Повышение энергетической эффективности высокотемпературных вакуумных печей сопротивления с экранной теплоизоляцией тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.10, кандидат наук Митяков, Филипп Евгеньевич

• Митяков, Филипп Евгеньевич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Митяков, Филипп Евгеньевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ РАЗВИТИЯ ВАКУУМНЫХ ПЕЧЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ С ЭКРАННОЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЕЙ

1.1. Технологические процессы, реализуемые в вакуумных печах сопротивления

1.2. Конструкции современных печей сопротивления с экранной теплоизоляцией

1.3. Системы управления нагревателями с высоким значением коэффициента электрического сопротивления

1.4. Формулирование целей и задач исследования

Выводы по главе 1

ГЛАВА 2. МОДЕРНИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИЙ, СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ВАКУУМНЫХ ПЕЧЕЙ СОПРОИТВЛЕНИЯ

2.1. Постановка задачи по разработке уточненных моделей

2.2. Разработка уточненной модели вакуумной печи сопротивления с экранной теплоизоляцией

2.3. Регулятор температуры электрической печи сопротивления с ограничением тока нагревателей

2.4. Регулятор температуры с переключением ступеней напряжения трансформатора

2.5. Регулятор температуры с адаптивной токовой отсечкой

2.6. Разработка модели комбинированной теплоизоляции вакуумной печи

сопротивления с применением неметаллической засыпки

Выводы по главе 2

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ И СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ВАКУУМНЫХ ПЕЧЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ

3.1. Исследование системы электропитания вакуумных печей сопротивления с переключением ступеней напряжения трансформатора

3.2. Исследование систем управления вакуумных печей с нагревателями из тугоплавких металлов

3.3. Исследование влияния превышения мощности в регуляторах мощности печей сопротивления

3.4. Исследование применения пористых оксидных материалов в качестве неметаллической засыпки для теплоизоляции вакуумных печей

сопротивления

Выводы по главе 3

ГЛАВА 4. РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ВАКУУМНЫХ ПЕЧЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ

4.1. Разработка критерия оценки экономической эффективности вакуумной печи сопротивления

4.2. Разработка программного пакета для теплового расчета вакуумной печи сопротивления с экранной и комбинированной теплоизоляцией

4.3. Рекомендации по выполнению экранной теплоизоляции с неметаллической засыпкой

4.4. Рекомендации по реализации систем управления вакуумными печами

сопротивления

Выводы по главе 4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение энергетической эффективности высокотемпературных вакуумных печей сопротивления с экранной теплоизоляцией»

ВВЕДЕНИЕ

Современное развитие науки и техники в основополагающих отраслях промышленности, а также исследования в этих областях требуют создания надежных и экологически чистых вакуумных электропечей сопротивления (ВПС) [17,19].

Принято считать классической [57,59] классификацию электрических печей сопротивления (ЭПС) по температуре на низко- (до 600+700 °С), средне- (700-И 300 °С) и высокотемпературные (свыше 1300 °С) печи. Первая граница обуславливается преобладанием передачи тепла от нагревателя к садке посредством конвекции, вторая - ограничением температуры применения сплавов сопротивления (фехрали и нихромы) в качестве нагревателей. В связи с тем, что вакуум - это атмосфера с пониженным давлением, передача тепла конвекцией в нем отсутствует. Поэтому первая граница разделения ВПС по температуре связана с предельной температурой применения никельсодержащих сплавов в вакууме. Вторая граница разделения ВПС с экранной теплоизоляцией чисто условна и отделяет установки с нагревательными элементами, выполненными из молибдена и вольфрама. Конструктивно средне- и высокотемпературные печи с экранной теплоизоляцией схожи и, как правило, рассматриваются совместно.

Учитывая все вышесказанное ВПС можно классифицировать по температуре применения на:

- низкотемпературные печи (до 1150 °С);

- среднетемпературные печи (1150-И 600 °С);

- высокотемпературные печи (свыше 1600 °С).

Вакуумные печи обладают существенными преимуществами [19,21,22]. В них обеспечиваются:

- сохранение исходной поверхности изделий;

- снижение тепловых потерь в 2 -2,5 раза по сравнению с нагревом в среде эндогаза и в 3-3,5 раза - в водороде;

- повышение пожаро- и взрывобезопасных технологических процессов;

- природоохранные требования;

- во многих случаях повышение качества изделий;

- повышение уровня комфортности для обслуживающего персонала.

Для ряда технологических процессов, когда необходима малая тепловая инерция печи или существуют повышенные требования к чистоте и однородности рабочего пространства печи необходимо применять ВПС с экранной теплоизоляцией, что позволяет выделить данные установки в отдельный ряд электрических печей сопротивления [13,53].

Тепловые параметры вакуумных печей с экранной теплоизоляцией существенно хуже, чем у футерованных печей. Но, несмотря на повышенный расход электроэнергии, для большинства перечисленных технологических процессов, когда требуется повышенная чистота или необходима малая тепловая инерция печи, применение ВПС с экранной теплоизоляцией оправдано. Такой процесс, как вакуумное ионное азотирование, даже при температурах 600-700 °С требует металлических нагревателей и экранов [17,19]. Процесс спекания танталовых анодов для конденсаторов требует не просто наличия металлических нагревателей и экранов в рабочем пространстве печи, а именно выполненных из тантала для создания сверхчистового рабочего пространства, способствующего получению сверхчистых анодов с определенными параметрами токов утечки.

С целью улучшения энергетической эффективности печей с экранной теплоизоляции необходимо подбирать оптимальный комплект металлических экранов для решения конкретных задач, зная обрабатываемый в печи материал, номинальную температуру, рабочее давление и т.д. Методика выбора числа и материалов экранов в литературе отсутствует. Все рекомендации сводятся к тому, что установка более семи экранов в печи снижает тепловые потери совсем незначительно, а материал экрана выбирается в зависимости от его рабочей температуры.

Постоянный рост стоимости электроэнергии в России делает целесообразным решение задачи выбора числа и материала экранов на основе экономических критериев.

В качестве нагревателей высокотемпературных ВПС с экранной теплоизоляцией, работающих при температурах до 2200 °С, используются тугоплавкие металлы (молибден, вольфрам, тантал, ниобий) и сплавы на их основе. Тугоплавкие металлы имеют характерную особенность: высокое значение температурного коэффициента электрического

сопротивления [8,23,30,36,49]. Это приводит к тому, что электрическое сопротивление нагревателя, выполненного из тугоплавких металлов, при нагреве и охлаждении изменяется в 10+15 раз, а, следовательно, во столько же раз (в соответствии с законом Ома) изменяется и мощность, выделяемая в нагревателе. Классический способ решения задачи «плавного» выхода на режим предусматривал использование понижающего трансформатора с большим числом ступеней напряжения. Для применения такой системы управления в настоящее время, а также для выбора модели трансформатора, числа ступеней и шага напряжения, необходимо разрабатывать модели, позволяющие сэкономить время на подборке оптимальных динамических характеристик, а также настройки регулятора. Настройка параметров регуляторов температуры ЭПС для каждой новой печи вручную трудоемкая и финансово затратная операция. Это делает целесообразным разработку уточненной модели печи, параметры которой могут быть определены на основе паспортных данных печи.

Кроме того, с целью упрощения системы управления, а также повышения качества переходных процессов при разогреве печи целесообразно использовать различные способы ограничения тока на нагревателях с использованием «токовых отсечек».

Второй проблемой, связанной с применением, нагревателей из тугоплавких металлов является сложность размещения нагревательного узла с высоким значением излучения поверхности в печах малого объема. В силу

Страница|6

разных особенностей в прямоугольных печах 3-И 6 литров применение листового нагревателя невозможно, а прутковый нагреватель обладает слишком малой площадью излучаемой поверхности, вследствие чего, в процессе нагрева значительно перегревается (по отношению к температуре в печи). В связи с этим, исследования по улучшению конструкций ВПС с экранной теплоизоляцией должны быть направлены на разработку нагревательных блоков с плоскими нагревателями.

Кроме того, необходимо отметить, что вакуумные печи сопротивления с экранной теплоизоляцией обладают крайне высокими тепловыми потерями (порядка 75-85%) [16,17,19]. Учитывая это, а также постоянный рост стоимости электроэнергии в России, необходимо произвести исследования, направленные на модернизацию экранной теплоизоляции. Для решения этой проблемой перспективным кажется применение высокопористых оксидных материалов, не взаимодействующих с металлами при высокой температуре.

Произведя анализ состояния развития ВПС с экранной теплоизоляцией, автором было установлено, что изменение конструкции установок данного типа должны быть в первую очередь направлены на разработку плоских ленточных нагревателей с высоким значением площади излучаемой поверхности, а также на повышение качества теплоизоляции.

Помимо изменения конструкций, совершенствование ВПС должно быть связано: с разработкой специализированных программных пакетов для более качественного расчета ВПС; с улучшением системы управления; и с повышением экономической эффективности установок.

Для совершенствования вакуумных печей сопротивления с экранной теплоизоляции необходимо комплексно применять новые конструктивные решения по выполнению нагревательных элементов, а также повышать энергетическую эффективность установок данного класса за счет экономически обоснованного выбора теплоизоляции и улучшения системы управления.

На основании изложенного задача совершенствования конструкций и систем управления вакуумных печей сопротивления является актуальной.

Цель диссертационной работы - повышение энергетической эффективности электрических печей сопротивления на базе современных конструкций нагревательных блоков и современных способов реализации системы управления.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Анализ состояния развития вакуумных печей сопротивления, особенности выполнения конструкций нагревательных блоков печей, влияние технологического процесса, реализуемого в установках.

2. Разработка уточненных моделей вакуумных печей сопротивления с экранной и комбинированной теплоизоляцией под решение конкретных задач.

3. Исследование влияния числа ступеней переключения напряжения трансформатора на максимальный бросок тока в нагревателях вакуумных печей сопротивления, выполненных из тугоплавких металлов.

4. Исследование динамических характеристик вакуумных печей сопротивления при использовании различных способов ограничения тока в регуляторах температуры.

5. Исследование влияния нелинейности регулятора мощности на показатели переходных процессов в вакуумных печах сопротивления.

6. Исследование рационального выбора комплекта теплоизоляция с учетом разработанного критерия минимума экономических затрат.

7. Разработка методики теплового расчета вакуумных печей сопротивления с комбинированной теплоизоляцией.

8. Разработка программного пакета для исследования материалов, которые целесообразно применять в качестве неметаллической засыпки в комбинированной теплоизоляции вакуумной печи сопротивления.

Основные положения диссертации рассмотрены в следующих разделах:

Страница|8

Во Введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследований, дана общая характеристика работы.

В первой главе проводится анализ тенденций развития вакуумных печей сопротивления с экранной теплоизоляцией, конструкций нагревательных блоков, методов регулирования температуры на нагревателях из тугоплавких металлов. Рассматриваются особенности технологических процессов в вакуумных печах сопротивления.

Во второй главе разрабатываются уточненные модели регуляторов температуры печей сопротивления, обеспечивающие плавный выход на режим нагревателей с высоким коэффициентом термического сопротивления. Разработаны модели ВПС с экранной и комбинированной теплоиозяцией, учитывающую неоднородность печи, как объекта управления. Предложена модель температуры с переключением ступеней напряжения трансформатора. Разработана модель регулятора температуры с ограничением тока, а также предложена система управления с адаптивной токовой отсечкой.

Разработана модель модифицированной экранной теплоизоляции с учетом применения неметаллической засыпки в зоне наиболее горячих экранов. Предложена методика теплового расчета по выбору числа экранов, а также толщины засыпки при применении комбинированной теплоизоляции.

Третья глава посвящена исследованию конструкций, систем

электропитания и управления вакуумных печей сопротивления. Исследованы

системы электропитания нагревателей с высоким значением коэффициента

электрического сопротивления. Установлено, что согласно критерию

минимума броска тока, рекомендуется выбирать трансформатор,

обеспечивающий «плавный» выход нагревателей на режим, за четыре

последовательных переключения ступеней напряжения. Предложены

оптимальные настройки регуляторов температуры с точки зрения плавного

выхода нагревателей на режим. Установлено, что согласно критерию

минимального времени разогрева печи, превышение мощности регулятора

Страница|9

п> 2 не приводит к заметному снижению времени разогрева печи, зато увеличивает стоимость тиристорного регулятора мощности. Показано, что применение засыпки из пористых оксидных материалов между наиболее нагретыми экранами позволяет значительно повысить энергетическую эффективность теплоизоляции.

В четвертой главе рассмотрены вопросы технической реализации нового способа управления нагревателями с высоким коэффициентом термического сопротивления и применение регулятора температуры с ограничением по току. Разработан программный пакет, позволяющий быстро решать задачи сложного теплообмена (излучение + теплопроводность). Разработан критерий оценки минимума экономических затрат с целью повышения энергетической эффективности экранной теплоизоляции. На основании разработанного критерия предложено оптимальное число и материалы экранов для вакуумных печей с различными номинальными температурами. Показано влияние изменения цен на электроэнергию и тугоплавкие металлы на выбор оптимального комплекта теплоизоляции.

В Заключении обобщены основные результаты работы.

В Приложении приведена: разработанная программа для теплового и экономического расчета вакуумных печей сопротивления с экранной и комбинированной теплоизоляцией Shield's Thermal Insulation.

Тематика диссертации соответствует второму и третьему пунктам области исследований специальности 05.09.10 - Электротехнология:

№2 - обоснование совокупности технических, технологических, экономических, экологических и социальных критериев оценки принимаемых решений в области проектирования, создания и эксплуатации электротехнологических комплексов и систем.

№3 - разработка, структурный и параметрический синтез электротехнологических комплексов и систем, их оптимизация, разработка алгоритмов эффективного управления.

X. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ РАЗВИТИЯ ВАКУУМНЫХ ПЕЧЕЙ

СОПРОТИВЛЕНИЯ

1.1. Технологические процессы, реализуемые в вакуумных печах сопротивления с экранной теплоизоляцией

Вакуум считается идеальной нейтральной средой. Нагрев в вакууме необходим при проведении следующих технологических процессов [16,21,52,53]:

- отжига для снятия напряжений после деформации изделий различной конфигурации (трубы, профили, прутки, полосы), а также после их сварки;

- отжига для фазовой перекристаллизации путем нагрева выше температур превращения и охлаждения с малой скорость, приводящей сплав к структурному равновесию (применяется для сварных и литых конструкций);

- рафинирования и спекания металлов, а также оксидов, нитридов, боридов и других соединений;

сушки деталей и изделий электронной промышленности, трансформаторов, электродвигателей, изоляторов, силовых конденсаторов, химических материалов, пищевых продуктов;

- закалки деталей из конструкционных сплавов легированных металлами, активно взаимодействующими с кислородом, азотом, водородом, окисью углерода СОг и т.п.;

- старения (отпуска) для придания сплаву структурного равновесия в процессе изготовления ответственных узлов газовых турбин, ядерных реакторов, самолетов, ракет;

- нагрева перед прокаткой или прессованием заготовок изделий из тугоплавких и высокоактивных композиций;

- пайки твердыми припоями без применения флюсов для получения надежных соединений деталей в электровакуумных приборах, при

1: \Ш Ш(

производстве газовых турбин, в атомной технике, в самолето- и ракетостроении;

- исследования различных свойств материалов: физико-механических характеристик, давления насыщенного пара и скорости испарения, качества и состава газов и т.п.

Тепловые параметры вакуумных печей с экранной теплоизоляцией существенно хуже, чем у футерованных печей. Но, несмотря на повышенный расход электроэнергии, для большинства перечисленных технологических процессов, когда требуется повышенная чистота или необходима малая тепловая инерция печи, должны применяться ВПС с экранной теплоизоляцией.

Такой процесс, как вакуумное ионное азотирование, даже при температурах 600-700 °С требует металлических нагревателей и экранов. Процесс спекания танталовых анодов для конденсаторов требует не просто наличия металлических нагревателей и экранов в рабочем пространстве печи, а именно выполненных из тантала для создания сверхчистового рабочего пространства, способствующего получению сверхчистых анодов с определенными параметрами токов утечки.

Для технологических процессов, требующих минимальной быстроты натекания (например, для обезгаживающего отжига деталей), нашли применение шахтные низкотемпературные электропечи с экранной теплоизоляцией, обладающие сравнительно небольшим газовыделением с внутренних поверхностей нагревательной камеры.

Широкое применение получили вакуумные печи с экранной теплоизоляции для спекания различных материалов (например, титана и циркония). Нагреватели и теплоизоляция в таких установках, как правило, выполнены из молибдена.

В процессе спекания из изделий удаляется оставшийся после дегазации

водород в количестве до 0,1+0,01%. Кроме того, при низких температурах

выделяются газы (азот, кислороды, пары воды), адсорбированные в процессе

Страница | 12

прессования поверхностью порошка. Эти газы при 300-400 °С и выше образуют с титаном стойкие химические сопротивления. В связи с этим температурный режим термообработки титана должен быть установлен таким образом, чтобы обеспечить небольшую скорость нагрева на этапе до 300-400 °С, способствующую откачки адсорбированных газов вакуумной системой. А также быстрый нагрев может привести к неравномерной по сечению усадке, что в свою очередь вызовет образование на поверхности трещин.

В садочных футерованных электропечах, особенно крупных, может наблюдаться нестабильность свойств изделий или частей изделия вследствие нарушения равномерности температурного поля электропечи в процессе нагрева и охлаждения. Поэтому применение таких печей для спекания ответственных деталей нежелательно [12-14].

Рис. 1.1. Элеваторная электропечь 1СЭВ-2,5.5/20Э для отжига и спекания

высокотемпературных материалов

При спекании высокотемпературных материалов (ванадия, ниобия, тантала) рекомендовано использовать нагревательные элементы из вольфрама, а теплоизоляцию из комбинированного набора экранов, выполненных из вольфрама и молибдена. На рис. 1.1 представлена элеваторная печь 1СЭВ-2,5.5/20Э предназначенная для реализации данных процессов термообработки. Трехфазный нагреватель из отдельных прутков навешен на массивные вольфрамовые фазные дуги, соединенные с неохлаждаемыми вольфрамовыми токоподводами. Такая конструкция в сравнении с водоохлаждаемыми токоподводами снижает до 30% потери через токоподводы и позволяет увеличить зоны равномерного нагрева по высоте до 25%.

Технологический процесс пайки в вакууме применяется обычно для деталей из материалов, нагрев которых в защитных средах недопустим или для материалов, взаимодействующих с флюсами. При пайке в вакууме качество паяного шва может быть значительно выше, чем при пайке в газах, за счет обезгаживания припоя и отсутствия окисных пленок на спаиваемых поверхностях. Преимуществом высоковакуумных печей для пайки является отсутствие окисления даже наиболее активных к кислороду компонентов основного металла и припоя. Паяные швы, полученные при пайке в высоком вакууме, отличаются прочностью, плотностью и коррозионной стойкостью. Недостатками пайке в вакууме является сложность, высокая стоимость оборудования и низкая производительность процесса [21].

Такое разнообразие технологических процессов требовало интенсивного изучения и модернизации конструкций и систем управления вакуумных печей.

Свое развитие ВПС получили в СССР в 60-70-е годы XX века главным

образом в связи с возникновением новых областей техники таких, как

атомная и ракетная, а также в связи с бурным качественным развитием

металлургии черных, цветных и редких металлов, электроники, авиации и пр.

Известно, что до перестройки развитие ВПС происходило в семь раз быстрее,

Страница | 14

чем других печей сопротивления вместе взятых. В 70х годах прошлого века в СССР за 10 лет разработано около 40 типов, и ежегодно выпускалось около 200 вакуумных печей сопротивления с экранной теплоизоляцию мощностью 20000 кВт. А за последующие 10 лет (70-80е годы) было изготовлено более 9 тысяч вакуумных печей сопротивления различных типов [16,22,53].

Большой вклад в развитие ВПС в 60-70-х года 20 века внесли исследования и изучения свойств различных материалов в вакууме, проводившиеся в лаборатории Всесоюзного научно-исследовательского института электротермического оборудования (ВНИИЭТО) под руководством Мармера Э.Н.

За это время был написан ряд основополагающих трудов по изучению и проектированию вакуумных печей сопротивления, среди которых можно выделить: «Материалы вакуумных электропечей», 1959 г. Мармера Э.Н., «Вакуумные электрические печи (сопротивления и индукционные)», 1968 г. Лейканда М.С., «Вакуумные печи с экранной теплоизоляцией», 1970 г. в соавторстве Фомина В.М. и Слободского А.П., «Электропечи для термовакуумных процессов», 1977 г. в соавторстве Мармера Э.Н. и Мурованной С.Г.

Также следует отметить две работы на соискание степени кандидата технических наук: «Исследование теплообмена в вакуумных печах сопротивления 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 в России практически прекратился, что связано с политическим и экономическим состоянием в стране. В первом десятилетии XXI века промышленность в России получила новый толчок к развитию. В связи с этим возобновился интерес к отечественному печестроению. Основными

предпосылками к изучению и совершенствованию ЭПС в России, в последнее время, стали:

- выход из строя на большинстве заводов России советских сконструированных установок, запущенных в работу в 60-70-х годах XX века, что привело к высокому спросу на данное оборудование;

- рывок иностранных компаний, производящих электротермическое оборудование;

- высокая стоимость иностранного электротермического оборудования. Современное состояние науки, а также развитие новых отраслей, таких

как нанотехнологии, накладывают новые дополнительные требования к разработке современных вакуумных печей сопротивления.

1.2. Конструкции современных печей сопротивления с экранной

теплоизоляцией

Среди элементов конструкции ВПС с экранной теплоизоляцией можно выделить два: нагревательные элементы и пакет металлических экранов.

Нагреватели, Нагреватель является основным узлом любой электрической печи сопротивления. Работа нагревателей происходит обычно в очень тяжелых температурных условиях, часто при предельно-допустимыхтемпературах для материала, из которого они выполнены. В связи с этим срок службы нагревательных элементов электропечи значительно ниже, чем у остальных механизмов и конструкционных узлов установки [56,57].

Срок службы нагревателей зависит от очень многих факторов: конструкции нагревателей и печи в целом; режима работы; способа регулирования температуры; величины натекания в печи и газовыделения из садки; а также многих других. Однако, при работе в вакууме, при высоких температурах скорость испарения материала нагревателей становится основополагающим фактором, определяющим срок его службы. Испарение нагревателя приводит к уменьшению его сечения и как следствие к увеличению его электрического сопротивления и уменьшению механической прочности. Практика показала допустимость уменьшения сечения нагревателя на 20% [17,19,57].

В качестве нагревателей высокотемпературных ВПС с экранной теплоизоляцией, работающих при температурах до 2200 °С, используются тугоплавкие металлы (молибден, вольфрам, тантал, ниобий) и сплавы на их основе.

Конструирование нагревателей из тугоплавких металлов представляет зачастую довольно сложную задачу [2,6,46,47]. Эта сложность объясняется как особенностью технологических свойств этих металлов (трудность сварки, механической обработки), так и химическим взаимодействием их с керамическим элементами печи.

Нагреватели высокотемпературных вакуумных электропечей из тугоплавких металлов можно разделить на четыре группы [70].

Первая группа - спиральные или зигзагообразные нагреватели (рис. 1.2) из проволоки. Эти нагреватели мало отличаются от аналогичных нагревателей в обычных электропечах. Спиральные нагреватели изготавливаются обычно из проволоки диаметром до 2-К2,5 мм. Зигзагообразный нагреватель делается из проволоки большего сечения, чем спиральный, так как он должен обладать большей жесткостью и достаточной теплоотдающей поверхностью.

Недостатком таких нагревателей является малое значение излучающей поверхности нагревателя по отношению к воспринимающей поверхности садки, что приводит к значительному увеличению температуры на нагревателе в сравнении с номинальной температурой печи. Например, нагреватель, представленный на рис. 1.26, имеет температуру на 900 °С больше температуры печи [16].

120 _ 83

Рис. 1.2а. Зигзагообразный молибденовый нагерватель

Рис.2б. Вольфрамовый нагреватель вакуумной печи сопротивления СНВЭ-1.3.1/16

Вторая группа — проволочные нагреватели в виде стержней и шпилек (рис. 1.3). Нагреватели этой группы допускают большие удельные поверхностные нагрузки, чем спиральные, так как условия теплопередачи у них лучше и экранирование меньше. Для изготовления таких нагревателей применяется толстая проволока диаметром 5-6 мм. Наиболее сложными

Страница | 18

Рис. 1.3. Вольфрамовый шпилечный нагреватель

задачами при конструировании нагревателей этого типа являются устройства крепления

отдельных стержней, при этом обязательно нужно учитывать их температурное расширение.

Основным недостатком нагревателей этой группы являются повышенные тепловые потери, связанные с вводом в горячее пространство печи массивных водоохлаждаемыхтокоподводов, а также наличие большого количества мест тепловых коротких замыканий через нагревательные стержни. Кроме того, представляется крайне затруднительным выполнение нагревателей такого рода в печах с большим рабочим пространством. К числу недостатков следует также отнести снижение температуры торцов печи и невозможность регулирования температуры по высоте печи путем разделения на тепловые зоны. Печи с нагревателями такого рода всегда выполняются однозонными.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Митяков, Филипп Евгеньевич, 2014 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Автоматическое управление электротермическими установками: учебник для вузов / A.M. Кручинин, K.M. Махмудов, Ю.М. Миронов и др.; под ред. А.Д. Свенчанского. -М.: Энергоатомиздат, 1990. - 416 с.

2. Баринов Ю.М., Становой Ю.М., Касаткина Л.И. Усовершенствование нагревательной камеры электропечи СШВЛ-1.2,5/25 М01 // Электротермия. 1976. Вып. 10(170). С. 11-12.

3. Вакуумное электротермическое оборудование: достижения и перспективы. Минков О.Б., Сухарев A.B., Сухарев В.А. Металлург, 2011. №1. с. 79-84.

4. Долбилин Е.В.. Пешехонов В.И. Источники питания электротехнолоогических установок: учебное пособие. - М. Издательство МЭИ, 2003.82 с.

5. Дэшман С. Научные основы вакуумной техники. М.: Мир, 1964. 716 с.

6. Жуков В.В., Мармер Э.Н., Хазанов Э.Е. Исследование основных узлов методических вакуумных печей с рабочей температурой до 1200 °С // Электротермия. 1961. №2. С. 21-27.

7. Исследования при высоких температурах: пер. с англ. под ред. В.А.Кириллина, А.Е. Шейндлина. Издательство «Наука». М.: 1967 г. 484 с.

8. Истомин Г.Н., Мармер Э.Н. Определение срока службы вольфрамовых нагревателей//Электротермия. 1974. Вып. 11(147). С. 8-9.

9. Кац. С.М. Высокотемпературные теплоизоляционные материалы. — М.: Металлургия, 1981-232с.

10. Ковалев М.Н., Васильев Ю.Э. Вакуумные системы электропечей и их инженерный расчет. -М.: Энергоатомиздат, 1983. - 112 с.

11. Левина И.А. Исследование условий службы керамики из окислов в высокотемпературных вакуумных печах: автореф. дис.... канд.техн. наук. М., 1969. 16 с.

12. Лейканд М.С. Вакуумные электрические печи. М., «Машиностроение», 1977, 52 с.

13. Лейканд М.С. Вакуумные электрические печи (сопротивления и индукционные), М., «Энергия», 1968. - 328 с.

14. Лейканд М.С. Конструкции вакуумных электропечей сопротивления. М.: Госэнергоиздат, 1961. 120 с.

15. Ляпунов А.И. Новое поколение вакуумных печей для термической обработки // МиТОМ. 2000. №1. С. 22-27.

16. Мармер Э.Н. Александр Данилович Свенчанский - крупнейший организатор электротермии XX века// Электротехнология на рубеже XX-XXI веков//Сб. докл. Науч.-техн. Семинара, посвященного 100-летию профессора А.Д. Свенчанского. - М.: Издательство МЭИ, 2005. С. 36-40.

17. Мармер Э.Н. Вакуум в порошковой металлургии. - М.: Мордвинцев, 2011.-320 с.

18. Мармер Э.Н. Графоаналитический метод расчета эксплуатационных характеристик вакуумных электропечей сопротивления // МНЖ Альтернативная энергетика и экология. 2007. № 8(52). с. 16-19.

19. Мармер Э.Н. Материалы для высокотемпературных вакуумных установок. - М.: ФИЗМАЛИТ, 2007. - 152 с.

20. Мармер Э.Н., Гурвич О.С., Мальцева Л.Ф. Высокотемпературные материалы. М.: Издательство «Металлургия». 1967. 216 с.

21. Мармер Э.Н., Мурованная С.Г., Васильев Ю.Э. Электропечи для термовакуумных процессов. - 2 изд., перераб. И доп. - М.: Энергоатомиздат, 1991.-232 с.

22. Мармер Э.Н., Элькин В.А., Захматова Э.И. Вакуумные технологии и печи для термической обработки и спекания легированных сталей//Технология металлов. 2008, №7. С. 51-55.

23. Материалы для электротермических установок: Справочное пособие / Н.В. Большакова, К.С. Борисанова, В.И. Бурцев и др.; Под ред. М.Б. Гутмана. -М.: Энергоатомиздат, 1987. - 296 с.

24. Мезенин С.М. Динамические модели ЭПС на основе ДСЗ и совершенствование автоматизированной системы управления электронагревом. Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Е., УГТУ-УПИ,2005. 22 с.

25. Минеев А.Р., Коробов А.И., Погребисский М.Я. Моделирование электротехнологических процессов и установок. М.: Компания Спутник+, 2004. -125 с.

26. Минков О.Б., Сухарев A.B., Сухарев В.А. Вакуумное электропечное оборудование нового поколения // Metal Russia. 2008. С. 14-17.

27. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. Изд. 2-е. М.: «Энергия», 1977. 344 с.

28. Мухин В.М. Исследование изменения степени черноты в процессе нагрева изделий и его влияние на тепловыделение в области электропечей сопротивления. Дис. ... канд. техн. наук. -М., ВНИИЭТО, 1970. - 174 с.

29. Наладка автоматических систем и устройств управления технологическими процессами. Справочное пособие./Под ред. A.C. Клюева. — М.: МЭИ, 1977,-400 с.

30. Пелецкий В.Э., Вельская Э.А. Электрическое сопротивление тугоплавких металлов: Справочник/ Под ред. акад. А.Е. Шейндлина. — М.: Энергоиздат, 1981. - 96 с.

31. Петрова В.А., Ягодкина Т.В. Математическое описание линейных непрерывных систем автоматического управления. Учебное пособие по курсу «Теория автоматического управления». — М.: МЭИ, 1992.

32. Пипко А.И., Плисковский В.Я., Пенчко Е.А. Конструирование и расчет вакуумных систем. Изд. Третье, перераб. и доп. М.: «Энергия», 1979. 504 с.

33. Погребисский М.Я. Микропроцессорные системы управления электротехнологическими установками: учебное пособие. М.: Изд. дом МЭИ, 2008. - 92 с.

34. Погребисский М.Я. Разработка способов и систем регулирования температуры электропечей сопротивления с улучшенными энергетическими показателями: Диссертация. ... канд. техн. наук. — М., 2001.

35. Погребисский М.Я. Теплопередача в электрических печах сопротивления: учебное пособие/ М.Я. Погребисский, O.K. Киренская, Н.Г. Батов. -М.: Издательский дом МЭИ, 2009. - 104 с.

36. Погребисский М.Я., Батов Н.Г. Материалы электрических печей сопротивления: учебное пособие. М.: Изд-во МЭИ, 2011. - 92с.

37. Погребисский М.Я., Батов Н.Г. Расчет электрических печей сопротивления: учебное пособие. М.: Изд-во МЭИ, 2012. - 80с.

38. Полубояринов Д.Н., Левина И.А., Мальцева Л.Ф., Савранская Л.М., Мармер Э.Н. Исследование скорости испарения и контактной устойчивости высокоогнеупорной окисной керамики и огнеупорных бетонов к тугоплавким металлам в вакууме // Электротермия. Научно-техн. сб. (ЦИНТИЭП). 1969. Вып. 89. С. 10.

39. Розанов Л.Н. Вакуумная техника: Учебник для вузов/Л.Н. Розанов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2007. - 391 с.

40. Рубинчик Л.Е. Водородные электрические печи. М.: Энергия, 1971. 104 с.

41. Рубцов В.П. Исполнительные элементы систем автоматического управления электротехнологическими установками: учебное пособие, под ред. Долбилина E.B. М.: Изд-во МЭИ, 2001. - 56с.

42. Рубцов В.П. Релейно-контакторные системы управления: учебное пособие, под ред. Долбилина E.B. М.: Изд-во МЭИ, 1996. - 55 с.

43. Рубцов В.П. Релейно-контакторные и логические системы управления электротехнологическими установками: учебное пособие. М.: Изд. дом МЭИ, 2011, 80 с.

44. Рубцов В.П., Погребисский М.Я. Моделирование в технике: учебное пособие. М.: Изд. Дом МЭИ, 2008. - 104 с.

45. Самсонов Г.В., Винницкий М.В. Тугоплавкие соединения: справочник. М.: Металлургия, 1976. 560 с.

46. Слободской А.П. Исследование теплообмена в вакуумных печах сопротивления с экранной теплоизоляцией. Диссертация канд. техн. наук., ВНИИЭТО, М., 1969. - 16 с.

47. Слободской А.П. Рубин Г.К. Расчет температуры нагревателей вакуумных электропечей сопротивления с экранной теплоизоляцией, «Электротермия», вып.81, 1969, с. 24-26.

48. Смелянский М.Я., Кручинин A.M. Технология производства и основы конструирования вакуумных электрических печей: учебное пособие. М., МЭИ, 1970. 70 с.

49. Сплавы для нагревателей./ Жуков JI.JI., Племянникова И.М., Миронова М.Н., Баркая Д.С., Шумков Ю.В. - М.: Металлургия, 1985.

50. Структурное моделирование тепловых процессов в электротермических установках: учебное пособие / В.В. Гоман, С.М. Мезенин, В.А. Прахт, С.Ф. Сарапулов, Ф.Н. Сарапулов, С.А. Федореев; под общ. ред. Ф.Н. Сарапулова. - Екатеринбург: УГТУ_УПИ, 2009. - 343 с.

51. Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов. Учеб. пособие для вузов. Изд. 4-е, перераб. и доп. М., «Энергия», 1976. 544 с.

52. Фомин В.М. Исследование высоковакуумных электропечей с экранной теплоизоляцией и влияние неизотермических режимов на выбор откачных систем: Диссертация. ... канд. техн. наук. - М., 1972.

53. Фомин В.М., Слободской А.П. Вакуумные электрические печи сопротивления с экранной теплоизоляцией, М., «Энергия», 1970. - 96 с.

54. Цыпкин Я.З. Основы теории автоматических систем. М., «Наука», 1977, 560 с.

55. Чередниченко B.C., Бородачев A.C., Артемьев В.Д. Электрические печи сопротивления. Том 1. Теплопередача и расчет электропечей сопротивления. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. 624 с.

56. Чередниченко B.C., Бородачев A.C., Артемьев В.Д. Электрические печи сопротивления. Том 2. Конструкции и эксплуатация электропечей сопротивления. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. 572 с.

57. Электрические промышленные печи. Учебник для вузов. В 2-х ч. Ч. 1. А. Д. Свенчанский. Электрические печи сопротивления. Изд. 2-е, перераб. М., «Энергия», 1975. - 384 с.

58. Электрооборудование и автоматика электротермических установок: /Справочник/ Альтгаузен А.П. и др.; Под ред. А.П. Альтгаузеиа и др. - М.: Энергия, 1978.

59. Электротермические установки (электрические печи сопротивления): учебное пособие / Б.А. Сокунов, JI.C. Гробова. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2004. 122 с.

60. Электротехнический справочник: В 4 т. Т.4. Использование электрической энергии/ Под общ. ред. профессоров М/И В.Г. Герасимова и др. (гл. ред. А.И. Попов). - 8-е изд., испр. и доп. - М.: Издательство МЭИ, 2002. — 696 с.

61. Electric heating element: The Kanthal Super Handbook. PRIMAtryck, Hallstahammar, 1999. 161 p.

62. R.J. Fradette. Methods of improving vacuum furnace insulation efficiencies // Industrial Heating. September, 2013.

63. J. Pritchard. Hot-zone design for vacuum furnaces // Industrial Heating. September, 2007, p. 95-98.

64. R.Waitz. Muffle furnaces for temperatures from 200-1200 °C with controlled atmospheres and vacuum // Heat Processing. 1/2008, p. 34-38.

65. R.Waitz, A. Wilfart. Investigation of the thermal insulation for a high temperature furnace under varying atmospheres and pressures // Heat Processing. 3/2006, p. 207-213.

66. R. Waitz, P. Wubben. Resistance heated furnaces for protective gas and vacuum operation // Heat Processing. 1/2011, p. 29-38.

67. Митяков Ф.Е. Анализ срока службы нагревателей в высокотемпературных вакуумных печах сопротивления // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Шестнадцатая Междунар. науч-техн. конф.

студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3 т. Т. 2. М.: Издательский дом МЭИ,

2010. - С. 179-181.

68. Митяков Ф.Е. Особенности построения экранной теплоизоляции в ВПС. Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий АПЭЭТ-

2011. Сборник научных трудов. Екатеринбург: ФГАОУ ВПО УрФУ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, 2011. - С.74-79.

69. Митяков Ф.Е. Разработка модели высокотемпературной вакуумной печи сопротивления с экранной теплоизоляцией // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Восемнадцатая Междунар. науч-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 4 т. Т. 2. М.: Издательский дом МЭИ,

2012. -С. 359.

70. Митяков Ф.Е. Сравнение конструкций нагревателей для вакуумной печи сопротивления типа СНВЭ // Труды XIV Международной конференции Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты. МКЭЭЭ-2012, Крым, Алушта, Украина. С. 300-302.

71. Митяков Ф.Е. Экономическая оценка вариантов выполнения экранной теплоизоляции в вакуумных печах сопротивления // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Семнадцатая Междунар. науч-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3 т. Т. 2. М.: Издательский дом МЭИ, 2011. -С. 208-209.

72. Митяков Ф.Е. Экономический анализ применения экранной теплоизоляции в вакуумных печах сопротивления. Вестник МЭИ, 2011, №4, с. 80-84.

73. Митяков Ф.Е., Горячих Е.В. Варианты исполнения систем управления нагревателями из тугоплавких металлов // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Девятнадцатая Междунар. науч-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 4 т. Т. 2. М.: Издательский дом МЭИ, 2013. С. 308.

74. Митяков Ф.Е., Горячих Е.В. Исследование влияния переключения ступеней напряжения трансформатора на работу регуляторов температуры в

высокотемпературных вакуумных печах сопротивления // Электротехника. -2013, №7, с. 33-37.

75. Митяков Ф.Е., Горячих Е.В. Критерий минимума экономических затрат для рационального выбора комплекта экранной теплоизоляции // Энерго- и ресурсосбережение — XXI век: Сборник материалов XI международной научно-практической интернет-конференции. - Орел: Госуниверситет-УНПК, 2013.-е. 118-121.

76. Митяков Ф.Е., Горячих Е.В. Моделирование "кривой разогрева" ЭПС с учетом теплотехнических параметров установки в среде 81шиНпк МаЙаЬ // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Восемнадцатая Междунар. науч-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 4 т. Т. 2. М.: Издательский дом МЭИ, 2014. - С. 294.

77. Митяков Ф.Е., Горячих Е.В. Модернизация регулятора температуры в вакуумных печах сопротивления с нагревателями из тугоплавких металлов // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Семнадцатая Междунар. науч-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3 т. Т. 2. М.: Издательский дом МЭИ, 2011. С. 207.

78. Митяков Ф.Е., Горячих Е.В. Сравнительный анализ систем управления нагревателями с высоким значением коэффициента электрического сопротивления // Энерго- и ресурсосбережение — XXI век: Сборник материалов XI международной научно-практической интернет-конференции. - Орел: Госуниверситет-УНПК, 2013. - с. 115-118.

79. Митяков Ф.Е., Журжи Д.П. Автоматизированный расчет параметров теплопередачи в ВПС с экранной теплоизоляцией // Энерго- и ресурсосбережение - XXI век: Сборник материалов X международной научно-практической интернет-конференции. - Орел: Госуниверситет-УНПК, 2012. — с. 126-128.

80. Митяков Ф.Е., Журжи Д.П. Разработка программного пакета для

расчета экранной теплоизоляции вакуумной печи сопротивления с учетом

экономического критерия // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика:

Страница|126

Восемнадцатая Междунар. науч-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 4 т. Т. 2. М.: Издательский дом МЭИ, 2012. - С. 360.

81. Патент РФ на полезную модель № 98602, МПК G05D 23/19. Регулятор температуры электропечи сопротивления // В.П. Рубцов, Е.В. Горячих, Ф.Е. Митяков. - №2010124622/08; Заявл. 17.06.2010; Опубл. 20.10.2010. Бюл. №29.1с.

82. Патент РФ на полезную модель № 130419, МПК G05D 23/19. Регулятор температуры электропечи сопротивления (варианты) // В.П. Рубцов, Ф.Е. Митяков., Е.В. Горячих. - №2012149040/08; Заявл. 19.11.2012; Опубл. 20.07.2013. Бюл. №20. - 1с.

83. Рубцов В.П., Митяков Ф.Е. Модификация экранной теплоизоляции в высокотемпературных вакуумных печах сопротивления. Вестник МЭИ, 2011, №1, с. 36-40.

84. Рубцов В.П., Митяков Ф.Е. Повышение эффективности энергопотребления вакуумной печи сопротивления путем рационального выбора экранной теплоизоляции // Энерго- и ресурсосбережение - XXI век: Сб. материалов VIII-ой Междунар. научн.-практич. интернет-конференции. - Орел: Издательский дом «ОРЛИК» и К, 2010. - С. 121-123.

85. Рубцов В.П., Митяков Ф.Е. Регулятор температуры в вакуумной печи сопротивления с ограничением тока // Труды XIV Международной конференции Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты. МКЭЭЭ-2012, Крым, Алушта, Украина. С. 306-308.

86. Рубцов В.П., Митяков Ф.Е. Системы управления нагревателями из тугоплавких металлов с ограничением тока // Энерго- и ресурсосбережение — XXI век: Сборник материалов X международной научно-практической интернет-конференции. - Орел: Госуниверситет-УНПК, 2012. - с. 129-131.

87. Рубцов В.П. Митяков Ф.Е., Журжи Д.П. Программа для ЭВМ. Экранная теплоизоляция - Shield's Thermal Insulation. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012614489. Заяв. № 2012611998. Зарегистрировано 18 мая 2012 г.

88. Рубцов В.П., Митяков Ф.Е., Горячих Е.В., Кручииии A.M. Влияние ограничения тока нагревателей на работу регуляторов температуры в высокотемпературных вакуумных печах сопротивления. Вестник МЭИ, 2012, №2, с.80-84.

89. Митяков Ф.Е., Горячих Е.В. Системы управления печей сопротивления с нагревателями из тугоплавких металлов. Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий АПЭЭТ-2014. Сборник научных трудов. Екатеринбург: ФГАОУ ВПО УрФУ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, 2014. - С.88-93.

90. Rubtsov V.P., Mitiakov Р.Е. Shield's thermal insulation modification in vacuum resistance furnace // Abstracts 13th ICEEE-2010. September 19-25, 2010 Alushta, Crimea, Ukraine. - P. 114-115.