ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ ДЛЯ ТЕРМОДИФФУЗИОННОГО НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ НА МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ИЗДЕЛИЯ

Полезная модель относится к устройствам для химико-термической обработки металлических изделий и может быть использовано в металлургии, машиностроении, нефтехимии и других областях промышленности для улучшения физико-механических характеристик поверхности изделия.
Известна технологическая линия для термодиффузионного нанесения покрытий на металлические изделия, содержащая накопитель изделия, печь для диффузионного насыщения, реторту, накопитель обработанных изделий (см. патент РФ №2023971, М. Кл. С 23 С 10/28, F 27 B 19/02, заявл. 28.07.1991 г.).
В известной технологической линии печь для диффузионного насыщения выполнена в виде рабочей камеры с расположенной в ней ретортой и винтового шнека, установленных соосно с возможностью реверсивного вращения вокруг горизонтальной оси и соосно с захватом рольганга, при этом рольганг выполнен с захватом, и расположенным в захвате соосно поршнем со штоком, и установлен между накопителем изделий и печью для диффузионного насыщения.
Недостатком известной технологической линии является низкая производительность печи, низкое качество получаемых покрытий и конструктивная сложность узлов, входящих в состав технологической линии.
Наиболее близкой к заявляемой технологической линии по технической сущности и достигаемому результату является линия для
нанесения термодиффузионных покрытий на металлические изделия, содержащая последовательно расположенные накопитель изделий, устройство загрузки и выгрузки изделий, узел загрузки и выгрузки рабочей шихты, узел, включающий смеситель и бункер, печь с размещенной в ней ретортой с возможностью вращения относительно продольной оси, и накопитель обработанных изделий (патент РФ №2156830, М. Кл. С 23 С 10/34, заявл.21.06.1999 г.).
В известной технологической линии печь выполнена проходной, линия снабжена приводными роликами, установленными до и после печи, наклонно к оси движения реторты, а узел для загрузки и выгрузки рабочей шихты выполнен пневматическим.
Недостатком известной линии является низкая производительность и низкое качество получаемых диффузионных покрытий.
В технологической цепочке операций при нанесении покрытий на изделия реторту устанавливают на специальных подставках, на которых происходит ее естественное охлаждение. Поскольку процесс снижения температуры реторты является достаточно инерционным, резко снижается производительность линии.
Используемая проходная печь в процессе высокотемпературного нанесения покрытий не обеспечивает герметичность рабочего пространства печи в течение всего процесса диффузионного насыщения. Таким образом, в рабочем пространстве печи наблюдается градиент температур в направлении от крайних зон печи к средней зоне. Это приводит к неравномерности свойств покрытий, получаемых на изделии, находящихся в различных зонах реторты, что приводит к снижению качества получаемых покрытий.
Кроме того, при загрузке рабочей шихты в реторту при использовании пневматического узла для загрузки и выгрузки рабочей шихты, где подача шихты производится с помощью сжатого воздуха,
происходит седиментационное расслоение шихты по удельному весу. В результате этого изменяется первоначальный состав шихты, приводящий к неравномерности и невоспроизводимости свойств покрытий, наносимых на различные партии изделий. Это приводит к снижению качества и выхода годной продукции, что ведет к снижению производительности линии.
В основу полезной модели поставлена задача усовершенствования технологической линии для термодиффузионного нанесения покрытий на металлические изделия, при котором введение в технологическую цепочку дополнительного узла, а именно, установки принудительного охлаждения реторты, а также новое конструктивное выполнение известных узлов и введение новых устройств и элементов приводит к уменьшению рабочего диапазона температур процесса диффузионного насыщения поверхности изделий, а также сокращению рабочего цикла их обработки, что обеспечивает высокое качество получаемых диффузионных покрытий и высокую производительность технологической линии.
Поставленная задача решается тем, что в известной технологической линии для термодиффузионного нанесения покрытий на металлические изделия, содержащая размещенные накопитель изделий, устройство загрузки и выгрузки изделий, узел загрузки и выгрузки рабочей шихты, узел, включающий смеситель и бункер, печь с размещенной в ней возможностью вращения относительно продольной оси реторты и накопитель обработанных изделий, согласно полезной модели, новым является то, что линия дополнительно снабжена установкой принудительного охлаждения реторты, размещенной между печью и узлом загрузки и выгрузки рабочей шихты, и содержащей станину для установки реторты с возможностью осевого вращения и воздуховод, сообщающийся с нагнетателем воздуха, новым также является то, что печь выполнена камерной с выкатной подиной, что вдоль внешней поверхности корпуса
реторты выполнены продольные ребра, а на внутренней поверхности корпуса реторты размещены термодатчики, новым также является то, что узел загрузки и выгрузки рабочей шихты дополнительно оснащен кантователем, содержащим стационарную раму и установленную на ней поворотную раму для размещения реторты. Технологическая линия может дополнительно содержать вторую печь для термодиффузионного насыщения и второе устройство для принудительного охлаждения реторты.
Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков и достигаемым результатом состоит в следующем.
Заявляемая совокупность существенных признаков технологической линии обеспечивает при ее эксплуатации повышение производительности процесса и улучшение качества диффузионных покрытий, получаемых на обрабатываемых изделиях.
Снабжение технологической линии камерной печью с выкатной подиной, размещение термодатчиков на внутренней поверхности корпуса реторты, а также выполнение поперечных ребер на внешней поверхности реторты позволяют обеспечить герметичность рабочего пространства печи, повысить теплообменные процессы между рабочим объемом печи и поверхностью реторты, а также обеспечить возможность контроля и регулирования температуры в процессе диффузионного насыщения.
Благодаря этому предоставляется возможность влиять на кинетику и термодинамику физико-химических процессов диффузионного насыщения в объеме реторты, в результате чего уменьшается диапазон температурного режима процесса. Это обеспечивает высокое качество получаемых покрытий при одновременном сокращении рабочего цикла процесса.
Оснащение узла загрузки и выгрузки шихты кантователем способствует равномерному распределению порошка, обеспечивая
постоянство химического состава легирующего компонента в смеси по всему рабочему объему реторты. Таким образом, увеличивается выход годной продукции, приводящий к повышению производительности технологической линии.
Дополнительное введение в технологическую цепочку линии устройства принудительного охлаждения реторты, а также выполнение на внешней поверхности корпуса реторты продольных ребер позволяет интенсифицировать теплообменные процессы между нагревающей или охлаждающей средами и рабочим объемом реторты, что приводит к сокращению рабочего цикла обработки изделий и повышению производительности технологической линии.
Кроме того, заводские испытания технологической линии показали возможность расширения технологических возможностей линии, т.е. получение различных по составу легирующих покрытий на изделиях различной длины и конфигурации, а также снизить капитальные затраты.
На фиг.1 показана общая структурная схема технологической линии для термодиффузионного нанесения покрытий на металлические изделия; на фиг.2 - схема устройства для загрузки и выгрузки изделий; на фиг.3 - схема узла для загрузки и выгрузки рабочей шихты; на фиг.4 - камерная печь (продольный разрез); на фиг.5 - камерная печь (поперечный разрез по А-А фиг.4); на фиг.6 - схема устройства для принудительного охлаждения реторты; на фиг.7 - реторта (продольный разрез); на фиг.8 -реторта (поперечный разрез по А-А фиг.7).
Технологическая линия содержит накопитель 1 изделий, устройство 2 для загрузки и выгрузки изделий, узел 3 для загрузки и выгрузки рабочей шихты, камерную печь 4, устройство 5 принудительного охлаждения, расположенный между печью 4 и узлом 3 загрузки и выгрузки изделий, накопитель 6 обработанных изделий, и подъемный механизм 7.
Устройство 2 (фиг.2) для загрузки и выгрузки изделий включает металлическую конструкцию 8 с роликами 9. Камерная печь 4 (фиг.4, 5) содержит футерованный корпус 10 с торцевой крышкой 11 и расположенными в нем газовыми горелками 12. Печь 4 снабжена выкатной подиной 13 с установленными на ней роликами 14 и кинематически связанной с механизмом 15 ее возвратно-поступательного перемещения. На подине 13 размещена реторта 16 (фиг.7, 8), снабженная торцевыми крышками 17 и 18 и кинематически связанная с приводом 19 ее вращения вокруг продольной оси. На внешней поверхности реторты 16 выполнены продольные ребра 20, расположенные равномерно вдоль всей поверхности реторты 16. В корпусе 21 реторты 16 по краям и в средней ее части размещены термодатчики 22, соединенные с системой управления и контроля параметров процесса (не показана). Торцевые крышки 17 и 18 снабжены патрубками 23 и 24 соответственно, выступающими за пределы печи 4. Патрубок 23 снабжен выпускным клапаном 25 сброса давления.
Узел 3 (фиг.3) для загрузки и выгрузки рабочей шихты включает смеситель 26, бункер 27, в нижней части которого выполнен направляющий элемент 28, и бункер 29, кантователь 30, содержащий неподвижную раму 31 и установленную на ней поворотную раму 32, в верхней части которой расположен механический фиксатор 33. Узел 3 также включает привод 34 вращения реторты 16. Поворотная рама 32 кинематически соединена с механизмом 35 ее поворота. Между печью 4 и узлом 3 для загрузки и выгрузки рабочей шихты размещено устройство 5 (фиг.6) принудительного охлаждения реторты 16. Устройство 5 содержит станину 36, на которой размещены ролики 37 и кинематически связанную с приводом 38 вращения реторты 16, воздуховод 39, в котором выполнены прорези 40, и посредством рукава 41 сообщается с нагнетателем воздуха 42.
Технологическая линия работает следующим образом.
Реторту 16 со снятой крышкой 17 и установленной на ней крышкой 18 подъемным механизмом 7 устанавливают на ролики 9, расположенные на металлической конструкции 8 устройства 2 загрузки и выгрузки изделий. Из накопителя 1 в реторту 16 с помощью механического приспособления (не показано) загружали трубы диаметром условного прохода Ду15 длиной 6 м, выполненные из углеродистой стали ст3. Затем реторту 16 устанавливают на поворотную раму 32 кантователя 30 незакрытым торцом в положение загрузки. Из смесителя 26 в бункер 27 засыпают порошковую легирующую рабочую шихту, содержащую инертный наполнитель, активирующую добавку и легирующий цинксодержащий компонент (содержание цинка - не менее 30%). В качестве легирующего компонента могут быть использованы хром, медь, бор, никель и др. элементы.
Бункер 27 устанавливают на поворотную раму 32 кантователя 30 и закрепляют механическим фиксатором 33, так, что направляющий элемент 28 бункера 27 входит в реторту 16. Затем с помощью механизма 35 поворачивают раму 32 на угол 45° относительно горизонтальной неподвижной рамы 31, включают привод 34, приводящий во вращение реторту 16. Шихту из бункера 27 высыпают во вращающуюся реторту 16. После загрузки шихты отключают привод 34, и раму 32 механизмом 35 приводят ее в горизонтальное положение. Снимают бункер 27 с рамы 23. Затем реторту 16 герметизируют, устанавливая на ней крышку 18, и с помощью подъемного механизма 7 размещают ее на ролики 14, расположенные на выкатной подине 13 камерной печи 4. Открывают торцевую крышку 11 печи 4 и при помощи механизма 15 возвратно-поступательного перемещения закатывают подину 13 в печь 4 так, что патрубки 23 и 24 реторты 16 выступают за пределы печи 4. Включают привод 19 вращения реторты 16. Затем разжигают горелки 12, расположенные в корпусе 10 печи 4 равномерно вдоль печного
пространства. Выделяющиеся внутри реторты 16 газообразные продукты реакции компонентов рабочей шихты через клапан сброса давления 25 улавливаются и подаются в аспирационную систему (не показана) технологической линии для их очистки.
В процессе химико-термической обработки изделий производится контроль температуры внутри реторты 16 в трех точках (по краям реторты и в средней ее части). Замеры температуры производятся с помощью термодатчиков 22, электрически связанных с системой управления и контроля параметрами процесса (не показана).
При достижении заданной температуры в объеме реторты, равной 450°С, осуществляют изотермическую выдержку температуры в течение 1,5 ч. После окончания процесса диффузионного насыщения отключают горелки 12, закрывают клапан 25. Включают механизм 15 возвратно-поступательного перемещения и выкатывают подину 13с вращающейся на ней ретортой 16 из печи 4. Отключают привод 19 вращения реторты 16. Затем реторту 16 с помощью подъемного механизма 7 устанавливают на ролики 37, расположенные на станине 36 устройства 5 принудительного охлаждения. Включают привод 38 вращения реторты 16, после чего включают нагнетатель 42 воздуха и охлаждающий воздух через соединительный рукав 41 проходит в воздуховод 39, и через прорези 40 попадает на поверхность реторты 16. Расположенные на наружной поверхности реторты 16 продольные ребра 20 ускоряют процесс охлаждения. Реторту 16 охлаждают до температуры 60°С. Температуру внутри объема реторты 16 контролируют с помощью термодатчиков 22.
Отключают подачу воздуха в устройство 5 принудительного охлаждения и привод 38 вращения реторты 16. Затем реторту 16 с помощью подъемного механизма 7 устанавливают на поворотную раму 32 крышкой 17 в положение выгрузки. Со стороны выгрузки под ретортой 16 устанавливают бункер 29. Снимают крышку 17, устанавливают ссылочную
крышку 18 на реторту 16 и с помощью привода 35 поворачивают раму 32 на угол 45° относительно неподвижной рамы 31, и включают привод 34 вращения реторты 16. Шихта ссыпается из реторты 16 в бункер 29. Отключают привод 38 и устанавливают поворотную раму 32 в исходное положение приводом. Шихта после процесса подается в смеситель 26, корректируется по химическому составу, и повторно поступает в технологический цикл. Реторта 16 после окончания ссыпания шихты устанавливается на ролики 9 устройства 2 загрузки и выгрузки изделий. С помощью механического приспособления (не показано) обработанные изделия выгружают из реторты 16 в накопитель 6 обработанных изделий. Реторту 16 возвращают в технологический цикл. Обработанные изделия (оцинкованные трубы) имеют равномерное цинковое покрытие по наружной и внутренней поверхности трубы толщиной 70 мкм светло-серого цвета.
Дополнительно на предлагаемой технологической линии были получены хромовые покрытия. Для этого в качестве рабочей шихты брали смесь, состоящую из инертного наполнителя, активирующей добавки и хромсодержащего компонента, содержание хрома не менее 75%.
Процесс термодиффузионного насыщения осуществляли при температуре в рабочем пространстве реторты, равной 1050°С в течение 2,5 час. Полученное покрытие на трубных заготовках диаметром Ду32 и стали ст3 длиной 6 м составляет 40 мкм и имеет матово-серый цвет.
Использование заявляемой технологической линии позволяет повысить производительность процесса в 2-3 раза по сравнению с прототипом за счет сокращения времени технологического цикла и ускорения теплообменных процессов; исключить операции чистовой предварительной обработки поверхности изделий; увеличить выход годной продукции; повысить качество получаемых покрытий; расширить сортамент обрабатываемых изделий.
2
3
2
Заявляемая технологическая линия комплектуется из стандартного оборудования, выпускаемого отечественной промышленностью, а также конструкционных элементов, выполненных по специальным чертежам. Составные узлы и элементы линии изготавливаются из доступных материалов, например, низколегированной и углеродистой стали, волокнистого теплоизоляционного материала и др. Используемая рабочая шихта для диффузионного легирования также формируется из доступных веществ, например инертный наполнитель АlО или SiO, активирующая добавка - хлористый аммоний, легирующие компоненты - металлы или их окислы и соли, содержащие цинк, хром, никель, медь и др., выпускаемые отечественной промышленностью в соответствии с установленными нормативно-техническими документами.
Таким образом, предлагаемая технологическая линия характеризуется промышленной применимостью при одновременном обеспечении воспроизводимости физико-механических свойств получаемых диффузионных покрытий.