CC BY
14МЕТОДИКА УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ВАКУУМНЫХ ПЕЧЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ
Э.Н. Мармер, Д. В. Кузнецов
Сформулированы рекомендации к усовершенствованию (модернизации) вакуумных печей сопротивления на примере высокотемпературной печи СНВГ-16/22.
THE METHOD OF IMPROVING VACUUM RESISTANCE FURNACES
E.N. Marmer, D.V. Kuznetsov
We formulate recommendations to improve (modernize) vacuum resistance furnaces. Research is based on case study of high temperature furnace SNVG-16/22.
Сведения об авторе: студент (бакалавр) Московского энергетического института (Технического университета) по специальности «Электротехнологические установки и системы».
Область научных интересов: высокотемпературный электронагрев в вакууме и среде нейтральных газов, материалы для высокотемпературных установок.
Дмитрий Вячеславович Кузнецов
В настоящее время вакуумная термообработка в мировой практике составляет 20-25 % общего объема деталей, обрабатываемых в защитных газах, соляных ваннах и других видах сред [1], в том числе в вакууме.
Ускоренное развитие таких важнейших отечественных отраслей, как оборонная, судостроительная, атомная энергетика, авиационно-космический комплекс 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-производителей.
Основные направления в усовершенствовании печей, которые должны обеспечивать повышение их качества:
- снижение тепловых потерь;
- повышение сроков службы нагревателей;
- повышение экономической эффективности печей;
- повышение равномерности температурного поля;
- снижение трудоемкости при погрузке-разгрузке садки, масса которой превышает 25 кг;
- повышение точности измерения и регулирования температур, особенно при переходе системы управления от термопары к пирометру;
- повышение пожаро- и взрывобезопасности;
- упрощение вакуумной системы с целью снижения расхода электроэнергии на нее;
- повышение уровня комфортности для обслуживающего персонала;
- разработка приспособлений для ускоренного охлаждения полезной загрузки.
Конечно, нельзя одновременно решать все поставленные задачи, но некоторые из них могут быть реализованы в настоящее время, в частности:
- уменьшение расхода электроэнергии печей может быть достигнуто за счет снижения тепловых потерь при рациональном использовании многослойной теплоизоляции;
- увеличение производительности печей может быть достигнуто, в первую очередь, при уменьшении времени охлаждения печи с загрузкой.
Методика усовершенствования конструкции печей может быть рассмотрена на примере базовой конструкции высокотемпературной (2200 °С) печи сопротивления с нагревательным блоком из углерод-углеродных композиционных материалов - УУКМ. Характеристики такой печи [2] типа СНВГ-16/22 представлены в табл. 1.
Как следует из табл. 1, общие тепловые потери при номинальной температуре печи составляют около 32 кВт. Основную часть составляют потери тепла через теплоизоляцию. Кроме того, дополнительные потери происходят в токоподводах, зазорах между элементами теплоизоляции, потери через опоры подовой плиты и т.п.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 8 (64) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
Таблица 1
Основные характеристики базовой конструкции печи СНВГ-16/22
Table 1
Specifications of the basic SNVG-16/22 furnace design
Мощность печи в установившемся режиме, кВт, в зависимости от температуры, °С 35/2200 29/2000 23/1800
Мощность вакуумной системы, кВт 2,75
Остаточное давление, Па 1
Расход охлаждающей воды, м3/ч 1,6
Масса загрузки, кг 35
Размеры рабочего пространства /хЪхН, м: 0,4x0,2x0,2
Габариты печи ЬхБхИ, м: 1,90x1,50x1,85
Масса печи, т 0,95
Схематический разрез нагревательного блока печи СНВГ-16/22 приведен на рис. 1.
Результаты обобщения тепловых параметров 210 типов вакуумных печей сопротивления из 11 стран показали [3], что тепловые потери через теплоизоляцию составляют приблизительно 70 % от общих тепловых потерь. В связи с этим величину тепловых потерь через теплоизоляцию при номинальной температуре печи СНВГ-16/22 можно оценить не более, чем 22,4 кВт.
Рис. 1. Схематический разрез нагревательного блока печи СНВГ-16/22: 1 - водоохлаждаемый корпус; 2 - нагреватель из УУКМ с y = 1,3 кг/дм3; 3 - теплоизоляция из легковесного УУКМ с y = 0,2 кг/дм3; 4 - контейнер из УУКМ; 5 - подовая плита
Fig. 1. Fig. 1. Schematic section of an SNVG-16/22 heating unit: 1 - water-cooled housing; 2 - carbon-carbon composite (CCC) heater with y = 1.3 kg/dm3; 3 - lightweight CCC heat insulation with y = 0.2 kg/dm3; 4 - CCC container; 5 - bottom plate
Коэффициент излучения УУКМ принят в пределах 0,85-0,9. Температурная зависимость коэффициента теплопроводности УУКМ с у = 0,18-0,22 кг/дм3 представлена в табл. 2 [4].
Тепловые потери могут быть снижены за счет уменьшения коэффициента излучения, а также за счет использования материалов, у которых коэффициент теплопроводности ниже аналогичного коэффициента у УУКМ. С целью охвата большинства подходящих для модернизации материалов их теплопроводности условно были разбиты на 3 группы (табл. 3).
Таблица 2
Температурная зависимость коэффициента теплопроводности УУКМ с у = 0,18-0,22 кг/дм3
ТаЬк 2
Heat conductivity of CCC with Y = 0.18-0.22 kg/dm3 as a function of temperature
t, °С X, Вт/мК
600 0,06-0,10
1000 0,09-0,2
1300 0,12-0,23
1800 0,25-0,4
2200 0,4-0,64
Таблица 3
Изменение величины коэффициента теплопроводности в зависимости от температуры для трех групп материалов
ТаЬк 3
Heat conductivity as a function of temperature for three groups of materials
Температура, °С Коэффициент теплопроводности по группам, Вт/м-К
I II III
600 0,05-0,1 0,02-0,5 0,005-0,02
800 0,1-0,15 0,05-0,1 0,02-0,5
1000 0,15-0,2 0,1-0,15 0,05-0,1
1200 0,2-0,25 0,15-0,2 0,15-0,2
t. t.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 8 (64) 2008 © Научно-технический центр «TATA», 2008
39
Необходимо отметить, что большинство известных теплоизоляционных материалов имеют ограничение по температуре применения, которая существенно ниже номинальной температуры рассматриваемой печи. Поэтому применять эти материалы можно только в качестве внешнего слоя теплоизоляции. Кроме того, они могут взаимодействовать с углеродом [5]. В рассмотренном в этой статье примере температура контакта двух слоев теплоизоляции была ограничена 1200 °С. Эта температура определяет толщину внешнего слоя теплоизоляции. Конструктивная схема двухслойной футеровки представлена на рис. 2.
Рис. 2. Схематический разрез нагревательного блока модернизированной печи СНВГ-16/22: 1 - водоохлаждаемый корпус; 2 - нагреватель из УУКМ-1.3 с y = 1,3 кг/дм3; 3 - внутренний слой теплоизоляции из легковесного УУКМ-0.2 с y = 0,2 кг/дм3; 4 - внешний слой теплоизоляции;
5 - контейнер из УУКМ; 6 - подовая плита Fig. 2. Schematic section of an upgraded SNVG-16/22 heating
unit: 1 - water-cooled housing; 2 - CCC-1.3 heater with с y = 13 kg/dm3; 3 - inside lightweight CCC-0.2 heat insulation with y = 0.2 kg/dm3; 4 - outside heat insulation; 5 - CCC container; 6 - bottom plate
При расчетах мощности тепловых потерь через теплоизоляцию в установившемся режиме были приняты следующие допущения: температура внутренней поверхности теплоизоляции равна номинальной температуре печи, а температура водоохлаждае-мого корпуса равна 40 °С.
Расчет тепловых потерь производится для каждого интервала теплопроводностей при двух уровнях коэффициента излучения материала: е1 = 0,4 и е2 = = 0,8. Результаты приведены в табл. 4.
Например, если используется теплоизоляционный материал третьей группы, то можно ожидать снижения общих тепловых потерь, при номинальной температуре в печи, до значения 25 кВт, что составляет 21 %. Это снижение достигнуто только за счет применения двухслойной теплоизоляции.
Как было сказано выше, тепловые потери через теплоизоляцию составляют в среднем 70 % от общих тепловых потерь. В отдельных случаях эта величина может составлять менее 50 %. Поэтому одновременно с применением двухслойной теплоизоляции необходимо усовершенствовать конструкцию футеровки, т.е. исключать тепловые короткие. Этого можно добиться путем уменьшения зазоров между конструктивными элементами нагревательного блока.
Кроме нагрева следует учитывать расход электроэнергии от работы двух механических вакуумных насосов, суммарная мощность которых в базовой печи составляет 2,75 кВт. Длительность работы насосов определяется их участием на всех этапах технологического процесса. Особенно с учетом длительности охлаждения загрузки до температуры 100 °С.
Анализ работы вакуумной системы показал, что в режиме нагрева и выдержки, когда происходит активное газовыделение, необходима работа двух насосов: НВЗ-20 и 2НВР-5Д, в то время как при охлаждении может быть использован только один насос мощностью 0,55 кВт (2НВР-5Д). За счет этого решения сокращается расход электроэнергии в зависимости от длительности охлаждения.
Таблица 4
Результаты расчета по интервалам величин теплопроводности Results of heat conductivity calculations by ranges
Table 4
Наименование характеристики Значение параметров печи по группам для s = 0,8/0,4
I II III
Мощность потерь через теплоизоляцию, кВт 21,9/21,5 19,6/19,5 17,8/17,7
Толщина внешнего слоя теплоизоляции, мм 10/10 9/9 8/8
Температура на внешней стороне теплоизоляции, °С 428/515 411/496 395/478
Снижение тепловых потерь, % 2,6/4 12,4/13 20,7/21
Полученные данные следует транспонировать на величины эксплуатационных параметров: производительность, удельный расход электроэнергии, а также воды.
Для примера в расчете использованы два условных режима нагрева. В первом режиме нагрев осу-
ществляется 4 ч при выдержке 2 ч, во втором режиме - нагрев 3 ч при выдержке 1,5 ч, охлаждение в обоих случаях происходит с печью. Для этих режимов рассматривается номинальная загрузка 35 кг.
На рис. 3 представлено изменение длительности охлаждения в вакууме базовой печи с номинальной
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 8 (64) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
загрузкой для трех величин плотности: 2 кг/дм3 (графит, В]Ч, В), 5 кг/дм3 (ггС, ТЮ, У203, Т1, гг) и 15 кг/дм3 ^С, ТаС, WB). Как видно из представленных графиков, время охлаждения загрузки с плотностью 15 кг/дм3 в 7 раз меньше, чем для загрузки с плотностью 2 кг/дм3. Именно величина длительности охлаждения существенно влияет на расход электроэнергии вакуумными насосами, а также определяет производительность печи в целом.
Рис. 3. Длительность охлаждения базовой печи СНВГ-16/22 при номинальной загрузке (35 кг) для трех величин плотности: □ - 15 кг/дм3; ▲ - 5 кг/дм3; ■ - 2 кг/дм3 Fig. 3. Time of basic SNVG-16/22 furnace cooling with nominal loading (35 kg) for three densities: □ - 15 kg/dm3; ▲ - 5 kg/dm3; ■ - 2 kg/dm3
Уменьшение времени охлаждения является основным методом увеличения производительности ваку-
умных печей сопротивления. Это связано с тем, что тепловой поток излучения существенно зависит от температуры поверхностей. Как видно из графиков на рис. 3, остывание с номинальной температуры до уровня 1200-1000 °С занимает около часа, в то время как с этого уровня до температуры разгрузки садки (100 °С) печь может остывать 10 часов и даже более.
С целью интенсификации охлаждения в печи можно предусмотреть открывающиеся теплоизоляционные заглушки, которые поворачиваются без нарушения герметичности. Также можно напускать нейтральный газ (например, аргон) и в случае необходимости осуществлять его циркуляцию. Предельное значение избыточного давления определяется необходимой скоростью охлаждения и прочностью корпуса. Например, у электропечи СНВГ-16/22 допускается избыточное давление не более 0,02 МПа.
В рассматриваемой печи СНВГ-16/22 напуск газа позволяет сократить время охлаждения в 1-2 раза, что может привести к повышению производительность печи.
Кроме того, после напуска газа до уровня атмосферного давления отпадает необходимость в работе вакуумных насосов, что дополнительно снижает электропотребление установки.
Для примера были произведены расчеты модернизированной конструкции печи СНВГ-16/22. Модернизация заключалась в применении двухслойной теплоизоляции и оптимизации работы вакуумной системы без напуска нейтрального газа. По этим расчетам были получены эксплуатационные параметры и произведено их сравнение с аналогичными эксплуатационными параметрами базовой печи СНВГ-16/22. Результаты приведены в табл. 5 и 6.
Эксплуатационные характеристики печи СНВГ-16/22 в первом режиме при загрузке материалами с различной плотностью. Для режима: нагрев - 4 ч, выдержка - 2 ч
Таблица 5
ТаЫс 5
Performance of the SNVG
16/22 furnace in the first mode, with different densities
when loaded with materials
Загрузка, кг Длительность цикла с охлаждением, ч, до 100 °С, для загрузок с различной плотностью у, кг/дм3 Производительность, кг/ч, для загрузок с плотностью у, кг/дм3 Удельный расход электроэнергии, кВт-ч/кг, для загрузок с плотностью у, кг/дм3 Удельный расход воды, м3/кг, для загрузок с плотностью у, кг/дм3
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
Базовая конструкция
15 11,3 8,2 6,7 1,3 1,8 2,2 12,0 11,2 10,1 0,49 0,38 0,32
25 15,0 9,6 7,2 1,7 2,6 3,5 8,1 6,8 6,2 0,38 0,26 0,21
35 17,5 11,0 7,7 2,0 3,2 4,5 6,3 5,1 4,5 0,32 0,21 0,15
Модернизированная конструкция
15 12,7 8,8 6,9 1,2 1,7 2,2 10,4 9,4 9,0 0,34 0,25 0,21
25 17,4 10,6 7,5 1,4 2,4 3,3 6,8 5,9 5,5 0,27 0,18 0,13
35 20,6 12,3 8,2 1,7 2,8 4,3 5,2 4,4 4,0 0,22 0,14 0,10
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 8 (64) 2008 © Научно-технический центр «TATA», 2008
Таблица 6
Эксплуатационные характеристики печи СНВГ-16/22 во втором режиме при загрузке материалами с различной плотностью. Для режима: нагрев - 3 ч, выдержка - 1,5 ч
ТаЬ1е 6
Performance of the SNVG 16/22 furnace in the second mode, when loaded with materials
with different densities
Загрузка, кг Длительность цикла с охлаждением, ч, до 100 °С, для загрузок с различной плотностью у, кг/дм3 Производительность, кг/ч, для загрузок с плотностью Y, кг/дм3 Удельный расход электроэнергии, кВт-ч/кг, для загрузок с плотностью Y, кг/дм3 Удельный расход воды, м3/кг, для загрузок с плотностью y, кг/дм3
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
Базовая конструкция
15 9,8 6,7 5,2 1,5 2,2 2,9 10,2 9,6 9,4 0,42 0,31 0,25
25 13,5 8,1 5,7 1,9 3,1 4,4 6,5 5,9 5,7 0,34 0,22 0,16
35 16,0 9,5 6,2 2,2 3,7 5,6 4,8 4,3 4,1 0,28 0,18 0,12
Модернизированная конструкция
15 11,2 7,3 5,4 1,3 2,1 2,8 8,0 7,1 6,7 0,37 0,26 0,22
25 15,9 9,1 6,0 1,6 2,7 4,2 4,9 4,1 3,8 0,29 0,19 0,13
35 19,1 10,8 6,7 1,8 3,2 5,2 3,6 2,9 2,6 0,26 0,16 0,10
Методы, использованные при усовершенствовании базовой печи СНВГ-16/22, показали:
- тепловые потери могут быть снижены на 1822 %;
- срок службы нагревательного блока печи СНВГ-16/22 определяется температурой и представлен в табл. 7.
Таблица 7
Зависимость срока службы от температуры
ТаЬк 7
Service life vs. temperature
Температура, °С 1600-1800 1800-2000 2100-2200
Срок службы, ч 4000 2000 1000
- экономическая эффективность печи может быть оценена по снижению энергопотребления в среднем на 15 %, учитывая уменьшение производительности в среднем на 7 %;
- равномерность температуры может быть повышена за счет изменения сечения нагревателя и усиления теплоизоляции подовых и сводовых частей;
- снижение трудоемкости при погрузке-разгрузке садки с массой ~40 кг может быть обеспечено при разработке приспособлений в виде съемных роликовых элементов;
- повышение надежности систем управления температурным режимом печи может быть обеспечено за счет применения бесконтактных (полупроводниковых) элементов и автоматизации всего процесса;
- повышение пожаро- и взрывобезопасности обеспечивается конструктивными особенностями вакуумных печей сопротивления, в том числе и на печи СНВГ-16/22;
- повышение уровня комфортности обслуживания определяется отсутствием газо- и тепловыделений вакуумных печей вообще и печи СНВГ-16/22 в частности;
- ускорение охлаждения может быть осуществлено при напуске нейтральной газовой среды (аргон, азот, гелий) до уровня 0,1 МПа, а также при открывании теплоизоляционных торцов и установке вентиляторов, которые обеспечивают циркуляцию газа.
Заключение
Рассмотрены основные параметры печей, по которым следует производить усовершенствование (модернизацию) с целью повышения эффективности электропечей.
Список литературы
1. Ляпунов А.И. Новое поколение вакуумных печей для термической обработки // МиТОМ. 2000. № 1. С. 22-27.
2. Мармер Э.Н., Мурованная С.Г., Васильев Ю.Э. Электропечи для термовакуумных процессов. М.: Энергоатомиздат, 1991.
3. Мармер Э.Н., Новожилов С.А. Новый метод определения теплотехнических параметров высокотемпературных вакуумных электропечей сопротивления // ЖАЭЭ. 2007. № 3(47). С. 67-72.
4. Прокушин В.Н., Шубин А. А., Казаков М.Е. Свойства углеродных композиционных материалов для вакуумных высокотемпературных электропечей // Прогресс в атомной промышленности. 2001. № 1. С. 15-18.
5. Мармер Э.Н. Материалы для высокотемпературных вакуумных установок. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007.
— TATA — i >
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 8 (64) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
