Водородные, вакуумно-водородные и электропечи для термообработки в контролируемой атмосфере.
При проведении термообработки в окислительной среде (на воздухе), изделия подвергаются негативным воздействиям. Фасонные металлические изделия требуется по несколько раз подвергать термообработке, в результате, на поверхности сначала образуются окислы, а затем окалины и обезуглероженный слой. Поверхностный слой становится твердым, изменяется его теплопроводность и электрические свойства, в дальнейшем эти изделия плохо поддаются механической обработке и сварке, увеличивается время нагрева при отпуске деталей. Приходится давать припуск на механическое удаление поверхностного слоя, вырастаем амортизация инструмента. Сложные элементы изделий в виде пазов, карманов, отверстий не всегда возможно довести до нужного качества поверхности после термообработки в окислительной среде.
Другие технологические процессы, такие как отжиг никеля, молибдена, вольфрама, бескислородной меди, изготовление электровакуумной техники, микроэлектроники или спекание и обжиг керамики, в принципе не могут быть осуществлены в окислительной среде.
Различают несколько типов воздушных сред (защитных атмосфер), используемых при термообработке.
Нейтральные (инертные) атмосферы – такие среды, при нагреве металлических изделий, в которых не изменяется химический состав поверхностей изделий. Наиболее часто используются для создания нейтральной атмосферы следующие инертные газы: аргон, молекулярный азот либо гелий. При добавлении в смесь небольшого количества водорода (до 2% от общего объема смеси) получают формир-газ.
Восстановительные атмосферы – среда с возможностью при повышении температуры очистить металлическое изделие от поверхностных окислов до чистого металла. Во время водородного отжига, водород замещает собой другие газы в поверхностном слое изделий, в последствии сам удаляется.
По сравнению с вакуумной термообработкой, работа в водородной среде более проста и экономически целесообразна, современные системы предупреждения разгерметизации и утечки обеспечивают безопасную работу на протяжении всего технологического цикла термообработки.
Контролируемые атмосферы – смеси различных газов для обеспечения специфических процессов. Наиболее востребованы в научно-изыскательной и лабораторной деятельностях. Для создания различных газовых смесей используют регуляторы расхода газа с клапанами прекращения подачи для каждой газовой линии с общим управлением, что позволяет подвести к печи неограниченное количество линий и осуществлять смешивание различных газов в любых пропорциях.
В результате многолетнего опыта проектирования электропечей с различными атмосферами, мы выработали систему индивидуального подхода к обеспечению реализации различных требований к проектируемому оборудованию. Благодаря масштабируемости и компьютерному моделированию технологических процессов, бюджет неопределенности расчета себестоимости был сведен до минимальных значений, что дает нам возможность предложить несколько вариантов исполнения установок, различающихся конечной стоимостью более чем в два с половиной раза.
Конструктивно электропечи с водородной средой или иными атмосферами могут быть:
- трубчатыми;
- камерными;
- колпаковыми;
- шахтными;
- элеваторными;
- ретортные;
- проходные (толкательные или конвейерные).
Реализация напуска газовой среды может осуществляться вытеснением воздуха или его первоначальной откачки вакуумным насосом с разрежением камеры электропечи до 10-3 мм рт. ст. В случае водородной печи, перед подачей водорода, камера заполняется азотом с небольшим избыточным давлением, после чего азот вытесняется водородом, после завершения технологического процесса, водород вытесняется азотом до момента невозможности поджига свечи дожига водорода (использование вакуумного насоса сокращает расход газов). В водородных электропечах создается избыточное давление, что предотвращает попадание воздуха и его смешивание с водородом в камере печи.
Контроль расхода газов осуществляется с помощью механических или электронных ротаметров, либо регуляторов расхода газа, управляемых через панель оператора. Газовые электропечи комплектуются обратными клапанами и клапанами полного перекрытия в механическом, пневматическом, гидравлическом или электромеханическом исполнении (в зависимости от используемых в печи систем). Водородные печи комплектуются свечами дожига водорода, газовые печи могут быть укомплектованы катализаторами и вытяжными системами.
В проходных печах используются шлюзы с азотной или пламенной завесой для обеспечения герметичности рабочей камеры электропечи.
Предельная рабочая температура водородных, вакуумно-водородных и электропечей для термообработки в контролируемых атмосферах – до 1800С.
Нагревательные элементы могут быть выполнены из фехралевых и нихромовых сплавов (если они расположены вне газовой камеры), либо молибдена и вольфрама. Теплоизоляция состоит из экранов либо, если она находится вне газовой камеры, из современных волокнистых материалов на основе оксида алюминия.
При необходимости использования водяного охлаждения фланцевых соединений, рубашек, токовводов и др. может устанавливаться охлаждение по принципу постоянного протока охлаждающей жидкости или система замкнутого чиллера.
Иногда требуется в качестве атмосферы для отжига деталей очищенный увлажненный водород. Все водородные печи могут дополнительно комплектоваться увлажнителем водорода, обеспечивающим не только непосредственное увлажнение водорода (при необходимости азота и его смеси с водородом), но и его глубокую очистку. Так же, благодаря изменяемой степени нагрева увлажняющей жидкости, можно менять точку росы водорода (его влажность в процентах).
Например, в увлажненном водороде проводится отжиг вольфрамовых и молибденовых изделий (вольфрамовые и молибденовые нагревательные элементы) для очистки их от остатков углерода, а также для уменьшения хрупкости нагревателей и лучшей спекаемости их изоляционного покрытия. В атмосфере увлажненного водорода при нагреве происходит диссоциация паров на кислород и водород. Благодаря этому диссоциированный кислород вступает в реакцию с углеродом на поверхности изделий, образуя окись углерода и углекислый газ, которые мешают образованию карбида вольфрама и уменьшают хрупкость отжигаемых изделий.
Так же при необходимости впаивания металлических изделий в стекло их требуется предварительно отжигать в увлажненном водороде, для очищения от следов масел и углерода, способствующих появлению пузырьков на границе спая металла и стекла. После такого отжига получается надежный герметичный спай металлических изделий и стекла.
