Диссертация (Разработка способа и алгоритмов управления электрическими печами сопротивления, обеспечивающих временную и пространственную равномерность нагрева), страница 4

По сравнению с нагревателями из сплавовсопротивления КЭН обладают рядом отличительных свойств: более высокойтемпературой применения (до 1450 - 1600 оС на поверхности нагревателей),более высокой удельной поверхностной мощностью (УПМ), возможностьюзамены вышедших из строя нагревателей без длительной остановки печи[17].Высокая удельная поверхностная мощность нагревательных элементовпозволяет достичь заданную температуру в печи при малых размерахрабочего пространства. На рис.1.4 показана зависимость температуры наповерхности карбидокремниевых нагревателей Starbar американской фирмыI Squared R Elements в зависимости от температуры печи при разныхзначениях УПМ.

Однако, с ростом удельной поверхностной мощностиСтраница | 19нагревателя увеличивается скорость набора сопротивления и снижается срокего службы. Поэтому, при проектировании печей с нагревателями из карбидакремния, следует выбирать нагреватели с минимально возможной удельнойповерхностной мощностью.Рис.1.4 Температура на поверхности нагревателя Starbar в зависимости оттемпературы печи при разных значениях удельной поверхностной мощностиОдин из недостатков карбидокремниевых нагревателей − большой (в2−3 раза) разброс сопротивления для одного и того же типоразмера, поэтомуна заводе-изготовителе подбирают партии по 6−12 нагревателей с примерноодинаковым сопротивлением. Разброс сопротивлений не позволяет включатькарбидокремниевые нагреватели последовательно, так как нагреватель сболее высоким сопротивлением будет перегреваться и быстрее выйдет изстроя.В холодном состоянии сопротивление карбидокремниевых нагревателейв 4−5 раз больше минимального значения, которое достигается при 900ºC.Страница | 20Затем сопротивление с повышением температуры начинает медленно расти ипри1400ºCпревышаетминимальноезначениена25−30%.Длякарбидокремниевых нагревателей характерно выраженное старение: впроцессе эксплуатации сопротивление стержней увеличивается в несколькораз, обычно допускается четырехкратное увеличение.

Это приводит кнеобходимостииспользоватьсистемууправлениясвозможностьюрегулирования напряжения в пределах от 0,3 до 2 номиналов.Выраженное старение карбидокремниевых нагревателей не позволяетзаменитьодинвышедшийизстроястерженьновым,посколькусопротивления нового и уже поработавших стержней будут резкоразличаться, необходимо заменять все нагреватели печи.На скорость проявления старения влияют многие факторы, такие какудельная поверхностная нагрузка, рабочая температура, атмосфера, режимработы (цикличный или постоянный) и метод контроля температуры.Достоинствомнагревателейизкарбидакремнияявляетсяихотносительная дешевизна, однако, существенные недостатки, такие, какхрупкость в холодном и, особенно, в горячем состоянии, разбросэлектрических параметров и выраженное старение, делает их весьманеудобными в эксплуатации и ограничивает их применение.

В настоящеевремя карбидокремниевые нагреватели постепенно вытесняются в нижнейчасти их температурного диапазона (1300−1350ºC) нагревателями изжелезохромоалюминиевых сплавов сопротивления (Х23Ю5Т, Cantal и др.), ав верхней части температурногодиапазона − нагревателями из хромиталантана [27].Широкое распространение получили отечественные карбидокремниевыенагревателиПодольскогозаводаогнеупоровизарубежныекарбидокремниевые нагреватели фирмы I Squared R Elements. На рис.1.5приведеныфотографиикарбидокремниевыхнагревателейStarbarамериканской фирмы I Squared R Elements.Страница | 21Рис.1.5 Карбидокремниевые нагреватели Starbarфирмы I Squared R ElementsКерамические нагреватели из хромита лантана (LaCrO3) применяются ввысокотемпературных ЭПС с воздушной средой при температурах до1700−1800ºC, кратковременно до 1850ºC, рассчитаны на сетевое напряжение.Конструктивно нагреватели выполняются в форме стержней и трубразличного сечения и конфигурации, имеющих на концах металлизированноепокрытие для присоединения электрических контактов (рис.1.6).Рис.1.6 Хромитлантановые нагреватели "Лантерм" производстваООО "Термокерамика"Их положительными свойствами является стабильность электрическихсвойств на протяжении срока службы (отсутствие старения), благодаря чемустарые и новые нагреватели могут устанавливаться вместе, и убывающаятемпературнаязависимостьсопротивления.Посравнениюскарбидокремниевыми, нагреватели из хромита лантана меньше боятся паровСтраница | 22воды, поэтому футеровка печи может сушиться штатными нагревателями,без применения дополнительных нагревательных устройств.

Нагреватели изхромита лантана хорошо поддаются переработке.При производстве нагревательных элементов используются два составана основе хромита лантана, состав с меньшим удельным сопротивлениемиспользуется для изготовления концевых частей (выводов) нагревателя, а сбольшим – для изготовления активной части.Сопротивление нагревателей из хромита лантана значительно снижаетсяс ростом температуры.

Наиболее существенное снижение сопротивления,более чем на один десятичный порядок, наблюдается при изменениитемпературы от комнатной до 1000ºC, при дальнейшем увеличениитемпературы до 1700ºC сопротивление изменяется незначительно (в 2−2,5раза).Разброс сопротивлений в партии нагревателей не превышает 20%, чтосущественно меньше, чем у карбида кремния, и обеспечивает достаточноравномерное распределение мощности.Конструкции карбидокремниевых нагревателей и нагревателей изхромита лантана подобны, а их электрические характеристики весьма близки.Это дает возможность прямой замены карбидокремниевых нагревателей нанагревателиподходящегосуществующихпечах,затипоразмераизисключениемхромитапечейслантанавужегоризонтальнымрасположением нагревателей.Нагреватели из хромита лантана в настоящее время вытесняюткарбидокремниевыепритемпературахсвыше1300 ºC,посколькуобеспечивают многократное увеличение продолжительности безотказнойработы.

Кроме того, хромит лантана практически не подвержен старению,присущему карбиду кремния, что улучшает равномерность температурногополя и обеспечивает воспроизводимость технологического процесса в печи.Опыт эксплуатации хромитлантановых нагревателей показывает, что приСтраница | 23«умеренных» (до 1500ºC) температурах срок их службы очень велик исоставляет 3−5 лет при сохранении воспроизводимости процесса.Хромитлантановые нагреватели также могут служить альтернативойнагревателям из дисилицида молибдена. Имея соизмеримый срок службы,они существенно дешевле и благодаря более высокому удельномусопротивлению не требуют использования понижающих трансформаторов.Единственный существенный минус хромита лантана по сравнению сдисилицидом молибдена – пониженная стойкость к резким термоударам,например, при открывании дверцы разогретой печи.Большим достоинством нагревателей из хромита лантана являетсявозможность их длительной эксплуатации при циклическом характереработы с охлаждением от рабочей до комнатной температуры.

Однако, дляпредотвращения появления микротрещин в нагревателе и снижения срокаслужбы не рекомендуется нагрев и охлаждение их со скоростью выше чем10 o C/мин.Привысокихтемпературахпроисходитиспарениематериаланагревателей из хромита лантана, что проявляется в окрашивании изделия ифутеровки.

По данным [4] потеря массы образца при 1600 оС при работе втечение 20 ч составляет 0,6 %. Это необходимо учитывать при применениипечей с нагревателями из хромита лантана для термообработки чистыхматериалов[17].Так,притермообработкекерамикипроисходитокрашивание поверхности керамического изделия в розовый цвет.Нагреватели на основе дисилицида молибдена широко применяются ввысокотемпературных ЭПС. В окислительной атмосфере такие нагревателимогутработатьприкарбидокремниевымитемпературенагревателиобладают рядом преимуществ:дона1700 оС.основеПосравнениюдисилицидасмолибденаболее высокой рабочей температурой наактивной части нагревателей за счет образования защитной оксидной пленкииз стеклообразного SiO2 и оксидов молибдена; способностью к быстромуразогреву за счет роста электрического сопротивления с повышениемСтраница | 24температуры; стабильностью электрического сопротивления в течение всегосрока службы нагревателей, что позволяет соединить их последовательно изаменять вышедшие из строя нагреватели без учета их начальногоэлектрического сопротивления.Отличительной особенностью нагревателей на основе дисилицидамолибдена является высокая УПМ при высоких температурах.

Это позволяетконцентрировать большое количество энергии в малом объеме печи. Кнедостаткам нагревателей на основе дисилицида молибдена относятся:низкая механическая прочность; низкая термостойкость; низкое начальноеэлектрическоеиспользованиясопротивление,мощногосиловогообусловливающееоборудования;необходимостьвысокаяначальнаяпластичность в интервале температур 1400-1650 оС.Электрическое сопротивление нагревателей, низкое при комнатнойтемпературе, с повышением температуры резко возрастает и далее в процессеэксплуатации при постоянной температуре практически не меняется. Принизком начальном сопротивлении нагревателей требуется плавное илиступенчатое повышение питающего напряжения до рабочего значения.

Приэтом ток, протекающий через каждый нагреватель, не должен превышать200 А, так как иначе возможно механическое разрушение нагревателей засчет электромагнитных сил [17, 27].Высокая горячая пластичность материала нагревателей, проявляющаясяпри их первоначальном нагреве, может привести к деформации рабочейчасти нагревателей за счет электромагнитных сил, возникающих припротекании тока по нагревателям.