ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЙ ЭКРАН

Полезная модель относится к электротермии, в частности, к элементам конструкции электропечей, в которых технологические процессы протекают при высоких температурах в условиях невысокого вакуума (порядка 10 мм рт.ст.), и может быть использована в порошковой металлургии, в транспортном оборудовании для перевозки горячих слитков, в черной металлургии.
9
Известен теплоизоляционный мат по патенту РФ №2130150, МПКF16L 59/06, опубликованный 10.05.1999 г., выполненный в виде многослойной системы, состоящей из слоев экранов, разделенных прокладочным материалом, с внешним защитным слоем. Для теплоизоляции высокотемпературных поверхностей слои экранов, наиболее близко расположенные к этой поверхности, выполняют из термостойкого материала с высокой отражательной и низкой поглощательной способностью, например из фольги полированной нержавеющей стали, количество слоев должно обеспечивать снижение температуры до 250-300°С. Следующие слои экранов изготавливают из фольги полированного сплава алюминия. Прокладочный материал выполнен в виде сетки из термостойкого материала, величина ячеек которой определяется сложностью кривизны поверхности. Внешний защитный слой, контактирующий с высокотемпературной поверхностью, изготавливают из термостойкого материала, например муллито-кремнеземистого прошивочного волокна, предварительно термообработанного. Однако такой теплоизоляционный мат (экран) может работать при температурах, не превышающих теплостойкость полированной нержавеющей стали, т.е. до 1000°С, что сужает область применения в технологических процессах.
9
Известен теплозащитный слоистый экран по патенту РФ №2343044, МПК B22F 7/00, опубликованный 10.01.2009 г., один из слоев которого выполнен из порошкового материала на основе карбида бора, а другие - на основе карбида и нитрида бора, с градиентом относительного содержания бора, уменьшающимся в направлении от слоя на основе карбида бора к периферии пакета. При этом толщину слоев и массовые доли соединений бора определяют из определенных соотношений. Последующее горячее прессование пакета проводят в диапазоне температур 1700°-2000°С при давлении 25…30 МПа, остаточном давлении воздуха 15 Па. Однако такой теплоизоляционный экран очень сложен в изготовлении, имеет высокую себестоимость и может применяться в ограниченной номенклатуре технологических процессов.
9
В качестве прототипа взят теплоизоляционный экран по патенту РФ №2041438, МПК F27D 1/00, опубликованный 09.08.1995 г., содержащий последовательно соединенные элементы, образующие замкнутую поверхность. Элементы выполнены в виде фасонных деталей, входящих один в другой сопрягающимися поверхностями с возможностью угловых перемещений друг относительно друга боковыми полуокружностями, равными половине толщины детали. Элементы выполнены из теплостойких материалов, подвергаемых предварительно различным видам термической и химико-термической обработки. Это позволяет создать модульную конструкцию, теплоизоляцию из деталей одного размера, работающих при температурах до 1800°С. Однако при температурах выше 2000°С конструкция ненадежна из-за возможного «пробоя» в местах стыка. Нуждается в тщательной сборке отдельных элементов, в собранном виде конструкция не транспортабельна, имеет высокую себестоимость изготовления.
Задачей настоящей полезной модели является повышение рабочей температуры теплоизолирующего экрана до 2300°С при разрежении среды 10 мм рт.ст., с одновременным упрощением его конструкции и эксплуатации и уменьшением себестоимости.
При использовании предлагаемой полезной модели достигается следующий технический результат:
1) обеспечена рабочая температура устройства до 2300°С в течение 6 месяцев при односменной работе;
2) температура на внешней поверхности теплоизоляционного экрана ниже 1000°С, что дает возможность для поддерживающего каркаса индуктора использовать недорогие конструкционные материалы;
3) для изготовления экрана используются материалы, выпускаемые серийно отечественной промышленностью, что снижает себестоимость устройства;
4) заявляемое устройство надежно в эксплуатации, так как исключает разгерметизацию и предохраняет индуктор от «прожогов»;
5) подбор материалов с определенными теплофизическими характеристиками позволил уменьшить объем и габариты теплоизоляции, следовательно, и всей высокотемпературной печи.
3
Для решения поставленной задачи и достижения технического результата предлагается теплоизоляционный экран, выполненный в виде многослойной системы, включающий последовательно установленные слои из углеродосодержащего материала. Монолитный слой, располагаемый со стороны высокотемпературной поверхности, выполнен из термостойкого композиционного углеродного материала с плотностью 800…1800 кг/м. Контактирующий с ним слой выполнен из низкоплотного пористого углеродного материала, а внешний третий слой выполнен из углеткани. Каждый слой представлен в виде замкнутой поверхности, и слои установлены коаксиально. Термостойкость каждого слоя в инертной среде не менее 2500°С. Толщина каждого слоя составляет 8…10 мм.
Отличительными признаками предлагаемой полезной модели от указанного прототипа являются наличие двух слоев, установленных последовательно за имеющимся в прототипе слоем из термостойкого композиционного углеродного материала. Первый дополнительный слой выполнен из низкоплотного пористого углеродного материала, второй (внешний) слой выполнен из углеткани. Отличием является и то, что все три слоя выполнены монолитными и, преимущественно, каждый слой выполнен в виде замкнутой поверхности, слои установлены коаксиально. При этом термостойкость слоев в инертной среде составляет не менее 2500°С, а толщина каждого слоя составляет 8…10 мм.
Использование малоплотных углеродных материалов для монолитных слоев теплоизоляции позволяет значительно сократить вес теплоизоляционного экрана, что обеспечивает оптимальные условия работы с ним при монтаже и разборке.
В предлагаемом теплоизоляционном экране использованы углеродные материалы, обладающие высокой термостойкостью в инертной среде. Используемые материалы имеют термостойкость 2500°…3000°С, что позволяет проводить технологические процессы на оптимальном уровне. Замкнутая форма слоев теплоизоляционного экрана, когда последующий коаксиальный слой плотно прилегает к предыдущему, создает жесткую конструкцию, способную даже при высоких температурах не деформироваться длительное время, сохранять форму и ограниченный экраном рабочий объем.
Применение современных теплоизоляционных материалов с очень низкими коэффициентами теплопроводности (см. таблицу 1) позволяет уменьшить толщину слоев защитного экрана до 8…10 мм и суммарную толщину теплоизоляционного экрана, а применение серийно выпускаемых материалов позволило значительно снизить себестоимость устройства.
-1
Совокупность этих признаков позволяет создать технологическое оборудование, способное длительное время в разреженной среде (10 мм рт.ст.) и в замкнутом объеме создавать температуру до 2300°С, необходимую для протекания технологического процесса.
На фиг.1 представлена схема предлагаемого теплоизоляционного экрана.
3
3
Теплоизоляционный экран представляет собой трехслойную композицию. Внутренний, контактирующий с высокотемпературной поверхностью, упрочненный слой 1 состоит из материала «Карбон» толщиной 8…10 мм с плотностью 800…1800 кг/м. Этот слой является рабочим объемом тепловой камеры с температурой 2300°С на внутренней поверхности и температурой 1800°С на наружной поверхности в процессе работы. На наружную поверхность карбонового слоя накладывается слой 2 из материала «Карбопон» толщиной 8…10 мм с плотностью 100…120 кг/м, имеющий в процессе работы температуру на внутренней поверхности 1800°С и температурой на наружной поверхности 1600°С. Слой из материала «Карбопон» фиксируется с помощью слоя 3 из углеткани «Урал» толщиной 8…10 мм с температурой 1600°С на внутренней поверхности и температурой на наружной поверхности ниже 1000°С. Торцевые поверхности теплоизоляционного экрана закрыты теплоизолирующими накладками из материалов позиции 1, 2, 3.
Предлагаемое сочетание слоев позволяет ступенчато понижать температуру с 2300°С до 1000°С. Для предотвращения электрического пробоя между водоохлаждаемым индуктором 4 и теплоизоляционным экраном установлен теплоэлектроизоляционный слой 5 из муллитокорундового легковеса МКЛ - 1, 3, который обеспечивает дальнейшее снижение температуры на наружной поверхности с 1000°С до 100°С.
В табл.1 представлены характеристики материалов, применяемых в теплоизоляционном экране.
Таблица 1
Наименование показателя
Карбон
Карбопон
Углеткань «Урал»
1
2
3
4
Поверхностная плотность, г/м<sup>2</sup>
230…330
170…1100
Объемная плотность, кг/м<sup>3</sup>
800…1800
100…120
Теплопроводность при 20°С, Вт/м·градус К
2,33…15,1
0,07…0,1
1,5…4,43
Теплоемкость Дж/кг·градус К
800
Рабочая температура в инертной среде
до 3000°С
до 3000°С
до 3000°С
Рабочая температура в кислородсодержащей среде
до 450°С
до 450°С
до 450°С