專利名稱：處理材料用恒靜壓力機和使用其從金屬制品中去除陶瓷材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及粉末冶金學，特別地，涉及高溫高壓下在化學活性液體、蒸氣或氣體介質(zhì)中處理材料并能在10～200MPa壓力和300℃或更高溫度下最有效地用來消除陶瓷材料及其結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的設備和方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中已知通過使用凈化的氣體的噴射對工件進行高溫處理的裝置，如根據(jù)第RU2002583C1號、分類號為B22F3/14的專利記載的裝置，包括氣體供應和排出系統(tǒng)和用上下端塞子密封地封閉的容器，其中具有隔熱室和加熱器，還具有氣流導向系統(tǒng)，其形式為彼此環(huán)繞且在其一端封閉的閉合循環(huán)的垂直隔壁。這種設計的顯著缺點是，當制品在液體中處理時，裝制品的中心區(qū)加熱效率低，因為凈化氣體噴射的多罩系統(tǒng)在各罩之間有間隙，很大程度上成為加熱器和制品之間的隔熱元件，這就增大了能量消耗和將制品加熱至預定溫度所需的時間，使得加熱器和制品之間溫度差異大，造成加熱器過熱，從而縮短了其使用壽命。
設計成在液體中處理材料的恒靜壓力機消除了該缺點，這是關(guān)于本申請最接近的現(xiàn)有技術(shù)(于2000年6月20日公開的第RU2151026C1號，分類號為B22F3/14，3/15的專利)，其中裝有液體的器皿安裝在電感加熱器的正上方，用所述器皿底部的液體高效地吸取熱量。處理材料用已知恒靜壓力機包括連接到氣體供應裝置上的密封容器，加熱器和布置于其中的頂部開口的工作器皿，該器皿安裝在加熱器上并設計用于在其中放置待處理制品和工作介質(zhì)。
然而，當已知恒靜壓力機加熱至超過液體沸點溫度時，由于蒸發(fā)及隨后在容器壁上冷凝，熱量損失顯著增加，從而使得加熱效率降低。
本發(fā)明涉及的裝置解決了當處理制品在壓力和高溫下處于液體中時的擴展的技術(shù)能力的問題。本發(fā)明的技術(shù)結(jié)果在于所提出的反應器設計阻止了來自反應區(qū)蒸氣的排出及其在容器冷卻壁上的冷凝，該設計的特征為在冷卻區(qū)中形成液體密封的隔熱和反應室，由此降低能量消耗、減少化學活性介質(zhì)與容器壁之間的接觸，很大程度上延伸了恒靜壓力機可操作的溫度范圍。
現(xiàn)有技術(shù)中已知用來在高溫高壓下從高壓鍋中的金屬鑄件中去除陶瓷桿的方法，第US4,141,781號專利，
公開日為1979年02月27日。KOH和NaOH溶液的浸出溫度為290～350℃。在1992年06月07日公開的第SU1738470A1號專利中在沒有液體含水成分的熔融堿中處理時溫度范圍延伸至450℃。在熔融堿中處理的工藝是最有效的處理方法之一。然而，堿和陶瓷材料之間反應產(chǎn)物的難溶層在該過程中形成于陶瓷桿的表面上，這是顯著減緩反應并需要在水溶液中處理的中間循環(huán)以在再次裝載制品時去除所述層的原因。循環(huán)次數(shù)的增加顯著降低了經(jīng)濟效率和工藝的功率密度。
該缺點可以在一定程度上通過1971年02月16日公開的第US3,563,711號專利中公開的方法得到彌補，該方法接近于本發(fā)明。在這種情況下，堿溶液被加熱至200～350℃，優(yōu)選290℃，然后壓力釋放降低至堿溶液中液體成分在陶瓷桿孔中沸騰的水平，于是壓力再次上升至高于堿溶液中液體成分沸點的水平，該過程得以重復。如果根據(jù)該方法的處理在低于臨界范圍的溫度和壓力下進行，反應速度就會低于使用高于臨界范圍的情況。當嘗試在高于臨界條件下實現(xiàn)該方法時，升高和降低高壓鍋蒸氣壓力的過程會在技術(shù)上變得復雜，而且從升高蒸氣壓力的高能量強度上的角度看是不經(jīng)濟的操作。此外，由于該方法通過壓力來控制過程的問題而存在不足。

發(fā)明內(nèi)容
在此公開的本發(fā)明目所涉及的方法在于消除由于在從低于堿溶液中液體成分臨界點10～20度至高于全部熔融堿熔點溫度5～10度的范圍內(nèi)、在高于溶液液體成分臨界值1～2MPa的壓力下堿溶液溫度上的循環(huán)變化產(chǎn)生的這些缺點。由于氣體如氮氣壓力借助于高壓鍋中氣體驅(qū)動在超過堿溶液液體成分臨界壓力0.5～3MPa的范圍內(nèi)循環(huán)變化的影響下，制品所在區(qū)域中的液面變化確保了浸出過程。
因此，此處公開的方法允許在熔融堿即完全為堿和在濃度接近50％的含水堿溶液兩種情況下實施浸出過程，其濃度確保陶瓷桿表面上由反應產(chǎn)物所形成薄膜的溶解。所述技術(shù)方案的使用將循環(huán)時間從已知方法中的12小時或更長降低至本發(fā)明方法中的6小時或更短。
技術(shù)結(jié)果由下述結(jié)構(gòu)獲得，處理材料用恒靜壓力機中包括連接到氣體供應裝置上的密封容器、感應加熱器和布置于其中且頂部開口的工作室，該工作室安裝在加熱器的上方并設計用于在其中放置待處理制品和工作介質(zhì)，該工作室為雙壁并且在該雙壁之間具有底部的器皿，該器皿的內(nèi)壁限定出反應室，反應室的底部位于高于該器皿兩壁之間底部的加熱器的上方。兩壁之間的底部低于加熱器的暴露區(qū)，該恒靜壓力機具有隔熱室，其壁位于所述器皿兩壁之間的空間中，且隔熱室的開口下端和所述器皿兩壁之間的底部之間有間隙，隔熱室封閉端與反應室上部開口端之間有間隙。
此外，反應室中還可以具有罩，其開口端和反應室底部之間有間隙，并在其上部中連接到氣體供應裝置上。
技術(shù)結(jié)果還由下述方法獲得，從金屬制品中去除陶瓷元素的方法包括在反應室中在溶液上方蒸氣和氣體介質(zhì)壓力下使用加熱的堿溶液處理該制品，其特征是由上述方式制造的恒靜壓力機作為反應器，反應室中含水堿溶液的加熱是通過使感應加熱器升溫至高于溶液中液體成分臨界點的溫度來實施，直到該所述堿溶液改變成流體狀態(tài)，反應室中液體介質(zhì)水平面降低，且其蒸氣部分地在所述器皿兩壁之間的底部上冷凝，由此形成液體密封，然后，介質(zhì)在反應室中進一步加熱至超過在溶液液體成分的在局部蒸氣壓力下堿熔點的最終溫度，該局部蒸氣壓力等于或大于臨界壓力，之后在反應室中以所述參數(shù)下保持該溫度，接著介質(zhì)在反應室中冷卻至低于溶液液體成分臨界點之下的溫度，直到其蒸氣在反應室中部分冷凝，且液體介質(zhì)水平面在反應室中上升，于是周期性地重復加熱和冷卻到所述參數(shù)，直到陶瓷材料從金屬制品中完全去除。
優(yōu)選地，在溶液液體成分的局部蒸氣壓力等于或高于其臨界壓力但不超過2MPa時，加熱的最終溫度高于堿熔點5～10度。
在使用該恒靜壓力機的特別實施例中，介質(zhì)在反應室中加熱至最終溫度之后，當反應室中保持介質(zhì)，壓力通過氣體供應裝置而在罩下循環(huán)變化，由此周期性地變化罩下堿溶液的水平面，于是實施冷卻。
因此，罩下壓力的循環(huán)變化優(yōu)選在超過堿溶液液體成分臨界壓力0.5～3MPa的壓力范圍內(nèi)進行。


本申請的恒靜壓力機如圖1～7所示圖1是縱向剖面上示出恒靜壓力機的示意圖，其中示出了在氣體和液體驅(qū)動時的工作狀態(tài)；圖2是示出的為安裝在感應加熱器上方的下端塞子上的工作室的縱向剖面圖，其中示出了待處理的制品在充滿化學活性介質(zhì)的腔體中；圖3是示出工作室的縱向剖面圖，同時示出在向所述容器里裝載之前沒有中心罩的隔熱室；圖4是示出工作室的縱向剖面圖，同時示出在向所述容器里裝載之前具有中心罩的隔熱室；圖5是示出工作室的縱向剖面圖；圖6是示出沒有中心罩的隔熱室的縱向剖面圖；圖7是示出具有中心罩的隔熱室的縱向剖面圖。
具體實施例方式
在液體、蒸氣或氣體介質(zhì)中處理材料的恒靜壓力機包括分別由上端塞子2和下端塞子3密封地封閉在其兩端上的多體冷卻能量容器1。上端塞子2通過氣體通道4連接到氣體供應裝置5上。下端塞子3上具有感應加熱器6，反應器7位于其上方。該反應器7為圓柱體薄壁構(gòu)件，包含一個其中充滿化學活性工作介質(zhì)8和待處理制品9的工作區(qū)，該工作區(qū)限定在工作室10和隔熱室11之間。工作室10(圖2，圖5)為頂部開口并具有薄壁耐蝕材料雙層壁器皿。該器皿的內(nèi)壁限定出焊接到該器皿中心部上的帶有密封底部的反應室12。底部13的外表面位于感應加熱器6的上方，待處理制品9位于其內(nèi)表面上。兩壁之間的工作室10的底部位于加熱器6之下，并布置成與冷卻下端塞子3的一端鄰接。在隔熱室11的開口下端和兩壁之間器皿的底部之間及室11的關(guān)閉上端和室12的開口上端之間存在間隙。隔熱室11可制成薄壁耐蝕材料的兩個罩14和15(圖6和圖7)的形式，該兩個罩通過隔熱材料彼此分離并彼此同心地插入，該罩具有密封護蓋。室11的隔熱層可以以罩14和15之間氣腔的形式位于其側(cè)部，該氣腔由焊接到兩個罩之間的薄壁耐蝕材料的薄壁殼16分隔，并具有密封護蓋。放置有待處理制品9的反應室12可以由薄壁耐蝕材料的薄壁罩17分別分隔成中心部分18和側(cè)部19，該罩頂部密封且底部開口，在罩17的下端和底部13之間具有間隙。中心部分18通過罩14、15和17中的密封氣體管道20經(jīng)由上端塞子2中的管道和氣路21連接到氣體供應裝置5上。該氣體供應裝置5包括連接到液壓驅(qū)動24上的具有液壓腔23的調(diào)壓器22和通過氣路21連接到反應器工作區(qū)上的氣腔25。
恒靜壓力機操作說明處理材料用恒靜壓力機操作和從金屬制品中去除陶瓷元素的方法如下實施化學活性介質(zhì)8，如含水KOH堿溶液，和待處理制品9裝入容器1外部下端塞子3上的反應室11中(圖2)。工作室10(圖2、圖5)由隔熱室11覆蓋(圖3、圖4)。然后，制品9和介質(zhì)8在分別位于由工作室10和隔熱室11所限定的工作區(qū)內(nèi)。下端塞子3和安裝于其上的組件一起插入容器1中。密封容器1，然后通過氣體通道20、氣路21和氣體驅(qū)動5充滿氣體介質(zhì)，如氮氣，這樣其中的初始壓力達到等于所述容器內(nèi)設計最終壓力的約0.3～0.5。隨著容器1內(nèi)壓力的增大，如果罩17在其位置上，化學活性介質(zhì)會從工作區(qū)的側(cè)部19溢出到其在罩17之下的中心部18中，直到容器1內(nèi)任何橫截面上的壓力相等。打開感應加熱器6，加熱反應室12的底部13、化學活性介質(zhì)8和待處理制品9。室12的底部在兩壁之間維持冷卻。當介質(zhì)變熱時，介質(zhì)的液體成分如水從KOH溶液中蒸發(fā)。蒸發(fā)連續(xù)進行，直到化學活性介質(zhì)8上方液體成分的部分蒸發(fā)壓力達到液態(tài)飽和壓力。如水在100℃時的飽和壓力為0.101MPa；在200℃時為1.550MPa；在300℃時為8.592MPa；374.12℃時為22.115MPa(水的臨界點)。隨著反應區(qū)內(nèi)的溫度變化以使溫度高于或低于臨界點，液面也從液體城分為液體形式的臨界溫度下方的最大值變化至液體成分為蒸氣(或超臨界流體)形式的臨界溫度上方的最小值。加熱時，罩17下的壓力比其外部壓力增長得更快，化學活性介質(zhì)8首先和蒸氣一起將氮氣及隨后的蒸氣本身擠壓出中心部18，進入側(cè)部19中。在化學活性介質(zhì)8的溫度和液體成分的局部蒸氣壓力等于臨界值之后(如水分別為374.12℃和22.1150MPa)，液體成分將蒸發(fā)并隨后轉(zhuǎn)化成其流體狀態(tài)(即，在該狀態(tài)下蒸氣和液體的密度一致，如水的蒸汽和液體密度均為317.763kg/m3)。當蒸發(fā)時，由此形成的液體成分的蒸氣部分地取代從工作區(qū)出來的氣體介質(zhì)。液體成分的質(zhì)量數(shù)量是基于以下條件選擇的液體成分的質(zhì)量和工作區(qū)自由體積之間的比率高于液體成分臨界密度的1～2％。假定自由體積為反應器工作區(qū)減去待處理制品和化學活性介質(zhì)中固體成分所占體積得到的體積。當使用罩17時，溶液總體積必須不得超過反應器工作區(qū)的側(cè)部19體積，并留有余地用于當溶液加熱至過程中最高溫度時發(fā)生膨脹。在工作區(qū)中溫度超過臨界值之后，其中的壓力將增加，蒸氣可以部分地從反應室12進入其兩壁之間的腔中。由于在這些壁之間腔的冷的下部內(nèi)發(fā)生冷凝，形成防止蒸氣再從反應區(qū)中溢出的液體密封。由此達到平衡；并不再產(chǎn)生蒸發(fā)。液體密封面由所述容器和工作室的幾何形狀通過所述容器中的壓力和裝載參數(shù)及化學活性介質(zhì)的這些參數(shù)來限定。容器1和反應器7整個體積內(nèi)的溫度和壓力的變化由于處于各自位置上的液體密封自動相等，由此確保在所有腔內(nèi)維持相等的壓力，而不需使用其它任何附加控制壓差的裝置。
此后，在液體成分的局部蒸氣壓等于液體成分臨界壓力或大于液體成分臨界壓力1～2MPa的壓力條件下加熱工作區(qū)和制品9、化學活性介質(zhì)的固體成分(固體堿)、介質(zhì)液體成分的蒸氣和氣體介質(zhì)至超過堿熔點5～10度的最終溫度。如KOH堿為在410～415℃。此后，在工藝的預定參數(shù)下保持。保持過程中，液體介質(zhì)水平面的位置如下周期性地改變(每分鐘1～5次)。
關(guān)閉加熱器6，介質(zhì)在工作室10中冷卻至低于溶液中液體成分的臨界溫度10～20度的溫度，同時，蒸氣氣體介質(zhì)的壓力也降低，含水成分在中心部的整個體積包括鑄件中陶瓷桿的孔冷凝，液面上升至工作室10中。然后，打開加熱器6，再次加熱溶液和鑄件，因此由于所述容器內(nèi)溫度以50～80度、壓力以0.5～3MPa的適當變化使得反應室12中的液面和堿濃度周期性地變化。只要需要，上述循環(huán)可以連續(xù)進行，通常為1～6小時；最終降低溫度，釋放壓力并取出制品。
當恒靜壓力機在每個循環(huán)或僅一些循環(huán)中和罩17一起使用時，加熱到預定最終溫度的鑄件將額外地在氣體介質(zhì)可變壓力下進行處理，通過調(diào)壓器22以0.5～3MPa的幅度來循環(huán)地改變；這樣，隨著罩17下壓力的增大，中心部18中的液面下降，而側(cè)部19中的液面上升。當反應室12的中心部18內(nèi)的壓力下降時，其中熔化的堿平面上升，而側(cè)部中的下降，因此反應器工作區(qū)的中心部和側(cè)部的熔融平面由于所述容器內(nèi)壓力的相應變化而周期性變化。
一旦最后一次循環(huán)結(jié)束，加熱器6就斷電，反應器冷卻至100～170℃。壓力通過通道20、下端塞子3和反應器降低至大氣壓，從所述容器中取出堿溶液和制品9。拿掉隔熱室11，從工作室10中取出制品9。然后再裝入新制品，重復上述過程。
權(quán)利要求
1.一種處理材料用恒靜壓力機，包括連接到氣體供應裝置上的密封容器、感應加熱器和布置于其中且頂部開口的工作室，該工作室安裝在所述加熱器的上方并設計用于在其中放置待處理制品和工作介質(zhì)，其特征在于該工作室為雙壁及在所述雙壁之間具有底部的器皿，該器皿的內(nèi)壁限定出反應室，反應室的底部位于高于該器皿兩壁之間底部的加熱器的上方。兩壁之間的底部低于加熱器的暴露區(qū)，該恒靜壓力機具有隔熱室，其壁位于所述器皿兩壁之間的空間中，且所述隔熱室的開口下端和所述器皿兩壁之間的底部之間有間隙，所述隔熱室封閉端與反應室上部開口端之間有間隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的恒靜壓力機，其特征在于反應室中具有罩，其開口端和反應室底部之間有間隙，并在其上部中連接到氣體供應裝置上。
3.一種從金屬制品中去除陶瓷元素的方法，該方法包括在反應室中在溶液上方的蒸氣和氣體介質(zhì)壓力下使用加熱的堿溶液處理該制品，其特征在于根據(jù)權(quán)利要求1或2所述恒靜壓力機作為反應器使用，反應室中含水堿溶液的加熱是通過使感應加熱器升溫至高于溶液中液體成分臨界點的溫度來實施，直到所述堿溶液改變成流體狀態(tài)，反應室中液體介質(zhì)水平面降低，且其蒸氣部分地在所述器皿兩壁之間的底部上冷凝，由此形成液體密封，然后，介質(zhì)在反應室中進一步加熱至超過在溶液液體成分的局部蒸氣壓力下堿熔點的最終溫度，該局部蒸氣壓力等于或大于臨界壓力，之后在反應室中以所述參數(shù)下保持該溫度，接著介質(zhì)在反應室中冷卻至低于溶液液體成分臨界點之下的溫度，直到其蒸氣在反應室中部分冷凝，且液體介質(zhì)水平面在反應室中上升，于是周期性地重復加熱和冷卻到所述參數(shù)，直到陶瓷材料從金屬制品中完全去除。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其其特征在于在溶液液體成分的局部蒸氣壓力等于或高于其臨界壓力但不超過2MPa時，加熱的最終溫度高于堿熔點5～10度。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的方法，其特征在于當使用根據(jù)權(quán)利要求2所述的恒靜壓力機時，介質(zhì)在反應室中加熱至最終溫度之后，接著當在反應室中保持介質(zhì)時，壓力通過氣體供應裝置而在所述罩下循環(huán)變化，由此周期性地變化所述罩下堿溶液的水平面，于是實施冷卻。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于罩下壓力的循環(huán)變化在超過堿溶液液體成分臨界壓力0.5～3MPa的壓力范圍內(nèi)進行。
全文摘要
本發(fā)明涉及粉末冶金學，其能夠加強在高溫高壓條件下陶瓷材料溶解在化學活性介質(zhì)的處理。本發(fā)明的用于處理材料的恒靜壓力機包括連接到氣體供應裝置上的密封容器、感應加熱器和布置于其中且頂部開口的工作室，該室安裝在加熱器的上方并設計用于在其中放置待處理制品和工作介質(zhì)，該工作室為具有雙壁的及在所述雙壁之間具有底部的器皿，該器皿的內(nèi)壁限定出反應室，反應室的底部位于高于該器皿兩壁之間的底部的加熱器的上方。兩壁之間的底部低于加熱器的暴露區(qū)，并且該恒靜壓力機具有隔熱室，其壁位于所述器皿兩壁之間的空間中，且隔熱室的開口下端和所述器皿兩壁之間的底部之間有間隙，隔熱室封閉端與反應室上部開口端之間有間隙。該恒靜壓力機還具有位于反應室內(nèi)的罩，其開口端和反應室底部之間有間隙，并在其上部中連接到氣體供應裝置上。本發(fā)明用于從金屬制品中去除陶瓷元素的方法包括在反應室中在溶液上方蒸氣和氣體介質(zhì)的壓力下使用加熱的堿溶液處理該制品，其特征是由上述方式制造的恒靜壓力機作為反應器，反應室中含水堿溶液的加熱是通過使感應加熱器升溫至高于溶液中液體成分的臨界點的溫度來實施，直到所述堿溶液變成流體狀態(tài)，反應室中液體介質(zhì)水平面降低，且其蒸氣部分地在所述器皿兩壁之間的底部上冷凝，由此形成液體密封，然后，介質(zhì)在反應室中進一步加熱至超過在溶液液體成分的局部蒸氣壓力下堿熔點的最終溫度，該局部蒸氣壓力等于或大于臨界壓力，之后在反應室中以所述參數(shù)下保持該溫度，接著介質(zhì)在反應室中冷卻至低于溶液液體成分臨界點之下的溫度，直到其蒸氣在反應室中部分冷凝，且液體介質(zhì)水平面在反應室中上升，于是周期性地重復加熱和冷卻到所述參數(shù)，直到陶瓷材料從金屬制品中完全去除。
文檔編號B22D29/00GK1910001SQ200480040461
公開日2007年2月7日 申請日期2004年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月26日
發(fā)明者弗拉基米爾·伊薩科維奇·斯諾普 申請人:奧特克萊夫高壓高溫有限公司