Пристрій для монохроматичної резонансної термообробки матеріалів

Пристрій для монохроматичної резонансної термообробки матеріалу, який складається з випромінювачів та відбиваючого екрану, який відрізняється тим, що термообробку ведуть кварцевими трубчастими лампами розжарення з галогенним іодним циклом, які випромінюють монохроматичні промені заданої частоти, які розміщують повздовжно-паралельно відносно геометричної вісі опромінюючого пристрою, створюють лінійно поляризоване випромінення первичних фотонів і відстань від поверхні матеріалів, які опромінюють, до відбиваючого екрану, який виконують з матеріалу, внутрішні частоти коливань атомів якого не співпадають з частотою основного випромінення, не 29805 завод". При максимальній потужності пристрою 3000 квт, витрат газу 2450 куб. метрів на годину забезпечує час нагріву металевої заготовки від 10°С до 950°С за 1-10 хвилин масою 60-150 кг. Габарити пристрою: ширина - 4 метри, висота - 5,2 метри, довжина - 60,4 метри, плюс контрольновимірювальні пункти, повітряно-нагнітаючі станції, відводящі пристрої, водяні, газові, витяжні комунікації. При цьому використовується 160 газових пальників, 42 привідних ролика з водяним охолодженням, системи заміру тиску повітря і газу, температури в зонах нагріву і в рекуператорах, відводящих та витяжних вентиляційних пристроях. За такий довгий час нагріву металічна трубна заготовка зазнає прямої дії полум'я пальників внаслідок чого утворюється пар окалини, погіршується властивість металу за рахунок поверхового вигорання вуглецю, неповний прогрів заготовки із-за конвекційного нагріву. За час простоїв та технологічних перерв газом нагрівається тільки навколишнє середовище, тому що вихід печі на технологічний режим роботи складає 40 годин, що не дозволяє її виключати. (В.С. Белов "Високотемпературні секційні печі". Москва: "Металургія", 1977 рік). Також близькі до пристрою за призначенням та методом нагріву є термокамера для обробки матеріалів інфрачервоними променями (а.с. № 989276, кл. 26В3/30, 1981 рік), яка складається з лампових випромінювачів та тунельної камери нагріву. Ці пристрої не дозволяють досягти високих температур нагріваємих матеріалів, погасти металічних заготовок для прокату труб, мають великі габарити та низький коефіцієнт корисної дії, в них неможливо досягти просторового розподілу променевого потоку через широкий спектр випромінення, а також їм притаманні і всі інші недоліки, які зустрічаються в технологічних печах та термокамерах, які використовують у діючій промисловості. В основу винаходу поставлено задачу створення пристрою для монохроматичного резонансного нагріву матеріалів шляхом використання методу інфрачервоного поляризованого опромінення, діючого на субатомному рівні, що забезпечує значне скорочення часу повної теплової обробки матеріалів, доведення нагріваємого об'єкту до заданої температури за найкоротший час, зменшення витрат енергії та палива на нагрів одиниці виробу, можливість регулювання просторового розподілу променевого потоку (що дозволяє здійснити нагрів тільки обробляємого об'єкту, зводячи до мінімуму втрати енергії на нагрів навколишніх поверхонь і середовища), можливість управління нагрівом по зазначеному часовому графіку, програмі, потрібній для досягання оптимального технологічного ефекту, можливості автоматизації технології нагріву. Суть винаходу полягає в тому, що для швидкого нагріву матеріалів до високих температур використовується метод інтенсивного інфрачервоного нагріву за допомогою кварцових трубчастих ламп розжарення з галогенним йодним циклом з одночасною взаємодією і використанням зразу кількох ефектів та явищ і з їх допомогою більш ефективного процесу перетворення променевої енергії в теплову. Кілька десятків або сотен кварцових трубчатих ламп розміщаються в один ряд. З одного боку випромінення обмежується захисним віддзеркалювальним екраном (фіг. 1), за допомогою якого формується потік інтенсивного монохроматичного інфрачервоного випромінення, при цьому зберігається його поляризація і фаза. В зоні дії випромінення або в фокусі відбиваючого дзеркала поміщають нагріваємий об'єкт, котрий піддається інтенсивній променевій обробці. Кварцові трубчасті лампи становлять собою пряму трубку з кварцового скла, понад віссю якої на вольфрамових підложках змонтована моноспіраль. Трубка заповнена аргоном з добавкою парів йоду. Випарений зі спіралі вольфрам на стінках трубки, температура якої приблизно 400-500°С, вступає в реакцію з йодом, утворюючи йодід вольфраму WI2, останній в зоні значно більш нагрітої спіралі (вище 2000°С) розкладається на йод і вольфрам, осідаючий на спіралі. Поляризація випромінення залежить від лінійних розмірів випромінюючих атомів та довжини хвилі випромінюваного світла. Тому при випромінюванні фотона момент атома і його проекція змінюються не більш ніж на одиницю і складають однакову направленість векторів усіх часток в просторі по відношенню до нитки розжарення лампи, що забезпечує монохроматичність випромінювання. Поздовжньо-паралельне розміщення випромінювачів по відношенню до осі нагріваючого пристрою дає поляризацію випромінювання з моментом ±1, а поперечно-паралельне розміщення - 0. Ця умова істотно впливає на взаєморозміщення випромінювачів і заготівки в разі її попереднього намагнічення. Під час нагрівання в речовині виникає ефект резонансної бігучої хвилі вторинних фотонів, а також ефект інфрачервоного утримання, зворотний і квадратичний Штарка ефект, за рахунок чого виникає як би нагрів речовини зсередини, немовби тіло само себе розігріває. Важливе значення має час переходу електрона з одного енергетичного рівня на другий. Частота випромінення приблизно 1013 Гц, а кількість періодів, що відповідають одному кванту, можна навести розміром майже 105. Це означає, що "час випромінення" одного кванта (фотона) складає 10-8 сек. За цей відрізок часу світло може пройти приблизно три метри. З чого витікає, що розмір камери від відображаючого екрану до опромінюваного матеріалу не повинен перевищувати трьох метрів. При перевищенні цього значення весь ефект формування та посилення бігучої хвилі не спостерігається. Найбільш придатні для використання пристрої інфрачервоного нагріву напівзачиненого типу (фіг. 1, 2, 3) з поздовжньо-паралельним розміщенням трубчастих нагрівачів. Пристрій складається (фіг. 2, 3) з поду 6, внутрішня зона якого викладена світловідбиваючим матеріалом. До поду прикріплені всі основні вузли пристрою. Корпус-екран 1 може бути як суцільним, так і виконаним із сегментів. Для забезпечення доступу до нагрівачів, їх чистки та зміни вийшовши з ладу, екран повинен бути зйомним, або розсувним (фіг. 3), виконаним з двох сегментів 8, котрі шарні 2 29805 рно закріплені до полу 1. Це забезпечує легкий доступ до нагрівачів. В пристрої передбачені технологічні цілі 2, через які ведуть (візуальний) огляд та спостереження за нагрівачами під час роботи, визначити ті з них, котрі вийшли з ладу. Внутрішня поверхня корпусу-екрана також викладена світловідбиваючим матеріалом. Патрони трубчастих галогенних нагрівачів закріплюються в стінкахекранах 3. Поверхня їх з боку зони нагріву також викладається світловідбиваючим матеріалом. В ролі відбиваючого матеріалу можна використовувати штукатурний гіпс, вогнетривку цеглу, керамічну плитку, азбестові або азбоцементні листи, внутрішня частота хвилювань атомів котрих неспівпадає з частотою випромінення. Стінки обладнані технологічними отворами 5, через які в зону нагріву подається технологічна заготівка, а також дверцятами 9, 10, котрі дозволяють проводити монтаж кабелів і патронів, проводити заміну вийшовших з ладу. При цьому під час роботи приладу в простір між стінками і дверцятами підводиться охолоджувальне повітря через вентиляційні пристрої 4, що дозволяє охороняти патрони і кабелі від перегріву. При попередньому намагнічуванні матеріалів магнітна індукція також є векторною величиною, таким чином, створюючи зазначену поляризацію в феромагнітних матеріалах, нагрітих нижче точки Кюрі, можна добитися збільшення швидкості нагріву, підсилення поширення і розміру бігучої хвилі, сформованої під час "накачки" в нагріваючомуся матеріалі, а це приведе до зниження часу нагріву і витрат енергії, що дозволяє при тій же потужності приладу проводити нагрів швидше, або за той же час можна нагріти до тієї ж температури тіло з більшою масою. Попереднє намагнічення здійснюють електромагнітами (фіг. 3, поз. 12) постійного струму, поставивши їх перед технологічними отворами 5 приладу так, щоб південний полюс знаходився нижче нагріваємого виробу, а північний зверху. При цьому технологічну заготівку (вибір) не можна перевертати в зоні нагріву, бо поміняється просторова орієнтація магнітного поля і поля випромінення, залежного від просторового орієнтування кварцових випромінювачів. Розмістивши постійні магніти навколо нагріваючого пристрою 11 так, щоб вектори магнітного поля і випромінення співпадали, добиваються доповнення когерентності фотонного потоку і його густоти. Розміри магнітного поля, потужність магнітів і їх взаєморозміщення залежить і від геометричних розмірів і форми обробляємого матеріалу. Ефективність їх використання визначають експериментально, порівнюючи потужність і час, необхідні для нагріву однотипних виробів. Приблизно схема розміщення магнітів навколо нагріваючого пристрою полягає в тому, що під подом розміщують південний полюс, а по краях і зверху - північний полюс. Тоді направлення силових ліній буде (фіг. 3, поз. 11) співпадати з направленням випромінення, котре є лінійно поляризованим і вектор магнітного поля фотона співпадає по напрямку з силовими лініями магнітного поля. Необхідно, щоб корпус приладу не викликав екранування магнітного поля і під час роботи електромагніти охолоджувались так, як і патрони з кабелями ламп накалювання. Варіанти других типів приладів показані на (фіг. 1). При їх проектуванні необхідно виходити з технічних вимог, розрахункової потужності, габаритів нагріваємих об'єктів, часу нагріву і розмірів технологічних ліній. Щоб збільшити потужність приладів, можна використовувати дво-, три- і т.і. секційні установки. При цьому дуже важливою умовою є те, що відстань від корпусу - екрану до поверхні опромінюваного виробу не повинна перевищувати трьох метрів. При поперечно-паралельному розміщенні нагрівачів компоновка може бути так, але необхідно враховувати напрям поляризації випромінення відносно геометричних розмірів і просторової орієнтації обробляємих об'єктів в зоні нагріву в разі попереднього намагнічення нагріваємого матеріалу. При використанні монохрономічного резонансового інфрачервоного пристрою в трубному виробництві на ТПА-80 АТ "Дніпропетровський трубний завод" чотири секції із сотнею нагрівачів типу КИ 380-4500 в кожній, при потужності секції в 450 кВт і всієї установки 1800 кВт, габаритних розмірах 1,2 м х 1,2 м х 5 м, нагрівають заготовку від 0 до 1200°С за чотири секунди при швидкості руху 1,4 м/сек і вазі заготовки 120 кг. При цьому майже не виникає окалини, рівномірно прогрівається заготовка по всій товщі, зона включається тільки тоді, коли заготовка в неї попадає і виключається зразу по її виходу. Енергія витрачається тільки на нагрів металу і лише зовсім незначні її витрати ідуть на побічний нагрів стінок камер, транспортуючих роликів, патронів та електрокабелів. При використанні кварцових трубчастих нагрівачів закордонного виробництва, потужність одиниці котрих дорівнює 20 квт, можна ще більше підвищити сумарну потужність однієї секції, що підвищить її до 2000 квт на секцію і відповідно зросте інтенсивність випромінення, розмір якої в нагріваючій установці приблизиться до інтенсивності кращих моделей лазерів. (І.В. Левітін "Використання інфрачервоної техніки в народному господарстві", Ленінград: "Енерговидав", 1981 р.). (Ричков В.Н. "Сушка і нагрів ІЧ-випроміненням", "Світлотехніка та ІЧ-техніка" т. 3, "Москва" ВІНІТІ, 1973 p.). На фіг. 1 зображені варіанти форм опромінюючих інфрачервоних пристроїв напівзачиненого типу, відповідаючих формі обробляємих об'єктів: 1 - з горизонтальним розміщенням випромінювачів; 2 - горизонтально-замкнута форма; 3 - вертикальна; 4 - діаметральна; 5 - діагональна. На фіг. 2 зображено проекційне креслення нагріваючого пристрою напівзачиненого типу з поздовжньо-паралельним розміщенням трубчастих нагрівачів, на котрому цифрами позначено: 1 - відбиваючий екран; 2 - технологічний зазор; 3 - стінка-відбивач для закріплення патронів ламп і розводження кабелів і їх охолодження; 4 - охолоджуючі вентиляційні пристрої; 5 - технологічний отвір; 6 - під приладу. На фіг. 3 зображено ізотермічне креслення нагріваючого пристрою з поздовжньо-паралельним 3 29805 розміщенням нагрівачів і приблизним розміщенням намагнічуючих пристроїв: 7 - шарнірне з'єднання сегментів корпусуекрану з подом; 8 - сегменти корпусу-екрану; 9 - роздвижні стінки, за якими закріплені патрони нагрівачів; 10 - завіси дверцят; 11–12 - намагнічуючі пристрої з орієнтацією по векторній напруженості. В таблиці наведені дані про інфрачервоні кварцові трубчасті нагрівачі з галогенним йодним циклом і їх характеристики як вітчизняного, так і імпортного виробництва з параметрами, які не являються комерційною і технологічною таємницею фірм виробників. В радіотехнічній промисловості використовують метод і установки інфрачервоного нагріву для розплаву та паяння монтажних схем на печатних платах за допомогою поодиноких трубчастих на грівачів. (І.В. Левітін "Використання інфрачервоної техніки в народному господарстві", Ленінград: "Енерговидав", 1981 р.). Магнітні поля для формування поляризації та фази, просторового орієнтування ірозігрівання використовують в кінескопах, циклотронах та термоядерних реакторах для утримання і розігрівання плазми, направленого руху променів та пучків елементарних часток різних енергетичних рівнів (Л.Л. Гольден "Физика приспорювачів" Москва: "Наука". Головна редакція фізико-математичної літератури 1985 p.). Пристрої, що пропонуються, установки для монохроматичної резонансної термообробки матеріалів забезпечують швидкий нагрів (частки секунди) до температур плавлення твердих матеріалів за рахунок взаємодії випромінення і матеріалу на субатомному рівні, впливаючи прямо на енергетику електронів, обмикаючи молекулярний рівень, так звану нанотехнологію. Таблиця Тип лампи КИ3803300 КИ3804500 PAL Tungsram GE Тіло розжар Потужність (кВт) Напруга (В) Температура (Кх100) Час горіння (години) Довжина (мм) Діаметр (мм) Діаметр Довжина 3,3 380 26,5 5000 750 10,75 1,5 673 4,5 380 26,5 5000 1000 10,75 1,7 923 15 760 28 5000 1100 11,2 16 760 28 5000 1100 11,2 20 960 27,5 5000 1150 11,6 Фіг. 1 4 29805 Фіг. 2 Фіг. 3 5 29805 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2002 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 35 прим. Зам._______ __________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 __________________________________________________________ 6