Индукционная печь для работы при высоких температурах
Изобретение относится к металлургии, а именно к индукционным печам, работающим при температурах около 3000°С и выше, которые используют при графитизации волокон пека, а также для других высокотемпературных процессов, например галогенная очистка графитовых материалов для удаления металлических примесей. Печь содержит емкость, образующую внутреннюю камеру для расположения изделий для обработки, с токоприемником, индукционную катушку, которая индуцирует ток в токоприемнике для его нагрева, водоохлаждаемый свод. Когда температура внутри горячей зоны печи достигает примерно 1500°С, подъемный механизм, смонтированный на своде, поднимает крышку печи, давая возможность горячим газам из горячей зоны смешиваться с более холодным газом в своде. Это ускоряет охлаждение горячей зоны, значительно уменьшает периоды охлаждения без необходимости загромождать саму печь клапанами или другими сложными охлаждающими механизмами, которые должны периодически заменяться. Долговечность графитового токоприемника печи при высокой рабочей температуре возрастает посредством окружения токоприемника барьерным слоем из гибкого графита, который задерживает испарение графита. Диски-свидетели, расположенные внутри токоприемника, обеспечивают получение точного температурного профиля горячей зоны. Изобретение позволяет увеличить компании печи, уменьшить длительность охлаждения за счет простого удаления охлаждающего устройства, замены токоприемника и других конструктивных элементов горячей зоны, а также повысить точность контроля изменений температуры во всем рабочем пространстве печи. 4 н. и 23 з.п. ф-лы, 11 ил.
Изобретение относится к индукционной печи, предназначенной для работы при температурах около 3000°С и выше. Изобретение находит особенное применение при графитизации волокон пека и других углеродсодержащих волокон и будет описано на указанных конкретных примерах. Печь также пригодна для других высокотемпературных процессов, таких как, например, галогенная очистка графитовых материалов для удаления металлических примесей.
Индукционные печи периодического действия использовались много лет для графитизации волокон и при других высокотемпературных процессах. Типичная индукционная печь включает электропроводящий сосуд, известный как токоприемник. Переменное во времени электромагнитное поле создается посредством подачи переменного тока (пт) в индукционную нагревательную катушку. Магнитное поле, создаваемое катушкой, проходит через токоприемник. Магнитное поле индуцирует токи в токоприемнике, которые генерируют тепло. Материал, который должен быть нагрет, содержится внутри токоприемника, в том месте, которое обычно обозначается как «горячая зона», или самая горячая часть печи.
Для операций, которые требуют высоких температур, вплоть до примерно 3000°С, графит является предпочтительным материалом для выполнения токоприемника, поскольку он является электропроводящим и при этом способен противостоять очень высоким температурам. Графит имеет тенденцию к сублимации, превращаясь при этом в пар. Сублимация заметно возрастает при температуре выше примерно 3100°С. В связи с изменениями температуры по всему токоприемнику компания печи при номинальной рабочей температуре примерно 3100°С обычно измеряется неделями. Компания печи при 3400°С часто составляет несколько часов. Таким образом, печи, которые работают при температурах выше 3000°С, часто простаивают из-за замены компонентов.
Графитизация углеродсодержащих волокон особенно выгодна при температурах выше 3000°С. Например, при образовании литиевых батарей поглощение лития зависит от температуры графитизации, улучшаясь при повышении температуры графитизации. Некоторые усовершенствования в распределении тепла по токоприемнику были достигнуты путем измерения температуры в различных точках внутри печи с использованием пирометров во время нагрева. Различные плотности энергии индукции затем были подведены к многочисленным участкам токоприемника вдоль его длины в соответствии с измеренными температурами. Однако пирометры подвержены отказам и требуют повторной калибровки с течением времени.
Для того, чтобы повысить компанию токоприемника, желательно охлаждать печь после того, как закончится операция нагревания до высокой температуры. Обычно это достигается подачей воды по охлаждающим змеевикам вокруг печи. Однако поскольку печь в основном хорошо изолирована, охлаждение печи с ее рабочей температуры занимает примерно неделю. В некоторых применениях для ускоренного охлаждения используются теплообменники. В таких конструкциях печь охлаждается до температуры примерно 1500°С посредством передачи тепла через изоляцию печи. Затем клапаны поверх горячей зоны и под ней открываются, и начинается вынужденная циркуляция охладителя через наружный теплообменник. Эта система работает хорошо для тех печей, которые редко работают при температуре выше 2800°С. В печах, которые обычно работают при температурах выше 3000°С, частая замена компонентов горячей зоны делает эту конструкцию дорогой при эксплуатации. В других конструкциях материал, изолирующий от потерь верх печи, выбивается из печи для ускорения охлаждения. В результате, изоляция требует замены после каждого хода печи.
Целью настоящего изобретения является создание новой и усовершенствованной индукционной печи и способа ее использования, при которых отсутствуют вышеупомянутые и другие проблемы.
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения предусмотрена печь. Печь содержит сосуд, который образует внутреннюю камеру для размещения изделий, которые должны быть обработаны, и средство для нагревания, которое нагревает сосуд. Крышка при необходимости закрывает внутреннюю камеру сосуда. Устройство для охлаждения содержит свод, который накрывает камеру и подъемный механизм, который при необходимости поднимает крышку, чтобы дать возможность горячему газу проходить из внутренней камеры сосуда в камеру свода.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предусмотрено устройство для охлаждения печи. Устройство для охлаждения содержит свод, который содержит внутреннюю камеру. Охлаждающее средство охлаждает свод. Устройство для охлаждения содержит средство для избирательного соединения горячей зоны индукционной печи и свода для потока текучей среды и средство для контроля средства соединения в соответствии по меньшей мере с одной из температур: температурой горячей зоны и температурой внутренней камеры свода.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предусмотрена индукционная печь. Печь содержит токоприемник, который образует внутреннюю камеру для размещения изделий, которые должны быть обработаны, причем токоприемник выполнен из графита. Индукционная катушка индуцирует ток в токоприемнике для его нагрева. Слой гибкого графита снаружи токоприемника предотвращает утечку пара углерода, который сублимирует из токоприемника.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предложен способ эксплуатации печи. Способ включает стадии: нагрева изделий, которые должны быть обработаны в первой камере, которая содержит газ, и активного охлаждения второй камеры, которая содержит газ. Вторая камера при необходимости соединяется по потоку текучей среды с первой камерой. После стадии нагревания охлаждают первую камеру путем контролируемого соединения по потоку текучей среды первой камеры со второй камерой, обеспечивая посредством этого передачу тепла от газа в первой камере к газу во второй камере.
Преимуществом по меньшей мере одного конструктивного исполнения настоящего изобретения является значительное увеличение компании печи.
Еще одним преимуществом по меньшей мере одного конструктивного исполнения настоящего изобретения является уменьшение длительности охлаждения.
Другим преимуществом по меньшей мере одного конструктивного исполнения настоящего изобретения является то, что устройство для охлаждения является легко удаляемым с печи, что упрощает удаление и замену токоприемника и других компонентов горячей зоны.
Другое преимущество по меньшей мере одного конструктивного исполнения настоящего изобретения заключается в высокой точности контроля изменений температуры печи по всей печи.
Дополнительные преимущества настоящего изобретения будут видны специалистам в этой области техники после прочтения следующего описания и со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых
фиг.1 - вид сбоку в разрезе индукционной печи периодического действия в соответствии с настоящим изобретением, с крышкой печи в закрытом положении;
фиг.2 - вид сбоку в разрезе индукционной печи периодического действия по фиг.1, с крышкой печи в открытом положении;
фиг.3 - увеличенный вид в разрезе по линии А-А на фиг.2 стенки печи, на котором показан смонтированный пирометр;
фиг.4 - увеличенный вид в разрезе стенки печи по фиг.1 и 2, на котором показан смонтированный пирометр;
фиг.5 - вид сбоку в разрезе устройства для охлаждения по фиг.1;
фиг.6 - график, иллюстрирующий воздействия устройства для охлаждения на температуру печи с течением времени;
фиг.7 - увеличенный вид сбоку в разрезе привода по фиг.5;
фиг.8 - увеличенный вид сбоку в разрезе уплотнения и направляющего механизма по фиг.5;
фиг.9 - вид сбоку в вертикальном разрезе свода по фиг.5, на котором показаны охлаждающие змеевики, смонтированные снаружи;
фиг.10 - вид сверху свода по фиг.5, на котором показаны охлаждающие змеевики, смонтированные снаружи; и
фиг.11 - вид сбоку в разрезе прижимного механизма по фиг.5.
На фиг.1 и 2 показана индукционная печь, предназначенная для работы при температурах выше 3000°С, содержащая токоприемник 10, выполненный из электропроводящего материала, например графита. Токоприемник представляет собой цилиндрическую боковую стенку 12, закрытую на нижнем торце основанием 14. Съемная изолирующая крышка 16 закрывает верхний открытый торец 18 токоприемника, при этом образуется внутренняя камера 20, в которой создают горячую зону для приема изделий, которые должны быть обработаны. Крышка 16 снабжена подкладкой 22, выполненной из графита, которая контактирует с выступом 24 токоприемника, образующим верхний торец 18. Подкладка 22 прикреплена к нижней поверхности удлиненной изолирующей заглушки 26, предпочтительно образованной из твердого изоляционного материала, такого как твердая графитовая изоляция. Заглушка 26 имеет проходящий наружу периферийный фланец на ее верхнем торце. Крышка 16 закрывает внутреннюю камеру 20 в продолжение фазы нагрева рабочего цикла индукционной печи, давая возможность печи работать под слегка избыточным давлением инертного газа, например аргона. Под инертным газом понимается газ, который не реагирует с компонентами печи или изделием, которое подвергается термообработке в диапазоне температур обработки. Это предотвращает окисление углерода и графитовых компонентов печи и изделия, которое подвергается термообработке. При рабочих температурах ниже примерно 1900°С в качестве инертного газа может быть использован азот, который затем заменяется аргоном, когда температура достигает этой величины. Избыточное давление предпочтительно имеет величину вплоть до 20 кг/м2.
Токоприемник 10 индуктивно нагревается посредством индукционного нагрева при помощи индукционной катушки 30, которая снабжается энергией от источника переменного тока (не показан). Катушка 30 создает переменное магнитное поле, которое проходит через токоприемник, индуцируя электрический ток в токоприемнике и вызывая его нагрев. Подвергаемые термообработке изделия, в частности волокна из пека для образования графита помещаются в контейнер 32, который предпочтительно выполнен из графита. Контейнер 32 загружается в камеру 20 токоприемника перед запуском печи. Тепло передается от токоприемника к волокнам посредством излучения.
Ток индукции, проходящий через токоприемник 10, не является равномерным по всему его поперечному сечению. Плотность тока является самой большой на наружной поверхности 34 и падает экспоненциально по направлению к внутренней поверхности 36. Толщина токоприемника выбрана так, чтобы достичь относительно равномерного профиля тока по токоприемнику и индуцировать некоторый ток и тепло непосредственно в графитовых контейнерах 32 внутри печи. Подходящая толщина для печи составляет примерно 5 см. Температурный профиль в поперечном сечении токоприемника представляет собой профиль температуры, увеличивающейся от наружной поверхности 34 до максимума внутри токоприемника и затем уменьшающейся до охладителя на внутренней поверхности 36.
Как подробно показано на фиг.3 и 4, наружная поверхность 34 токоприемника окружена барьерным слоем 40 из гибкого графитового листового материала. Подходящий графитовый лист поставляется, например, под торговой маркой Grafoil® Graftech Inc., Lakewood, OH. Гибкий графитовый листовой материал предпочтительно образуется посредством интеркалирования графитовых чешуек с интеркалирующим раствором, содержащим кислоты, например смесь серной и азотной кислот, и затем отслоения интеркалированных частиц с нагревом. Под воздействием достаточной температуры, обычно около 700°С или выше, частицы расширяются в виде, подобном гармонике, чтобы образовать частицы, имеющие вермикулярный (червеобразный) вид. «Червяки» могут быть сжаты вместе в гибкие или составные листы расширенного графита, обычно называемые как «гибкий графит», без необходимости в дополнительном связующем.
Плотность и толщина листового материала для барьерного слоя 40 может изменяться путем регулирования степени сжатия. Плотность листового материала обычно находится в диапазоне от примерно 0,4 до примерно 2,0 г/см3, и толщина составляет предпочтительно от примерно 0,7 до примерно 1,6 мм.
Клей (не показан) может быть нанесен между гибким графитовым листом 40 и наружной поверхностью 34 токоприемника 10, чтобы удерживать лист в контакте с токоприемником во время монтажа печи. Предпочтительно графитовый лист покрывает всю наружную поверхность 34 токоприемника, включая боковую стенку 12 и основание 14, хотя также возможно использование графитового листа только в областях, примыкающих к тем участкам, которые нагреваются до самых высоких температур, обычно называемым «горячей зоной». Графитовый листовой материал служит как барьер для пара вокруг токоприемника, задерживая утечку пара углерода, который сублимирует с поверхности 34 токоприемника. Это вызывает увеличение парциального давления пара углерода в районе, примыкающем к токоприемнику. Вскоре достигается равновесие между скоростью испарения и скоростью повторного осаждения углерода на токоприемнике, что задерживает дальнейшую утечку пара графита из токоприемника.
В примере на фиг.1 и 3 токоприемник заключен в сосуд 50 высокого давления, выполненный, например, из стекловолокна, с нижним фланцем 52, выполненным из алюминия. Сосуд высокого давления окружен охлаждающими трубами 54, предпочтительно выполненными из немагнитного материала, такого как медь. Охлаждающий змеевик выполнен в виде вертикального контура, в котором охлаждающие трубы электрически изолированы друг от друга, чтобы предотвратить проход тока в периферическом направлении. Охлаждающая текучая среда, например вода, проходит через охлаждающие трубы все время, чтобы предотвратить перегрев труб и других компонентов печи.
Охлаждающие трубы отлиты внутри толстого слоя 56 огнеупорного материала, содержащего в основном карбид кремния, который обеспечивает хорошую теплопроводность, прочность и электрическую изоляцию. Слой 58 изоляционного материала, например сажистый углерод, расположен между огнеупорным материалом и токоприемником 10, примыкающим к сторонам 12 и основанию 14. Слой 40 гибкого графита удерживается на месте во время работы печи слоем 58 изоляционного материала. Сажистый углерод предпочтительно находится в форме тонкого порошка, что дает возможность его отсасывания из печи, когда наступает время замены или ремонта токоприемника 10. Токоприемник при этом легко удаляется из печи. Толщина слоя 58 изоляционного материала для уменьшения времени охлаждения удерживается на минимуме. Величина изоляции предпочтительно выбирается так, чтобы предотвратить чрезмерную утечку тепла и при этом обеспечить минимальное время охлаждения. Увеличенные требования к подводимой мощности для нагрева по сравнению с обычной печью уравновешиваются повышением производительности печи, которая вызвана уменьшением времени охлаждения.
В примере, изображенном на фиг.5, устройство 60 для охлаждения при необходимости монтируется на верхнем торце печи для ограждения верхнего торца камеры 20 токоприемника. Устройство для охлаждения включает свод 62, образованный из меди или другого немагнитного материала. Свод 62 образует внутреннюю, газонепроницаемую камеру 64 свода, предназначенную для поддержания инертного газа под небольшим избыточным давлением. В продолжение нагревательной части цикла работы печи нижний торец 66 свода изолирован от камеры 20 токоприемника крышкой 16 печи (фиг.1). При этом нет необходимости, чтобы крышка 16 изолировала внутреннюю камеру 20 от окружающей среды, поскольку для этой цели служит свод. Свод активно охлаждается в продолжение охлаждающей части цикла работы печи. В частности, как показано на фиг. 9 и 10, для этой цели используются охлаждающие змеевики 68, которые расположены на наружной поверхности свода и соединены с наружным теплообменником 70. Предпочтительно вся поверхность свода используется для охлаждения для обеспечения максимальной скорости отвода тепла. Первый комплект охлаждающих змеевиков 68А окружает цилиндрическую боковую стенку 72 свода, в то время как второй комплект охлаждающих змеевиков 68В расположен снаружи верхней стенки 74 свода.
Устройство 60 для охлаждения может перемещаться посредством размещенного подходящим образом подъемника (не показан) от положения вне печи до положения на верхнем торце печи. Периферийный фланец 76 у нижнего торца свода прижимается к верхней части 78 стенки печи (содержащей верхние торцы огнеупорного материала и сосуда под высоким давлением из стекловолокна, соответственно), которая проходит поверх токоприемника (фиг.2).
Свод служит теплообменником для печи в процессе охлаждения. Как показано на фиг.5, предусмотрен подъемный механизм 80 для подъема крышки 16 печи. При подъеме крышки образуется отверстие 82 (фиг.2) между камерой печи и камерой 64 свода. В частности, крышка 16 поднимается из закрытого положения, показанного на фиг.1, когда часть 22 в виде затвора установлена на выступе 24, в открытое положение, показанное на фиг.2, когда часть 22 в виде затвора отделена промежутком от выступа. Быстрое перемешивание горячего газа из камеры 20 токоприемника и охлажденного газа внутри свода 62 происходит посредством естественной конвекции. Степень открытия регулируется посредством подъема крышки 16 с использованием контура с обратной связью для поддержания температуры внутри камеры 64 свода ниже температуры плавления меди, предпочтительно в диапазоне примерно 200-300°С, хотя возможны и более высокие температуры в случае, если определение температуры и ее контроль являются особенно точными. Крышка 16 является подвижной в направлении стрелки В до положения, в котором она полностью заключена в свод (фиг.5).
Устройство 60 для охлаждения может быть полностью удалено из печи, что дает возможность быстро удалить токоприемник 10 для ремонта или замены. Прижимной механизм 84, подробно показанный на фиг.11, при необходимости прижимает периферийный фланец 76 охлаждающего механизма к стенке печи 78. Таким образом, свод 62 герметично изолирует верхний торец камеры 20 и камеры 64 свода от наружной окружающей среды в продолжение хода печи. Прижимной механизм 84 содержит охлаждающий змеевик 86, в который подается охлаждающая вода для охлаждения прижимного механизма. В одном возможном варианте, как показано на фиг.1, наружная опора 88 воспринимает большую часть веса свода для предотвращения потенциального повреждения верхнего торца стенки 78 печи.
Как показано на фиг.5, один или более датчиков температуры 90, например термопар, размещены внутри свода 62. Датчики температуры передают вырабатываемый сигнал в систему контроля 92, который дает сигнал подъемному механизму 80 опустить крышку для того, чтобы уменьшить размер отверстия 82, если температура внутри камеры 64 свода становится высокой, и дает команду подъемному механизму увеличить размер отверстия путем подъема крышки 16, если температура падает ниже заранее выбранной величины.
Как показано на фиг.5, могут быть дополнительно предусмотрены средства для перемешивания текучей среды, например лопасти 94, размещаемые внутри камеры 64 свода для улучшения циркуляции газов между камерой 20 токоприемника и камерой 64 свода.
При температуре выше примерно 1500°С тепло быстро проходит через стороны печи, и, таким образом, скорость охлаждения через слой 58 изоляции относительно высока. Таким образом, охлаждение свода 62 является в основном невыгодным в продолжение начального периода охлаждающей части цикла. Крышка 16 печи поэтому преимущественно удерживается закрытой в продолжение этого первоначального периода охлаждения от температуры примерно 3100°С до примерно 1500°С. Когда температура печи достигает примерно 1500°С, изоляционный материал задерживает охлаждение, и охлаждающее действие свода 62 становится эффективным. Подъем крышки 16 поэтому предпочтительно начинается на этой стадии.
На фиг.6 показано воздействие верхнего устройства 60 для охлаждения на скорость охлаждения печи. Показаны две кривые, одна из которых показывает прогнозируемое охлаждение печи без свода, другая показывает прогнозируемое охлаждение печи с использованием свода 62. Можно увидеть, что время охлаждения при использовании свода составляет примерно 48 часов, и уменьшено, когда используется по меньшей мере в два раза. Эти результаты были спрогнозированы для токоприемника с внутренним диаметром 63 см, высотой 241 см и площадью теплопередачи 4,65 м2 в своде (т.е. общей площадью боковой стенки 72 свода и верхней стенки 74).
На фиг.5, а также на фиг.7 подъемный механизм 80 преимущественно включает линейный привод 100. Привод 100 подсоединен на его нижнем конце к монтажной плите 102 посредством соединительной муфты 104. Монтажная плита 102 прикреплена к верхней стенке 74 свода посредством болтов 106 или других подходящих крепежных деталей. Линейный привод 100, который может содержать пневматический или гидравлический поршень 107, удлиняется или возвращается назад, чтобы натягивать или ослаблять один конец роликовой цепи 108, которая расположена на системе шкивов 110. Другой конец цепи 108 соединен с верхним концом вертикально ориентированного цилиндрического подъемного стержня 112. Линейный привод 100, монтажная плита 102, цепь 108 и система шкивов 110 установлены внутри корпуса 114, выполненного из нержавеющей стали или тому подобного материала, и не подвергаются воздействию горячих газов внутри камеры 64 свода.
Нижний конец подъемного стержня 112 проходит в камеру 64 свода и соединяется с крышкой 16 печи посредством соединения 120 из нержавеющей стали. Соединение 120 смонтировано на графитовом опорном стержне 121, который проходит вертикально через крышку 16. Как показано на фиг.8, стержень 112 проходит через первое отверстие 122 в монтажной плите 102 привода и второе отверстие 124 в верхней стенке 74 свода.
Кроме того, из фиг.8 видно, что предусмотрено уплотняющее и направляющее устройство 130, служащее для направления нижнего конца стержня 112 через отверстия 122, 124 и для создания уплотнения между камерой 64 свода и внутренней частью корпуса 114. В частности, уплотняющее и направляющее устройство содержит цилиндрический рукав 132 из нержавеющей стали. Рукав приварен или смонтирован другим способом, на небольшом расстоянии над нижним концом 133, к кольцевому монтажному фланцу 134, который, в свою очередь, соединен болтами с монтажной плитой 102 вокруг отверстия 122. Верхний конец рукава смонтирован на втором кольцевом фланце 136 посредством болтов 138. Нижний конец 133 рукава 132 находится под монтажным фланцем 102. Кольцевое уплотнение 140, например уплотнительное кольцо, прижато нижним концом 133 рукава 132 к верхней поверхности верхней стенки 74 свода. Уплотнение входит в герметичное зацепление с подъемным стержнем 112, когда он движется вверх и вниз через него. Трубчатая прокладка 142 располагается внутри рукава 132 между верхней и нижней опорами 144, 146, которые установлены на фланце 136 и уплотнении 140 соответственно. Через трубчатую прокладку 142 проходит подъемный стержень 112.
Для описания работы печи следует отметить, что несколько пирометров 150 (три в предпочтительном конструктивном исполнении) смонтированы в соединении с соответствующими трубами 152, которые проходят через стенку 12 токоприемника в камеру 20 токоприемника (фиг.2-4). Пирометры 150 расположены на различных участках камеры 20 токоприемника и дают возможность непрерывного контроля температуры в продолжение нагревания и охлаждения камеры токоприемника. Предпочтительно пирометры 150 передают сигнал контрольной системе 92, которая использует определенные температуры для определения момента передачи сигнала подъемному механизму 80 на начало подъема крышки 16.
Несколько дисков-свидетелей 154 также располагаются в камере 20 токоприемника в различных точках по всей горячей зоне перед началом рабочего цикла печи. Диски-свидетели 154 обеспечивают точное определение высокой температуры, воздействию которой подвергался каждый диск. В предпочтительном конструктивном исполнении диски-свидетели выполнены из углерода, который становится графитизированным в продолжение хода печи. Максимальная температура определяется путем измерения размера кристаллитов графита в подвергнутых воздействию дисках 154 и сравнения измерений с теми, которые были получены для точно калиброванных эталонных дисков. Методы дифракции рентгеновских лучей могут применяться для автоматического определения размеров кристаллитов из полученных дифракционных картин.
Диски-свидетели 154 исследуются по окончании хода печи для создания более подробной картины распределения температуры, чем может быть обеспечена одними пирометрами 150. Кроме того, диски 154 обеспечивают проверку пирометров 150, которые имеют тенденцию к утрате их калибровки или полному отказу с течением времени. По причине низкой стоимости дисков и легкости их использования может быть использовано гораздо больше дисков-свидетелей, чем это выполнимо с пирометрами. Диски 154 удаляются после каждого хода печи и заменяются свежими дисками.
Предпочтительно база данных сохраняется для каждой печи для того, чтобы хранить показания пирометров и измерения дисков, и анализируется для определения тенденции. Ошибки пирометров, концевые эффекты индукционной катушки и площадки плохой изоляции могут быть определены и скорректированы в течение нескольких циклов печи.
Типичный ход печи происходит следующим образом. Изделия, которые должны быть обработаны, например волокна из пека, которые должны быть графитизированы, загружаются в один или более контейнеров 32. Контейнеры закрываются и помещаются в камеру 20 токоприемника вместе с несколькими свежими дисками-свидетелями 154. Подъемник (не показан) соответствующим образом перемещает устройство для охлаждения до тех пор, пока фланец 76 не установится на часть 78 стенки печи. Атмосфера внутри камеры 20 токоприемника и камеры 64 свода заменяется на инертный газ при небольшом избыточном давлении. Инертный газ непрерывно проходит через камеру 20 в продолжение хода печи через входной и выходной трубопроводы подачи (не показаны). Крышка 16 опускается посредством линейного привода 100 в закрытое положение, в котором крышка закрывает камеру 20 токоприемника. После этого начинается подача потока охлаждающей воды через охлаждающие трубы 54 (охлаждение свода может быть отложено на некоторое более позднее время перед подъемом крышки 16). В индукционные катушки 30 подводится энергия для нагревания токоприемника 10, посредством этого камера 20 токоприемника доводится до рабочей температуры. Это может занять от одного до двух дней или более. Когда достигается рабочая температура, например 3150°С, температура в камере 20 токоприемника поддерживается при рабочей температуре в течение достаточного периода времени для достижения требуемой степени графитизации, или для того, чтобы иначе завершить процесс обработки. Контрольная система 92 использует контур с обратной связью, основанный на измерениях с помощью пирометра для того, чтобы привести в действие индукционные катушки 30 в соответствии с определенной температурой.
Когда фаза нагревания завершается, подвод энергии в индукционные катушки 30 выключается, и печь начинает охлаждаться посредством теплопроводности через слой 58 изоляции. Когда температура в камере 20 токоприемника упадет до примерно 1500°С, линейный привод 100 получает команду на небольшой подъем крышки 16 в открытое положение, при этом выпускается горячий газ из камеры 20 токоприемника и смешивается с более холодным газом внутри камеры 64 свода. Когда температура внутри камеры токоприемника далее понизится, привод 100 удаляет крышку 16 дальше от камеры, увеличивая размер отверстия 82 так, чтобы максимальная скорость охлаждения могла поддерживаться без перегрева камеры 64 свода. Ниже температуры примерно 1000°С пирометры 150 предпочтительно заменяются на термопары. Когда камера 20 токоприемника достигает подходящей низкой температуры, устройство 60 для охлаждения удаляется или, иначе, соединяется с атмосферой, например, путем открытия клапанов (не показаны) в своде 62.
Улучшенное охлаждение, обеспечиваемое устройством 60 для охлаждения, барьерный слой 40 из гибкого графита и точный мониторинг температуры, обеспечиваемый описанными дисками-свидетелями 154, все это способствует улучшению работы печи. Долговечность токоприемника значительно увеличивается посредством использования гибкого графита. Испытания, в которых часть токоприемника была защищена гибким графитом, в то время как другая часть была оставлена не защищенной, показали видимую разницу в толщине каждой из этих частей токоприемника после короткого периода времени. Было обнаружено, что печи, работающие при температуре примерно 3000°С, имеют по меньшей мере в 4-5 раз большую длительность компании между заменами токоприемника, чем традиционные печи, работающие без барьерного слоя 40 из гибкого графита. Индукционная печь пригодна для длительной работы при рабочей температуре вплоть до 3150°С, что не было бы выполнимо при индукционных печах по известному уровню техники.
Необходимо отметить, что устройство для охлаждения было описано со ссылкой на индукционную печь, однако указанная система охлаждения может также применяться для охлаждения других типов печей, которые работают при высоких температурах.
Изобретение было описано со ссылкой на предпочтительное конструктивное исполнение. Для специалиста являются очевидными модификации и варианты изобретения, не указанные в предшествующем подробном описании. Изобретение также включает все подобные модификации и варианты в пределах объема признаков, содержащихся в прилагаемых пунктах формулы изобретения, или их эквивалентов.
1. Индукционная печь, содержащая:
емкость, образующую внутреннюю камеру для расположения изделий, которые должны быть обработаны, снабженную токоприемником,
индукционную катушку для нагревания емкости, при этом индукционная катушка индуцирует ток в токоприемнике для нагрева токоприемника,
крышку, которая при необходимости закрывает внутреннюю камеру емкости; и устройство для охлаждения, содержащее:
свод, который образует камеру, и
подъемный механизм, предназначенный для подъема крышки, для прохождения горячего газа из внутренней камеры емкости в камеру свода.
2. Печь по п.1, в которой свод смонтирован поверх емкости.
3. Печь по п.1, в которой подъемный механизм содержит линейный привод.
4. Печь по п.3, в которой линейный привод соединен с крышкой посредством подъемного стержня.
5. Печь по п.4, в которой нижний конец подъемного стержня смонтирован для вертикального перемещения внутри свода, при этом свод выполнен с возможностью выдерживания нагрузки, вызываемой линейным приводом.
6. Печь по п.1, в которой подъемный механизм обеспечивает перемещение крышки между первым положением, в котором крышка закрывает внутреннюю камеру емкости, и вторым положением, в котором крышка расположена внутри камеры свода.
7. Печь по п.1, в которой камера свода выполнена с возможностью поддерживания избыточного давления инертного газа.
8. Печь по п.1, которая дополнительно содержит охлаждающее средство для активного охлаждения свода.
9. Печь по п.8, в которой охлаждающее средство выполнено в виде охлаждающих змеевиков, смонтированных на поверхности свода и предназначенных для прохождения охлаждающей текучей среды.
10. Печь по п.1, которая дополнительно содержит датчик температуры для контроля температуры в камере свода.
11. Печь по п.1, в которой свод выполнен из немагнитного материала.
12. Печь по п.1, в которой токоприемник выполнен из графита, причем индукционная печь дополнительно снабжена слоем гибкого графита снаружи токоприемника, который задерживает утечку пара углерода, сублимирующегося из токоприемника.
13. Устройство для охлаждения индукционной печи, содержащее:
свод, который образует внутреннюю камеру;
охлаждающее средство для охлаждения свода;
средство для избирательного соединения между горячей зоной индукционной печи и внутренней камеры свода для потока текучей среды; и
средство для контроля средства для соединения в соответствии по меньшей мере с одной из температур:
горячей зоны индукционной печи и внутренней камеры свода для потока текучей среды.
14. Устройство по п.13, в котором охлаждающее средство содержит охлаждающие змеевики, через которые проходит охлаждающая текучая среда для охлаждения свода.
15. Устройство по п.13, в котором средство для избирательного обеспечения соединения индукционной печи и внутренней камеры свода для потока текучей среды содержит:
подъемный механизм, предназначенный для перемещения крышки печи из первого положения, в котором крышка изолирует горячую зону от внутренней камеры свода, во второе положение, в котором горячий газ проходит из горячей зоны печи в камеру свода.
16. Индукционная печь, содержащая:
токоприемник, который образует внутреннюю камеру для размещения изделий, которые должны быть обработаны, причем токоприемник выполнен из графита;
индукционную катушку, которая индуцирует ток в токоприемнике для нагрева токоприемника; и
слой гибкого графита снаружи токоприемника для снижения утечки пара углерода, сублимирующегося из токоприемника.
17. Печь по п.16, которая дополнительно содержит
слой порошкообразного изоляционного материала, расположенный вокруг слоя гибкого графита, предназначенный для удержания слоя гибкого графита в контакте с токоприемником.
18. Способ работы индукционной печи, содержащий стадии:
нагрева изделий, которые должны быть обработаны, в первой камере, которая содержит газ;
активное охлаждение второй камеры, которая содержит газ, причем вторая камера при необходимости соединяется по потоку текучей среды с первой камерой;
при этом после стадии нагрева охлаждают первую камеру путем контролируемого соединения по потоку текучей среды первой камеры со второй камерой для обеспечения передачи тепла от газа в первой камере к газу во второй камере.
19. Способ по п.18, который дополнительно содержит стадии:
определения температуры второй камеры; и
контроля размера отверстия между первой и второй камерами для удержания температуры во второй камере ниже заранее выбранной величины.
20. Способ по п.18, в котором перед стадией нагрева помещают диски-свидетели в первую камеру; и
после стадии охлаждения первой камеры диски-свидетели удаляют и исследуют диски для определения максимальной температуры, воздействию которой подвергался каждый диск в продолжение стадии нагрева.
21. Способ по п.18, в котором стадия нагрева включает нагревание первой камеры до температуры по меньшей мере 3000°С.
22. Способ по п.21, в котором стадия нагрева включает нагревание первой камеры до температуры по меньшей мере 3100°С.
23. Способ по п.21, в котором дополнительно перед стадией нагрева окружают стенку первой камеры, выполненную из графита, гибким графитовым материалом, для задерживания испарения графита из стенки в продолжение стадии нагрева.
24. Способ по п.18, в котором газ в первой и второй камерах представляет собой инертный газ под избыточным давлением.
25. Способ по п.18, в котором стадия охлаждения первой камеры включает контролируемое соединение по потоку текучей среды первой камеры со второй камерой, когда температура в первой камере падает до примерно 1500°С.
26. Способ по п.18, в котором для обеспечения контролируемого соединения по потоку текучей среды первой камеры со второй поднимают крышку, которая закрывает первую камеру, для создания отверстия между первой и второй камерами, причем размер отверстия регулируют подъемом или опусканием крышки.
27. Способ по п.18, в котором поверх первой камеры устанавливают свод для изоляции первой камеры от окружающей среды, причем свод образует вторую камеру и отделен от первой камеры посредством крышки, причем свод выдерживает нагрузку от подъемного механизма, предназначенного для подъема крышки, при этом обеспечивается возможность соединения по потоку текучей среды между первой камерой и второй камерой во время стадии охлаждения.
