Металлическая лодочка для печей спекания

 

Изобретение относится к области производства керамических изделий, преимущественно к металлическим лодочкам для транспортировки через высокотемпературную печь спекания спрессованных из порошка двуокиси урана топливных таблеток для твэлов ядерных реакторов, и направлено на повышение технологичности изготовления лодочки, уменьшение металлоемкости, увеличение ее срока службы и ремонтопригодности. Сущность изобретения: металлическая лодочка для печей спекания состоит из дна и съемной обечайки, состоящей из двух и более частей, соединенных между собой с зазором, причем перемещение обечайки относительно дна и частей обечайки относительно друг друга фиксируется ограничителем перемещений, обеспечивающим компенсацию неравномерных температурных расширений. 6 з.п.ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к области производства керамических изделий, преимущественно к металлическим лодочкам для транспортировки через высокотемпературную печь спекания спрессованных из порошка двуокиси урана топливных таблеток для твэлов ядерных реакторов.

Высокотемпературная печь является важным компонентом технологии спекаемой керамики. Печь для спекания керамических изделий, в частности, имеет несколько зон различной протяженности, существенно отличающихся друг от друга по температуре (характерная температура зоны 1750 - 1800^oC и разность температур в соседних зонах печи достигает 1000^oC). В процессе технологического цикла лодочка для транспортировки обрабатываемых изделий может находится на границе соседних температурных зон.

Известны конструкции лотков, контейнеров, лодочек как для сушки, так и для спекания керамических изделий. Лотки для высокотемпературного спекания керамических изделий (магниты, твердые сплавы, топливные стержни, таблетки из двуокиси урана), в отличие от лотков для сушки, должны сохранять работоспособность при высоких температурах, что обеспечивается использованием тугоплавких материалов на основе молибдена, ванадия и вольфрама. Изготовление заготовок (лист, полоса, пруток) для таких лодочек, в основном, производится методами порошковой металлургии.

Приспособление для высокотемпературной обработки изделий [1] содержит соединенные между собой днище и замкнутую обечайку с выполненными по ее периметру вертикальными пазами в виде двусторонних канавок с образованием между ними перемычки, толщина которой увеличивается от верха обечайки к днищу. Перемычки выполнены с расположенными рядами сквозными отверстиями. Недостатками такой конструкции контейнера являются низкие технологичность при изготовлении, срок службы и ремонтопригодность, большая материалоемкость. Неразъемность соединения дна и обечайки приводят к появлению в них существенных термических напряжений. В условиях неравномерного нагрева замкнутая обечайка лодочки подвергается термическим деформациям, связанным с расположением обечайки в различных температурных зонах в печи.

Лодочка для печи ВТИ конструкции КБ АО "Полема" (г. Тула) [4] выполнена в виде прямоугольного ящика без верхней крышки с жестким соединением дна с обечайкой и двух полуконтуров обечайки, согнутых из полосы. Соединения выполнены при помощи заклепок, расклепанных без зазоров. Недостатками такой конструкции лодочки являются низкие срок службы и ремонтопригодность. В местах соединения дна с обечайкой и частей обечайки между собой в условиях неравномерного нагрева происходит разрушение соединений (срез заклепок), коробление контура обечайки.

Металлическая лодочка для транспортировки сырья через печь для спекания [2] состоит из толстой и очень жесткой ударопрочной пластины дна, съемной тонколистовой рамки (перфорированной или нет), закрепляемой на указанной пластине дна; пластина и рамка сделаны из молибдена или его сплавов.

Опыт эксплуатации лодочек с неразъемным соединением дна, обечайки и частей обечайки между собой (как при помощи заклепок, поставленных без зазора, так и при помощи сварки) показал, что недостатками данной конструкции являются низкие срок службы и ремонтопригодность, что экономически не выгодно в связи с высокой стоимостью материала. Лодочки приходят в негодность в связи с появлением трещин в сварных швах, разрушением заклепок, недопустимым формоизменением обечайки. При наличии съемной сплошной обечайки срок службы лодочек ограничивается разрушением обечайки.

В качестве прототипа выбрана металлическая лодочка для печей спекания [2].

Для объяснения наблюдаемых разрушений были проведены расчеты напряженно-деформированного состояния и остаточных формоизменений в условиях нестационарного нагрева загруженных изделиями лодочек в процессе их пошагового перемещения в печи ВТИ с учетом различной температуры между зонами печи. Расчеты проведены на ПЭВМ типа IBM PC 486 DX4 по коду ANSYS, в котором реализован алгоритм расчета объемных конструкций методом конечных элементов.

Анализ полученных результатов показал, что в условиях неравномерного нагрева лодочек неразъемность соединения дна с обечайкой и сплошность обечайки являются причиной возникновения термических напряжений в ней. В условиях штатных режимов спекания в печах ВТИ напряжения в обечайке достигают предела текучести молибдена так, что лодочки такой конструкции работают в условиях ползучести при развитых пластических деформациях. Термоциклы способствуют накоплению необратимых формоизменений и тем самым снижают ресурс лодочек. При наличии съемной сплошной обечайки напряжения концентрируются в ней.

Уровень напряжений в лодочках резко снижается, если обеспечить статическую определимость конструкции в условиях неравномерных температурных расширений, выполнив соединения дна с обечайкой и контура обечайки с зазорами, достаточными для компенсации разности температурных расширений соединенных частей.

Технической задачей предлагаемой конструкции является повышение технологичности изготовления лодочки, уменьшение металлоемкости, увеличение ее срока службы и ремонтопригодности.

Для решения поставленной задачи предлагается металлическая лодочка для печей спекания, состоящая из дна и съемной обечайки, состоящей из двух и более частей, соединенных с зазором, причем перемещение обечайки относительно дна и частей обечайки относительно друг друга фиксируется ограничителем перемещений, обеспечивающим компенсацию неравномерных температурных расширений.

В качестве ограничителя относительного перемещения дна и обечайки предлагается использовать: два и более штырей высотой не менее половины высоты обечайки; фрезерованный в дне уступ; паз в дне, состоящем из двух плит, соединенных между собой внахлестку посредством заклепок, поставленных с зазором.

В качестве ограничителя перемещений частей обечайки, соединенных с зазором, относительно друг друга предлагается использовать: при соединении частей обечайки в нахлестку заклепки, поставленные с зазором; при соединении частей обечайки встык с зазором промежуточную пластину, соединенную с частями обечаек посредством заклепок, поставленных с зазором; при соединении частей обечайки встык с зазором замок.

Конструкция металлической лодочки представлена на фиг. 1 - 2. Лодочка состоит из дна 1, на котором установлена съемная обечайка 2, состоящая из двух и более частей.

На фиг. 3 представлен ограничитель перемещения съемной обечайки 2 относительно дна 1 посредством штырей 3, закрепленных на дне, причем высота штырей должна быть не менее половины высоты обечайки для обеспечения возможности извлечения лодочки из печи при заклинивании без просыпания спекаемых изделий.

На фиг. 4 представлен ограничитель перемещения съемной обечайки 2 относительно дна 1 посредством фрезерованного в плите уступа.

На фиг. 5 представлен ограничитель перемещения съемной обечайки 2 относительно дна 1 посредством паза, организованного в дне. В этом случае дно состоит из плит, скрепленных между собой посредством заклепок 4, поставленных с зазором.

На фиг. 6 представлен ограничитель перемещения частей обечаек 2, соединенных между собой внахлестку с зазором, в виде заклепок 5, поставленных с зазором.

На фиг. 7 представлен ограничитель перемещения частей обечаек 2, соединенных между собой встык с зазором, в виде промежуточной пластины 6, соединенной с частями обечаек посредством заклепок 5, поставленных с зазором.

На фиг. 8 представлен ограничитель перемещения частей обечаек 2, соединенных между собой встык с зазором, в виде замка 7.

Преимуществами предлагаемой металлической лодочки являются повышенный срок службы, ремонтопригодность, снижение металлоемкости. Оценка повышения срока службы рассчитывалась из сравнения уровня напряжений в базовой и предлагаемой металлических лодочках. Результаты расчета эквивалентных напряжений в лодочках различных конструкций приведены на фиг. 9-11. На фиг. 9 показано распределение эквивалентных напряжений в неразъемной лодочке. На фиг. 10 показано распределение эквивалентных напряжений в лодочке со съемной обечайкой. На фиг. 11 показано распределение эквивалентных напряжений в предлагаемой лодочке.

В настоящее время разработаны рабочие чертежи и изготовлена опытная партия металлических лодочек предлагаемой конструкции.

За базу для сравнения принят вариант лодочки конструкции КБ АО "Полема" (г. Тула), которая в настоящее время используется для спекания таблеток для твэлов ядерных реакторов ВВЭР, РБМК, БН. В результате технико-экономического расчета определено, что предлагаемая лодочка на 3 кг легче, чем используемая. Ожидаемый экономический эффект с учетом снижения металлоемкости, прогнозируемого повышения срока службы, без учета ремонта, который данная конструкция допускает, составляет около 1500 $ USA на одну лодочку.

Литература: 1. Авторское свидетельство СССР N 1404778, 23.06.88.

2. Авторское свидетельство СССР N 1640506, 07.04.01.

3. Патент USA N 3553800 23.12.68.

4. Лодочка для печи ВТИ. Черт. 8Х-443. КБ АО "Полема".

Формула изобретения

1. Металлическая лодочка для печей спекания, состоящая из дна и съемной обечайки, отличающаяся тем, что контур обечайки состоит из двух и более частей, соединенных между собой с зазором, причем перемещение обечайки относительно дна и частей обечайки относительно друг друга фиксируется ограничителем перемещений, обеспечивающим компенсацию неравномерных температурных расширений.

2. Лодочка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве ограничителя перемещений обечайки относительно дна используются два и более штырей высотой не менее половины высоты обечайки.

3. Лодочка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве ограничителя перемещений обечайки относительно дна используется фрезерованный в дне уступ.

4. Лодочка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве ограничителя перемещений обечайки относительно дна используется паз в дне, состоящем из двух плит, соединенных между собой внахлестку посредством заклепок, поставленных с зазором.

5. Лодочка по п.1, отличающаяся тем, что части обечайки соединены между собой внахлестку, а в качестве ограничителя перемещений частей обечайки относительно друг друга используются заклепки, поставленные с зазором.

6. Лодочка по п.1, отличающаяся тем, что части обечайки соединены между собой встык с зазором, а в качестве ограничителя перемещений частей обечайки относительно друг друга используется промежуточная пластина, соединенная с частями обечаек посредством заклепок, поставленных с зазором.

7. Лодочка по п.1, отличающаяся тем, что части обечайки соединены между собой встык с зазором, а в качестве ограничителя перемещений частей обечайки относительно друг друга используется замок.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11