индукционная печь

Формула изобретения

1. Индукционная печь, содержащая цилиндрический корпус, внутри которого размещены водоохлаждаемый индуктор, цилиндрическая рабочая камера из металла с крышкой, термоизоляционный материал, размещенный между внутренней поверхностью стенки индуктора и внешней поверхностью цилиндрической рабочей камеры, систему трубопроводов подачи и выпуска водорода и холодильник, отличающаяся тем, что рабочая камера выполнена герметичной в виде цилиндрического тигля из хрома и состоит из двух частей, имеющих различное электрическое сопротивление, со стыком, расположенным над зоной реакции рабочей камеры.

2. Индукционная печь по п.1, отличающаяся тем, что холодильник выполнен в виде трубы, размещенной вне цилиндрического корпуса на трубопроводе выпуска водорода.

3. Индукционная печь по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена поворотным механизмом, установленным с возможностью поворота цилиндрического корпуса в горизонтальное положение.

4. Индукционная печь по п.1, отличающаяся тем, что с внешней стороны рабочей камеры в области, соответствующей зоне реакции, размещена термопара, продольная ось которой параллельна силовым линиям индуктора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может использоваться в высокотемпературных индукционных печах преимущественно для рафинирования (очистки) электролитического хрома, а также для нагрева заготовок из металлических порошков.

Известна индукционная печь с наружным расположением индуктора, цилиндрический корпус которой выполнен из двух стенок, полость между которыми образует вакуумируемую полость, внутри цилиндрического корпуса размещен тигель, внутри вакуумируемой полости размещены отражательные экраны, а охлаждаемый индуктор расположен снаружи обечайки, образующей охлаждаемую оболочку /1/.

Эта индукционная печь может использоваться для рафинирования металлов методом дистилляции. Она обеспечивает надежную работу при дистилляции токсичных и других опасных материалов. Однако она сложна по конструкции, требует подачи в нее рафинируемого металла в жидком состоянии.

Из известных устройств наиболее близким к заявленному является индукционная печь, содержащая цилиндрический корпус с расположенными внутри него индуктором, выполненным водоохлаждаемым, цилиндрической рабочей камерой, выполненной из металла и снабженной крышкой, и теплоизоляционным материалом, размещенным между внутренней стенкой индуктора и внешней поверхностью цилиндрической рабочей камеры, систему трубопроводов подачи и выпуска водорода и дополнительное охлаждающее устройство /2/. В этой индукционной печи индуктор образует ее герметизированный корпус. Цилиндрическая рабочая камера выполнена из молибдена, а на ее дне расположен столик для размещения нагреваемого металла. Дополнительное охлаждающее устройство выполнено в виде медного водоохлаждаемого поддона, размещенного в нижней крышке цилиндрической рабочей камеры. Вакуумирование этой индукционной печи осуществляется через поддон, при этом вакуумируется весь внутренний объем цилиндрического корпуса вместе с цилиндрической рабочей камерой.

Эта индукционная печь не позволяет достичь высокой производительности, что связано, в частности, с ограниченным объемом загрузки. Она не обеспечивает наивысшей степени очистки рафинируемого металла из-за недостаточной эффективности очистки. Молибден, из которого выполнена цилиндрическая рабочая камера (и столик), при высокой температуре охрупчивается, и его осколки загрязняют рафинируемый металл. Недостаточная эффективность очистки связана также с неполнотой протекания химической реакции восстановления оксида водородом из-за отсутствия замкнутого тракта для "прососа" водорода и возможности попадания части уже отработанного водорода в рафинированный хром. Конструкция этой индукционной печи не обеспечивает также необходимый для высокоэффективной очистки оптимальный температурный режим в рабочей камере.

Задача, решаемая изобретением, заключается в создании индукционной печи, лишенной недостатков прототипа. Технический результат, обеспечиваемый изобретением, состоит в повышении производительности индукционной печи при одновременном повышении степени очистки рафинируемого в ней металла.

Это достигается тем, что в индукционной печи, содержащей цилиндрический корпус с расположенными внутри него индуктором, выполненным водоохлаждаемым, цилиндрической рабочей камерой, выполненной из металла и снабженной крышкой, и теплоизоляционным материалом, размещенным между внутренней стенкой индуктора и внешней поверхностью цилиндрической рабочей камеры, систему трубопроводов подачи и выпуска водорода и дополнительное охлаждающее устройство, цилиндрическая рабочая камера, выполненная из хрома герметичной в виде тигля в форме стакана, состоит из двух, имеющих различное электрическое сопротивление частей, со стыком, расположенным над зоной реакции цилиндрической рабочей камеры. Дополнительное охлаждающее устройство может быть выполнено в виде трубчатого холодильника, размещенного вне цилиндрического корпуса индукционной печи на трубопроводе выпуска водорода. Индукционная печь может быть снабжена поворотным механизмом, установленным с обеспечением возможности поворота ее цилиндрического корпуса в горизонтальное положение. С внешней стороны цилиндрической рабочей камеры в области, соответствующей зоне реакции, может быть размещена термопара, продольная ось которой параллельна силовым линиям индуктора.

Упомянутый выше технический результат обеспечивается всей совокупностью существенных признаков.

Новым в изобретении является выполнение цилиндрической рабочей камеры составной из хрома, совмещающей в себе функции рабочей камеры, тигля и нагревателя.

На чертеже показана конструкция (в поперечном разрезе) предложенной индукционной печи.

Она содержит цилиндрический корпус 1, индуктор 2, цилиндрическую рабочую камеру 3, снабженную в ее верхней части крышкой 4, расположенной снаружи цилиндрического корпуса 1 и цилиндрической рабочей камеры 3. Цилиндрическая рабочая камера 3 выполнена герметичной в виде тигля и имеет форму стакана, упирающегося в крышку 4. Она изготовлена из спеченного порошка хрома и состоит из двух частей, имеющих разное электрическое сопротивление, например, за счет того, что стенки этих частей имеют разную высоту. При этом индуктор 2 может быть выполнен с секционированными обмотками, соответствующими указанным частям цилиндрической рабочей камеры 3. Верхняя ее часть имеет меньшую высоту по сравнению с нижней так, что стык 5 этих частей расположен над зоной реакции цилиндрической рабочей камеры 3. Стык 5 может быть реализован, например, за счет механического соединения этих частей. Цилиндрическим корпусом 1 может служить, например, внешняя стенка индуктора 2. Индуктор 2 выполнен, например, в виде витков медной трубки, обмотанных марлевой тканью, пропитанной эпоксидной смолой. Верхний и нижний торцы цилиндрического корпуса 1 образованы верхней 6 и нижней 7 плитами, выполненными, например, из текстолита и скрепленными водоохлаждаемыми шпильками (на чертеже не показаны). Верхняя плита 6 имеет загрузочное отверстие, закрываемое крышкой 4, которая снабжена штуцером подачи водорода 8. Под штуцером 8 может быть размещен рассекатель газового потока, например, в виде металлических пластин (на чертеже не показан). Между внутренней стенкой индуктора 2 и внешней поверхностью цилиндрической рабочей камеры 3 размещен теплоизоляционный материал 9, например, в виде засыпки из диоксида циркония или спеченного магнезита. Эта же засыпка образует слой теплоизоляционного материала 9 под дном цилиндрической рабочей камеры 3. В нижней плите 7 закреплена термопара 10, рабочая часть которой контактирует с цилиндрической рабочей камерой 3 в области зоны реакции. Размещение термопары 10 осуществлено таким образом, что ее продольная ось (рабочая часть термопары 10) параллельна силовым линиям индуктора 2. В нижней плите 7 закреплен трубчатый холодильник 11, размещенный на трубопроводе выпуска водорода 12. Индукционная печь может быть снабжена также поворотным механизмом, установленным с обеспечением возможности поворота конструкции в горизонтальное положение (на чертеже не показан).

Индукционная печь работает следующим образом. Снимают крышку 4 и загружают в цилиндрическую рабочую камеру 3 металл, например, чешуйчатый (пластинчатый) хром марки ЭХ. Объем "садки" может быть значительным благодаря возможности осуществления цилиндрической рабочей камеры 3 вместительной. После закрытия крышки 4 проверяют герметичность индукционной печи и включают проток водорода, который попадает непосредственно в цилиндрическую рабочую камеру 3. Одновременно подают электрическое напряжение на обмотку индуктора 2, в результате чего происходит разогрев стенок цилиндрической рабочей камеры 3, являющихся нагревательным элементом индуктора 2. Из-за того, что верхняя часть цилиндрической рабочей камеры 3 имеет большее электрическое сопротивление по сравнению с нижней частью (благодаря размещению стыка 5 над зоной реакции цилиндрической рабочей камеры 3), температура ее нагрева оказывается меньшей, чем нижней части. Нагрев верхней части осуществляется, например, до 300-600^oC, а нижней - до 1500-1700^oC. При этом водород предварительно нагревается и поступает в зону реакции уже подогретым, что исключает эффект захолаживания рафинируемого хрома и стабилизирует температурный градиент в зоне реакции.

Такая конструкция цилиндрической рабочей камеры 3 устраняет необходимость в дополнительных теплозащитных экранах. Между нагревателем и тиглем отсутствуют зазоры, поскольку нагреватель совмещен со стенками тигля. Это увеличивает рабочее пространство индукционной печи.

Поток водорода в такой индукционной печи используется наиболее рационально, так как весь водород проходит через "садку", а его подогрев (а также рассечение) в верхней части цилиндрической рабочей камеры 3 способствует увеличению производительности процесса рафинирования за счет обеспечения равномерности рафинирования в верхних слоях "садки". "Просос" водорода оказывается эффективным благодаря тому, что в зоне реакции отсутствуют какие-либо соприкасающиеся части конструкции. Загрязнение рафинируемого хрома в ходе рабочего процесса исключено, поскольку он контактирует только с цилиндрической рабочей камерой 3, играющей роль тигля, выполненной также из хрома.

Под действием высокой температуры происходит восстановление оксида водородом (происходит очистка хрома без расплава, в твердой фазе, без изменения агрегатного состояния). Отработанный водород удаляется через трубопровод выпуска 12. При этом исключается попадание отработанного водорода в отрафинированный хром, что устраняет возможность сдвига равновесия реакции в сторону вторичного окисления хрома. По окончании процесса индукционная печь охлаждается до комнатной температуры, ее наклоняют посредством поворотного механизма на 90^o и отрафинированный хром извлекают из цилиндрической рабочей камеры 3.

Температура при нагревании стенок цилиндрической рабочей камеры 3 в процессе реакции и при охлаждении измеряется термопарой 10, расположение которой сводит к минимуму погрешность измерения температуры, вызываемую влиянием электрических наводок от индуктора 2.

Один из вариантов работы индукционной печи предусматривает загрузку рафинируемого хрома не только в нижнюю часть цилиндрической рабочей камеры 3 (в зону реакции), а дополнительно и в верхнюю часть, например, с использованием прокладки между рафинируемым объемом "садки" и дополнительной засыпкой. Хром, находящийся в ее верхней части, играет роль геттера, захватывая влагу, что повышает эффективность очистки. После окончания процесса рафинирования дополнительная засыпка удаляется и может использоваться повторно.

Индукционная печь может работать в режиме нагрева заготовок, например, для спекания заготовок металлических порошков или нагрева под деформацию металлических полуфабрикатов. При этом индукционная печь поворачивается в горизонтальное положение.

Пример реализации. В индукционную печь загружено 400 кг хрома марки ЭХ с содержанием кислорода 0,34%. Разогрев зоны реакции осуществляли до температуры 1650^oC в течение 9 часов. Расход водорода составил 5 м³/час в режиме разогрева и 25 м³/час в процессе реакции. Получен рафинированный хром марки ЭРХ с содержанием кислорода до 0,002%, без каких-либо загрязнений примесями. Выход годной массы составил 90%.

В индукционной печи, выполненной в соответствии с изобретением, достигается возможность увеличения загрузки рафинируемого металла одновременно с обеспечением наиболее оптимальных условий для протекания реакции внутри цилиндрической рабочей камеры 3, в том числе за счет разнесения холодной и горячей зон и обеспечения условий для наиболее полного взаимодействия водорода с "садкой". В результате этого индукционная печь имеет более высокую производительность и позволяет не менее чем в два раза увеличить объем "садки" по сравнению с известными аналогичными индукционными печами. При этом одновременно достигается повышение степени очистки. Такая индукционная печь более экономична по сравнению с известными.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР N 499690, МПК H 05 B 6/24, C 21 C 5/56, 1974.

2. Авторское свидетельство СССР N 238027, МПК H 05 B 6/26, 1962.