Вакуумные печи

      276      ■'■)! _а"«

 

      

      тугоплавких и легкоокисляющихся металлов, магнитных  материалов; обезгаживания и сушки; пайки ответственных деталей; дистилляции, возгонки и других процессов, связанных с получением материалов высокой чистоты; химико-термической обработки, например цементации; вакуумно-диффузионных процессов — хромирования, никелирования; нагрева заготовок в вакууме под обработку давлением в воздушной среде и т. д.

      По  режиму работы вакуумные печи делятся  на печи периодического действия, в которых процесс загрузки и выгрузки обрабатываемых изделий связан с повышением давления в нагревательной камере до атмосферного; полунепрерывного действия, в которых загрузка и выгрузка изделий осуществляются без нарушения вакуума в нагревательной камере, причем загрузка очередной порции изделий возможна только после выгрузки изделий, прошедших обаботку; непрерывного действия, в которых загрузка и выгрузка изделий осуществляются либо непрерывно, либо порциями без нарушения вакуума в нагревательной камере и без остановки процесса нагрева.

      По  максимальной рабочей температуре  вакуумные электропечи сопротивления делятся на низкотемпературные с нагревателями из хромоникелевых и железохромоалюми-ииевых сплавов (до 900°С при экранной теплоизоляции и до 1150 °С — футерованные); среднетемпературные (до 1600 °С) с нагревателями из молибдена и графита; высокотемпературные (свыше 1600 °С): с нагревателями из вольфрама—до 2500 ^СС, из графита — до 2200 °С и из тугоплавких карбидов (карбида ниобия, например) до 2500 °С и выше.

      4.1.2. Вакуумные электропечи сопротивления  периодического и полунепрерывного действия. Печи периодического и полунепрерывного действия применяются в индивидуальном или мелкосерийном производстве. В массовом производстве эти печи применяются в тех случаях, когда создание печей непрерывного действия для данных изделий и данного технологического процесса затруднено или невозможно по условиям технологического процесса (изменение давления, температуры, скорости нагрева и охлаждения).

      Наибольшее  распространение получили камерные, шахтные, колпаковые и элеваторные печи (§ 1.2).

      Камерные  электропечи делятся на безмуфельные, в которых герметичность обеспечивается наружным водоохлаж-даемым кожухом, и муфельные, в которых загрузка помещается в герметичную нагреваемую металлическую камеру — муфель.

      Ю Зак. 226 277

 

      

      

      

                  

      10 —

       
       
      

      Рис. 4.1. Схема конструкции и откачиой системы безмуфельной   камерной /   электропечи:

      / — печь; 2 — загрузочная дверца; 3— экранная изоляция; 4 — нагреватель; 5 — подставка; 6 — вакуумный затвор; 7 — высоковакуумный насос; 8 — вакуумный   вентиль;   9 — ме-

      

      ханический      насос: уравнительный баллон

             
 
      

      1   2

      

      

      Схема конструкции безмуфельной электропечи (рис. 4.1) следующая: нагревательная камера заключается в металлический герметичный охлаждаемый кожух, к которому подсоединена соответствующая откачная система. Загрузка помещается внутрь нагревательной камеры, образуемой футеровкой, выполненной из огнеупорного кирпича или тепловых экранов. Рабочая температура печи регламентируется только стойкостью футеровки и нагревателей.

                  

      вакуум-

      

      Рис 4.2.   Муфельная над электропечь:

      — кожух нагревательной камеры; 2 — футеровка; 3 — нагреватели; 4 — система откачки; 5 — муфель

      В муфельных электропечах (рис. 4.2) жароупорный герметичный муфель (как правило,, цилиндрической формы) помещается в обычную (не вакуумную) электропечь. К муфелю подсоединяются откачные насосы, обеспечивающие в нем необходимое разрежение. Загрузка помещается внутрь муфеля. Поскольку в муфеле кроме загрузки нет никаких дета-

      278

 

      

      

      

 
       

      Рис. 4.3. Контейнерная вакуумная электропечь с перемещающейся нагревательной камерой и неподвижными контейнерами:

      / — кожух нагревательной камеры; 2 — футеровка; 3 — нагреватели; 4 — муфель-контейнер; 5 — рельсовый путь

      лей, требующих обезгаживания, он может  быть откачан быстро и до высокого вакуума.

      Печи  данного типа работают при низких температурах, так как прочность разогретого муфеля, испытывающего значительные механические нагрузки от атмосферного давления, невелика. Кроме того, при высоких температурах как через сварные швы, так и через стенки муфеля увеличивается диффузия воздуха, затрудняющего создание высокого вакуума и окисляющего загрузку.

      В зависимости от диаметра, толщины  стенки и материала муфеля предельная рабочая температура ограничивается 800—1100 ^СС. Для того чтобы повысить предельную рабочую температуру муфеля, его помещают в низковакуумную электропечь. При этом за счет снижения перепада давления удается разгрузить стенки муфеля от сдавливающих усилий. Окисление муфеля и диффузия воздуха через стенки также снижаются. Благодаря этому рабочая температура печи может быть повышена до 1150°С.

      В ряде случаев путем устройства быстрозаменяемых без их разгерметизации муфелей удается повысить производительность печи и сэкономить электроэнергию, так как при этом остывание загрузки с муфелем осуществляется вне печи, сама же печь используется непрерывно.

      К числу камерных печей можно отнести  контейнерные (рис. 4.3), представляющие собой подвижную нагревательную камеру, поочередно наезжающую на неподвижные муфели. Контейнерные печи используются для нагрева длинномерных изделий (труб, прутков, профилей).

      Значительное  распространение для нагрева  больших и тяжелых загрузок получили вакуумные камерные печи с выдвижным подом (рис. 4.4). В отличие от обычных камерных печей здесь под смонтирован на тележке и выкаты- 

      10* 

      279

 

      

      

      

      

      Крышка  В закрытом ^/    состоянии

 
        

      Рис. 4.4. Вакуумная электропечь с выдвижным  подом:

      I — кожух нагревательной камеры; 2 — футеровка; 3 — нагреватели

      вается  из печи для загрузки или выгрузки изделий, которая осуществляется цеховым краном.

      Шахтные электропечи имеют вертикальную шахту цилиндрической (реже — прямоугольной) формы, загружаемую сверху. Загрузка в шахтной печи устанавливается на под либо подвешивается. Шахтные печи могут быть муфельными и безмуфельными.

      Одно  из возможных конструктивных исполнений шахтной вакуумной печи полунепрерывного действия показано на рис. 4.5. Печь состоит из нагревательной камеры 2 и расположенной на ней загрузочной камеры /. Последняя отделяется от нагревательной камеры вакуумным затвором 3. Нагревательная камера имеет цилиндрический во-доохлаждаемый кожух 6, внутри которого расположены тепловая изоляция 7 и нагревательные элементы (графитовые стержни) 5. Загрузка 4 подвешена на тросе и с помощью механизма, расположенного в камере 2, может быть поднята в загрузочную камеру /. После закрытия затвора 3 и охлаждения обработанные изделия выгружаются. В элеваторных печах обрабатываемые изделия загружаются снизу. Существуют две модификации этих печей — с загрузочным поддоном и с холодильной камерой и подвижным подом.

      Первые (рис. 4.6) представляют собой колпак /, поднятый над уровнем пола и закрепленный неподвижно. Поддон 6, являющийся одновременно днищем печи с установленными на нем подставкой 5 и загрузкой 4, подводят под колпак и с помощью механизма поднимают так, что загрузка оказывается в нагревательной камере, а фланец поддона, снабженный уплотнением, прижимается к уплотняющей поверхности колпака, герметично закрывая нагревательную камеру.

      Вторые (рис. 4.7), составляющие большинство элеваторных вакуумных печей, представляют собой сочетание верхней нагревательной камеры и нижней холодильной. Загрузку 4 через люк в холодильной камере помещают 280

 

      

      

      

      

      

      

      Откачка.

      

      Откачка.

      Рис. 4.5. Шахтная вакуумная электропечь  с загрузочной камерой

       Рис. 4.7. Элеваторная вакуумная электропечь с холодильной камерой и подвижным подом:

      / — кожух печи; 2 — нагреватели; 3 — футеровка; 4 — загрузка; 5 — загрузочный   стол;   6 — кронштейн 

      Рис 4 6 Элеваторная вакуумная электропечь с загрузочным поддоном:

      

      

      

      Зтначкл

      ; _ колпак; 2 — нагреватели; 3 — футеровка; 4 - загрузка; 5 - подставка;   6 - поддон 

 
      281

 

 
      

      в печь и устанавливают на загрузочный  стол 5, который с помощью механизма поднимают, вводя загрузку в нагревательную камеру. Нагревательная и холодильная камеры откачиваются одновременно. По окончании нагрева под опускается и нагретое изделие попадает в холодильную камеру. Иногда для ускорения остывания загрузки холодильная камера заполняется нейтральным газом и снабжается вентилятором для усиления циркуляции.

      В элеваторных печах с загрузочным  поддоном обрабатываемые изделия остывают до выгрузки вместе с печью. В печах с холодильной камерой охлаждение изделий не обязательно связано с охлаждением самой печи. Низкотемпературные печи не требуют такого охлаждения, так как применяемые в них нагреватели не боятся окисления и напуск воздуха в печь во время выгрузки обрабатываемых изделий не отражается на работе нагревателей. В средне- и высокотемпературных печах целесообразна установка вакуумного затвора между нагревательной и холодильной камерой. В этом случае элеваторная печь сможет работать в полунепрерывном режиме.

      Колпаковые  вакуумные печи применяются, когда  по технологическим причинам целесообразно нагревать загрузку под колпаком, а охлаждать под муфелем, заполненным защитной средой, при снятом колпаке, нагревающем в это время следующую загрузку, или когда собранную и установленную на стенд загрузку нежелательно перемещать.

      В металлургии для отжига трансформаторной стали нашли широкое применение крупные низкотемпературные колпаковые печи с низким и средним вакуумом. При этом один колпак комплектуют двумя-тремя стендами.

      В колпаковых печах с нагревателями  и тепловыми экранами из тугоплавких металлов (в основном молибдена), получивших распространение в промышленности, объем рабочего пространства не превышает нескольких десятков кубических дециметров. В отличие от низкотемпературных в комплект этих печей входят два колпака, а охлаждение загрузки осуществляется под колпаком.

      4.1.3. Вакуумные электропечи сопротивления непрерывного действия. Эти печи позволяют механизировать и автоматизировать технологический процесс, но они сложнее печей периодического и полунепрерывного действия и дороже их. Электропечи непрерывного действия предпочтительны при крупносерийном и массовом производстве. Наибольшее распространение получили толкательные и туннельные печи (см. § 1.3).

      282

 

      

      

      ■

      

      5   1

      

      Ш

        

      Узел [ 

      •Рис 4.11. Вариант исполнения экранной теплоизоляции  вакуумной электропечи:

      / — экраны из молибдена; 2 — цилиндр из нержавеющей стали; 3—5 — водоох-лаждаемые крышка, кожух и днище печи; 6 — дистанциирующие шайбы; 7 — шплинт; 8 — штырь из молибдена

      ния его достигает столь больших  значений, что снижает ■срок его службы.

      Нагреватели из хромоникелевых и железохромоалюми-лиевых сплавов в основном зигзагообразные, подвешенные •на крючках или изоляторах, надетых на штыри.

      Нагреватели из тугоплавких металлов можно разделить  ■на три группы.

      Первая  группа — проволочные спиральные или зигзагообразные нагреватели. Они изготовляются, главным образом, из молибденовой проволоки, обладающей достаточной •пластичностью. Обычно спиральные нагреватели изготовляются из проволоки диаметром до 2,5 мм, а зигзагообразные — из проволоки диаметром 4 мм и более. Выводная часть нагревателя делается в виде водоохлаждаемого стержня, снабженного болтовым или клиновым зажимом. Эти нагреватели чаще всего применяются в печах с керамической теплоизоляцией (температура на нагревателях