PL167794B1 - Piec fluidalny do obróbki cieplnej wyrobów, zwłaszcza metalowych, szczególnie narzędzi ze stali szybkotnących - Google Patents

Abstract

Piec fluidalny do obróbki cieplnej wyrobów, zwłaszcza metalowych, szczególnie narzędzi ze stali szybkotnących, obudowany płaszczem gazoszczelnym, mający przestrzeń roboczą w mufli wypełnionej złożem sypkim, fluidyzowanym gazem, grzany grzejnikami z materiału elektrooporowego, umieszczonymi wewnątrz otworów w ścianie lub ścianach mufli, znamienny tym, że mufla (1), grzejniki (3) oraz proszek (2) wykonane są z materiału elektrooporowego, w szczególności węglowego, zaś pomiędzy powierzchnią grzejną grzejnika (3) a wnętrzem otworu w ścianie mufli (i), w którym jest umieszczony ten grzejnik (3), jest przestrzeń wypełniona gazem, przy czym grzejniki (3) są jednym z końców każdego z nich połączone z muflą (i) poprzez proszek (2), a w gazoszczelnej obudowie (5) pieca znajduje się gaz doprowadzony przewodem (10).

Description

Przedmiotem wynalazku jest wysokotemperaturowy piec fluidalny elektryczny do obróbki cieplnej metali z dowolną atmosferą ochronną w temperaturze do 1350°C.

Znane są piece fluidalne do obróbki cieplnej wyrobów metalowych, mające muflę metalową wypełnioną złożem materiału sypkiego. Złoże jest fluidyzowane gazem doprowadzanym na spód złoża różnymi znanymi sposobami. Mufla jest grzana z zewnątrz grzejnikami elektrooporowymi albo palnikami gazowymi. Do nagrzanego złoża zfluidyzowanego, stanowiącego przestrzeń roboczą pieca, są zanurzane wyroby podlegające obróbce. Gaz fluidyzujący uchodzi ze złoża przez powierzchnię złożą i jest odprowadzany poza piec przez system wentylacyjny zainstalowany nad muflą. Grzejniki pieca są wykonane z materiałów elektrooporowych, przeznaczonych do pracy w gazach utleniających. W piecu grzejniki pracują w otoczeniu powietrza atmosferycznego. Obudowa pieców grzanych grzejnikami nie jest gazoszczelna. Opisane piece z muflą metalową są stosowane do pracy w temperaturach do około 1050°C. Do wyższych temperatur piece te nie są stosowane z powodu zbyt szybkiego niszczenia mufli wskutek przekroczenia wytrzymałości czasowej lub pełzania pod wpływem naprężeń pochodzących od ciężaru złoża i ciśnienia gazu fluidyzującego złoże. W szczególności piece fluidalne z muflą metalową nie nadają się do grzania do hartowania narzędzi ze stali szybkotnących w wymaganych w tym celu temperaturach do 1250-1300°C. Dotychczas praktycznie nie ma materiału metalowego, z którego można by wykonać muflę pieca fluidalnego przemysłowego wytrzymującą zadowalająco takie temperatury.

Znane są również piece fluidalne posiadające muflę ceramiczną. Znane mufle ceramiczne w piecach fluidalnych, z grzaniem z zewnątrz, nie ulegają niszczeniu wskutek przekroczenia

167 794 wytrzymałości czasowej czy pełzania w temperaturach pieca do 1250-1300°C, natomiast są skłonne do pękania od naprężeń cieplnych w warunkach typowego dla pieców fluidalnych szybkiego rozgrzewu. Ponadto mufle ceramiczne źle przewodzą ciepło. Dla zapewnienia dużego dopływu ciepła do wnętrza mufli, odpowiadającego szybkiemu grzaniu wsadu, właściwemu piecom fluidalnym, temperatura na zewnątrz mufli ceramicznej musi być o wiele wyższa od roboczej temperatury 1250-1300°C w mufli. Konieczna wysoka temperatura źródła ciepła w piecach fluidalnych z muflą ceramiczną grzaną z zewnątrz jest niekorzystna energetycznie, ponieważ silnie obniża sprawność cieplną pieca, szczególnie jeśli źródłem ciepła są palniki. W razie użycia jako źródła ciepła grzejników - wysoka temperatura obniża ich trwałość.

Wytrzymałość na pękanie od naprężeń cieplnych i przewodnictwo cieplne mufli ceramicznych dla pieców fluidalnych można zwiększyć przez dobór odpowiednich materiałów mufli. Jednak materiały korzystniejsze, jak karborund w stosunku do korundu, są też o wiele droższe. Z tych powodów piece fluidalne z muflami ceramicznymi grzanymi z zewnątrz nie rozpowszechniły się.

Znane są piece fluidalne z muflą ceramiczną, w których złoże jest grzane grzejnikami elektrycznymi zanurzonymi do złoża. Takie grzejniki mogą pracować w temperaturach do 1550°C, jednakże ich trwałość jest niewielka z powodu szybkiego korodowania i/lub pękania obudowy grzejnika, szczególnie w strefie przejściowej pomiędzy powierzchnią złoża a powietrzem atmosferycznym.

Znane są piece fluidalne z muflą z materiału nie przewodzącego prądu elektrycznego, wypełnioną złożem grafitu lub innego elektrooporowego materiału węglowego, grzane przepływem przez złoże prądu elektrycznego, doprowadzonego przez elektrody zanurzone w złożu. Te piece nie nadają się do grzania do hartowania narzędzi · ze stali szybkotnących, ponieważ powodują niedopuszczalne nawęglanie ich powierzchni.

Znane są piece niefluidalne, w których grzejniki z materiału elektrooporowego są zainkludowane w ścianę lub ściany mufli z ceramicznego materiału nie przewodzącego prądu elektrycznego. W sposób oczywisty taką budowę mufli można przenieść na piec fluidalny. Jednak piec fluidalny o takiej budowie, zarówno w odmianie z grzejnikami otwartymi od strony przestrzeni roboczej, jak i zakrytymi od tej strony warstwą materiału ceramicznego, nie nadawałby się do grzania do hartowania narzędzi ze stali szybkotnących. W odmianie odkrytej, w warunkach wymaganych dla grzania takich narzędzi, to jest w temperaturach do 1250 -1300°C w atmosferze redukującej, grzejniki szybko niszczyłyby się, ponieważ materiały, z których mogą być wykonane w tego typu piecach, wytrzymują działanie gazów redukujących tylko do około 1000°C , zaś w wyższych temperaturach wymagają otoczenia gazów utleniających. W odmianie zakrytej, piece z grzejnikami zainkludowanymi w ścianę lub ściany mufli miałyby wady pieców ze zwykłymi muflami z materiału ceramicznego z grzejnikami zewnętrznymi.

Znane są piece niefluidalne z muflą z materiału elektrooporowego grzane przepływem prądu elektrycznego przez muflę. W sposób oczywisty taką budowę mufli można przenieść na piec fluidalny. Wadą takich pieców o wielkościach przemysłowych, są kosztowne zasilacze elektryczne dostarczające bardzo dużych prądów pod bardzo niskimi napięciami, jakich wymagają konieczne duże przekroje przewodzących mufli. Inną wadą takiego rozwiązania jest konieczność wyposażenia ich w zabezpieczenia przez zwieraniem mufli z wsadem, powodującym uszkodzenia pieca i wsadu.

Piec fluidalny według wynalazku ma muflę z materiału elektrooporowego, korzystnie węglowego. W ścianach mufli są otwory o osi równoległej do tworzących ścian. W otworach są umieszczone grzejniki, wykonane z materiału elektrooporowego korzystnie węglowego. Pomiędzy powierzchnią każdego otworu i powierzchnią znajdującego się w nim grzejnika jest odstęp. Przestrzeń odstępu jest wypełniona gazem, takim samym jakim jest wypełnione całe wnętrze pieca na zewnątrz mufli. Dolny koniec każdego z grzejników połączony jest z muflą poprzez proszek, wykonany z materiału elektrooporowego korzystnie węglowego, wypełniający dolną część otworu.

Wskutek zgodności pomiędzy przewodnictwem elektrycznym i cieplnym materiałów, mufla według wynalazku przewodzi ciepło lepiej niż mufla z ceramicznego materiału elektroizolującego, jak korund. W porównaniu z muflą z innych materiałów elektrooporowych nieme4

167 794 talowych, jak karborund lub dwukrzemek molibdenu, mufla węglowa jest o wiele tańsza i może być łatwo wykonana o dużej wielkości i żądanym kształcie.

Umieszczenie grzejników w otworach w ścianie mufli umożliwia utrzymanie cienkiej, łatwo przepuszczalnej dla ciepła, warstwy materiału mufli pomiędzy grzejnikiem a grzanym złożem fluidalnym w mufli, gdy jednocześnie ściana mufli może być tak gruba, aby wytrzymywała obciążenia mechaniczne.

W porównaniu z muflami grzanymi przepływem prądu elektrycznego przez cały przekrój ich ściany (ścian) rozwiązanie według wynalazku, z grzejnikami o przekroju o wiele mniejszym od przekroju ściany (ścian) mufli, umożliwia zasilanie ich prądem o napięciu obniżonym w mniejszym stopniu w stosunku do napięcia sieci, przez co urządzeniazasilające mogą być tańsze. W szczególności, przekrój grzejników może być tak dobrany, aby napięcie ich zasilania było takie samo, jak stosowane do zasilania pieców elektrodowych solnych, powszechnie dotychczas stosowanych do grzania do hartowania narzędzi ze stali szybkotnących. Dzięki temu, piecami fluidalnymi według wynalazku można zastępować dotychczasowe piece elektrodowe solne wykorzystując istniejące urządzenia elektryczne zasilające tych pieców, co znacznie obniża koszty zamiany pieców.

Zastępowanie pieców solnych przez piece fluidalne eliminuje zagrożenie dla środowiska naturalnego, którego przyczynąjest konieczność mycia narzędzi po obróbce w soli, co powoduje powstawanie ścieków, które są trudne do unieszkodliwienia.

Pozostawienie wolnej przestrzeni, wypełnionej gazem, pomiędzy powierzchnią grzejną grzejnika a powierzchnią otworu, w którym grzejnik jest umieszczony w ścianie mufli w piecu według wynalazku, umożliwia użycie na muflę materiału elektrooporowego bez potrzeby rozdzielenia powierzchni grzejnej grzejnika i powierzchni otworu stałym materiałem elektroizolującym, co utrudniłoby przepływ ciepła od grzejników do ściany mufli i dalej do złoża fluidalnego w przestrzeni roboczej, powodując obniżenie sprawności cieplnej pieca.

Wykonanie mufli z materiału elektrooporowego umożliwia wykorzystanie jej jako zwornika elektrycznego dla grzejników, co upraszcza konstrukcję pieca według wynalazku. Szczególnie prosta i funkcjonalna jest konstrukcja, w której jeden koniec każdego grzejnika jest połączony z dnem otworu, w którym jest umieszczony. W taki sposób trzy grzejniki lub dowolna wielokrotność trzech grzejników może być łączona do zasilania elektrycznego w gwiazdę.

Połączenie końców grzejników z muflą za pomocą proszku z materiału elektrooporowego w dolnej części otworów mieszczących grzejniki umożliwia wzajemne przesunięcia mufli i grzejników, zapobiegające naprężeniom i pękaniu grzejników od dylatacji temperaturowych związanych z pracą pieca według wynalazku, podczas gdy drugie końce grzejników, zaopatrzone w prądowe zaciski zasilające, mogą być korzystnie zamocowane sztywno.

Użycie na muflę i grzejniki pieca według wynalazku jednego i tego samego materiału elektrooporowego jest korzystne przez zmniejszenie różnorodności materiałów niezbędnych do budowy pieca. Szczególnie korzystne jest użycie na muflę i grzejniki materiału węglowego, ze względu na to, że w porównaniu z innymi materiałami elektrooporowymi, materiały węglowe są tanie i łatwe do formowania.

Gaz fluidyzujący złoże w piecu według wynalazku dobiera się o takim składzie, aby nie oddziaływał chemicznie na wyroby obrabiane w temperaturze obróbki albo żeby dostarczał określonego pierwiastka lub pierwiastków mających dyfucyjnie wnikać do wyrobów i jednocześnie, aby nie powodował niszczenia mufli przez wchodzenie w reakcję z jej materiałem na jej wewnętrznej powierzchni, ograniczającej przestrzeni roboczą pieca wypełnioną złożem, w którym odbywa się obróbka. W szczególności gazem fluidyzującym nie oddziałującym chemicznie na narzędzia ze stali szybkotnących grzane do hartowania w temperaturach do 12501300°C w piecu fluidalnym według wynalazku z przestrzenią roboczą wypełnioną złożem elektrokorundu jest mieszanina około 40% wodoru, około 40% azotu i około 20% tlenku węgla, z niewielką zawartością innych gazów, głównie dwutlenku węgla, pary wodnej i metanu, znana pod nazwą atmosfery endotermicznej naturalnej lub syntetycznej, rozpowszechniona w obróbce cieplnej wyrobów metalowych. Taka sama lub podobna atmosfera nadaje się też do powodowania dyfuzji węgla do wyrobów wykonanych ze stali do nawęglania, w procesie nawęglania w piecu według wynalazku w takim samym złożu w temperaturach w zakresie 900 do 1050°C.

167 794

Użycie atmosfery tego typu w piecu według wynalazku nie powoduje nadmiernego zużycia wewnętrznej powierzchni mufli z materiału węglowego wskutek reakcji atmosfery z materiałem mufli w zakresie temperatur 700 - 1300°C.

Użycie jednego i tego samego gazu do fluidyzacji złoża w piecu według wynalazku i do ochrony przed niszczeniem od kontaktu z powietrzem atmosferycznym powierzchni grzejnych grzejników oraz powierzchni mufli innych niż wewnętrzna powierzchnia, ograniczająca przestrzeń roboczą wypełnioną złożem, a także proszku łączącego końce grzejników z muflą, jest korzystne ze względu na łatwiejsze użycie tylko jednego gazu pod warunkiem, że jest skuteczne, zwłaszcza względem powierzchni grzejnych grzejników, które są gorętsze od wewnętrznej powierzchni mufli.

Użycie odrębnego gazu do ochrony przed niszczeniem od kontaktu z powietrzem atmosferycznym powierzchni grzejnych grzejników oraz powierzchni mufli innych niż wewnętrzna powierzchnia ograniczająca przestrzeń roboczą, a także proszku łączącego końce grzejników z muflą w piecu według wynalazku jest niezbędne, jeśli gaz służący do fluidyzowania złoża w przestrzeni roboczej w mufli nie chroni dostatecznie powierzchni grzejników i innych powierzchni oraz materiału sypkiego. Jeśli gaz służący do fluidyzowania złoża chroni dostatecznie pozostałe powierzchnie elementów pieca wykonanych z materiałów elektrooporowych, to użycie odrębnego gazu do ochrony tych pozostałych powierzchni może być korzystne, jeśli ten odrębny skuteczny gaz jest tańszy od gazu służącego do fluidyzacji złoża, który musi dodatkowo spełnić warunki oddziaływania z wsadem, przykładowo, jeśli złoże jest fluidyzowane atmosferą endotermiczną, to powierzchnie elektrooporowych elementów pieca mogą być opłacalnie chronione azotem, lub mieszaniną azotu z wodorem.

Gaz chroniący przed kontaktem z powietrzem powierzchnie elektrooporowych elementów pieca według wynalazku, inne niż wewnętrzna powierzchnia mufli, wypełnia całe wnętrze pieca, które jest obudowane płaszczem gazoszczelnym. W ten sposób dostęp gazu ochronnego do wszystkich chronionych powierzchni zapewnia się niezawodniej i prościej niż by to było możliwe przez wydzielanie przestrzeni wypełnionych tym gazem jedynie w sąsiedztwie tych powierzchni.

W celu wypłukania powietrza z wnętrza pieca według wynalazku podczas jego rozgrzewu do pracy oraz dla zapewnienia ciągłego usuwania możliwych zanieczyszczeń powietrzem wnętrza pieca podczas pracy konstrukcja pieca umożliwia przepływ gazu ochronnego przez wnętrze pieca pod ciśnieniem większym od atmosferycznego. W tym celu przez płaszcz są przeprowadzone przewody doprowadzające do wnętrza pieca gaz ochronny, zaopatrzone w zawory regulacyjne natężenia przepływu gazu. Dla ujścia gazu jest przeznaczona szczelina pomiędzy wewnętrzną powierzchnią mufli a płaszczem pieca, owiniętym nad górną krawędzią ściany lub ścian mufli, kończącym się na poziomie powierzchni złoża fluidalnego lub na pewnej głębokości pod tą powierzchnią. Gaz płynący szczeliną chroni też od kontaktu z powietrzem górną część wewnętrznej powierzchni mufli, ponad powierzchnią złoża, gdzie gaz uchodzący ze złoża miesza się z powietrzem przenikającym od góry przez otwór załadowczy pieca i wskutek tego traci tam zdolność ochrony powierzchni wewnętrznej mufli.

Przedmiot wynalazku uwidoczniony jest w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia piec fluidalny w osiowym przekroju pionowym, a fig. 2 przedstawia widok pieca fluidalnego okrągłego z góry. Kształt pieca w widoku z góry może być dowolny: kwadratowy, prostokątny czy wieloboczny, a liczba elektrod może być również dowolna w zależności od rodzaju zasilania elektrycznego, mocy i wielkości pieca.

Jak pokazano na rysunku, piec ma muflę 1 z materiału elektrooporowego, z otworami w ścianie wypełnionymi częściowo proszkiem 2 z materiału elektrooporowego, w którym zanurzone są końce .grzejników 3 z materiału elektrooporowego. Mufla 1 jest obłożona warstwami porowatych ceramicznych materiałów 4, otoczonych gazoszczelnym płaszczem 5. Z góry mufla 1 jest przykryta płytą 6, a od dołu wnętrze mufli 1 jest zamknięte ceramiczną porowatą kształtką 7, stanowiącą dyszę gazu fluidyzującego, wprowadzonego przewodem 8 do fluidalnego złoża 9. Przewód 10 umożliwia doprowadzenie gazu ochronnego do przestrzeni na zewnątrz mufli 1 i do otworów mieszczących grzejniki 3. Do górnych końców grzejników 3 są przyłączone

167 794 rozłącznie zaciski 11 elektrycznych zasilających przewodów 12, wyprowadzonych z zasilacza, nie pokazanego na rysunku.

Przykład działania pieca fluidalnego według wynalazku.

Przyłożone napięcie elektryczne do końców grzejników 3 powoduje przepływ prądu przez te grzejniki 3, proszek 2 i muflę 1. Wskutek przepływu prądu grzejniki 3 nagrzewają się. Nagrzane grzejniki 3 wypromieniowują ciepło do mufli 1, która przez przewodnictwo stykowe i promieniowanie przekazuje ciepło do fluidalnego złoża 9. Fluidyzację złoża 9 powoduje gaz, stanowiący atmosferę obróbkową, doprowadzany do wnętrza mufli 1 przez przewód 8 i porowatą kształtkę 7. Taki sam lub inny gaz, ochronny, jest doprowadzany przez przewód 10 do wnętrza pieca wypełnionego porowatymi ceramicznymi materiałami 4, na zewnątrz mufli 1. W nagrzanym sfluidyzowanym złożu 9 zanurza się wyroby podlegające obróbce.

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.

Cena 1,50 zł

Claims (4)

Zastrzeżenia patentowe

1. Piec fluidalny do obróbki cieplnej wyrobów, zwłaszcza metalowych, szczególnie narzędzi ze stali szybkotnących, obudowany płaszczem gazoszczelnym, mający przestrzeń roboczą w mufli wypełnionej złożem sypkim, fluidyzowanym gazem, grzany grzejnikami z materiału elektrooporowego, umieszczonymi wewnątrz otworów w ścianie lub ścianach mufli, znamienny tym, że mufla (1), grzejniki (3) oraz proszek (2) wykonane są z materiału elektrooporowego, w szczególności węglowego, zaś pomiędzy powierzchnią grzejną grzejnika (3) a wnętrzem otworu w ścianie mufli (i), w którym jest umieszczony ten grzejnik (3), jest przestrzeń wypełniona gazem, przy czym grzejniki (3) są jednym z końców każdego z nich połączone z muflą (i) poprzez proszek (2), a w gazoszczelnej obudowie (5) pieca znajduje się gaz doprowadzony przewodem (10).

2. Piec według zastrz. 1, znamienny tym, że mufla (i), grzejniki (3) i połączenie końców grzejników (3) z muflą (i) są wykonane z materiału węglowego zawierającego powyżej 99,5% węgla.

3. Piec według zastrz. 1, znamienny tym, że gazoszczelna obudowa (5) obejmuje wewnętrzną powierzchnię ściany lub ścian mufli (i) do głębokości nie mniejszej niż poziom powierzchni sfluidyzowanego złoża (9) i nie większej niż 10% głębokości złoża pod tym poziomem.

4. Piec według zastrz. 1, znamienny tym, że pomiędzy gazoszczelną obudową (5) a wewnętrzną powierzchnią ściany lub ścian mufli (i) jest szczelina o szerokości w zakresie od 0,4 do 0,6% średnicy wewnętrznej mufli.