоит из находящейся вне печи емкости с жидким аргоном под давлением, наружных и впускных трубопроводов запорной аппаратуры, а также трубок с отверстиями внутри печи для распределения хладоагента по объему нагревательной камеры.
Для увеличения скорости охлаждения осуществляется подъем верхней оболочки с образованием щелей для струйной подачи охлаждающего газа в нагревательную камеру с помощью трубок. Образование щелей по периметру загрузки обеспечивает равномерность охлаждения. После охлаждения нижняя оболочка горизонтально перемещается через загрузочную крышку для извлечения загрузки. В случае замены изношенной верхняя оболочка извлекается через крышку, противоположную загрузочной.
Недостатком известной вакуумной электропечи является многозвенность конструкции. Размещение внутри корпуса печи приводов перемещения оболочек, трубопроводов для подачи хладоагента, элементов крепления оболочек, трубопроводов, стоек подставки для загрузки увеличивает габариты и материалоемкость печи, осложняет ее эксплуатацию. При этом отсутствие водоохлаждения на корпусе снижает механическую прочность корпуса печи, работающей при высоких температурах около 2000 С. Кроме того, требование строгого геометрического соответствия подвижных элементов конструкции в условиях постоянных циклов нагрев - охлаждение снижает ресурс работы печи.
Известна также вакуумная электропечь (а.с. СССР №1446434, М.кл. F27В 5/04, з.25.11.86 г.), которая содержит горизонтальный водоохлаждаемый корпус с крышками, одна из которых является загрузочной, нагревательную камеру с нагревателями и подставкой для загрузки, закрепленной в нижней части корпуса, вентилятор для обеспечения циркуляции вводимого охлаждающего газа, вакуумную систему.
Нагревательная камера образована теплоизоляционными экранами: продольным цилиндрическим и торцевыми шнековыми, жестко закрепленными на крышках печи, установленные внутри нагревательной камеры
Вентилятор смонтирован в крышке, противоположной загрузочной перед торцевым экраном. Средство движения вентилятора, как правило, электродвигатель, расположено снаружи печи и связано с вентилятором через приводной вал, который имеет роторное уплотнение для поддержания вакуума внутри печи.
Охлаждение рабочего пространства печи с загрузкой осуществляется потоком газа путем теплообмена с водоохлаждаемым корпусом. Направление вращения потока в шнеке торцевого экрана совпадает с направлением вращения ротора вентилятора.
Недостаток известной вакуумной электропечи заключается в неравномерности охлаждения обрабатываемой загрузки вследствие того, что часть загрузки на входе газа в нагревательную камеру всегда будет холоднее части загрузки на выходе газа из камеры, так как температура входящего газа всегда будет ниже температуры выходящего газа.
Кроме того, циркуляция газа при помощи механических устройств приводит к увеличению габаритов и металлоемкости печи.
Наиболее близкой по технической сущности является вакуумная электропечь, описанная в а.с. СССР №324280, М.кл. F27В 3/08, C21D 9/00, з.16.11.1970 г.
Эта вакуумная электропечь включает вертикальный водоохлаждаемые корпус с загрузочной крышкой, замкнутую нагревательную камеру, состоящую из боковых, нижнего и верхнего теплоизоляционных экранов, размещенную внутри нагревательной камеры футеровку, на которой установлены нагреватели и подставка для загрузки, вакуумную систему. Боковые экраны установлены со смещением относительно верхнего и нижнего экранов, равным толщине экранов. Для увеличения скорости охлаждения и уменьшения габаритов печи боковые экраны выполнены в виде секций с возможностью поступательного перемещения во взаимно противоположных направлениях.
Недостаток данной вакуумной электропечи заключается в том, что охлаждение загрузки, установленной внутри футеровки, будет длительным, так как поток тепла от загрузки сдерживается тепловым барьером футеровки. При этом охлаждение происходит только через две открытые боковые поверхности футеровки печи, что создает неравномерность охлаждения различных участков загрузки; приводящее к возникновению термических напряжения и, как следствие, к деформации изделий.
Кроме того, выполнение печи с вертикальной загрузкой при эвакуации изношенных элементов печи приведет к увеличению эксплуатационных расходов из-за длительной остановки печи.
Задача настоящей полезной модели состоит в разработке вакуумной электропечи, обеспечивающей равномерное ускоренное охлаждение изделий от температуры 2000°С в вакууме и снижение ее материалоемкости.
Поставленная задача достигается тем, что в вакуумной электропечи, содержащей водоохлаждаемые корпус с загрузочной крышкой, замкнутую нагревательную камеру, состоящую из боковых, нижнего, верхнего теплоизоляционных экранов, установленные внутри нагревательной камеры нагреватель и подставку для загрузки, вакуумную систему, согласно полезной модели, печь установлена горизонтально и снабжена второй водоохлаждаемой крышкой, а теплоизоляционные экраны выполнены в виде подвижных плит, имеющих возможность независимого возвратно-поступательного перемещения, боковые экраны - в горизонтальном направлении, а верхний и нижний - в вертикальном, при этом нагреватель и теплоизоляционные экраны составлены из пластин углерод-углеродных композиционных материалов.
3
3
При этом, нагреватель и теплоизляционные экраны изготовлены из углерод-углеродного композиционного материала с плотностью 1,25-1,4 г/см и 0,3-0,5 г/см соответственно.
Кроме того, для перемещения каждого из экранов предусмотрен независимый привод перемещения, например пневматический, шток которого через отверстия в корпусе или крышках связан с соответствующим экраном.
Причем перемещение экранов осуществляют со смещением, равным, по меньшей мере, толщине экрана.
При этом, осуществляют перемещение, по крайней мере, одного экрана, нескольких или всех экранов.
Такое конструктивное выполнение вакуумной электропечи позволит обеспечить равномерное ускоренное охлаждение без использования механических устройств для введения и циркуляции хладоагента. Вследствие применения подвижных теплоизоляционных экранов образуются щели для естественной циркуляции тепловых потоков от открытых поверхностей загрузки к охлаждаемым стенкам корпуса по периметру загрузки. Возможно регулирование скорости охлаждения путем смещения одного, нескольких или всех экранов. Величина перемещения экранов, равная, по меньшей мере, толщине экранов, выбрана на основании расчета тепловых потерь за счет излучения.
Изготовление экранов простой формы в виде плит, вывод средств их перемещения за габариты печи, упрощает конструкцию печи, снижая ее материалоемкость, а горизонтальное выполнение печи со второй крышкой облегчает условия замены изношенных элементов печи.
3
При этом, изготовление нагревателя и теплоизоляционных экранов из углерод-углеродных композиционных материалов с плотностью 1,25÷1,4 и 0,3÷0,4 г/см соответственно, обладающих высокими эксплуатационными свойствами повышает надежность печи в условиях высоких температур.
Для пояснения полезной модели приводится конкретный пример выполнения полезной модели ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг.1 - условно изображена вакуумная электропечь во время нагрева загрузки, продольный разрез
на фиг.2 - то же, во время охлаждения загрузки;
на фиг.3 - то же, во время охлаждения загрузки, поперечный разрез
3
3
Вакуумная электропечь содержит водоохлаждаемые горизонтальный корпус 1 с двумя крышками 2, 3, одна из которых является загрузочной 2, замкнутую нагревательную камеру 4, состоящую из боковых 5, нижнего 6, верхнего 7 теплоизоляционных экранов в виде плит, установленные внутри нагревательной камеры нагреватель 8 с токовводами 9 и подставку 10 для загрузки 11, размещенные вне печи приводы перемещения экранов 12, например, пневматические, связанные штоками 13 через отверстия 14 в корпусе и крышках с соответствующими экранами, вакуумную систему, систему водоохлаждения элементов печей (последние не показаны). Нагреватель 8 и теплоизоляционные экраны 5-7 составлены из пластин углерод-углеродных композиционных материалов с плотностью 1,25-1,4 г/см и 0,3-0,5 г/см соответственно. Теплоизоляционные экраны закреплены на рамах 15. Подставка 10 и рамы 15 экранов выполнены из жаропрочных материалов (фиг.1, 2).
Подставка 10 для загрузки закреплена на нижней части корпуса выше уровня нижнего экрана 6. Стойки подставки проходят через отверстия в экране 6.
В боковых экранах 5, через которые проходят токовводы, имеются отверстия с электроизолирующими втулками 16 для исключения возможности замыкания нагревателя на экранах теплоизоляции (фиг.3).Для контроля температуры печь обеспечена термопарами 17 и пирометром 18.
Вакуумная электропечь работает следующим образом.
В момент загрузки печи экраны 5, 6, 7 раздвинуты, загрузочная крышка 2 и прилегающий к ней боковой экран 5 отодвинуты для установки контейнера с загрузкой 11 на подставку 10. Загрузочная крышка закрывается. Перемещением штоков 12 экраны 5, 6, 7 сближаются до стыковки, образуя замкнутую нагревательную камеру 4. Затем проводится вакуумирование печи, подают воду на корпус 1, крышки 2, 3 и токовводы 9 нагревателя. По достижении заданного разрежения включают нагрев по заданной программе. После нагрева при охлаждении, начиная с заданной температуры, экраны, один или несколько, раздвигаются с образованием щели или щелей для естественной циркуляции тепловых потоков от открытых поверхностей заготовки к охлаждаемым стенкам корпуса. Перемещение экрана-экранов штоками 13 осуществляют со смещением, равным, по крайней мере, толщине экрана. После завершения охлаждения до температуры выгрузки, определяемой по пирометру 18 около 400 С, отключают охлаждающую воду, в печь напускают воздух до атмосферного давления, открывают загрузочную крышку 2 с прилегающим к ней боковым экраном 5 и извлекают загрузку. Затем процесс повторяют в той же последовательности.
В качестве примера был проведен опыт по нагреву до 2000°С и охлаждению изделий из углеродного материала ЗОПГ массой 24 кг в зависимости от заданных условий охлаждения. Регистрацию температуры загрузки осуществляли с помощью двухлучевого спектрального пирометра Mikron M90, определение равномерности температурного поля - с помощью 4-х термопарных датчиков ТВР (термопара ВР-5/20). Температура 400°С - минимальная температура получения сигнала с помощью пирометра. При температуре 2000°С измерение с помощью термопарных датчиков не проводилось. Результаты опыта приведены в таблице.
Таблица
Время охлаждения изделий из углеродного материала в вакуумной печи при давлении 10<sup>-2</sup> Па в зависимости от количества открытых экранов теплоизоляции.
Темпера тура при охлаждении, °С
Время достижения температуры, мин., при закрытых экранах теплоизоляции
Время достижения температуры, мин., открыт один экран теплоизоляции
Равномерность температурного поля, °С, открыт один экран теплоизоляции
Время достижения температуры, мин., открыты все экраны теплоизоляции
Равномерность температурного поля, °С, открыты все экраны теплоизоляции
2000
0
0
-
0
-
1800
1,5
1,5
±35
0,5
±10
1600
6
4
±35
1,5
±10
1400
15
10
±28
4,5
±10
1200
28,5
17
±24
9
±7,5
1000
48
25,5
±20
14
±7,5
800
75
36
±18
20
±5
600
102
49
±17
27
±5
400
167
64,5
±15
34,5
±5
Из данных таблицы следует, что при полностью закрытых экранах теплоизоляции для охлаждения указанной загрузки от 2000°С до 400°С требуется 167 мин. При одном открытом экране теплоизоляции время, необходимое для охлаждения до указанной температуры заметно уменьшается и составляет 64,5 мин. При полностью открытых экранах теплоизоляции время охлаждения составляет 34,5 мин.
Таким образом, предложенная конструкция печи является эффективной при полностью открытой теплоизоляции перемещение тепловых потоков от открытых поверхностей заготовки к охлаждаемым стенкам корпуса происходит с большей скоростью и более равномерно по сравнению со случаем, когда открыты только отдельные части теплоизоляции. При термообработке изделий, не требующих высокой степени равномерности внутреннего теплового поля, конструкция печи позволяет регулировать скорость охлаждения, путем перемещения одного, двух и более экранов.
Предложенная вакуумная электропечь по сравнению с известными позволит надежно проводить термические процессы с температурами нагрева около 2000°С и осуществлять равномерное ускоренное охлаждение с минимальной материалоемкостью.