Индукционная муфельная установка для высокотемпературного нагрева углеграфитовых изделий Советский патент 1993 года по МПК F27D11/06 F27B5/10 

Изобретение относится к области термообработки углеграфитовых изделий, в частности графитации обожженных заготовок., и очистки графитовых изделий.

Наиболее близкой к изобретению по технической сущности является индукционная муфельная печь, содержащая индуктор, однослойный муфель с полостями, в которые помещаются нагреваемые изделия 1.

Недостатком этой печи является произвольный выбор материала муфеля, что за- трудйяет организацию оптимального режима его нагрева и, соответственно изделий.

Целью настоящего изобретения является повышение равномерности и скорости нагрева углеграфитовых изделий, что обеспечивает улучшение их качества и повышение производительности печи.

Поставленная цель достигается тем, что в качестве материала муфеля используется- графит с таким удельном электрическим сопротивлением, которое обеспечивает равномерное по объему муфеля выделение тепла. Условие равномерности нагрева муфеля выполняется тогда, когда значения толщинй стенки муфеля удовлетворяют соотношению

Ь (2-3)Д г(1) где А - глубина проникновения электромагнитной волны в муфель.

С другой стороны, b d + 2д, . (2) где d - диаметр полости;

д - наименьшая толщина перемычки, образуемой полостью и наружной или внутренней поверхностью стенки муфеля. Зна- чение 5 рекомендуется принимать равным 0,02-0,04 м. Такой интервал значений д выбран из следующих соображений. Опыт эксплуатации муфелей нагревателей в углеграфитовом производстве показывает, что при толщине стенки муфеля менее 0,02 м происходит снижение ресурса его работы за счет как механического разрушения, так и физико-химических и химических процессов (возгонка, окисление и т.д.). С другой стороны, рост значений д более 0,04 м, не давая существенного выигрыша в прочности конструкции, ведет к значительному увеличению массогабаритных показателей, что ухудшает эксплуатационные свойства печи и увеличивает ее тепловую инерционность. Значение диаметра полости d по уравнению (2) определяет толщину слоя муфеля Ь, а материал, из которого муфель, должен удовлетворять названному условию равномерного нагрева по соотношению (1), причемглубина проникновения электромагнитной волны в муфель равна

(3)

A

/if

где р - удельное электросопротивление материала муфеля;

/г - относительная магнитная проницаемость материала муфеля;

f - частота переменного тока источника питателя.

Частота не является характеристикой

0 объекта устройство, и так как магнитная проницаемость всех углеграфитовых материалов равна единице, то единственным параметром, с помощью которого можно воздействовать на нагрев муфеля, является

5 удельное электросопротивление. Этот параметр меняется в широких пределах в зависимости от температуры и марки графита. Его температурная зависимость имеет вид неправильной параболы, вершина которой

0 (минимальное значение удельного электросопротивления /Omin). в зависимости от марки графита, занимает различное положение относительно температурой оси, и условие оптимального прогрева муфеля по соотно5 шению (1) необходимо обеспечивать с учетом этих минимальных значений, Только в этом случае будет гарантирован равномерный прогрев всего муфеля и при любых других (больших) значениях удельного

0 электросопротивления.

Интервал минимальных значений удельного электросопротивления, который определяет марку графита-для изготовления муфеля, представляется условием

5

f($)

/3min

f(f)A«

(4)

0

5032 .503 гдертт - минимальное удельное электросопротивление графита в интервале температур 100-3000°С. При этом стандартная частота источника питания удовлетворяет условию:

0

5

5

5032рм

f

5032р(3

-(5)

(f)V Ф гдермИ/9(5 - крайние (соответственно наименьшее и наибольшее) из ряда минимальныхзначений удельного электросопротивления марок графита, которые используются для изготовления муфеля (справочные данные 3).

На практике, определив по уравнению (2) толщину муфеля Ь, а также наибольшее рд и наименьшее р минимальные значения удельного электросопротивления имеющихся марок графита, по соотношению (5) выбирают стандартное значение частоты. Затем, используя соотношение (4), по минимальному значению удельного электросопротивления определяют соответствующую марку графита, из которого необходимо изготовить муфель.

Известно, что по глубине нагреваемого слоя происходит затухание электромагнитной волны, что приводит, особенно на этапе разогрева, к неравномерному нагреву муфеля.

Избежать этого нежелательного эффекта и повысить скорость прогрева муфеля можно, установив по внутренней стороне муфеля второй индуктор. Этот индуктор подключен параллельно первому, причем отношение мощностей равно отношению площадей боковых поверхностей внутренней и внешней сторон муфеля. Замена одного индуктора двумя параллельными при прочих равных условиях практически не снижает величину активной мощности уста- ноаки.

Конструкция устройства позволяет также проводить термохимическую очистку изделий. Для достижения поставленной цели при проведении процессов термохимиче- ской очистки углеграфитовых изделий с помощью рафинирующего газа в конструкции муфеля предусмотрены вертикальные каналы, а в днище - кольцевой канал. Применение вертикальных каналов, стенки которых имеют температуру греющего муфеля, дает возможность нагревать рафинирующий газ перед поступлением его в полости с изделиями, что исключает снижение равномерности нагрева изделий за счет обтекания им холодным газом. В противном случае пришлось бы организовывать подогрев газа в отдельной установке.

На фиг. 1 показана предлагаемая установка, продольный разрез; на фиг. 2 - то же, поперечный разрез.

В кольцевом зазоре между наружным 1 и внутренним 2 индукторами размещен толстостенный однослойный муфель 3 с цилиндрическими полостями 4, внутри которых на подставках 5 установлены изделия 6, Между индукторами и муфелем имеются теплоизоляционные слои 7. Сверху печь закрывается крышкой 8, снизу съемным днищем 9. В стенке муфеля имеются вертикальные кана- лы 10, а в днище и крышке - газораспределительные каналы 11-13 для подачи, и эвакуации газов. Печь соединена с источником электропитания (не показан).

Предлагаемая конструкция установки дает возможность также проводить принудительное охлаждение изделий инертным газом после завершения их термообработки, для чего охлаждающий газ подают по маршруту: канал 13 в крышке - полости 4 с

изделиями 6 - кольцевой канал 11 в днище

- вертикальные каналы 10 в муфеле - каналы 12 в крышке.

Индукционная муфельная установка работает следующим образом. Изделия 6, установленные на съемном днище 9, снизу вводятся в полости 4. Днище 9 фиксируется в крайнем верхнем положении, герметично закрывая печь. С помощью вакуумной системы (на рисунках не показана) печь вакуу- мируется до остаточного давления мм рт.ст. и через газораспределительные каналы 12 в крышке, вертикальные каналы 10 и кольцевой канал 11 заполняется инертным ;газом (аргон, азот). Включается источник электропитания. Электромагнитная энергия проникает в муфель с двух сторон и, превращаясь в тепловую, равномерно нагревает муфель. Тепловой поток, излучаемый стенками полостей, поступает на нагреваемые изделия, обеспечивая их равномерный осесимметричный нагрев. Кроме того, часть электромагнитной энергии выделяется непосредственно в самих изделиях, что позволяет проводить их нагрев с повышенными, по сравнению с чисто внешним нагревом, скоростями. После достижения конечной температуры и соответствующей изотермической выдержки печь отключается и происходит процесс остывания изделий, который интенсифицируется подачей в печь холодного инертного газа.

При термохимической очистке в печь подается рафинирующий газ.

Приме р. Рассчитать муфель для гра- фитации заготовок диаметром d 0,3 мм.

Принимаем значение диаметра полости d 0,32 м, а д 0,04 м, тогда b 0,32 + 2 0,04

- 0,4мг. По табл.2..с.37 /ом 3,7. Ом м, арб 27, Ом м. Подставляя значения Ь, рн ид5 в уравнение (5), получим:

.

Из ряда стандартных частот выбираем f 50 Гц.

Затем, подставляя найденные значения f и b в соотношение (4), получим:

3, Ом м pmin 7, Ом.м.

Данному условию отвечает графит марки ВПП, у которого (4,5 - 6,7) Ом м. Его выбираем в качестве материала для муфеля.

Формула изобретения

Индукционная муфельная установка для высокотемпературного нагрева углеграфитовых изделий, содержащая источник питания и печь в виде цилиндрического графитового муфеля с крышкой, днищем и вертикальными полостями под изделия и размещенным на наружной поверхности

муфеля индуктором, отличающаяся тем. что, с целью повышения производительности и качества обработки за счет увеличения равномерности и скорости нагрева, она снабжена дополнительным индктором, размещенным на внутренней поверхности муфеля, при атом муфель,выполнен из графита, удельное электрическое сопротивление которого удовлетворяет условию

:.

803 SfH. S ---ifc5--- . где d-диаметр полости;

б (0.02-0,04), м;

- минимальное удельное электросопротивление графита в интервале температур 100-3000°С;

г -относительная магнитная проницаемость графита;

f- стандартная частота переменного тока источника питания, удовлетворяющая ус- ловию

5032рм (

f

5032рм

(

d+2(33

)

где рм.рд - соответственно наименьшее и наибольшее из ряда минимальных значений удельного электросопротивления гра- фитов, используемых для изготовления муфеля, в интервале температур 100- 3000°С.

Использование: графитация обожженных заготовок и очистки графитовых изделий. Сущность изобретения: индукционная муфельная установка состоит из наружного 1 и дополнительного внутреннего 2 индукторов, графитового муфеля 3 с вертикальными цилиндрическими полостями 4, внутри которых на подставках 5 установлены изделия 6. Между индукторами и муфелями .имеются теплоизоляционные слои 7. Сверху печь закрывается крышкой 8, снизу-съемным днищем 9. Печь соединена с источником электропитания. Благодаря наличию дополнительного индуктора и муфеля, удельное электрическое сопротивление которого должно удовлетворять определенным условиям, установка позволяет увеличить равномерность и скорость нагрева углегра- фитовых изделий. 2 ил. ел С

б-Б