Высокотемпературная вакуумная печь

 

Изобретение относится к электропечам сопротивления для вакуумного обжига керамических изделий. Высокотемпературная ваккумная электропечь состоит из водоохлаждаемого цилиндрического корпуса со съемными крышками, камеры с экранной теплоизоляцией (ЭТ) и нагревательными элементами (НЭ), закрепленными на крышке, причем камера имеет средство для обеспечения подачи и циркуляции газа, откачным отверстием, выкатным узлом для размещения обрабатываемых изделий. Корпус выполнен из коаксиальной пары несущих кожухов (К), в зазоре между которыми расположена ЭТ в виде пластин, разделенных крепежными кольцами, причем К жестко соединены с торцов фланцами, несущими в себе в прямоугольном пазу трубку (Т) водяного охлаждения, а в пазах, расположенных по обе стороны прямоугольного паза и представляющих в поперечном сечении форму типа ласточкиного хвоста, размещены два уплотнительных кольца. Крышка состоит из разделенных фланцем частей, имеющих выпуклую форму с установленными в ней Т для откачки, выводами теплообменника, НЭ и цилиндрической части с прочностной обшивкой и ЭТ. Дно цилиндрической части крышки имеет отверстия под выводные Т и плиту, на которой коаксиально установлены НЭ в виде полых цилиндров различных диаметров, причем внутренний объем наименьшего из цилиндров занимает набор U-образных Т теплообменника, а другая цилиндрическая крышка с прочностной обшивкой между плоским диском с посадочными гнездами для фиксации пода и дном сферическим крышки имеет ЭТ, обе крышки выполнены с возможностью захода на толщину ЭТ во внутренний объем цилиндрического К. Под с садкой из поддонов представляет собой коаксиально расположенные полые цилиндры с толщиной стенок, равной ширине изделия, которые рамещены с возможностью захода в промежутки между цилиндрическими НЭ, и установлен на выкатной тележке с цилиндрической крышкой, связанной с узлом ее перемещения. 2 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электротермии, в частности к электропечам сопротивления для вакуумного обжига керамических изделий, в том числе кирпича различных стандартных типов с меньшими затратами труда и электроэнергии в словиях гибких производств.

Известна обжиговая печь [1] состоящая из 11 камер, образующих зоны предварительного, позднего нагревания кирпича, зоны быстрого охлаждения из первичного и окончательного охлаждения с помощью патрубков с вентиляторами. Камеры нагревания оснащены горелками, которые подают газ сверху и снизу на кирпичи и вытяжными трубами для удаления топочных газов. Нагрев в зонах от 300 до 2300^оF. Между зонами расположены перегородки для ограничения движения газов. Изоляция у обжиговой печи из энергоемких керамических волокон низкой плотности, которые позволяют быстро включать и выключать обжиговую печь. Крышка и боковые стенки покрыты наружной оболочкой из стали с множеством изоляционных слоев, позволяющих выдерживать температуру 2600^оF. Нижняя часть зоны из огнеупорного керамического кирпича с температурой выдерживания соответственно 2300 и 2600^оF. Кирпичи с температурой 2300^оF прокладываются вдоль их наружной стороны рыхлой изоляционной ватой. Кирпичи соединяются соединением типа ласточкиного хвоста с тепловой перегородкой.

Обжиговая печь оснащена вагонетками, которые находятся вмесме с кирпичом при обжиге в печи.

Обжиговая печь работает полько в совокупности с двумя сушилками и вагонетками на рельсах, обеспечивающими достижение влажности кирпича-сырца до уровня ниже 1% по весу, необходимой для введения кирпича в обжиговую печь.Обжиговая печь оснащена оборудованием, контролирющим процессы пуска, остановки, измерения параметров обжига и сушки. Цикл обжига 6-20 ч. Нагрев печи 3-5 ч. Вагонетка выдеживает высоту укладки кирпича от 1 до 8, для достижения качественного обжига при конвективном теплообмене.

Известна также герметичная вакуумная печь [2] состоящая из верхней снимающейся части в виде колпака и днища, расположенного на платформе, причем верхняя часть и днище соединены фланцем, между которым находится прокладочное кольцо. В верхней части печи расположены присоединительные элементы. Печь снабжена охлаждающей рубашкой и предназначена для получения отвержденного расплава, является составной частью в закалочной печи.

Наиболее близкой к предлагаемой является высокотемпературная вакуумная электропечь [3] предназначенная для термообработки изделий. Электропечь содержит водоохлаждаемый корпус, внутри печи размещена камера, образованная экранной теплоизоляцией и четырьмя нагревателями сопротивления, закрепленными на крышке и расположенными попарно и перпендикулярно друг другу. Электропечь имеет две съемных крышки, выполненные с возможностью герметичного соединения с основным корпусом. На одной из крышек смонтирован вентилятор для обеспечения циркуляции газа и прикрепленный к крышке кронштейнами и тонкостенный кожух с экранной изоляцией в виде шнека, вторая крышка служит для загрузки и выгрузки нагреваемого тела и также снабжена экранной изоляцией в виде шнека. В стенке корпуса имеются откачное отверстие и штуцер для газонаполнения. На поде печи размещена подставка для обрабатываемого изделия в виде решетки на стойках из жароупорного материала, либо под может быть выполнен выкатным. Торцовые нагреватели с экранной изоляцией размещены за пределами диаметра шнека-экрана и неподвижно закреплены на крышке печи. Электропечь укомплектована механическим паромасляным вакуумным насосом. Электропечь отличает равномерность нагрева, сложность конструкции, умеренная скорость охлаждения обрабатываемых изделий, повышенная инерционность электропечи при вакуумной технологии за счет увеличенного количества охлаждаемого агента (воды) в водоохлаждаемом корпусе. Электропечь предназначена для индивидуальной термообработки небольших по габаритам изделий из-за невозможности регулирования размеров зоны обогрева. Электропечь требует повышенного внимания к чистоте поверхности экранной изоляции из-за незащищенности последней от обрабатываемых изделий.

Целью изобретения является повышение качества обожженных керамических изделий за счет создания условий для индивидуальной термообработки изделий различных габаритов при одновременном сокращении времени технологического процесса путем проведения в одном объеме (камере) сушки, обжига и остывания, например, кирпича, и снижении инерционности печи при нагреве и остывании путем дополнительного отвода тепла из внутреннего объема (центра) камеры.

Цель достигается тем, что высокотемпературная вакуумная электропечь, состоящая из водоохлаждаемого цилиндрического корпуса со съемными крышками, камеры с экранной теплоизоляцией и нагревательными элементами, закрепленными на крышке, камера снабжена средством для обеспечения подачи и циркуляции газа, откачным отверстием, выкатным узлом для размещения обрабатываемых изделий, где корпус электропечи выполнен из коаксиальной пары несущих кожухов, в зазоре между которыми расположена экранная изоляция в виде пластин, разделенных крепежными кольцами, причем кожухи жестко соединены с торцов фланцами, несущими в себе в прямоугольном пазу трубу водяного охлаждения, а в пазах, расположенных по обе стороны прямоугольного паза и представляющих в поперечном сечении форму типа ласточкина хвоста, рамещены два уплотнительных кольца, а крышка с прочностной наружной обшивкой состоит из разделенных фланцем частей, имеющих выпуклую форму с установленными в ней трубой для откачки газа из печи, выводами труб теплообменника и нагревателей сопротивления, и цилиндрической части с прочностной обшивкой и экранной изоляцией, причем дно цилиндрической части крышки имеет отверстия под выводные трубы и плиту, на которой коаксиально установлены нагреватели сопротивления в виде полых цилиндров различных диаметров, причем внутренний объем наименьшего из цилиндрических нагревателей занимает набор Y-образных труб теплообменника, а другая цилиндрическая крышка электропечи с прочностной обшивкой между плоским диском с посадочными гнездами для фиксации пода и дном крышки, выполненным сферическим, имеет экранную изоляцию с крепежными кольцами, причем обе крышки выполнены с возможностью захода на толщину экранной изоляции во внутренний объем цилиндрического кожуха, а под с садкой из поддонов, представляющих собой коаксиально расположенные полые цилиндры с толщиной стенок, равной ширине изделия, и размещенных с возможностью захода в промежутки между цилиндрическими нагревателями сопротивления, установлен на выкатной тележке с цилиндрической крышкой, которая связана с узлом ее перемещения, установленным на внешней стороне вдоль корпуса электропечи. Узел перемещения выполнен из двухкамерных гидроцилиндров, на концах штоков которых жестко установлены захваты. На наружной поверхности прочностной обшивки электропечи дополнительно установлены датчики контроля за технологическим процессом обработки.

На фиг. 1, 2 представлены схемы предлагаемой электропечи.

Высокотемпературная вакуумная электропечь содержит вакуумный цилиндрический корпус 1, к наружной поверхности которого жестко прикреплен узел 2 перемещения, верхнюю и нижнюю цилиндрическую крышки 3 и 4.

Вакуумный цилиндрический корпус 1 состоит из коаксиальной пары несущих кожухов 5 и 6 (фиг.1), жестко соединенных с торцов фланцами 7 и 8 (фиг.1), в полученной вакуумной камере расположена экранная изоляция 9 (фиг.1), изготовленная из материала с низким коэффициентом черноты, которые разделены крепежными кольцами. Фланцы 7, 8 имеют в поперечном сечении прямоугольный паз, в котором расположена труба 10 водяного охлаждения, и по сторонам которого симметрично расположены два паза, в поперечном сечении имеющие форму типа ласточкина хвоста для крепежа двух уплотнительных колец.

Узел 2 перемещения имеет двухкамерные гидроцилиндры 11, на концах штоков которых жестко установлены захваты 12. Ход штоков от крайнего верхнего положения до крайнего нижнего положения на высоту садки кирпича регулируется известными в технике методами и устройствами (например, на основе гидроклапанов).

Верхняя вакуумная крышка 3 имеет прочностную обшивку 13 (фиг.1), которую делит на верхнюю и нижнюю части фланец 14. Верхняя часть прочностной обшивки имеет, например, форму усеченного конуса, верхнее основание которого имеет отверстия, в которых жестко закреплены горловины в виде труб, одна из которых осевая 15 предназначена для откачки воздуха из объема печи. Остальные по наименьшему диаметру являются выводами Y-образных труб теплообменника 16, а по наибольшему диаметру для выводов нагревателей 17 сопротивления. Нижняя часть прочностной обшивки имеет форму цилиндра с возможностью захода во внутренний объем кожуха по диаметру кожуха 6. Дно нижней части прочностной обшивки обеспечивает поддержание вакуума в верхней крышке 3 и имеет отверстия под вышеперечисленные горловины. В полученной вакуумной камере верхней крышки 3 расположена экранная изоляция 18 с идентичными функциями экранной изоляции 9, которые разделены крепежными кольцами. Причем экранная изоляция 18 верхней крышки 3 на всю толщину входит во внутренний диаметр экранной изоляции 9 вакуумного цилиндрического корпуса 1, что создает тепловую изоляцию одинаковой толщины по периметру. К дну верхней вакуумной крышки 3 крепится плита, на которой коаксиально установлены нагреватели 17 сопротивления в виде полых цилиндров различных диаметров. Расстояние между цилиндрами является рабочим местом и соответствует габаритам керамического изделия с учетом технологического зазоров. Внутренний объем наименьшего цилиндра занимает набор Y-образных труб теплообменника 16.

Нижняя вакуумная крышка 4 имеет прочностную обшивку, боковая поверхность которой имеет форму цилиндра, снаружи охваченного фланцем 19 и закрытого сверху плоским диском 20, имеющим посадочные гнезда (на фиг.1 не показаны) в виде глухих отверстий для фиксации пода 21. Дно цилиндра имет сферическую форму, вогунтую во внутрь цилиндра. В образованной вакуумной камере нижней крышки 4 расположена экранная изоляция 22 с идентичными функциями экранных изоляций 9 и 18, которые разделены крепежными колцьами. Экранная изоляция 22 нижней вакуумной крышки 4 на всю толщину входит во внутренний диаметр экранной изоляции 9 вакуумного цилиндрического корпуса 1. Таким образом экранные изоляции 9, 18, 22 создают замкнутую термокамеру печи одинаковой толщины.

Прочностная обшивка вакуумной электропечи изготовлена из жароупорного материала, а на наружной поверхности обшивки установлена система датчиков, которые контролируют технологические режимы.

Электропечь укомплектована механическим вакуумным насосом (типа ТВ-50-1/6), погрузочно-разгрузочным узлом (например, кран-балка), вентилятором (типа С4-70 N 3), транспортной тележкой 23, электрическим шкафом, поддонами 24.

Транспортная тележка 23 состоит из площадки, на которой неподвижно позиционируется нижняя вакуумная цилиндрическая крышка 4, колесных пар, приводимых в движение индивидуальным приводом, позволяющих ей перемещаться по рельсам 25.

Электропечь в зависимости от загрузки керамического изделия (кирпич, черепица, глиняные изделия, в т.ч. декоративно-прикладные изделия) обеспечивает необходимые температурные режимы и также габариты садки за счет замены поддонов 24 и нагревателей 17 сопротивления с изменением габаритных размеров рабочего места внутри вакуумной камеры печи.

Работа печи представлена на примере изготовления кирпичей. В исходном положении вакуумный цилиндрический корпус 1 постоянно закрыт верхней вакумной крышкой 3, на которой смонтированы нагреватели 17 сопротивления и Y-образные трубы теплообменника 16 для охлаждения. Нижнюю вакуумную крышку 4 прижимают захватами 12 узла 2 перемещения к низу вакуумного цилиндрического корпуса 1, создавая вместе с вышеперечисленными элементами вакуумную камеру печи. Транспортная тележка 23 позиционируется неподвижно в зоне электропечи под нижней вакуумной крышкой 4.

Полный цикл работы электропечи состоит из трех этапов, которые контролируются и управляются известными в технике методами автоматического регулирования: загрузка кирпича; термическая обработка кирпича; выгрузка кирпича.

П е р в ы й э т а п. По программе команд с пульта управления (на фиг.1 не указано) захваты 12 узла 2 перемещения отжимают нижнюю вакуумную крышку 4 от низа вакуумного цилиндрического корпуса 1, опускают и обеспечивают установку нижней вакуумной крышки 4 на транспортную тележку 23 за счет выдвижения штоков гидроцилиндра 11 узла 2 перемещения до нижнего крайнего положения. Затем захваты 12 раскрываются и поднимаются вместе со штоками гидроцилиндров 11 в верхнее положение. Транспортная тележка 23 с установленной на ней нижней вакуумной крышкой 4 перемещается по рельсам 25 в зону загрузки кирпича (на фиг.1 не указано). В зоне загрузки кирпича заблаговременно, вручную или с использованием технических средств (например, тельфера) на поде 21 формируется садка из поддонов 24 с сырцом. Садка представляет собой коаксиально расположенные полые цилиндры, толщина стенки которых равна толщине керамического изделия (например, кирпича), с возможностью попадания в промежутки между цилиндрами нагревателей 17 сопротивления.

При помощи грузоподъемного средства (например, кран-балка) под 21 с садкой устанавливают на нижнюю вакуумную цилиндрическую крышку 4. Затем вместе с транспортной тележкой 23 перемещают по рельсам 25 посредством индивидуального привода в зону электропечи (фиг.2). При совпадении внутренней поверхности кожуха 6 вакуумного цилиндрического корпуса 1 с наружной боковой поверхностью нижней вакуумной цилиндрической крышки 4 транспортная тележка 23 жестко фиксируется механизмом позиционирования (например, гидростопором). Штоки гидроцилиндров 11 узла 2 перемещения выдвигаются до контакта захватов 12 с нижней вакуумной цилиндрической крышкой 4. После захвата нижней вакуумной крышки 4 с садкой сырца начинается подъем посредством подъема штоков гидроцилидров 11 до стыковки фланца 19 нижней вакуумной крышки 4 с фланцем 8 вакуумного цилиндрического корпуса 1, создав замкнутую камеру электропечи.

В т о р о й э т а п термическая обработка кирпича включает в себя следующие технологические операции: сушка, обжиг, остывание.

В производстве кирпича наиболее распространенными являются три способа подготовки сырца: полусухой с влажностью 8-12% пластической с влажностью 18-23% шликерный с влажностью 30-34% Процент влажности сырца является основным фактором, влияющим на время продолжительности процесса сушки. В туннельных сушилках время продолжительности процесса сушки сырца 16-24 ч, а в естественных условиях от 15 до 20 сут. При этом окончательным результатом процесса сушки сырца является влажность 5-7% независимо от способа подготовки.

При понижении давления окружающей среды температуры кипения воды понижается, это создает благопритяные условия для испарения влаги с макро- и микроуровней пористой структуры сырца до 1% влажности. Это при увеличении температуры обжига исключает быстрое образование пара в порах кирпича, что влечет за собой микровзрывы и как следствие трещины во всем объеме тела кирпича.

Процесс сушки заключается в откачке воздуха из замкнутой камеры печи через горловину 15 в верхней вакуумной крышке 3 вакуумным насосом под контролем датчика давления (на фиг.1 не указано). С одновременным постоянным нагревом внутреннего объема камеры печи до 100^оС посредством подачи напряжения на нагреватели 17 сопротивления через дискретную электрическую установку, расположенную рядом с электропечью в электрическом шкафу (на фиг.1 не указано), заданные технологические режимы сушки обеспечиваются нагревателями 17 сопротивления совместно с экранными изоляциями 9, 18, 22, установленными в вакуумных камерах цилиндрического корпуса 1, в нижней и верхней крышках 3 и 4.

При высоких температурах нагрева прочностные характеристики металла понижаются, поэтому воздействие на металл механическими силами при вышеуказанных условиях увеличивает деформацию конструкции. В данном случае механическими силами является атмосферное давление. В заявляемом устройстве одновременно с откачкой воздуха уменьшается действие сил атмосферного давления на внутренние стенки вакумной камеры печи, а затем и полностью исчезает, так как давления в вакуумных камерах цилиндрического корпуса 1, верхней и нижней крышек 3 и 4 уравновешиваются с давлением вакуумной камеры печи. Это приводит к уменьшению деформации внутреннего кожуха 6 вакуумной печи в момент обжига кирпича, но не ухудшает жесткости конструкции всей печи.

Т. о. в заявляемом устройстве создаются вышеизложенные условия сушки, которые в конечном итоге обеспечивают качество изделия (в данном случае кирпича).

При создании вакуума, необходимого для обжига кирпича, прекращается откачка воздуха из камеры печи отключением вакуум-насоса. По окончании процесса сушки начинается повышение температуры внутреннего объема камеры печи до 1000^оС посредством повышения напряжения на нагреватели 17 сопротивления, что обеспечивает плавный переход к следующей операции обжигу кирпича методом излучения.

Излучаемое тепло от нагревателей 17 сопротивления переносится на сырец, который за счет теплопроводности материала нагревается по всему объему тела кирпича до температуры структурного изменения материла. Одновременно тело кирпича в момент обжига является поглощающим, отражающим и излучающими объектом. Образуется единая система теплообмена методом излучения, которая, отражаясь от экранных изоляций 9, 18, 22, установленных в вакуумных камерах цилиндрического корпуса 1, верхней и нижней крышках 3 и 4, создает в вакуумной камере печи температуру, обеспечивающую обжиг.

Интенсивность теплообмена каждой последующей экранной изоляции понижается, что в свою очередь снижает температуру нагрева каждой последующей экранной изоляции. Т. о. наружный кожух 5 будет иметь температуру нагрева 50-120^оС. Взаимное расположение экранной изоляции вакуумного цилиндрического корпуса 1 с нижней и верхней крышками 3, 4 в дополнение к трубе 10 водяного охлаждения, распложенной во фланцах 7, 8 вакуумного цилиндрического корпуса 1, обеспечивает температуру нагрева, регламентированную правилами установки для уплотнителей (например, для резины не более 30^оС).

Для ускорения процесса остывания печи с кирпичом после обжига при одновременном плавном снижении температуры нагрева в камере используются Y-образные трубы теплообменника 16 для принудительного продувания воздуха, давление которого обеспечивается вентилятором (на фиг.1 не показано). При температуре кирпича 100^оС в вакуумную камеру печи подают воздух с помощью впускного клапана, ускоряя процесс остывания кирпича за счет конвективного теплообмена, и создают условия для отжима нижней вакуумной цилиндрической крышки 4 от низа вакуумного цилиндрического корпуса 1.

Т р е т и й э т а п. Захваты 12 узла 2 перемещения отжимают нижнюю вакуумную крышку 4 от низа вакуумного цилиндрического корпуса 1, опускают ее и обеспечивают установку на транспортную тележку 23 за счет выдвижения штоков гидроцилиндров 11 узла 2 перемещения до нижнего крайнего положения. Затем захваты 12 раскрываются, освобождая нижнюю вакуумную крышку 4 с садкой кирпича, и поднимаются вместе со штоками гидроцилиндров 11 в верхнее крайнее положение. Транспортная тележка 23 с установленной на ней нижней вакуумной крышкой 4 и садкой кирпича перемещается по рельсам 25 в зону выгрузки кирпича (на фиг.1 не указано).

В зоне выгруки кирпича при помощи крана-балки выгружают под 21 с садкой обожженного кирпича с нижней вакуумной крышки 4. Разгруженная транспортная тележка 23 с нижней вакуумной крышкой перемещается по рельсам 25 посредством индивидуального привода (на фиг.1 не показан) в зону электропечи. При совпадении внутренней поверхности кожуха 6 вакуумного цилиндрического корпуса 1 с наружной боковой поверхностью нижней вакуумной крышки 4 транспортная тележка 23 неподвижно позиционируется в зоне электропечи. Штоки гидроцилиндров 11 узла 2 перемещения выдвигаются до контакта захватов 12 с нижней вакуумной крышкой 4. После захвата нижней вакуумной крышки 4 начинается подъем посредством подъема штоков гидроцилиндров 11 до стыковки фланца 19 нижней вакуумной крышки 4 с фланцем 8 вакуумного цилиндрического корпуса 1. На этом заканчивается полный цикл работы электропечи, все узлы и детали находятся в исходном положении.

Формула изобретения

1. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ВАКУУМНАЯ ПЕЧЬ, содержащая цилиндрический корпус в виде коаксиальной пары несущих кожухов, разделенных между собой фланцами, и расположенной между ними теплоизоляции, съемные крышки в виде пар обшивок, разделенных между собой фланцами, и расположенной между ними теплоизоляции, уплотнители, размещенные между фланцами, нагревательные элементы, теплообменник, средство обеспечения подачи и циркуляции газа, патрубок откачки, выкатной узел для размещения изделий в виде пода, тележки и подставки, отличающаяся тем, что она снабжена размещенными на внешней стороне корпуса узлом перемещения одной из крышек, теплоизоляция выполнена в виде пластинчатых экранов, разделенных крепежными кольцами, теплообменник выполнен в виде набора U-образных труб, нагревательные элементы выполнены в виде коаксиальных полых цилиндров различных диаметров, в одной из крышек установлены выводы нагревательных элементов и теплообменника и соосно патрубок откачки, а наружная обшивка крышки выполнена выпуклой формы, внутренняя - цилиндрической формы с закрепленной на ее внешней поверхности плитой, на которой коаксиально установлены цилиндры нагревательных элементов, другая крышка связана с узлом перемещения и выполнена с размещенным на внутренней, имеющей цилиндрическую форму обшивке плоским диском с гнездами для фиксации пода, внешняя обшивка имеет сферическую форму, уплотнения выполнены в виде уплотнительных колец и трубки водяного охлаждения, во фланцах выполнены пазы, средний из которых имеет прямоугольное сечение и в нем уложена трубка водяного охлаждения, а другие с поперечным сечением в форме ласточкина хвоста и в них размещены уплотнительные кольца, при этом экраны в крышках размещены в цилиндрических частях, которые расположены во внутреннем объеме внутреннего кожуха, а внутренний объем наименьшего цилиндра нагревательного элемента равен объему набора U-образных трубок теплообменника, подставка выполнена в виде поддонов, представляющих собой коаксиально расположенные полые цилиндры со стенками, толщина которых равна ширине изделия и которые размещены с возможностью захода в промежутки между цилиндрами нагревательных элементов, при этом под и крышка со сферической обшивкой установлены на тележке.

2. Печь по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена установленными на наружном кожухе датчиком контроля за технологическим процессом обработки.

3. Печь по п.1, отличающаяся тем, что узел перемещения крышки выполнен в виде двух камерных цилиндров, на концах штоков которых жестко установлены захваты.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2