трехфазная электродная печь-ванна

Формула изобретения

Трехфазная электродная печь-ванна, содержащая водоохлаждаемый корпус, расположенный на внешней стенке корпуса змеевик и электроды, отличающаяся тем, что корпус выполнен цилиндрическим, а электроды соединены с фазами попарно и расположены равномерно по концентрическим окружностям на стенке корпуса ниже уровня расплава шлака и в днище ванны, при этом оси симметрии парных электродов, соединенных с одноименной фазой, перпендикулярны друг другу и находятся в вертикальной плоскости, проходящей через ось симметрии ванны, по разные стороны от центра окружности, а змеевик в поперечном сечении имеет треугольную форму.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к термической обработке металлов и сплавов и может быть использовано при закалке деталей, наплавке в жидких теплоносителях и преддеформационном нагреве.

Известна электродная печь-ванна с электродами в виде параллельных пластин с отверстиями, расположенными ниже уровня расплава и водоохлаждаемыми элементами конструкции электродов, расположенными выше зеркала расплава (а. с. N 411755, МКИ C 21 D 1/44, C 21 D 9/00, опубл. 5.12.77, бюл. N 45).

Однако такая конструкция печи-ванны из-за одностороннего расположения электродов не обеспечивает равномерной температуры нагрева расплава по всему объему рабочего пространства.

Известная трехфазная соляная ванна, состоящая из трех основных электродов и одного дополнительного, размещенных в ряд вдоль ее длины (а.с. N 1164286, МКИ C 21 D 1/46, опубл. 30.06.85, бюл. N 24), имеет низкий срок службы электродов из-за быстрого разрушения в месте соприкосновения с зеркалом расплава, а также из-за разности электрических сопротивлений в зонах нагрева.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является электродная печь-ванна, включающая водоохлаждаемый металлический корпус и тигель (а.с. N 411754, МКИ C 21 D 1/44, C 21 D 9/00, опубл. 5.12.77, бюл. N 45 - прототип). Однако из-за громоздкости конструкции, малого полезного рабочего пространства и низкой стойкости электродов из-за их неудачного расположения известная электродная печь-ванна не нашла промышленного применения.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности использования рабочего пространства печи за счет обеспечения циркуляцией равномерности температуры расплава.

Поставленная задача достигается тем, что в трехфазной электродной печи-ванне, содержащей водоохлаждаемый корпус, расположенный на внешней стенке корпуса змеевик и электроды, корпус выполнен цилиндрическим, а электроды соединены с фазами попарно и расположены равномерно по концентрическим окружностям на стенке корпуса ниже уровня расплава шлака и в днище ванны, при этом оси симметрии парных электродов, соединенных с одноименной фазой, перпендикулярны друг к другу и находятся в вертикальной плоскости, проходящей через ось симметрии ванны, по разные стороны от центра окружностей, а змеевик в поперечном сечении имеет треугольную форму.

Наличие в предлагаемом устройстве изобретения доказывается тем, что отсутствуют подобные высокопроизводительные и надежные электродные печи-ванны, обеспечивающие безокислительный сквозной нагрев деталей до температуры выше 1000^oC в расплавах шлака или соли с равномерным распределением температурных полей по всему рабочему объему ванны.

Оригинальность предлагаемого технического решения заключается в том, что электроды, расположенные на стенках цилиндрического корпуса и днище ванны, соединены с фазами попарно, создавая при этом линии тока, равномерно пронизывающие рабочее пространство ванны в зоне нагрева детали.

Устройство поясняется чертежами. На фиг. 1 изображен общий вид печи-ванны, на фиг. 2 - разрез Д-Д фиг. 1, на фиг. 3 - принципиальная схема соединений трехфазной электродной печи-ванны. Тонкими линиями показано распределение линий тока между электродами, полученное в процессе моделирования электрических процессов в шлаковом расплаве ванны.

Трехфазная электродная печь-ванна содержит цилиндрический корпус 1 (фиг. 1) диаметром 450 мм, днище 2 и электроды 3, 4, выполненные из жаропрочной стали Х18Н9Т. Электроды 3 введены в рабочее пространство ванны через стенки корпуса 1 ниже уровня 5 расплава шлака 6, а электроды 4 установлены в днище 2, образуя концентрические окружности 7 и 8 (фиг. 2). При этом оси симметрии 9, 10 электродов 3, 4, соединенных с одной из фаз A, B или C, находятся в плоскостях 11, 12 или 13, проходящих через ось симметрии 14 корпуса 1 ванны. На наружной поверхности корпуса 1 (фиг. 1) и днища 2 размещен охладитель, представляющий собой спиральный змеевик 15 треугольной формы в поперечном сечении. Нагреваемая деталь 16 крепится на державке 17. Электроды 3, 4 шинами 18 присоединены к трансформатору T1 мощностью 100 кВт согласно электросхеме (фиг. 3). Регулировка температуры в рабочем пространстве ванны осуществляется термопарой 19 и прибором КСП, который через выключатель K1 осуществляет включение и выключение трансформатора T1 при достижении заданных нижнего и верхнего температурных уровней. Распределение линий тока 20 (фиг. 2) между электродами 3, 4 позволяет разделить весь объем ванны на 12 зон интенсивного нагрева с электрическими сопротивлениями R1...R12 и зону Q13, в которую теплота передается за счет циркуляции расплава шлака 6.

Устройство работает следующим образом.

В рабочее пространство, образуемое корпусом 1 и днищем 2, опускается подключенная во вторичную цепь трансформатора T1 нихромовая спираль 21 (фиг. 3), и засыпается измельченный синтетический шлак следующего состава: 56% Na₂B₄O₇, 16% B₂O₃, 16% K₂CO₃, 7% Na₂SiO₃, 5% K₂Zr. Предлагаемый шлак невзрывоопасен, нетоксичен, исключает обезуглероживание детали, способствует быстрому и равномерному нагреву "садки".

При прохождении переменного тока по спирали выделяется тепло и происходит плавление шлака. Расплавленный шлак электропроводен и обладает большим омическим сопротивлением. В результате между электродами 3 и 4 возникает электрический ток с большим выделением теплоты, и шлак достаточно быстро плавится, заполняя весь рабочий объем. При достижении температуры шлака 650. ..700^oC спираль 21 отключается от электрической цепи и удаляется из рабочего пространства, а процесс плавления шлака продолжается.

Сопротивление расплава шлака 6 между парами электродов 2 и 3 (фазами A и B, B и C, A и C) практически одинаково, нагрузка между фазами распределяется равномерно благодаря симметричному расположению электродов 2, 3, что обеспечивает равную интенсивность их выгорания. Напряжение электродной печи-ванны составляет 20. . . 30 В. Выравнивание температуры расплава шлака по объему ванны достигается за счет циркуляции расплава. Рабочий интервал температуры нагрева при термообработке составляет 860...1150^oC, при наплавке - 990... 1100^oC, преддеформационном нагреве - 900...1200^oC.

Деталь 16, закрепленная на державке 17, опускается в зону активного нагрева, выдерживается в течение заданного времени и подвергается дальнейшей обработке согласно требованиям технологического процесса изготовления или восстановления. В качестве исследуемых образцов использовались изношенные золотники гидрораспределителей Р-80 и диски пяты турбобуров ЗТСШ, восстанавливаемые наплавкой в жидких теплоносителях, а также прецизионные автотракторные детали, восстанавливаемые методом давления.

Эффект "намораживания" затвердеваемой пленки шлака на внутренней поверхности корпуса 1, предохраняющей его стенки от разрушения, достигается без применения тигеля за счет интенсификации процесса водоохлаждения. Для этого используется змеевик 15, имеющий треугольное поперечное сечение, что при одинаковой пропускной способности с известным полукруглым сечением змеевика из-за большей площади наружной поверхности в 1,2 раза улучшает конвективный теплообмен с окружающей средой.

Как показали результаты испытаний опытного образца трехфазной электродной печи-ванны, скорость нагрева цилиндрической детали до температуры 1000 50^oC составила 1 мм/мин, количество одновременно нагреваемых деталей составило 3...5 штук в зависимости от их габаритов.

Таким образом, использование изобретения позволяет достичь следующих результатов.

1. Трехфазная электродная печь-ванна благодаря оригинальному расположению электродов как на стенках корпуса, так и на днище, а также попарному соединению электродов с фазами трансформаторов, обеспечивает быстрое расплавление, разогрев и равномерное распределение температуры в расплаве шлака с допуском 10^oC.

2. Равномерное распределение нагрузки между фазами увеличивает срок службы электродов.

3. Интенсификация процесса охлаждения стенок корпуса днища позволила увеличить полезный объем рабочего пространства печи за счет исключения тигеля.

4. Расположение электродов исключает их разъедание на границе раздела расплав-воздух.

5. Предлагаемая конструкция электродной печи-ванны позволила с большей эффективностью использовать стабилизирующие характеристики синтетического шлака, разработанного специально для нагрева и наплавки металлов и сплавов (патент N 2114184. МКИ C 21 D 1/34, B 23 K 35/362, опубл. 27.06.98, бюл. N 18).

Реализация потенций предлагаемого изобретения благодаря обоснованному моделированию электрических процессов, протекающих в шлаковом расплаве, расположению электродов и конструкции корпуса, позволит использовать трехфазную электродную печь-ванну не только для термообработки деталей, но и для наплавки изношенных поверхностей в жидких теплоносителях и преддеформационного нагрева при восстановлении давлением.