RU37017U1 - Изостат для обработки материалов - Google Patents

Description

Изостат для обработки материалов

Полезная модель относится к порошковой металлургии, конкретно к оборудованию и способам обработки материалов в химически активной жидкой, паровой или газовой среде при высоких давлениях и температурах и может наиболее эффективно использоваться при растворении керамических материалов и их структурных преобразованиях под давлением 10-200 МПа при температурах 300°С и выше.

Известны устройства для высокотемпературной обработки заготовок с очисткой газовыделений, например, устройство согласно патенту RU2002583C1, B22F3/14, содержап ;ее систему подвода и отвода газа и герметично закрытый верхней и нижней пробками контейнер, в котором размеш;ены теплоизоляционный колпак и нагреватель, а также систему направления газовых потоков в виде замкнутых, закрытых с одного из торцов охватываюш;их друг друга вертикальных перегородок. Такая конструкция имеет суш;ественный недостаток при обработке изделий в жидкости - малоэффективный нагрев центральной зоны с изделием, так как многоколпаковая система очистки газовыделений с зазорами между ними является в значительной степени теплоизолирующим элементом между нагревателем и изделием, что повышает расход энергии и время разогрева изделия до заданной температуры при большом градиенте температур между нагревателем и изделием, перегревом нагревателя и, как следствие, недолговечностью последнего.

Этот недостаток устранен в конструкции изостата для обработки материалов в жидкости, который является наиболее близким к предложенному (патент RU 2151026С1, B22F3/14, 3/15; 20.06.2000), где сосуд с жидкостью установлен непосредственно над электроиндукционным нагревателем с высокоэффективным отбором тепла

жидкостью от дна сосуда. Известный изостат для обработки материалов содержит герметичный контейнер, соединенный со средством подачи газа, размещенные в нем нагреватель и установленный на нем рабочий сосуд с открытым верхом, предназначенный для размещения в ней обрабатываемого изделия и рабочей среды.

Однако при нагреве до температур, превышающих температуру кипения жидкости, в известном изостате тепловые потери резко возрастают за счет парообразования и последующей конденсации на стенках контейнера, делая нагрев малоэффективным.

Предлагаемая полезная модель решает задачу расширения технологических возможностей обработки изделий в жидкости под давлением и повышенных температурах. Технический результат изобретения заключается в том, что предложенная конструкция реактора, отличающегося наличием теплоизолирующей и реакционной камер, образующих жидкий затвор в охлаждаемой зоне, препятствует выходу пара из реакционной зоны и конденсации его на охлаждаемых стенках контейнера, при этом снижаются энергозатраты, исключается контакт химически активной жидкости со стенками контейнера, значительно расширяя температурный диапазон надежной эксплуатации изостата.

Технический результат достигается тем, что в изостате для обработки материалов, содержащем герметичный контейнер, соединенный со средством подачи газа, размещенные в нем индукционный нагреватель и установленную над ним рабочую камеру с открытым верхним торцем, предназначенную для размещения в ней обрабатываемого изделия и рабочей среды, рабочая камера выполнена в виде сосуда с двойными стенками и дном между ними, внутренняя стенка сосуда образует реакционную камеру, дно которой расположено над нагревателем выше дна между стенками сосуда, дно между стенками расположено ниже зоны действия нагревателя, а изостат снабжен теплоизолирующей камерой. 2

стенка которой расположена в промежутке между стенками сосуда с зазором между открытым нижним торцем теплоизолирующей камеры и дном между стенками сосуда, и с зазором между верхним закрытым ее торцем и верхним открытым торцем реакционной камеры.

Кроме того, он может быть снабжен колпаком, расположенным в реакционной камере с зазором между его открытым торцем и дном реакционной камеры и соединенным в своей верхней части со средством подачи газа.

Заявляемый изостат изображен на фиг. 1-7:

на фиг.1 изображена принципиальная схема изостата в продольном разрезе в рабочем состоянии с газовым и гидравлическим приводами;

на фиг.2 изображен продольный разрез рабочей камеры, установленной на нижней пробке над индукционным нагревателем, с обрабатываемым изделием в полости, заполненной химически активной средой;

на фиг.З изображен продольный разрез рабочей камеры с теплоизолирующей камерой без центрального колпака перед загрузкой в контейнер;

на фиг.4 изображен продольный разрез рабочей камеры с теплоизолирующей камерой, с центральным колпаком перед загрузкой в контейнер;

на фиг.З изображен продольный разрез рабочей камеры;

на фиг. 6 изображен продольный разрез теплоизолирующей камеры без центрального колпака;

на фиг. 7 изображен продольный разрез теплоизолирующей камеры с центральным колпаком.

Изостат для обработки материалов в жидкой, паровой или газообразной среде содержит многокорпусный охлаждаемый силовой контейнер 1, герметично закрытый по торцам верхней 2 и нижней 3 3

пробками. Верхняя пробка 2 газовым капал ом 4 соедипена со средством подачи газа 5. На нижпей пробке 3 размещеп индукционный нагреватель 6, над которым размещен реактор 7. Реактор 7 выполнен в виде цилиндрических тонкостенных элементов и содержит рабочую зону, заполненную химически активной рабочей средой 8 с обрабатываемым изделием 9, образованную между рабочей камерой 10 и теплоизолирующей камерой 11. Рабочая камера 10 (фиг,2, фиг,5) выполнена в виде открытого сверху сосуда с двойными стенками из тонкостенного коррозионно-стойкого материала. Внутренняя стенка сосуда образует реакционную камеру 12с вваренным в центральнз о часть сосуда герметичным дном 13. Внешняя поверхность дна 13 размещается над индукционным нагревателем 6, а на внутренней поверхности размещается обрабатываемое изделие 9. Дно рабочей камеры 10 между стенками находится ниже нагревателя 6 и примыкает к торцу охлаждаемой нижней пробки 3. Между открытым нижним торцем теплоизолирз ющей камеры 11 и дном сосуда между стенками, а также между верхним закрытым торцем камеры 11 и верхним открытым торцем камеры 12 имеются зазоры. Теплоизолирующая камера 11 может быть выполнена в виде двух разделенных теплоизоляционным материалом концентрично вставленных друг в друга колпаков 14, 15 (фиг. 6, 7) из тонкостенного коррозионно-стойкого материала с герметичными крышками. Теплоизоляционный слой камеры 11 в боковой части может быть выполнен в виде газовой полости между колпаками 14, 15, разделенной вваренной между ними тонкостенной обечайкой 16 из тонкостенного коррозионно-стойкого материала с герметичной крышкой. Реакционная камера 12 с обрабатываемым изделием 9 может быть разделена герметичным сверху и открытым снизу тонкостенным колпаком 17 из коррозионно-стойкого материала на центральную и боковую части 18, 19, причем между нижним торцем колпака 17 и дном 13 имеется зазор. Центральная часть 18 герметичным газовым каналом 20 в колпаках

14, 15, 17 соединена через канал в верхней нробке 2 газопроводом 21 со средством подачи газа 5. Средство подачи газа 5 включает мультипликатор 22, имеющий гидравлическую полость 23 соединенную с гидроприводом 24 и газовую полость 25, соединенную газопроводом 21 с рабочей зоной реактора.

Описание работы изостата

Работа изостата для обработки материалов на примере процесса удаления керамического материала из металлических изделий осуществляется следующим образом.

В реакционную камеру 12 на нижней пробке 3 вне контейнера 1 (фиг.2) загружается химически активная среда 8, например, водный раствор щелочи КОН, и обрабатываемое изделие 9. Рабочая камера 10 (фиг.2, фиг.5) накрывается теплоизолирующей камерой 11 (фиг.З, фиг.4). Изделие 9 и среда 8 находятся в образованной рабочей 10 и теплоизолирующей 11 камерами рабочей зоне. Нижняя пробка 3 с установленной на ней сборкой вводится в контейнер 1. Контейнер 1 герметизируется и через газовый канал 20, газопровод 21 и газовый привод 5 заполняется газовой средой, например, азотом, до исходного давления, примерно 0,3-0,5 расчетного конечного давления в контейнере. С ростом давления в контейнере 1 в случае наличия колпака 17 химически активная среда из боковой части 19 рабочей зоны передавливается в центральную часть 18 под колпак 17 до выравнивания давления в любом сечении контейнера 1. Включают индукционный нагреватель 6, который разогревает дно 13 реакционной камеры 12, химически активную среду 8 и обрабатываемое изделие 9. Дно камеры 12 между стенками остается холодным. Нри нагреве среды происходит испарение жидкой составляющей среды, например, воды, из раствора КОН. Испарение продолжается до тех пор, пока парциальное давление паров жидкой составляющей над химически активной средой 8 не достигнет давления

.

5

насыщения жидкости. Например, для воды при давление насыщения ОД01 МПа, при 200V - 1,550 МПа, при - 8,592 МПа, при 374, 22,115 МПа (критическая точка воды). При изменении температуры в реакционной зоне выше критической точки или ниже уровень раствора изменяется от максимального - при до критической температуре и наличии жидкой составляющей в виде жидкости, до минимального - при закритической температуре, где жидкая составляющая присутствует в виде пара (или суперкритического флюида). При нагреве под колпаком 17 давление растет быстрее, чем вне его, и химически активная среда 8, пар выдавливает азот, а потом и сам пар из центральной части 18 в боковую 19. После того, как температура химически активной среды 8 и парциальное давление паров жидкой составляющей станут равными критическим значениям (для воды 374,, 22,1150 МПа), жидкая составляющая испарится и перейдет во флюидное состояние (состояние, при котором плотность пара и жидкости совпадают и для воды равняются 317,763 кг/мЗ). При испарении образующийся пар жидкой составляющей из рабочей зоны частично вытесняет газовую среду. Количество жидкой составляющей по массе выбирается из условия: отнощение массы жидкой составляющей к свободному объему рабочей зоны на 1-2% превыщает критическую плотность жидкой составляющей. За свободный объем принимают объем рабочей зоны реактора без объема, занимаемого обрабатываемым изделием и твердой составляющей химически активной среды. При наличии колпака 17 общий объем раствора не должен превышать объем боковой части 19 рабочей зоны реактора с расширения раствора при нагреве до максимальной температуры процесса. После того, как температура в рабочей зоне превысит критическое значение, давление в ней возрастет, и пар частично может из реакционной камеры 12 попасть в полость между ее стенками. При конденсации в холодной нижней части между этими стенками образуется жидкий затвор, препятствующий дальнейшему выходу пара из

реакционной зоны. Наступает равновесие, дальнейшего парообразования не происходит. Уровень жидкого затвора определяется геометрией контейнера и рабочей камеры, давлением в контейнере, а также параметрами загрузки и химически активной среды. Изменение температуры и давления во всем объеме контейнера 1 и реактора 7 автоматически уравновешивается положением жидкого затвора, обеспечивая равенство давлений во всех полостях без дополнительных средств контроля разности давлений.

После этого рабочую зону с изделием 9, твердой составляюш;ей химически активной среды (твердой щелочи), паром жидкой составляющей среды и газовой средой нагревают до конечной температуры, превышающей температуру плавления щелочи на 5-10 градусов под парциальным давлением паров жидкой составляющей, равным критическому давлению последней или превышающем его на 1-2 МПа. Для щелочи КОН - 410-415°С. Носле этого осуществляют выдержку при заданных параметрах процесса. Во время выдержки периодически (1-5 раз в минуту) изменяют положение уровня жидкой среды следующим образом.

Отключают нагреватель 6 и охлаждают среду в рабочей камере 10 до температуры, на 10-20 градусов ниже критической температуры жидкой составляющей раствора, при этом давление парогазовой среды снижается, водная составляющая конденсируется во всем объеме центральной части, включая поры керамических стержней в отливках, а уровень раствора в рабочей камере 10 поднимается. Включают нагреватель 6 и вновь повторяют нагрев раствора с отливками, тем самым, периодически меняя уровень раствора и концентрацию щелочи в реакционной камере 12 за счет соответств)тощего изменения температуры на 50-80 градусов и давления в контейнере на 0,5-3 МНа, повторяют описанные циклы в

M€.b/3fOS-f

7

течение требующегося времени, обычно 1-6 часов; снижают темнературу, сбрасывают давление и извлекают изделия.

При использовании изостата с колпаком 17 в каждом цикле или в части циклов во время выдержки отливки, нагретые до конечной заданной температуры, подвергают, кроме того, обработке под циклически изменяющемся за счет мультипликатора 22 давлением газовой среды с амплитудой 0,5-3 МПа, при этом с ростом давления под колпаком 17 уровень раствора в центральной части 18 падает, а в боковой 19 -растет. При падении давления в центральной части 18 реакционной камеры 12 уровень расплава щелочи в ней растет, а в боковой - падает, тем самым, периодически меняют уровень расплава в центральной и боковой частях рабочей зоны реактора за счет соответствующего изменения давления в контейнере.

После окончания последнего цикла нагреватель 6 обесточивается, и реактор охлаждается до температуры 100-170°С. Давление снижается до атмосферного через канал 20, и нижняя пробка 3 с реактором, раствором щелочи и изделием 9 выводится из контейнера. Снимается теплоизолирующая камера 11 и изделие 9 извлекается из рабочей камеры 10. Загружается новое изделие и повторяется описанный выше режим.

Claims (2)

1. Изостат для обработки материалов, содержащий герметичный контейнер, соединенный со средством подачи газа, размещенные в нем индукционный нагреватель и установленную над ним рабочую камеру с открытым верхним торцем, предназначенную для размещения в ней обрабатываемого изделия и рабочей среды, отличающийся тем, что рабочая камера выполнена в виде сосуда с двойными стенками и дном между ними, внутренняя стенка сосуда образует реакционную камеру, дно которой расположено над нагревателем выше дна между стенками сосуда, дно между стенками расположено ниже зоны действия нагревателя, а изостат снабжен теплоизолирующей камерой, стенка которой расположена в промежутке между стенками сосуда с зазором между открытым нижним торцем теплоизолирующей камеры и дном между стенками сосуда, и с зазором между верхним закрытым ее торцем и верхним открытым торцем реакционной камеры.

2. Изостат по п.1, отличающийся тем, что он снабжен колпаком, расположенным в реакционной камере с зазором между его открытым торцем и дном реакционной камеры и соединенным в своей верхней части со средством подачи газа.