Диссертация (781991), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Мармера Э.Н.,«Вакуумные электрические печи (сопротивления и индукционные)», 1968 г.Лейканда М.С., «Вакуумные печи с экранной теплоизоляцией», 1970 г. всоавторствеФоминаВ.М. иСлободскогоА.П.,«Электропечидлятермовакуумных процессов», 1977 г. в соавторстве Мармера Э.Н. иМурованной С.Г.Также следует отметить две работы на соискание степени кандидататехническихнаук:«Исследованиетеплообменаввакуумныхпечахсопротивления с экранной теплоизоляцией», 1969 г. Слободского А.П. и«Исследование высоковакуумных электропечей с экранной теплоизоляцией,и влияние неизотермических режимов на выбор откачных систем», 1972 г.Фомина В.М.В 90-х годах XX века выпуск электротермического оборудования вРоссиипрактическипрекратился,чтосвязаносполитическимиэкономическим состоянием в стране.
В первом десятилетии XXI векапромышленность в России получила новый толчок к развитию. В связи сэтим возобновился интерес к отечественному печестроению. ОсновнымиСтраница | 15предпосылками к изучению и совершенствованию ЭПС в России, впоследнее время, стали:- выход из строя на большинстве заводов России советскихсконструированных установок, запущенных в работу в 60-70-х годах XXвека, что привело к высокому спросу на данное оборудование;- рывок иностранных компаний, производящих электротермическоеоборудование;- высокая стоимость иностранного электротермического оборудования.Современное состояние науки, а также развитие новых отраслей, такихкак нанотехнологии, накладывают новые дополнительные требования кразработке современных вакуумных печей сопротивления.Страница | 161.2.
Конструкции современных печей сопротивления с экраннойтеплоизоляциейСреди элементов конструкции ВПС с экранной теплоизоляцией можновыделить два: нагревательные элементы и пакет металлических экранов.Нагреватели.Нагревательявляетсяосновнымузломлюбойэлектрической печи сопротивления. Работа нагревателей происходит обычновоченьтяжелыхтемпературныхусловиях,частоприпредельно-допустимыхтемпературах для материала, из которого они выполнены. Всвязи с этим срок службы нагревательных элементов электропечизначительно ниже, чем у остальных механизмов и конструкционных узловустановки [56,57].Срок службы нагревателей зависит от очень многих факторов:конструкции нагревателей и печи в целом; режима работы; способарегулирования температуры; величины натекания в печи и газовыделения изсадки; а также многих других.
Однако, при работе в вакууме, при высокихтемпературах скорость испарения материала нагревателей становитсяосновополагающим фактором, определяющим срок его службы. Испарениенагревателя приводит к уменьшению его сечения и как следствие кувеличению его электрического сопротивления и уменьшению механическойпрочности.Практикапоказаладопустимостьуменьшениясечениянагревателя на 20% [17,19,57].В качестве нагревателей высокотемпературных ВПС с экраннойтеплоизоляцией, работающих при температурах до 2200 0С, используютсятугоплавкие металлы (молибден, вольфрам, тантал, ниобий) и сплавы на ихоснове.Конструирование нагревателей из тугоплавких металлов представляетзачастую довольно сложную задачу [2,6,46,47]. Эта сложность объясняетсякак особенностью технологических свойств этих металлов (трудность сварки,механической обработки), так и химическим взаимодействием их скерамическим элементами печи.Страница | 17Нагревателивысокотемпературныхвакуумныхэлектропечейизтугоплавких металлов можно разделить на четыре группы [70].Первая группа – спиральные или зигзагообразные нагреватели (рис.1.2)изпроволоки.нагревателейЭтивизготавливаютсянагревателиобычныхобычноизмалоотличаютсяэлектропечах.проволокиотаналогичныхСпиральныенагревателидиаметромдо2÷2,5мм.Зигзагообразный нагреватель делается из проволоки большего сечения, чемспиральный, так как он должен обладать большей жесткостью и достаточнойтеплоотдающей поверхностью.Недостатком таких нагревателей является малое значение излучающейповерхности нагревателя по отношению к воспринимающей поверхностисадки, что приводит к значительному увеличению температуры нанагревателе в сравнении с номинальной температурой печи.
Например,нагреватель, представленный на рис.1.2б, имеет температуру на 900 0Сбольше температуры печи [16].Рис. 1.2а. Зигзагообразныймолибденовый нагервательВтораягруппа–Рис.2б. Вольфрамовый нагреватель вакуумнойпечи сопротивления СНВЭ-1.3.1/16проволочныенагревателиввидестержнейишпилек (рис.1.3). Нагреватели этой группы допускают большие удельныеповерхностные нагрузки, чем спиральные, так как условия теплопередачи уних лучше и экранирование меньше.
Для изготовления таких нагревателейприменяется толстая проволока диаметром 5-6 мм. Наиболее сложнымиСтраница | 18задачамиприконструированиинагревателейэтоготипаявляютсяустройства крепленияотдельныхстержней,обязательнонужноприэтомучитыватьихтемпературное расширение.Основным недостатком нагревателейэтойгруппыповышенныесвязанныеявляютсятепловыесвводомпространствопотери,впечигорячеемассивныхводоохлаждаемыхтокоподводов,атакже наличие большого количествамест тепловых коротких замыканийРис.1.3.
Вольфрамовыйшпилечный нагревательчерез нагревательные стержни. Крометого, представляется крайне затруд-нительным выполнение нагревателей такого рода в печах с большим рабочимпространством. К числу недостатков следует также отнести снижениетемпературы торцов печи и невозможность регулирования температуры повысоте печи путем разделения на тепловые зоны. Печи с нагревателямитакого рода всегда выполняются однозонными.Третья группа – нагреватели из тонкого металлического листа (рис.1.4).Из тугоплавких металлов для нагревателей этой группы, как правило,применяется танталовая и молибденовая жесть.
Вольфрамовая жесть дляизготовлениятакихнагревателейобычнонеприменяетсяиз-затехнологических трудностей, связанных с её механической обработкой исваркой. Недостатком тантала является его повышенная способностьпоглощать газы и становиться весьма хрупким.Поусловиямтеплопередачинагревателиизжестиявляютсяоптимальными, поскольку вся их поверхность участвует в теплообмене снагреваемым предметом. Токоподвод к нагревателям этой группы возможноСтраница | 19вынести из горячей зоны печи за тепловую изоляцию, чем достигаетсязначительное снижение тепловых потерь. Также значительно меньше потериРис.1.4.
Типовой нагреватель из тонкого молибденого листаСтраница | 20на тепловые короткие замыкания через выводы нагревателей, так какколичество выводов и их суммарное сечение меньше, чем у нагревателейвторой группы.К числу недостатков нагревателей третьей группы относится большаяповерхность испарения, отрицательно сказывающаяся на их сроке службы.Кроме того, эксплуатация тонколистовых нагревателей требует постоянногои весьма тщательного контроля за вакуумом в печи, потому что дажекратковременное нарушение вакуума может привести к выходу нагревателяиз строя [10,17,47].Четвертая группа – проволочные нагреватели, навешивающиеся безмеханического крепления на неохлаждаемые выводы (рис.1.5).
Такаяконструкция отличается простотой и надежностью.Рис.1.5а. Развертка проволочного нагревателяРис.1.5б. Вид сверху проволочного нагревателяСтраница | 21По условиям теплопередачи нагреватели четвертой группы аналогичнынагревателям третьей группы: вся их поверхность участвует в теплообмене снагреваемым предметом.ВсовременныхраспространенаиностранныхВПС сконструкциялистовыхэкраннойленточныхтеплоизоляциейнагревателей.Такаяконструкция объясняется устранением недостатка нагревателей первойгруппы(малоезначениеизлучающейповерхностинагревателяпоотношению к воспринимающей поверхности садки). Нагреватели такого типаприменяются различными фирмами Германии, Польши, США, Канады,Швеции и др.[61-66].На рис.1.6 представлена цельнометаллическая камера вакуумной печисопротивления, разработанная канадской фирмой VacAero [63].Рис.1.6. Конструкция современных нагревательных блоков ВПС с экраннойтеплоизоляциейфирмыVacAero (Ontario, Canada)Стоит отметить, чтосуществуетеще много различныхвидовконструкций нагревателей.
Однако нужно иметь в виду, что многообразиеконструктивных форм нагревателей объясняется в основном стремлениемобойти патент конкурирующих фирм, а не улучшением техническихпараметров нагревателей [16,18].Теплоизоляция. Конструкция выполнения экранов зависит от материала.Экраны из нержавеющей стали, имея в виду достаточно большие размерыпрокатываемого листа, изготовляются цельными в виде устанавливаемыхСтраница | 22одна в другую обечаек. Зазор между обечайками выбирают минимальный,обеспечивающий невозможность касания друг к другу. С этой же цельюмежду экранами устанавливаются дистанциирующие шайбы, прутки или наих поверхности местами делают выбоины.
На рис.1.7 показан вариантвыполнения конструкции экранной теплоизоляции вакуумной электропечисопротивления.Рис.1.7. Вариант исполнения экранной теплоизоляции ВПС:1 – экраны из молибдена; 2 – цилиндр из нержавеющей стали; 3,4,5 – водоохлаждаемыекрышка, кожух и днище печи; 6 – дистанциирующие шайбы; 7 – шплинт; 8 – штырь измолибдена.Более сложно решается вопрос выполнения конструкции экранов изтугоплавких металлов. Молибденовые и вольфрамовые листы выпускаютсяпромышленностью небольших размеров.
Поэтому часто их соединяют междусобой с помощью заклепок, либо прошивая тонкой проволокой. ТакиеСтраница | 23экраны не очень жестки и сильно коробятся. Кроме того, из-за высокогозначения температурного расширения экраны из тугоплавких металловподвержены поводкам.Одним из решений конструкции экранов из листов тугоплавкихметаллов небольших размеров является независимая навеска их на штыри измолибденовойиливольфрамовойпроволоки,укрепленныенавспомогательном кожухе, вынесенном в область невысоких температур.Учитывая конструктивные недостатки, а также высокую стоимостьэкранов из тугоплавких металлов, экранную теплоизоляцию ВПС выполняюткомбинированной. В зоне высоких температур применяются тугоплавкиеметаллы, при температурах ниже 1100 0С применяется нихром Х20Н80, притемпературах ниже 900 0С – нержавеющая сталь.В экранах всегда приходится делать вырезы или отверстия для проходатокоподводов к нагревателю.
Причем, учитывая небольшую точностьизготовления экранов и монтажа нагревателей, а также возможныекоробления экранов при работе, эти отверстия приходится делать гораздобольшего сечения, чем сечения токоподводов. В случае использованияэкранов из различных материалов для предотвращения оплавления экрановиз нержавеющей стали, отверстия в них следует выполнять большими, чем вэкранах из тугоплавких металлов. Все это ведет к увеличению тепловыхпотерь печи. Поэтому рекомендуется обрамлять отверстия керамическимиизоляторами, защищающими токоподводы от замыкания на экраны иодновременно уменьшающими излучение на кладку. Однако применениеизоляторов допустимо лишь при условии: если температура нагреваизоляторов и экранов ниже температуры начала взаимодействия (контактныхреакций) между ними.Несмотря на то, что печи с углеродистой теплоизоляцией обладаютлучшими характеристиками, чем печи с экранной теплоизоляцией, и в этихустановкахпроводятсяисследования,направленныенаповышениеэнергетической эффективности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
