установка для термообработки в нейтральной атмосфере наводороженных полуфабрикатов из отходов титана или титановых сплавов

Формула изобретения

1. Установка для термообработки в нейтральной атмосфере наводороженных полуфабрикатов из отходов титана или титановых сплавов, включающая герметичный корпус, теплоизоляцию, образующую рабочее пространство с зоной нагрева садки, нагреватели, средства вакуумной откачки и систему напуска рабочего газа, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена утилизатором водорода, расположенным в рабочем пространстве непосредственно за зоной нагрева садки, экраном, размещенным эквидистантно теилоизоляции с образованием между ними щелевого канала, и системой циркуляции рабочего газа, включающей напорные ветви, подключенные к рабочему пространству и щелевому каналу, и отводящую ветвь, с возможностью изменения расхода рабочего газа в напорных ветвях, при этом теплоизоляция выполнена из гермопанелей, внутри которых расположены сотоблоки, разделенные слоями кремнеземной ткани.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что гермопанели подключены к дополнительной автономной вакуумной системе с блокировочным вакуумметром.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что напорная ветвь подключена к рабочему пространству и дополнительно снабжена устройством очистки нейтрального газа.

4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что напорная ветвь соединена с газоанализатором.

5. Установка по п.4, отличающаяся тем, что в качестве газоанализатора используют хромотограф.

6. Установка по п.1, отличающаяся тем, что утилизатор водорода выполнен в виде стеллажа, плотно прилегающего по контуру к внутренней поверхности гермопанелей с расположением в нем компактированных пакетов из отходов (стружки) титана или титановых сплавов, размещенных с возможностью их лабиринтного обтекания.

7. Установка по п.6, отличающаяся тем, что утилизатор водорода выполнен в виде контейнера, заполненного титановым порошком, при этом внутренняя полость контейнера выполнена с ребрами для обеспечения лабиринтного обтекания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к термическому оборудованию для термообработки полуфабрикатов из металлов и, преимущественно, может быть использовано для отжига полуфабрикатов, полученных из отходов (стружки и т.п.) титана или его сплавов методом водородной пресс-регенерации, в циркулирующей нейтральной газовой среде, в частности может быть использовано для проведения обезводораживающего отжига полуфабрикатов, предварительно наводороженных до нескольких процентов содержания водорода (мас.).

Известна установка для термообработки в циркулирующей газовой среде, содержащая нагревательную камеру, в которой размещают нагревательные элементы, систему вакуумной откачки и напуска рабочего газа. Поршневое приспособление позволяет направлять поток газа через садку в прямом и обратном направлениях, при этом происходит периодическое удаление водорода из отжигаемых заготовок с помощью системы вакуумной откачки (Патент США N 4030712, кл. С 21 D 1/74, 21.06.1977).

Недостатками известного технического решения являются: сложность конструкции установки из-за наличия для удаления водорода поршневого приспособления; повышенная пожароопасность и взрывоопасность установки при удалении водорода через систему вакуумной откачки; низкая производительность установки за счет ограниченного веса садки, особенно, при содержании водорода до 1,5 мас. из-за увеличения газовых потоков более, чем в 50-100 раз по сравнению с газовыми потоками при отжиге заготовок с содержанием водорода 0,01 мас.

Наиболее близким к предложенному является установка для термической обработки, включающая герметичный корпус, водяную рубашку, теплоизоляцию, образующую рабочее пространство с зоной нагрева садки с полуфабрикатами, нагреватели, средства вакуумной откачки и систему напуска рабочего газа, устройства для загрузки и выгрузки изделий [1]

К недостаткам установки относятся: при обезводораживании отжигаемых титановых заготовок с высоким содержанием водорода до 1,5 мас. не обеспечивается качества и производительности процесса; низкая экономичность установки, так как при удалении водорода из отжигаемой балки выброс происходит в атмосферу без утилизации и высокая взрывоопасность системы вакуумной откачки.

Целью изобретения является повышение качества обработки отжигаемых титановых заготовок с высоким (до 1,5 мас.) содержанием водорода, производительности, экономичности, а также безопасности в эксплуатации.

Цель достигается в установке для термообработки в нейтральной атмосфере, преимущественно, наводороженных полуфабрикатов из отходов титана или титановых сплавов, включающей гермокорпус, теплоизоляцию, образующую рабочее пространство с зоной нагрева садки, нагреватели, средства вакуумной откачки и систему напуска рабочего газа, в которой дополнительно установлен утилизатор водорода, расположенный в рабочем пространстве непосредственно за зоной нагрева садки, экран, размещенный эквидистантно теплоизоляции с образованием между ними щелевого канала, и система циркуляции рабочего газа, включающая напорные ветви, подключенные к рабочему пространству и щелевому каналу, и отводящую ветвь с возможностью изменения расхода рабочего газа в напорных ветвях, при этом теплоизоляция выполнена из гермопанелей, внутри которых расположены сотоблоки, разделенные слоями кремнеземной ткани, гермопанели подключены к дополнительной автономной вакуумной системе, снабженной блокировочным вакуумметром, напорная ветвь подключена к рабочему пространству и дополнительно снабжена устройством очистки нейтрального газа, газоанализатором, в качестве которого используются хромотограф, кроме того утилизатор водорода выполнен в виде стеллажа, плотно прилегающего по контуру к внутренней поверхности гермопанелей с расположением в нем компактированных пакетов из отходов титана или титановых сплавов, размещенных с возможностью их лабиринтного обтекания, или в виде контейнера, заполненного титановым порошком, при этом внутренняя полость контейнера снабжена ребрами для обеспечения лабиринтного обтекания.

На фиг. 1 изображена установка с системой циркуляции инертного газа; на фиг. 2 то же, поперечный разрез; на фиг. 3 продольный разрез герметичной теплоизоляционной панели с размещенными в ней послойно сотоблоками; на фиг. 4 сотоблок, вид сверху.

Установка содержит гермокорпус 1, герметичные теплоизоляционные панели 2, нагреватели 3, щелевой канал 4, образованный гермотеплоизоляционными панелями 2 и дополнительным экраном 5, устройство 6 для загрузки и выгрузки садки, стеллаж для размещения отжигаемой садки 7, утилизатор 8 водорода, холодильник 9, загрузочную дверь 10.

Герметичные теплоизоляционные панели 2 состоят из наружной обшивки 11, расположенных послойно сотоблоков 12 из нержавеющей стали, разделенных между собой кремнеземной тканью 13, и системы 14 откачки для вакуумирования панели. В состав установки входят также средства 15, вакуумной откачки, система 16 напуска нейтрального газа, высоконапорный гермовентилятор 17 с устройством 18 очистки нейтрального газа, например аргона от влаги, кислорода, азота, газоанализатором, например хроматографом 19. Напорная магистраль от гермовентилятора состоит из двух ветвей 20, 21, связанных рабочим пространством установки и щелевым каналом, качество отжигаемой садки проверяется газоанализатором 19 в отводящей всасывающей ветви 22, автономная вакуумная система 23 откачки гермопанелей.

Установка работает следующим образом.

На загрузочное устройство 6 в виде выдвижного пода устанавливается садка 7, состоящая из полуфабрикатов титановых сплавов с содержанием водорода до 1,5 мас. Монтируют в задней части загрузочного устройства утилизатор 8, представляющий собой стеллаж с размещенными компактированными пакетами (заготовками) из титановых отходов или контейнер, заполненный титановым порошком. При этом конструкция стеллажа или контейнера обеспечивает лабиринтное обтекание наполнителя утилизатора с помощью ориентированного расположения пакетов (заготовок) или ребер. При проведении отжига утилизатор плотно прилегает к теплоизоляционным панелям, обтекаемый циркулирующим потоком газа.

После закрывания двери 10 торцовая часть теплоизоляционной гермопанели обеспечивает стыковку с панелями рабочего пространства установки, постоянно расположенными в ней. При помощи откачного средства 15 предварительно вакуумируют внутреннее пространство установки и трубопроводов подачи защитного газа до 10^-2 10^-3 мм рт.ст. Посредством системы напуска защитного газа (аргона) через фильтр осушки подают аргон в установку и систему трубопроводов циркуляции аргона, затем включает гермовентилятор 17, пропуская защитный газ через рабочее пространство установки и утилизатор водорода, предварительно очищая его в устройстве 18. По достижению заданной чистоты аргона регулируют расходы в напорных ветвях таким образом, чтобы подача аргона в рабочее пространство установки в ветви 20 составляла 5-10% от общего потока ветви 22.

Перед предварительным вакуумированием установки осуществляют откачку внутреннего пространства панелей с помощью вакуумной системы 23. Далее ведут термообработку садки: нагревают садку 7 до 85010^оС при постоянной циркуляции аргона, который переносит десорбированный водород в утилизатор 8, при этом температура в необогреваемом утилизаторе 8 ниже температуры садки 7 на 100-150^оС, т.е. 700-750^оС, что при наличии лабиринтного обтекания наполнителя утилизатора (компактированные пакеты из титановой стружки или титановый порошок) ускоряет процесс поглощения водорода.

В это время по напорной ветви 21, подключенной к щелевому каналу 4, проходит 90-95% общего потока аргона, при этом аргон омывает наружную часть теплоизоляционных панелей 2 и снижает их температуру до 80-90^оС, благодаря этому температура стенки гермокорпуса 1 установки не превышает 35-40^оС.

По выходе из утилизатора 8 и щелевого канала 4 потоки циркулирующего аргона объединяются и охлаждаются в холодильнике 9 со средней температуры 470-500^оС до 20^оС, и по всасывающей ветви 22 аргон поступает в высоконапорный гермовентилятор 17 и далее в напорные ветви 20 и 21.

По окончании температурной выдержки в течение 3-12 ч в зависимости от массы садки и содержания водорода, на стадии ускоренного охлаждения постепенно изменяют соотношение расходов в напорных ветвях 20 и 21, доводя его до 50-50% По достижении садкой температуры 200-250^оС прекращают циркуляцию защитного газа, отсекают систему циркуляции от установки, скачивают аргон из установки, вакуумируя ее до давления 1 ^.10^-2 мм рт.ст. и напускают воздух до атмосферного давления, после чего открывают загрузочную дверь 10 и выкатывают загрузочное устройство 6, разгружая садку.

Достижению поставленной цели способствует наличие дополнительного экрана 5, расположенного эквидистантно наружной поверхности теплоизоляции, полученный таким образом щелевой канал 4 обеспечивает, с одной стороны, охлаждение за счет высокой скорости потока в нем, высокую степень теплосъема, а с другой стороны, пониженное по сравнению с рабочим пространством давление в канале на величину 15-20 мм рт.ст. что исключает подсосы загрязненного аргона в рабочее пространство, это позволяет также уменьшить затраты на очистку аргона в устройство 18. Устройство 18 очистки содержит в себе последовательно: холодильник, цеолитовый осушитель и обогреваемый до 900-1000^оС контейнер с обезводороженной титановой губкой или стружкой. Работа системы циркуляции аргона и утилизатора водорода, а также контроль обезводораживания садки ведется газоанализатором по наличию в напорных 20, 21 и всасывающей 22 ветвях систем циркуляции аргона примесей кислорода, азота (3 ^.10^-3 об. и 2^. 10^-2 об. соответственно), высокое качество обезводораживания и наводораживания определяется по наличию водорода во всасывающей ветви в пределах 1^. 10^-1 1^. 10^-2 об. В качестве газоанализатора используется газовый хромотограф с катарометрическим датчиком, по сравнению с другими газоанализаторами хромотограф выдает результаты экспресс-анализа сразу по трем параметрам кислород, азот, водород и требует для анализа пробы газа всего лишь 150-200 см³ аргона.

Достижение цели предлагаемого изобретения проверено рядом экспериментальных работ, в том числе и на рабочем макете установки.