УСТАНОВКА ДЛЯ СЖИГАНИЯ ГАЗОПРОНИЦАЕМЫХ ГРАНУЛИРОВАННЫХ ТЕРМИТНЫХ ШИХТ

Полезная модель относится к области термитной сварки, к устройствам, используемым для получения термитного металла. Установка предназначена для сжигания газопроницаемых гранулированных термитных шихт.
В качестве наиболее близкого прототипа заявленной полезной модели принята одноразовая тигель-форма для термитной сварки, выполненная в виде формы из негорючего материала, в которой сформирована полость для термитной смеси, переходящая в литник для расплава термитной смеси и в полость для размещения свариваемых деталей, при этом полость для термитной смеси отделена от литника мембраной, тигель- форма выполнена в виде усеченного конуса, большее основание которого сопряжено с фланцем, а поверхность полости для размещения термитной смеси покрыта слоем графитовой обмазки [1].
Однако недостатком данного устройства для термитной сварки является невозможность сжигания гранулированных термитных шихт, так как при поджигании гранул сверху выбросы достигают 50% от массы шихты, а сама тигель-форма, содержащая термитную смесь, полностью выполнена из термостойкого материала.
Техническим результатом, на решение которого направлена настоящая полезная модель, является снижение потерь тепловой энергии в зоне сварки, повышение качества термитного металла за счет улучшения фазоразделения, уменьшение объема огнеупорной части (установки), снижение выбросов исходной шихты и продуктов реакции.
Требуемый технический результат достигается тем, что в установке для сжигания газопроницаемых гранулированных термитных шихт для термитной сварки, содержащей тигель-форму с полостью для шихты и с размещенным в ней элементом для запала шихты, переходящую в литниковую камеру для расплавленного металла и в полость для размещения свариваемых деталей, по предложению авторов, установка для ссыпания в тигель-форму шихты снабжена емкостью, изготовленной из тонкой стали или иного материала, способного выдержать нагрев, и расположенную сверху тигель-формы, причем тигель-форма выполнена из термостойкого материала с расширяющейся нижней частью, а полость для шихты тигель-формы отделена от литниковой камеры мембраной или шибером, обеспечивающими после завершения фазоразделения продуктов горения шихты вытекание металла в зону сварки, при этом элемент запала выполнен в виде спирали для зажигания шихты снизу с помощью инициирующей смеси, расположенной в полости тигель-формы под шихтой.
На рис.1 изображена установка для сжигания газопроницаемых гранулированных термитных шихт, где 1 - тигель-форма; 2 - подающая емкость, 3 - гранулированная термитная шихта, 4 - инициирующая смесь для поджигания термитной шихты, 5 - спираль для запала; 6 - литник; 7 -полость для сварки деталей; 8 - мембрана (шибер).
Принцип работы предлагаемой установки для сжигания газопроницаемых гранулированных термитных шихт состоит в следующем. В тигель-форму 1 помещают небольшое количество инициирующей смеси 4 для поджигания термитной шихты. На тигель-форму 1 устанавливают подающую емкость 2 и засыпают гранулированную термитную шихту 3. Зажигание термитной шихты производят от спирали для запала 5 снизу засыпки. Экзотермическая химическая реакция горения протекает в тигель- форме 1 в узкой зоне, что способствует накоплению в ней же жидкого металла и шлака. По мере протекания реакции исходная шихта из подающей емкости 2 ссыпается в тигель-форму 1. По завершении реакции горения и после протекания процесса фазоразделения, мембрана 8 расплавляется (или сдвигается шибер), и металл стекает по литнику 6 к месту сварки.
При использовании предлагаемой установки улучшается качество термитного металла за счет создания благоприятных условий для фазоразделения продуктов сгорания термитной шихты. При использовании традиционных установок процессы сгорания шихты и фазоразделения разделены во времени: фазоразделение начинается только после окончания горения. В предлагаемой установке инициирование реакции горения осуществляется снизу, процесс фазоразделения начинает протекать сразу после начала реакции и образующийся жидкий металл из-за высокой плотности скапливается на дне тигель-формы, а шлаки с низкой плотностью поднимаются вверх. Кроме того, из-за протекания высокоэкзотермической реакции в узкой зоне и концентрации выделившегося тепла, создаются лучшие условия для завершения фазоразделения после окончания реакции горения. Время, необходимое для протекания процесса фазоразделения, определяется эмпирически и зависит от массы сжигаемой шихты и геометрических параметров реактора.
Другим важным техническим результатом является снижение выбросов исходной шихты и продуктов реакции. Это достигается существенным увеличением газопроницаемости исходной шихты путем ее гранулирования. Экспериментально установлено, что при размере гранул 5 мм, для обеспечения непрерывного ссыпания гранул в зону реакции внутренний диаметр тигель-формы должен быть не менее 20 мм. Использование гранул диаметром менее 2 мм не рекомендуется из-за низкой газопроницаемости засыпки и большой вероятности выброса шихты. При правильно подобранной рецептуре гранулированной шихты и размеров гранул, реакция протекает спокойно, без выброса продуктов реакции и исходной шихты. Кроме того, подающая емкость должна быть открытой сверху, для обеспечения возможности удаления выделяющихся во время реакции газов.
Для изготовления установки необходим расчет ее геометрических параметров. Так как реакция горения протекает в узкой зоне, это позволяет значительно уменьшить объем огнеупорной части тигель-формы. Продукты реакции занимают существенно меньший объем, чем исходная шихта. Экспериментально установлено, что соотношение объемов исходной гранулированной смеси и продуктов реакции (для шихты железоалюминиевого термита с размером гранул 5 мм) приблизительно равно 5:1. Таким образом, соотношение объемов огнеупорной тигель формы и подающей емкости составляет приблизительно 1:5.
Предложенная установка для сжигания газопроницаемых гранулированных термитных шихт характеризуется функциональной надежностью процесса горения при поджигании снизу, суть процесса состоит в том, что фронт горения не перемещается вверх по засыпке, а наоборот, гранулы смеси перемещаются вниз к очагу горения, и таким образом создается узкая зона протекания реакции снизу засыпки. Тепловыделение происходит именно в этой зоне, и, таким образом, исполнения из термостойкого материала требует только этот участок установки для сжигания термитной смеси.
Концентрация тепла, выделившегося в результате термитной реакции, в узкой зоне расположенной максимально близко к зоне сварки обеспечивает снижение потерь тепловой энергии. Керамическая оболочка тигель-формы имеет низкую теплопроводность, в результате чего снижается тепловая нагрузка на поверхность трубы, а расширяющаяся нижняя часть тигель формы повышает ее устойчивость и способствует снижению тепловых потерь при сварке, повышая качество приварки.
При этом дополнительный технический результат заключается в том что показатель совершенства конструкции предложенной установки для сжигания газопроницаемых гранулированных термитных шихт заметно выше, чем у прототипа.
Предложенная совокупность существенных признаков не известна из доступных источников информации уровня техники, из которого явным образом не следует для специалиста по термитной сварке, и может быть серийно воспроизведена в производстве, то есть соответствует критериям патентноспособности.
Использованная литература
1. Патент РФ №67500, опубл. 27.10.2007, МПК В23К 23/00, В23К 35/34.