УСТАНОВКА ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ТЕРМОДИФФУЗИОННОГО ПОКРЫТИЯ НА ПОВЕРХНОСТЬ РЕТОРТЫ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ГУБЧАТОГО ТИТАНА

Полезная модель относится к цветной металлургии, а именно к получению губчатого титана магниетермическим восстановлением тетрахлорида титана, в частности, к устройствам для нанесения термодиффузионного покрытия на поверхность реторты для получения губчатого титана.
В практике получения губчатого титана магниетермическим восстановлением тетрахлорида титана большое значение имеет качество получаемого губчатого титана по содержанию в нем примесей, в частности, примесей железа. Примеси железа переходят в губчатый титан из материала реторты. Для предотвращения загрязнения титана предусмотрено нанесение термодиффузионного покрытия на внутреннюю поверхность реторты с помощью специального устройства, позволяющего получить на внутренней поверхности реторты равномерное, сплошное диффузионное покрытие, прочно связанное с материалом реторты (ст. Диффузионное титанирование - перспективный способ защиты металлов и сплавов от коррозии. - Шаповалов В.П., Байдак Н.П., Ковальчук Г.Н., Горбунов Н.С. - Ж. Цветные металлы, 1974, №10, стр.66; ст. Получение губчатого титана повышенного качества - Шаповалов В.П., Поплавко В.Г., Вихарев А.Ф. и др. - Ж. Цветная металлургия, 1971, №8, стр.46-47;
ст. Титанирование реакторов для магниетермического получения титана. - Шаповалов В.П., Поплавков В.Г. - Ж. Цветные металлы, 1971, №3, стр.64-66). В качестве металлизатора используют отходы губчатого титана.
Общим недостатком указанных устройств является низкое качество термодиффузионного покрытия за счет его окисления при монтаже и демонтаже установки при соприкосновении с воздухом при высоких температурах. Кроме того, устройство для нанесения термодиффузионного покрытия при высоких температурах скрепляется с металлической поверхностью реторты, отделение его от поверхности реторты требует больших затрат и качество нанесенного покрытия становится низкое. Процесс нанесения термодиффузионного покрытия на реторту проводят под вакуумом, который создают в реторте, а нагрев реторты в электропечи осуществляют без вакуума, поэтому в процессе нанесения термодиффузионного покрытия возможна деформация реторты под воздействием атмосферы воздуха снаружи.
Известна установка для нанесения термодиффузионного покрытия на внутреннюю поверхность реторты для магниетермического получения губчатого титана (авт. свид. СССР №959447, опубл.27.01.2000 г., бюл.3). Установка для нанесения термодиффузионного покрытия включает реторту, на внутреннюю поверхность которой наносят термодиффузионное покрытие, с герметичной крышкой, съемную обечайку с металлизатором, установленную на опору в реторту. Реторта с обечайкой и металлизатором подсоединены к вакуумной системе и установлены в электропечь. Обечайка выполнена в виде съемного полого стакана с равномерно расположенными по его наружной поверхности ребрами, при этом отношение внешнего диаметра обечайки к внутреннему диаметру реторты составляет 0,85-0,95.
Недостатком установки является низкое качество термодиффузионного покрытия за счет его окисления при монтаже и демонтаже установки при соприкосновении с воздухом при высоких температурах. Кроме того, металлизатор при нагревании в вакууме контактирует со стенкой реторты и прочно прирастает к ней. При извлечении съемной обечайки термодиффузионное покрытие нарушается, и качество его становится низким. Процесс извлечения съемной обечайки приводит к повышенным энерго- и трудозатратам, т.е. к увеличению эксплуатационных затрат по обслуживанию установки.
Известна установка для нанесения термодиффузионного покрытия на внутреннюю поверхность реторты для магниетермического получения губчатого титана (авт. свид. СССР №1605571, опубл.10.07.2000 г, бюл. №19). Установка для нанесения термодиффузионного покрытия содержит электропечь, в которую установлена реторта с герметичной крышкой, с фланцем и патрубком для вакуумирования. В реторту установлена коническая обечайка, установленная на подставку. Металлическую перфорированную прокладку устанавливают внутри реторты, и между конической обечайкой и перфорированной прокладкой размещен металлизатор. Обечайка выполнена в виде усеченного конуса, большим основанием обращена к подставке, а сверху на обечайке установлен съемный распределительный конус. При этом перфорация прокладки составляет 70-80%. Использование металлической прокладки предотвращает прирастание металлизатора к стенке реторты. При демонтаже установки полученный термодиффузионный слой не нарушается.
Недостатком данного устройства для нанесения термодиффузионного покрытия является низкое качество термодиффузионного покрытия за счет его окисления при монтаже и демонтаже установки
при соприкосновении с воздухом. Кроме того, при наличии перфорированной прокладки между стенкой реторты и металлизатором не устраняется процесс ее сцепления с внутренней поверхностью реторты. При высокой температуре свыше 1000°С и при вакууме происходит перераспределение атомов металлической прокладки и металлической стенки реторты с образованием эвтектического сплава. Извлечь из реторты прокладку с метализатором и обечайкой при демонтаже очень сложно, это приводит к большим трудозатратам для извлечения обечайки, к увеличению времени на проведение процесса нанесения термодиффузионного покрытия и, как следствие, к увеличению энерго- и трудозатрат.
Известна установка для нанесения термодиффузионного покрытия на поверхность реторты для получения губчатого титана (авт. свид. СССР №1750265, опубл. 10.07.2000 г, бюл.19), по количеству общих признаков, принятая за ближайший аналог - прототип. Установка для нанесения термодиффузионного покрытия включает электрическую печь, реторту с крышкой и фланцем для вакуумирования, в которую установлена съемная обечайка с металлизатором, выполненная в виде стакана с фланцем и с отверстием для вакуумирования, в стакан коаксиально установлена теплоизоляционная вставка с нагревательным элементом. На дно стакана приварена заглушка. Собранный аппарат помещают в электропечь. В реторте и в съемной обечайке создают вакуум. Данное изобретение позволяет повысить производительность за счет увеличения скорости насыщения и в 2-10 раз увеличить толщину термодиффузионного покрытия на внутренней поверхности реторты.
Недостатком устройства является низкое качество термодиффузионного покрытия за счет его окисления при монтаже и демонтаже установки при соприкосновении с воздухом. Кроме того, в данном патенте предлагается увеличение производительности
за счет установки дополнительного нагревательного элемента. Это приводит к дополнительным операциям по вакуумированию, как обечайки так и реторты, по установке и извлечению нагревательного элемента, т.е. к увеличению энерго- и трудозатрат. Кроме того, создание вакуума в реторте и в обечайке приведет к деформации реторты, так как в печи вакуум не создается. По этой причине данное устройство не нашло практической реализации.
Технический результат направлен на устранение недостатков прототипа и позволяет повысить качество термодиффузионного покрытия за счет уменьшения окисления его поверхности. Это происходит за счет проведения предварительной очистки от загрязнений маслом, от пылевых и твердых частиц внутренней поверхности реторты перед нанесением защитного термодиффузионного покрытия, за счет создания герметичности реторты перед нанесением термодиффузионного покрытия и за счет проведения процесса охлаждения реторты в атмосфере инертного газа. Кроме того, при предварительной очистке внутренней поверхности реторты от загрязнений происходит более прочное сцепление покрытия с поверхностью реторты, поверхность покрытия будет стойкой и улучшиться качество покрытия. Кроме того, предложенная установка позволяет снизить эксплуатационные затраты за счет снижения времени охлаждения реторты, времени переключения устройств к питающим линиям, снабженных запорными устройствами.
Технический результат достигается тем, что предложена установка для нанесения термодиффузионного покрытия на поверхность реторты для получения губчатого титана, включающая шахтную электропечь, реторту с фланцем, герметичной крышкой, съемную обечайку с полочками и с металлизатором, вакуумную линию, новым является то, что она содержит расположенные последовательно друг за другом ложемент, поворотное устройство,
стенд для сборки реторты, вакуумную шахтную электропечь, устройство для охлаждения, при этом реторта выполнена с возможностью перемещения с помощью крана последовательно из устройства в устройство: ложемент - поворотное устройство - стенд для сборки реторты - вакуумная шахтная электропечь - устройство для охлаждения, при этом вакуумная линия соединена со стендом для сборки реторт и вакуумной печью, а линия подачи аргона - с вакуумной печью и устройством для охлаждения.
Наличие в установке вращающегося вокруг оси ложемента с уклоном в сторону фланца позволяет производить качественную предварительную очистку внутренней поверхности реторт от масляных и пылевых загрязнений направленными струями воды и/или тканью, что позволит ликвидировать загрязняющий слой на поверхности реторты и тем самым улучшить качество титанового покрытия.
Наличие в установке поворотного устройства позволяет осуществить перемещение реторты из горизонтального положения в вертикальное для сборки реторты, что снижает эксплуатационные затраты при нанесении термодиффузионного покрытия.
Наличие в установке стенда для сборки реторты служит для установки в реторту съемной обечайки с металлизатором, для установки на реторту герметичной крышки и обеспечивает возможность проверки герметичности смонтированной реторты путем откачки воздуха при присоединении вакуумной линии к фланцу крышки с последующим измерением давления в аппарате. Герметичность реторты и создание вакуума позволяют уменьшить попадание воздуха в реторту, и тем самым снизить окисление термодиффузионного покрытия на внутренней поверхности реторты и металлизатора, расположенного на обечайке.
Наличие в установке шахтной вакуумной электропечи позволяет исключить деформацию реторты и улучшить качество нанесенного титанового покрытия за счет исключения попадания воздуха в реторту.
Наличие в установке устройства для охлаждения позволяет ускорить процесс охлаждения реторты, уменьшить время соприкосновения нагретого термодиффузионного покрытия с воздухом, что позволяет уменьшить его окисление воздухом при демонтаже реторты, улучшить качество нанесенного покрытия.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующихся признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам установки для нанесения термодиффузионного покрытия на поверхность реторты для получения губчатого титана. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителю техническому результату отличительных признаков в заявленной установке. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».
На фиг.1 показана установка для нанесения термодиффузионного покрытия на поверхность реторты для получения губчатого титана. Установка включает реторту 1, которая выполнена с возможностью перемещения в устройства установки: в ложемент 2, в поворотное устройство 3, на стенд 4 для сборки реторт, в вакуумную печь 5 и в устройство для охлаждения 6. Реторта выполнена с фланцем 7, на который установлена герметичная крышка 8 с отверстием для вакуумирования 9 и с патрубком 10. В реторту
установлена съемная обечайка 11 с полочками 12 и с металлизатором 13. Вакуумная линия 14 соединена со стендом для сборки реторт и вакуумной печью, линия подачи аргона 15 - с вакуумной печью и устройством для охлаждения. Устройство для охлаждения реторты выполнено в виде водоохлаждаемой обечайки 16 с патрубком 17 для подачи воды в водоохлаждаемую рубашку и патрубками 18 для отвода воды из нее, и патрубком 19 для отвода газовоздушной смеси и патрубком 20 для отвода воды внутренней полости обечейки. На поверхности водоохлаждаемой обечайки выполнены отверстия 21 для подачи воды на охлаждение реторты. Установка снабжена электромостовым краном 22.
Пример работы установки для нанесения термодиффузионного покрытия на поверхность реторты для получения губчатого титана.
Электромостовым краном 22 реторту 1 укладывают на вращающийся ложемент 2, где производят очистку внутренней поверхности реторты 1 от нефтяных, пылевых и твердых загрязнений, которые возникают в процессе транспортировки реторты 1 с завода-изготовителя. После очистки от загрязнений реторту 1 с помощью поворотного устройства 3 переводят в вертикальное положение и устанавливают на стенд 4 для сборки реторты 1. Для этого во внутрь реторты 1 устанавливают съемную обечайку 11 с полочками 12, на которых размещен металлизатор 13 в виде титановой губки. Для нанесения защитного термодиффузионного покрытия на внутреннюю поверхность реторты 1 диаметром 1,6 м и высотой 3,8 м для получения губчатого титана, выполненной из нержавеющей стали Х18Н10Т, применяют металлизатор 13 - губчатый титан марки ТГ-ТВ (ГОСТ 17746, регламентированного состава, а именно массовой доли хлора - не более 0,5%, железа - не более 2,1%, азота - не более 1,1%). Съемная обечайка 11 представляет собой цилиндрическую
полую емкость с наружным диаметром 1,4 м и внутренним диаметром 0,9 м, высотой 2,9 м, на наружной поверхности которой размещены стальные полочки 12 шириной 0,47 м с ребрами жесткости. На полочки 12 вручную раскладывают металлизатор 13 в виде кусков губчатого титана крупностью около 70 мм. Реторту 1 закрывают герметичной крышкой 8. Собранную реторту 1 проверяют на герметичность в стенде 4 путем открытия запорного устройства вакуумной системы 14 и откачки воздуха через отверстие 9 фланца крышки 8. Проверенную на герметичность реторту 1 устанавливают электромостовым краном 22 в вакуумную печь 5 типа СШВ мощностью 410 кВт, соединяют с системой вакуумирования 14 путем открытия вентиля, откачивают воздух из шахтной вакуумной печи до 5,3-13,3 кПа и реторты 1 до 15 кПа. После откачки воздуха через отверстие 9 крышки 8 включают электронагреватели вакуумной печи 5 на разогрев реторты 1 до температуры 1000°, выдерживают при температуре 950-1030°С в течение 15 часов, при этом абсолютное давление в реторте 1 во время высокотемпературной выдержки поддерживают в пределах 9,3-133 Па. После окончания высокотемпературной выдержки реторту 1 отсоединяют от системы вакуумирования 14 - от насоса ВН-6Г и подключают патрубок 10 крышки 8 к линии подачи аргона 15 путем открытия запорной арматуры. Реторту 1 заполняют аргоном (ГОСТ 10157) до избыточного давления 9,8-29,4 кПа. Затем реторту 1 краном 22 извлекают из вакуумной печи 5 и устанавливают в устройство для охлаждения 6 диаметром 1,8 м. В реторту 1 задают через патрубок 10 крышки 9 дополнительное количество аргона. Охлаждение проводят водой, которую подают через патрубок 17 водоохлаждаемой рубашки 16 в течение 3 часов и выводят ее через патрубки 18. Затем закрывают патрубки 18, и воду начинают подавать через отверстия 21 непосредственно на реторту 1. Слив воды осуществляют через патрубок
20, а водяные пары удаляют через патрубок 19. Общая продолжительность охлаждения реторты 1 составляет 15 часов. В течение этого времени реторта 1 охлаждается до температуры 50°С. После охлаждения реторту 1 с крышкой 8 направляют на демонтаж. Для этого снимают крышку 8 с реторты 1, извлекают съемную обечайку 11, удаляют с полочек 12 окисленный титан - металлизатор 13. Реторту 1 направляют на процесс получения губчатого титана магниетермическим восстановлением тетрахлорида титана.
Таким образом, предложенная установка для нанесения термодиффузионного покрытия позволяет улучшить качество термодиффузионного покрытия на поверхность реторты, снизить эксплуатационные затраты на 20-30% за счет предварительной очистки поверхности реторты от загрязнений, уменьшения окисления поверхности титанового покрытия при охлаждении реторты, оптимизации процесса нанесения термодиффузионного покрытия на поверхность реторты за счет сокращения времени переключения режимов работы установки.