устройство для химико-термической обработки изделий

Формула изобретения

1. Устройство для химико-термической обработки длинномерных изделий, содержащее печь, реторту с торцевыми крышками и приводом вращения, приспособления для загрузки и выгрузки изделий и средство для загрузки порошковой смеси, отличающееся тем, что печь снабжена подовыми щелевыми полуэжекционными многофакельными горелками, расположенными в горелочной щели в нижней части печи по всей ее длине, решеткой, установленной в щели канала для отвода дымовых газов параллельно горелочной щели, и вертикальными торцевыми люками, реторта снабжена упорно-прижимным устройством торцевых крышек, съемными боковыми сегментами и опорно-направляющими в ней, а приспособления для загрузки и выгрузки изделий включают ладью, опорно-направляющий лоток, загрузочную каретку и лебедку для выгрузки ладьи.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вертикальные люки соединены с кареткой.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что реторта снабжена роликами, имеющими уплотнительный кожух.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что загрузочная каретка имеет защелку для зацепления с ладьей.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что расстояние между крайними соплами стыкующихся горелок и между крайними горелками и торцом горелочной щели не превышает расстояния между соплами горелок.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для химико-термической обработки стальных изделий, в частности для термодиффузионного цинкования длинномерных изделий в порошковых средах, которое применяется для нанесения антикоррозионного покрытия.

Известны устройства для термодиффузионного цинкования в порошковых смесях, представляющие собой поворотную электропечь с размещенной в ней с возможностью вращения ретортой, имеющей герметичную крышку. Обрабатываемые изделия помещают в реторту в перфорированном контейнере, где при нагреве в контакте с порошковой насыщающей смесью (содержащей, например, порошок цинка) происходит диффузия испаряющегося металла в поверхность изделий и образование антикоррозионного покрытия. Устройства снабжены приспособлениями для регулирования давления в полости реторты, размещенными на их крышке (Патент РФ 2117717,2130508).

Известно устройство для нанесения покрытия термодиффузионным методом на длинномерные изделия. Оно содержит проходную электрическую печь с ретортой, имеющей торцевые крышки, устройства для загрузки и выгрузки изделий с приводными роликами, обеспечивающими одновременно поступательное и вращательное движение реторты, устройство для пневматической загрузки и выгрузки порошка (Патент РФ 2156830). Недостаток устройства - высокие затраты на электрообогрев.

Достоинство устройств с электообогревом - возможность равномерности подвода тепла к реторте, а следовательно, получение равномерного по толщине покрытия.

Недостаток этих устройств заключается в использовании дорогостоящего источника тепла - электрообогрева, стоимость которого на тонну покрываемых изделий примерно в 4 раза больше, чем стоимость обогрева дымовыми газами от сжигания природного газа. Кроме того, эти устройства пригодны только для нанесения покрытия на мелкие метизы и принципиально не пригодны для длинномерных изделий.

Известна печь для термодиффузионного цинкования изделий до 4,5 м длиной фирмы "Distek LTD" (Израиль), представляющая собой горизонтальный корпус с газовыми горелками, расположенным по длине печи (4 шт). На вращающихся опорах внутри печи размещается контейнер-реторта, имеющий герметичную горизонтальную крышку, через которую загружаются детали и насыщающий порошок. Эта крышка после окончания процесса обработки заменяется на перфорированную для отсева порошка от деталей.

Контейнер-реторта помещается в печь грузоподъемным устройством через крышку, являющуюся верхней горизонтальной плоскостью печи. Продукты сгорания газа обогревают вращающуюся реторту и затем отбрасываются через отверстие в верхней торцевой части печи.

Печь имеет открытое применение на предприятии ЗАО "Уральский завод металлоизделий" г.Первоуральск Свердловской области.

Недостатки в работе печи: механические проблемы из-за расцентровки вследствие расположения опорного вала контейнера-реторты в зоне обогрева печи; неравномерность толщины покрытия по длине печи из-за наличия градиента температуры.

Известно устройство для химико-термической обработки длинномерных деталей с использованием в качестве теплоносителя природного газа (Патент РФ 2031184). Его указанное назначение - обработка в потоке проточного газа, однако оно может быть использовано для обработки в порошковой смеси.

Устройство содержит проходную печь с горелками, реторту-муфель с приспособлением для регулирования подвода газовой среды, герметизирующие заслонки, приспособление для загрузки длинномерных изделий в печь и выгрузки из печи.

Недостаток устройства - неравномерность толщины нанесенного покрытия вследствие отсутствия обновления поверхности контакта обрабатываемых деталей (например, за счет вращения).

Техническая задача изобретения - обеспечить минимальные затраты на химико-термическую обработку при равномерном по длине изделий покрытии при удовлетворительной надежности установки.

Задача решается тем, что устройство для химико-термической обработки длинномерных изделий содержит печь, реторту с торцевыми крышками и приводом вращения, приспособления для загрузки и выгрузки изделий и средство для загрузки порошковой смеси. Печь снабжена подовыми щелевыми полуэжекционными многофакельными горелками, расположенными в горелочной щели в нижней части печи, решеткой, установленной в щели канала для отвода дымовых газов параллельно горелочной щели и вертикальными торцевыми люками. Реторта снабжена упорно-прижимным устройством торцевых крышек, съемными боковыми сегментами и опорно-направляющими в ней, а приспособления для загрузки и выгрузки изделий включают ладью, опорно-направляющий лоток, загрузочную каретку и лебедку для извлечения ладьи. При этом вертикальные люки соединены с кареткой, реторта снабжена роликами, имеющими уплотнительный кожух, а загрузочная каретка имеет защелку для зацепления с ладьей. При этом расстояние между крайними соплами стыкующихся горелок и между крайними горелками и торцом горелочной щели не превышает расстояния между соплами горелок.

Использование ладьи с сопутствующими конструктивными элементами (кареткой, опорно-направляющими лотками и пр.) как транспортирующего устройства позволяет использовать реторту в стационарном состоянии, что обеспечивает ее надежную центровку в печи. Это необходимо не только для обеспечения механических процессов, но и гарантирует от нежелательной неравномерности расположения порошка в реторте под действием вращения.

Известно, что печи с газовыми горелками в сравнении с электрическими печами менее энергозатраты, однако характеризуются обычно достаточно большим градиентом температуры. Так, печи "Distek LTD" имеют градиент температуры по длине более 30^oС. Для таких сравнительно низкотемпературных процессов, как цинкование, проходящих при 390-450^oС, это достаточно сильно влияет на скорость испарения цинка в конкретном сечении реторты. При этом, так как перемешивания порошковой и газовой среды по длине реторты практически нет, то наличие градиента температур приводит к колебанию толщины покрытия по длине изделия.

В данном устройстве для уменьшения градиента температуры по длине печи до менее 10^oС предусмотрены следующие конструктивные особенности:

1) конструкция горелок - подовые щелевые полуэжекционные многофакельные (с размером горелки, например, (1,52,0) м), обеспечивающая сплошной равномерный низкотемпературный факел со свободным пламяперебросом от крайнего факела одной горелки до факела другой за счет того, что зазор между крайними соплами стыкующихся горелок и между крайними горелками и торцом горелочной щели не превышает расстояния между соплами горелок;

2) газовая щель с перфорированной решеткой расположена по всей длине печи параллельно горелочной щели;

3) единственно возможный неорганизованный подсос холодного воздуха в печь - через неплотности возле ролика вращения реторты - закрыт уплотнительным кожухом.

Для уменьшения потерь тепла на установке и градиента температуры в реторте в печи имеется вертикальный люк с кареткой, а в реторте - торцевые крышки с упорно-прижимным устройством.

На фиг.1 изображен общий вид устройства, боковой разрез; на фиг.2 - разрезы А-А, Б-Б в поперечном сечении.

Установка состоит из печи 1, в которой вращается реторта 2 с двумя торцевыми крышками 3, герметично прижимаемыми упорно-прижимным устройством 4. Печь имеет торцевые вертикальные люки 5. Реторта снабжена клапаном-сапуном 6, используемым для сброса воздуха, и золотником 7 для закачки газа в контейнер.

Печь обогревается подовыми щелевыми полуэжекционными многофакельными газовыми горелками 8, расположенными на опорах 9 в горелочной 10 щели. Дымовые газы в печи после обогрева реторты 2 проходят через перфорированную решетку 11 в газовую 12 щель и далее в газовый канал. К реторте 2 приварены по окружности опорные кольца 13, через которые ей передается вращение от роликов 14 вращения реторты, закрытых уплотнительным кожухом 15. Ладья 16, представляющая собой "корыто" с сегментом в поперечном сечении, предназначена для транспортирования изделий с порошковой смесью в реторту и из нее на роликах 17 ладьи. Порожняя ладья двигается туда и обратно по опорно-направляющим 18 реторты. Ролик 14 вращения реторты посредством передачи вращения через передаточный механизм (ведомый вал и звездочку, две цепи, спаренную звездочку, ведущий вал) связан с приводом 19 вращения реторты, который крепится на каркасе 20 печи.

Люк 5 печи соединен с кареткой 21 люка, двигающегося по направляющим 22 посредством пневмоупора 23 люка за счет регулировки подачи сжатого воздуха. Каретка 21 люка, связанная через кронштейн с зубчатой рейкой 24 и с электроприводом каретки 25 люка, передвигается по направляющим 26 на роликах 27 в плоскости, перпендикулярной оси печи 1.

Горизонтальные смещения реторты 2 в момент загрузки и выгрузки предупреждаются пневмоупорами 28 за счет подачи сжатого воздуха. Для перемещения ладьи 16 относительно реторты 2 имеются опорно-направляющий лоток 29 на участке загрузки и выгрузки и боковые ограничители 30, закрепленные со стороны выгрузки.

В реторте 2 по одну сторону от горизонтальной плоскости опорных направляющих 18 установлены боковые сегменты 31, предназначенные для исключения высыпания содержимого реторты в момент открывания ее крышки 3. Эти сегменты съемные, в зависимости от номенклатуры изделий могут меняться по высоте.

Тяговое усилие, обеспечивающее горизонтальное движение ладьи 16 при разгрузке, создается лебедкой 32.

По направляющим 33 вдоль зубчатой рейки 34 загрузочная каретка 35, установленная на роликах, может перемещаться вдоль оси печи. Кроме того, загрузочная каретка 35 имеет защелку 36 для закрепления с ладьей 16 в момент извлечения ее из печи. Задвижение ладьи 16 в реторту 2 осуществляется кареткой 35 посредством упора 37.

Для управления открытием-закрытием люков 5 печи, движением каретки 35, вращением реторты печи 1, движением лебедки 32 подачей газа предусмотрены пульты управления 38.

Для отсоса пыли в момент загрузки и выгрузки имеется аспирационный канал 39.

Установка работает следующим образом.

Грузоподъемным механизмом укладывают порожнюю ладью 16, имеющую ролики 17, на опорно-направляющий лоток 29, предварительно отогнав загрузочную каретку 35 в исходное крайне левое положение. В ладью 16 загружают изделия и, подключив отсос пыли через аспирационный канал 39, равномерно по всей длине ладьи 2 засыпают бункером-дозатором расчетное количество порошковой смеси.

С пульта управления 38 открывают оба люка 5 печи посредством подачи сжатого воздуха в пневмоупоры 23 люка 5, перемещая его по направляющим 22 в крайнее положение за габариты печи 1. Включив электропривод 25 каретки 21, перемещаем ее вместе с люком 5 на роликах 27 по направляющим 26 в крайнее положение посредством зубчатой рейки 24, освобождая проем печи 1 с обеих сторон (показано пунктиром на фиг.2, А-А).

Далее для исключения горизонтального смещения реторты 2 в процессе ее загрузки со стороны разгрузки выставляют пневмоупоры 28 к реторте (2) путем подачи сжатого воздуха. Со стороны загрузки откидывают крышку 3 реторты. Открутив упорно-прижимное устройство 4, отводят крышку 3 в сторону, освобождая проем реторты. Проверяют правильность установки реторты: по горизонтали опорно-направляющие 18 реторты должны находиться в одной плоскости.

Убедившись в правильности установки реторты 2, закатывают заполненную ладью 16 в реторту посредством перемещения загрузочной каретки 35 по направляющим 33 в сторону печи 1.

Ладью 16 по опорно-направляющему лотку 29 полностью закатывают посредством упора 37 в реторту 2. На ее краях по одну сторону от горизонтальной плоскости направляющих 18 реторты устанавливают сегменты 31, предназначенные для исключения высыпания содержимого реторты в момент открывания ее крышки (в данном случае сегменты находятся в верхней половине реторты, вторая половина реторты предназначена для перемещения ладьи внутри ее и с боков ничем не ограничена).

После установки наполненной ладьи 16 в реторту 2 загрузочную каретку 35 откатывают в исходное положение. Далее закрывают крышку 3 реторты, затягивают запорно-прижимным устройством 4, убирают пневмоупоры 28 от реторты со стороны разгрузки посредством подачи сжатого воздуха в пневмоупоры 28. Включают привод 19 вращения реторты, поворачивая ее на 180^o. Таким образом, ладья 16, находящаяся в реторте, останавливается в верхнем положении реторты, содержимое ладьи пересыпается в нижнюю часть реторты. Открывают крышку 3 реторты со стороны загрузки, при этом ограничивающие сегменты 31 не дают содержимому высыпаться из реторты. Перемещают загрузочную каретку 35 к печи до тех пор, пока защелка 36 каретки не войдет в зацепление с порожней ладьей 16, находящейся в верхней половине реторты и опирающейся на опорно-направляющие 18 реторты своими краями.

Для предотвращения горизонтального перемещения реторты при выполнении операции по извлечению порожней ладьи из реторты выдвигают пневмоупоры 28 к реторте 2 со стороны загрузки. Включают реверс (обратный ход) загрузочной каретки 35 и извлекают из реторты ладью 16, которая под действием тягового усилия каретки 35 кромками скользит по опорно-направляющим 18 реторты. Закрывают реторту упорно-прижимным устройством 4

Далее заполняют реторту 2 инертным газом через гибкий шланг в золотник 7. Поступая в реторту, инертный газ вытесняет воздух через верхний сбросный клапан-сапун 6, который рассчитан на определенное избыточное давление. Убедившись, что реторта полностью заполнена инертным газом, отсоединяют шланг от золотника 7. Включают дымосос для удаления продуктов сгорания. Включают привод вращения 19 реторты, расположенный на каркасе 20 печи. При этом вращение передается на опорные кольца 13, опирающиеся на ролики вращения 14, закрытые уплотнительным кожухом. С пульта управления 38 печью посредством запального устройства производят розжиг горелок 8, расположенных на опорах 9 в горелочной щели 10 нижней части печи. После этого закрывают проемы печи 1 с обеих сторон люками 5, выполняя данную операцию в последовательности, обратной "открыванию".

Далее идет нагрев содержимого реторты, где происходит процесс термодиффузионного насыщения поверхности изделий. Газы из печи, прошедшие через перфорированную решетку 11 и газовую щель 12 дымососом, выбрасываются в атмосферу.

После окончания процесса термодиффузионного насыщения отключают газ, открывают проемы печи с обеих сторон, тем самым охлаждая реторту.

Далее останавливают вращение реторты 2, фиксируя ее в положении, при котором боковое сегменты 31 реторты 2 находятся в нижнем положении, открывают крышку 2 реторты со стороны загрузки, выставляют реторту на пневмоупоры 28 со стороны выгрузки. Загрузочной кареткой 35 по опорно-направляющим 18 реторты заводят порожнюю ладью 16 в перевернутом виде в верхнюю часть реторты 2. Отводят каретку 35 в исходное положение. Убирают пневмоупоры 28 от реторты со стороны выгрузки, закрывают крышку 3 реторты со стороны загрузки. Включают механизм вращения реторты, повернув ее на 180^o. Ладья 16 с верхнего положения переходит вниз и все содержимое реторты пересыпается в ладью. Снова реторту 2 выставляют на боковые пневмоупоры 28 со стороны выгрузки, открывают крышку 3 реторты с этой же стороны. Лебедкой 32 извлекают ладью 16 из реторты по опорно-направляющему лотку 29 и боковым ограничителям 30.

Таким образом, устройство обеспечивает нанесение на длинномерные изделия равномерного по длине термодиффузионного покрытия (с изменением толщины по длине не более 20%) при минимальных затратах на энергоноситель (30-40 м природного газа на 1 т изделий при толщине покрытия 30-100 мкм).

В процессе обработки длинномерных изделий опорно-направляющие 18 реторты 2, предназначенные для подачи, извлечения и поворота ладьи 16, выполняют дополнительно и функцию перемешивания (пересыпки) изделий внутри реторты, т. е. участвуют в непосредственном контакте с изделиями.

Проблема исключения контакта изделий с опорно-направляющими в процессе подачи порожней ладьи в реторту и извлечения из нее решена следующим образом:

1) количество загружаемых в реторту 2 изделий для цинкования берется из расчета не более 45% заполнения ее сечения, т.е. расстояние по вертикали от верха опорно-направляющих 18 до предполагаемого горизонта равномерного распределения изделий в реторте 2 составляет не менее 8% диаметра реторты;

2) учитывая неравномерность распределения металлоизделий в реторте в процессе вращения, для исключения их возможного контакта с опорно-направляющими, перед подачей и извлечением ладьи изделия группируют к центру реторты путем маятникового поворота реторты в обе стороны на 30-50 градусов (в зависимости от вида металлоизделий) относительно оси.

Примером реализации работы устройства, является термодиффузионное цинкование трубы насосно-компрессорной (НКТ) по ГОСТ 633-80 с условным диаметром 73 мм, толщина стенки 5,5 мм; длина 10000 мм.

Для цинкования используется смесь порошковая цинковая по ТУ 1479-001-51467751-99.

Габариты реторты - диаметр внутренний 980 мм, длина - 11000 мм.

Объем разовой загрузки реторты - 40 шт. трубы с вышеуказанными размерами, общей массой - 3680 кг. Расчетное количество смеси порошковой цинковой на наружную поверхность 1 т трубы, для получения покрытия толщиной 70 мкм составляет 23, 24 кг. Скорость вращения реторты составляет - 3-4 об/мин. Температурный режим: 390-450^oС. Время обработки одного цикла составляет 2,5 ч.

Полученное покрытие соответствует классу 70 в соответствии с ГОСТ Р 51163-98, внешний вид покрытия соответствует требованиям ГОСТ Р 51163-98, контроль толщины покрытия проводится магнитным методом и показывает соответствие контролируемой толщины расчетным показателям (70 мкм) в пределах погрешности метода 10%.