Печь для газовой химико-термической обработки изделий

 

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при газовой химико-термической обработке изделий. Печь содержит рабочую камеру с крышкой, нагреватель, магистраль подвода реакционного газа и магистраль отвода отработанного газа, электромагнитную систему и расположенный в рабочей камере генератор акустических колебаний, выполненный в виде динамической сирены с регулируемым приводом. Печь имеет датчик обратной связи для регистрации уровня звукового давления и/или частоту акустического поля в рабочей камере, который соединен с приводом динамической сирены. Электромагнитная система охватывает рабочую камеру с внешней стороны. Функцию электромагнитной системы может выполнять и нагреватель, выполненный в виде спирали. Применение изобретения позволяет повысить производительность путем интенсификации нагрева изделий и ускорения процесса диффузии. 1 з.п.ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при газовой химико-термической обработке изделий.

Известная электрическая печь для химико-термической обработки деталей из металлов и сплавов, снабженная электромагнитной системой, охватывающей рабочую камеру. Воздействие магнитных полей позволяет интенсифицировать технологический процесс и повысить качество покрытия [1] Однако создание мощного магнитного поля в рабочей камере требует больших энергетических затрат при сравнительно невысоком эффекте.

Известна также печь для химико-термической обработки изделий, выбранная в качестве прототипа [2] Эта печь содержит рабочую камеру с крышкой, нагреватель, магистрали подачи реакционного газа и отвода отработанного газа. В рабочей камере печи на магистрали подачи реакционного газа установлен генератор акустических колебаний, регулируемых по частоте. На генераторе расположена магнитная система. Несмотря на большую производительность печи и высокое качество обработанных в ней изделий, она имеет ограниченные технологические возможности, например, невозможность повышения магнитной индукции обрабатываемых магнитопроводов.

Задача изобретения расширить технологические возможности печи и повысить ее производительность.

Эта задача решается тем, что в печи для газовой химикотермической обработки изделий, содержащей рабочую камеру с крышкой, нагреватель, магистрали подвода реакционного газа и отвода отработанного газа, электромагнитную систему и регулируемый по частоте генератор акустических колебаний, последний выполнен в виде динамической сирены с регулируемым приводом, а электромагнитная система охватывает рабочую камеру. Печь имеет датчик обратной связи для регистрации уровня звукового давления и/или частоты акустического поля, соединенный с приводом динамической сирены через систему управления.

Сопоставительный анализ с прототипом показал, что заявляемая печь для газовой химико-термической обработки отличается тем, что генератор акустических колебаний выполнен в виде динамической сирены с регулируемым приводом, а электромагнитная система охватывает рабочую камеру. Использование динамической сирены в качестве генератора акустических колебаний совместно с электромагнитной системой, охватывающей рабочую камеру, позволяет интенсифицировать технологический процесс и получить изделия с повышенными физико-механическими и магнитными свойствами.

Наличие датчика обратной связи для регистрации уровня звукового давления и/или частоты акустического поля в рабочей камере, соединенного через систему управления с приводом генератора акустических колебаний, дает возможность автоматически поддерживать необходимые характеристики звукового поля.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена печь в разрезе, общий вид; на фиг. 2 моночастотная динамическая сирена с коническим вал-ротором в разрезе; на фиг.3 разрез А-А на фиг.2; на фиг. 4 - моночастотная динамическая сирена с цилиндрическим вал-ротором в разрезе; на фиг.5 разрез Б-Б на фиг.4; на фиг. 6 поличастотная динамическая сирена в резрезе; на фиг.7 разрез В-В на фиг. 6; на фиг. 8 разрез Г-Г на фиг.6. На фиг. 2,4,6 пунктирные стрелки показывают направленные потоков газа.

Печь состоит из корпуса 1, в котором установлены муфель 2 с нагревателем 3 и крышкой 4 с герметизирующей прокладкой 5. Вместе они образуют герметичную рабочую камеру 6. Нагреватель 3 (как один из вариантов) выполнен в виде электрической спирали, охватывающей рабочую камеру 6, и дополнительно имеет функцию электромагнитной системы. В рабочей камере 6 размещается садка 7 для обрабатываемых изделий. На крышке 4 расположены магистраль подвода реакционного газа 8, магистраль отвода отработанного газа 9 и датчик обратной связи 10 для регистрации уровня звукового давления и/или частоты акустического поля в рабочей камере 6, с помощью канала 11.

Датчик 10 через систему управления (на чертежах не показана) соединен с приводом 12, связанным муфтой 13 с генератором акустических колебаний 14, выполненным в виде динамической сирены.

На фиг. 2 и 3 представлена моночастотная сирена. Она устанавливается на крышке 4 по оси печи и состоит из конического вал-ротора 15 с Г-образными лопастями 16, размещенного в конической расточке корпуса 17, который крепится на крышке 4 печи болтами 18. Корпус 16 имеет осевой канал 19 для входа реакционного газа и несколько отверстий 20 на периферии его конической части для выхода газа.

На фиг. 4-5 второй вариант моночастотной сирены, устанавливающейся на крышке 4 по оси печи. Она состоит из цилиндрического вал-ротора 21 с лопастями 22, размещенного в расточке корпуса 23. Корпус 23 и вал-ротор 21 имеют центральное отверстие 24 для входа газа и несколько равномерно расположенных на периферии нижнего торца отверстий 25 для выхода газа.

На фиг. 6-8 вариант поличастотной динамической сирены, расположенной на крышке 4 по оси печи.

Поличастотная динамическая сирена состоит из цилиндрического вал-ротора 26, расположенного в корпусе 27, и вентилятора 28, жестко установленного с помощью шпонки 29 на нижнем торце вал-ротора 26. Вал-ротор 26 разделен горизонтальной перегородкой 30 с центральным отверстием на две части. В нижней части вал-ротор 26 имеет Г-образные лопасти 31 (4 штуки), в верхней части - Г-образные лопасти 32 (8 штук). Соответственно на цилиндрической поверхности корпуса 27 равноверно расположены два ряда выходных отверстий четыре отверстия 33 и восемь отверстий 34. По оси сирены выполнен входной канал 35.

В печах камерного типа с рабочей камерой в виде параллелепипеда наиболее благоприятными местами установки динамической сирены являются зоны вблизи его вершин с осью вращения ротора, совпадающей с одной из диагоналей параллелепипеда. При необходимости можно установить несколько сирен по числу свободных вершин в рабочей камере.

Печь для газовой химико-термической обработки работает следующим образом (см. фиг. 1 и 2). В рабочую камеру 6 со снятой крышкой 4 помещают садку 7 с обрабатываемыми деталями. Далее крышку 4 закрывают, печь выводят с помощью нагревателя 3 на заданный температурный режим. В процессе своей работы нагреватель 3 создает в рабочей камере 6 переменное электромагнитное поле. По команде с системы управления привод 12 вращает вал-ротор 15 динамической сирены 14. Одновременно с вращением вал-ротора 15 вращается газ, размещенный между лопастями 16. За счет действия центробежных сил газ перемещается к периферии сирены. Так как отверстия 20 в корпусе 17 при вращении вал-ротора 15 перекрываются лопастями 16, на выходе отверстий 20 создается пульсация давления газа, создающая в рабочей камере 6 акустическое поле. По мере вытеснения газа из межлопастного пространства в канале 19 создается разрежение, за счет чего из близлежащего пространства рабочей камеры 6 подсасывается газ. Так в рабочей камере 6 формируются вентиляционные потоки. В процессе нагрева воздух из рабочей камеры 6 вытесняется через магистраль 9 реакционным газом, который подают через магистраль 8. Образуемое сиреной 14 акустическое поле воздействует на обрабатываемые детали как непосредственно, так и путем отражения от стенок рабочей камеры 6. В связи с этим целесообразно выполнение внутренней поверхности крышки 4 параболической. В этом случае все акустические волны, генерируемые динамической сиреной 14 и попадающие на внутреннюю поверхность крышки 4, отражаются вниз параллельно оси печи, концентрируются на садке 7 и интерферируют с волнами, отраженными от дна рабочей камеры 6. Частоту акустических колебаний f излучаемых моночастотной сиреной, определяют по формуле f m·n/60 Гц (1) где m число отверстий в корпусе; n скорость вращения ротора, об/мин.

КПД рассматриваемой сирены можно регулировать изменением величины бокового зазора δ за счет осевого перемещения вал-ротора 15 относительно корпуса 17.

Так как размеры и форма садки 7 с деталями могут быть самыми различными, то и интенсивность акустического поля в рабочей камере печи за счет волновых явлений (отражение, интерференция, дифракция) будет разной несмотря на постоянный режим работы сирены.

Для поддержания интенсивности акустического поля на заданном уровне привод 12 по команде с системы управления может корректировать скорость вращения вал-ротора 15, а следовательно и характеристики акустического поля.

Использование моночастотной сирены согласно фиг. 4-5 позволяет формировать мощное прямое акустическое воздействие на обрабатываемые детали. Это обусловлено размещением выходных отверстий 25 в горизонтальной плоскости, обращенной непосредственно к садке 7 с деталями. Как и в предыдущем варианте для сирены, приведенной на фиг. 4-5, частоту генерируемого поля определяют по формуле (1), а КПД меняют регулировкой зазора d.

Поличастотная сирена, представленная на фиг. 6-8, работает следующими образом. При вращении вал-ротора 26 газ распределяется в области входного канала 35 на четыре потока. Первый, входящий в сирену поток, перемещается по оси вращения вал-ротора 26 в область разреженного давления. Второй отходящий от сирены поток формируется вращением вентилятора 28, который закручивает и отбрасывает часть газа из первого потока по плоскости своего вращения. Третий отходящий поток формируется при прохождении газа через нижнюю часть сирены между вращающимися лопастями 31 и далее через отверстия 33. Четвертый отходящий поток формируется при прохождении газа через верхнюю часть сирены между вращающимися лопастями 32 и далее через отверстия 34. Вместе эти потоки создают мощную вентиляцию рабочей камеры. Одновременно с вентиляцией поличастотная сирена генерирует акустическое поле. При этом нижняя часть сирены создает частоту акустических колебаний, определяемую формулой f₁ m₁·n/60 Гц (2) а верхняя часть сирены создает частоту акустических колебаний, определяемую формулой: f₂ m₂·n/60 Гц (3) где m m числа отверстий соответственно в нижней и верхней частях корпуса; n скорость вращения вал-ротора 26, об/мин.

При формировании акустического поля необходимо учитывать геометрию и линейные размеры рабочей камеры, так как они определяют интенсивность этого поля. Так, для создания резонансного акустического поля в шахтной печи необходимо наличие плоского дна у рабочей камеры, обладающего высоким коэффициентом отражения акустических волн, а частоты акустических колебаний должны отвечать следующему условию: f K·c/2H, Гц (4)
где К любое целое число;
с скорость звука в газе, м/с;
Н расстояние от излучающей акустическое поле поверхности до дна рабочей камеры, м.

(Справочник по акустике. Под ред. Сапожкова М.А. М. Связь, 1979, с.22).

Приравняв правые части уравнений (1) и (4), можно найти директивные частоты вращения моночастотной сирены, при которых в рабочей камере шахтной печи с конкретной геометрией будет возникать резонансное поле
n 30 K·C/m·H об/мин (5)
Для создания мощного акустического поля в печах камерного типа (рабочая камера близка по форме к параллелепипеду) необходимо формировать акустические колебания на частотах реверберации, определяемые по формуле

где К₁, К₂, К₃ любые целые числа;
L₁, L₂, L₃ соответственно длина, ширина и высота рабочей камеры, м.

(См. Справочник по акустике под ред Сапожкова М.А. М. Связь, 1979, с. 190).

Приравняв правые части уравнений (1) и (6), можно определить директивные частоты вращения привода моночастотной сирены, при которых в рабочей камере камерной печи с конкретной геометрией и размерами будет возникать резонансное поле

После нагрева печи до температуры термодиффузионного насыщения по магистрали 8 в рабочую камеру подают реакционный газ. В процессе формирования диффузионного слоя акустического и электромагнитное поля могут менять свои параметры. Так, акустическое поле может периодически менять частоту и уровень звукового поля в рабочей камере путем изменения режима работы привода 12. Постоянное магнитное поле в рабочей камере можно создать путем подключения спирали нагревателя 3 к источнику постоянного тока. На фиг.1 изображена спираль, совмещающая в себе функции нагревателя и электромагнитной системы, но не исключена возможность создания раздельной с нагревателем электромагнитной системы, охватывающей муфель 2 с внешней стороны.

После окончания термодиффузионного насыщения печь переводится на режим охлаждения. Для этого на нагревателе 3 снижают мощность, а по магистрали 8 в рабочую камеру 6 подается предварительно охлажденный нейтральный газ. Динамическая сирена создает в рабочей камере постоянное акустическое поле. При снижении садкой 7 температуры до заданной, она извлекается из печи и процесс считается законченным.

Такое техническое решение позволяет интенсифицировать нагрев деталей за счет возникновения в них вихревых токов и микроциркуляций молекул газа от вибрации; ускорить процесс диффузии за счет возникновения в поверхностном слое деталей переменных напряжений от вибрации и магнитострикционных явлений; существенно улучшить физико-механические свойства не только диффузионного слоя, но и сформировать заданные свойства по всему объему деталей (например повысить электромагнитную индукция); интенсифицировать при необходимости процесс охлаждения.

В деталях после обработки существенно снижены внутренние напряжения и коробление. Структура металла получается более мелкая и гомогенная как в диффузионном слое, так и по всему объему деталей.

Таким образом, преимуществом предлагаемого технического решения являются повышение производительности печи и возможность регулирования физико-механических свойств деталей в широком диапазоне, обусловленное совместным воздействием на них акустического и электромагнитного полей в процессе химико-термической обработки.

Формула изобретения

1. Печь для газовой химико-термической обработки изделий, содержащая рабочую камеру с крышкой, нагреватель, магистрали подвода реакционного газа и отвода отработанного газа, электромагнитную систему и регулируемый по частоте генератор акустических колебаний с приводом, отличающаяся тем, что генератор акустических колебаний выполнен в виде динамической сирены с регулируемым приводом, а электромагнитная система охватывает рабочую камеру.

2. Печь по п. 1, отличающаяся тем, что она имеет датчик обратной связи для регистрации уровня звукового давления и/или частоты акустического поля в рабочей камере, соединенный через систему управления с приводом генератора акустических колебаний.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8