Шахтная вакуумная печь сопротивления

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. Шахтная вакуумная печь сопротивления включает водоохлаждаемый корпус с герметизирующей крышкой, нагревательную камеру с экранной теплоизоляцией в виде многослойного пакета из взаимно дистанционированных металлических слоев-экранов и коаксиально размещенные внутри камеры нагревательные элементы в виде вольфрамовых прутков с различным по высоте диаметром D. При этом верхняя часть каждого нагревательного элемента, составляющая 1/10÷1/15 его высоты, выполнена диаметром d_в=D-(0,13÷0,20)·D, а нижняя часть, составляющая 1/15÷1/22 высоты нагревательного элемента, выполнена диаметром d_н=D+(0,13÷0,20)·D. Задача и обеспечиваемый полезной моделью технический результат - упрощение конструкции нагревательной камеры печи при сохранении в ее рабочем объеме стабильного и равномерного 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. 1 н.з.п. ф-лы, 2 ил.

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.

Общеизвестно, что технические и эксплуатационные характеристики изделий в значительной степени зависят от ряда факторов, таких как физико-механические свойства, химический состав, оптимальная структура материала, уровень внутренних напряжений в изделиях и др. На практике эти проблемы решаются с помощью различного вида термообработки изделий в вакууме. Для этих целей используются шахтные вакуумные печи сопротивления с уровнем остаточного вакуума 5*10^-6 мм.рт.ст. с 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, к тому же, 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 114 516, 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, а также термостатирующий экран, высотой равной рабочей зоне нагрева, установленный между нагревательными элементами и изделием, обеспечивающий перераспределение и выравнивание тепловых потоков в зоне нагрева. Как вариант, вместо термостатического экрана предусмотрена установка в центре рабочей зоны нагрева дополнительного блока нагревательных элементов.

Необходимым результатом успешного проведения термических операций должно быть в итоге 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 задачу обеспечения исходной геометрии изделий при высокотемпературной обработке их в глубоком вакууме путем организации равномерного по высоте рабочей зоны теплового потока. Полученное качество потока (равномерность, стабильность) и, как следствие равномерность по высоте температурного поля, достигнуто 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 (Ø=110 мм, L=900 мм, =4 мм) в первом варианте прототипа или внутреннего дополнительного нагревателя (Ø6 мм, L=900 мм, кол-во 12) из вольфрама, во втором варианте, загромождает рабочую зону нагрева, усложняя конструкцию печи и ее эксплуатацию, а также увеличивает ее материалоемкость и энергоемкость.

Во-вторых, как следствие, полезный объем рабочей зоны нагрева используется чрезвычайно не 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 достигаемый при использовании полезной модели технический результат - упрощение конструкции нагревательной камеры печи при сохранении в ее рабочем объеме стабильного и равномерного по высоте рабочей зоны теплового потока, исключающего недопустимые перепады температур и неравномерный нагрев изделий, а также двукратное увеличение объема рабочей зоны нагрева, обеспечивающее загрузку большего количества обрабатываемых изделий.

Поставленная задача решается на основе закономерностей электротехники и теплотехники, где количество тепла, выделенное в проводнике при прохождении тока, и передача тепла по телу проводника зависят при прочих равных условиях от геометрии проводника - 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 из взаимно дистанционированных металлических слоев-экранов и коаксиально размещенные внутри камеры нагревательные элементы в виде вольфрамовых прутков диаметром D, согласно полезной модели верхняя часть каждого нагревательного элемента, составляющая 1/10÷1/15 его высоты, выполнена диаметром d_в=D-(0,13÷0,20)·D, а нижняя часть, составляющая 1/15÷1/22 высоты нагревательного элемента, выполнена диаметром d_в=D+(0,13÷0,20)·D.

Упрощение конструкции нагревательной камеры печи путем применения нагревателя с нагревательными элементами (прутками), имеющими разные диаметры (сечение) по высоте, дало возможность самому нагревателю одновременно (в одном узле) выполнять роль не только источника нагрева, но и компенсировать вредные концевые эффекты (перепады температур) в рабочей зоне нагрева. Это обеспечило получение равномерного поля температур в рабочей зоне нагрева при одновременном исключении из состава камеры дополнительных промежуточных узлов между изделиями и нагревателем (массивный термостатирующий экран в первом варианте прототипа и внутренний блок нагревателей с системой управления - во втором варианте прототипа), что в свою очередь привело к существенному (более чем в два раза) увеличению объема рабочей зоны нагрева (загрузки) изделий и повышению производительности техпроцессов, при сохранении габаритов нагревательной камеры в целом.

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 (экрана или доп. нагревателя), роль которых (выравнивание теплового потока по высоте) выполняется с помощью самих нагревательных элементов (прутков), изготовленных простым, широко распространенным и освоенным в производстве методом круглого шлифования, протяжкой или сваркой

- 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 шахтной вакуумной печи сопротивления.

На фиг. 2 представлен характерный график режима термообработки изделий, где T₁, T₂, T₃ - температура соответственно в верхней, средней и нижней частях рабочей зоны 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 цилиндрическими нагревательными элементами в виде прутков из вольфрама 5 с нижним контактно-коммутационным кольцом 6 и верхним токоподводом 7, коаксиально размещенными внутри камеры и образующими рабочую зону нагрева, а также приспособление 8 для установки изделий 9. Экранная теплоизоляция 4 выполнена в виде известного многослойного пакета слоев-экранов из тугоплавких металлов и нержавеющей жаростойкой стали.

Нагревательные элементы в виде вольфрамовых прутков диаметром D (в интервале Ø3÷6 мм, применяемые в нагревателях) в своей верхней части, составляющей 1/10÷1/15 высоты прутков (зоны нагрева) имеют уменьшенный диаметр (сечение) d_в=D-(0,13÷0,20)·D. В нижней своей части, составляющей 1/15÷1/22 высоты, пруток имеет увеличенный диаметр (сечение) d_н=D+(0,13÷0,20)·D. Для осуществления контроля температуры в рабочей зоне нагрева, по высоте на заданном уровне в водоохлаждаемом корпусе выполнены смотровые окна 10 и соответствующие им отверстия 11 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.

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 зоной нагрева H=900 мм, Ø155 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 размещены 24 шт. цилиндрических нагревательных элементов в виде прутков 5 из вольфрама высотой 900 мм с нижним контактно-коммутационным кольцом 6, а в верхней части - токоподводом 7. Каждый пруток в верхней части равной 80 мм (в интервале 1/10÷1/15) имеет диаметр Ø3.5 мм, в нижней части равной 50 мм (в интервале 1/15÷1/22) - диаметр Ø4,8 мм, в средней части - диаметр Ø4 мм. На приспособлении 8 размещены изделия 9, 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 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 10 в водоохлаждаемом корпусе и отверстия 11 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) и блок дополнительных внутренних нагревателей (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 и энергоемкость, а так же улучшены условия эксплуатации печи.

Вместе с тем, одновременно при помощи лишь самого нагревателя решена задача оптимальной организации в рабочем объеме нагревательной камеры печи стабильного и равномерного по высоте надежно управляемого теплового потока, исключающего недопустимые перепады температур и неравномерный нагрев изделий при проведении режимов термообработки на этапах подъема, выдержки на режиме и спуска температуры (см. график фиг. 2).

Шахтная вакуумная печь сопротивления, содержащая водоохлаждаемый корпус с герметизирующей крышкой, нагревательную камеру с экранной теплоизоляцией в виде многослойного пакета из взаимно дистанционированных металлических слоев-экранов и коаксиально размещенные внутри камеры нагревательные элементы в виде вольфрамовых прутков, отличающаяся тем, что верхняя часть каждого нагревательного элемента, составляющая 1/10÷1/15 его высоты, выполнена диаметром d_в = D-(0,13÷0,20)·D, а нижняя часть, составляющая 1/15÷1/22 высоты нагревательного элемента, выполнена диаметром d_н = D+(0,13÷0,20)·D, где D - диаметр вольфрамового прутка в интервале 3-6мм.