PL226441B1 - Piec próżniowy do obróbki cieplnej - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest piec próżniowy (1) do obróbki cieplnej. Wynalazek ma zastosowanie szczególnie przy hartowaniu wsadu (2), którym są przedmioty metalowe i części konstrukcyjne z różnych gatunków stali i stopów, przy czym możliwe jest jego zastosowanie także przy innych procesach wykorzystujących obróbkę cieplną, takich jak azotowanie, nawęglanie, itp. Piec próżniowy (1) do obróbki cieplnej ma komorę grzejną (6) umieszczoną w obudowie (9) z płaszczem wodnym (13). W cylindrycznej komorze grzejnej (6) jest mocowana podpora (14) wsadu (2) i są zamontowane elementy grzejne (15) rozmieszczone na obwodzie obrysu wsadu (2). W płaszczu (8) komory grzejnej (6) są otwierane dysze (4), gdzie dysze (4) połączone są kanałami dolotowymi (16) z otworem tylnym (11) komory grzejnej (6) kolejno poprzez luk tylny (17) komory grzejnej (6), wymiennik ciepła (7) i wentylator cyrkulacji (10) napędzany silnikiem (18), mieszczące się bezpośrednio za otworem tylnym (11) komory grzejnej (6). Przynajmniej jedna z dysz (4) wyposażona jest, w mocowaną sztywno i rozłącznie, litą lancowatą przelotową nasadkę (20) skierowaną w stronę wnętrza komory grzejnej (6). Nasadka (20) zakończona jest końcówką (21), korzystnie wymienną, w kształcie zbliżonym do bryły przestrzennej, korzystnie foremnej. Końcówka (21) jest pusta w środku, a jej ściany posiadają otwory (22) rozmieszczone sferycznie względem siebie. Nasadka (20) sięga okolic wnętrza wsadu (2) umieszczanego w komorze grzejnej (6), co pozwala na wprowadzenie strumienia gazu (3) bezpośrednio do wnętrza wsadu (2) o nietypowym ukształtowaniu bryły.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest piec próżniowy do obróbki cieplnej. Wynalazek ma zastosowanie szczególnie przy hartowaniu wsadu, którym są przedmioty metalowe i części konstrukcyjne z różnych gatunków stali i stopów, przy czym możliwe jest jego zastosowanie także przy innych procesach wykorzystujących obróbkę cieplną, takich jak azotowanie, nawęglanie, itp.

Znane są różne konstrukcje pieca próżniowego do obróbki cieplnej, w których wsad umieszczony wewnątrz nagrzewany jest konwekcyjnie i później poddawany opływowi strumienia gazu, gdzie dobór gazu ściśle zależy od procesu.

Z wynalazku PL166232 znany jest na przykład piec próżniowy do obróbki cieplnej. Zbudowany jest z grzejnej komory umieszczonej w cylindrycznej obudowie. W komorze są zamontowane gazowe kolektory rozmieszczone równomiernie na obwodzie obrysu wsadu. Na kolektorach rozmieszczone są symetrycznie dysze. Kolektory połączone są z komorą dmuchawy, która mieści się bezpośrednio za tylną ścianą izolacyjną komory. W miejscu ich połączenia wbudowane są ruchome antykonwekcyjne przesłony, natomiast w drzwiach obudowy wbudowany jest co najmniej jeden wentylator cyrkulacji nagrzewu konwekcyjnego i chłodzenia z wirnikiem mieszczącym się w komorze. Wentylator ułatwia dojście gazu w przestrzeń wsadu i pozwala uzyskać efekt wytwarzania podciśnienia w osi wsadu, a także wspomaga odprowadzanie gazów z komory grzejnej, jednak wymaga silnika dużej mocy. Pomimo tego strumień gazu nie schładza jednakowo wsadu, szczególnie takiego o nierównomiernej bryle.

Z wynalazku PL172305 znany jest inny piec próżniowy do obróbki cieplnej. Ma on cylindryczny wkład będący jednocześnie elementem grzejnym i kolektorem gazowym, o średnicy nieco mniejszej od średnicy komory grzejnej, pozwalającej na utworzenie pomiędzy wkładem a izolowaną ścianą obudowy przestrzeni do wtłoczenia weń gazu. Wkład może być podzielony na dowolną ilość segmentów. Taki element pozwala na maksymalne wykorzystanie wnętrza cylindrycznej obudowy pieca, jednak nadal nie zapewnia poprawnego schładzania wkładu o nietypowym kształcie.

Wzór użytkowy PL53518 z kolei przedstawia piec umożliwiający intensywne, gazowe chłodzenie obrabianego wsadu. Jako zespół chłodzący ma ciśnieniowy wymiennik ciepła, zawierający poziomy, próżnioszczelny cylindryczny płaszcz zakończony z jednej strony pokrywą z zamocowanym do niej wentylatorem, zaś drugim otwartym końcem połączony ze zbiornikiem komory jarzeniowej, przy czym wewnątrz płaszcza zamocowany jest zespół rurowy składający się z pionowo usytuowanych den sitowych, połączonych rurkami dla gazu chłodzącego, a pomiędzy jednym dnem i pokrywą oraz drugim dnem i cylindrycznym ekranem izolacyjnym, usytuowanym w komorze, znajdują się kierownice gazu chłodzącego. Urządzenie kierujące ujęte jest także w wynalazku PL171610. W obu kierownice pozwalają świadomie poprowadzić strumień gazu w stronę wkładu, jednak strumień nadal nie dociera do wnętrza układu o ile ten posiada wybrania, nawierty, nisze, głębokie przetłoczenia itp.

Stąd najlepszym, jednak bardzo skomplikowanym mechanicznie, rozwiązaniem wydaje się być to ujęte w wynalazku PL156044. Rozwiązanie z dookólnym chłodzeniem wsadu zapewnia równomierność prędkości chłodzenia niezależnie od kształtu i rodzaju obrabianych cieplnie wsadów. Gaz chłodzący dostarczany jest przez dysze kolektora w ten sposób, że schładzana komora z wsadem podzielona jest na dwie części przegrodą przechodzącą przez oś symetrii komory, natomiast każda z tych części podzielona jest na co najmniej dwie strefy, przednią i tylną, przegrodami prostopadłymi do osi symetrii komory, przy czym dla większej ilości przegród pomiędzy wskazanymi strefami znajdują się strefy środkowe, gdzie dowolna strefa jest styczna do płaszcza komory. Gaz może być dozowany do konkretnych stref i jednocześnie lub zamiennie do konkretnych części. Pozwala to na precyzyjne dozowanie zimna w zależności od potrzeby, kształtu i rodzaju schładzanego wsadu. Dopływ gazu sterowany jest układem mikroprocesorowym na podstawie sygnałów z czujników lub termoregulatorów.

Gaz w przedstawionych, znanych rozwiązaniach wtłaczany jest dyszami lub szczelinami umieszczonymi w elementach znajdujących się w bezpośredniej bliskości płaszcza wewnętrznego pieca, od wewnętrznej jego strony, bądź to bezpośrednio umieszczonymi w płaszczu. Może być także kierowany w innym niż prostopadły do płaszcza kierunku. Jednak każdorazowo gaz kierowany jest od strony zewnętrznej względem środka komory do wnętrza komory, najczęściej także wzdłuż komory. Rozwiązania konstrukcyjne to umożliwiające nie należą do korzystnych dla obrabianego cieplnie wsadu.

Odstępstwem od tej reguły jest rozwiązanie ujęte w wynalazku JP3875322. Rozwiązanie to wskazuje możliwość cieplnej obróbki materiału mocowanego w cylindrycznej komorze na wielu poziomach. Piec jest wyposażony w grzejnik na zewnętrznej stronie obwodowej komory, a materiał przeznaczony do obróbki jest zamontowany na wielu poziomach na podstawie nośnej. Piec posiada także

PL 226 441 B1 podgrzewacz o podwójnym cylindrze, wewnętrznym i zewnętrznym, które są połączone szeregowo tak, że przechodzą przez środek materiału przeznaczonego do obróbki. Podgrzewacz jest używany także jako rura wlotowa i wylotowa strumienia gazu. Otwory wylotowe strumienia gazu znajdują się na wielu poziomach w zewnętrznym cylindrze w odstępach równych kątowi 90° na każdym poziomie. Gaz wdmuchiwany w górnym końcu wewnętrznego cylindra jest dostarczany promieniowo do otworów wylotowych zewnętrznego cylindra i wtłaczany jest do komory, skąd po jej otwarciu uchodzi. Gaz wtłaczany jest do komory w regularnych odstępach w linii osi komory, przy czym kierowany jest od osi komory do jej płaszcza na całej długości komory.

Wcześniejsze rozwiązania, za wyjątkiem ujawnienia dozującego gaz z podziałem na strefy i jednocześnie lub zamiennie strony, nie zapewniają dużej jednorodności chłodzenia wsadu. Szczególnie ma to znaczenie dla wsadów o nietypowym, niesymetrycznym kształcie, a także dla wsadów o zróżnicowanej grubości ścian lub o nierównomiernych przekrojach.

Niestety, nawet rozwiązanie dzielące przestrzeń wewnątrz komory ma liczne niedogodności. Jest skomplikowane technicznie, wymaga szeregu kierownic przepływu i skomplikowanego sterowania. Z kolei rozwiązanie jedynie z nadmuchem odśrodkowym powiela wady innych rozwiązań z nadmuchem ku środkowi komory, przy czym dodatkowo z trwale mocowanym podgrzewaczem umieszczonym w osi pieca nie nadaje się do obróbki wsadu o znacznych gabarytach, nawet przy dużej nieregularności tego wsadu.

Celem rozwiązania według wynalazku jest uzyskanie konstrukcji zapewniającej możliwość równomiernego schłodzenia całej struktury wsadu, szczególnie tego o nierównomiernej, niesymetrycznej strukturze przestrzennej, o licznych wnękach, wycięciach lub przepustach. Celem jest także uzyskanie tego bez generowania miejsc przechłodzonych w strukturze wsadu, przy jednoczesnym wykorzystaniu możliwie najprostszej i nieskomplikowanej konstrukcji.

Piec próżniowy do obróbki cieplnej według wynalazku zawiera komorę grzejną umieszczoną w obudowie z płaszczem wodnym. W komorze grzejnej znajduje się podpora wsadu oraz elementy grzejne rozmieszczone na obwodzie obrysu wsadu. W płaszczu komory umieszczone są otwierane dysze, przy czym dysze połączone są kanałami dolotowymi z otworem tylnym komory grzejnej kolejno poprzez luk tylny komory grzejnej, wymiennik ciepła i wentylator cyrkulacji z silnikiem, mieszczące się bezpośrednio za otworem tylnym komory grzejnej. Od strony przedniej komora grzejna wyposażona jest w drzwi stanowiące po zamknięciu ciągłość jej płaszcza. Wynalazek charakteryzuje się tym, że przynajmniej jedna z dysz wyposażona jest w mocowaną sztywno i rozłącznie, oraz skierowaną w stronę wnętrza komory grzejnej, litą przelotową nasadkę w formie lancy. Nasadka zakończona jest wymienną końcówką, w kształcie bryły foremnej lub obrotowej. Końcówka jest pusta w środku, a jej ściany posiadają otwory rozmieszczone przestrzennie względem siebie. Przekrój poprzeczny luku tylnego komory grzejnej odpowiada przekrojowi poprzecznemu wymiennika ciepła, a ten odpowiada powierzchni czołowej wentylatora cyrkulacji. Nasadka sięga okolic wnętrza wsadu umieszczanego w komorze grzejnej, co pozwala na wprowadzenie strumienia gazu bezpośrednio do wnętrza wsadu.

Dowolna dysza i jednocześnie lub zamiennie końcówka osadzona na nasadce może być wyposażona w rozpraszacz strumienia gazu, a wtedy rozpraszacz może mieć formę przesłony ustawionej w linii dyszy albo otworu końcówki. Rozpraszacz może mieć formę perlatora osadzonego na ujściu dyszy albo otworu, przy czym perlator może mieć wtedy przynajmniej jeden dzielnik strumienia gazu i ustawiony jest pod kątem do osi dyszy albo do osi otworu. Ujście dyszy albo nasadki może być zakończone spiralnie. Ujście dyszy albo nasadki może być w przekroju poprzecznym szersze niż przekrój poprzeczny odpowiednio dyszy albo nasadki. Końcówka nasadki może mieć kształt kuli, sześcianu lub czworościanu foremnego. Końcówka może mieć co najmniej cztery otwory. Dysza i jednocześnie lub zamiennie nasadka dyszy mogą być usytuowane względem osi komory grzejnej z przesunięciem albo pod kątem większym niż 0° a mniejszym niż 90°. Nasadka i jednocześnie lub zamiennie dysza mogą być łukowate. Rozłączne mocowanie nasadki na dyszy może być typu gwintowego, śrubowego albo zatrzaskowego, a dysze otwierane mogą być siłownikami, najlepiej wtedy niezależnie.

Wskazane opcjonalne elementy pozwalają dostarczyć strumień gazu w najbliższe otoczenie wsadu tak, aby nie ulegał on nadmiernemu punktowemu przechłodzeniu lub nasyceniu w przypadku procesu odmiennego od hartowania. Opcjonalnie, ujście dyszy albo nasadki zakończone spiralnie może powodować zawirowanie strumienia gazu. Opcjonalnie, ujście dyszy albo nasadki w przekroju poprzecznym szersze niż przekrój poprzeczny, odpowiednio, dyszy albo nasadki skutkować może spowolnieniem wypływu strumienia gazu bez szkody dla jego przepływu objętościowego lub nawet może zwiększyć ten strumień. Opcjonalnie, końcówka nasadki w kształcie kuli, sześcianu łub czworo4

PL 226 441 B1 ścianu foremnego w najlepszy sposób zapewnia promieniste rozchodzenie się strumienia gazu bezpośrednio w centrum komory grzejnej, w otoczeniu i bliskości wnętrza wsadu o nietypowym kształcie. Opcjonalnie, dysza i jednocześnie lub zamiennie nasadka dyszy usytuowane względem osi komory grzejnej z przesunięciem albo pod kątem większym niż 0° a mniejszym niż 90° pozwala połączyć wszelkie pozytywne funkcje, na których oprzeć można korzystne działanie opływającego strumienia gazu. Ten sam efekt uzyskać można, gdy nasadka i jednocześnie lub zamiennie dysza są korzystnie łukowate.

Przykładowe rozwiązanie ukazane jest na rysunku, który przedstawia pionowy płaszczyznowy przekrój pieca próżniowego w widoku schematycznym.

Przykładowy piec próżniowy 1 do obróbki cieplnej zawiera komorę grzejną 6 umieszczoną w obudowie 9 z płaszczem wodnym 13. W cylindrycznej komorze grzejnej 6 znajduje się podpora 14 wsadu 2 oraz elementy grzejne 15 rozmieszczone na obwodzie obrysu wsadu 2. W płaszczu 8 komory grzejnej 6 umieszczone są otwierane dysze 4, przy czym dysze 4 połączone są kanałami dolotowymi 16 z otworem tylnym 11 komory grzejnej 6 kolejno poprzez luk tylny 17 komory grzejnej 6, wymiennik ciepła 7 i wentylator cyrkulacji 10 z silnikiem 18, mieszczące się bezpośrednio za otworem tylnym 11 komory grzejnej 6. Od strony przedniej komora grzejna 6 wyposażona jest w drzwi 19 stanowiące po zamknięciu ciągłość jej płaszcza 8. Dwie z dysz 4 wyposażone są w mocowaną sztywno i rozłącznie litą przelotową nasadkę 20 w formie lancy, skierowaną w stronę wnętrza komory grzejnej 6. Nasadka 20 zakończona jest końcówką 21 niewymienną w kształcie sześcianu. Końcówka 21 jest pusta w środku, a jej ściany posiadają otwory 22 rozmieszczone przestrzennie względem siebie. Nasadka 20 sięga okolic wnętrza wsadu umieszczanego w komorze grzejnej 6, co pozwala na wprowadzenie strumienia gazu bezpośrednio do wnętrza wsadu 2. Przekrój poprzeczny luku tylnego 17 komory grzejnej 6 odpowiada przekrojowi poprzecznemu wymiennika ciepła 7 oraz powierzchni czołowej wentylatora cyrkulacji 10.

Końcówka 21 osadzona na nasadce 20 jest wyposażona w rozpraszacz 23 strumienia gazu 3, a rozpraszacz 23 ma formę przesłony ustawionej w linii otworu 22 końcówki 21. Ujście dyszy 4 z nasadką 20 jest zakończone wewnątrz spiralnie, co powoduje zawirowanie strumienia gazu 3. Ujście dysz 4 na drzwiach 19 jest w przekroju poprzecznym szersze niż przekrój poprzeczny dyszy 4. Nasadka 20 dyszy 4 jest umieszczona względem osi komory grzejnej 6 pod kątem i jednocześnie jest łukowata. Końcówka 21 ma sześć otworów rozmieszczonych po jednym w różnych jej ścianach. Rozłączne mocowanie nasadki 20 na dyszy 4 jest typu gwintowego, a dysze 4 otwierane są siłownikami, niezależnie jedna od drugiej.

Wynalazek działa następująco. Obrabiany wsad 2 umieszczony jest wewnątrz komory grzejnej 6 na podporach 14 wsadu 2. Na dwie dysze 4 nakręcane są nasadki 20 tak, aby sześcienne końcówki 21 znajdowały się wewnątrz nieregularności wsadu 2 po dwóch jego stronach. Cykl rozpoczyna się w chwili odessania atmosfery z komory grzejnej 6 i osiągnięcia odpowiedniego poziomu ciśnienia w okolicy 0,09 mbar. W tym momencie uruchomione zostają elementy grzejne 15 wewnątrz płaszcza 8 komory grzejnej 6. Temperatura płaszcza wodnego 13 utrzymywana jest na poziomie pomiędzy 50°C a 100°C. Po wygrzaniu wsadu 2 w żądanej temperaturze (do 1300°C) rozpoczyna się proces hartowania. Uruchomiony zostaje wymiennik ciepła 7 za lukiem 17 komory grzejnej 6, dopuszczany jest gaz 3 - azot, oraz zostaje uruchomiony silnik 18 wewnętrznego wentylatora cyrkulacji 10. Rozpoczyna się proces cyrkulacji azotu poprzez dysze 4, kanały dolotowe 16 i wymiennik ciepła 7. Wsad 2 jest schładzany z optymalną prędkością. Maksymalne ciśnienie gazu 3 w tym momencie wynosi 10 bar abs. Po procesie hartowania otwierane są drzwi 19, wykręcane są nasadki 20 z końcówkami 21, a wsad 2 jest wyjmowany. Inną możliwością jest osadzenie nasadek 20 z końcówkami 21 na stałe, przed manipulowaniem wsadem 2, na dyszach 4 tak, by nie kolidowały podczas manipulowania wsadem 2, natomiast ich zmiana związana jest jedynie ze zmianą typu wsadu 2.

Claims (11)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Piec próżniowy do obróbki cieplnej, zawierający komorę grzejną umieszczoną w obudowie z płaszczem wodnym, w której to komorze znajduje się podpora wsadu oraz elementy grzejne rozmieszczone na obwodzie obrysu wsadu, zaś w płaszczu komory umieszczone są otwierane dysze, przy czym dysze połączone są kanałami dolotowymi z otworem tylnym komory grzejnej kolejno poprzez luk tylny komory grzejnej, wymiennik ciepła i wentylator

   PL 226 441 B1 cyrkulacji z silnikiem, mieszczące się bezpośrednio za otworem tylnym komory grzejnej, natomiast od strony przedniej komora grzejna wyposażona jest w drzwi stanowiące po zamknięciu ciągłość jej płaszcza, znamienny tym, że przynajmniej jedna z dysz (4) wyposażona jest w mocowaną sztywno i rozłącznie, oraz skierowaną w stronę wnętrza komory grzejnej (6), litą przelotową nasadkę (20) w formie lancy, zakończoną wymienną końcówką (21) w kształcie bryły foremnej lub obrotowej, przy czym końcówka (21) jest pusta w środku, a jej ściany posiadają otwory (22) rozmieszczone przestrzennie względem siebie, natomiast przekrój poprzeczny luku tylnego (17) komory grzejnej (6) odpowiada przekrojowi poprzecznemu wymiennika ciepła (7), a tenże odpowiada powierzchni czołowej wentylatora cyrkulacji (10).
2. 2. Piec próżniowy do obróbki cieplnej, według zastrz. 1, znamienny tym, że dowolna dysza (4) i/lub końcówka (21) osadzona na nasadce (20) jest wyposażona w rozpraszacz (23) strumienia gazu (3).
3. 3. Piec próżniowy do obróbki cieplnej, według zastrz. 2, znamienny tym, że rozpraszacz (23) ma formę przesłony ustawionej w linii dyszy (4) albo otworu (22) końcówki (21).
4. 4. Piec próżniowy do obróbki cieplnej, według zastrz. 2 albo zastrz. 3, znamienny tym, że rozpraszacz (23) ma formę perlatora osadzonego na ujściu dyszy (4) albo otworu (22), przy czym perlator ma przynajmniej jeden dzielnik strumienia gazu (3) i ustawiony jest pod kątem do osi dyszy (4) albo osi otworu (22).
5. 5. Piec próżniowy do obróbki cieplnej, według któregokolwiek zastrz. 1-4, znamienny tym, że ujście dyszy (4) albo nasadki (20) jest zakończone spiralnie.
6. 6. Piec próżniowy do obróbki cieplnej, według któregokolwiek zastrz. 1-5, znamienny tym, że ujście dyszy (4) albo nasadki (20) jest w przekroju poprzecznym szersze niż przekrój poprzeczny odpowiednio dyszy (4) albo nasadki (20).
7. 7. Piec próżniowy do obróbki cieplnej, według któregokolwiek zastrz. 1-4, znamienny tym, że końcówka (21) ma kształt kuli, sześcianu lub czworościanu foremnego.
8. 8. Piec próżniowy do obróbki cieplnej, według któregokolwiek zastrz. 1-4, 7, znamienny tym, że końcówka (21) ma co najmniej cztery otwory (22).
9. 9. Piec próżniowy do obróbki cieplnej, według któregokolwiek zastrz. 1-6, znamienny tym, że dysza (4) i/lub nasadka (20) dyszy (4) są usytuowane względem osi komory grzejnej (6) z przesunięciem albo pod kątem większym od 0° a mniejszym od 90°.
10. 10. Piec próżniowy do obróbki cieplnej, według któregokolwiek zastrz. 1-6, 9, znamienny tym, że nasadka (20) i/lub dysza (4) są łukowate.
11. 11. Piec próżniowy do obróbki cieplnej, według zastrz. 1, znamienny tym, że rozłączne mocowanie nasadki (20) na dyszy (4) jest typu gwintowego, śrubowego lub zatrzaskowego.