Высокотемпературные печи сопротивления

Высокие температуры в печах сопротивления достига­ются использованием нагревателей из карборунда или дисилицида молибдена. В твердосплавной промышлен­ности нашли широкое применение печи с молибденовы­ми и графитовыми нагревателями, работающие в атмосфере водорода.

На рис. 143 показана муфельная двухзонная печь для спекания твердых сплавов. При спекании изделия должны медленно нагреваться, поэтому первая зона имеет температуру до 1000° С. Муфель для этой зоны из­готавливается из стали, а в качестве нагревателя ис­пользуется нихром. Во второй зоне завершается нагрев и происходит спекание загруженных в лодочки изделий при температуре 1400—1550° С. Муфель в высокотемпе­ратурной зоне делается из переплавленного алунда с не­большой добавкой огнеупорной глины в качестве связу­ющего материала. Нагреватель выполняется из молиб­деновой ленты толщиной 0,8—1,0 мм или из проволоки диаметром 1,0—2,0 мм, которые наматываются на му­фель и снаружи обмазываются огнеупорной глиной с алундом. Оба муфеля с нагревателями 4 устанавлива­ются в кожухе печи 2. Тепловая изоляция печи выполня­ется из ультралегковесного кирпича 5 и засыпки из про­каленного технического глинозема 3, обладающей хоро­шими теплоизоляционными свойствами при высокой температуре и при наличии водорода в кожухе печи. Во­дород, обладая большой теплоемкостью и большим ко­эффициентом диффузии, при наличии крупных пор в те­пловой изоляции обычно сильно увеличивает ее тепло­проводность. Только мелкие поры глинозема и закрытые поры ультралегковеса позволяют сохранить их тепло­изолирующие свойства в присутствии водорода. К кожу­ху печи примыкают загрузочный 6 и разгрузочный 1 пат­рубки. Разгрузочный патрубок охлаждается водой и позволяет снизить температуру выгружаемых из печи изделий. Спекаемые изделия загружаются в контейнеры (лодочки) из графита, которые толкателем 7 продвига­ются через печь. Водород, необходимый для процесса и для защиты молибдена от окисления, подается навстре­чу двигающимся изделиям. Это позволяет ему нагре­ваться от горячих изделий до входа в горячую зону, а затем отдавать свое тепло двигающимся навстречу хо­лодным изделиям. Этим осуществляется частичная ре­куперация тепла. Выпуск водорода производится со сто­роны загрузки. На выходе из патрубка его поджигают, чтобы по факелу контролировать поступление водорода в печь, и, что самое главное, при его сгорании исключа­ется возможность образования взрывоопасной гремучей смеси в помещении.

Нагреватели включаются в сеть через понижающие трансформаторы с напряжением на низкой стороне 35—70 В. Питание пониженным напряжением, хотя и увели­чивает стоимость установки, но зато позволяет избе­гать межвитковых замыканий нагревателя и пробоя на корпус. Электропроводность керамического муфеля при высокой температуре значительно возрастает. Питание каждого муфеля производится самостоятельно, что поз­воляет создавать нужный температурный профиль печи. Температура по зонам поддерживается автоматически с помощью термопар 8. Тепловой к. п. д. печи достигает 45%. Срок службы нагревателей колеблется от 3—4 месяцев до года и более. Срок службы зависит от качества керамики, сборки и условий эксплуатации. Подобные конструкции печей применяются для водородного вос­становления окислов молибдена, вольфрама и других металлов.

Т рубчатая печь с графитовыми нагревателями

На рис. 144 показана трубчатая печь с графитовым нагревателем, позволяющая получать порошки карби­дов вольфрама и титана при температуре до 2300° С. Они применяются и при производстве литых карбидов ме­таллов при температуре до 3000° С. Печь состоит из на­ружного металлического кожуха толщиной 3—5 мм, ча­ще всего круглого, диаметром 500—700 мм с торцовыми крышками толщиной 10—20 мм. По оси горизонтально расположенного цилиндрического кожуха проходит гра­фитовая нагревательная труба, внутренняя полость ко­торой является рабочим пространством печи. Через нее проходят графитовые цилиндрические лодочки, откры­тые сверху, в которых находится шихта — смесь окисла с углеродом. К трубе с помощью специальных контакт­ных устройств подводится электрический ток низкого напряжения (10—20 В).

Часто печи работают с защитной атмосферой (водо­род), что позволяет увеличить срок службы нагревате­ля. Защитный газ подается со стороны выгрузки изде­лий и двигается по трубе противотоком с нагреваемыми изделиями. При выходе из трубы у места загрузки во­дород поджигается. Как и в молибденовых печах, здесь происходит некоторая рекуперация тепла. К графитовой трубе примыкают загрузочный и разгрузочный патруб­ки, закрываемые с торцов крышками. Разгрузочный патрубок имеет водяное охлаждение и двойной затвор(шлюз), который делается для того, чтобы при выгрузке лодочки воздух не попадал в печь и не ускорял сгора­ние графитовой трубы.

При конструировании кожуха печи следует учиты­вать, что он представляет собой замкнутый виток вок­руг проводника с током (нагревательной трубы). Боль­шой ток, проходящий по трубе, создает магнитный поток вокруг трубы и наводит вихревые токи в кожухе. Эти потери могут составлять 10—20% от общего расхода электроэнергии и сильно разогревать кожух печи. Умень­шить этот вид потерь можно, изготавливая кожух из немагнитной стали. При эксплуатации печи происходит частичное ее вы­горание. Дополнить сажу можно во время ремонта через металлические, закрываемые лючки на кожухе печи. Недостатком сажи является загрязнение цеха при ре­монте печей. Слои изоляции, примыкающие к кожуху, могут выполняться из легковесного огнеупора, что сок­ращает объем используемой сажи. В некоторых случа­ях вокруг нагревателя устанавливается экранная труба из графита. Это облегчает смену нагревателя при ремон­те и позволяет не выгружать сажу. Малый срок служ­бы экранной трубы значительно удорожает эксплуата­цию печи. Нагревательная труба с внутренним диамет­ром 75—130 мм и длиной 1—1,5 м вытачивается из графитированных электродов марки ЭГ-0 и ЭГ-1. При­менение графита позволило значительно увеличить срок службы труб по сравнению с угольными благодаря большой механической прочности графита и меньшей окисляемости на воздухе. Однако меньшее электричес­кое сопротивление графитовых нагревателей по сравне­нию с угольными приводит к необходимости работать с меньшим напряжением, но с большим током. Это вы­зывает увеличение электрических потерь в цепи пита­ния, контактных устройствах и снижает электрический к. п.д. установки. Угольные трубы продолжают приме­нять лишь в печах малого размера.

В графитотрубчатых печах трудно управлять рас­пределением температуры по длине печи. Местное изме­нение толщины стенок трубы оказывает малое влияние на распределение температуры. Срок службы графито­вых труб зависит от температуры в печи, наличия за­щитной атмосферы, проводимого процесса и колеблется от нескольких дней до 2—3 мес.

Контактное устройство для подвода тока к графитовому нагревателюНа рис. 145 показан один из вариантов устройства для подвода тока к нагревателю. На графитовую трубу плотно надевается графитовый конус 2, а на него — кон­тактная головка 4, прижимаемая к конусу и трубе бол­тами 5. Электрический ток к контактной головке подво­дится шиной 3. Загрузочный патрубок и холодильник крепятся болтами 1, имеющими электроизоляционные прокладки. Контактная головка в свою очередь должна быть изолирована от кожуха печи. При монтаже печи следует обращать особое внимание на хорошую подгон­ку соприкасающихся частей, в противном случае полу­чается большое переходное сопротивление и в контакте будет теряться значительная часть мощности печи. Кон­тактные головки разогреваются как за счет мощноста, теряемой в контакте, так и вследствие теплопроводно­сти графитовой трубы и корпуса. Обычно в двух контактных головках теряется от 15 до 25% мощности пе­чи. Контактные головки чаще всего изготавливают из меди или бронзы с водяным охлаждением.

Питание печи электрическим током осуществляется от понижающего трансформатора с напряжением 10—20 В на низкой стороне и 220—380 В на высокой. Транс­форматор целесообразно располагать возможно ближек печи (под печью). Температуру регулируют изменени­ем напряжения, подводимого к трансформатору, для че­го могут быть использованы автотрансформаторы с от­водами или регуляторы напряжения с плавным регули­рованием напряжения под нагрузкой. Температуру в печи можно регулировать вручную и автоматически. Для контроля температуры печи используют оптический пирометр, которым измеряют температуру через специ­альное окно со стеклом в крышке разгрузочного патруб­ка печи. Для удобства замера иногда внутри трубы сверху укрепляют графитовую пластинку (маяк), на которую наводят пирометр.

Автоматическое регулирование осуществляют, под­держивая постоянной либо мощность печи, либо темпе­ратуру. Встречаются определенные трудности в выборе датчика температуры в связи с высокой температурой в печи и атмосферой, содержащей окись углерода и уг­леводороды.

При расчете размеров муфельных и графитотрубча­тых печей исходят из общей производительности, разме­ров лодочки, массы изделий и времени пребывания из­делий в печи.

Черная и цветная металлургия