СПОСОБ ОТЖИГА ИЗДЕЛИЙ В ЗАЩИТНОЙ СРЕДЕ И ПЕЧЬ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
ANNEALING METHOD OF PRODUCTS IN PROTECTIVE MEDIUM AND FURNACE FOR ITS IMPLEMENTATION

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в устройствах для термообработки материалов и изделий в защитной среде с использованием герметичных контейнеров, преимущественно для бухт проволоки и металлических лент из цветных металлов, преимущественно меди.
Известен способ отжига изделий из меди и других цветных металлов в защитной атмосфере, например в среде газообразного азота, аргона или углекислого газа. Недостатки этих способов заключаются в том, что операцию отжига проводят в герметичном контейнере, из которого предварительно откачивают воздух и затем закачивают инертный газ. Откачать воздух до абсолютного ноля давления невозможно, а инертные газы содержат некоторое количество кислорода и влаги, что делает возможным окисление поверхности рулонов даже в среде инертного газа (см. патент РФ №2151815, кл. C22D 1/773, 1998 г.).
2
3
2
Недостатком этого способа является то, что поверхность металла окисляется в процессе нагрева. В сухом воздухе при комнатной температуре медь почти не окисляется, т.к. образующийся на ее поверхности тончайшая пленка оксидов (придающая меди более темный цвет) служит хорошей защитой от дальнейшего окисления. Но в присутствии влаги и оксида углерода (IV) поверхность меди покрывается зеленоватым налетом карбоната гидроксомеди (CuOH)СО. При нагревании на воздухе в интервале температур свыше 200°С медь окисляется до черного оксида меди (II) CuO. При более высокой температуре на ее поверхности образуется двухслойная окалина: поверхностный слой представляет собой оксид меди (II) CuO, а внутренний - красный оксид меди (I) CuО.
Такая пленка портит товарный вид изделия, а также препятствует его дальнейшему использованию, если это изделие полуфабрикат, например медная лента для бронирования кабелей, или радиаторная лента для производства остовов радиаторов, или медная проволока.
Известен способ отжига изделий из меди и других цветных металлов в восстановительной среде водорода или метана. К отжиговой камере подключают устройство для очистки части потока защитного газа, охлаждают и отделяют от него ненужные включения путем адсорбции. Поток газа пропускают через горячую реакционную камеру, в которой из него удаляют кислород. Точка росы понижается, и легко окисляемые легирующие составные части отжигаемого материала защищаются от окисления (см. патент РФ №2121006, кл. C21D 1/767, 1996 г.).
Недостатком такого способа является необходимость специального оборудования для генерирования водорода, а также взрыво- и пожароопасность такого производства.
Технической задачей предлагаемого решения является устранение указанных недостатков, улучшение качества материала и расширение интервала температуры для отжига без образования окисной пленки на поверхности отжигаемого материала.
Указанная задача достигается тем, что в предлагаемом способе отжига изделий из меди в восстановительной среде, включающем укладку изделий в герметичный контейнер, откачку из внутренней полости атмосферного воздуха, заполнение ее защитным газом, нагрев изделий в печи и охлаждение изделий вместе с контейнером, отличающийся тем, что после укладки изделий во внутреннюю полость контейнера дополнительно вводится восстановитель, располагая его возле боковой поверхность контейнера со стороны нагревательного элемента, например, в виде кокса.
Процесс отжига осуществляется следующим образом. Предлагаемый способ отжига изделий из меди в восстановительной атмосфере заключается в том, что защитная атмосфера состоит из оксида углерода (II), который является восстановителем и образуется непосредственно в контейнере во время отжига изделий при использовании оксида углерода (IV). Для осуществления способа отжига изделий из меди в восстановительной среде в контейнер засыпают кокс. При нагреве печи в первую очередь нагревается стенка контейнера и возникает конвективный поток оксида углерода (IV) (углекислого газа) снизу вверх вдоль стенки. Проникая в карман с коксом, стенки которого выполнены из просечного металлического листа, углекислый газ вступает в реакцию с коксом по реакции . Одновременно производится дожиг остатка кислорода по реакции .
2
При невысоких температурах уголь сгорает и образует CO, а оксид углерода даже при недостатке кислорода не образуется. Иначе обстоит дело при повышении температуры. По достижении температуры более 300°С начинает протекать реакция между углем и диоксидом углерода. Эта реакция эндотермична и при 298К изменение стандартной энергии Гиббса при ее протекании положительное (+120 кДж/моль). Однако в ходе превращения происходит двукратное увеличение числа молекул газа и энтропия системы сильно возрастает, так что энтропийное слагаемое энергии Гиббса имеет отрицательный знак. С увеличением температуры это слагаемое начинает преобладать (по абсолютной величине) над энтальпийным членом, в результате чего изменение энергии Гиббса при протекании реакции становится отрицательным.
Наличие даже небольшого количества восстановителя, в данном случае оксида углерода II, не только предотвращает окисление поверхности медных изделий, но и способствует осветлению поверхности за счет восстановления уже имеющегося на поверхности изделий оксида меди (II) CuO по реакции:
2
По мере повышения температуры отжига от 300 до 700°С влияние остатков кислорода на окисление поверхности становится критическим, т.е. на поверхности начинают образовываться оксид меди (II) CuO и оксид меди (I) CuO. Но при наличии восстановителя при этих температурах начинают протекать реакции (1), (2), и (3), в результате которых невозможно образование на поверхности металла оксидов и происходит ее осветление от уже имевшихся окислов до термообработки.
Использование предлагаемого способа отжига изделий из меди (бухт, рулонов) позволяет расширить диапазон температуры термообработки, полностью исключить окисление поверхности изделий и производить дополнительное разрушение окисной пленки, образовавшейся на бухтах до термообработки.
Предлагаемое техническое решение относится к области машиностроения и может быть использовано в устройствах для термообработки материалов и изделий в защитной среде с использованием герметичных контейнеров, преимущественно для бухт проволоки и металлических лент из цветных и черных металлов.
Известны печи для обжига материала, содержащие корпус с высокотемпературной кладкой и нагревательный элемент в виде электрических тенов спиральной формы, металлическую кассету с установленными в ней рулонами материала, колпак, закрывающий кассету с материалом, и магистраль подачи и удаления защитного газа внутрь колпака. Сверху печь закрывается крышкой после установки колпака и кассеты с материалом (см. например авторское свидетельство СССР №791779, кл. C21D 9/673, 1975 г.)
Недостатком этих печей является то, что при замене кассеты с материалом требуется много времени и печь приходится отключать из-за поэтапного удаления колпака и кассеты из печи и установка новой кассеты и колпака. Кроме того, в процессе термообработки внутри колпака постоянно циркулирует защитный газ, который нагревается под колпаком, а затем после удаления из него остывает, а после его следующей подачи внутрь колпака нагревается и этот процесс повторяется. В результате конструкция этих печей получается сложной, большая часть тепла расходуется на нагрев газа и колпака и снижает производительность печей.
Также известна печь обжига, содержащая корпус, внутренняя полость которой армирована высокотемпературной кладкой и установлен электрический нагревательный элемент спиральной формы, съемная крышка, корзина с рулонами, изолированная от нагревательного элемента металлическим стаканом, через сыпучий уплотнительный узел и магистраль подачи и удаления газовой среды внутрь стакана, металлический стакан и корзина с рулонами соединены непосредственно с крышкой печи, длина металлического стакана выполнена меньше длины полости корпуса печи, периферийная зона стакана снабжена каналами охлаждения, в его нижней части выполнены опорные выступы, уплотнительный затвор расположен в верхней части корпуса печи, крышка выполнена объемной, внутри которой расположен теплоизолятор, а на ее наружной стороне закреплены магистрали подачи газовой среды и удаления этой среды из полости стакана с запорной арматурой устройствами контроля давления внутри стакана (см. патент РФ №39331, кл. C21D 9/673, 2004 г.).
Недостатком этих печей является то, что температуру обжига невозможно увеличивать, т.к. при повышении температуры нагрева от 300°С до 700°С происходит интенсивное окисление поверхности металла, а сами печи по конструкции сложны и ненадежны в процессе эксплуатации.
Технической задачей изобретения является устранение указанных недостатков, повышение качества отжига и повышение производительности печей при термообработке рулонного металла, например медной фольги или медной проволоки.
Указанная задача достигается тем, что в предлагаемой печи обжига, содержащей корпус с высокотемпературной кладкой и закрепленным на ней нагревательным элементом, съемную крышку, корзину для укладки изделий, соединенную с крышкой и изолированную от нагревательного элемента металлическим стаканом, внутренняя полость которого соединена с магистралями для поочередной подачи и удаления газовой среды из стакана, расположенными с наружной стороны крышки, она выполнена с карманом для размещения в нем восстановителя, образованным перегородкой с дном, закрепленные на боковой поверхности металлического стакана, при этом по крайней мере одна из поверхностей кармана выполнена со сквозными отверстиями, а корзина выполнена со срезом со стороны перегородки кармана.
На фиг.1 показан продольный разрез предлагаемой печи.
На фиг.2 - сечение по А-А фиг.1.
Предлагаемая печь содержит корпус 1, преимущественно цилиндрической формы, внутренняя поверхность которого армирована высокотемпературной кладкой 2. На наружной поверхности 3 кладки 2 закреплено несколько отдельных нагревательных элементов 4 в виде электрического тена, установленного равномерно во внутренней полости 5. В верхней части корпуса 1 над торцом кладки 2 закреплена кольцевая опора 6 с уплотнительным затвором 7, например, песчаного типа. В полости 5 установлен металлический стакан 8 со сплошной боковой стенкой 9 и дном 10, под которым выполнены опорные выступы 11, например, в форме кольцевого бурта на уровне боковой стенки. Внутри стакана 8 установлена корзина 12 с изделиями из меди 13 с кольцевым зазором 14, а в верхней части стакана 8 выполнены каналы 15 для его охлаждения. На периферии стакана 8 закреплены откидные болты 16 и выступ 17, расположенный в уплотнительном затворе 7. На стакане 8 с помощью болтов 16 закреплена крышка 18 с теплоизолятором 19. На внутренней стороне крышки 18 жестко закреплены выступы 20 под грузозахватные крюки и несущие тяги 21 корзины 12. На наружной стороне крышки 18 закреплены транспортные опоры 22, подводящая магистраль 23 и отводящая магистраль 24 для поочередной подачи и удаления газовой среды из стакана 8. Магистраль 23 снабжена манометром 25, а магистраль 24 снабжена клапаном 26. Изделия 13 установлены на опоры 27, которые закреплены на корзине 12. Наружная поверхность 28 изделий 13 расположена параллельно внутренней стенки 9 стакана 8. На боковой стенке стакана 8 имеется карман 29, с боковой перегородкой 30 и жестко соединенным с ней дном 31. Внутри кармана 29 в пространстве между боковой стенкой 9, перегородкой 30 и дном 31 засыпан кусковой восстановитель 32. Корзина 12 снабжена срезом 33, обращенным в сторону перегородки 30 кармана 29. Или в дне 31, или в перегородке 30 выполнено одно или несколько сквозных отверстий 34.
Укладка и установка изделий в печь и работа печи осуществляется следующим образом. Стакан 8 расположен вне печи и крышка 18 снята. Затем на корзину 12 укладываются грузозахватным приспособлением изделия 13 с опорами 27 таким образом, чтобы последние вошли в отверстия корзины 12. Затем на стакан 8 устанавливают крышку 18 таким образом, чтобы петлеобразные отверстия тяг 21 вошли в крюки выступов 20, а нижние соединились с корзиной 12. После этого за выступы 22 крышку 18 вместе с корзиной 12 и изделиями 13 устанавливают в стакан 8 таким образом, чтобы срез 33 располагался со стороны перегородки 30 кармана 29. Затем в полость кармана 29 засыпают твердый кусковой восстановитель 32 и крышку 18 плотно закрепляют с помощью болтов 16 таким образом, чтобы соединение между стаканом 8 и крышкой 18 было герметичным. Затем с помощью выступов 22 собранный стакан 8 вместе с корзиной 12, крышкой 18 устанавливают в полость 5 печи таким образом, чтобы затвор 7 плотно расположился на кольцевой опоре 6. После этого из внутренней полости 14 стакана 8 через отводящую магистраль 24 откачивают весь атмосферный воздух и через подающую магистраль 23 подают внутрь стакана 8 защитный газ (например, углекислый). С помощью манометра 25 устанавливают необходимое давление внутри стакана 8. Затем включаются нагревательные элементы 4 и производят нагрев внутренней полости 14 вместе с изделиями 13. При нагревании внутри полости 14 происходит конвекционное движение газа, который вступает в реакцию с восстановителем 32 и тем самым полностью связывает кислород с углеродом, образуя при этом углекислый газ. Углекислый газ по теплой стенке 9 стакана 8 поднимается вверх кармана 29, а через отверстия 34 дна 31 в карман 29 заходит новая порция защитного газа и процесс повторяется. Нагревательные элементы 4 печи могут находиться как во включенном положении, так и в выключенном, т.к. они не влияют на процесс сборки стакана 8. Установку стакана 8 производят с помощью транспортных опор 22 грузозахватным приспособлением. Крышку 18 вместе со стаканом 8, корзиной 12 с изделиями 13 заводят в полость 5 корпуса 1 печи до тех пор пока стакан 8 не войдет в уплотнительной затвор 7 и расположится под собственным весом на кольцевой опоре 6. После этого производится нагрев изделий 13 вместе со стаканом 8 и корзиной 12 до необходимой температуры. После нагрева рулонов 13 до необходимой температура крышку 18 вместе со стаканом 8 и корзиной 12 снимают с печи и устанавливают на подготовленную площадку, а в печь устанавливается другая аналогично собранная конструкция с рулонами и процесс повторяется.
Соединение стакана, крышки и корзины с изделиями из металла в единый узел позволяет производить подготовительные операции вне печи и упростить процесс замены газовой среды внутри стакана с атмосферной на защитную Кроме того, нагрев и процесс охлаждения рулонов в защитной среде не влияют на работу печи и могут производиться вне печи, а сама печь участвует в процессе обработки изделий из металла только для нагрева. И если нагревать не нужно, то печь включать нет необходимости. Расположение боковой поверхности изделий параллельно боковой поверхности стакана позволяет равномерно производить их нагрев и уменьшить время на отжиг при нагреве, а размещение в кармане дополнительно восстановителя не только полностью исключает образование на рулонах окисной пленки, но и разрушает уже имеющуюся окисную пленку, которая образовалась до термообработки при хранении изделий в открытой атмосфере.
Использование предлагаемой печи в процессе отжига рулонов медных изделий, например проволоки или ленты, позволяет сократить затраты энергоносителя, полностью исключить окисление поверхности металла, расширить интервал температуры отжига по сравнению с известными аналогичными печами для термообработки изделий из цветного металла, преимущественно из меди.