ГРАФОАНАЛИТИЧЕКИЙ МЕТОД РАСЧЕТА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВАКУУМНЫХ ЭЛЕК ТРОПЕЧЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Конструкционные материалы

Structural materials

ГРАФОАНАЛИТИЧЕКИЙ МЕТОД РАСЧЕТА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВАКУУМНЫХ ЭЛЕКТРОПЕЧЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Э. H. M ар мер

■ЗьРйЕ- Member of the International Editorial Board

On basic of joint analysis of heat losses of furnaces and enthalpy of loading the graphical-analytic method has been created. This method is useful to calculate capacity of vacuum resistance furnaces and specific consumption of electrical energy and cooling water.

There are examples of calculation of heating and cooling from 1600-2000 °C to 100 °C for 40 kinds of high temperature materials with density from 2 to 16 kg/dm3.

Известно, что до перестройки развитие вакуумных электропечей сопротивления в мировой практике происходило в семь раз быстрее, чем других печей сопротивления, вместе взятых. Следует отметить, что в 70-80 годах прошлого века в СССР было изготовлено более 9 тысяч вакуумных печей сопротивления. Все они использовались в различных отраслях промышленности и в научных разработках.

Известно [1, 2], что вакуумные печи имеют существенные преимущества. В них обеспечиваются:

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

- повышение пожаро- и взрывобезопаснос-ти технологических процессов;

- природоохранные требования;

- во многих случаях повышение качества изделий;

- повышение уровня комфортности для обслуживающего персонала.

Поэтому на уровне 1999-2000 годов вакуумная термообработка в мировой практике составляла 20-25 % общего объема деталей, обрабатываемых в защитных газах, соляных ваннах и др. видов сред. Особенно значительный эффект был получен при термообработке изделий из быстрорежущих сталей (Р18, Р6М5 и др.), где на 80-85 % использовался вакуум [3].

Ускоренное развитие таких важнейших отечественных отраслей, как атомная энергетика, авиационно-космический комплекс, оборонная, судостроительная и специальное машиностроение не представляется возможным без анализа

экономических аспектов производства. Они характеризуются данными по эксплуатационным параметрам процессов, которые должны сравниваться с аналогичными параметрами различных конкурирующих фирм-призводителей. К числу таких параметров применительно к вакуумным печам следует отнести производительность, а также удельные расходы электроэнергии и воды.

Графоаналитический метод позволяет дать оценку этим характеристикам для уже разработанных вакуумных печей сопротивления. Этот метод дает возможность проанализировать весь цикл технологического процесса, включающий нагрев, выдержку при заданной температуре и охлаждение вместе с печью до температуры выгрузки, преимущественно до 100 °С. Кроме того рассмотрены варианты при охлаждении садки до 200 и до 50 °С.

Экспериментальные исследования длительности охлаждения вакуумных печей с двумя видами теплоизоляции — экранной и объемной — дают возможность оценить производительность и другие эксплуатационные характеристики.

Результаты экспериментов на печах с объемной (СНВГ-16/16) и с экранной (СНВЭ-16/16) теплоизоляциями, приведенные на рис. 1 и 2, показывают, что на кривых, характеризующих изменения температуры печи от времени охлаждения, наблюдаются три участка:

1. Высокотемпературный участок от температуры 1600-2000 до 1000-1100°С;

2. Среднетемпературный участок от 10001100 до 300°С;

Статья поступила в редакцию 30.08.2007 г. Ред. per. № 122. The article has entered in publishing office 30.08.2007. Ed. reg. No. 122.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 8(52) 2007 . -

© 2007 Scientific Technical Centre «TATA»

т, 2200

2000 1800 1600 1400 1200 1000 S00 600 400 200

\

2\ , \

1 \

S \\

V

■а:

7 S 9 10 20 30 40 50 60 SO JO 100 120 150 1302ÜÜ 240 300 400 500 600

t, МИН

Рис. 1. Температурная зависимость длительности охлаждения в вакууме печи СНВГ-16/16 при загрузке материалами с у = 15 кг/дм?: 1 — печь без загрузки; 2 — печь с загрузкой 10 кг; 3 — печь с загрузкой 20 кг; 4 — печь с номинальной загрузкой 35 кг

3. Низкотемпературная часть кривой охлаждения от 300 °С до температуры выгрузки.

Отдельные участки кривой плавно переходят от одного к другому.

Сравнительно просто просчитывается зависимость на первом участке от 1600-2000 °С (или от другой температуры технологического процесса) до температуры 1000-1100 °С, причем длительность этого участка не превышает 20 мин.

Можно рассчитать длительность охлаждения на втором участке от 1000 до 300 °С.

Более сложным для анализа участка кривой охлаждения является интервал температур ниже 300 °С, поэтому эти величины определяются экспериментально для температур выгрузки контейнера (200, 100 или 50 °С).

Если охлаждение от номинальных температур (1600, 1800, 2000, 2200 °С) до 1100-1000 °С является сравнительно кратковременным процессом (~20 мин), поскольку основную роль в нем играет излучение, то для температур ниже 1000 °С преобладающим фактором является теплопроводность теплоизоляции.

Для расчетов этого участка принято, что величина теплового потока через теплоизоляцию будет одинакова в случаях и нагрева, и охлаждения. Поэтому, имея данные по тепловым потерям для установившегося режима при каждой температуре, можно рассчитать и время охлаждения самой теплоизоляции печи без загрузки. При охлаждении загрузки тепловой поток также должен пре-

одолеть тепловое сопротивление теплоизоляции печи.

Длительность охлаждения теплоизоляции обычно для вакуумных печей без загрузки определяется экспериментально. Во ВНИИЭТО это было сделано для печей серии СНВЭ (СНВЭ-1.3.1/16, СНВЭ-1.3.1/20, СНВЭ-16/16) и СНВГ (СНВГ-4/16, СНВГ-4/22, СНВГ-16/16, СНВГ-16/22, СНВГ-30/20).

Проведенные эксперименты на печах без загрузки показали, что снижение температуры обратно пропорционально логарифму длительности охлаждения, как это можно видеть из графиков, представленных на рис. 1 — печь СНВГ-16/16), рис.2 — печь СНВЭ-16/16, а технические характеристики — в табл. 1.

Загрузка, определяющая время охлаждения, принималась как для номинальной массы, так и для ее частей.

Уменьшение температуры массы садки подчиняется той же зависимости, что и теплоизоляция печи без загрузки.

Длительность охлаждения существенно зависит от загрузки, теплосодержание которой необходимо определить в зависимости от номинальной массы.

2200

2000

1800

1600

1400

1200

1000

800-

600

400

200

V

+

1 ч/\ s!

2

30 40 50 ЙО S090100 120150130200 J

мин

Рис. 2. Температурная зависимость длительности охлаждения в вакууме печи СНВЭ-16/16 при загрузке материалами с у = 15 кг/дм?: 1 — печь без загрузки; 2 — печь с номинальной загрузкой 30 кг; 3 — печь с загрузкой 10 кг

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 8(52) 2007 © 2007 Научно-технический центр «TATA»

Водородная экономика Конструкционные материалы

Таблица 1

Техническая характеристика вакуумных электропечей

Параметр Тип печи

СНВГ-16/16 СНВГ-30/20 СНВЭ-16/16

Номинальная мощность, кВт 20 28 32

Мощность потерь, кВт 16,1 25 27

Мощность вакуумной системы, кВт 2,75 2,75 4,75

Номинальная температура, °С 1600 2000 1600

Номинальная масса, кг 35 60 30

Остаточное давление, Па 1,0 1,0 10-2

Расход охлаждающей воды, м3/ч 1,0 1,6 1,5

Размеры рабочего пространства (Ь, Ь, к), м 0,4x0,2x0,2 0,55x0,25x0,23 0,4x0,2x0,2

Габаритные размеры (Ь, Ь, к), м 1,9x1,5x1,85 2,0x1,5x1,85 2,2x1,9x2,25

Масса печи, т 0,95 0,95 2,0

П р и м е ч а н и я : 1) Ь — длина, Ь — ширина, к — высота; 2) печи СНВГ-16/16 и СНВГ-30/20 с блоками из УУКМ, печи СНВЭ-16/16 — на основе тугоплавких металлов; 3) печи СНВГ-16/16 и СНВГ-30/20 прошли экспериментальную проверку в течение 6—8 лет, а печь СНВГ-30/20 испытыва-лась при загрузке 70 кг.

Известно, что теплосодержание загрузки зависит как от ее массы, так и от теплоемкости и температуры. Для упрощения расчетов теплоемкости используется открытая нами зависимость [4], при которой произведение удельной теплоемкости Суд (ккал/кг-град) на удельную массу г (кг/дм3) является постоянной величиной, равной 1 ккал/дм3-град.

Удельные массы наиболее применяемых веществ (около 50 видов) целесообразно распределить по группам и для каждой группы подсчитать теплосодержание, соответствующее номинальной массе загрузки, как это представлено в табл. 2 на примере печей СНВГ-16/16 и СНВЭ-16/16 при массе загрузки 30-35 кг — табл. 1.

Тепловые потери при более низких температурах за счет уменьшения теплосодержания и определяют длительность охлаждения загрузки. Мощность потерь экспериментально определяется для каждого интервала температур по специальному графику и может быть представлена в более удобном для расчетов виде — ккал/с,

Зависимость теплосодержания от температуры

а величины теплосодержания, в зависимости от интервала температур, берутся из табл. 2.

Длительность охлаждения для каждого интервала температур и мощностей потерь может быть подсчитана по выражению т = АQ/АР, где АQ — снижение теплосодержания по температурным интервалам, ккал; АР — мощность потерь на отдельном участке, ккал/с.

Таким образом, может быть подсчитана длительность охлаждения номинальной массы загрузки, которая представляет собой сумму охлаждения номинальной массы загрузки и тепловых потерь теплоизоляции печи.

Общая длительность цикла подсчитывает-ся по времени нагрева до номинальной температуры (обычно, 2-4 ч), выдержки при номинальной температуре (обычно, 1-2 ч) и охлаждения в вакууме до температуры 100 °С.

Расчет эксплуатационных характеристик сделан для печей СНВГ-30/20, СНВГ-16/16 и СНВЭ-16/16, характеристики которых представлены в табл. 1.

Таблица 2

и массы для печей СНВГ-16/16, СНВЭ-16/16

Интервал удельных масс, кг/дм3 Примеры нагреваемых материалов Теплосодержание, ккал, при температуре, °С

1600 1400 1200 1000 800 600 300 200 100

2 ± 0,3 графит, BN, B 25440 22260 19080 15900 1275 9540 4770 3180 1590

3 ± 0,3 SiC, AlN, Si3N4, MgO, CaO, B4C 18720 16380 14040 11700 9360 7020 3500 2330 1170

4 ± 0,3 Al2O3 , TiB2 14000 12250 10500 8750 7000 5250 2625 1750 875

5 ± 0,5 ZrC, TiC, TiN, Y2O3,ZrO2, LaB6, Ti, V, Y, Zr 11200 9800 8400 7000 5000 4200 2100 1400 700

8 ± 1 Nb, NbC, ZrN, Nb2N, MoSi2, ZrB2, MoB, Cr 7000 6125 5250 4375 3500 2625 1310 875 440

10 ± 1,5 Mo, ThO2, HfO2, UO2, TaO2 5600 4900 4200 3500 2800 2100 1050 700 350

15 ± 1,5 WC + Co, TaC, ШС, WC, VC, Ta2N, WB 3730 3260 2800 2330 1860 1400 700 460 230

19 ± 2 W, Ta, Re, Pt, Au, U 2940 2580 2210 1840 1470 1100 550 370 185

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 8(52) 2007

© 2007 Scientific Technical Centre «TATA»

Таблица 3

Эксплуатационные характеристики печи СНВГ-30/20 при загрузке материалами с различной плотностью, кг/дм3: 2 ± 0,3 (графит, нитрид бора и др.), 5 ± 1 (И, У, 7г02 фиаииты, НС, 7гС и др.), 15 ± 1,5 (твердые сплавы, WC, ТаС и др.)

1. Для режима: нагрев — 4 ч, выдержка — 2 ч, РЭ — 140 кВт-ч

Длительность цикла с охлаждением, ч, Удельный расход электроэнергии, кВт-

я Производительность, кг/ч, для загрузок с плотностью у, кг/дм3 Удельный расход воды, м3/кг для загрузок плотностью у, кг/дм3

S х г до 100 °С для загрузок 1 3 ч/кг, для загрузок с плотностью у, кг/дм3

а

2 ± 0,3 5 ± 1 15 ± 1,5 2 ± 0,3 5 ± 1 15 ± 1,5 2 ± 0,3 5 ± 1 15 ± 1,5 2 ± 0,3 5 ± 1 15 ± 1,5

60 36,6 16,7 12,25 1,64 3,6 4,9 4,01 3,1 2,9 0,98 0,45 0,33

40 27,2 14,6 11,0 1,47 2,74 3,04 5,37 4,5 4,76 1,09 0,58 0,44

20 16,7 13,3 9,75 0,12 1,5 2,65 9,3 8,83 8,34 1,34 1,06 0,78

10 13,0 10,3 9,1 1,3 1,03 0,91 17,8 16,8 16,5 2,08 1,65 1,45

2. Для режима: нагрев — 2 ч, выдержка — 1 ч, РЭ — 70 кВт- ч

60 33,6 13,7 9,25 1,79 4,38 6,49 2,7 1,79 1,59 0,9 0,36 0,25

40 24,2 11,6 8,0 1,65 3,45 5,0 3,41 2,55 2,3 0,97 0,46 0,32

20 13,7 10,3 6,75 1,46 1,94 2,96 5,38 4,92 4,43 1,1 0,82 0,54

10 10,0 7,3 6,1 1,0 1,37 1,64 9,75 9,0 8,68 1,6 1,17 0,98

П р и м е ч а н и я : РЭ — расход электроэнергии на нагрев и выдержку; мощность вакуумной системы — 2,75 кВт; удельный расход воды — 1 м3/ч.

Производительность печей обычно характеризуется массой загрузки, удельной массой (плотности) загружаемого материала. Следует отметить, что полезный объем печи должен соответствовать номинальному объему загрузки.

Рассчитав длительность цикла, можно определить производительность печи при ее номинальной загрузке и при ее уменьшении. В качестве примера выбрана печь СНВГ-30/20; условно выбраны режимы нагрева в двух вариантах. Для каждого из них определяется производительность в зависимости от удельной массы загрузки, а также удельные расходы электроэнергии и охлаждающей воды, что наглядно иллюстрируется в табл. 3, в которой приведены результаты эксплуатационных параметров для двух режимов нагрева, трех значений удельных масс и четырех значений массы загрузки.

Из данных табл. 3 следует:

- сконцентрирована информация по эксплуатационным параметрам технологии нагрева и охлаждения применительно к 40 видам материалов;

- показана зависимость производительности печи от удельной массы веществ;

- показана зависимость производительности печи от величины загрузки и отмечено, что не наблюдается пропорциональность от массы загрузки;

- отмечено резкое возрастание удельных расходов электроэнергии и охлаждающей воды при уменьшении массы загрузки.

Таким образом, можно считать, что разработанный графоаналитический метод позволяет решать многие производственные проблемы как при разработке новых технологий, так и оценки эксплуатационных расходов на разработанных печах.

Эксперименты показали, что производительность печей может быть увеличена в 1, 5-1, 7 раза при напуске аргона до атмосферного давле-

ния при охлаждении с температур 1200-1100 °С. Это было подтверждено на печи СНВГ-30/20 при термообработке фианита с загрузкой до 70 кг.

Заключение

1. Разработан метод оценки производительности высокотемпературных вакуумных печей сопротивления на основе совместного анализа тепловых потерь печей и теплосодержания загрузки.

2. Температурная зависимость тепловых потерь упомянутых 8 типов печей определялась экспериментально в лаборатории ВНИИЭТО (к сожалению, в 2006 г. лаборатория была ликвидирована).

3. Снижение теплосодержания загрузки рассчитывалось в зависимости от массы загрузки с учетом удельной массы материала.

4. Обоснована классификация температурных участков на графиках охлаждения и рассмотрена теплопередача на каждом участке.

5. Не наблюдается пропорциональность величин производительности с изменением массы загрузки, в связи с чем необходимо использовать разработанный графоаналитический метод.

Список литературы

1. Мармер Э. Н., Мурованная С. Г., Васильев Ю. Э. Электропечи для термовакуумных процессов. М.: Энергоатомиздат, 1991.

2. Мармер Э. Н. Материалы для высокотемпературных вакуумных установок. М.: Физмат-гиз, 2007.

3. Ляпунов А. И. Новое поколение вакуумных печей для термической обработки // МиТОМ, 2000, № 1, с. 22-27.

4. Открытие № 138, приоритет 1999 г. Авторы: Э. Н. Мармер, А. Н. Попов, Л. А. Воло-хонский и С. А. Новожилов.

I г Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 8(52) 2007 I © 2007 Научно-технический центр «TATA»