Диссертация (Разработка способа и алгоритмов управления электрическими печами сопротивления, обеспечивающих временную и пространственную равномерность нагрева), страница 3

Скоростьпроцессов спекания в обжиге сильно возрастает с температурой. В рядеслучаев возможно значительно варьировать соотношение температуры ипродолжительности выдержки, получая в конечном счете аналогичныйрезультат.Режим выдержки выбирают с учетом не только физико-химическойхарактеристики материала, но и в зависимости от формы и размеров изделий.Роль этого фактора определяется тем, что продолжительность выравниванияСтраница | 12температуры в теле изделия пропорциональна квадрату его толщины, т.е.наименьшего линейного размера по сечению.

При обжиге массивныхизделий продолжительность выдержки приходится значительно увеличиватьс учетом времени внутреннего выравнивания температур. При обжиге впечах периодического действия требуемая продолжительность выдержкизависит от условий выравнивания температуры в объеме печи.Период нагрева является весьма сложной стадией обжига. Основнаязадачазаключаетсямаксимальнойвтом,температуры,чтобыизбежавнагретьприизделиеэтомдоеготребуемойразрушения(повреждения).

Опасность разрушения изделий вызывается в основномобъемными изменениями при нагревании и в ряде случаев интенсивнымипроцессами массообмена.Как правило, скорость повышения температуры на отдельных этапахпериода нагревания может лимитироваться следующими процессами ифакторами:1)удаление (испарение) остатков воды, сохранившихся в сырцепосле сушки;Опасность данного явления может лимитировать скорость повышениятемпературы в начальной стадии обжига примерно до 200-300 оС. Приобжиге мелких тонкостенных изделий, а также хорошо высушенныхмассивных изделий данное явление не лимитирует скорости повышениятемпературы.2)выделение химически связанной воды и иных летучих продуктовразложения сырьевых компонентов;Химические процессы, связанные с газообразованием, лимитируютскоростьнагревавинтервалетемпературнепосредственноперединтенсивным спеканием керамики.3)механические напряжения, возникающие в нагреваемом телевследствие его термического расширения;Страница | 13Величина допустимого перепада температуры лимитирует скоростьнагрева во всем диапазоне температур.

В процессе нагрева величинадопустимого перепада температур меняется в зависимости от коэффициентарасширения, механической прочности и модуля упругости, которые, в своюочередь, зависят от температуры.4)механические напряжения, возникающие вследствие усадки приспекании, имеют обратный знак по отношению к напряжениям оттермического расширения. Для спекающихся керамических масс величиналинейной усадки составляет не менее 10-15 %, что в 10-20 раз превышаетобщую величину термического расширения до начала спекания.

Объемныеизменения при спекании происходят гораздо интенсивнее, что значительноснижает допустимый перепад температуры в теле изделия.Помимо рассмотренных выше факторов на допустимую скоростьнагрева некоторых видов керамики оказывают влияние химические реакцииили фазовые превращения, которые должны быть завершены в определенныетемпературные интервалы обжига.Период охлаждения для керамических материалов сопровождаетсясущественнымифизико-химическимипроцессами,еслинесчитатьнормального термического сжатия.Общая продолжительность периода охлаждения для большинстваматериалов меньше, чем необходимая длительность периода нагрева.

Лишь внекоторых случаях, когда присутствуют фазы, способные к полиморфнымпревращениям, требуемая длительность охлаждения в области низкихтемператур оказывается больше, чем длительность нагрева.Помимовременныхнапряжений,обусловленныхперепадомтемператур между поверхностью и внутренними зонами изделия, приохлаждении керамических материалов могут возникать "напряжения намикроучастках". Данное явление, как правило, не лимитирует скоростьохлаждения, но может вызывать появление сетки микротрещин в телеСтраница | 14изделия.

В ряде случаев "напряжения на микроучастках" могут бытьсущественно снижены выбором рационального режима.Фактическая длительность обжига различных типов керамическихизделий в промышленных печах почти всегда намного превышает время,требуемое для получения бездефектной продукции. Иногда разница междудопустимыми и применяемыми режимами обжига достигает одного порядкаи даже более. Основные причины этого заключаются в следующем:1)недостаточнаяизученностьмногихпроцессовобжигаобуславливает выбор скоростей повышения и снижения температурызаведомо с большим запасом;2)неравномерность распределения температуры в промышленныхпечах вызывает необходимость снижения в целом скорости нагрева иохлаждения с тем, чтобы даже температурные кривые, различающиеся вотдельных частях печи, были допустимыми для изделий;3)в случае обжига в периодических печах скорость повышения иснижения температуры (особенно в конце охлаждения) лимитируетсяинерционностью печей;4)во многих случаях равномерный и быстрый прогрев изделийзатруднен в связисмногорядной загрузкой изделий, а также сиспользованием вспомогательного огнеприпаса.В настоящее время во многих отраслях керамических производствведут работы по сокращению продолжительности обжига изделий.

Решениюэтой задачи способствует: подбор составов масс с уменьшеннымиобъемными изменениями при обжиге, более глубокое изучение процессовобжига, усовершенствование конструкций печей, автоматизация управленияобжигом, разработка рациональных способов загрузки садки, уменьшениедоли вспомогательного огнеприпаса.Страница | 15Интенсификации обжига способствует:1)разработка таких типов печей, в которых каждое изделиенагревается независимо от других и в наиболее благоприятных условиях;2)использованиепечейнебольшогосечения,позволяющихобеспечить высокую равномерность распределения температуры внутриизделия, создает наилучшие условия для автоматизации.Учитывая вышеперечисленные особенности, следует отметить, чтоприменение общепромышленных печей для ряда процессов обжигакерамическихизделийприводиткснижениюхарактеристикобрабатываемого изделия.

В связи с этим, необходимо разрабатыватьспециальные ЭПС с модернизированными конструкциями нагревательныхкамер и систем автоматического управления для повышения качестваобрабатываемого изделия.1.2.КонструкциисовременныхЭПСдлятермообработкикерамических изделийДля термообработки керамических изделий серийно используютсяобщепромышленные камерные ЭПС [50, 51, 52, 54]. Конструкция такой печипредставлена на рис.1.1.Рис.1.1 Общепромышленная камерная ЭПС для термообработкикерамических изделий производства ООО «Термокерамика» [58].Страница | 16В зависимости от размеров рабочего пространства загрузка подается впечь вручную или с помощью выкатного пода печи.Нагревательные элементы в камерной печи для термообработкикерамики расположены на всех боковых стенках, а также в поду печи. Этообусловлено требованиями технологического процесса термообработкикерамических изделий к обеспечению равномерного нагрева в рабочейкамере печи (п.

1.1).Одним из способов повышения равномерности нагрева в ЭПС являетсяприменение муфеля. Однако, недостатком применения муфельных печейявляетсяувеличениевремениразогрева,усложнениеконструкции,ограничение рабочего пространства, связанное со сложностью изготовлениямуфелей больших размеров.Наибольшее распространение получили ЭПС с рабочей камеройпрямоугольной формы. Помимо этого, в ряде случаев, применяютсяустановки с цилиндрической формой рабочей камеры. Форма и конструкциятакойпечиобеспечиваетидеальноераспределениетемпературыивозможность быстрого подъема до нужной температуры.

Однако, вбольшинстве случаев, применение такой печи нерационально в связи снедоиспользованием рабочего пространства.Рис.1.2 ЭПС для термообработки керамических изделийпроизводства фирмы «LAC» [58].Страница | 17Основным конструктивным элементом ЭПС является нагревательнаякамера, включающая в себя нагревательный блок и комплект теплоизоляции.В качестве материалов теплоизоляции в печах для термообработкикерамических изделий применяются оксиды алюминия и кремния.Нагреватели.Нагревательявляетсяосновнымузломлюбойэлектрической печи сопротивления. Работа нагревателей происходит обычнов очень тяжелых температурных условиях, часто при предельно-допустимыхтемпературах для материала, из которого они выполнены [51].Срок службы нагревателей зависит от очень многих факторов:материала нагревателей, его конструкции и печи в целом, режима работы,колебаний температуры, способа регулирования температуры, а такжемногих других.В качестве материалов нагревателей в средне- и высокотемпературныхЭПС,предназначенныхдлятермообработкикерамическихизделийприменяют: нихром (до 1200 оС ), фехраль (до 1350 оС), kanthal А1(1400 оС),карбид кремния SiC (до 1600 оС), хромит лантана (до 1750 оС), дисилицидмолибдена (до 1800 оС) [11, 34, 35, 42, 51].Всреднетемпературныхпечахсопротивлениянагревателиизготавливаются из сплавов сопротивления.

К сплавам сопротивленияотносятся нихромы и безникелевые сплавы сопротивления. Нихромыприменяются при температурах до 1200 оС на нагревателе в зависимости отмарки сплава, безникелевые сплавы - до 1400 оС.Граница между средне- и высокотемпературными печами определяетсямаксимально допустимой температурой применения наиболее жаростойкихиз сплавов сопротивления.Нагреватели среднетемпературных ЭПС, как правило, изготавливаютсяв виде проволочного или ленточного зигзага или проволочной спирали,размещаемой на керамических трубках.На рис.1.3 приведены нагреватели из фехрали в виде проволочнойспирали.Страница | 18Рис.1.3 Нагреватели из фехралиСплавысопротивленияхарактеризуютсявысокимудельнымсопротивлением и его малой температурной зависимостью (значениясопротивления при комнатной температуре и при 1100ºC различаются всегона 3–11% для разных марок сплавов).Карбидокремниевыенагреватели(КЭН)широкоприменяютсяввысокотемпературных ЭПС.