УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМОДИФФУЗИОННОГО ЦИНКОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ

Область техники
Полезная модель относится к устройству для антикоррозионной обработки металлических изделий, в частности к нанесению цинкового покрытия на изделия из различных марок сталей и цветных сплавов путем термодиффузионного цинкования и может быть использовано в металлургии, машиностроении, нефтехимии и других областях промышленности для улучшения физико-механических характеристик поверхности изделия.
Предшествующий уровень техники
Одним из перспективных способов нанесения защитных покрытий на стальные, чугунные и медные изделия с целью повышения их коррозионных свойств является термодиффузионное цинкование в порошковых смесях. Формируемые при данном способе обработки защитные покрытия характеризуются рядом преимуществ по сравнению, как с другими видами защитных покрытий, так и с цинковыми покрытиями, полученными различными способами (горячим, гальваническим, металлизацией).
Нанесение покрытия по методу термодиффузионного цинкования происходит в герметически закрытом контейнере, вращающемся с определенной скоростью, помещенном в специальную печь, которая обеспечивает равномерный, рассчитанный во времени, разогрев деталей и насыщающей порошковой смеси. Для интенсификации процесса цинкования оборудование оснащается специальными устройствами.
В настоящее время широкая номенклатура ответственных изделий, работающих в условиях агрессивных сред, изготавливается из различных марок сталей и цветных сплавов. Поэтому повышение эксплуатационных свойств данных изделий, определяемых коррозионной стойкостью, является актуальной проблемой. Следует отметить, что даже при использовании уникальных многокомпонентных порошковых смесей, позволяющих осуществлять термодиффузионное цинкование изделий из различных материалов, не всегда возможно добиться стабильных, наперед заданных результатов, определяемых комплексом свойств сформированных покрытий (толщина, наличие дефектов, равномерность, внешний вид и т.д.). В данном случае, при существующих технологиях, оборудовании и устройствах не представляется возможным контролировать физико-химические процессы, происходящие в герметически закрытой реторте (контейнере).
Известна установка [RU 2174159, опубл. 27.09.2001] для нанесения цинкового покрытия путем термодиффузионного цинкования, включающая реторту, размещенную в поворотной электрической печи, с возможностью вращения, в которой со стороны загрузочного отверстия установлена шлюзовая камера, заполненная насыщающей смесью и оснащенная дренажным патрубком, через который происходит непрерывный сброс избыточного давления в реторте.
Основным недостатком установки является устройство для непрерывного сброса давления в виде дренажного патрубка, с помощью которого невозможно контролировать и поддерживать в определенном рабочем интервале давление, создаваемое газами, выделяющимися из насыщающей порошковой смеси. Многочисленные эксперименты показали, что независимо от соотношения внутреннего (сквозного) диаметра дренажного патрубка к его длине, неконтролируемый сброс необходимых для процесса цинкования газов насыщающей порошковой смеси, начинается с момента их выделения. Поэтому в реторте не будет создаваться требуемое давление данных газов, необходимое для протекания процесса цинкования, а значит, не будет формирования качественного покрытия. Кроме того, отсутствие системы очистки (продувки) устройства будет приводить к засорению внутреннего отверстия дренажного патрубка насыщающей порошковой смесью, а также продуктами паров смазки и смазочно-охлаждающей жидкости. Следует также отметить, что возможное оснащение дренажного патрубка фильтром, в данном случае, служит только для очистки газов при выбросе их в атмосферу.
Известна установка [RU 2117717, опубл. 20.08.1998] для нанесения цинкового покрытия путем термодиффузионного цинкования, включающая поворотную электропечь, размещенную в электропечи с возможностью вращения, реторту с герметичной крышкой и перфорированный контейнер для обрабатываемых изделий, устанавливаемый в реторту, при этом в крышке выполнено устройство, например, в виде клапана или вентиля для автоматического или с помощью оператора сброса давления из полости реторты. При этом сброс давления, а также выброс образовавшихся паров воды, паров легкой смазки, СОЖ и т.д. в атмосферу осуществляется с использованием фильтра.
Недостаткам устройства для сброса давления из полости реторты в атмосферу является то, что клапан или вентиль не снабжены устройством автоматического контроля рабочего интервала избыточного давления в полости реторты. Данное устройство служит только для полного сброса давления на первом этапе цинкования, при котором происходит выброс через фильтр в атмосферу образовавшихся при нагреве паров воды, паров легкой смазки и СОЖ. Следует отметить, что при обработке различных материалов (сталь, чугун, цветные сплавы) необходимо назначать и различный интервал избыточного давления газов, выделяющихся из насыщающей порошковой смеси, при котором будут формироваться качественные покрытия. Описанное устройство не может выполнять данную функцию. Кроме того, отсутствие в устройстве системы очистки также будет приводить к засорению устройства насыщающей порошковой смесью и выходу его из строя.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство [RU 2139366, опубл. 10.10.1999]. Устройство для термодиффузионного цинкования изделий включает электропечь и размещенную внутри нее реторту с герметичной крышкой, в которую вмонтировано устройство для сброса давления и выброса образовавшихся паров воды, паров легкой смазки, СОЖ и т.д. из полости реторты. Устройство для сброса давления из полости реторты выполнено, например, в виде клапана или вентиля. При достижении температуры 150-200°C и соответствующего повышения давления в герметизированной реторте автоматически или оператором осуществляется сброс давления из полости реторты через устройство для сброса давления непосредственно в атмосферу или через фильтр. При сбросе давления из полости реторты обеспечивается создание внутри реторты давления и состава атмосферы, необходимых дня оптимального протекания процесса, за счет того, что происходит выброс образовавшихся паров воды, паров легкой смазки и СОЖ и т.д. При этом устройство для сброса давления может быть снабжено фильтром, который позволяет избежать загрязнения окружающей установку атмосферы порошком насыщающей смеси и парообразной составляющей выброса. После сброса давления вновь герметизируют реторту, закрывая устройство для сброса давления в крышке, и осуществляют дальнейший нагрев реторты до температуры 300-600°C (преимущественно 420°C), при которой осуществляется процесс термодиффузионного цинкования. Производят выдержку изделий с насыщающей смесью при указанной выше температуре в течение заданного времени, которое определяется требованиями к толщине покрытия.
Основным недостатком этой установки является устройство для сброса давления, вмонтированное в герметичную крышку и предназначенное для сброса давления и удаления паров воды, легкой смазки, СОЖ и т.д., так как оно служит только для полного сброса давления на первом этапе цинкования, и не обеспечивает постоянный контроль и необходимый интервал избыточного давления, что особенно важно при цинковании изделий из различных марок сталей и цветных сплавов. Фильтр выполняет функцию только очистки газообразных выбросов из реторты в атмосферу. Отсутствие системы периодической очистки в процессе цинкования фильтра или, непосредственно, самого устройства для сброса давления будет приводить к обязательному его засорению, а значит, и выходу из строя. Это приведет к нарушению технологического процесса цинкования, невозможности его контролирования, а значит, формированию некачественных цинковых покрытий.
Одним из основных условий термодиффузионного цинкования изделий, изготовленных из различных марок сталей и цветных сплавов, наряду с контролируемой температурой, временем обработки и т.д. является необходимость создания в герметически закрытой реторте определенного интервала рабочего избыточного давления химически активной смеси газообразных веществ, выделяющихся при нагреве из насыщающей порошковой смеси. Постоянно поддерживаемый интервал избыточного давления, величина которого изменяется в зависимости от обрабатываемого материала, интенсифицирует процесс диффузии цинка в кристаллическую решетку сталей и сплавов.
Раскрытие полезной модели
Технический результат, достигаемый при эксплуатации предлагаемого устройства для термодиффузионного цинкования изделий, состоит в упрощении технологического процесса, сокращении его длительности, в возможности получения на изделиях из различных марок сталей и цветных сплавов высококачественного цинкового покрытия требуемой толщины (в зависимости от реальных условий эксплуатации конкретных деталей) за счет непрерывного контроля и поддержания в герметически закрытой реторте требуемого рабочего интервала избыточного давления газов, выделяющихся из насыщающей порошковой смеси. Кроме того, наличие фильтров грубой и тонкой очистки, а также автоматической системы периодической подачи инертного газа для продувки и очистки их поверхностей, позволяет нормально функционировать устройству в течение всего процесса цинкования и максимально сократить выбросы в атмосферу выделяющихся при цинковании паров воды, легкой смазки, СОЖ и т.д., частиц насыщающей порошковой смеси.
Устройство для термодиффузионного цинкования изделий из различных марок сталей и цветных сплавов, включает электропечь и размещенную внутри нее реторту с герметизирующей крышкой, в которую, согласно полезной модели, встроен предохранительный клапан для газообразных сред, предназначенный поддерживать в рабочей камере реторты требуемый рабочий интервал избыточного давления смеси химически активных газообразных веществ, выделяющихся при нагреве в процессе цинкования из насыщающей порошковой смеси. Рабочая и загрузочно-разгрузочная камеры реторты отделены друг от друга съемным сетчатым элементом грубой очистки с размером ячейки 100 мкм.
Входное отверстие предохранительного клапана для газообразных сред защищено от попадания в него насыщающей порошковой смеси сменным фильтром тонкой очистки, в котором установлены сетчатый элемент с размером ячейки 15-20 мкм и пористая прокладка.
Через герметизирующую крышку к съемному сетчатому элементу грубой очистки и к пористой прокладке сменного фильтра тонкой очистки предохранительного клапана при помощи патрубков подведена автоматическая система периодической подачи инертного газа с целью очистки их поверхностей от насыщающей порошковой смеси. Следует отметить, что подача инертного газа к съемному сетчатому элементу грубой очистки осуществляется под углом 90° к его поверхности, а к поверхности пористой прокладки сменного фильтра тонкой очистки предохранительного клапана - под углом 45°. Экспериментально установлено, что именно при указанных углах подачи инертного газа происходит наиболее эффективная продувка поверхности съемного сетчатого элемента грубой очистки и очистка поверхности пористой прокладки сменного фильтра тонкой очистки предохранительного клапана от насыщающей порошковой смеси. Инертный газ, в данном случае, используется с целью предотвращения изменения состава смеси химически активных газообразных веществ, выделяющихся из насыщающей порошковой смеси при ее нагреве в процессе цинкования.
При засорении в процессе термодиффузионного цинкования поверхности съемного сетчатого элемента грубой очистки и поверхности пористой прокладки сменного фильтра тонкой очистки предохранительного клапана насыщающей порошковой смесью, наблюдается падение в загрузочно-разгрузочной камере реторты давления смеси химически активных газообразных веществ, выделяющихся в процессе нагрева порошковой смеси. Падение давления в обоих случаях фиксируется устройством на предохранительном клапане. При этом автоматически включается система периодической подачи инертного газа к поверхности съемного сетчатого элемента грубой очистки и к поверхности пористой прокладки сменного фильтра тонкой очистки предохранительного клапана. После окончания продувки поверхности съемного сетчатого элемента грубой очистки и очистки поверхности пористой прокладки сменного фильтра тонкой очистки предохранительного клапана система периодической подачи инертного газа автоматически отключается.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 изображено устройство для термодиффузионного цинкования изделий из различных марок сталей и цветных сплавов, содержащее: электропечь 1, реторту 2, рабочую камеру 3 реторты 2, загрузочно-разгрузочную камеру 4 реторты 2, герметизирующую крышку 5, предохранительный клапан для газообразных сред 6, съемный сетчатый элемент грубой очистки 7 в защитном кожухе, предназначенном для предохранения съемного сетчатого элемента грубой очистки от механических повреждений при цинковании деталей, сменный фильтр тонкой очистки 8, в состав которого входят сетчатый элемент 9 и пористая прокладка 10, автоматическую систему периодической подачи инертного газа 11 с патрубками 12 и 13.
На Фиг. 2 изображен график работы устройства для термодиффузионного цинкования.
Зона 1 - нагнетание избыточного давления смеси химически активных газообразных веществ в рабочей камере реторты до значений рабочего интервала.
Зона 2 - рабочий интервал избыточного давления в процессе цинкования в рабочей камере реторты.
Зона 3 - сброс избыточного давления из рабочей камеры реторты после окончания процесса цинкования.
Осуществление полезной модели
На фиг. 1 изображено устройство для термодиффузионного цинкования изделий. Устройство работает следующим образом. В рабочую камеру 3 реторты 2 через загрузочно-разгрузочную камеру 4 загружают изделия (не показано) и насыщающую порошковую смесь (не показано). Устанавливается съемный сетчатый элемент грубой очистки 7 в защитном кожухе (не показан), разделяющий рабочую 3 и загрузочно-разгрузочную 4 камеры реторты 2. На герметизирующей крышке 5 установлен предохранительный клапан для газообразных сред 6, настроенный на рабочий интервал избыточного давления в рабочей 3 и загрузочно-разгрузочной 4 камерах реторты 2.
На входном отверстии предохранительного клапана для газообразных сред 6 крепится сменный фильтр тонкой очистки 8, в состав которого входят - сетчатый элемент 9 и пористая прокладка 10 из жаропрочного материала.
Герметизирующая крышка 5, с встроенным в нее предохранительным клапаном для газообразных сред 6 и сменным фильтром тонкой очистки 8 с сетчатым элементом 9 и пористой прокладкой 10, крепится к загрузочно-разгрузочной камере 4 реторты 2. Через герметизирующую крышку 5 в загрузочно-разгрузочную камеру 4 реторты 2 при помощи патрубков 12 и 13 подводится автоматическая система периодической подачи инертного газа 11 для продувки поверхности съемного сетчатого элемента грубой очистки 7 и поверхности пористой прокладки 10 сменного фильтра тонкой очистки 8 предохранительного клапана для газообразных сред 6. Подача инертного газа к поверхности съемного сетчатого элемента грубой очистки 7 осуществляется под углом 90° через патрубок 12. Подача инертного газа к поверхности пористой прокладки 10 сменного фильтра тонкой очистки 8 предохранительного клапана для газообразных сред 6 осуществляется под углом 45° через патрубок 13. Задается вращательное движение реторты 2 и включается обогрев печи 1.
При определенной температуре начинается выделение смеси химически активных газообразных веществ из насыщающей порошковой смеси, создающих одинаковое избыточное давление в рабочей камере 3 и загрузочно-разгрузочной камере 4 реторты 2. Необходимое избыточное давление в рабочей камере 3, а значит, и в загрузочно-разгрузочной камере 4 реторты 2, назначается исходя из марок обрабатываемых материалов, а также получения требуемой толщины защитного термодиффузионного цинкового покрытия, определяемого реальными условиями эксплуатации конкретных изделий. Рабочий интервал избыточного давления смеси химически активных газообразных веществ определяется экспериментально с учетом конкретной марки обрабатываемого материала (сталь или цветной сплав). При достижении в рабочей камере 3 и в загрузочно-разгрузочной камере 4 реторты 2 избыточного давления смеси химически активных газообразных веществ, выделяющихся при нагреве из порошковой смеси, выше установочного рабочего интервала, происходит сброс давления через предохранительный клапан для газообразных сред 6 до минимального значения рабочего давления. После сброса избыточного давления через предохранительный клапан для газообразных сред 6 происходит последующее его нагнетание в рабочей камере 3 и в загрузочно-разгрузочной камере 4 реторты 2 до установленного рабочего интервала. Данный цикл повторяется в течение всего процесса термодиффузионного цинкования, а значит, в рабочей камере 3 и в загрузочно-разгрузочной камере 4 реторты 2 поддерживается постоянный установленный интервал рабочего избыточного давления. При засорении поверхности съемного сетчатого элемента грубой очистки 7 и поверхности пористой прокладки 10 сменного фильтра тонкой очистки 8 предохранительного клапана 6 насыщающей порошковой смесью включается автоматическая система периодической подачи инертного газа 11 с целью продувки поверхности съемного сетчатого элемента грубой очистки 7 через патрубок 12 и очистки поверхности пористой прокладки 10 сменного фильтра тонкой очистки 8 предохранительного клапана 6 через патрубок 13. Автоматическая система периодической подачи инертного газа 11 отключается после окончания продувки поверхности съемного сетчатого элемента грубой очистки 7 и очистки поверхности пористой прокладки 10 сменного фильтра тонкой очистки 8 предохранительного клапана 6. Критерием засоренности поверхности съемного сетчатого элемента грубой очистки 7 и поверхности пористой прокладки 10 сменного фильтра тонкой очистки 8 предохранительного клапана 6 является падение (без последующего возрастания) избыточного давления в загрузочно-разгрузочной камере 4 реторты 2 ниже интервала рабочего избыточного давления в результате ограничения проходимости смеси химически активных газообразных веществ, выделяющихся из насыщающей порошковой смеси, из рабочей камеры 3 реторты 2 в загрузочно-разгрузочную камеру 4 реторты 2 через засоренную поверхность съемного сетчатого элемента грубой очистки 7. Цикл периодически повторяется. В процессе цинкования определенное количество насыщающей порошковой смеси мелкой фракции может проходить через съемный сетчатый элемент грубой очистки 7 и попадать в загрузочно-разгрузочную камеру 4 реторты 2, что приводит к засорению пористой прокладки 10 сменного фильтра тонкой очистки 8 предохранительного клапана для газообразных сред 6 и выходу его из строя. Для защиты на входное отверстие предохранительного клапана для газообразных сред 6 устанавливается сменный фильтр тонкой очистки 8, состоящий из сетчатого элемента 9 и пористой прокладки 10. При завершении процесса цинкования через предохранительный клапан для газообразных сред 6 осуществляется сброс избыточного давления в рабочей камере 3 реторты 2 до нормального значения (см. фиг. 2).
Использование предлагаемого устройства позволяет осуществлять термодиффузионное цинкование изделий из различных марок сталей и цветных сплавов, повысить эффективность процесса за счет непрерывного контроля и поддержания в герметически закрытой реторте требуемого рабочего интервала избыточного давления, создаваемого смесью химически активных газообразных веществ, выделяющихся из насыщающей порошковой смеси при нагреве в процессе цинкования.