Відкритий знімний нагрівач для електропечі з контрольованою атмосферою

Реферат: Винахід належить до електротермічного устаткування. Відкритий знімний нагрівач для електропечі з контрольованою атмосферою містить металевий нагрівальний елемент, який складається з спіралі і двох хвостовиків, два виводи різної довжини, теплоізолятор, кришку для герметичного закріплення нагрівача на кожусі електропечі, керамічні трубки, опорне кільце, яке закріплене на кінці довгого виводу, фасонні ізолятори для підтримування спіралі нагрівального елемента, кожен з яких знаходиться в контакті з двома сусідніми витками спіралі і з зовнішньою поверхнею керамічної трубки, розташованої усередині цієї спіралі. Використання даного пристрою в електропечах з контрольованою атмосферою дозволяє знизити питомі витрати на термічну і хіміко-термічну обробку виробів. UA 105733 C2 (12) UA 105733 C2 UA 105733 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до електротермічного устаткування і може бути використаний при виготовленні, удосконаленні і експлуатації різних типів електропечей опору з контрольованою вуглецевмісною атмосферою. Відомий відкритий знімний нагрівач для електропечі з контрольованою атмосферою (а. с. СРСР № 836494, М. кл. F 27 В 11/02), який містить металевий нагрівальний елемент, два виводи, теплоізолятор, кришку для герметичного закріплення нагрівача на кожусі електропечі, керамічні трубки, фасонні ізолятори для підтримування геометричної форми нагрівального елемента і трубчастий каркас, який проходить через отвори керамічних трубок, теплоізолятора і фасонних ізоляторів, причому через порожнину трубчастого каркаса продувають робоче газове середовище, використовуване в електропечі для створення контрольованої атмосфери, із швидкістю потоку 5-10 м/сек. Недоліком відомого відкритого знімного нагрівача для електропечі з контрольованою атмосферою є необхідність охолодження його трубчастого каркаса за допомогою потоку робочого газового середовища з високою швидкістю, отримання якого вимагає роботи газоприготувальної установки при підвищеному тиску або застосування додаткової газодувки, випускний патрубок якої з'єднаний з трубопроводами подачі робочого газового середовища в електропіч через порожнини нагрівачів. Крім того, для ефективного тепловідведення потрібно збільшення витрати робочого газового середовища в порівнянні з його витратою, яка необхідна для здійснення процесу хіміко-термічної обробки виробів. Іншим недоліком конструкції даного нагрівача є занадто мала відстань між його струмопровідними виводами і трубопроводом з горючою і вибухонебезпечною робочою газовою сумішшю, а також велика кількість таких трубопроводів, які необхідно встановити на електропіч, що ускладнить технічне обслуговування електропечі та знизить її надійність. Крім того, недоліком даного нагрівача є зигзагоподібна форма його нагрівального елемента. Механізація процесу виготовлення цього елемента вимагає розробки спеціального пристосування або верстата. До того ж нагрівальний елемент має ділянки з малим радіусом кривизни, на яких при виконанні операції згинання проводу можуть утворюватися мікротріщини, що призводять до передчасного виходу з ладу нагрівального елемента через перегрів його ділянок з малим радіусом кривизни. При експлуатації даного нагрівача у вертикальному положенні верхні площини фасонних ізоляторів, що служать для підтримування геометричної форми нагрівального елемента, стають місцями осідання сажі з вуглецевмісної пічної атмосфери і окалини, що утворюється на поверхні нагрівального елемента, які можуть викликати в ньому електричні замикання. Причому, такі замикання особливо небезпечні в місцях скупчення сажі та окалини, де сусідні ділянки проводу нагрівального елемента знаходяться під напругою, яку можна порівняти з різницею потенціалів між двома точками проводу, що знаходяться один від одного на відстані двох довжин прямолінійних ділянок проводу цього нагрівального елемента. Найближчий аналог винаходу є відкритий знімний нагрівач для електропечі опору (патент України № 80027 МПК (2006) F27D 11/00), що містить металевий нагрівальний елемент, який складається з спіралі і двох хвостовиків, два виводи різної довжини, теплоізолятор, кришку для герметичного закріплення нагрівача на кожусі електропечі, керамічні трубки, опорне кільце, яке закріплене на кінці довгого виводу, фасонні ізолятори для підтримування спіралі нагрівального елемента, кожен з яких знаходиться в безпосередньому контакті з двома сусідніми витками спіралі і з зовнішньою поверхнеюкерамічної трубки, розташованої всередині цієї спіралі. Недоліком відомого відкритого знімного нагрівача є висока ймовірність перегорання спіралі від міжвиткових замикань, пов'язаних з втратою нагрівальним елементом його спіральної форми внаслідок випадання частини фасонних ізоляторів. Випадання цих ізоляторів може відбуватися через неоднакову величину кроків спіралі, отриману при її навивці, через порушення попередньої величини кроку спіралі, яка повинна бути менше розрахункової приблизно на 10 %, через пластичні деформації окремих витків при установці між ними фасонних ізоляторів, а також через термічні деформації нагрівача, що виникли при його експлуатації. Крім того, у відомому нагрівачі взаємне розташування кінців спіралі - довільне, що є однією з причин підвищених її викривлень під дією сил, прикладених до кінців спіралі, коли ці кінці знаходяться біля однієї прямої, яка паралельна центральній осі довгого виводу. Тому довільне розташування кінців спіралі знижує стійкість її форми проти зовнішніх навантажень, що діють на спіраль в процесі експлуатації нагрівача. Зазначені недоліки суттєво зменшують ресурс нагрівача, знижують його надійність, ускладнюють використання дорогого нагрівального елемента до його повного зносу і, цим самим, ставлять під сумнів доцільність промислового застосування даного нагрівача. Задачею винаходу є створення відкритого знімного нагрівача для електропечі з контрольованою атмосферою, в якому застосування нової сукупності і форм конструкційних 1 UA 105733 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 елементів, а також нових зв'язків між ними і нової форми виконання цих зв'язків дозволить знизити питомі витрати на термічну і хіміко-термічну обробку виробів у зазначеній електропечі. Вирішення даної задачі досягається тим, що відкритий знімний нагрівач для електропечі з контрольованою атмосферою, що містить металевий нагрівальний елемент, який складається з спіралі і двох хвостовиків, два виводи різної довжини, теплоізолятор, кришку для герметичного закріплення нагрівача на кожусі електропечі, керамічні трубки, опорне кільце, яке закріплене на кінці довгого виводу, фасонні ізолятори для підтримування спіралі нагрівального елемента, кожен з яких знаходиться в контакті з двома сусідніми витками спіралі і з зовнішньою поверхнею керамічної трубки, розташованої всередині цієї спіралі, відповідно до винаходу, містить притискне кільце з отвором, діаметр якого дорівнює зовнішньому діаметру керамічної трубки, надітої на довгий вивід, і яке з'єднане з хвостовиком нагрівального елемента і з коротким виводом, елементи фіксації кожної пари сусідніх один з одним фасонних ізоляторів відносно ділянок проводу спіралі, розташованих між цими парами, а відстань між опорним і притискним кільцем є регульованою. Вирішення поставленої задачі досягається також тим, що елементи фіксації виконані з клею для керамічних виробів з максимальною температурою його застосування не нижче 1100 °C, а також тим, що спіраль нагрівального елемента має непарне число піввитків. Використання даного винаходу при виготовленні, удосконаленні та експлуатації відкритого знімного нагрівача для електропечі з контрольованою атмосферою при наявності в ньому згідно з винаходом притискного кільця з отвором, діаметр якого дорівнює зовнішньому діаметру керамічної трубки, надітої на довгий вивід, і яке з'єднане з хвостовиком нагрівального елемента і з коротким виводом, елементів фіксації кожної пари сусідніх один з одним фасонних ізоляторів відносно ділянок проводу спіралі, розташованих між цими парами, дозволяє: - підвищити середньорічну продуктивність електропечі за рахунок зменшення сумарного часу її простоїв, пов'язаних із заміною нагрівачів; - знизити витрати на виготовлення і ремонт нагрівачів за рахунок збільшення ресурсу їх роботи; - виконати задачу, поставлену в основу винаходу, - зменшити питомі витрати на термічну і хіміко-термічну обробку виробів в електропечі з контрольованою атмосферою. Суть винаходу пояснюється графічними зображеннями. На фіг. 1 показаний відкритий знімний нагрівач для електропечі з контрольованою атмосферою. На фіг. 2 - виносний елемент А зображення цього нагрівача на фіг. 1, виконаний у збільшеному масштабі. На фіг. 3 - варіант виконання фасонного ізолятора для підтримання спіралі 1 нагрівача, зображеного на фіг. 1. Нагрівач, показаний на фіг. 1, містить нагрівальний елемент, який складається з спіралі 1, верхнього хвостовика 10 і нижнього хвостовика 11, довгий вивід 2, короткий вивід 3, теплоізолятор 4, кришку 5, довгу керамічну трубку 6, коротку керамічну трубку 12, опорне кільце 7, фасонні ізолятори 8, притискне кільце 9, центруючу шайбу 14, елементи 15 для фіксації фасонних ізоляторів, а також гайки 13, 16 і 17. Роль каркаса нагрівача грає довгий вивід 2, до якого приварено опорне кільце 7. Жорсткість конструкції забезпечується за рахунок керамічної трубки 6, зібраної з довгим виводом 2 за допомогою різьбового з'єднання, в яке входить різьбовий кінець довгого виводу 2, центруюча шайба 14 і гайка 13. Центруюча шайба 14 і вибірка під зовнішній розмір трубки 6, виконана в опорному кільці 7, забезпечують збіг центральних осей довгого виводу 2 і трубки 6, а також додаткове підвищення жорсткості конструкції нагрівача. Хвостовик 11 приварений до опорного кільця 7, а хвостовик 10 - до притискного кільця 9, надітого на керамічну трубку 6. Притискне кільце 9 приварено також до короткого виводу 3. Спіраль 1 підтримують фасонні ізолятори 8, кожен з яких знаходиться в контакті з двома сусідніми витками спіралі 1 і з зовнішньою поверхнею керамічної трубки 6. Елементи 15 фіксують кожну пару сусідніх один з одним фасонних ізоляторів 8 відносно ділянок проводу спіралі 1, розташованих між цими парами. Спіраль 1 має непарне число піввитків, що підвищує стійкість її форми проти дії розтягуючих і стискуючих напруг, прикладених до кінців спіралі 1 і спрямованих паралельно її центральної осі. Гайки 16 і 17 виконують дві функції: закріплення довгого виводу 2 на кришці 5 і регулювання відстані між кільцями 7 і 9. Фасонні ізолятори 8 встановлені в 3-4 ряди, напрями яких паралельні центральній осі спіралі 1. Збирання нагрівача, зображеного на фіг. 1, виконують у наступному порядку: - на довгий вивід 2, до якого попередньо приварено опорне кільце 7, надягають керамічну трубку 6, центруючу шайбу 14, нагвинчують гайку 13 і затягують її; - на довгий вивід 2 з встановленою на ньому керамічної трубкою 6 надягають нагрівальний елемент, зварюють його хвостовик 11 з опорним кільцем 7, надягають на керамічну трубку 6 притискне кільце 9, трубчасте пристосування і нагвинчують гайку на різьбовий кінець довгого виводу 2; 2 UA 105733 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 - за допомогою гайки, яку нагвинчують на різьбовий кінець довгого виводу 2, і трубчастого пристосування забезпечують відстань між кільцями 7 і 9 рівним сумі діаметра поперечного перерізу проводу спіралі і добуток числа її піввитків на величину її розрахункового півкроку, яка залежить від діаметра поперечного перерізу проводу спіралі 1 і від мінімальної відстані між вибірками під провід спіралі 1 на фасонному ізоляторі 8; - приварюють хвостовик 10 нагрівального елемента до притискного кільця 9, виконують установку фасонних ізоляторів 8 між витками спіралі і заповнюють клейовою масою для керамічних виробів простір між цими ізоляторами, розташований з зовнішнього боку проводу спіралі 1; - після виконання операції сушіння на повітрі зібраний вузол нагрівача піддають нагріванню для релаксації пружних напруг, що виникли в спіралі 1 після установки фасонних ізоляторів 8, а також зварювання хвостовиків 10 і 11 з кільцями 7 і 9, а потім проводять повну збірку нагрівача, залишивши при цьому зазор розміром 10-15 мм між кришкою 5 і теплоізолятором 4 для забезпечення можливості доступу гайковим ключем до гайки 16; - після повного збирання нагрівача виконують регулювання відстані між опорним кільцем 7 і притискним кільцем 9, для чого: відгвинчують гайку 16 на кілька оборотів і затягують гайку 17 з метою усунення можливих зазорів між поверхнею вибірки кожного фасонного ізолятора 8 і проводом спіралі 1; - для остаточного збирання нагрівача затягують його гайку 16 і встановлюють теплоізолятор 4 впритул з кришкою 5. Відкритий знімний нагрівач встановлюють в електропіч з контрольованою атмосферою у вертикальному положенні, так як така установка є більш раціональною, ніж горизонтальна. Тому, що, по-перше, можна більш ефективно використовувати вантажопідйомні засоби для монтажу і демонтажу нагрівача, а по-друге, нагрівач менше деформується під дією високих температур камери нагріву. Нагрівачі, виконані відповідно з винаходом, а також дві інші аналогічні їм модифікації відкритих знімних нагрівачів пройшли порівняльні випробування в печах СНЦ 5.10.5/10, що працюють з вуглецевмісної атмосферою. Серед них були нагрівачі, відповідні найближчому аналогу, і нагрівачі, відповідні винаходу, але без притискного кільця. Випробування показали, що найбільший середній ресурс роботи має нагрівач, виконаний відповідно до винаходу. Нагрівачі, відповідні найближчому аналогу, показали свою неприпустимо низьку надійність, що відбилося в великому розкиді величини їх фактичного відпрацювання в печі СНЦ. Середній ресурс роботи закритого знімного нагрівача, розробленого заводом-виробником печей СНЦ 5.10.5/10, приблизно в 2 рази менше середньої ресурсу роботи відкритого знімного нагрівача, конструкція якого відповідає винаходу. На думку автора матеріали заявки відповідають рівню винаходу за такими ознаками. За відомостям, наявними у заявника, сукупність суттєвих ознак, що характеризують суть винаходу, що заявляється, не відома з рівня існуючої техніки в даній області, що вказує на відповідність винаходу умові "новизна". Суть винаходу для фахівця не випливає явно з відомого рівня техніки, тому, що з нього не виявляється сукупність відмінних ознак, викладена у винаході, що дозволяє зробити висновок про його відповідність умові "винахідницький рівень". Сукупність істотних ознак, що характеризують суть винаходу, може бути багаторазово використана в машинобудуванні при виготовленні, удосконаленні та експлуатації електропечей з контрольованою атмосферою з досягненням заданого технічного результату - зниження питомих витрат на термічну і хіміко-термічну обробку виробів у зазначених електропечах, що дозволяє зробити висновок про відповідність винаходу умові "промислова придатність". З розглянутих матеріалів видно, що між сукупністю суттєвих ознак і технічним результатом, що досягається, існує причинно-наслідковий зв'язок. Джерела інформації: 1. А. с. СРСР № 836494, М. кл. F 27 D 11/02; 2. Патент України № 80027 МПК (2006) F 27 D 11/00 (прототип). ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 55 60 1. Відкритий знімний нагрівач для електропечі з контрольованою атмосферою, що містить металевий нагрівальний елемент, який складається з спіралі і двох хвостовиків, два виводи різної довжини, теплоізолятор, кришку для герметичного закріплення нагрівача на кожусі електропечі, керамічні трубки, опорне кільце, яке закріплене на кінці довгого виводу, фасонні ізолятори для підтримування спіралі нагрівального елемента, кожен з яких знаходиться в 3 UA 105733 C2 5 10 контакті з двома сусідніми витками спіралі і з зовнішньою поверхнею керамічної трубки, розташованої всередині цієї спіралі, який відрізняється тим, що містить притискне кільце з отвором, діаметр якого дорівнює зовнішньому діаметру керамічної трубки, надітої на довгий вивід, і яке з'єднане з хвостовиком нагрівального елемента і з коротким виводом, елементи фіксації кожної пари сусідніх один з одним фасонних ізоляторів відносно ділянок проводу спіралі, розташованих між цими парами, а відстань між опорним і притискним кільцем є регульованою. 2. Нагрівач за п. 1, який відрізняється тим, що елементи фіксації виконані з клею для керамічних виробів з максимальною температурою його застосування не нижче 1100 °C. 3. Нагрівач за п. 1, який відрізняється тим, що спіраль нагрівального елемента має непарне число піввитків. 4 UA 105733 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5