Теплоизолирующий колпак печи газостата
HEAT-INSULATING CAP OF THE GASOSTATIC FURNACE

Предлагаемое изобретение относится к области порошковой металлургии в частности к оборудованию для изостатического прессования порошковых материалов, заключенных в капсулу, именуемому в литературе как газостат.
Установка для горячего газостатического прессования представляет собой цилиндрический контейнер высокого давления, в полости которого размещена печь, включающая теплоизолирующий колпак с нагревателем и садкой заготовок, подвергающихся прессованию высоким давлением газа при одновременном нагреве садки заготовок.
Известна конструкция теплоизоляционного колпака печи газостата (Земцов В.Н., Печи газостатов. Конструкция и опыт эксплуатации. В кн. Металлургия гранул. Вып. 2. М., ВИЛС, 1984. С. 285-297). Конструкцию колпака образуют внутренняя горячая и наружная холодная цилиндрические коаксиальные обечайки, пространство между которыми заполнено тепловой изоляцией. При этом наружная (холодная) обечайка выполнена из отдельных кольцевых секций, изготовленных из гофрированных листов, обеспечивающих постоянное плотное прижатие теплоизоляции к горячей обечайке колпака благодаря ее упругой деформации, как при нагреве, так и охлаждении колпака печи.
Недостатком данного колпака является отсутствие в его конструкции средств управления тепловыми потерями печи, обуславливающими стабильность теплозащитных свойств колпака на всем протяжении цикла прессования и вследствие этого значительную продолжительность периода естественного охлаждения печи после завершения рабочего цикла и пониженную производительность газостата.
Другая конструкция теплоизоляционного колпака газостата известна из публикации (Е.И. Старовойтенко, A.M. Казберович, В.А. Зенин. Опыт разработки, изготовления и эксплуатации компрессионных печей газостатов в ОАО «ВИЛС». Технология легких сплавов, 2020. №4. С. 47-53). В ней приведена конструктивная схема колпака, дополненная, по отношению к приведенной выше конструкции, системой управляемого выпуска горячего газа из рабочего пространства печи при охлаждении ее после прессования. Данная конструкция значительно сокращает период охлаждения рабочего пространства печи совместно с садкой и тем увеличивает производительность газостата.
Недостатком данной конструкции является ее сложность и высокая затратность при реализации. Система управляемого выпуска при этом предполагает наличие дополнительного теплообменника - охладителя газа сложной конструкции, размещаемого отдельно от колпака в контейнере и заметно уменьшающего размеры печного пространства и, соответственно, объем загружаемой садки на прессование.
Наиболее близким аналогом по отношению к предлагаемой конструкции колпака, принятым за прототип, является конструкция теплозащитного колпака по авторскому свидетельству SU 1459378 от 09.09.1986 г.
Теплоизолирующий колпак печи газостата, по данному изобретению содержит корпус, выполненный в виде внутренней и внешней оболочек с теплоизоляцией между ними, распределительный кольцевой коллектор с регулирующими клапанами и теплообменник, выполненный в виде пучка Г-образных труб, соединяющих сводовую часть внутренней оболочки колпака с коллектором, и размещенного на поверхности внешней оболочки.
Недостатком данной конструкции является то, что размещение теплообменника на внешней оболочке колпака влечет за собой уменьшение габарита по диаметру рабочего пространства колпака и печи. Это приводит к ограничению номенклатуры обрабатываемых заготовок по их габаритам, допускающим загрузку в печь.
Технической проблемой предполагаемого изобретения является устранение недостатка конструкции колпака - прототипа, а именно расширение номенклатуры загружаемых заготовок по их габаритам и дополнительно - повышение теплозащитных свойств колпака и снижение за этот счет расхода энергии на нагрев садки заготовок.
Техническая проблема решается тем, что теплоизолирующий колпак печи газостата, включает корпус, выполненный в виде внутренней оболочки - муфеля и внешней оболочки с боковыми и верхними блоками теплоизоляции между ними, распределительный кольцевой коллектор с регулирующими клапанами и теплообменником в виде пучка Г-образных труб, причем трубы теплообменника размещены на внешней боковой поверхности оболочки - муфеля и сообщают пространство над верхним блоком теплоизоляции с коллектором, который выполнен в виде отдельных камер с регулирующим клапаном на каждой отдельной камере, а пространство между камерами заполнено теплоизоляцией.
Заявляемая конструкция отличается от прототипа тем, что Г-образные трубы теплообменника размещены на внешней боковой поверхности оболочки- муфеля и сообщают пространство над верхним блоком теплоизоляции с коллектором, который выполнен в виде отдельных камер с регулирующим клапаном на каждой отдельной камере, а пространство между камерами заполнено теплоизоляцией.
Технический эффект, обозначенный в цели предполагаемого изобретения - увеличение габарита по диаметру рабочего пространства печи, обеспечивающего расширение номенклатуры обрабатываемых заготовок по габаритам, который достигается тем, что теплообменник из Г- образных труб, закрепленных на поверхности оболочки - муфеля становится внутренним элементом колпака и не влечет за собой уменьшение диаметра внутреннего пространства печи в отличие от конструкции прототипа, где теплообменник увеличивает внешний габаритный размер (диаметр) колпака с соответствующим уменьшением диаметра внутреннего пространства печи при сохранении необходимой толщины и эффективности боковой теплоизоляции колпака.
Выполнение кольцевого коллектора из отдельных камер с клапанами с заполнением пространства между ними дополнительной теплоизоляцией, обеспечивает тем самым снижение тепловых потерь печи в режиме нагрева садки и выдержки ее при фиксированной температуре с соответствующим снижением расхода энергии, потребляемой нагревателями печи.
Конструктивная схема колпака (продольный разрез) печи с управляемыми теплозащитными свойствами представлена на рис. 1, и на рис. 2 показано поперечное сечение колпака в плоскости А - А.
На продольном сечении схемы рис. 1 изображена полость силового контейнера высокого давления газостата образованного гильзой 1 с нижней 2, промежуточной 2а и верхней 3 пробками, уплотненными герметизирующими манжетами 13 и с каналами охлаждения 17, размещен теплоизолирующий колпак печи, состоящий из внутренней горячей оболочки-муфеля 4 с верхней заглушкой 5, опирающийся через кольцо 6 на промежуточную пробку 2а. Горячая оболочка - муфель теплоизолирована блоками высокотемпературной волоконной изоляции - боковыми 7 и потолочными 8, 9. Слои теплоизоляции уплотнены и прижаты к муфелю сбоку гофрированной обечайкой 10, а наверху - дисками 11. Сборка муфеля с теплоизоляцией закрыта снаружи стальной оболочкой 12 с дренажными отверстиями 14, сообщающими газовое пространство теплоизоляции с окружающим колпак газом, поперечное сечение колпака рис. 2.
Новым элементом, дополняющим штатную конструкцию колпака, обеспечивающим управление его теплозащитными свойствами, является теплообменник, состоящий из отдельных стальных каналов (Г-образных трубок) 15, приваренных к муфелю 4 и снабженных внизу электромагнитными клапанами 16, встроенными в коллектор в виде камер 18, открывающими/закрывающими движение газа по трубкам 15.
Клапаны 16 нормально закрытого типа обеспечивают при их включении движение газа (или тягу) по трубкам 15 под действием разности плотностей между горячим газом в трубках 15 и холодным в пространстве за колпаком. В нормально закрытом положении клапаны перекрывают такое движение, и обмен газа между горячей и холодной зонами колпака невозможен.
При работе печи в режиме нагрева клапаны отключены (закрыты) и не влияют на теплозащитные свойства колпака. При окончании нагрева и отключении печи, когда наступает период естественного охлаждения рабочего пространства, клапаны включают в работу в прерывистом или постоянном режиме. При этом обеспечивается дополнительный отвод тепла из рабочего пространства через муфель в пространство за колпаком.
Управление данным процессом можно обеспечить как в ручном, так и автоматическом режимах по сигналам от термопар, контролирующих текущую температуру в рабочем пространстве печи.
Пример реализации предлагаемого изобретения.
Изготовлен теплоизолирующий колпак для печи газостатической установки модели QIH -250 с осевым усилием 250 МН с размерами внутреннего пространства силового контейнера:
- диаметр, мм - 1450;
- высота, мм - 3240.
Конструкция колпака полностью соответствует заявляемой и показанной на рис. 1 и рис. 2. Основные рабочие параметры печи с данным колпаком следующие:
- давление прессования (рабочего газа в контейнере), МПа - 150;
- максимальная температура в рабочем пространстве, °С - 1250;
- масса садки заготовок, загружаемой для прессования в печь, кг - до 5000;
Данный теплоизоляционный колпак в составе печи газостата QIH-250 применялся для горячего газостатического прессования партии заготовок типа диск из жаропрочного сплава на основе никеля и показал следующие эксплуатационные характеристики, приведенные в таб. №1. Там же в таблице №1 для сравнения показаны аналогичные характеристики для подобной печи с теплоизолирующим колпаком, изготовленным в соответствии с конструкцией прототипа. Приведенные характеристики получены в цикле прессования, проходившем при номинальных значениях рабочих параметров, отмеченных выше.
Расчетные данные, представленные в таб. 1, указывают на преимущества предлагаемой конструкции колпака перед прототипом. Они заключаются в большем габарите по диаметру загружаемой садки (1200 мм против 1150 мм у прототипа) и ее предельной массы (5000 кг против 4750 кг у прототипа). Это позволяет обрабатывать более крупные заготовки в данном газостате, что очень важно для расширения их номенклатуры. Дополнительная теплоизоляция колпака, заложенная между камерами коллектора с управляющими клапанами дает значимый эффект по снижению расхода электроэнергии печью за один цикл прессования, составляющий порядка 500 кВт×час.