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, Mo, Та и их сплавов.
-6
Общеизвестно, что технические 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. 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°C разной степени совершенства.
Так известна промышленная шахтная печь сопротивления - электропечь ЭСКВЭ-1,2.2,5/25 ШМ. (Техническое описание печи от 10.10.2009).
Известная печь содержит герметизируемый крышкой охлаждаемый цилиндрический корпус, в котором размещена нагревательная камера. Основными узлами нагревательной камеры являются: нагреватель, выполненный из вольфрама, теплоизолирующий многослойный экран, окружающий нагреватель в виде вертикального цилиндра, закрытого с торцов крышками, и приспособление для установки изделий в рабочем пространстве камеры.
Однако данная печь обладает серьезным недостатком. Известная конструкция не обеспечивает равномерность нагрева изделий в нагревательной камере из-за существенного реального перепада температур в рабочей зоне нагрева по высоте (до ±50°C), обусловленного неэффективной организацией теплового потока. Теплоизолирующий многослойный экран не способен, с одной стороны, компенсировать потери тепла в верхней части нагревательной камеры из-за стока тепла по токоподводам нагревателя и приспособления для установки изделия, с другой стороны - сбросить избыток тепла на рубашку охлаждения в нижней части нагревательной камеры, представляющей собой глухой теплоемкий колодец, или эффективно перераспределить тепло. Это приводит к внутренним термическим напряжениям в термообрабатываемых изделиях и, как следствие, искажению геометрических параметров, например прямолинейности, что влечет за собой увеличение процента брака и себестоимости изготовления, особенно недопустимого в случае групповой обработки изделий из тугоплавких материалов.
В качестве наиболее близкого аналога печи для высокотемпературной обработки изделий, принятого авторами за прототип, является вертикальная шахтная печь сопротивления (патент РФ на полезную модель №114516, МПК F27B 1/10, опубл. 27.03.12). Основными элементами конструкции такой печи являются водоохлаждаемый корпус с герметизирующей крышкой, нагревательная камера с многослойной экранной теплоизоляцией и коаксиально размещенными внутри нее нагревательными элементами, а также термостатирующий экран, установленный между нагревательными элементами и изделиями, обеспечивающий перераспределение и выравнивание тепловых потоков в зоне нагрева. Как вариант, вместо термостатического экрана предусмотрена установка в центре рабочей зоны нагрева дополнительного блока нагревательных элементов.
Необходимым результатом успешного проведения термических операций должно быть в итоге обеспечение требуемых геометрических характеристик изделия после термообработки, например прямолинейности, что особенно актуально в случае длинномерных тонкостенных труб, для которых указанные геометрические параметры являются основополагающими.
Известная конструкция печи решает задачу обеспечения исходной геометрии изделий при высокотемпературной обработке их в глубоком вакууме путем организации равномерного по высоте рабочей зоны теплового потока. Полученное качество потока, и, как следствие, - температурного поля, достигнуто путем введения в рабочую зону нагрева дополнительного толстостенного термостатирующего экрана, расположенного между изделиями и нагревателем, или же установкой в центре рабочей зоны нагрева дополнительного блока нагревательных элементов.
Однако известное техническое решение не свободно от недостатков.
Во-первых, наличие массивного термостатирующего экрана (~ 110 мм, l=900 мм, δ=4 мм) или внутреннего дополнительного нагревателя (6 мм, l=950 мм, кол-во 12) из вольфрама усложняет конструкцию печи и ее эксплуатацию, а также увеличивает ее материалоемкость и энергоемкость.
Во-вторых, полезный объем рабочей зоны нагрева используется неэффективно (порядка 50%) из-за наличия все тех же упомянутых дополнительных узлов и связанных с ними установочных дистанционирующих размеров, что в конечном итоге отрицательно влияет на производительность термовакуумных процессов.
Задача и обеспечиваемый полезной моделью технический результат - упрощение конструкции нагревательной камеры печи при сохранении в ее рабочем объеме стабильного и равномерного по высоте рабочей зоны теплового потока, исключающего недопустимые перепады температур и неравномерный нагрев изделий, а также почти двукратное увеличение объема рабочей зоны нагрева, обеспечивающее загрузку дополнительного количества обрабатываемых 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 теплоизоляцией в виде многослойного пакета, состоящего из N последовательно расположенных взаимно дистанционированных слоев-экранов из тугоплавкого материала толщиной 150÷300 мкм, и размещенные внутри камеры нагревательные элементы, согласно первому варианту полезной модели экранная теплоизоляция с внешней или внутренней стороны по высоте пакета выполнена с переменным количеством слоев-экранов, причем в верхней части равной 1/3÷1/5 высоты пакета, количество слоев-экранов составляет N+(1÷3) с образованием нисходящих ступенек равной длины, а в нижней части равной 1/3÷1/5 высоты пакета, количество слоев-экранов составляет N-(1÷3) также с образованием нисходящих ступенек равной длины.
Аналогичный результат достигается путем реализации второго варианта конструкции шахтной вакуумной печи, в соответствии с которым в шахтной вакуумной печи сопротивления, включающей водоохлаждаемый корпус с герметизирующей крышкой, нагревательную камеру с экранной теплоизоляцией в виде многослойного пакета, состоящего из N последовательно расположенных взаимно дистанционированных слоев-экранов из тугоплавкого материала толщиной 150÷300 мкм, и размещенные внутри камеры нагревательные элементы, экранная теплоизоляция с внешней или внутренней стороны пакета в верхней и нижней его частях, составляющих 1/3÷1/5 высоты пакета, снабжена накладками толщиной 150÷300 мкм из тугоплавких материалов с различной излучательной способностью, причем в верхней части накладка выполнена из материала со степенью черноты 0,18÷0,24, а в нижней части - из материала со степенью черноты 0,29÷0,35.
Упрощение конструкции нагревательной камеры печи путем применения простой экранной теплоизоляции специальной конфигурации позволило исключить из состава камеры дополнительные промежуточные узлы между изделиями и нагревателем (массивный термостатирующий экран в первом варианте прототипа и внутренний блок нагревателей с системой управления - во втором варианте прототипа). Это одновременно привело к существенному (в два раза) увеличению объема рабочей зоны нагрева (загрузки) изделий и повышению производительности техпроцессов, при сохранении габаритов нагревательной камеры в целом.
Следует отметить:
- значительное снижение материалоемкости по дорогостоящим применяемым материалам;
- повышение технологичности нагревательной камеры путем исключения операций по изготовлению и установке в рабочую зону нагрева дополнительных узлов (экрана, нагревателя), а также существенного улучшения условий обслуживания нагревательной камеры, повышение надежности и эксплуатации печи в целом.
При этом полностью сохранены тепловые характеристики нагревательной камеры и обеспечено требуемое равномерное по высоте поле температур, а также уменьшено энергопотребление печи в целом.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 Вид А, Б схематически показана конструкция шахтной вакуумной печи сопротивления в соответствии с первым вариантом заявляемой полезной модели.
На фиг. 2 Вид А, Б схематически показана конструкция шахтной вакуумной печи сопротивления в соответствии со вторым вариантом заявляемой полезной модели.
1
2
3
На фиг. 3 представлен характерный график режима термообработки изделий в соответствии с первым и вторым вариантами полезной модели, где Т, Т, Т - температура соответственно в верхней, средней и нижней частях рабочей зоны печи.
Шахтная вакуумная печь сопротивления, изображенная на фиг. 1 (вид А, Б), содержит водоохлаждаемый корпус 1 с герметизирующей крышкой 2, размещенную в корпусе цилиндрическую нагревательную камеру 3 с экранной многослойной теплоизоляцией 4 и цилиндрическими нагревательными элементами 5, коаксиально размещенными внутри камеры и образующими рабочую зону нагрева, а также приспособление 6 для установки изделий 7. Экранная теплоизоляция 4 выполнена в виде многослойного пакета с переменным по высоте пакета количеством слоев-экранов из тугоплавких металлов и нержавеющей жаростойкой стали, последовательно расположенных и взаимно дистанционированных. Пакет в своей верхней части, составляющей 1/10÷1/15 высоты пакета, на внутренней или внешней сторонах имеет увеличенное количество слоев N+(1÷3), которые образуют нисходящие ступеньки 8 равной длины. В нижней своей части, составляющей 1/10÷1/15 высоты, пакет имеет уменьшенное количество слоев N-(1÷3) также с образованием ступенек равной длины. Слои-экраны по высоте и количеству варьируются в заданных пределах в соответствии с конкретными требованиями к уровню и профилю температуры в зоне нагрева. Для осуществления контроля температуры в рабочей зоне нагрева, по высоте на заданном уровне в водоохлаждаемом корпусе выполнены смотровые окна 9 и соответствующие им отверстия 10 в экранной изоляции. Шахтная вакуумная печь сопротивления оснащена штатными системами охлаждения, электропитания, вакуумирования, контроля рабочих параметров и управления (на чертеже не показаны).
Шахтная вакуумная печь сопротивления, изображенная на фиг. 2 (вид А, Б), содержит водоохлаждаемый корпус 1 с герметизирующей крышкой 2, размещенную в корпусе цилиндрическую нагревательную камеру 3 с многослойной экранной теплоизоляцией 4 и цилиндрическими нагревательными элементами 5, коаксиально размещенными внутри камеры и образующими рабочую зону нагрева, а также приспособление 6 для установки изделий 7. Нагревательная камера по высоте рабочей зоны снабжена экранной теплоизоляцией в виде многослойного пакета из N последовательно расположенных и взаимно дистанционированных слоев-экранов из тугоплавких металлов и нержавеющей жаростойкой стали. Внутренняя сторона пакета, обращенная непосредственно к элементам нагревателя, или наружная сторона, обращенная к рубашке охлаждения, дополнительно снабжены в верхней и нижней частях, составляющих 1/10÷1/15 высоты пакета, накладками 11, которые различаются излучательной способностью (степенью черноты) и в соответствии с конкретным требованием к уровню и профилю температуры по высоте зоны нагрева варьируются по размеру и материалу. Причем, в верхней части пакета установлены накладки с меньшей степенью черноты в пределах 0,18÷0,24, а в нижней - с большей степенью черноты в пределах 0,29÷0,35.
Для осуществления контроля температуры в рабочей зоне нагрева по высоте, на заданном уровне в водоохлаждаемом корпусе выполнены смотровые окна 9 и соответствующие им отверстия 10 в экранной теплоизоляции.
Осуществление полезной модели в соответствии с первым вариантом в исполнении Вид А на фиг. 1.
В водоохлаждаемом цилиндрическом корпусе 1 из нержавеющей стали с герметизирующей крышкой 2 коаксиально установлена нагревательная камера 3, высота которой составляет 1000 мм, а диаметр - 200 мм, из тугоплавкого материала, например, вольфрама, молибдена. Полость корпуса соединена с системой вакуумирования. Экранная теплоизоляция 4 нагревательной камеры представляет собой закрытый с обеих сторон крышками с теплоизоляцией многослойный пакет в виде цилиндрического блока с переменным по высоте пакета количеством последовательно расположенных и взаимно дистанционированных слоев - экранов из вольфрама, молибдена и нержавеющей жаростойкой стали толщиной 0,15÷0,30 мм. Внутри блока экранной теплоизоляции размещены цилиндрические нагревательные элементы 5 и приспособление 6 для установки изделий 7. В верхней части равной 90 мм (в интервале 1/10÷/15 высоты пакета) пакет имеет количество слоев 15, в соответствии с N+(1÷3). В нижней части, равной 90 мм, пакет имеет количество слоев 9, в соответствии с N-(1÷3), которые образуют нисходящие ступеньки длиной 30 мм каждая.
В нагревательной камере коаксиально на расстоянии 25 мм от экранной изоляции установлены 24 нагревательных элемента, выполненных из вольфрамового прутка диаметром 4 мм и высотой 900 мм. Каждое из изделий (в количестве до 15 штук), представляющее собой трубу (или пруток) из W, Mo и их сплавов длиной 800÷850 мм и диаметром 13 мм с толщиной стенки 0,5÷1 мм закреплено на приспособлении.
Процесс термообработки изделий проводили в глубоком вакууме с выходом на температурный режим 2000°C и последующей выдержкой на режиме в течение 1÷1,5 часов. Контроль и регулирование температурного режима для обеспечения температуры заданного уровня в рабочей зоне нагрева осуществляли до температуры 1800°C с помощью температурных датчиков, а свыше 1800°C - пирометрическим способом, используя смотровые окна 9 в водоохлаждаемом корпусе и отверстия 10 в экранной теплоизоляции.
Как видно из графика, представленного на фиг. 3, температура в верхней, средней и нижней частях рабочей зоны печи имеет минимальный разброс температуры.
Длинномерные изделия, прошедшие термообработку в шахтной печи (по первому варианту заявляемой полезной модели), имели непрямолинейность 0,21-0,23 мм (на длине 850 мм).
Осуществление полезной модели в соответствии со вторым вариантом в исполнении Вид А на фиг. 2.
В водоохлаждаемом цилиндрическом корпусе 1 из нержавеющей стали с герметизирующей крышкой 2 коаксиально установлена нагревательная камера 3, высота которой составляет 1000 мм, а диаметр - 200 мм, из тугоплавкого материала, например, вольфрама. Полость корпуса соединена с системой вакуумирования.
Экранная теплоизоляция 4 нагревательной камеры представляет собой закрытый с обеих сторон крышками с теплоизоляцией многослойный пакет в виде цилиндрического блока последовательно расположенных и взаимно дистанционированных слоев - экранов из вольфрама, молибдена и нержавеющей жаростойкой стали толщиной 0,15-0,30 мм. Внутри размещены цилиндрические нагревательные элементы 5 и приспособления 6 для установки изделий 7.
Внутренняя сторона пакета, обращенная непосредственно к элементам нагревателя, в верхней и нижней частях, равных 90 мм (в интервале 1/10÷1/15 высоты пакета), дополнительно снабжена накладками 11 толщиной 0,15-0,30 мм и длиной 90 мм из молибдена и вольфрама соответственно, обеспечивающих меньшую степень черноты в верхней части пакета и большую - в нижней части пакета из заявленных интервалов 0,18÷0,24 и 0,29÷0,35.
В нагревательной камере коаксиально на расстоянии 25 мм от экранной изоляции установлены 24 нагревательных элемента, выполненных из вольфрамового прутка диаметром 4 мм и высотой 900 мм. Каждое из изделий (в количестве 15 штук), представляющее собой трубу (или пруток) из W, Mo и их сплавов длиной 800-850 мм и диаметром 13 мм с толщиной стенки 0,5-1 мм закреплено на приспособлении.
Процесс термообработки изделий проводили в глубоком вакууме с выходом на температурный режим 2000°C и последующей выдержкой на режиме в течение 1÷1,5 часов. Контроль и регулирование температурного режима для обеспечения температуры заданного уровня в рабочей зоне нагрева осуществляли до температуры 1800°C с помощью температурных датчиков, а свыше 1800°C - пирометрическим способом, используя смотровые окна 9 в водоохлаждаемом корпусе и отверстия 10 в экранной изоляции. Параметры режима термообработки изделий в полезной модели по второму варианту практически совпадают с первым вариантом.
Длинномерные изделия, прошедшие термообработку в шахтной печи (по второму варианту заявляемой полезной модели), имели непрямолинейность 0,22-0,23 мм (на длине 850 мм).
Таким образом, в заявленном решении (два варианта) экономичным и эффективным способом решена задача существенного упрощения конструкции основного узла печи - нагревательной камеры, что позволило исключить массивный протяженный прогреваемый термостатирующий экран и блок дополнительных внутренних нагревателей и, в свою очередь, одновременно увеличить в два раза полезный объем рабочей зоны нагрева (загрузки) изделий. При этом существенно снижены материалоемкость конструкции по дорогостоящим тугоплавким материалам и энергоемкость, а так же улучшены условия эксплуатации печи.
Вместе с тем, одновременно решена задача оптимальной организации в рабочем объеме тепловой камеры стабильного и равномерного по высоте надежно управляемого теплового потока, исключающего недопустимые перепады температур и неравномерный нагрев изделий при проведении режимов термообработки на этапах подъема, выдержки на режиме и спуска температуры (см. график фиг. 3).