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.
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%.
В качестве нагревателей высокотемпературных ВПС с экранной теплоизоляцией, работающих при температурах до 22000С, используются тугоплавкие металлы (молибден, вольфрам, тантал, ниобий) и сплавы на их основе.
Конструирование нагревателей из тугоплавких металлов представляет зачастую довольно сложную задачу. 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.
Первая группа – спиральные или зигзагообразные нагреватели (рисунок 1) из проволоки. Эти нагреватели мало отличаются от аналогичных нагревателей в обычных электропечах.
Спиральные нагреватели изготавливаются обычно из проволоки диаметром до 2÷2,5 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 рисунки 2, имеет температуру на 9000С больше температуры печи.
печи сопротивления СНВЭ-1.3.1/16
Вторая группа – проволочные нагреватели в виде стержней и шпилек (рисунок 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
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.
Третья группа – нагреватели из тонкого металлического листа (рисунок 4).
Из тугоплавких металлов для нагревателей этой группы, как правило, применяется танталовая и молибденовая жесть. Вольфрамовая жесть для изготовления таких нагревателей обычно не применяется из-за технологических трудностей, связанных с её механической обработкой и сваркой. Недостатком тантала является его повышенная способность поглощать газы и становиться весьма хрупким.
По условиям теплопередачи нагреватели из жести являются оптимальными, поскольку вся их поверхность участвует в теплообмене с нагреваемым предметом. Токоподвод к нагревателям этой группы возможно вынести из горячей зоны печи за тепловую изоляцию, чем достигается значительное снижение тепловых потерь. Также значительно меньше потери на тепловые короткие замыкания через выводы нагревателей, так как количество выводов и их суммарное сечение меньше, чем у нагревателей второй группы.
К числу недостатков нагревателей третьей группы относится большая поверхность испарения, отрицательно сказывающаяся на их сроке службы.
Кроме того, эксплуатация тонколистовых нагревателей требует постоянного и весьма тщательного контроля за вакуумом в печи, потому что даже кратковременное нарушение вакуума может привести к выходу нагревателя из строя.
Четвертая группа – проволочные нагреватели, навешивающиеся без механического крепления на неохлаждаемые выводы (рисунок 5). Такая конструкция отличается простотой и надежностью.
б – Вид сверху проволочного нагревателя
Рисунок 5 – Проволочный нагреватель
По условиям теплопередачи нагреватели четвертой группы аналогичны нагревателям третьей группы: вся их поверхность участвует в теплообмене с нагреваемым предметом.
В современных иностранных ВПС с экранной теплоизоляцией распространена конструкциялистовых ленточных нагревателей. Такая конструкция объясняется устранением недостатка нагревателей первой группы (малое значение излучающей поверхности нагревателя по отношению к воспринимающей поверхности садки). Нагреватели такого типа
применяются различными фирмами Германии, Польши, США, Канады, Швеции и др..
На рисунке 6 представлена цельнометаллическая камера вакуумной печи сопротивления, разработанная канадской фирмой VacAero.
Стоит отметить, что существует еще много различных видов конструкций нагревателей. Однако нужно иметь в виду, что многообразие конструктивных форм нагревателей объясняется в основном стремлением обойти патент конкурирующих фирм, а не улучшением технических параметров нагревателей.
Теплоизоляция
Конструкция выполнения экранов зависит от материала. Экраны из нержавеющей стали, имея в виду достаточно большие размеры прокатываемого листа, изготовляются цельными в виде устанавливаемых одна в другую обечаек. Зазор между обечайками выбирают минимальный, обеспечивающий невозможность касания друг к другу. С этой же целью между экранами устанавливаются дистанциирующие шайбы, прутки или на их поверхности местами делают выбоины. На рисунке 7 показан вариант выполнения конструкции экранной теплоизоляции вакуумной электропечи сопротивления.
Рисунок 7 – Вариант исполнения экранной теплоизоляции ВПС
Более сложно решается вопрос выполнения конструкции экранов из тугоплавких металлов. Молибденовые и вольфрамовые листы выпускаются промышленностью небольших размеров. Поэтому часто их соединяют между собой с помощью заклепок, либо прошивая тонкой проволокой. Такие экраны не очень жестки и сильно коробятся. Кроме того, из-за высокого значения температурного расширения экраны из тугоплавких металлов подвержены поводкам.
Одним из решений конструкции экранов из листов тугоплавких металлов небольших размеров является независимая навеска их на штыри из молибденовой или вольфрамовой проволоки, укрепленные на вспомогательном кожухе, вынесенном в область невысоких температур.
Учитывая конструктивные недостатки, а также высокую стоимость экранов из тугоплавких металлов, экранную теплоизоляцию ВПС выполняют комбинированной. В зоне высоких температур применяются тугоплавкие металлы, при температурах ниже 11000С применяется нихром Х20Н80, при температурах ниже 9000С – нержавеющая сталь.
В экранах всегда приходится делать вырезы или отверстия для прохода токоподводов к нагревателю. Причем, учитывая небольшую точность изготовления экранов и монтажа нагревателей, а также возможные коробления экранов при работе, эти отверстия приходится делать гораздо большего сечения, чем сечения токоподводов. В случае использования экранов из различных материалов для предотвращения оплавления экранов из нержавеющей стали, отверстия в них следует выполнять большими, чем в экранах из тугоплавких металлов. Все это ведет к увеличению тепловых потерь печи. Поэтому рекомендуется обрамлять отверстия керамическими изоляторами, защищающими токоподводы от замыкания на экраны и одновременно уменьшающими излучение на кладку. Однако применение изоляторов допустимо лишь при условии: если температура нагрева изоляторов и экранов ниже температуры начала взаимодействия (контактных реакций) между ними.
Несмотря на то, что печи с углеродистой теплоизоляцией обладают лучшими характеристиками, чем печи с экранной теплоизоляцией, и в этих установках проводятся исследования, направленные на повышение энергетической эффективности. Так, например, американская компания Solar Мanufacturing провела ряд исследований по модификации углеродистой
теплоизоляции. Совершенствование теплоизоляции достигалось установкой между слоями углеродистых композиционных материалов, графитовых экранов с более низким значением степени черноты, позволяющим использовать экраны для снижения теплового потока не только теплопроводность, но и излучением.
Как показано в применение комбинированной теплоизоляции позволяет снизить тепловой поток в печи на 50÷60%. Аналогичный способ может быть применен и к экранным ВПС, а в качестве засыпки можно использовать пористые оксиды.
Учитывая всё вышесказанное, совершенствование конструкций ВПС с экранной теплоизоляцией должны быть в первую очередь направлены на разработку плоских ленточных нагревателей с высоким значением площади излучаемой поверхности, тепловых моделей таких нагревателей, а также на экономическо-эффективный выбор теплоизоляции и разработку комбинированной теплоизоляции с использованием современных материалов.
