PL213246B1 - Piec retortowy do obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest piec retortowy do obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej, przeznaczony do realizacji procesów technologicznych w gazowych atmosferach ochronnych, atmosferach technologicznych, a także w próżni.

W znanych konstrukcjach pieców retortowych występuje komora, która oddziela przestrzeń roboczą od warunków otoczenia i pozwala na uzyskanie odpowiedniej czystości i jakości atmosfery procesowej. Komora retortowa wykonana jest ze stopów żaroodpornych lub żarowytrzymałych i umożliwia pracę w temperaturach do 1300°C. Na zewnątrz retorty znajduje się izolacja cieplna, a pomiędzy nimi elementy grzejne. Elementy te dostarczają energii cieplnej, która akumulowana przy pomocy izolacji jest dalej kierowana na retortę poprzez promieniowanie i konwekcję naturalną. Przekazywanie ciepła wewnątrz retorty - od jej ścianek do wsadu - następuje w wyniku promieniowania, naturalnej konwekcji lub konwekcji wymuszonej za pomocą mieszarek atmosfery.

Zwykle piece wyposażone są w systemy umożliwiające przyspieszone ochłodzenie po skończonym procesie cieplnym. W tym celu stosuje się dmuchawy wtłaczające powietrze pomiędzy izolację a zewnętrzną ściankę retorty. Zimne powietrze opływając retortę przejmuje od niej ciepło i nagrzewa się, po czym zostaje wyprowadzone na zewnątrz poprzez otwarty górny luk. Znane są również systemy wewnętrznego chłodzenia pracujące w układzie zamkniętym. Wówczas atmosfera jest pobierana bezpośrednio z wnętrza retorty, przetłaczana poprzez wymiennik ciepła i tak ochłodzona wraca ponownie do retorty.

W celu umożliwienia otwarcia pieca i umieszczenia wsadu w przestrzeni roboczej retorta wyposażona jest w pokrywę. Pokrywa uszczelniona jest z retortą za pomocą połączenia kołnierzowego, przy czym zarówno pokrywa jak i retorta posiadają kołnierze, zaś samo uszczelnienie stanowi zwykle uszczelkę gumową typu o-ring lub wargową. Kołnierze uszczelniające retorty i pokrywy chłodzone są wodą tak, aby zapewnić odpowiednio niską temperaturę pracy uszczelki - ok. 80°C. Pokrywa zamykana jest i uszczelniana za pomocą mechanizmu, który zaciska oba kołnierze wraz z uszczelką pomiędzy nimi. W pokrywie znajduje się także izolacja ograniczająca straty cieplne.

Jednym z najważniejszych parametrów technologicznych pieca jest równomierność rozkładu temperatury w przestrzeni roboczej. W zależności od technologii obróbki cieplnej oraz wymagań jakościowych przyjęte są następujące standardy równomierności rozkładu temperatu określające odpowiednią klasę pieca (zgodnie z AMS 2750D): ± 28°C, ± 14°C, ± 10°C, ± 8°C, ± 6°C, a w najbardziej zaawansowanych ± 3°C.

Równomierność rozkładu temperatury w przestrzeni roboczej jest zależna od równomierności i symetrii systemu nagrzewania retorty oraz od wielkości i równomierności rozłożenia strat cieplnych. Niekorzystnie wpływają wszelkie mostki cieplne, straty przez promieniowanie lub brak elementów grzejnych. Z tego względu obszar pokrywy retorty mieszczący się tuż obok przestrzeni roboczej ma decydujący wpływ na równomierność rozkładu temperatury w przestrzeni retorty. Znajdują się tam mostki cieplne, gdzie straty powiększają kołnierze chłodzone wodą, króćce systemu gazowego i czujników pomiarowych. W piecach przeznaczonych do pracy w próżni, szczególnie wysokiej próżni, króciec systemu pomp próżniowych może zajmować znaczną część powierzchni pokrywy i powodować bardzo duże straty cieplne, znacznie zaburzając równomierność rozkładu temperatury, co uniemożliwia spełnienie warunku ± 3°C, a nawet mniej rygorystycznych.

Istota pieca retortowego według wynalazku polega na tym, że jest dodatkowo wyposażony w aktywną barierę termiczną, którą stanowią ekrany radiacyjne w postaci co najmniej dwóch płaskich płyt metalowych, osadzonych na prętowych wspornikach usytuowanych w pokrywie i równoległych do osi wzdłużnej retorty, za którymi, na końcach prętowych przedłużeń tych wsporników sięgających poza strefę systemu grzejnego bariery termicznej, są osadzone radiacyjne płaskie pierścienie doszczelniające, zaś na wewnętrznej ścianie retorty są na stałe zamocowane obwodowe płaskie pierścienie uszczelniające.

Korzystnym jest, gdy system grzejny bariery termicznej stanowi zespół wykonanych korzystnie z drutu oporowego elementów dogrzewających, usytuowanych za ekranami radiacyjnymi od strony pierścieni doszczelniających.

Korzystnym jest także, gdy na prętowych przedłużeniach wsporników, pomiędzy elementami dogrzewającymi a pierścieniami doszczelniającymi, jest dodatkowo osadzony ekran termiczny.

Ponadto, korzystnym jest, gdy w pokrywie pieca jest osadzony termoparowy czujnik temperatury, którego końcówka jest usytuowana w strefie oddziaływania elementów dogrzewających.

PL 213 246 B1

Dzięki zastosowaniu rozwiązania według wynalazku, uzyskano efekt równomiernego rozkładu temperatury na całej długości przestrzeni roboczej pieca w zakresie ± 2°C.

Wynalazek zostanie bliżej uwidoczniony na podstawie przykładowego, nie ograniczającego wykonania pokazanego na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia piec w przekroju, w płaszczyźnie pionowej przechodzącej przez oś wzdłużną pieca, zaś fig. 2 - zespół pokrywy pieca z zespołem izolacyjnym, zwanym dalej aktywną barierą termiczną, w przekroju w płaszczyźnie pionowej przechodzącej przez oś wzdłużną pokrywy.

Piec retortowy z załadunkiem poziomym składa się z cylindrycznej obudowy z pokrywą 2 i współosiowej z nią poziomej cylindrycznej retorty 3, wykonanej ze stopów żaroodpornych i jest wyposażony, między innymi, w zespół technologicznych elementów grzejnych 11, usytuowanych na zewnątrz retorty 3 oraz w instalacje chłodzące pieca i pokrywy 2. Piec ten jest także wyposażony w system pomp próżniowych na bazie pompy dyfuzyjnej o średnicy wlotowej 0,81 m, co warunkuje konieczność zabudowy w pokrywie 2 króćca 10 o podobnej średnicy.

System grzejny pieca stanowi zespół technologicznych elementów grzejnych 11, rozmieszczonych równomiernie na zewnątrz retorty 3 i pogrupowanych w 3 strefy główne na długości, a każda z nich na 3 podstrefy otaczające retortę 3 po obwodzie (razem 9 podstref). Moc grzejna podstrefy wynosi 50 kW, a strefy głównej 150 kW. Regulacja temperatury jest typu kaskadowego (master-slave) i opiera się na 3 czujnikach temperatury master 12 (termopara typu K), umieszczonych wewnątrz retorty 3, tuż nad przestrzenią roboczą oraz 9 czujnikach temperatury slave (termopara typu K), umieszczonych w 9 podstrefach przy elementach grzejnych.

System chłodzenia pieca składa się z 3 dmuchaw powietrza 13 oraz 6 luków górnych 14, po dwa na każdą dmuchawę. Dmuchawy 13 tłoczą powietrze pobrane z otoczenia do dolnego kanału 15 i dalej pomiędzy izolację a zewnętrzną ściankę retorty 3. Powietrze opływając retortę 3 odbiera ciepło i gorące uchodzi lukami górnymi 14.

Piec jest dodatkowo wyposażony w aktywną barierę termiczną 1, którą stanowią ekrany radiacyjne 5 w postaci pięciu płaskich płyt metalowych, osadzonych na prętowych wspornikach 4, usytuowanych w pokrywie 2 i równoległych do osi wzdłużnej retorty 3. Na końcach prętowych przedłużeń wsporników 4 sięgających poza strefę systemu grzejnego aktywnej bariery termicznej 1, są osadzone cztery radiacyjne płaskie pierścienie doszczelniające 5a, zaś na wewnętrznej ścianie retorty 3 są na stałe zamocowane obwodowe płaskie pierścienie uszczelniające 6, których zadaniem jest likwidacja prześwitu - przy zamkniętej pokrywie 2 - pomiędzy ruchomymi ekranami radiacyjnymi retorty 5 i pierścieniami doszczelniającymi 5a a ścianą retorty 3. Z kolei system grzejny bariery termicznej 1 stanowi zespół wykonanych z drutu oporowego elementów dogrzewających 2, usytuowanych za ekranami radiacyjnymi 5 od strony pierścieni doszczelniających 5a, zaś pomiędzy elementami dogrzewającymi 7 a pierścieniami doszczelniającymi 5a, na prętowych przedłużeniach wsporników 4, jest osadzony ekran termiczny 8. Ponadto, w strefie oddziaływania elementów dogrzewających 7 jest usytuowana końcówka osadzonego w pokrywie 2 termoparowego czujnika temperatury 9, umożliwiającego regulację temperatury bariery termicznej 1 i aktywne jej działanie. Utrzymując temperaturę bariery termicznej 1 na równi z temperaturą w przestrzeni roboczej likwiduje się strumień cieplny w tym kierunku, a tym samym redukuje się do minimum zróżnicowanie temperaturowe. Jednocześnie, strumień strat cieplnych w kierunku pokrywy jest kompensowany w całości przez elementy dogrzewające 7.

Piec retortowy z aktywną barierą termiczną 1 jest przeznaczony do realizacji procesów termicznych w próżni, szczególnie do wyżarzania rur wykonanych ze stopów austenitycznych, pod warunkiem równomierności rozkładu temperatury w przestrzeni roboczej ± 3°C, w temperaturach do 650°C. Przestrzeń robocza ma długość 5,5 m, szerokość 1,2 m oraz wysokość 0,16 m (alternatywnie, szerokość 0,9 m i wysokość 0,8 m).

Element dogrzewający 7 ma moc 18 kW. Dla wyrównania temperatury zastosowano pojedynczy metalowy ekran termiczny 8 od strony przestrzeni roboczej retorty 3. Temperatura w przestrzeni zespołu dogrzewającego aktywnej bariery termicznej 1 jest regulowana przy udziale termoparowego czujnika temperatury 9 typu K i jest ustawiana dynamicznie na wartości aktualnie mierzonej temperatury w retorcie 3, w sąsiadującej z barierą strefie przedniej. W wyniku niwelacji różnicy temperatur pomiędzy barierą termiczną 11 a przestrzenią roboczą retorty 3 zanika strumień strat cieplnych w kierunku pokrywy 2, odpowiedzialny za pogorszenie równomierności rozkładu temperatury w przestrzeni roboczej.

Przeprowadzono w piecu proces nagrzewania i utrzymania temperatury 600°C oraz wykonano pomiar rozkładu temperatury w 11 skrajnych punktach przestrzeni roboczej. Po ustabilizowaniu się

PL 213 246 B1 temperatury straty mocy w poszczególnych strefach przedstawiały się następująco: w strefie tylnej 10,9 kW, środkowej - 10,4 kW, przedniej - 19,5 kW oraz elementy dogrzewające 7 bariery termicznej 1 - 4,2 kW. Zwiększone obciążenie strefy przedniej wynika ze stratności po ściance retorty 3 do chłodzonego wodą kołnierza czołowego 16. Moc systemu grzejnego bariery termicznej 1 kompensowała straty przez pokrywę 2. Układ regulacji temperatury wraz z aktywną barierą termiczną 1 był stabilny i w pełni kontrolowany. Uzyskano bardzo dobrą równomierność rozkładu temperatury w przestrzeni roboczej ± 2°C.

Claims (4)

1. Piec retortowy do obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej, zasadniczo składający z cylindrycznej obudowy z pokrywą, cylindrycznej retorty w otulinie izolacyjnej, wykonanej ze stali lub stopów żaroodpornych lub żarowytrzymałych, wyposażony między innymi w zespół technologicznych elementów grzejnych, usytuowanych no retorty, oraz w instalacje chłodzące pieca i pokrywy, znamienny tym, że jest dodatkowo wyposażony w aktywną barierę termiczną (1), którą stanowią ekrany radiacyjne (5) w postaci co najmniej dwóch płaskich płyt metalowych, osadzonych na prętowych wspornikach (4), usytuowanych w pokrywie (2) i równoległych do osi wzdłużnej retorty (3), za którymi, na końcach prętowych przedłużeń wsporników (4) sięgających poza strefę systemu grzejnego bariery termicznej (1), są osadzone radiacyjne płaskie pierścienie doszczelniające (5a), zaś na wewnętrznej ścianie retorty (3) są na stałe zamocowane obwodowe płaskie pierścienie uszczelniające (6).

2. Piec według zastrz. 1, znamienny tym, że system grzejny bariery termicznej (1) stanowi zespół wykonanych korzystnie z drutu oporowego elementów dogrzewających (7), usytuowanych za ekranami radiacyjnymi (5) od strony pierścieni doszczelniających (5a).

3. Piec według zastrz. 2, znamienny tym, że na prętowych przedłużeniach wsporników (4), pomiędzy elementami dogrzewającymi (7) a pierścieniami doszczelniającymi (5a), jest dodatkowo osadzony ekran termiczny (8).

4. Piec według zastrz. 2 albo 3, znamienny tym, że w pokrywie (2) jest osadzony termoparowy czujnik temperatury (9), którego końcówka jest usytuowana w strefie oddziaływania elementów do-