Приводится описание конструкции универсальной лабораторной камерной электропечи нового поколения с увеличенным ресурсом работы нагревательного элемента (до 4 000 часов). Основное отличие от всех ныне существующих универсальных лабораторных камерных электропечей состоит в системе электропитания нагревательным элементом. Оригинальная конструкция безтрансформаторной системы электропитания нагревательным элементом обеспечивает безопасное силовое напряжение 36 В. Снижение питающего напряжения позволяет увеличить сечение проволочного нагревателя и, как следствие, увеличить его эксплуатационный ресурс. Данное техническое решение положено в основу создания новой серии лабораторных камерных электропечей.
Универсальная лабораторная электропечь – устройство для нагрева материалов методом теплообмена излучением при помощи электрической энергии. Конструкции и диапазоны рабочих температур универсальных лабораторных электропечей определяются их назначением и могут быть весьма разнообразными. Наибольшее распространение получили универсальные лабораторные камерные электропечи в диапазоне температур от 750 до 1300 оС. Можно выделить три разновидности универсальных лабораторных камерных электропечей.
Первая разновидность – это лабораторные электропечи со стационарной керамической камерой, у которых открытые нагреватели помещаются внутри рабочего пространства. Нагреватели могут размещаться на боковых стенках, своде и поде. Такое размещение нагревателей снижает тепловую инерционность электропечи и обеспечивает благоприятные условиях работы нагревателей. Однако недостатком этих электропечей является их относительно низкая мощность, что обусловливает достаточно продолжительный режим разогрева камерной лабораторной электропечи, особенно в случае массивной садки, а также невысоким эксплуатационным ресурсом работы нагревателей.
Вторая разновидность – это стандартные лабораторные электропечи, получившие название – муфельных. Название происходит от немецкого слова Muffel и указывает на наличие в камерной электропечи, замкнутой стационарной термостойкой камеры. Рабочее пространство нагревательной камеры, в которое помещается термообрабатываемый материал, образуется этим керамическим муфелем. На него наматывается нагревательный элемент из сплава высокого омического сопротивления. Такие печи позволяют создать температуру до 1300 градусов Цельсия в нагревательной камере. Муфельные печи применяются для термообработки и аналитических работ с материалами в воздушной среде. Основной недостаток – достаточно короткая жизнь закрытого нагревательного элемента из-за неконтролируемого перегрева. На практике ресурс эксплуатации не превышает 700 часов. Кроме того, такие электропечи имеют высокую тепловую инерционность.
Третья разновидность – камерные муфельные электропечи со стационарной камерой и сменным термостойким керамическим муфелем. Он помещается в рабочее пространство камерной электропечи. В этом случае внутреннее пространство муфеля становится главным рабочим пространством. Особенность этих электропечей состоит в том, что муфель изготовленный из керамического материала изолирует нагреваемый материал от окружающей среды и защищает нагревательный элемент от возможного взаимодействия с термообрабатываемым материалом. После проведения процесса нагрева и выдержке при заданной температуре сменный муфель может извлекаться из рабочего пространства камерной лабораторной электропечи для охлаждения, а на его место устанавливается другой муфель. Основной недостаток – низкая устойчивость керамического муфеля к термоциклированию, также при относительно коротком эксплуатационном ресурсе нагревателей.
Электрическое сопротивление проволочных нагревательных элементов непрерывно изменяется со временем. Это происходит в результате окисления, ползучести, возгонки компонентов сплава. В итоге изменяются химический состав и структура сплава высокого омического сопротивления. А самое главное – уменьшается токопроводящее сечение нагревателя. При высоких температурах (выше 1000 оС) основной причиной уменьшения токопроводящего сечения проволочного нагревателя – является окисление кислородом воздушной атмосферы. Поэтому повышение ресурса может быть обеспечено увеличением диаметра (сечения) проволоки, из которой изготавливается нагревательный элемент. Это ведет к снижению напряжения на нагревательном элементе для сохранения мощности.
Таким образом, несмотря на то, что современные камерные лабораторные электропечи являются незаменимой промышленной техникой практически на любом промышленном предприятии, вопросы их оптимизации, несмотря на многообразие типоисполнений, продолжают сохранять актуальность. Ведутся поиски материалов, предназначенных для производства камерных электропечей сопротивления: различные стали для конструкций корпусов и дверец, огнеупорные и теплоизоляционные материалы, высокотемпературная электроизоляция, сплавы высокого омического сопротивления для нагревателей и др. С развитием разработок в области автоматизации продолжает сохранять актуальность оптимизация системы управления температурой в рабочем пространстве электропечи.
Одна из практических задач связана с увеличением ресурса работы нагревательного элемента.
В данной статье описана, новая универсальная лабораторная камерная электропечь модели СНОЛ-2.4.2/11 с увеличенным ресурсом работы нагревателей. Она предназначена для решения общих задач. Однако в первую очередь электропечь рекомендуется к использованию как лабораторная для проведения различных термических процессов в заводских лабораториях и в научно-исследовательских учреждениях.
Ее применение также экономически эффективно при замене крупных электропечей периодического действия старого образца (конструкторские разработки в бывшем СССР), оставшихся в наследство малотоннажным термическим производствам, при термообработке или нагреве мелких деталей. Электропечь рассчитана на относительно длительные циклы работы. Она адаптирована для продолжительной работы при номинальной температуре (1100°C). В этой электропечи применяется футеровка из современных волокнистых легковесных огнеупорных и теплоизоляционных материалов. Электропечь малоинерционна и достаточно быстро выходит на номинальную температуру. В новой электропечи заметно уменьшена аккумуляция тепла в футеровке, что заметно сокращает время выхода электропечи на рабочую температуру.
Рис. – Универсальная лабораторная камерная электропечь модели СНОЛ-2.4.2/11 с увеличенным ресурсом работы нагревателей.
Буквенно-цифровое обозначение
С – нагрев сопротивлением;
Н – конструктивный признак — камерная;
О – среда в рабочем пространстве – окислительная (воздух);
Л – лабораторная;
2 – ширина рабочего пространства, дм;
4 – длина рабочего пространства, дм;
2 – высота рабочего пространства, дм;
11 – номинальная температура, сотни °С.
Описание конструкции.
Печь поставляется в двух исполнениях. Первое исполнение – настольное (показано на рисунке). Второе исполнение – напольное. В этом случае электропечь устанавливается на тумбу (дополнительная опция), внутри которой имеется полка для размещения инструментов термиста. Оба исполнения электропечи состоят из нагревательной камеры и системы управления. Основными составными частями электропечи являются: корпус, заслонка, легковесная футеровка, нагреватели, блок электропитания и управления. Стальной корпус печи сварен из тонколистового и профильного проката. Он окрашен порошковой краской. Механизм открывания заслонки – ручной. Открывание дверцы осуществляется отводом в сторону (вправо) с помощью широкозахватной ручки. Футеровка печи – многослойная. В ней использованы современные легковесные огнеупорные и теплоизоляционные материалы с высокими теплоизолирующими свойствами и низкой теплоемкостью. Атмосфера в рабочем пространстве-воздушная (окислительная).
Заслонка теплоизолирована теми же материалами, что и камера нагрева электропечи. Она имеет термостойкое эластичное уплотнение, исключающее тепловые потери через загрузочный проем. Заслонка имеет уплотняющие фиксаторы. Нагреватели – из сплава высокого омического сопротивления. Срок службы нагревателей более 4000 часов.
Основное отличие от всех ныне существующих универсальных лабораторных камерных электропечей состоит в системе электропитания нагревательного элемента. Проволочный зигзагообразный нагревательный элемент изготавливается из сплава высокого омического сопротивления. Оригинальная конструкция безтрансформаторной системы электропитания нагревательного элемента обеспечивает безопасное силовое напряжение величиной до 36 В. Снижение питающего напряжения позволяет увеличить сечение проволочного нагревателя и, как следствие, увеличить его эксплуатационный ресурс.
Система электропитания и управления электропечью вынесена в отдельный навесной блок, который крепится на левой боковой стенке корпуса электропечи. Такой способ размещения полностью исключает попадание на приборную панель теплового излучения от дверцы при ее открывании. Для регулирования температуры, скоростей нагрева и охлаждения используется один микропроцессорный программируемый ПИД-регулятор. В качестве силового управляющего элемента применен тиристорный модуль. В качестве датчика температуры используется термоэлектрический преобразователь.
При использовании электропечи в кузнечном производстве печь устанавливается на специальные виброопоры (дополнительная опция), гасящие воздействие вибраций любого типа.
Технические характеристики
|
Наименование параметра |
Норма параметра |
| Тип печи |
камерная |
| Номинальная рабочая температура в печи, °C |
1100 |
| Число тепловых зон |
1 |
| Установленная мощность, кВт |
6+0,6 |
| Параметры питающей сети: | |
| — напряжение, B- частота, Гц- число фаз |
380/220 50 2 |
| Напряжение на нагревательном элементе, В, не более |
36 |
| Размеры рабочего пространства, мм: | |
| — ширина- длина- высота |
200 400 200 |
| Стабильность температуры в установившемся режиме, % от заданной |
0,5 |
| Равномерность температуры в рабочем пространстве, °C |
±5 |
| Масса садки, не более, кг |
50 |
| Привод открывания заслонки |
ручной |