English      
   

ОТТОМ

   
           
               
ВАКУУМНЫЕ И ОБЩЕПРОМЫШЛЕННЫЕ ЭЛЕКТРОПЕЧИ СОПРОТИВЛЕНИЯ
     
 

post 24.11.2014
Новая вакуумная элеваторная электропечь модели СЭВЭ-5.5/13-ИВ-ОТТОМ для термической обработки в вакууме различных деталей с покрытиями типа «Лопатка турбины» из жаропрочных сплавов

Новая вакуумная элеваторная электропечь модели СЭВЭ-5.5/13-ИВ-ОТТОМ

для термической обработки в вакууме различных деталей с покрытиями

типа «Лопатка турбины» из жаропрочных сплавов



Вакуумная термическая обработка деталей типа «Лопатка турбины» из жаропрочных сплавов с покрытиями является экономически выгодной в силу улучшения их эксплуатационных характеристик. Одним из факторов снижающим затраты на термическую обработку является применение экономичного вакуумного печного оборудования. Экономичность оборудования определяется двумя факторами. Первый – связан с закупочной ценой. Второй – с применением энергосберегающей технологии. Цель данной работы – разработка новой вакуумной печи с самой низкой закупочной ценой из всех имеющихся на рынке. Энергосберегающий режим работы печи достигается за счет ее полной автоматизации.


Рисунок 1 – Общий вид вакуумной элеваторной электропечи модели СЭВЭ-5.5/13-ИВ-ОТТОМ

1 – Лицевая стенка шкафа электропитания и управления

2 – Стенка шкафа водяного охлаждения

3 – Печной трансформатор

4 – Трубопровод откачной системы


Для решения таких задач разработана и изготовлена новая вакуумная элеваторная печь модели СЭВЭ-5.5/13-ИВ-ОТТОМ, (дальнее по тексту «Печь»). Она предназначена для термической обработки в вакууме различных деталей с покрытиями типа «Лопатка турбины» из жаропрочных сплавов при температурах до 1300 0С.

Буквенно-цифровое обозначение Печи - СЭВЭ-5.5/13-ИВ-ОТТОМ:

С – вид нагрева – сопротивлением;

Э – основной конструктивный признак – элеваторная;

В – среда в рабочем пространстве – вакуум;

Э – тип теплоизоляции – экранная;

5 – диаметр рабочего пространства, дм;

5 – высота рабочего пространства, дм;

13 – номинальная температура, 0С, условно уменьшенная в 100 раз;

И – исполнение;

В – охлаждение деталей в вакууме;

ОТТОМ – наименование торговой марки.

Печь представляет собой двухуровневую конструкцию. Первым уровнем Печи является нижняя площадка эстакады, На нижней площадке эстакады установлены шкаф управления, стойка водоохлаждения, вилочный погрузчик и форвакуумные насосы. Здесь же оператор производит загрузку-выгрузку садки вилочным погрузчиком и управление работой Печи. Вторым уровнем Печи является верхняя площадка эстакады. На ней установлен печной трансформатор и часть вакуумной системы на четырех винтовых опорах. С верхней площадки оператор проверяет состояние контактов силовых кабелей; обслуживает термопары, предохранительный клапан и вакуумный затвор. Общий вид Печи показан на рис. 1 - 3.

Печь включает в себя следующие составные части:

- камера Печи;

- эстакада;

- система вакуумная;

- система водоохлаждения;

- стойка водоохлаждения;

- погрузчик вилочный;

- шкаф управления;

- трансформатор печной.

Камера Печи обеспечивает возможность проведения технологического процесса термической обработки деталей в вакууме.

В состав камеры Печи входит камера нагрева, модуль нагрева, камера охлаждения, механизм перемещения садки, стол-пробка, шторка.

Камера Печи ограничивает пространство, в котором осуществляется электротермический процесс. Она состоит из камеры нагрева, камеры охлаждения и крышки. Камера Печи разделена шторкой на две функциональные зоны: зону нагрева и зону охлаждения. Камера нагрева, камера охлаждения, крышка и дверь изготовлены из листовой стали двустенными для охлаждения водой. Они соединяются между собой фланцами с резиновыми уплотнительными прокладками. Температурный режим в рабочем пространстве камеры охлаждения не регулируется. Охлаждение садки осуществляется излучением на холодные стенки камеры. Камера нагрева содержит токовводы для подвода электрического питания к модулю нагрева и термопарный ввод для контроля температуры в рабочем пространстве Печи. Механизм перемещения садки предназначен для транспортирования ее из камеры охлаждения в рабочее пространство Печи и обратно.


Рисунок 2 - Фронтальный вид вакуумной элеваторной электропечи сопротивления модели СЭВЭ-5.5/13-ИВ-ОТТОМ


Рисунок 3 – Тыльный вид вакуумной элеваторной электропечи сопротивления модели СЭВЭ-5.5/13-ИВ-ОТТОМ

Каретка двигается по двум направляющим, которые закреплены на кронштейнах к внутренней стороне камеры охлаждения. Точность положения каретки с садкой в модуле нагрева или в зоне охлаждения (зона загрузки-выгрузки) обеспечивается датчиками положения каретки. На каретке устанавливается стол-пробка и обрабатываемое изделие. Ручное управление механизмом перемещения садки осуществляется с кнопочного поста, расположенного на камере охлаждения.

Шторка – раздвижной тепловой экран, перекрывающий люк модуля нагрева во время нахождения садки в камере охлаждения. Шторка состоит из двух половинок. Каждая шторка имеет экранную теплоизоляцию, состоящую из семи экранов. Экраны, расположенные ближе к садке, выполнены из молибдена, остальные – нержавеющая сталь. Датчики положения шторок обеспечивают точное расположение шторок «открыто-закрыто». Ручное управление шторкой осуществляется с кнопочного поста, расположенного на камере охлаждения.

Модуль нагрева. Печь имеет одну электрическую зону мощностью 80 кВт. Корпус модуля нагрева изготовлен из жаропрочной стали. Внутренняя поверхность модуля имеет экранную теплоизоляцию, состоящую из семи экранов. Три экрана, расположенные ближе к садке, выполнены из молибдена, остальные – из жаропрочной стали. На штырях, выполненных из молибдена, через керамические шайбы навешен нагреватель. Нагреватель изготовлен из молибденового прутка. Выводы нагревателя соединены жгутом медного провода (токоподводом) с медными водоохлаждаемыми токовводами камеры нагрева. Токовводводы изолированы от касания к корпусу камеры Печи керамическими изоляторами. На боковой цилиндрической поверхности модуля нагрева имеется отверстие для установки термоэлектрического преобразователя (термопары).

На cводе (крышке) модуля нагрева имеются строповые устройства - серьги для транспортирования модуля и его монтажа в камеру Печи. Модуль нагрева своими лапами устанавливается на кронштейны камеры нагрева. 

При перемещении садки в зону нагрева шторка открывается, а при перемещении садки в зону охлаждения – закрывается автоматически.

Стол-пробка. Для проведения термических процессов на каретку механизма перемещения садки устанавливается стол-пробка с садкой. Столешница, несущие стойки и четыре верхних экрана стола-пробки выполнены из молибдена. На столешнице закреплены керамические трубки. Керамика предохраняет термообрабатываемые детали от спекания с молибденом. Стол-пробка имеет захваты для удержания его на вилах погрузчика.

Погрузчик вилочный предназначен для загрузки-выгрузки изделий в Печь.

Техническая характеристика:

- вертикальное перемещение вил с садкой осуществляется гидродомкратом с ручным приводом, расположенным в стойке тележки;

- горизонтальное перемещение погрузчика по рельсовому пути осуществляется вручную;

- грузоподъемность – 200 кг.

Эстакада предназначена для, разводки коммуникаций, удобства обслуживания верхней части вакуумной камеры, обслуживания короткой силовой части, токовводов и верхней термопары, которые установлены на высоте более 2,0 метров от уровня пола. В настоящее время эстакада это необходимый элемент конструкции современной вакуумной электропечи. Она устанавливается в соответствии с Правилами технической эксплуатации электроустановок потребителей. Вся конструкция эстакады служит для удобства и безопасности обслуживания Электропечи оперативным персоналом.

В целях удобства выполнения монтажа и возможности транспортирования эстакада изготовлена из конструктивных частей, позволяющих выполнить сборку на месте эксплуатации. Под верхней площадкой эстакады проложены силовые кабели. С боку нижней площадки эстакады (в коробе) проложены монтажные провода к шкафу управления. Под нижней площадкой эстакады проложены шланги системы водоохлаждения.

Система вакуумная обеспечивает необходимое рабочее разряжение в камере Печи до  необходимого остаточного давления.

Система водоохлаждения

Система водоохлаждения включает в себя стойку водоохлаждения, коммуникации подвода и слива воды. Стойка водоохлаждения предназначена для централизованной подачи воды на элементы Печи, требующие охлаждения в процессе работы. Стойка позволяет регулировать расход воды по каждому каналу охлаждения. Расход контролируется с помощью расходомеров и индицируется на панели оператора, кроме того, осуществляется контроль температуры воды в каждом канале собственным термометром. Конструктивно стойка выполнена в шкафу. От стойки водоохлаждения вода подается по шлангам к элементам охлаждения Печи. Подача воды должна осуществляться от насосной станции оборотного водоснабжения с отводом ее в сливной коллектор. На случай аварийной остановки станции в системе водоохлаждения должна быть предусмотрена врезка сетевой водопроводной воды с возвратом в промышленный сантехнический коллектор здания. Краны аварийного перехода на другой вид водоснабжения Печи должны находиться в том же помещении, как можно ближе к месту ее расположения.

Система электропитания и управления обеспечивает ручной (наладочный) и автоматический режимы работы Печи, включая ее вакуумирование.

Система электропитания и управления включает в себя шкаф управления, печной трансформатор, персональный компьютер с принтером, датчики, преобразователи, соединительные провода и кабели.

Работа Печи

Работа Печи заключается в выполнении следующих операций:

- загрузка садки (изделий) в рабочее пространство камеры нагрева;

- герметизация камеры Печи (закрытие двери);

- вакуумирование рабочего пространства камеры Печи;

- нагрев садки в вакууме до заданной температуры;

- охлаждение садки в вакууме до заданной температуры;

- разгерметизация Печи;

- выгрузка садки.

Контроллер, панель оператора и коммутационная аппаратура, установленные в шкафу управления, агрегаты, исполнительные механизмы, датчики и преобразователи, установленные на конструктивных элементах Печи, обеспечивают:

- ручное (наладочное) и автоматическое управление Печью;

- управление работой вакуумного оборудования Печи;

- автоматический выход нагревателей от холодного состояния до рабочего температурного режима в камере нагрева Печи;

- бесконтактное управление мощностью нагревателей с помощью тиристорного регулятора мощности;

- контроль вакуума в камере Печи и в вакуумной системе;

- контроль протока и температуры охлаждающей воды во всех водоохлаждаемых полостях и водяных магистралях;

- контроль реального и заданного значения температуры (в данный момент времени) при нагреве и охлаждении;

- контроль первичного тока на силовом понижающем трансформаторе;

- контроль обрыва термопары;

- контроль короткого замыкания термопары;

- контроль обрыва нагревателя Печи диффузионного насоса;

- автоматическое отключение электропитания нагревателей при возникновении аварийных ситуаций;

- управление перемещением садки в зону нагрева или охлаждения;

- управление напуском атмосферы;

- регистрацию показаний температуры и вакуума в электронном виде, на дисплее сенсорной панели оператора и на принтере ПК в виде графика или таблицы;

- световую индикацию;

- световую и звуковую сигнализацию предаварийных и аварийных состояний систем Печи.

Контрольно-измерительными, управляющими и сигнализирующими устройствами являются контроллер и панель оператора. Контроллер обеспечивает полное управление технологическим процессом термообработки деталей, включая вакуумирование Печи.

Таблица

Основные параметры и размеры вакуумной элеваторной электропечи сопротивления модели СЭВЭ-5.5/13-ИВ-ОТТОМ

Наименование

Норма параметра

Номинальная

Допустимая

1. Установленная мощность Печи, кВт

130

138

2. Потребляемая мощность нагревателей,  кВт*

80

88

3. Мощность холостого хода, кВт*

60

66

4. Номинальная температура, оС

1300

1350

5. Стабильность температуры Печи, ºС

––

± 5

6. Равномерность температуры в рабочем пространстве в установившемся режиме в диапазоне от 500 оС до 1300 оС, оС*, не более

––

±10

7. Программирование и контроль режимов

 термообработки

обеспечивается системой автоматического регулирования

8. Масса садки, кг, не более

200

 

9. Число электрических (тепловых) зон

1

10. Размеры рабочего пространства камеры нагрева, мм:

 

      - диаметр

500

      - высота

500

11. Время транспортировки из зоны нагрева в зону охлаждения, с

 

––

 

10

12. Среда в рабочем пространстве:

 

      - при нагреве и выдержке

вакуум

      - при охлаждении

вакуум

13. Остаточное давление в рабочем пространстве Печи в холодном и обезгаженном состоянии, не хуже, Па (Торр)*

––

1,33·10-3

(1·10-5)

14. Время вакуумирования, мин., не более

––

45

15. Параметры питающей сети:

 

      - напряжение, В;

380/220±10%

      - частота тока, Гц;

50±0,4

      - число фаз

3

16. Параметры воды для охлаждения:

 

      - избыточное давление в питающей  магистрали, кПа

300

400

      - температура на входе,  оС

20

25

      - расход охлаждающей воды, м3/ч*

4,5

5

17. Полный установленный срок службы

 Печи (до списания), лет, не менее

8

 

18. Маса Печи, кг, не более

9500

19. Габаритные размеры Печи, мм, не более:

 

      - длина

      - ширина

      - высота

5300

3920

4200



Примечание 1Расход охлаждающей воды приведен при температуре воды на входе 20 °С и температуре воды на выходе 40 °С.

Примечание 2. Параметры технологического процесса (нагрев, выдержка и охлаждение) определяются предприятием-потребителем (или организацией-разработчиком конкретного технологического процесса).

Примечание 3. Показатели и нормы качества электрической энергии по  ГОСТ 13109-97.

Примечание 4. Параметры, отмеченные (*), определяются в процессе пуско-наладочных работ.

Выводы. Таким образом, новая вакуумная элеваторная электропечь сопротивления модели СЭВЭ-5.5/13-ИВ-ОТТОМ полностью соответствует всем требованиям для проведения вакуумной термической обработки деталей с покрытиями типа «Лопатка турбины» из жаропрочных сплавов. По техническим решениям, принятым в конструкции печи она соответствует всем современным стандартам по эргономике и безопасности для обслуживающего персонала. Несмотря на применение в печи высококачественных комплектующих, ее закупочная цена является самой низкой из всех представленных на рынке аналогов. Низкие расходы в процессе эксплуатации печи, связанные с ее энергосберегающей конструкцией нагревательного модуля и полной автоматизацией, подтверждают экономическую выгодность приобретения вакуумной элеваторной электропечи сопротивления модели СЭВЭ-5.5/13-ИВ-ОТТОМ.

к.ф.-м.н., с.н.с. Шулаев В.М.,

к.т.н. Редкокаша А.П.,

к.т.н. Листопад Д.А.

 
post 15.11.2014
Лабораторные камерные электропечи повышенной мощности
Лабораторные камерные электропечи повышенной мощности

Приводится описание конструкции камерной лабораторной электропечи, позволяющей решать практическую задачу, которая связана с увеличением скорости нагрева электропечей из холодного состояния до температуры выдержки. В новой печи эта задача решается путем использования вакуумформованной теплоизоляции с низкой удельной теплоемкостью и увеличением мощности электропечи.

Введение. Лабораторная электропечь – устройство для нагрева материалов методом теплообмена излучением в диапазоне температур от 750 до 1800 оС при помощи электрической энергии. Конструкции и диапазоны рабочих температур лабораторных электропечей определяется их назначением и могут быть весьма разнообразными. Наибольшее распространение получили камерные лабораторные электропечи. Можно выделить три разновидности камерных лабораторных электропечей.

Первая разновидность – это лабораторные электропечи со стационарной камерой, у которых открытые нагреватели помещаются внутри рабочего пространства. Нагреватели могут размещаться на боковых стенках, своде и поде. Такое размещение нагревателей снижает тепловую инерционность электропечи и обеспечивает благоприятные условиях работы нагревателей. Однако недостатком этих электропечей является их низкая мощность, что обусловливает достаточно продолжительный режим разогрева камерной лабораторной электропечи, особенно в случае массивной садки.

Вторая разновидность – это стандартные лабораторные электропечи, получившие название – муфельных. Название происходит от немецкого слова Muffel и обозначает наличие в камерной электропечи, замкнутой стационарной термостойкой камеры. Рабочее пространство нагревательной камеры, в которое помещается термообрабатываемый материал, образуется этим керамическим муфелем. На него наматывается нагревательный элемент из сплава высокого омического сопротивления. Такие печи позволяют создать температуру до 1300 градусов Цельсия в нагревательной камере. Муфельные печи применяются для термообработки и аналитических работ с материалами в воздушной среде. Основной недостаток – достаточно короткая жизнь нагревательного элемента. На практике она не превышает 700 часов. Кроме того, такие электропечи имеют высокую тепловую инерционность.
Третья разновидность – камерные муфельные электропечи со стационарной камерой и сменным термостойким керамическим муфелем. Он помещается в рабочее пространство камерной электропечи. В этом случае внутреннее пространство муфеля становится главным рабочим пространством. Особенность этих электропечей состоит в том, что муфель изготовленный из керамического материала изолирует нагреваемый материал от окружающей среды и защищает нагревательный элемент от возможного взаимодействия с термообрабатываемым материалом. После проведения процесса нагрева при заданной температуре и выдержке сменный муфель может извлекаться из рабочего пространства камерной лабораторной электропечи для охлаждения, а на его место устанавливается другой муфель. Основной недостаток – низкая устойчивость керамического муфеля к термоциклированию.

Таким образом, несмотря на то, что современные камерные лабораторные электропечи являются незаменимой промышленной техникой практически на любом промышленном предприятии, вопросы их оптимизации, несмотря на многообразие типоисполнений, продолжают сохранять актуальность. Ведутся поиски материалов, предназначенных для производства камерных электропечей сопротивления: различные стали для конструкций корпусов и дверец, огнеупорные и теплоизоляционные материалы, высокотемпературная электроизоляция, сплавы высокого омического сопротивления для нагревателей и др. С развитием разработок в области автоматизации продолжает сохранять актуальность оптимизация системы управления температурой.

Одна из практических задач связана с увеличением скорости нагрева электропечей из холодного состояния до температуры выдержки. Эта задача решается двумя путями. Первый – за счет использования вакуумформованной теплоизоляции с низкой удельной теплоемкостью. Второй путь – стандартный. Он связан с увеличением мощности электропечи.

В большинстве случаев из-за малости объема рабочего пространства в лабораторных электропечах невозможно разместить более высокую мощность, а малая мощность не позволяет производить быстрый нагрев как самой электропечи, и, например, в случае массивной садки.

Данные задачи решены в разработанных новых камерных лабораторных электропечах торговой марки «ОТТОМ», в которых заметно сокращено время разогрева (до 30 минут) и стало возможно термообрабатывать садки увеличенной массы (до 50 кг). Такие электропечи можно использовать не только как лабораторные, но и в качестве промышленных в условиях мелкосерийного, единичного и ремонтного производства. Такая электропечь, по желанию заказчика, может оснащаться микропроцессорным контроллером. В таком случае с коммерческой точки зрения потребитель покупает промышленную электропечь по цене лабораторной.

В данной статье описана, новая камерная лабораторная электропечь модели СНОЛ-2.4.2/11-ОТТОМ повышенной мощности. Она предназначена для решения общих задач. Однако в первую очередь электропечь рекомендуется к использованию как лабораторная для проведения различных термических процессов в заводских лабораториях и в научно-исследовательских учреждениях.

Ее применение также экономически эффективно при замене крупных электропечей периодического действия старого образца (конструкторские разработки в бывшем СССР), оставшихся в наследство малотоннажным термическим производствам, при термообработке или нагреве мелких деталей. Электропечь рассчитана на относительно длительные циклы работы. Она адаптирована для продолжительной работы при номинальной температуре (1100°C). В этой электропечи применяется футеровка из современных волокнистых легковесных огнеупорных и теплоизоляционных материалов. Электропечь малоинерционная и достаточно быстро выходит на номинальную температуру. В новой электропечи заметно уменьшено аккумулирование тепла в футеровке.

Камерная лабораторная электропечь модели СНОЛ-2.4.2/11-ОТТОМ
Буквенно-цифровое обозначение
С – нагрев сопротивлением;
Н – конструктивный признак - камерная;
О – среда в рабочем пространстве – окислительная (воздух);
Л – лабораторная;
2 – ширина рабочего пространства, дм;
4 – длина рабочего пространства, дм;
2 – высота рабочего пространства, дм;
11 – номинальная температура, сотни °С;
ОТТОМ – зарегистрированная торговая марка.

Описание конструкции.
Печь поставляется в двух исполнениях. Первое исполнение – настольное (показано на рисунке). Второе исполнение – напольное. В этом случае электропечь устанавливается на тумбу (дополнительная опция), внутри которой имеется полочка для размещения инструментов термиста. Оба исполнения электропечи состоят из нагревательной камеры и системы управления. Основными составными частями электропечи являются: корпус, заслонка, легковесная футеровка, нагреватели, шкаф электропитания и управления. Корпус печи сварен из тонколистового и профильного проката. Он окрашен термостойкой краской. Механизм открывания заслонки – ручной. Открывание дверцы осуществляется отводом в сторону (вправо). Футеровка печи – многослойная. В ней использованы современные легковесные огнеупорные и теплоизоляционные материалы с высокими теплоизолирующими свойствами и низкой теплоемкостью. Атмосфера в рабочем пространстве-воздушная (окислительная).

Заслонка теплоизолирована теми же материалами, что и камера нагрева электропечи. Она имеет термостойкое эластичное уплотнение, исключающее тепловые потери через загрузочный проем. Заслонка имеет уплотняющие фиксаторы. Нагреватели – из сплава высокого омического сопротивления. Срок службы нагревателей не менее 4000 часов.

Система управления электропечью вынесена в отдельный блок, который крепится на левой боковой стенке корпуса электропечи. Такой способ размещения полностью исключает попадание теплового излучения от дверцы при ее открывании. Для регулирования температуры, скоростей нагрева и охлаждения используется один микропроцессорный программируемый ПИД-регулятор. В качестве силового управляющего элемента применен тиристорный блок. В качестве датчика температуры используется термоэлектрический преобразователь.

При использовании электропечи в кузнечном производстве печь устанавливается на специальные виброопоры (дополнительная опция), гасящие воздействие вибраций любого типа.




к.ф.-м.н., с.н.с. Шулаев В.М.,
инженер Оковитый Д.А.,
к.т.н. Листопад Д.А.
 
post 09.10.2014
Нагревательные модули вакуумных электропечей торговой марки «ОТТОМ»
Нагревательные модули вакуумных электропечей торговой марки «ОТТОМ»
Скачать статью в формате PDF
Основным элементом конструкции вакуумных электропечей является – нагревательный модуль. В англоязычной литературе распространено название «hot zone - горячая зона». Поэтому при разработке «горячей зоны» или нагревательного модуля для вакуумной термообработки весьма критично надлежащее проектирование и подбор высокотемпературных материалов. В связи с ростом требований к энергосбережению основные усилия по проектированию направлены на улучшение теплоизоляционных характеристик нагревательных модулей. Одновременно с этим решается задача повышения однородности температурного поля в рабочем пространстве нагревательного модуля, что необходимо для однородного разогрева садки и, следовательно, улучшения качества продукции.

Цель данной работы – представить краткий обзор различных типов нагревательных модулей, используемых в вакуумных электропечах торговой марки «ОТТОМ».

1. Нагревательные модули цельнометаллической конструкции.

Большинство ранних конструкций вакуумных печей использовали подход цельнометаллической экранировки нагревательных модулей. Такой тип экранно-вакуумной теплоизоляции представляет собой набор взаимоудаленных друг от друга металлических листов. Промежутки между листами составляют приблизительно 5 мм. Как правило, первые два или три слоя изготавливаются из тугоплавких материалов (молибдена, тантала или вольфрама – в зависимости от требуемой номинальной температуры) с последующими дополнительными слоями листовой нержавеющей стали. Специфическая особенность использования экранно-вакуумной теплоизоляции состоит в ее короблении. Одна из причин – взаимодействие внутреннего экрана с испаряющимся веществом нагреваемого изделия. Причем этот процесс идет неравномерно, что влияет на излучательные характеристики поверхности экрана в нагретом состоянии при высоких температурах. Поэтому одна из причин неравномерности температур нагреваемых изделий является неконтролируемое изменение коэффициента излучения отдельных участков экранной теплоизоляции. Это явление обязательно приводит к разбросу свойств изделий в нагреваемой садке.
В качестве материала нагревательных элементов используют: молибден, тантал, вольфрам, нихром, фехраль. Эти материалы доступны в виде лент, широких полос или прутков (круга). Для электроизоляторов применяется различные виды высокотемпературной керамики. Существует много различных видов конструкций цельнометаллических нагревательных модулей. Такое многообразие конструктивных форм цельнометаллических нагревательных модулей обусловлено не улучшением их технических данных, а, в основном, стремлением обойти патенты конкурирующих между собой фирм. Нагревательный модуль цельнометаллической конструкции используют в вакуумных электропечах с номинальной температурой до 2000 оС. В таких электропечах основным материалом нагревателей является вольфрам. Чем выше температура, тем меньше срок службы нагревателей. Сокращение срока службы нагревателя происходит по многим причинам.
На рис. 1 в качестве примера приведено изображение цельнометаллической конструкции нагревательного модуля для элеваторной вакуумной электропечи. В такой электропечи садка загружается снизу.

1 – вывод нагревателя;
2 – шина соединения нагревателей;
3 – нагреватель;
4 – керамический электроизолятор;
5 – экранно-вакуумная теплоизоляция.

Рисунок 1 – Цельнометаллический нагревательный модуль для элеваторной вакуумной электропечи

В настоящее время нагревательные модули цельнометаллической конструкции используются достаточно широко в вакуумных электропечах несмотря на то, что по части энергозатрат они наименее эффективны. Это обусловлено тем, что по техническим условиям невозможно использовать наиболее прогрессивные нагревательные модули с графитовой теплоизоляцией и нагревателями. Это непререкаемая технологическая истина, например, в производстве авиадвигателей, когда требуется чрезвычайно чистые технологические системы, исключающие загрязнение термообрабатываемой продукции углеродом.

2. Конструкции на основе керамической теплоизоляции и металлическими нагревателями.

Керамическая теплоизоляция хорошо зарекомендовала себя по части минимизации тепловых потерь. В большинстве случаев применяются изделия из керамики на основе системы Al2O3–SiO2. Однако она, по причине пористости, характеризуется существенным недостатком по части поглощения паров воды при контакте с атмосферным воздухом. Поэтому для вакуумных электропечей применяют керамические материалы с плотностью 93…95 % от теоретической. Полагается, что в этом случае будет наименьшее газовыделение при нагреве в вакууме. Поры, как правило, в этих материалах закрытые и не происходит заметного насыщения парами воды при контакте с атмосферой, а, следовательно, и последующего заметного газовыделения при нагреве в вакууме.
Такой тип теплоизоляции получил широкое распространение в бывшем СССР и за рубежом. Было выпущено несколько тысяч отечественных вакуумных элеваторных электропечей серии СЭВФ-3.3/11,5 и СЭВФ-5.5/11,5 с керамической теплоизоляцией на основе корундовой керамики (Al2O3 > 95 %) или легковесного шамота. Указанные керамические материалы в качестве теплоизоляции хорошо себя зарекомендовали при эксплуатации вакуумных электропечей с рабочей температурой ниже 1150 оС (Рис. 2).


1 - фрагмент корпуса вакуумной камеры;
2 - токоввод;
3 - нагревательный модуль, состоящий из футеровки (цилиндрическая часть) и свода (верхняя часть).

Рисунок 2 – Нагревательный модуль с керамической теплоизоляцией для элеваторной вакуумной электропечи

Металлические нагреватели – на основе хромоникелевых сплавов сопротивления. Основные виды профилей: лента, пруток, лист. Однако наибольшее распространение получили зигзагообразные нагреватели из прутка, которые размещаются с помощью крючков из того же материала, что и нагреватель. Крючки закрепляются в керамической футеровке (см. рис. 2).

3. Нагревательные модули с теплоизоляцией и нагревателями на основе углеродных материалов

Такие нагревательные модули получают все большее распространение в современных вакуумных электропечах с номинальной температурой от 1200 до 2200 оС. Это обусловлено широким разнообразием марок углеродных материалов – промышленных графитов. Они обладают высокой термической стабильностью, высокой электропроводностью, приемлемой механической прочностью. Они могут быть химически чистыми и способными противостоять как агрессивным средам, так и тепловым ударам. Кроме того, они обладают низкой смачиваемостью и высокими трибологическими свойствами. На основе углерода также созданы отличные теплоизоляционные материалы. Самыми высокими механическими свойствами при температурах выше 1300 оС в вакууме обладают углерод-углеродные композиционные материалы на основе высокопрочных углеродных волокон.
Основная доля производимых в настоящее время нагревательных модулей, содержит промышленные графиты в виде листов, фетра и пластин широкого диапазона толщин в различных сочетаниях. Подобные сочетания дают возможность широкого выбора оптимальных решений проектируемых вакуумных электропечей.
Одна из наиболее распространенных комбинаций углеродных материалов в нагревательном модуле включает листоподобную графитовую фольгу (ламинированный графит) с чередующимися слоями графитового фетра переменной толщины. Подобная комбинация в наибольшей степени распространена в печах, в которых производится закалка при высоких давлениях.
На рис. 3 приведен пример нагревательного модуля с теплоизоляцией и нагревателями на основе углеродных материалов.

1 - теплоизоляционный слой футеровки;
2 - огнеупорный слой футеровки;
3 - стол под установку садки;
4 - нагреватель;
5 - корпус.

Рисунок 3 - Нагревательный модуль с теплоизоляцией и нагревателями на основе углеродных материалов.

Нагревательный модуль (рис. 3) выполнен из графитовых материалов с различными свойствами. Нагреватель (4) и цилиндр, выполняющий функцию огнеупорного слоя (2) изготовлены из углекомпозитного материала. Цилиндр обмотан несколькими слоями графитового войлока, которые являются теплоизоляционным слоем футеровки (1). Схожим образом выполнена футеровка и торцевых стенок нагревательного модуля. Корпус нагревательного модуля (5) изготовлен из нержавеющей стали и имеет цилиндрическую форму. Тыльный торец корпуса закрыт диском, также выполненным из нержавеющей стали. Между собой футеровки цилиндрической части и торцевой плотно прилегают. В центре торцевой стенки имеется отверстие, закрытое с определенным зазором футерованной пробкой. Зазор исключает потери тепла в виде излучения в объем вакуумной камеры, сохраняя возможность откачки рабочего пространства нагревательного модуля. Внутри нагревательного модуля имеется стол для установки садки. Стол выполнен из углерод-углеродного композиционного материала. Опорная решетка закрыта керамической трубкой. Передняя торцевая стенка нагревательного модуля расположена на двери (загрузочном проеме) камеры нагрева. Закрытое положение двери обеспечивает плотное прилегание контактных мест футеровок цилиндрической и торцевой части нагревательного модуля.

Заключение.

Описанные выше типы нагревательных модулей лежат в основе конструкций современных вакуумных электропечей. Каждый тип нагревательных модулей занимает свою нишу. Их выбор в каждом конкретном случае проистекает из необходимости обеспечить необходимую температуру, скорости нагрева и охлаждения, равномерность температуры в рабочем пространстве, параметры газовыделения, исключение взаимодействия различных высокотемпературных материалов между собой и ряд других параметров. В основе всех новых конструкций заложено стремление улучшить энергосберегающие характеристики.

к.ф.-м.н. Шулаев В.М.,
к.т.н. Редкокаша А.П.,
к.т.н. Листопад Д.А.
 
post 05.09.2014
Внимание! У нас новый электронный адрес!
Внимание!

У нас новый электронный адрес для Ваших электронных писем:


e-mail new ottom
 
post 13.02.2014
Новая водородная двухколпаковая электропечь
Новая водородная двухколпаковая электропечь


Водородные электропечи достаточно широко применяются на промышленных предприятиях, например, для спекания топливных таблеток, полупроводниковая промышленность, синтеза твердых сплавов, приборов электронной техники, спекания в порошковой металлургии, катодно-керамического производства для серийного выпуска мощных и сверхмощных СВЧ приборов, в производстве вакуумных переключателей, выключателей, реле и т.д. Технологические применения водородных электропечей включают пайку медью и твердыми припоями, пайку эвтектикой металла с керамикой; отжиг металлических деталей; первичное спекание твердых сплавов и другие виды нагрева материалов и деталей в среде водорода, который выполняет две функции. Водород является восстановителем, по отношению к оксидным пленкам металлов, и одновременно защитным газом для нагревателей из тугоплавких материалов. Поэтому в ней проводят отжиг металлических порошков в защитно-восстановительной среде водорода при оптимальной температуре.

Водородная электропечь СГН-2.4-2/13-ОТТОМ

Буквенно-цифровое обозначение

С – нагрев сопротивлением;
Г – основной конструктивный признак - колпаковая;
Н – среда в рабочем пространстве (водород);
2 – диаметр рабочего пространства, дм;
4 – высота рабочего пространства, дм;
2 – количество колпаков;
13 – номинальная температура, сотни ˚С;
ОТТОМ – зарегистрированная торговая марка производителя водородных электропечей.



1. Общие сведения об Электропечи

Электропечь СГН-2.4-2/13-ОТТОМ (далее по тексту - «Электропечь») предназначена для проведения промышленных термических процессов в среде водорода. В ней возможно проведения отжига малых партий продукции, опытных партий изделий в ресурсосберегающем режиме. Она может применяться также в лабораторных исследованиях при нагреве в токе осушенного водорода и в среде инертных газов (включая азот) повышенной чистоты при температуре до 1300 ˚С. В этом случае она обеспечивает гибкость технологического процесса (возможность подбора оптимальных режимов термообработки в среде водорода).
Форма изделий – произвольная. Направление загрузки – горизонтальное. Способ загрузки – вручную. Работа Электропечи, включая проведение термических процессов и управление газовой системой, осуществляется по программе с помощью системы автоматического управления, выполненной на базе микропроцессорных устройств и контроллера. Эта Электропечь оборудована современной системой безопасности. Компоновка Электропечи обеспечивает легкий доступ ко всем ее узлам и, как следствие, удобное обслуживание и ремонт.

Технические и функциональные характеристики Электропечи СГН-2.4-2/13-ОТТОМ



2. Состав Электропечи
Она состоит из следующих частей:
- нагревательные камеры (два колпака);
- механизм подъема колпаков (2 шт.);
- газовая система;
- система водоохлаждения;
- печной трансформатор;
- шкаф электропитания и управления с тиристорным регулятором мощности;
- система управления в рабочем режиме – автоматическая; в наладочном – ручная.
Электропечь является единым конструктивным монтажно-транспортным блоком, в габаритах которого размещен (съемный на период транспортировки) шкаф управления. Электропечь допускается устанавливать непосредственно на пол без фундамента.

2.1. Нагревательная камера (колпак)
Электропечь имеет две герметичные нагревательные камеры, выполненные в виде двух колпаков, внутри которых расположены нагревательные модули. Рабочие места (нагревательные камеры) имеют возможность поочередного подключения к общей системе электропитания, системе управления и контроля выполнения термических процессов, системе регулирования температуры и системе контроля безопасности за средой в рабочей зоне. Все это обеспечивает высокую производительность оборудования и оптимальное температурное распределение.
Каждая нагревательная камера устанавливается на водоохлаждаемый стенд. Загрузочный стол выполнен из молибдена. Водоохлаждаемые колпаки поднимаются механизмом с электромеханическим приводом для загрузки-выгрузки садки. Верхняя часть колпака закрыта водоохлаждаемой крышкой. В верхней части крышки расположены смотровое окно и поворотный блок экранов для защиты окна от теплового излучения. На колпаке расположены выводы токоподводов и бобышка подвески к механизму подъема колпака. Внутри корпуса нагревательной камеры расположена экранная теплоизоляция и нагреватели. Теплоизоляция выполнена в виде бокового и верхнего торцевого пакетов экранов, набранных из молибденовой жести или листов вольфрама. Нагреватели могут выполняться из молибдена или вольфрама. Оба этих металла совместимы с атмосферой сухого водорода, а также, при температурах ниже 1400 оС, устойчивы в атмосфере влажного водорода.
Внутри камеры установлен нагревательный модуль. Со стороны горячей (рабочей) зоны к каркасу модуля присоединен пакет теплоизоляционных экранов. Навитые из молибденовой проволоки нагреватели навешаны на керамические втулки. Такой тип нагревателей зарекомендовал себя очень хорошо в процессе эксплуатации. Экраны в очередности удаления от горячей зоны выполнены из молибденовых листов и нержавеющей стали. Нагревательный модуль присоединяется крепежными лапами на опорные места камеры колпака.
Охлаждение нагревательного модуля и садки - конвекционное в токе водорода (возможно применение азота) или за счет принудительной циркуляции водорода (азота).
Система контроля безопасности атмосферы рабочих газов позволяет определять и отслеживать на протяжении всего термического процесса содержание кислорода в атмосфере используемого газа.

2.2. Механизм подъема и опускания
Для подъема и опускания колпака при загрузке и выгрузке садки имеется механизм подъема, каретка которого перемещается по направляющей колонне с помощью ходового винта и гайки. Привод механизма перемещения колпака – электромеханический.

2.3. Газовая система
Система обеспечивает продувку подколпачного пространства азотом в направлении снизу вверх, а также подачу в рабочее пространство водорода. Для предотвращения взрыва газовая система оснащена датчиками контроля по содержанию кислорода. В состав газовой системы входят: устройства коммутации газов, датчики давления, датчики, отображающие факт нахождения величин расходов газов в заданных технологом пределах, а также система для розжига и контроля пламени при сжигании водорода на выходе из камеры.

2.4. Система водяного охлаждения
Система водоохлаждения представляет собой замкнутую систему. Она предназначена для охлаждения составных частей Электропечи. Система водоснабжения электропечи состоит из стойки водяного охлаждения, которая обеспечивает подачу и контроль протока жидкости на элементы охлаждения.
Система водяного охлаждения включает в себя подводящий коллектор с манометром и вентилями. На линиях слива воды установлены измерители расхода жидкости, сигнализирующие о прекращении или уменьшении подачи воды в любой из водяных магистралей, а также осуществляется контроль температуры воды.
Напорный коллектор стойки водоохлаждения подсоединяется к водопроводной магистрали (или к трубопроводу системы оборотного водоснабжения), а сливной коллектор – к магистрали сливной канализации (или к водосборнику). Параметры воды для охлаждения: избыточное давление в питающей магистрали 0,2 ÷ 0,4 МПа (2 ÷ 4 кгс/см2); температура на входе не более – 20 ˚С; температура воды на выходе не более – 45 ˚С; расход охлаждающей воды при нагреве не более – 4,5 м3/ч.

2.5. Печной трансформатор
Электропитание нагревателя осуществляется от понижающего трансформатора, первичные обмотки которого подключены к тиристорному регулятору мощности. Режим работы нагревателей контролируется с помощью сенсорной панели оператора и контроллера. Система регулирования температуры обеспечивает автоматическое программное управление нагревом, с выполнением заданных значений скоростей нагрева и охлаждения, требуемых для конкретного термического процесса.

2.6. Шкаф электропитания и управления
Вся контрольно-измерительная аппаратура и система световой сигнализации, включая систему автоматического управления, выполнена на базе микропроцессорного контроллера и размещена в шкафу электропитания и управления. Он установлен на каркасе Электропечи. Сенсорное управление Электропечи расположено на двери шкафа электропитания и управления.
Предусмотрено проведение отжига и пайки деталей в ручном и автоматическом режимах. Также предусмотрена блокировка, исключающая подъем колпаков во всех режимах работы Электропечи.
Система автоматического управления выполнена на базе промышленного контроллера с человеко-машинным интерфейсом в виде сенсорной панели оператора. Средства измерительной техники сертифицированы на территории РФ. Система автоматического управления обеспечивает архивацию в цифровом и графическом виде параметров технологического процесса, а также выполняет диагностику состояния ряда элементов Электропечи в случае возникновения аварийных ситуаций (обеспечение безопасности), контроль работы всех механизмов перемещения (выдается ошибка-сообщение в окне панели оператора, срабатывает защита механизма работающего с перегрузкой). Сообщения об аварийных ситуациях также дублируется с помощью звуковой и световой сигнализации.

к.ф.-м.н. Шулаев В.М.,
Жорняк В.Ю.,
к.т.н. Редкокаша А.П.,
к.т.н. Листопад Д.А.
 
Страница: 2 3 4 5 6 7 
 
© Публикация любых материалов сайта возможна только с разрешения владельца и при условии активной ссылки на сайт.