Изостат для обработки материалов и способ удаления керамического материала из металлических изделий с его использованием

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к оборудованию и способам обработки материалов в химически активной среде при высоких давлениях и температурах. Может применяться при растворении керамических материалов и их структурных преобразованиях. Предложен изостат для обработки материалов. Изостат содержит герметичный контейнер, соединенный со средством подачи газа, размещенные в нем индукционный нагреватель и рабочую камеру с открытым верхним торцом. Рабочая камера выполнена в виде сосуда с двойными стенками и дном между ними. Изостат снабжен теплоизолирующей камерой, стенка которой расположена в промежутке между стенками сосуда. В изостате осуществляют удаление керамических элементов из металлических изделий путем их обработки в нагретом растворе щелочи под давлением. Техническим результатом является увеличение температурного диапазона эксплуатации изостата, интенсификация процесса выщелачивания. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к порошковой металлургии, конкретно к оборудованию и способам обработки материалов в химически активной жидкой, паровой или газовой среде при высоких давлениях и температурах, и может наиболее эффективно использоваться при растворении керамических материалов и их структурных преобразованиях под давлением 10-200 МПа при температурах 300°С и выше.

Известны устройства для высокотемпературной обработки заготовок с очисткой газовыделений, например, устройство согласно патенту RU 2002583 C1, B 22 F 3/14, содержащее систему подвода и отвода газа и герметично закрытый верхней и нижней пробками контейнер, в котором размещены теплоизоляционный колпак и нагреватель, а также систему направления газовых потоков в виде замкнутых, закрытых с одного из торцов охватывающих друг друга вертикальных перегородок. Такая конструкция имеет существенный недостаток при обработке изделий в жидкости - малоэффективный нагрев центральной зоны с изделием, так как многоколпаковая система очистки газовыделений с зазорами между ними является в значительной степени теплоизолирующим элементом между нагревателем и изделием, что повышает расход энергии и время разогрева изделия до заданной температуры при большом градиенте температур между нагревателем и изделием, перегревом нагревателя и, как следствие, недолговечностью последнего.

Этот недостаток устранен в конструкции изостата для обработки материалов в жидкости, который является наиболее близким к предложенному (патент RU 2151026 C1, B 22 F 3/14, 3/15; 20.06.2000), где сосуд с жидкостью установлен непосредственно над электроиндукционным нагревателем с высокоэффективным отбором тепла жидкостью от дна сосуда. Известный изостат для обработки материалов содержит герметичный контейнер, соединенный со средством подачи газа, размещенные в нем нагреватель и установленный на нем рабочий сосуд с открытым верхом, предназначенный для размещения в ней обрабатываемого изделия и рабочей среды.

Однако при нагреве до температур, превышающих температуру кипения жидкости, в известном изостате тепловые потери резко возрастают за счет парообразования и последующей конденсации на стенках контейнера, делая нагрев малоэффективным.

Предлагаемое изобретение в части устройства решает задачу расширения технологических возможностей обработки изделий в жидкости под давлением и повышенных температурах. Технический результат изобретения заключается в том, что предложенная конструкция реактора, отличающегося наличием теплоизолирующей и реакционной камер, образующих жидкий затвор в охлаждаемой зоне, препятствует выходу пара из реакционной зоны и конденсации его на охлаждаемых стенках контейнера, при этом снижаются энергозатраты, исключается контакт химически активной жидкости со стенками контейнера, значительно расширяя температурный диапазон надежной эксплуатации изостата.

Известен способ удаления керамических стержней из металлических отливок в автоклавах при повышенной температуре и повышенном давлении - патент US 4141781, дата публикации 27.02.1979 г. Температура выщелачивания в растворе КОН или NaOH 290-350°С. Этот температурный режим расширен в патенте SU 1738470 A1 от 07.06.1992 г. до 450°С, имеется в виду обработка в расплаве щелочи без жидкой водной составляющей. Процесс обработки в расплаве щелочи является одним из самых эффективных способов обработки. Однако при этом на поверхности керамического стержня образуется труднорастворимый слой из продуктов реакции щелочи и керамического материала, что значительно замедляет процесс реакции и требует промежуточного цикла обработки в водном растворе для удаления указанного слоя с перезагрузкой изделий. Увеличение количества циклов существенно снижает экономическую эффективность и энергоемкость процесса.

Этот недостаток в значительной степени может быть устранен способом, описанным в патенте US 3563711, публ. 16.021.1971. При этом щелочной раствор нагревают до температуры 200-350°С, предпочтительно 290°С, затем сбрасывают давление до уровня кипения жидкой составляющей раствора щелочи в порах керамических стержней и вновь поднимают давление до уровня выше точки кипения жидкой составляющей раствора щелочи и повторяют процесс. Если обработка по этому способу ведется в докритических диапазонах температур и давлений, то скорость реакции меньше, чем при использовании закритического диапазона. При попытках реализовать способ при закритических условиях процесс подъема и снижения давления пара из автоклава становится технически сложной и экономически неоправданной операцией в связи с большой энергоемкостью подъема давления пара. Кроме этого, недостатком способа являются проблемы контроля процесса по давлению.

Задачей предложенного изобретения в части способа является устранение этих недостатков за счет циклического изменения температуры щелочного раствора в диапазоне на 10-20 градусов ниже критической точки жидкой составляющей раствора щелочи до температуры выше на 5-10 градусов температуры плавления стопроцентного расплава щелочи при давлении на 1-2 МПа выше критического для жидкой составляющей раствора. Дополнительная интенсификация процесса выщелачивания обеспечивается за счет изменения уровня раствора в зоне размещения изделий под действием циклического изменения давления газа, например азота, в диапазоне, превышающем на 0,5-3 МПа критическое давление жидкой составляющей раствора щелочи с помощью газового привода автоклава.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет вести процесс выщелачивания как в расплаве щелочи, т.е. при стопроцентной концентрации щелочи, так и в водном растворе щелочи примерно пятидесятипроцентной концентрации, обеспечивающем растворение пленки из продуктов реакции на поверхности керамических стержней. Использование заявленных решений снижает время цикла с 12 и более часов в известных способах до 6 и менее часов в заявленном способе.

Технический результат достигается тем, что в изостате для обработки материалов, содержащем герметичный контейнер, соединенный со средством подачи газа, размещенные в нем индукционный нагреватель и установленную над ним рабочую камеру с открытым верхним торцом, предназначенную для размещения в ней обрабатываемого изделия и рабочей среды, рабочая камера выполнена в виде сосуда с двойными стенками и дном между ними, внутренняя стенка сосуда образует реакционную камеру, дно которой расположено над нагревателем выше дна между стенками сосуда, дно между стенками расположено ниже зоны действия нагревателя, а изостат снабжен теплоизолирующей камерой, стенка которой расположена в промежутке между стенками сосуда с зазором между открытым нижним торцом теплоизолирующей камеры и дном между стенками сосуда и с зазором между верхним закрытым ее торцом и верхним открытым торцом реакционной камеры.

Кроме того, он может быть снабжен колпаком, расположенным в реакционной камере с зазором между его открытым торцом и дном реакционной камеры и соединенным в своей верхней части со средством подачи газа.

Технический результат достигается также тем, что в способе удаления керамических элементов из металлических изделий, заключающемся в обработке изделий в реакторе в нагретом растворе щелочи под давлением парогазовой среды над раствором, отличающемся тем, что в качестве реактора используют изостат, выполненный описанным выше образом, нагрев водного раствора щелочи в реакционной камере осуществляют с помощью индукционного нагревателя до температуры выше критической точки жидкой составляющей раствора до перехода ее во флюидное состояние, снижения уровня жидкой среды в реакционной камере и конденсации части ее паров на дне между стенками сосуда с образованием жидкого затвора, нагревают далее среду в реакционной камере до конечной температуры, превышающей температуру плавления щелочи при парциальном давлении паров жидкой составляющей раствора, равном или большем ее критического давления, осуществляют выдержку при указанных параметрах в реакционной камере, а затем охлаждают среду в реакционной камере до температуры ниже критической точки жидкой составляющей раствора до конденсации части ее паров в реакционной камере и повышения уровня жидкой среды в реакторе, повторно периодически осуществляют нагрев и охлаждение до указанных параметров до полного удаления керамического материала из металлического изделия.

Предпочтительно, чтобы конечная температура нагрева превышала температуру плавления щелочи на 5-10 градусов при парциальном давлении паров жидкой составляющей раствора, равном или превышающем не более чем на 2 МПа ее критическое давление.

В частном случае при использовании изостата после нагрева среды в реакционной камере до конечной температуры во время выдержки циклически изменяют давление в реакционной камере под колпаком с помощью средства подачи газа, периодически изменяя тем самым уровень раствора щелочи под колпаком, после чего осуществляют охлаждение.

При этом циклическое изменение давления под колпаком предпочтительно осуществлять в диапазоне давлений, превышающем 0,5-3 МПа критическое давление жидкой составляющей раствора щелочи.

Заявляемый изостат изображен на фиг.1-7:

на фиг.1 изображена принципиальная схема изостата в продольном разрезе в рабочем состоянии с газовым и гидравлическим приводами;

на фиг.2 изображен продольный разрез рабочей камеры, установленной на нижней пробке над индукционным нагревателем, с обрабатываемым изделием в полости, заполненной химически активной средой;

на фиг.3 изображен продольный разрез рабочей камеры с теплоизолирующей камерой без центрального колпака перед загрузкой в контейнер;

на фиг.4 изображен продольный разрез рабочей камеры с теплоизолирующей камерой, с центральным колпаком перед загрузкой в контейнер;

на фиг.5 изображен продольный разрез рабочей камеры;

на фиг.6 изображен продольный разрез теплоизолирующей камеры без центрального колпака;

на фиг.7 изображен продольный разрез теплоизолирующей камеры с центральным колпаком.

Изостат для обработки материалов в жидкой, паровой или газообразной среде содержит многокорпусный охлаждаемый силовой контейнер 1, герметично закрытый по торцам верхней 2 и нижней 3 пробками. Верхняя пробка 2 газовым каналом 4 соединена с газовым приводом 5. На нижней пробке 3 размещен индукционный нагреватель 6, над которым размещен реактор 7. Реактор 7 выполнен в виде цилиндрических тонкостенных элементов и содержит рабочую зону, заполненную химически активной рабочей средой 8 с обрабатываемым изделием 9, образованную между рабочей камерой 10 и теплоизолирующей камерой 11. Рабочая камера 10 (фиг.2, фиг.5) выполнена в виде открытого сверху сосуда с двойными стенками из тонкостенного коррозионно-стойкого материала. Внутренняя стенка сосуда 12 образует реакционную камеру 12 с вваренным в центральную часть сосуда герметичным дном 13. Внешняя поверхность дна 13 размещается над индукционным нагревателем 6, а на внутренней поверхности размещается обрабатываемое изделие 9. Дно рабочей камеры 10 между стенками находится ниже нагревателя 6 и примыкает к торцу охлаждаемой нижней пробки 3. Между открытым нижним торцом теплоизолирующей камеры 11 и дном сосуда между стенками, а также между верхним закрытым торцом камеры 11 и верхним открытым торцом камеры 12 имеются зазоры. Теплоизолирующая камера 11 может быть выполнена в виде двух разделенных теплоизоляционным материалом концентрично вставленных друг в друга колпаков 14, 15 (фиг.6, 7) из тонкостенного коррозионно-стойкого материала с герметичными крышками. Теплоизоляционный слой камеры 11 в боковой части может быть выполнен в виде газовой полости между колпаками 14, 15, разделенной вваренной между ними тонкостенной обечайкой 16 из тонкостенного коррозионно-стойкого материала с герметичной крышкой. Реакционная камера 12 с обрабатываемым изделием 9 может быть разделена герметичным сверху и открытым снизу тонкостенным колпаком 17 из коррозионно-стойкого материала на центральную и боковую части 18, 19, причем между нижним торцом колпака 17 и дном 13 имеется зазор. Центральная часть 18 герметичным газовым каналом 20 в колпаках 14, 15, 17 соединена через канал в верхней пробке 2 газопроводом 21 с газовым приводом 5. Газовый привод 5 включает мультипликатор 22, имеющий гидравлическую полость 23, соединенную с гидроприводом 24 и газовую полость 25, соединенную газопроводом 21 с рабочей зоной реактора.

Описание работы изостата

Работа изостата для обработки материалов и способ удаления керамического материала из металлических изделий осуществляется следующим образом.

В реакционную камеру 12 на нижней пробке 3 вне контейнера 1 (фиг.2) загружается химически активная среда 8, например водный раствор щелочи КОН, и обрабатываемое изделие 9. Рабочая камера 10 (фиг.2, фиг.5) накрывается теплоизолирующей камерой 11 (фиг.3, фиг.4). Изделие 9 и среда 8 находятся в образованной рабочей 10 и теплоизолирующей 11 камерами рабочей зоне. Нижняя пробка 3 с установленной на ней сборкой вводится в контейнер 1. Контейнер 1 герметизируется и через газовый канал 20, газопровод 21 и газовый привод 5 заполняется газовой средой, например азотом, до исходного давления, примерно 0,3-0,5 расчетного конечного давления в контейнере. С ростом давления в контейнере 1 в случае наличия колпака 17 химически активная среда из боковой части 19 рабочей зоны передавливается в центральную часть 18 под колпак 17 до выравнивания давления в любом сечении контейнера 1. Включают индукционный нагреватель 6, который разогревает дно 13 реакционной камеры 12, химически активную среду 8 и обрабатываемое изделие 9. Дно сосуда 12 между стенками остается холодным. При нагреве среды происходит испарение жидкой составляющей среды, например воды, из раствора КОН. Испарение продолжается до тех пор, пока парциальное давление паров жидкой составляющей над химически активной средой 8 не достигнет давления насыщения жидкости. Например, для воды при 100°С давление насыщения 0,101 МПа, при 200°С - 1,550 МПа, при 300°С - 8,592 МПа, при 374,12°С - 22,115 МПа (критическая точка воды). При изменении температуры в реакционной зоне выше критической точки или ниже уровень раствора изменяется от максимального - при до критической температуре и наличии жидкой составляющей в виде жидкости, до минимального - при закритической температуре, где жидкая составляющая присутствует в виде пара (или суперкритического флюида). При нагреве под колпаком 17 давление растет быстрее, чем вне его, и химически активная среда 8, пар выдавливает азот, а потом и сам пар из центральной части 18 в боковую 19. После того, как температура химически активной среды 8 и парциальное давление паров жидкой составляющей станут равными критическим значениям (для воды 374,12°С, 22,1150 МПа), жидкая составляющая испарится и перейдет во флюидное состояние (состояние, при котором плотность пара и жидкости совпадают и для воды равняются 317,763 кг/м³). При испарении образующийся пар жидкой составляющей из рабочей зоны частично вытесняет газовую среду. Количество жидкой составляющей по массе выбирается из условия: отношение массы жидкой составляющей к свободному объему рабочей зоны на 1-2% превышает критическую плотность жидкой составляющей. За свободный объем принимают объем рабочей зоны реактора без объема, занимаемого обрабатываемым изделием и твердой составляющей химически активной среды. При наличии колпака 17 общий объем раствора не должен превышать объем боковой части 19 рабочей зоны реактора с учетом расширения раствора при нагреве до максимальной температуры процесса. После того, как температура в рабочей зоне превысит критическое значение, давление в ней возрастет, и пар частично может из реакционной камеры 12 попасть в полость между ее стенками. При конденсации в холодной нижней части между этими стенками образуется жидкий затвор, препятствующий дальнейшему выходу пара из реакционной зоны. Наступает равновесие, дальнейшего парообразования не происходит. Уровень жидкого затвора определяется геометрией контейнера и рабочей камеры, давлением в контейнере, а также параметрами загрузки и химически активной среды. Изменение температуры и давления во всем объеме контейнера 1 и реактора 7 автоматически уравновешивается положением жидкого затвора, обеспечивая равенство давлений во всех полостях без дополнительных средств контроля разности давлений.

После этого рабочую зону с изделием 9, твердой составляющей химически активной среды (твердой щелочи), паром жидкой составляющей среды и газовой средой нагревают до конечной температуры, превышающей температуру плавления щелочи на 5-10 градусов под парциальным давлением паров жидкой составляющей, равным критическому давлению последней или превышающим его на 1-2 МПа. Для щелочи КОН - 410-415°С. После этого осуществляют выдержку при заданных параметрах процесса. Во время выдержки периодически (1-5 раз в минуту) изменяют положение уровня жидкой среды следующим образом.

Отключают нагреватель 6 и охлаждают среду в рабочей камере 10 до температуры на 10-20 градусов ниже критической температуры жидкой составляющей раствора, при этом давление парогазовой среды снижается, водная составляющая конденсируется во всем объеме центральной части, включая поры керамических стержней в отливках, а уровень раствора в рабочей камере 10 поднимается. Включают нагреватель 6 и вновь повторяют нагрев раствора с отливками, тем самым периодически меняя уровень раствора и концентрацию щелочи в реакционной камере 12 за счет соответствующего изменения температуры на 50-80 градусов и давления в контейнере на 0,5-3 МПа, повторяют описанные циклы в течение требующегося времени, обычно 1-6 часов; снижают температуру, сбрасывают давление и извлекают изделия.

При использовании изостата с колпаком 17 в каждом цикле или в части циклов во время выдержки отливки, нагретые до конечной заданной температуры, подвергают, кроме того, обработке под циклически изменяющемся за счет мультипликатора 22 давлением газовой среды с амплитудой 0,5-3 МПа, при этом с ростом давления под колпаком 17 уровень раствора в центральной части 18 падает, а в боковой 19 растет. При падении давления в центральной части 18 реакционной камеры 12 уровень расплава щелочи в ней растет, а в боковой падает, тем самым периодически меняют уровень расплава в центральной и боковой частях рабочей зоны реактора за счет соответствующего изменения давления в контейнере.

После окончания последнего цикла нагреватель 6 обесточивается, и реактор охлаждается до температуры 100-170°С. Давление снижается до атмосферного через канал 20, и нижняя пробка 3 с реактором, раствором щелочи и изделием 9 выводится из контейнера. Снимается теплоизолирующая камера 11 и изделие 9 извлекается из рабочей камеры 10. Загружается новое изделие и повторяется описанный выше режим.

1. Изостат для обработки материалов, содержащий герметичный контейнер, соединенный со средством подачи газа, размещенные в нем индукционный нагреватель и установленную над ним рабочую камеру с открытым верхним торцем, предназначенную для размещения в ней обрабатываемого изделия и рабочей среды, отличающийся тем, что рабочая камера выполнена в виде сосуда с двойными стенками и дном между ними, внутренняя стенка сосуда образует реакционную камеру, дно которой расположено над нагревателем выше дна между стенками сосуда, дно между стенками расположено ниже зоны действия нагревателя, а изостат снабжен теплоизолирующей камерой, стенка которой расположена в промежутке между стенками сосуда с зазором между открытым нижним торцем теплоизолирующей камеры и дном между стенками сосуда, и с зазором между верхним закрытым ее торцем и верхним открытым торцем реакционной камеры.

2. Изостат по п.1, отличающийся тем, что он снабжен колпаком, расположенным в реакционной камере с зазором между его открытым торцем и дном реакционной камеры и соединенным в своей верхней части со средством подачи газа.

3. Способ удаления керамических элементов из металлических изделий, заключающийся в обработке изделий в реакторе в нагретом растворе щелочи под давлением парогазовой среды над раствором, отличающийся тем, что в качестве реактора используют изостат, выполненный по п.1 или 2, нагрев водного раствора щелочи в реакционной камере осуществляют с помощью индукционного нагревателя до температуры выше критической точки жидкой составляющей раствора до перехода ее во флюидное состояние, снижения уровня жидкой среды в реакционной камере и конденсации части ее паров на дне между стенками сосуда с образованием жидкого затвора, нагревают далее среду в реакционной камере до конечной температуры, превышающей температуру плавления щелочи при парциальном давлении паров жидкой составляющей раствора, равном или большем ее критического давления, осуществляют выдержку при указанных параметрах в реакционной камере до температуры ниже критической точки жидкой составляющей раствора до конденсации части ее паров в реакционной камере и повышения уровня жидкой среды в реакторе, повторно периодически осуществляют нагрев и охлаждение до указанных параметров до полного удаления керамического материала из металлического изделия.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что конечная температура нагрева превышает температуру плавления щелочи на 5 - 10 градусов при парциальном давлении паров жидкой составляющей раствора, равном или превышающем не более чем на 2 МПа ее критическое давление.

5. Способ по п.3 или 4, отличающийся тем, что при использовании изостата по п.2 после нагрева среды в реакционной камере до конечной температуры во время выдержки циклически изменяют давление в реакционной камере под колпаком с помощью средства подачи газа, периодически изменяя, тем самым, уровень раствора щелочи под колпаком, после чего осуществляют охлаждение.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что циклическое изменение давления под колпаком осуществляют в диапазоне давлений, превышающем 0,5-3 МПа критическое давление жидкой составляющей раствора щелочи.