Система термической обработки со щелевыми аэраторами

Система термической обработки со щелевыми аэраторами

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Ссылка на родственные заявки

В настоящей заявке испрашивается приоритет на основании предварительной патентной заявки США №60/607681, поданной 7 сентября 2004 года, согласно 35 USС 119(е) содержание которой в порядке ссылки полностью включено в настоящее описание.

Предпосылки создания изобретения

При обработке таких материалов, как керамика, для обеспечения равномерного нагрева изделия и сведения к минимуму образования деформации, изгиба или трещин изделия вследствие неравномерного нагрева часто необходим постоянный тепловой режим. Из публикация патента США US 2004-0173608 А1 (патентная заявка №10/775542), правопреемником которого является правопреемник настоящей заявки, известна система, в которой равномерный нагрев достигается при помощи одного или нескольких аэраторов, которые расположены в топочной камере и обеспечивают высокую степень однородности газовой среды и постоянную температуру. Один или более аэраторов также могут быть использованы для принудительного конвекционного охлаждения изделия. Один или более аэраторов предпочтительно представляют собой аэраторы, описанные в патенте США US 5795146, правопреемником которого также является правопреемник настоящей заявки. Аэраторы обеспечивают интенсивный поток, необходимый для поддержания более постоянной температуры и осуществления температурного контроля, и способны обеспечивать постоянный тепловой режим в пределах ±3,5°С на протяжении технологического цикла.

Краткое изложение сущности изобретения

В настоящем изобретении предложена система термической обработки, в которой используются щелевые аэраторы, расположенные на поверхности одной или нескольких стен или свода топочной камеры. В контексте настоящей заявки термин "щелевой аэратор" означает аэратор, который образован щелью в стене или на другой поверхности топочной камеры с любой формой поперечного сечения и соплом на одном конце для направления высокоскоростной струи газа через щель. Например, поперечное сечение щели может иметь V-образную, прямоугольную или изогнутую форму. В качестве альтернативы, щелевой аэратор может быть образован углом соседних стен топочной камеры или за счет направления высокоскоростной струи вдоль участка самой стены без создания физической щели. Поскольку аэраторы расположены в или на самих стенах печи, отсутствуют конструктивные ограничения, которые связаны с трубчатыми аэраторами. Аэраторы могут быть расположены в топочной камере, где бы не поместились или были бы непрактичны в эксплуатации трубчатые аэраторы. Таким образом, изобретение делает излишним использование дополнительных труб или оборудования в печи для создания структуры аэратора.

Изобретение применимо на практике в печах периодического действия, в особенности в печах с относительно высокими топочными камерами, с тенденцией неравномерного профиля распределения температур от верха до низа камеры. Изобретение также применимо в печах непрерывного действия, в которых изделие перемещают по топочным камерам с целью осуществления заданного технологического цикла.

Описание чертежей

Далее изобретение более подробно описано со ссылкой на чертежи, на которых:

на фиг.1 показано изометрическое изображение с частичным разрезом одного из вариантов осуществления предложенного в изобретении щелевого аэратора,

на фиг.2 вертикальный вид сбоку с частичным разрезом щелевого аэратора, показанного на фиг.1,

на фиг.3 показано изометрическое изображение с частичным разрезом другого варианта осуществления предложенного в изобретении щелевого аэратора,

на фиг.4 показано изометрическое изображение углового аэратора, образованного поверхностями двух стен,

на фиг.5 показано изометрическое изображение аэратора, образованного вдоль участка поверхности стены,

на фиг.6 показана блок-схема печи согласно изобретению и

на фиг.7 показан вид в разрезе топочной камеры печи периодического действия согласно изобретению.

Подробное описание изобретения

На фиг.1 и 2 показано изометрическое изображение и вертикальный вид сбоку, соответственно, варианта осуществления щелевого аэратора. На стене 12 топочной камеры расположена щель 10 с прямоугольной формой поперечного сечения. Щель имеет наклонное дно 14, которое образует скошенную или наклонную по отношению к поверхности стены 12 плоскость в нижней части щели. Верхний конец щели находится в районе свода топочной камеры и имеет патрубок или газовое сопло 16 для подачи высокоскоростной струи газа вниз по щели. Высокоскоростная струя газа вовлекает газ из топочной камеры, увеличивая объем газа, который отводится вблизи дна щели и попадает из щели в камеру. Длина и размеры поперечного сечения щели могут быть выбраны таким образом, чтобы обеспечить заданную степень расширения и циркуляции газа в топочной камере, имеющей конкретное назначение.

Щель может иметь поперечное сечение любой формы и не ограничена прямоугольной формой, проиллюстрированной в варианте осуществления, показанном на фиг.1 и 2. Прямоугольная форма обеспечивает относительную простоту изготовления путем пропиливания или прорезания стен топочной камеры, которые обычно выполнены из огнеупорного кирпича. Щель может иметь, например, V-образную форму поперечного сечения. На фиг.3 показан альтернативный вариант осуществления щелевого аэратора, у которого щель 11 имеет полукруглую форму поперечного сечения. В качестве альтернативы, щель может иметь форму дуги, изогнутой под углом, отличающимся от 180°, или иметь некруговую форму.

Сопло или патрубок для подачи поступающего потока газа может иметь любую желаемую форму. Например, может использоваться коническое сопло. В другом варианте осуществления сопло может быть прямоугольным для создания слоя газа. Форма поперечного сечения щелевого аэратора и форма газового сопла могут быть выбраны с учетом совместимости. Может использоваться любой газ, приемлемый для конкретного применения, такой как воздух, азот, аргон или водород.

В щелевых аэраторах используется эффект Коанды, когда высокоскоростная струя газа стремится следовать по ближайшей поверхности, вдоль которой она протекает. Высокоскоростная струя создает область низкого давления вдоль потока, которая вовлекает газ из камеры в поток, за счет чего увеличивается объем перемещаемого газа. Аэратор использует энергию поступающей высокоскоростной струи газа для перемещения гораздо больших объемов находящегося в топочной камере газа в нужном направлении для обеспечения теплопереноса, за счет чего турбулентный газ вступает в контакт с изделием в камере, способствуя удалению газа и придавая изделию требуемый химический состав. Поток газа большого объема, который создают в камере аэраторы, также обеспечивает равномерное распределение тепла в камере и равномерный нагрев изделия. Щелевой аэратор способен перемещать в камере объем газа, по меньшей мере в 10 раз и предпочтительно по меньшей мере в 20 раз превышающий объем, подаваемый в камеру через сопло аэратора.

Предпочтительно длина щели по меньшей мере в 10 раз превышает ее максимальную ширину в поперечном сечении. Щель меньшей длины обычно не всасывает достаточного объема газа, чтобы быть эффективной.

На фиг.4 показан альтернативный вариант осуществления углового аэратора, образованного соседними стенами 18 и 20 топочной камеры. В верхней части угла расположено газовое сопло, подающее высокоскоростную струю газа вдоль кромки угла и противоположных участков стен.

На фиг.5 проиллюстрирован дополнительный вариант осуществления 5, в котором в верхней части стены топочной камеры расположено сопло 16, из которого высокоскоростная струя газа поступает вдоль стены и движется в целом по прямолинейной траектории. Во всех перечисленных вариантах осуществления высокоскоростная струя вовлекает газ из камеры в высокоскоростной поток, вызывая расширение газа и распределение увеличившегося в объеме газа внутри камеры.

Газовой средой топочной камеры обычно является воздух, инертный газ, такой как азот или аргон или их сочетание, используемое для обработки керамики совместного низкотемпературного обжига и других керамических изделий и обработки топливных элементов. При обработке порошковых металлов газовой средой обычно является сочетание водорода и азота. В некоторых случаях в качестве газовой среды может использоваться водяной пар в сочетании с другим газом или без другого газа. Как указано выше, один или более щелевых аэраторов подают газ в топочную камеру и обеспечивают расширение и циркуляцию газа с целью достижения заданной равномерности газовой среды и температуры печи, воздействующей на обрабатываемые изделия или материалы. За счет применения изобретения может быть обеспечена равномерная температура в пределах 3,5°С. Один или более щелевых аэраторов также способны обеспечивать принудительное конвекционное охлаждение изделия.

Число щелевых аэраторов и их расположение в печи выбирают таким образом, чтобы обеспечить заданный характер газового потока в конкретной камере с целью обеспечения равномерной температуры и газовой среды в камере для равномерного нагрева находящегося в ней изделия и равномерного воздействия газовой среды на изделие. Для обеспечения заданного характера потока или циркуляции газа управление аэраторами может осуществляться совместно или с возможностью переключения. Например, на протяжении повторных циклов работы аэраторы на одной стороне топочной камеры могут быть включены, в то время как аэраторы на противоположной стороне камеры выключены и наоборот.

Изобретение может быть осуществлено в разнообразных печах периодического или непрерывного действия применительно к конкретным обрабатываемым изделиям или материалам и другим производственным потребностям. На фиг.6 в схематической форме показана печь. Топочная камера 30 рассчитана на определенное количество материалов или изделий для термической обработки. С топочной камерой соединен тепловой источник 32 одного или нескольких типов. Из источника 34 подачи газа газ по одному или нескольким аэраторам 36 поступает в топочную камеру для создания в ней газовой среды, приемлемой для обработки определенных материалов или изделий. Работой источника подачи газа и теплового источника управляет контроллер 38, который обычно представляет собой микроконтроллер или компьютер.

В качестве теплового источника могут использоваться конвекционные нагреватели, радиационные нагреватели или нагреватели с использованием токов сверхвысокой частоты или их сочетания. Нагрев токами сверхвысокой частоты может быть надлежащим образом использован для размягчения и спекания. При нагреве с использованием токов сверхвысокой частоты и без использования токов сверхвысокой частоты источник, не использующий токи сверхвысокой частоты, должен быть совместимым во избежание нежелательных отражений токов сверхвысокой частоты или абсорбции в топочной камере. Обычно нагрев токами сверхвысокой частоты может использоваться в одной камере с конвекционным нагревом. В случае использования радиационного нагрева радиационные нагреватели обычно должны находиться в топочной камере, отделенной от камеры, нагреваемой энергией токов сверхвысокой частоты, поскольку обычные радиационные нагреватели изготовлены из карбида кремния или другого материала, способного поглощать СВЧ-излучение.

В процессе цикла нагрева тепловым источником 32 управляет контроллер 38, который обеспечивает заданный профиль температур и равномерный объемный нагрев материалов или изделий на протяжении цикла нагрева. Управление тепловым источником на протяжении технологического цикла осуществляют применительно к конкретному обрабатываемому материалу или изделию, включая состав материала и его форму или массу.

На фиг.7 показан вид в разрезе топочной камеры печи периодического действия для определенного количества обрабатываемых материалов. Печь включает корпус 40, заключающий в себе изоляционный материал 42, которым окружена топочная камера 44. На поде 46 печи помещается определенное количество обрабатываемых материалов 48. Под может быть установлен на подвижном устройстве (не показано), способном перемещаться вверх в камеру и опускаться в положение, в котором под и изделие, помещающееся на поде, находятся вне топочной камеры для загрузки и разгрузки изделия. Для перемещения пода между верхним и нижним положениями используется подъемный механизм (не показанный). Подъемный механизм может включать один или более ходовых винтов или других известных из уровня техники механизмов. С каждой стороны камеры расположены электрические нагреватели 50, каждый из которых подвешен на держателе 52, закрепленном в своде камеры (на фиг.7 проиллюстрирована лишь одна сторона). Выводы 54 могут быть соединены с соответствующим источником питания. Число и конфигурация нагревателей может меняться в зависимости от заданных требований к нагреву.

Щелевые аэраторы 56 расположены на каждой боковой стене печи (на фиг.7 проиллюстрирована лишь одна сторона). Вдоль каждой стороны печи расположено множество аэраторов, при этом каждый аэратор на одной стороне расположен в целом на одной линии с аэратором на противоположной стороне. В каждый из аэраторов подают газ из источника газа, который поступает в газовое сопло 58, расположенное в отверстии в своде камеры на верхнем конце щелевого аэратора на своде или вблизи свода топочной камеры.

Через под 46 проходит одно или более отверстий 47 от одной до другой стороны камеры. В боковой стене вблизи каждого конца отверстия 47 расположен аэратор 60. Аэратор 60 предпочтительно представляет собой аэратор трубчатого типа, известный из патента США US 5795146, правопреемником которого является правопреемник настоящей заявки и содержание которого в порядке ссылки полностью включено в настоящее описание. Одно или более отверстий 47 в поде обеспечивают траекторию циркуляции через под от одной до другой стороны топочной камеры. Аэраторы 60 действуют совместно с щелевыми аэраторами 56, обеспечивая рециркуляцию газа в камере для достижения заданной равномерности воздействия температуры и воздействия на изделие.

Как указано выше, высокоскоростная струя газа из аэраторов вовлекает газ в топочной камере в поток газа и приводит к расширению и циркуляции газа. Соотношение между объемом вовлеченного газа и объемом подаваемого газа может достигать 50:1. Предпочтительным для надлежащей работы печи является соотношение по меньшей мере 10:1, более предпочтительно по меньшей мере 20:1.

В одном из вариантов осуществления управление аэраторами может осуществляться взаимодополняющим образом, когда в течение одного временного интервала аэраторы на одной стороне камеры включены, а аэраторы на противоположной стороне выключены. В течение следующего временного интервала режим работы аэраторов меняется на противоположный, когда ранее выключенные аэраторы включены, а ранее включенные аэраторы выключены. Попеременный режим работы аэраторов дополнительно обеспечивает равномерность газовой среды в камере за счет попеременного изменения траекторий циркуляции. В выключенном состоянии сопла щелевых аэраторов полностью не перекрыты, а пропускают небольшое количество газа, обычно около 5% объема всей струи для охлаждения газового сопла во избежание повреждения газового сопла при высокой рабочей температуре печи и для предотвращения попадания воздуха или других загрязняющих веществ в топочную камеру через сопло.

Аэраторы также могут применяться для обеспечения принудительного конвекционного охлаждения изделия, например, во время остывания на протяжении термического цикла. Для достижения заданной скорости охлаждения изделия струей газа из аэраторов управляют в сочетании с управлением тепловыми источниками.

Число и расположение аэраторов в топочной камере выбирают таким образом, чтобы обеспечить заданный характер газового потока в камере с целью обеспечения требуемой равномерности температуры и однородности газовой среды. Расположение, проиллюстрированное на фиг.7, является типичным для печей периодического действия одного типа. Изобретение может применяться в печах периодического действия других типов, таких как печи с неподвижным подом. В некоторых вариантах осуществления аэраторы 60, показанные на фиг.7, не требуются, поскольку струя газа может быть создана исключительно щелевыми аэраторами на стенах печи.

Обрабатываемые материалы или изделия помещают на соответствующую опору. Одной из типичных форм опоры является тарелка с множеством отделений для соответствующих обрабатываемых наименований, при этом тарелки могут быть штабелированы поверх друг друга, благодаря чему одновременно в топочной камере может быть обработано относительно большое количество наименований. Могут использоваться опоры других типов, например стойка соответствующей конфигурации для определенных обрабатываемых изделий или наименований. В некоторых случаях целесообразно переложить изделие верхней и нижней пластинами или другими опорами, чтобы предотвратить деформацию изделия во время цикла нагрева. Держатели изделий изготавливают из огнеупорного материала, способного выдерживать рабочие температуры печи.

Изобретение также может быть осуществлено в виде термического процесса и системы непрерывного действия. В такой системе изделие перемещают вдоль топочной камеры, которая обычно может иметь множество зон, обеспечивающих заданный цикл нагрева и остывания, приемлемый для определенного обрабатываемого изделия или материала. Щелевые аэраторы могут быть расположены в топочной камере аналогично тому, как это описано выше, с целью обеспечения равномерного нагрева и увеличения объема газа. По длине топочной камеры также может быть расположен один или более аэраторов для продвижения остающегося в камере газа по длине топочной камеры, чтобы переместить загрязненную газовую среду печи на участок откачки вблизи переднего конца печи.

Изобретение не должно быть ограничено конкретно описанными подробностями. Изобретение может быть осуществлено в печах периодического и непрерывного действия различных конструкций и в печах с одной или множеством зон. Изобретение также может быть применено с разнообразными устройствами транспортировки для перемещения изделий в печь и из печи или между участками или зонами печи. Таким образом, подразумевается, что изобретение должно во всей полноте охватывать объем и сущность прилагаемых притязаний.

1. Система термической обработки материалов, содержащая корпус печи, включающий под, свод и одну или более стен, и топочную камеру, расположенную внутри корпуса печи, опору в сборе, размещаемую в топочной камере, на которую помещают материалы для термической обработки, тепловой источник, служащий для нагрева материалов в топочной камере, и, по меньшей мере, один щелевой аэратор, расположенный в поверхности стены или свода топочной камеры, обеспечивающий циркуляцию газа в топочной камере и сообщающийся с источником газа, содержащий щель, расположенную в поверхности стены или свода топочной камеры, при этом один конец щели содержит газовпускной патрубок для подачи высокоскоростной струи газа через щель для вовлечения газа в топочную камеру и получения высокообъемной циркуляции газа внутри топочной камеры.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что щель расположена в стене топочной камеры и проходит вниз от свода топочной камеры, а газовпускной патрубок расположен в верхней части щели для подачи вдоль щели высокоскоростной струи газа с вовлечением газа в топочную камеру, обеспечивая высокообъемную циркуляцию газа внутри топочной камеры.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что газовпускной патрубок обеспечивает коническую газовую струю.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что газовпускной патрубок обеспечивает создание слоя газа.

5. Система по п.1, отличающаяся тем, что длина щели, по меньшей мере, в 10 раз превышает ее максимальную ширину в поперечном сечении.

6. Система по п.1, отличающаяся тем, что щель имеет поперечное сечение квадратной, прямоугольной, круглой, изогнутой, прямосторонней или V-образной формы.

7. Система по п.1, отличающаяся тем, что щель выполнена с углом между двумя стенами топочной камеры.

8. Система по п.1, дополнительно содержащая множество щелевых аэраторов.

9. Система по п.1, дополнительно содержащая множество щелевых аэраторов на первой и второй сторонах топочной камеры, обеспечивающих равномерную газовую среду в топочной камере.

10. Система по п.9, дополнительно содержащая под, множество отверстий, проходящих через под от одной до другой стороны топочной камеры, и при этом множество щелевых аэраторов на первой и второй сторонах топочной камеры образуют пары, каждая из которых образована щелевыми аэраторами, расположенными на соответствующих сторонах топочной камеры на одной прямой с соответствующим отверстием в поде.

11. Система по п.10, дополнительно содержащая множество трубчатых аэраторов, каждый из которых расположен в соответствующем отверстии в боковой стене корпуса печи напротив соответствующего отверстия в поде.

12. Система по п.11, отличающаяся тем, что каждый трубчатый аэратор имеет трубчатый корпус с соплом, которое сообщается с источником газа для подачи высокоскоростной струи газа в топочную камеру и вовлечения газа в топочную камеру для обеспечения высокообъемной циркуляции газа внутри топочной камеры.

13. Система по п.1, дополнительно содержащая контроллер для управления источником подачи газа в аэратор.

14. Система по п.1, дополнительно содержащая контроллер для управления тепловым источником с целью обеспечения заданного профиля температур в течение цикла нагрева.

15. Система по п.14, отличающаяся тем, что контроллер обеспечивает управление струей газа щелевых аэраторов.

16. Система по п.1, отличающаяся тем, что щелевые аэраторы обеспечивают создание принудительного конвекционного охлаждения материалов на протяжении части термического цикла.

17. Система по п.1, содержащая, по меньшей мере, щелевой аэратор на каждой стороне топочной камеры и работающая в попеременном режиме для обеспечения равномерной циркуляции газа в камере и равномерного нагрева материалов.

18. Система по п.1, отличающаяся тем, что тепловой источник содержит один или более электрических нагревателей, расположенных в топочной камере.

19. Система по п.1, отличающаяся тем, что тепловой источник содержит один или более микроволновых нагревателей, расположенных в топочной камере.

20. Система по п.1, отличающаяся тем, что топочная камера находится в печи периодического действия, в которую загружают материалы для обработки и выгружают материалы после обработки.

21. Система по п.1, отличающаяся тем, что топочная камера находится в печи непрерывного действия, через которую на протяжении цикла обработки транспортируют материалы.

22. Система по п.1, отличающаяся тем, что опора в сборе содержит подъемный под, способный перемещаться между нижним положением для загрузки и выгрузки материалов для термической обработки и верхним положением для размещения материалов в топочной камере.

23. Система по п.1, отличающаяся тем, что щелевой аэратор содержит участок стены топочной камеры, проходящий вниз от свода топочной камеры, и газовое сопло, расположенное в верхней части участка стены в своде, для обеспечения создания высокоскоростной струи газа вдоль участка стены с обеспечением вовлечения газа в топочную камеру и высокообъемной циркуляции газа внутри топочной камеры.