RU147133U1

RU147133U1 - Шахтная вакуумная печь сопротивления

Info

Publication number: RU147133U1
Application number: RU2014112212/02U
Authority: RU
Inventors: Аркадий Васильевич Белов; Валерий Иванович Выбыванец; Владимир Ульянович Королев; Вячеслав Витальевич Кузнецов; Дмитрий Андреевич Трусов; Анатолий Евгеньевич Фисюнов
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2014-03-31
Publication date: 2014-10-27

Abstract

Шахтная вакуумная печь сопротивления для высокотемпературного отжига длинномерных изделий, содержащая водоохлаждаемый корпус с герметизирующей крышкой, нагревательную камеру с экранной теплоизоляцией в виде многослойного пакета из взаимно дистанционированных металлических слоев-экранов и коаксиально размещённый внутри камеры нагреватель с нагревательными элементами в виде вольфрамовых прутков одинакового диаметра, отличающаяся тем, что каждая секция нагревателя по высоте состоит из трех жестко связанных частей, при этом верхняя часть, составляющая 1/10÷1/15 высоты нагревателя, содержит нагревательные элементы в количестве б=В-(3÷9), а в нижняя часть, составляющая 1/15÷1/22 высоты нагревателя, содержит нагревательные элементы в количестве б=В+(3÷9), где В - количество нагревательных элементов в центральной части нагревателя.

Description

Полезная модель относится к области термообработки изделий, в частности к вакуумным печам шахтного типа для высокотемпературного отжига длинномерных изделий, в том числе тонкостенных труб из тугоплавких материалов (поликристаллов, монокристаллов), например W, Mo, Ta и их сплавов.

В научной и производственной практике для термообработки материалов, деталей, изделий широкое распространение получили шахтные вакуумные печи сопротивления с уровнем остаточного вакуума 5*10^-6 мм.рт.ст. и рабочими температурами до 2500°C разной степени совершенства.

Так известна промышленная шахтная печь сопротивления - электропечь ЭСКВЭ-1,2.2,5/25ШМ. (Техническое описание печи от 10.10.2009).

Известная печь содержит герметизируемый крышкой охлаждаемый цилиндрический корпус, в котором размещена нагревательная камера. Основными узлами нагревательной камеры являются: нагреватель, выполненный из вольфрама, теплоизолирующий многослойный экран, окружающий нагреватель в виде вертикального цилиндра, закрытого с торцов крышками, и приспособление для установки изделий в рабочем пространстве камеры.

Однако данная печь обладает серьезным недостатком. Известная конструкция не обеспечивает равномерность нагрева изделий в нагревательной камере из-за существенного реального перепада температур в рабочей зоне нагрева по высоте (до ±50°C), обусловленного неэффективной организацией теплового потока по высоте и азимуту рабочей зоны. Это вызвано тем, что с одной стороны, имеют место нескомпенсированные потери тепла в верхней части нагревательной камеры по токоподводам нагревателя и приспособлению для установки изделия. С другой стороны - присутствует избыток тепла в нижней ее части, представляющей собой глухой теплоемкий колодец. Указанные причины приводят к внутренним термическим напряжениям в термообрабатываемых изделиях и, как следствие, искажению геометрических параметров, например прямолинейности, что влечет за собой увеличение процента брака и себестоимости изготовления, особенно недопустимого в случае групповой обработки изделий из тугоплавких материалов.

В качестве наиболее близкого аналога печи для высокотемпературной обработки изделий, принятого авторами за прототип, является вертикальная шахтная печь сопротивления (патент РФ на полезную модель №114516, МПК F27B 1/10, опубл. 27.03.12). Основными элементами конструкции такой печи являются водоохлаждаемый корпус с герметизирующей крышкой, нагревательная камера с многослойной экранной теплоизоляцией и коаксиально размещенными внутри нее нагревательными элементами на основе прутков из вольфрама, а также термостатирующий экран, высотой равной рабочей зоне нагрева, установленный между нагревательными элементами и изделием, обеспечивающий выравнивание, как правило имеющих место неоднородных тепловых потоков в зоне нагрева. Как вариант, вместо термостатирующего экрана предусмотрена установка в центре рабочей зоны нагрева дополнительного блока нагревательных элементов.

Необходимым результатом успешного проведения термических операций наряду с обезгаживанием, нормализацией структуры материала, снятием внутренних напряжений является обеспечение требуемых геометрических характеристик изделия после термообработки, например прямолинейности, что особенно актуально в случае длинномерных тонкостенных труб, для которых указанные геометрические параметры являются основополагающими.

Известная конструкция печи решает эту задачу при высокотемпературной обработке изделий в глубоком вакууме путем организации равномерного по высоте рабочей зоны теплового потока. Полученное качество потока (однородность, стабильность) и, как следствие, достижение главного результата - равномерности температурного поля по высоте обеспечено путем введения в рабочую зону нагрева дополнительного толстостенного термостатирующего экрана, расположенного между изделиями и нагревателем, или же установкой в центре рабочей зоны нагрева дополнительного блока нагревательных элементов со своей системой управления.

Однако известное техническое решение не свободно от недостатков.

Во-первых, наличие массивного термостатирующего экрана (⌀=110 мм, L=900 мм, δ=4 мм) в первом варианте прототипа или внутреннего дополнительного нагревателя (⌀4 мм, L=900 мм, кол-во 12) из вольфрама, во втором варианте, загромождает рабочую зону, усложняя камеру нагрева и в конечном счете конструкцию печи и ее эксплуатацию, а также увеличивает ее материалоемкость и энергоемкость.

Во-вторых, как следствие, полезный объем рабочей зоны нагрева используется недостаточно эффективно (порядка 50%) из-за наличия в рабочей зоне все тех же упомянутых дополнительных узлов и связанных с ними установочных дистанционирующих расстояний, которые уменьшают рабочее загрузочное пространство, что в конечном итоге отрицательно сказывается на производительности при проведении термовакуумных процессов.

Задача и обеспечиваемый полезной моделью технический результат - упрощение конструкции нагревательной камеры печи при сохранении в ее рабочем объеме стабильного и однородного по высоте рабочей зоны теплового потока, исключающего недопустимые перепады температур и неравномерный нагрев изделий, а также почти двукратное увеличение объема рабочей зоны нагрева, обеспечивающее загрузку дополнительного количества обрабатываемых изделий.

Поставленная задача решается на основе закономерностей электротехники и теплотехники, где тепловыделение и перераспределение тепла по длине проводника (нагревательного элемента) при прохождении тока по телу проводника зависят при прочих равных условиях от геометрии проводника (нагревательного элемента) - диаметра (сечения) и его протяженности. Указанный технический результат достигается тем, что в шахтной вакуумной печи сопротивления, включающей водоохлаждаемый корпус с герметизирующей крышкой, нагревательную камеру с экранной теплоизоляцией в виде многослойного пакета и коаксиально размещенный внутри камеры нагреватель в виде единого узла, состоящий из стандартных вольфрамовых прутков одинакового диаметра в количестве B, нагреватель (согласно полезной модели) имеет в верхней части зону, составляющую 1/10÷1/15 высоты его, содержащую меньшее количество нагревательных элементов в соответствии с соотношением б_в=B-(3÷9), а в нижней части зону, составляющую 1/15-1/22 высоты нагревателя, содержащую большее количество нагревательных элементов в соответствии с соотношением б_н=B+(3÷9).

Упрощение конструкции нагревательной камеры печи путем исключения из зоны нагрева дополнительных габаритных теплоемких узлов (экрана в первом прототипе или нагревательных элементов во втором) позволило существенно (более чем в два раза) увеличить объем зоны нагрева и, как следствие, количество загружаемых изделий, что в свою очередь привело к повышению производительности техпроцессов при сохранении габаритов нагревательной камеры в целом.

Одновременно, применение предложенного «профилированного» по высоте нагревателя, особенностью которого является наличие в его верхней и нижней частях зон определенной протяженности с разным количеством нагревательных элементов одного диаметра (а значит и тепловыделением), которые являются своеобразным компенсатором потерь или избытка теплового потока, обеспечило получение равномерного поля температуры по высоте рабочей зоны нагрева. При этом нагреватель выполняет роль не только источника нагрева, но и одновременно компенсирует вредные концевые эффекты рабочей зоны нагрева (перепады температур), присущие известным нагревательным камерам.

Следует отметить:

- значительное снижение материалоемкости по дорогостоящим применяемым материалам;

- повышение технологичности нагревательной камеры путем исключения операций по изготовлению и установке в рабочую зону нагрева дополнительных узлов (теплосохраняющего экрана или дополнительного нагревателя), роль которых (выравнивание теплового потока по высоте зоны нагрева) выполняется с помощью самого нагревателя.

- существенное улучшение условий как при загрузке-выгрузке изделий, так и при обслуживании нагревательной камеры, повышение надежности при эксплуатации печи в целом

При этом полностью сохранены тепловые характеристики нагревательной камеры и обеспечено требуемое равномерное по высоте поле температур, а также уменьшено энергопотребление печи в целом.

Сущность полезной модели поясняется чертежами.

На фиг. 1 Вид A схематически показана конструкция вакуумной камеры шахтной печи сопротивления на примере 3-х фазного нагревателя.

На фиг. 2 представлен характерный график режима термообработки изделий, где T₁, T₂, T₃ - температура соответственно в верхней, средней и нижней частях рабочей зоны нагрева печи.

Шахтная вакуумная печь сопротивления, изображенная на фиг. 1 Вид A, содержит водоохлаждаемый корпус 1 с герметизирующей крышкой 2, размещенную в корпусе цилиндрическую нагревательную камеру 3 с экранной теплоизоляцией 4 и нагревателем 5. Нагреватель состоит из нагревательных элементов 6 в виде прутков одного диаметра из вольфрама (в интервале ⌀3-6 мм из практики применения в нагревателях) в количестве В с нижним контактно-коммутационным кольцом 7 и верхними токоподводами 8 из вольфрама, образующими рабочую зону нагрева цилиндрической конфигурации, в которой на приспособлении 9 размещаются изделия 10. Экранная теплоизоляция 4 выполнена в виде известного многослойного пакета слоев-экранов из тугоплавких металлов и нержавеющей жаростойкой стали.

Нагреватель с однотипными нагревательными элементами(одного диаметра) имеет в своей верхней части (зоне), составляющей 1/10÷1/15 высоты нагревателя, уменьшенное количество нагревательных элементов (прутков) в соответствии с б_в=B-(3÷9).·Β нижней своей части, составляющей 1/15÷4/22 высоты нагреватель имеет увеличенное количество нагревательных элементов в соответствии с б_н=B+(3÷9). Для осуществления контроля температуры в рабочей зоне нагрева, по высоте на заданном уровне в водоохлаждаемом корпусе выполнены смотровые окна 11 и соответствующие им отверстия 12 в экранной изоляции. Шахтная вакуумная печь сопротивления оснащена штатными системами охлаждения, электропитания, вакуумирования, контроля рабочих параметров и управления (на чертеже не показаны).

Осуществление полезной модели фиг. 1. Вид A с 3-х фазным нагревателем.

В водоохлаждаемом цилиндрическом корпусе 1 из нержавеющей стали с герметизирующей крышкой 2, полость которого соединена с системой вакуумирования, коаксиально установлена нагревательная камера 3 высотой 1000 мм, диаметром - ⌀200 мм с геометрией (объемом) рабочей зоны нагрева H=900 мм, ⌀120 мм.

Экранная теплоизоляция 4 нагревательной камеры представляет собой закрытый с обеих сторон крышками (с теплоизоляцией) многослойный пакет в виде цилиндрического блока, состоящий из дистанционированных слоев-экранов из вольфрама, молибдена и нержавеющей жаростойкой стали толщиной 0,15÷0,30 мм. Внутри блока теплоизоляции размещен 3-х фазный нагреватель 5 в виде «беличьего колеса» высотой 900 мм, состоящий из однотипных нагревательных элементов 6 в виде прутков из вольфрама одного диаметра ⌀4 мм, сгруппированных по окружности нагревателя в 3-й одинаковых электрически самостоятельных нагревательных секции (по числу фаз). В свою очередь каждая секция по высоте состоит из трех жестко связанных частей 13 со своим определенным количеством нагревательных элементов в каждой части. Верхняя часть нагревателя протяженностью 80 мм содержит (в 3-х секциях) общее количество нагревательных элементов б_в=18(3×6), нижняя часть нагревателя протяженностью 50 мм содержит общее количество нагревательных элементов б_н=30(3×10), центральная часть протяженностью 770 мм содержит количество нагревательных элементов B=24(3×8). Нагревательные секции по нижнему торцу конструктивно и электрически объединены контактно-коммутационным кольцом 7 из вольфрама, а верхние части секций (каждая) имеют по одному токоподводу 8 из вольфрама. На приспособлении 9 размещены изделия 10, каждое из которых (в количестве до 15 штук), представляет собой трубу (или пруток) из W, Mo и их сплавов длиной 800÷850 мм и диаметром от 13 мм с толщиной стенки 0,5÷1 мм.

Процесс термообработки изделий проводился в глубоком вакууме с выходом на температурный режим 2000°C и последующей выдержкой на режиме в течение 2÷3 часов. Контроль и регулирование температурного режима для обеспечения температуры заданного уровня в рабочей зоне нагрева осуществляли до температуры 1800°C с помощью температурных датчиков, а свыше 1800°C - пирометрическим способом, используя смотровые окна 11 в водоохлаждаемом корпусе и отверстия 12 в экранной теплоизоляции.

Как видно из графика, представленного на фиг. 2, температура в верхней, средней и нижней частях рабочей зоны нагревательной камеры печи имеет минимальный разброс как на рабочем режиме, так и на режимах разогрева и охлаждения.

Длинномерные изделия, прошедшие термообработку в шахтной печи заявляемой полезной модели, имели непрямолинейность 0,23-0,24 мм (на длине 850 мм).

Таким образом, в заявленном решении экономичным и эффективным способом решена задача существенного упрощения конструкции основного узла печи - нагревательной камеры, что позволило исключить массивный протяженный прогреваемый термостатирующий экран (в варианте 1 прототипа) или блок дополнительных внутренних нагревательных элементов (в варианте 2 прототипа) и, в свою очередь, одновременно увеличить более чем в два раза полезный объем рабочей зоны нагрева (загрузки) изделий. При этом существенно снижены материалоемкость конструкции нагревательной камеры по дорогостоящим тугоплавким материалам, трудоемкость изготовления самой нагревательной камеры, энергоемкость, а так же улучшены условия эксплуатации печи.

Вместе с тем, одновременно при помощи лишь самого нагревателя (без использования загромождающих зону нагрева дополнительных узлов) решена задача оптимальной организации в рабочем объеме нагревательной камеры печи стабильного и однородного по всей высоте надежно управляемого теплового потока, исключающего недопустимые перепады температур и, как следствие, неравномерный нагрев изделий при проведении термообработки на этапах подъема, выдержки на режиме и спуска температуры (см. график фиг. 2).

Claims

Шахтная вакуумная печь сопротивления для высокотемпературного отжига длинномерных изделий, содержащая водоохлаждаемый корпус с герметизирующей крышкой, нагревательную камеру с экранной теплоизоляцией в виде многослойного пакета из взаимно дистанционированных металлических слоев-экранов и коаксиально размещённый внутри камеры нагреватель с нагревательными элементами в виде вольфрамовых прутков одинакового диаметра, отличающаяся тем, что каждая секция нагревателя по высоте состоит из трех жестко связанных частей, при этом верхняя часть, составляющая 1/10÷1/15 высоты нагревателя, содержит нагревательные элементы в количестве б_в=В-(3÷9), а в нижняя часть, составляющая 1/15÷1/22 высоты нагревателя, содержит нагревательные элементы в количестве б_н=В+(3÷9), где В - количество нагревательных элементов в центральной части нагревателя.