CN1910001B - 处理材料用恒静压力机和使用其从金属制品中去除陶瓷材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于处理材料的恒静压力机，包括：连接到气体供应装置上的密封容器以及布置在该密封容器中的感应加热器和顶部开口的工作室，该工作室安装在该感应加热器的上方并设计用于在其中放置待处理制品和工作介质，该工作室为具有双壁并且在所述双壁之间具有底部的器皿，该器皿的内壁限定出反应室，反应室的底部位于高于该器皿两壁之间的底部的该感应加热器的上方，两壁之间的底部低于该感应加热器的暴露区，并且该恒静压力机具有隔热室，其壁位于所述器皿两壁之间的空间中，且隔热室的开口下端和所述器皿两壁之间的底部之间有间隙，隔热室封闭端与反应室上部开口端之间有间隙。本发明还涉及用于从金属制品中去除陶瓷元素的方法。

Description

处理材料用恒静压力机和使用其从金属制品中去除陶瓷材料的方法

技术领域

本发明涉及粉末冶金学，特别地，涉及高温高压下在化学活性液体、蒸气或气体介质中处理材料并能在10～200MPa压力和300℃或更高温度下最有效地用来消除陶瓷材料及其结构转变的设备和方法。

背景技术

现有技术中已知通过使用净化的气体的喷射对工件进行高温处理的装置，如根据第RU2002583C1号、分类号为B22F3/14的专利记载的装置，包括气体供应和排出系统和用上下端塞子密封地封闭的容器，其中具有隔热室和加热器，还具有气流导向系统，其形式为彼此环绕且在其一端封闭的闭合循环的垂直隔壁。这种设计的显著缺点是，当制品在液体中处理时，装制品的中心区加热效率低，因为净化气体喷射的多罩系统在各罩之间有间隙，很大程度上成为加热器和制品之间的隔热元件，这就增大了能量消耗和将制品加热至预定温度所需的时间，使得加热器和制品之间温度差异大，造成加热器过热，从而缩短了其使用寿命。

设计成在液体中处理材料的恒静压力机消除了该缺点，这是关于本申请最接近的现有技术(于2000年6月20日公开的第RU2151026C1号，分类号为B22F3/14，3/15的专利)，其中装有液体的器皿安装在电感加热器的正上方，用所述器皿底部的液体高效地吸取热量。处理材料用已知恒静压力机包括连接到气体供应装置上的密封容器，加热器和布置于其中的顶部开口的工作器皿，该器皿安装在加热器上并设计用于在其中放置待处理制品和工作介质。

然而，当已知恒静压力机加热至超过液体沸点温度时，由于蒸发及随后在容器壁上冷凝，热量损失显著增加，从而使得加热效率降低。

本发明涉及的装置解决了当处理制品在压力和高温下处于液体中时的扩展的技术能力的问题。本发明的技术结果在于所提出的反应器设计阻止了来自反应区蒸气的排出及其在容器冷却壁上的冷凝，该设计的特征为在冷却区中形成液体密封的隔热和反应室，由此降低能量消耗、减少化学活性介质与容器壁之间的接触，很大程度上延伸了恒静压力机可操作的温度范围。

现有技术中已知用来在高温高压下从高压锅中的金属铸件中去除陶瓷杆的方法，第US4,141,781号专利，公开日为1979年02月27日。KOH和NaOH溶液的浸出温度为290～350℃。在1992年06月07日公开的第SU1738470A1号专利中在没有液体含水成分的熔融碱中处理时温度范围延伸至450℃。在熔融碱中处理的工艺是最有效的处理方法之一。然而，碱和陶瓷材料之间反应产物的难溶层在该过程中形成于陶瓷杆的表面上，这是显著减缓反应并需要在水溶液中处理的中间循环以在再次装载制品时去除所述层的原因。循环次数的增加显著降低了经济效率和工艺的能量强度。

该缺点可以在一定程度上通过1971年02月16日公开的第US 3,563,711号专利中公开的方法得到弥补，该方法接近于本发明。在这种情况下，碱溶液被加热至200～350℃，优选290℃，然后压力释放降低至碱溶液中液体成分在陶瓷杆孔中沸腾的水平，于是压力再次上升至高于碱溶液中液体成分沸点的水平，该过程得以重复。如果根据该方法的处理在低于临界范围的温度和压力下进行，反应速度就会低于使用高于临界范围的情况。当尝试在高于临界条件下实现该方法时，升高和降低高压锅蒸气压力的过程会在技术上变得复杂，而且从升高蒸气压力的高能量强度上的角度看是不经济的操作。此外，由于该方法通过压力来控制过程的问题而存在不足。

发明内容

在此公开的本发明目所涉及的方法在于消除由于在从低于碱溶液中液体成分临界点10～20度至高于全部熔融碱熔点温度5～10度的范围内、在高于溶液液体成分临界值1～2MPa的压力下碱溶液温度上的循环变化产生的这些缺点。由于气体如氮气压力借助于高压锅中气体驱动在超过碱溶液液体成分临界压力0.5～3MPa的范围内循环变化的影响下，制品所在区域中的液面变化确保了浸出过程。

因此，此处公开的方法允许在熔融碱即完全为碱和在浓度接近50％的含水碱溶液两种情况下实施浸出过程，其浓度确保陶瓷杆表面上由反应产物所形成薄膜的溶解。所述技术方案的使用将循环时间从已知方法中的12小时或更长降低至本发明方法中的6小时或更短。

技术结果由下述结构获得，处理材料用恒静压力机中包括连接到气体供应装置上的密封容器以及布置在该密封容器中的感应加热器和顶部开口的工作室，该工作室安装在该感应加热器的上方并设计用于在其中放置待处理制品和工作介质，该工作室为具有双壁并且在该双壁之间具有底部的器皿，该器皿的内壁限定出反应室，反应室的底部位于高于该器皿两壁之间底部的该感应加热器的上方，两壁之间的底部低于该感应加热器的暴露区，该恒静压力机具有隔热室，其壁位于所述器皿两壁之间的空间中，且隔热室的开口下端和所述器皿两壁之间的底部之间有间隙，隔热室封闭端与反应室上部开口端之间有间隙。

此外，反应室中还可以具有罩，其开口端和反应室底部之间有间隙，并在其上部中连接到气体供应装置上。

技术结果还由下述方法获得，从金属制品中去除陶瓷元素的方法包括：在反应室中在溶液上方蒸气和气体介质压力下使用加热的碱溶液处理该制品，其特征是由上述方式制造的恒静压力机作为反应器，反应室中含水碱溶液的加热是通过使感应加热器升温至高于溶液中液体成分临界点的温度来实施，直到该所述碱溶液改变成流体状态，反应室中液体介质水平面降低，且其蒸气部分地在所述器皿两壁之间的底部上冷凝，由此形成液体密封，然后，所有介质在反应室中进一步加热至超过在溶液液体成分的在局部蒸气压力下碱熔点的最终温度，该局部蒸气压力等于或大于临界压力，之后在反应室中在所达到的参数下保持该温度，接着所有介质在反应室中冷却至低于溶液液体成分临界点的温度，直到其蒸气在反应室中部分冷凝，且液体介质水平面在反应室中上升，于是周期性地重复加热和冷却到所述参数，直到陶瓷材料从金属制品中完全去除。

优选地，在溶液液体成分的局部蒸气压力等于或高于其临界压力但不超过2MPa时，加热的最终温度高于碱熔点5～10度。

在使用该恒静压力机的特别实施例中，所有介质在反应室中加热至最终温度之后，当在反应室中保持所有介质时，压力通过气体供应装置而在罩下循环变化，由此周期性地变化罩下碱溶液的水平面，于是实施冷却。

因此，罩下压力的循环变化优选在超过碱溶液液体成分临界压力0.5～3MPa的压力范围内进行。

附图说明

本申请的恒静压力机如图1～7所示：

图1是纵向剖面上示出恒静压力机的示意图，其中示出了在气体和液体驱动时的工作状态；

图2是示出安装在感应加热器上方的下端塞子上的工作室的纵向剖面图，其中示出了待处理的制品在充满化学活性介质的腔体中；

图3是示出工作室的纵向剖面图，同时示出在向所述容器里装载之前没有中心罩的隔热室；

图4是示出工作室的纵向剖面图，同时示出在向所述容器里装载之前具有中心罩的隔热室；

图5是示出工作室的纵向剖面图；

图6是示出没有中心罩的隔热室的纵向剖面图；

图7是示出具有中心罩的隔热室的纵向剖面图。

具体实施方式

在液体、蒸气或气体介质中处理材料的恒静压力机包括分别由上端塞子2和下端塞子3密封地封闭在其两端上的多体冷却能量容器1。上端塞子2通过气体通道4连接到气体供应装置5上。下端塞子3上具有感应加热器6，反应器7位于其上方。该反应器7为圆柱体薄壁构件，包含一个其中充满化学活性工作介质8和待处理制品9的工作区，该工作区限定在工作室10和隔热室11之间。工作室10(图2，图5)为顶部开口并具有薄壁耐蚀材料双层壁器皿。该器皿的内壁限定出焊接到该器皿中心部上的带有密封底部的反应室12。底部13的外表面位于感应加热器6的上方，待处理制品9位于其内表面上。两壁之间的工作室10的底部位于加热器6之下，并布置成与冷却下端塞子3的一端邻接。在隔热室11的开口下端和两壁之间器皿的底部之间及室11的关闭上端和室12的开口上端之间存在间隙。隔热室11可制成薄壁耐蚀材料的两个罩14和15(图6和图7)的形式，该两个罩通过隔热材料彼此分离并彼此同心地插入，该罩具有密封护盖。室11的隔热层可以以罩14和15之间气腔的形式位于其侧部，该气腔由焊接到两个罩之间的薄壁耐蚀材料的薄壁壳16分隔，并具有密封护盖。放置有待处理制品9的反应室12可以由薄壁耐蚀材料的薄壁罩17分别分隔成中心部分18和侧部19，该罩顶部密封且底部开口，在罩17的下端和底部13之间具有间隙。中心部分18通过罩14、15和17中的密封气体管道20经由上端塞子2中的管道和气路21连接到气体供应装置5上。该气体供应装置5包括连接到液压驱动24上的具有液压腔23的调压器22和通过气路21连接到反应器工作区上的气腔25。

恒静压力机操作说明

处理材料用恒静压力机操作和从金属制品中去除陶瓷元素的方法如下实施：

化学活性介质8，如含水KOH碱溶液，和待处理制品9装入容器1外部下端塞子3上的反应室11中(图2)。工作室10(图2、图5)由隔热室11覆盖(图3、图4)。然后，制品9和介质8在分别位于由工作室10和隔热室11所限定的工作区内。下端塞子3和安装于其上的组件一起插入容器1中。密封容器1，然后通过气体通道20、气路21和气体驱动5充满气体介质，如氮气，这样其中的初始压力达到等于所述容器内设计最终压力的约0.3～0.5。随着容器1内压力的增大，如果罩17在其位置上，化学活性介质会从工作区的侧部19溢出到其在罩17之下的中心部18中，直到容器1内任何横截面上的压力相等。打开感应加热器6，加热反应室12的底部13、化学活性介质8和待处理制品9。室12的底部在两壁之间维持冷却。当介质变热时，介质的液体成分如水从KOH溶液中蒸发。蒸发连续进行，直到化学活性介质8上方液体成分的部分蒸发压力达到液态饱和压力。如水在100℃时的饱和压力为0.101MPa；在200℃时为1.550MPa；在300℃时为8.592MPa；在374.12℃时为22.115MPa(水的临界点)。随着反应区内的温度变化以使温度高于或低于临界点，液面也从液体成分为液体形式的临界温度下方的最大值变化至液体成分为蒸气(或超临界流体)形式的临界温度上方的最小值。加热时，罩17下的压力比其外部压力增长得更快，化学活性介质8首先和蒸气一起将氮气及随后的蒸气本身挤压出中心部18，进入侧部19中。在化学活性介质8的温度和液体成分的局部蒸气压力等于临界值之后(如水分别为374.12℃和22.1150MPa)，液体成分将蒸发并随后转化成其流体状态(即，在该状态下蒸气和液体的密度一致，如水的蒸汽和液体密度均为317.763kg/m³)。当蒸发时，由此形成的液体成分的蒸气部分地取代从工作区出来的气体介质。以质量计的液体成分的量是基于以下条件选择的：液体成分的质量和工作区自由体积之间的比率高于液体成分临界密度的1～2％。假定自由体积为反应器工作区减去待处理制品和化学活性介质中固体成分所占体积得到的体积。当使用罩17时，溶液总体积必须不得超过反应器工作区的侧部19体积，并留有余地用于当溶液加热至过程中最高温度时发生膨胀。在工作区中温度超过临界值之后，其中的压力将增加，蒸气可以部分地从反应室12进入其两壁之间的腔中。由于在这些壁之间腔的冷的下部内发生冷凝，形成防止蒸气再从反应区中溢出的液体密封。由此达到平衡；并不再产生蒸发。液体密封面由所述容器和工作室的几何形状通过所述容器中的压力和装载参数及化学活性介质的这些参数来限定。容器1和反应器7整个体积内的温度和压力的变化由于处于各自位置上的液体密封自动相等，由此确保在所有腔内维持相等的压力，而不需使用其它任何附加控制压差的装置。

此后，在液体成分的局部蒸气压等于液体成分临界压力或大于液体成分临界压力1～2MPa的压力条件下加热工作区和制品9、化学活性介质的固体成分(固体碱)、介质液体成分的蒸气和气体介质至超过碱熔点5～10度的最终温度。对于KOH碱来说，该温度为410～415℃。此后，在工艺的预定参数下保持。液体介质水平面的位置如下周期性地改变(每分钟1～5次)。

关闭加热器6，介质在工作室10中冷却至低于溶液中液体成分的临界温度10～20度的温度，同时，蒸气气体介质的压力也降低，含水成分在中心部的整个体积包括铸件中陶瓷杆的孔冷凝，液面上升至工作室10中。然后，打开加热器6，再次加热溶液和铸件，因此由于所述容器内温度以50～80度、压力以0.5～3MPa的适当变化使得反应室12中的液面和碱浓度周期性地变化。只要需要，上述循环可以连续进行，通常为1～6小时；最终降低温度，释放压力并取出制品。

当恒静压力机在每个循环或仅一些循环中和罩17一起使用时，加热到预定最终温度的铸件将额外地在气体介质可变压力下进行处理，通过调压器22以0.5～3MPa的幅度来循环地改变；这样，随着罩17下压力的增大，中心部18中的液面下降，而侧部19中的液面上升。当反应室12的中心部18内的压力下降时，其中熔化的碱平面上升，而侧部中的下降，因此反应器工作区的中心部和侧部的熔融平面由于所述容器内压力的相应变化而周期性变化。

一旦最后一次循环结束，加热器6就断电，反应器冷却至100～170℃。压力通过通道20、下端塞子3和反应器降低至大气压，从所述容器中取出碱溶液和制品9。拿掉隔热室11，从工作室10中取出制品9。然后再装入新制品，重复上述过程。

Claims (6)

1.一种处理材料用恒静压力机，包括：连接到气体供应装置上的密封容器以及布置在该密封容器中的感应加热器和顶部开口的工作室，该工作室安装在所述感应加热器的上方并设计用于在其中放置待处理制品和工作介质，其特征在于：该工作室为具有双壁并且在所述双壁之间具有底部的器皿，该器皿的内壁限定出反应室，反应室的底部位于高于该器皿两壁之间底部的所述感应加热器的上方，两壁之间的底部低于所述感应加热器的暴露区，该恒静压力机具有隔热室，其壁位于所述器皿两壁之间的空间中，且所述隔热室的开口下端和所述器皿两壁之间的底部之间有间隙，所述隔热室封闭端与反应室上部开口端之间有间隙。

2.根据权利要求1所述的恒静压力机，其特征在于：反应室中具有罩，其开口端和反应室底部之间有间隙，并在其上部中连接到气体供应装置上。

3.一种从金属制品中去除陶瓷元素的方法，该方法包括：在反应室中在溶液上方的蒸气和气体介质压力下使用加热的碱溶液处理该制品，其特征在于：根据权利要求1或2所述恒静压力机作为反应器使用，反应室中含水碱溶液的加热是通过使感应加热器升温至高于溶液中液体成分临界点的温度来实施，直到所述碱溶液改变成流体状态，反应室中液体介质水平面降低，且其蒸气部分地在所述器皿两壁之间的底部上冷凝，由此形成液体密封，然后，所有介质在反应室中进一步加热至超过在溶液液体成分的局部蒸气压力下碱熔点的最终温度，该局部蒸气压力等于或大于临界压力，之后在反应室中在所达到的参数下保持该温度，接着所有介质在反应室中冷却至低于溶液液体成分临界点的温度，直到其蒸气在反应室中部分冷凝，且液体介质水平面在反应室中上升，于是周期性地重复加热和冷却到所述参数，直到陶瓷材料从金属制品中完全去除。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：在溶液液体成分的局部蒸气压力等于或高于其临界压力但不超过2MPa时，加热的最终温度高于碱熔点5～10度。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于：当使用根据权利要求2所述的恒静压力机时，所有介质在反应室中加热至最终温度之后，接着当在反应室中保持所有介质时，压力通过气体供应装置而在所述罩下循环变化，由此周期性地变化所述罩下碱溶液的水平面，于是实施冷却。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：罩下压力的循环变化在超过碱溶液液体成分临界压力0.5～3MPa的压力范围内进行。

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