Теплоизоляционный экран

Полезная модель относится к электротермии, в частности, к элементам конструкции электропечей, в которых технологические процессы протекают при высоких температурах в условиях невысокого вакуума (порядка 10^-1 мм рт.ст.), и может быть использована в порошковой металлургии, в транспортном оборудовании для перевозки горячих слитков, в черной металлургии. Теплоизоляционный экран выполнен в виде многослойной системы, включающей последовательно установленные слои из углеродсодержащего материала, при этом монолитный слой, располагаемый со стороны высокотемпературной поверхности, выполнен из термостойкого композиционного углеродного материала, контактирующий с ним слой выполнен из низкоплотного пористого углеродного материала, а внешний слой выполнен из углеткани. Композиционный углеродный материал имеет плотность 8001800 кг/м³. Термостойкость слоев в инертной среде составляет не менее 2500°С. Каждый слой выполнен, преимущественно, в виде замкнутой поверхности, слои установлены коаксиально, а толщина каждого слоя составляет 810 мм. Экран надежен в эксплуатации; рабочая температура заявляемого экрана до 2300°С; температура на внешней поверхности экрана ниже 1000°С; низкая себестоимость экрана за счет использования материалов, выпускаемых серийно отечественной промышленностью; подбор материалов слоев с определенными теплофизическими характеристиками позволили значительно снизить габаритно-массовые характеристики экрана. 4 з.п.ф., 1 табл., 1 илл.

Полезная модель относится к электротермии, в частности, к элементам конструкции электропечей, в которых технологические процессы протекают при высоких температурах в условиях невысокого вакуума (порядка 10 мм рт.ст.), и может быть использована в порошковой металлургии, в транспортном оборудовании для перевозки горячих слитков, в черной металлургии.

Известен теплоизоляционный мат по патенту РФ 2130150, МПК⁹ F16L 59/06, опубликованный 10.05.1999 г., выполненный в виде многослойной системы, состоящей из слоев экранов, разделенных прокладочным материалом, с внешним защитным слоем. Для теплоизоляции высокотемпературных поверхностей слои экранов, наиболее близко расположенные к этой поверхности, выполняют из термостойкого материала с высокой отражательной и низкой поглощательной способностью, например из фольги полированной нержавеющей стали, количество слоев должно обеспечивать снижение температуры до 250-300°С. Следующие слои экранов изготавливают из фольги полированного сплава алюминия. Прокладочный материал выполнен в виде сетки из термостойкого материала, величина ячеек которой определяется сложностью кривизны поверхности. Внешний защитный слой, контактирующий с высокотемпературной поверхностью, изготавливают из термостойкого материала, например муллито-кремнеземистого прошивочного волокна, предварительно термообработанного. Однако такой теплоизоляционный мат (экран) может работать при температурах, не превышающих теплостойкость полированной нержавеющей стали, т.е. до 1000°С, что сужает область применения в технологических процессах.

Известен теплозащитный слоистый экран по патенту РФ 2343044, МПК⁹ B22F 7/00, опубликованный 10.01.2009 г., один из слоев которого выполнен из порошкового материала на основе карбида бора, а другие - на основе карбида и нитрида бора, с градиентом относительного содержания бора, уменьшающимся в направлении от слоя на основе карбида бора к периферии пакета. При этом толщину слоев и массовые доли соединений бора определяют из определенных соотношений. Последующее горячее прессование пакета проводят в диапазоне температур 1700°-2000°С при давлении 2530 МПа, остаточном давлении воздуха 15 Па. Однако такой теплоизоляционный экран очень сложен в изготовлении, имеет высокую себестоимость и может применяться в ограниченной номенклатуре технологических процессов.

В качестве прототипа взят теплоизоляционный экран по патенту РФ 2041438, МПК⁹ F27D 1/00, опубликованный 09.08.1995 г., содержащий последовательно соединенные элементы, образующие замкнутую поверхность. Элементы выполнены в виде фасонных деталей, входящих один в другой сопрягающимися поверхностями с возможностью угловых перемещений друг относительно друга боковыми полуокружностями, равными половине толщины детали. Элементы выполнены из теплостойких материалов, подвергаемых предварительно различным видам термической и химико-термической обработки. Это позволяет создать модульную конструкцию, теплоизоляцию из деталей одного размера, работающих при температурах до 1800°С. Однако при температурах выше 2000°С конструкция ненадежна из-за возможного «пробоя» в местах стыка. Нуждается в тщательной сборке отдельных элементов, в собранном виде конструкция не транспортабельна, имеет высокую себестоимость изготовления.

Задачей настоящей полезной модели является повышение рабочей температуры теплоизолирующего экрана до 2300°С при разрежении среды 10 мм рт.ст., с одновременным упрощением его конструкции и эксплуатации и уменьшением себестоимости.

При использовании предлагаемой полезной модели достигается следующий технический результат:

1) обеспечена рабочая температура устройства до 2300°С в течение 6 месяцев при односменной работе;

2) температура на внешней поверхности теплоизоляционного экрана ниже 1000°С, что дает возможность для поддерживающего каркаса индуктора использовать недорогие конструкционные материалы;

3) для изготовления экрана используются материалы, выпускаемые серийно отечественной промышленностью, что снижает себестоимость устройства;

4) заявляемое устройство надежно в эксплуатации, так как исключает разгерметизацию и предохраняет индуктор от «прожогов»;

5) подбор материалов с определенными теплофизическими характеристиками позволил уменьшить объем и габариты теплоизоляции, следовательно, и всей высокотемпературной печи.

Для решения поставленной задачи и достижения технического результата предлагается теплоизоляционный экран, выполненный в виде многослойной системы, включающий последовательно установленные слои из углеродосодержащего материала. Монолитный слой, располагаемый со стороны высокотемпературной поверхности, выполнен из термостойкого композиционного углеродного материала с плотностью 8001800 кг/м³. Контактирующий с ним слой выполнен из низкоплотного пористого углеродного материала, а внешний третий слой выполнен из углеткани. Каждый слой представлен в виде замкнутой поверхности, и слои установлены коаксиально. Термостойкость каждого слоя в инертной среде не менее 2500°С. Толщина каждого слоя составляет 810 мм.

Отличительными признаками предлагаемой полезной модели от указанного прототипа являются наличие двух слоев, установленных последовательно за имеющимся в прототипе слоем из термостойкого композиционного углеродного материала. Первый дополнительный слой выполнен из низкоплотного пористого углеродного материала, второй (внешний) слой выполнен из углеткани. Отличием является и то, что все три слоя выполнены монолитными и, преимущественно, каждый слой выполнен в виде замкнутой поверхности, слои установлены коаксиально. При этом термостойкость слоев в инертной среде составляет не менее 2500°С, а толщина каждого слоя составляет 810 мм.

Использование малоплотных углеродных материалов для монолитных слоев теплоизоляции позволяет значительно сократить вес теплоизоляционного экрана, что обеспечивает оптимальные условия работы с ним при монтаже и разборке.

В предлагаемом теплоизоляционном экране использованы углеродные материалы, обладающие высокой термостойкостью в инертной среде. Используемые материалы имеют термостойкость 2500°3000°С, что позволяет проводить технологические процессы на оптимальном уровне. Замкнутая форма слоев теплоизоляционного экрана, когда последующий коаксиальный слой плотно прилегает к предыдущему, создает жесткую конструкцию, способную даже при высоких температурах не деформироваться длительное время, сохранять форму и ограниченный экраном рабочий объем.

Применение современных теплоизоляционных материалов с очень низкими коэффициентами теплопроводности (см. таблицу 1) позволяет уменьшить толщину слоев защитного экрана до 810 мм и суммарную толщину теплоизоляционного экрана, а применение серийно выпускаемых материалов позволило значительно снизить себестоимость устройства.

Совокупность этих признаков позволяет создать технологическое оборудование, способное длительное время в разреженной среде (10^-1 мм рт.ст.) и в замкнутом объеме создавать температуру до 2300°С, необходимую для протекания технологического процесса.

На фиг.1 представлена схема предлагаемого теплоизоляционного экрана.

Теплоизоляционный экран представляет собой трехслойную композицию. Внутренний, контактирующий с высокотемпературной поверхностью, упрочненный слой 1 состоит из материала «Карбон» толщиной 810 мм с плотностью 8001800 кг/м³. Этот слой является рабочим объемом тепловой камеры с температурой 2300°С на внутренней поверхности и температурой 1800°С на наружной поверхности в процессе работы. На наружную поверхность карбонового слоя накладывается слой 2 из материала «Карбопон» толщиной 810 мм с плотностью 100120 кг/м³, имеющий в процессе работы температуру на внутренней поверхности 1800°С и температурой на наружной поверхности 1600°С. Слой из материала «Карбопон» фиксируется с помощью слоя 3 из углеткани «Урал» толщиной 810 мм с температурой 1600°С на внутренней поверхности и температурой на наружной поверхности ниже 1000°С. Торцевые поверхности теплоизоляционного экрана закрыты теплоизолирующими накладками из материалов позиции 1, 2, 3.

Предлагаемое сочетание слоев позволяет ступенчато понижать температуру с 2300°С до 1000°С. Для предотвращения электрического пробоя между водоохлаждаемым индуктором 4 и теплоизоляционным экраном установлен теплоэлектроизоляционный слой 5 из муллитокорундового легковеса МКЛ - 1, 3, который обеспечивает дальнейшее снижение температуры на наружной поверхности с 1000°С до 100°С.

В табл.1 представлены характеристики материалов, применяемых в теплоизоляционном экране.

Таблица 1
Наименование показателя	Карбон	Карбопон	Углеткань «Урал»
1	2	3	4
Поверхностная плотность, г/м2		230330	1701100
Объемная плотность, кг/м3	8001800	100120
Теплопроводность при 20°С, Вт/м·градус К	2,3315,1	0,070,1	1,54,43
Теплоемкость Дж/кг·градус К		800
Рабочая температура в инертной среде	до 3000°С	до 3000°С	до 3000°С
Рабочая температура в кислородсодержащей среде	до 450°С	до 450°С	до 450°С

1. Теплоизоляционный экран, выполненный в виде многослойной системы, включающей последовательно установленные монолитные слои из углеродсодержащего материала, при этом слой, располагаемый со стороны высокотемпературной поверхности, выполнен из термостойкого композиционного углеродного материала, контактирующий с ним слой выполнен из низкоплотного пористого углеродного материала, а внешний слой выполнен из углеткани.

2. Теплоизоляционный экран по п.1, отличающийся тем, что композиционный углеродный материал имеет плотность 800-1800 кг/м³.

3. Теплоизоляционный экран по п.1, отличающийся тем, что термостойкость каждого слоя в инертной среде составляет не менее 2500°С.

4. Теплоизоляционный экран по п.1, отличающийся тем, что каждый слой выполнен в виде замкнутой поверхности и слои установлены коаксиально.

5. Теплоизоляционный экран по п.1, отличающийся тем, что толщина каждого слоя составляет 8-10 мм.