КОНСТРУКЦИЯ СОЕДИНЕНИЯ ОГНЕУПОРНОГО БЛОКА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1995 года по МПК B23K1/19 C04B37/02 

Изобретение относится к пайке, к конструкциям соединений огнеупорных блоков, к теплонапряженным конструкциям и может быть использовано в машиностроении, металлургии и энергетике.

Известна конструкция соединения огнеупорного блока, состоящего из несущей металлической детали и припаянной к ней огнеупорной детали из керамики [1]
Недостатком этой конструкции является разрушение крепления под действием остаточных напряжений, возникающих из-за различия коэффициентов термического расширения (КТР) материалов, из которых выполнены огнеупорная и несущая детали. Если же КТР близки, то опасность разрушения крепления возникает в рабочем состоянии блока, когда через огнеупор пропускают тепловой поток, а несущая деталь охлаждается. В этом случае закрепленное основание огнеупорной детали стремится прогнуться, чему препятствует жесткое крепление к несущей детали. В результате возникают большие термические напряжения в креплении, которые могут привести к разрушению крепления.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является конструкция соединения огнеупорного блока [2] содержащего огнеупорную деталь, несущую деталь и расположенный между ними компенсатор из металлического листа.

Наличие компенсатора обеспечивает более свободный прогиб основания огнеупорной детали при ее тепловом нагружении и охлаждении несущей детали, что способствует сохранению механических и тепловых связей через компенсатор с несущей деталью.

Недостаток этой конструкции заключается в том, что теплоотвод из огнеупорной детали осуществляется только через кольцевую область в центре компенсатора, а это при больших тепловых потоках может вызывать перегрев этой зоны вплоть до разрушения крепления.

Изобретение решает техническую задачу создания конструкции соединения, огнеупорного блока, выдерживающего различные механические и термические нагрузки без разрушения огнеупорной детали в области крепления и нарушения теплоотвода из нее.

Сущность изобретения по первому варианту состоит в том, что в конструкции соединения огнеупорного блока, содержащего огнеупорную деталь, несущую деталь и расположенный между ними компенсатор, выполненный из металлического листа и касающийся огнеупорной и несущей деталей, механический лист выполнен выпукло-вогнутым, зоны касания деталей с компенсатором расположены в его вершинах и впадинах, при этом линии, проходящие по компенсатору от вершины до впадины, криволинейны.

Сущность изобретения по второму варианту состоит в том, что в конструкции соединения огнеупорного блока, содержащего огнеупорную деталь, несущую деталь и расположенный между ними компенсатор, выполненный в виде металлического листа и касающийся огнеупорной и несущей деталей, металлический лист выполнен с выпуклыми и вогнутыми участками, на каждом участке компенсатора выполнены прорези.

Стороны прорезей, находящиеся на склоне выпуклостей и вогнутостью, расположены вдоль склона.

В компенсаторе стороны прорезей, находящиеся на склонах выпуклостей и вогнутостей, расположены вдоль склона. Выпукло-вогнутая поверхность компенсатора может быть выполнена волновой, каждая прорезь выполнена только на одной стороне волны от одной вершины до другой.

Поверхности компенсатора, прилегающие к разным сторонам прорези смещены по отношению друг к другу.

Компенсатор с выпуклыми и вогнутыми участками может быть выполнен в виде параллельных гряд, соприкасающихся по прямой линии между ними, каждый конец каждой стороны прорези расположен на указанной прямой линии.

Сущность изобретения по первому и второму вариантам состоит в том, что в конструкции соединения огнеупорного блока вершины выпукло-вогнутой поверхности металлического компенсатора припаяны к огнеупорной детали, а впадины этой поверхности припаяны к несущей детали, а также в том, что огнеупорный блок выполнен разъемным по крайней мере по одной из границ компенсатора с огнеупорной и несущей деталями, при этом скрепление блока в целом выполнено разъемным.

Сущность изобретения по третьему варианту состоит в том, что в конструкции соединения огнеупорного блока, содержащего огнеупорную деталь, несущую деталь и расположенный между ними компенсатор, выполненный в виде металлической ленты и касающийся огнеупорной и несущей деталей, компенсатор, огнеупорная и несущая детали выполнены по крайней мере однослойными, при этом хотя бы между одной из деталей и компенсатором размещен теплоотводящий слой, выполненный из материала, обладающего при рабочих температурах блока пластичностью или жидкотекучестью, соединение деталей блока выполняют разъемным. Между теплоотводящим слоем и компенсатором и/или одной из деталей размещена прокладка для обеспечения или предотвращения адгезии или смачивания теплоотводящего слоя. Соединяемые поверхности компенсатора и/или деталей выполнены профилированными.

Теплоотводящий слой может предварительно размещаться на компенсаторе.

В компенсаторе в зоне соединения установлена пластина для размещения крепежного элемента.

При выполнении конструкции соединения огнеупорного блока по первому, второму и третьему вариантам крепежный элемент может быть установлен по крайней мере в одной соединяемой детали и компенсаторе.

Наличие в конструкции соединения огнеупорного блока компенсатора, выполненного в виде слоя из профилированного металлического листа, вершины которого контактируют с основанием деталей по линии или поверхности, позволяет увеличить прочность паяного соединения за счет увеличения площади паяного шва. Поскольку выпукло-вогнутая поверхность может являться достаточно жесткой конструкцией, выполнение ее такой, что любая линия, проходящая по поверхности от любой вершины, касающейся огнеупорной детали до любой впадины, касающейся несущей детали, является криволинейной, что позволяет поверхности изгибаться под действием сил, перпендикулярных слою, благодаря чему уменьшается жесткость компенсатора. Тем не менее, в ряды случаев, например, при больших прогибах основания огнеупорной детали деформируемость компенсатора может быть недостаточной, для ее увеличения выполняются прорези. Прорези, проходящие вдоль склонов, разрезают их на отдельные полосы, что уменьшает жесткость склонов, а, следовательно, и компенсатора.

Прорези на поверхности выполняются как обычные без смещения их сторон, так и со смещением сторон прорезей. В случае обычных прорезей зазор между сторонами прорези обеспечивается за счет ширины прорези. В случае, когда такая прорезь примыкает к паяному шву, ширина его зазора должна быть не менее определенной величины, чтобы прорезь не запаивалась при пайке за счет капиллярного эффекта. Ширина их прорезей может быть сколь угодно малой, поскольку зазоры образуются за счет смещения сторон. В техническом решении с компенсатором в виде волновой поверхности выполняются обычные прорези, разделяющие склоны поверхности на полосы. Благодаря указанной системе прорезей каждые два соединения полосы, лежащие на одном склоне по разные стороны одного и того же разреза, связаны со стороны вершины полосой, лежащей на другой стороне вершины, и со стороны впадины полосой, лежащей на другом склоне впадины. Наличие связности полос обеспечивает отсутствие их перекоса при транспортировке и сборке, необходимое для полного прилегания вершин и впадин к деталям, что способствует выполнению качественной пайки или уменьшения теплового контактного сопротивления. Указанное расположение прорезей позволяет, сохраняя упомянутую связность выполнить прорези идущие от вершин до впадин, что еще более повышает деформируемость компенсатора.

Использование компенсатора с прорезями со смещенными сторонами позволяет получить поверхности с часто чередующимися вершинами и впадинами и тем самым с более равномерным распределением контактов компенсатора с огнеупорной деталью без увеличения жесткости компенсатора. Это способствует снижению температуры и термонапряжений в указанных контактах при пропускании теплового потока через огнеупорную деталь, а следовательно, повышению конструкционной прочности огнеупорной детали в области контактов. В техническом решении с компенсатором в виде поливолновой поверхности с прорезями со смещенными сторонами ширина прорезей сколь угодно мала, следовательно, в теплопередаче будет участвовать весь материал исходного листа, что повышает теплопроводность компенсатора по сравнению с упомянутым компенсатором в виде волновой поверхности и обычными прорезями. Указанная система прорезей обеспечивает связность всех частей компенсатора и тем самым сохранение его формы при транспортировке и сборке.

Рассмотренные варианты профилированных поверхностей компенсатора легко могут быть выполнены из выпускаемого промышленностью стандартного металлического листа путем обжатия его между профилированными пуансонами.

В предлагаемом техническом решении огнеупорный блок может быть неразъемным в случае пайки компенсатора к обеим деталям или разъемным в случае, когда компенсатор, хотя бы одной своей стороной, примыкает к одной из деталей непосредственно. В последнем случае блок скрепляется в целом разъемным креплением, причем для лучшего контакта в разъеме компенсатор должен находиться в сжатом состоянии.

Контакт детали и компенсатора в области разъема для уменьшения теплового контактного сопротивления осуществляется посредством теплоотводящего слоя, который может быть выполнен, например, из мягкого припоя или среды, например металлического войлока, в которой он размещен и пребывает (по крайней мере в процессе эксплуатации блока) пластичным в твердой фазе или в расплавленном состоянии. Поверхности разъема могут иметь покрытие, обеспечивающее или предотвращающее адгезию, или смачивание теплоотводящим слоем. Наличие, например, покрытия, обеспечивающего адгезию или смачивание теплоотводящим слоем на одной стороне разъема, и их предотвращающего на другой стороне разъема, позволяет добиваться их хорошего теплового контакта с теплоотводящим слоем при сведении поверхностей разъема и отсутствия слипания этих поверхностей при разведении. На одну или обе поверхности разъема может быть нанесен теплоотводящий слой, что может упрощать сборку блока, снижать ее трудоемкость. Поверхности, на которые наносится теплоотводящий слой, могут иметь покрытия, обеспечивающие адгезию теплоотводящего слоя на этих поверхностях.

Использование теплоотводящего слоя в виде среды, в которой размещен, например, легкоплавкий сплав, позволяет удерживать на поверхности разъема более толстый теплоотводящий слой, что способствует установлению более надежного теплового контакта. Кроме гладких поверхностей разъема могут использоваться и профилированные поверхности, что позволяет улучшить контакт за счет внедрения профиля в теплоотводящий слой, не выжимая его наружу за пределы соприкасающихся поверхностей, или таким же образом предотвратить образование в жидком слое тонких и воздушных пор с большим диаметром.

Скрепление разъемного блока может осуществляться различными разъемными средствами крепления, например, болтами с пружинящим поджимом или без него, установленными как с боковой стороны блока так и со стороны расположения компенсатора. Согласно предложенному техническому решению крепежные средства устанавливаются со стороны расположения компенсатора. Это позволяет сочетать сложное деформирование огнеупорной детали при пропускании теплового потока через нее с нужным распределением поджатия вдоль поверхностей разъема, особенно, если их площадь велика. Кроме того, такое расположение крепления обеспечивает сборку и разборку блока независимо от соседних блоков, когда они используются в качестве элементов огнеупорной стенки, что в ряде случаев может быть важным в связи с особенностью конструкции стенки или ее сборки и разборки. В рассматриваемом случае может оказаться необходимым ограничиться при скреплении одним болтом, чтобы не создавать дополнительных термонапряжений ив огнеупорной детали при нагреве из-за препятствия ее расширению другими болтами. Скрепление деталей только в одном месте не всегда приемлемо в случае больших скрепленных площадей. Преодолеть эту трудность позволяет техническое решение, в котором в компенсаторе у поверхности разъема укреплена пластина с заданным профилем поверхности, обращенной к разъему. С внутренней стороны пластина неразъемно скреплена с податливым компенсирующим слоем и используется как опора для скрепления с примыкающей деталью разъемным креплением в одном или нескольких местах. В данном случае скрепление не будет мешать деформированию огнеупорной детали при пропускании теплового потока, поскольку между огнеупорной и несущей деталями расположен компенсирующий слой.

Отметим также, что поверхности соединяемых огнеупорной и несущей деталей не обязательно являются плоскими, они могут быть, например, цилиндрическими, сферическими и т.д.

На фиг. 1 показана схема конструкции паяного огнеупорного блока; на фиг. 2 схема конструкции разъемного огнеупорного блока; на фиг. 3,а,б,в,г,д варианты выполнения компенсатора огнеупорного блока; на фиг. 4,а,б схемы конструкции разъемного огнеупорного блока с теплоотводящим слоем; на фиг. 5 разрез А-А на фиг. 3,д; на фиг. 6 разрез Б-Б на фиг. 3,д; на фиг. 7- разрез В-В на фиг. 3,д.

На фиг. 1 показан паяный огнеупопрный блок, содержащий огнеупорную деталь 1, несущую деталь 2, и компенсатор 3, скрепленный с упомянутыми деталями паяными швами 4.

На фиг. 2 показан разъемный огнеупопрный блок, содержащий огнеупорную деталь 1, несущую деталь 2, компенсатор 3, скрепленный с несущей деталью паяным швом 4, между компенсатором 3 и огнеупорной деталью 1 выполнен разъем 5, болт 6 стягивает детали 1, 2, 3 по центру, имеющая резьбу, заглушка 7 закрывает отверстие в огнеупорной детали 1, через которое проходит болт 6.

На фиг. 3 показаны варианты выполнения компенсатора из профилированного металлического листа; на фиг. 3,а показан вид спереди, на фиг. 3,б,в показаны вид сверху компенсатора без прорезей (3,б) и с прорезями 8(3,в), идущими от вершины до впадины склона.

На фиг. 3, г, д показан еще один вариант компенсатора с разрезами 8, стороны которых смещены друг относительно друга и показаны его разрезы А-А, Б-Б и В-В.

На фиг. 4,а,б показаны схемы конструкции разъемного огнеупорного блока с теплоотводящим слоем, при этом показанный на фиг. 4,а блок содержит огнеупорную деталь 1, несущую деталь 2, компенсатор 3, скрепленный с несущей деталью 2 паяным швом 4, между компенсатором 3 и огнеупорной деталью 1 выполнен разъем 5, на поверхность огнеупорной детали 1 нанесен теплоотводящий слой 9 на смачиваемое покрытие 10, на поверхности компенсатора 3, прилегающей к слою 9, находится несмачиваемое покрытие 11. Соединение разъемного блока осуществляется аналогично показанному на фиг. 2 (пунктирные линии).

На фиг. 4,б показан разъемный огнеупорный блок, содержащий огнеупорную деталь 1, несущую деталь 2, компенсатор 3, скрепленный паяным швом 4 с огнеупорной деталью и контактирующий с несущей деталью 2 через теплоотводящий слой 9, нанесенный на несущую деталь 2, при этом компенсатор состоит из пружинящего слоя 12, припаянного паяным швом 4 к профилированной пластине 13. Скрепление пластины 13 с несущей деталью 2 осуществляется несколькими болтами.

П р и м е р 1. Конструкция соединения огнеупорного блока, используемого в качестве элемента термостойкой стенки, состоит из медного основания длиной 97 мм, шириной 30 мм, высотой 30 мм, компенсатора из профилированного листа и трех керамических деталей из хромита лантана высотой 30 мм, длиной и шириной 30 мм каждая, расположенных на расстоянии 1 мм друг от дуга. Компенсатор изготовлен из медного листа толщиной 0,2 мм. Заготовка листа профилирована с помощью пресс-формы и пуансона по форме, показанной на фиг. 3,а и 3,б с диаметром полуокружностей 4 мм. Компенсатор для каждой детали содержит четыре волны, его размер 30х30мм. К огнеупорной детали и медному основанию компенсатор припаян известным способом, при осуществлении которого паяемая поверхность керамического элемента подвергается металлизации.

П р и м е р 2. В этом случае отличие от примера 1 состоит в том, что использован металлический лист толщиной 0,3 мм с профилированной поверхностью по фиг. 3,а и 3,б с прорезями. Шаг между прорезями 4 мм, ширина прореза 1,2 мм, ряды прорезей сдвинуты относительно друг друга на полшага.

П р и м е р 3. В этом случае отличие от примера 2 состоит в том, что использовалась профилированная поверхность по фиг. 3,г и 3,д, при этом ширина разреза может быть сколь угодно мала, а диаметр окружностей составляет 4 мм.

П р и м е р 4. В этом случае используется конструкция по примеру 3 с отличием в том, что компенсатор припаивается только к медному основанию. Огнеупорная деталь прижимается к компенсатору болтовым соединением (фиг. 2). Болт выполнен из нержавеющей стали, внешний диаметр болта 4 мм, длина 15 мм, диаметр шляпки 8 мм, высота шляпки 3 мм, шляпка расположена на расстоянии 6 мм от поверхности разъема. Заглушка выполнена из того же материала, что и огнеупорная деталь, и закреплена в огнеупорной детали с помощью резьбового соединения, которое выполняется в детали и заглушке на этапе их прессования перед спеканием.

П р и м е р 5. Используется такая же конструкция, как и в примере 4, с отличием в том, что между компенсатором и огнеупорной деталью находится теплоотводящий слой (фиг. 4,а), изготовленный из припоя ПОС-40 с температурой плавления 500 К путем обслуживания слоя металлизации, нанесенного на огнеупорную деталь. Температура теплоотводящего слоя за счет пропускания теплового потока при эксплуатации блока составляет 520К и он находится в расплавленном состоянии. По второму варианту температура теплоотводящего слоя при эксплуатации блока составляет 480К и он находится пластичным в твердой фазе. По третьему варианту теплоотводящий слой толщиной 0,3 мм выполнен из металлического войлока, пропитанного припоем ПОС-40. Рабочая температура теплоотводящего слоя 500 К, температура горячей поверхности огнеупорной детали 2000 К. Слой металлического войлока примыкает непосредственно к огнеупорной детали, слой металлизации в данном случае отсутствует.

П р и м е р 6. Использована конструкция соединения огнеупорного блока, показанная на фиг. 4,б. Конструкция содержит огнеупорную деталь из хромита лантана толщиной 30 мм и размерами 60х60 мм. Несущая деталь толщиной 30мм имеет размеры 60х60мм. Компенсатор выполнен из профилированного (как в примере 3) листа размерами 60х60 мм, припаянного к медной пластине толщиной 5 мм и размерами 60х60 мм, при этом внешняя сторона пластины профилирована в виде волнообразной поверхности с волной высотой 2 мм и шириной 12 мм. К огнеупорной детали компенсатор припаян. Между компенсатором и несущей деталью расположен теплоотводящий слой из металлического войлока толщиной 0,3 мм, пропитанного сплавом Вуда с температурой плавления 340 К. Медная пластина крепится к несущей детали четырьмя болтами, расположенными в вершинах квадрата размером 30х30 мм, расположенного по центру пластины. Размеры болтов и диаметр заглушки указаны в примере 5, толщина заглушек равна толщине огнеупорной детали. Сборка блока осуществляется при температуре деталей 350 К, температура теплоотводящего слоя при эксплуатации составляет 350 К, температура горячей поверхности при эксплуатации 2000 К. Поверхности медной пластины и несущей детали из-за наличия окисной пленки не смачиваются теплоотводящим слоем.

Предложенное техническое решение повышает прочность соединения огнепорной детали с несущей деталью, улучшает теплоотвод из огнепорной детали, снижает термическое сопротивление соединения, обеспечивая в зависимости от технических требований разъемность или неразъемность соединения.

Использование: получение соединений металлических и неметаллических деталей, в частности конструкций соединений огнеупорных блоков, теплонапряженных конструкций. Сущность: огнеупорный блок состоит из огнеупорной детали, несущей детали и расположенного между ними компенсатора. Компенсатор выполнен из профилированного металлического листа, вершины которго касаются огнеупорной детали, а впадины касаются несущей детали, при этом линии, проходящие по компенсатору от вершины до впадины, криволинейны. Профилированная поверхность компенсатора может иметь прорези. Стороны прорезей, находящиеся на склонах выпуклостей и вогнутостей, расположены вдоль склона. Поверхности компенсатора, прилегающие к разным сторонам прорези, смещены по отношению друг к другу. Компенсатор может быть припаян к обеим деталям или, например, к одной детали, а с другой деталью иметь разъем и быть прижатым к ней с помощью разъемного крепления, скрепляющего блок. Для разъемного блока и компенсатора общего вида в разъеме может быть размещен теплоотводящий слой, содержащий материал, который при эксплуатации блока является пластичным или жидким, блок в целом скреплен разъемным креплением. Изобретение повышает прочность соединения огнеупорной детали с несущей деталью, улучшает теплоотвод из огнеупорной детали, снижает термическое сопротивление соединения, обеспечивая (в зависимости от технических требований) разъемность или неразъемность соединения. 16 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Конструкция соединения огнеупорного блока, содержащая огнеупорную деталь, несущую деталь и расположенный между ними компенсатор, выполненный из металлического листа и касающийся огнеупорной и несущей деталей, отличающаяся тем, что металлический лист выполнен выпукло-вогнутым, зоны касания деталей с компенсатором расположены в его вершинах и впадинах, при этом линии, проходящие по компенсатору от вершины до впадины, криволинейны. 2. Конструкция по п.1, отличающаяся тем, что вершины и впадины компенсатора припаяны к соединяемым деталям. 3. Конструкция по п. 1, отличающаяся тем, что по крайней мере одна из деталей установлена на компенсатор посредством разъемного соединения. 4. Конструкция соединения огнеупорного блока, содержащая огнеупорную деталь, несущую деталь и расположенный между ними компенсатор, выполненный в виде металлического листа и касающийся огнеупорной и несущей деталей, отличающаяся тем, что металлический лист выполнен с выпуклыми и вогнутыми участками, на каждом участке компенсатора выполнены прорези. 5. Конструкция по п.4, отличающаяся тем, что стороны прорезей, находящиеся на склонах выпуклостей или вогнутостей, расположены вдоль склона. 6. Конструкция по п.4, отличающаяся тем, что выпукло-вогнутый компенсатор выполнен волновым, каждая прорезь выполнена только на одной стороне волны от вершины до впадины. 7. Конструкция по п.4, отличающаяся тем, что поверхности компенсатора, прилегающие к разным сторонам прорези, смещены по отношению друг к другу. 8. Конструкция по п.4, отличающаяся тем, что компенсатор с выпуклыми и вогнутыми участками выполнен в виде гряд, при этом каждая гряда выполнена из последовательности чередующихся выпуклых и вогнутых участков, разделенных разрезами. 9. Конструкция по п.4, отличающаяся тем, что вершины компенсатора припаяны к соединяемым деталям. 10. Конструкция по п.4, отличающаяся тем, что по крайней мере одна из деталей установлена на компенсатор посредством разъемного соединения. 11. Конструкция по п.4, отличающаяся тем, что крепежный элемент установлен по крайней мере в одной из соединяемых деталей и компенсатора. 12. Конструкция соединения огнеупорного блока, содержащая огнеупорную деталь, несущую деталь и расположенный между ними компенсатор, выполненный в виде металлического листа и примыкающий к огнеупорной и несущей деталям, отличающаяся тем, что компенсатор, огнеупорная и несущая детали выполнены по крайней мере однослойными, по крайней мере между одной из деталей и компенсатором размещен теплоотводящий слой, содержащий материал, обладающий при рабочих температурах блока пластичностью или жидкотекучестью, соединение деталей блока выполняют разъемным. 13. Конструкция по п.12, отличающаяся тем, что между теплоотводящим слоем и компенсатором и/или одной из деталей размещена прокладка для обеспечения или предотвращения смачивания или адгезии теплоотводящего слоя. 14. Конструкция по п.12, отличающаяся тем, что соединяемые поверхности компенсатора и/или деталей выполнены профилированными. 15. Конструкция по п.12, отличающаяся тем, что теплоотводящий слой предварительно размещен на компенсаторе. 16. Конструкция по п.12, отличающаяся тем, что в компенсаторе в зоне соединения установлена пластина для размещения крепежного элемента. 17. Конструкция по п.12, отличающаяся тем, что крепежный элемент установлен по крайней мере в одной соединяемой детали и компенсаторе.