Вакуумные печи

      Глава четвертая

      КОНСТРУКЦИЯ УЗЛОВ ВАКУУМНЫХ

      ЭЛЕКТРОПЕЧЕЙ

      4-1. КОЖУХИ

      Назначение  кожуха в вакуумной электропечи  — обеспечить возможность монтажа элементов конструкции и герметизировать рабочее пространство.

      В качестве материалов для изготовления кожухов применяется листовой и сортовой прокат из малоуглеродистой и нержавеющей стали.и в ряде случаев, с целью экономии нержавеющих сталей, биметаллический лист (из нержавеющей и малоуглеродистой стали).

      Кожухи  печей сопротивления, работающих при  давлении до 10~⁴ мм рт. ст., если технология не предъявляет дополнительных требований, выполняются из малоуглеродистых марок стали, а при давлении ниже чем 10^⁴ мм рт. ст. внутренняя поверхность печей должна быть нержавеющей. Во многих случаях нержавеющую сталь для кожухов применяют и для низковакуумных электропечей. Это объясняется тем, что нержавеющие кожухи легко моются и очищаются от грязи, что очень часто весьма важно. Иногда, когда требования к чистоте внутренней камеры особенно велики, внутренние поверхности кожухов из нержавеющей стали полируют. Кожухи индукционных вакуумных печей всегда выполняются из немагнитных марок обычно нержавеющей стали.

      Стали, применяемые для кожухов, должны хорошо свариваться и поддаваться механической обработке.

      а] Некоторые вопросы конструирования и охлаждения

      Кожухи  должны обладать большой механической прочностью, так как они испытывают значительные на-

      86

 

      

      «ость трансформатора также снижается) приводит к не-доиспользовашда трансформатора по мощности при питании печи на пониженных ступенях напряжения.

      Наиболее  универсальным решением следует  считать последовательное соединение понижающего ступенчатого трансформатора и автотрансформатора с плавным регулированием напряжения (р«с. 4-23), при этом достигается оптимальное использование обоих трансформаторов, а также весьма плавное регулирование теплового режима печи. Для непосредственного питания нагревателей вакуумных электропечей сопротивления не следует применять автотрансформатор ввиду того, что значительная разность потенциалов между нагревателями и корпусом ■печи может привести к пробою на корпус.

      4-6. ГРАФИТОВЫЕ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

      'По  конструктивному принципу графитовые  нагреватели можно подразделить на стержневые, трубчатые и секционные. Эта классификация не претендует на полноту, но она охватывает основные типы применяемых графитовых нагревателей.

      Стержневой  нагреватель переменного сечения  (рис. 4-24,а) имеет среднюю рабочую часть и крайние выводные части. Рабочая часть нагревателя по длине должна соответствовать внутреннему размеру нагревательной камеры печи. Диаметр рабочей части нагревателя устанавливается расчетом. При этом проверяется его механическая прочность, рассчитывается омическое сопротивление и соответственно величина питающего напряжения, а также температура на нагревателе.

      Проверку  механической прочности нагревателя, если последний расположен горизонтально, ведут по известным формулам расчета балок на изгиб. С достаточной степенью точности нагреватель может быть приравнен к балке переменного сечения, расположенной на двух опорах и изгибающейся под действием нагрузки, соответствующей весу нагревателя.

      Обычно  в электропечах устанавливается  не один, а несколько параллельно расположенных нагревателей. При прохождении в них токов взаимодействие магнитных полей, созданных этими токами, приводит к возникновению изгибающих напряжений в нагревателях. При этом, если токи, проходящие в нагревателях, значительные, расстояние между нагревателями невелико и длина 140

 

      

      

      п

      д)

      Рис. 4-24. Варианты исполнения графитовых нагревателей.

      а—стержневой (состыкованный из двух частей); 6 — трубчатый однофазный;   в — трубчатый   трехфазный;    г — трубчатый   коаксиальный; д — плоский секционный. 

      141

 

      

      нагревателей  большая, изгибающие напряжения могут  разрушить нагреватели. Поэтому необходимо определять силы взаимодействия магнитных полей параллельно расположенных нагревателей и проверять механическую прочность нагревателей с учетом этих сил.

      Поскольку питание нагревателей обычно осуществляется от стандартных понижающих трансформаторов, имеющих определенные ступени напряжения, сечение нагревателя подгоняется таким образом, чтобы его сопротивление соответствовало питающему напряжению.

      Удельные  поверхностные нагрузки (мощность на единицу поверхности нагревателя) для графитовых нагревателей оказывают весьма существенное влияние на их работу, даже если температура на поверхности нагревателя находится в пределах допустимой.

      Дело  в том, что графитовый нагреватель  обычно массивен и его диаметр доходит до нескольких сантиметров. Коэффициент теплопроводности графита при комнатной температуре выше 100 ккал/м • град • ч, с повышением температуры резко понижается и при 1 700— 2 500° С достигает 20—30 ккал/м- град • ч. В результате может образоваться значительный температурный перепад между сердцевиной и наружной поверхностью нагревателя, что в свою очередь вызовет механические напряжения внутри нагревателя за счет неодинакового его удлинения по сечению. Последнее обстоятельство может привести к разрушению нагревателя.

      Рекомендуется проводить поверочный расчет прочности графитового нагревателя следующим образом. Сначала определяется температура средних слоев сечения нагревателя

      для нагревателя в виде круглого стержня

      w. f«.p = *,.o« + 0,216-f W\

      для нагревателя в виде пластины с  шириной, много большей толщины,

      W$ + 01С8      10*

      где t_cev — температура в середине нагревателя, ° С;

      (пое—температура на поверхности нагревателя, °С; W — удельная поверхностная нагрузка на нагревателе, ег/слг²; d — диаметр цилиндрического нагревателя, м; о — толщина плоского нагревателя, м;

      X — коэффициент теплопроводности графита при температуре нагревателя, ккал/м ■ град ■ ч.

      142

 

      

      Зная  температуры поверхностных и  серединных слоев нагревателя, можно определить напряжения растяжения его поверхностных слоев

      Д/=Д/_сер—А/пов;

      ПОСКОЛЬКУ Al_cep = atcepl И Л/пов = а^пов/,

      А/ = а/(^сср—/пов), где /—длина нагревателя;

      а — коэффициент линейного расширения графита. Напряжения растяжения а, возникающие на поверхности, будут равны:

      Ы

      aj=E-j-, к Г,'мм²,

      где Е — модуль упругости для графита.

      Если  величина а больше допустимого напряжения на растяжение для данной марки графита, конструкция нагревателя должна быть пересмотрена с целью снижения удельных поверхностных нагрузок.

      Выводные  части нагревателя обеспечивают подвод тока к рабочей части, поэтому они должны иметь с ней хороший электрический контакт. Выводные части в свою очередь должны разрешать подсоединение к ним токо-подводящих контактных устройств. Кроме того, в выводных частях графитовых нагревателей потери энергии должны быть сведены к минимуму.

      Лучшим  решением является изготовление нагревателя и выводных частей из одной заготовки. В этом случае переход от рабочей части к выводной делается плавным с тем, чтобы в месте изменения сечения не создавать местных механических напряжений, могущих вызвать поломку нагревателя. Если размеры графитовых заготовок не позволяют этого сделать, допускается резьбовое соединение отдельных частей. В графитовых стержневых нагревателях допускается сборка на резьбе не только выводных концов с рабочей частью нагревателя, но и отдельных отрезков рабочей части нагревателей между собой (рис. 4-24,а). Такое соединение не приводит к заметному ухудшению работоспособности нагревателя. Для соединения графитовых деталей пользуются метрической резьбой. Рекомендуется применять только крупную резьбу. Внутренний диаметр резьбы должен быть не менее диаметра рабочей части нагревателя. Длина нарезной части берется равной полутора диаметрам резьбы. Глубина сверления в выводной части нагревателя должна быть такой, чтобы обеспечить возможность произведения свертывания рабочей и выводной частей до упора, создав натяжение и тем самым обеспечив улучшение электрического контакта вывода с нагревателем.

      Часто для улучшения контакта между  свертываемыми электродами применяют графитовую пасту, которой предварительно смазывается резьба свертываемых деталей. Паста представляет собой смесь тонкого графитового порошка с бакелитовым лаком и по консистенции соответствует густой сметане. После сборки деталей на этой пасте нужно подогреть соединение до температуры 120—140° С и выдержать его в течение 0,5—1 ч.

      При этом бакелитовый лак полимеризуется, и соединение становится достаточно прочным. Обычно применяют два варианта конструкции выводных частей нагревателя: для соединения нагревателя с контактными башмаками с помощью резьбы и для клинового соединения.

      Диаметр выводной части нагревателя определяется из соображений минимума потерь энергии. В выводе имеют место два вида потерь: первые — электрические потери, связанные с протеканием через вывод электрического тока и равные произведению квадрата тока на сопротивление выводной части; вторые — тепловые, связанные с отводом тепла через вывод теплопроводностью от его горячего конца к холодному. С точки зрения минимума электрических потерь выгодно иметь большой диаметр. С точки зрения минимума тепловых потерь представляется желательным иметь малый диаметр. Таким образом, при определении размеров выводной части нагревателя необходимо исходить как из конструктивных соображений, так и из соображений минимума суммарных потерь. Обычно диаметр выводной части в 1,5—2 раза больше диаметра рабочей части нагревателя.

      Подвод  тока к стержневым нагревателям осуществляется с помощью контактных башмаков. Конструкция этих башмаков весьма ответственна и требует тщательного изготовления. Контактные башмаки работают в чрезвычайно тяжелых тепловых условиях, определяемых как излучением на них тепла через щели между футеровкой и выводной частью нагревателя, так и тепла, передаваемого им теплопроводностью по графиту. Рабочая температура электропечей с графитовыми нагревателями, как правило, высока и поэтому мощность теплового потока на башмак может достигнуть нескольких киловатт. Этот тепловой поток по сечению башмака распределяется неравномерно, и в некоторых местах плот-144

 

      

      ность его может достигнуть весьма больших  величин, способных привести к местному перегреву и даже расплавлению. Для предотвращения расплавления башмака, обеспечения надежного контакта с нагревателем, а также вывода его токоподводящего конца за пределы вакуумного пространства через резиновое уплотнение башмак делают водоохлаждаемым. Из соображений минимальных электрических потерь, а также лучшего охлаждения башмак выполняется медным. Как правило, не удается сделать башмак цельным без паек водоох-лаждаемых полостей. Наличие же паек может привести к тому, что при значительных тепловых перенапряжениях и недостаточном отводе тепла от отдельных мест башмака пайка может нарушиться и вода попадет в разогретое рабочее пространство и испортит загрузку, а в некоторых случаях может вызвать серьезную аварию. Поэтому башмак должен охлаждаться весь и иметь минимальное количество паек, особенно подвергающихся действию прямого высокотемпературного излучения. Для 'более надежной работы спаянных мест необходимо, чтобы они были полностью разгружены от механических нагрузок и выполняли только герметизирующую роль.