Введение.
В промышленности России широко используется ряд технологических процессов с применением водородных электропечей. Для удовлетворения такой потребности используется достаточно большой парк разнообразных электропечей с водородной атмосферой. Различают два основных типа водородных электропечей: периодического и непрерывного действия. Водородная электропечь непрерывного действия – печь, температурный режим которой не изменяется во время непрерывного технологического процесса. Теплоизоляция рабочего пространства печи непрерывного действия обеспечивает установившееся (стационарное) температурное поле. Этот класс электропечей в данной статье не рассматривается.
Водородная электропечь периодического действия – электропечь сопротивления с проточной водородной атмосферой, в которую периодически помещают садку и после проведения термического процесса садку извлекают. Особенность конструкции водородной электропечи — газоплотный (герметичный) корпус технологической камеры. Исполнение электропечи может быть камерным, колпаковым, шахтным, элеваторным. При этом число технологических камер и электрических зон может быть больше одной.
Водородные электропечи периодического действия кроме того делятся также на две основные группы по температуре стенок технологической камеры: с горячими стенками и холодными стенками.
В электропечах с горячими стенками температура стенок технологической камеры (муфеля) такая же, как и в горячей зоне рабочего пространства (Рис. 1).
1 – газоплотный муфель;
2 – нагревательные элементы;
3 – теплоизоляция;
4 – садка;
5 – корпус электропечи;
6 – охлаждающий вентилятор кожуха.
Рис. 1. Водородная электропечь с технологической камерой (муфелем) на принципе «горячей стенки» с давлением, близким к атмосферному.
Водородные электропечи с горячими стенками используют технологическую камеру муфельного или ретортного типа. Реторта (муфель) может быть цилиндрического или прямоугольного сечения. Материал реторты – жаропрочный сплав, кварцевое стекло или керамика. Для реторт из кварца и керамики больших размеров наиболее практичной является цилиндрическая форма. Они намного дороже реторт из жаропрочного сплава. К тому же недостатком реторт из керамики является высокая чувствительность к тепловому удару. С дальнейшим ростом температуры керамика теряет формоустойчивость и газоплотность. Поэтому реальные рабочие температуры в электропечах с горячей стенкой не превышают 1100 оС. В связи с этим применение водородных электропечей такого типа ограничено.
Наиболее широкое распространение получили водородные электропечи с технологическими камерами на принципе «холодной стенки» с давлением близким к атмосферному. Такие электропечи используют в температурном диапазоне от 100 оС до 3000 оС. В водородных электропечах с холодными стенками нагревательные элементы находятся в газоплотной технологической камере. Поэтому к материалу технологической камеры не предъявляются особые требования, однако чаще всего используют нержавеющую сталь, чтобы избежать коррозии корпуса. Конструкции водородных электропечей с холодными стенками могут иметь легковесную (волокнистую или графитовую) теплоизоляцию (Рис. 2. а) с принудительным воздушным охлаждением корпуса электропечи или экранную теплоизоляцию (Рис. 2. б).
1 –садка;
2 – нагревательные элементы;
3 – волокнистая (графитовая) теплоизоляция;
4 – газоплотный (герметичный) корпус электропечи;
5 – охлаждающий вентилятор;
6 – экранная теплоизоляция;
7 – охлаждающая вода корпуса электропечи.
Рис. 2. Водородные электропечи с технологическими камерами на принципе «холодной стенки» с давлением, близким к атмосферному.
В данной статье рассматриваются водородные электропечи периодического действия только с экранной теплоизоляцией. 90 % парка водородных электропечей относится к данному классу оборудования.
Номенклатурный ряд водородных электропечей, предлагаемых ООО «НПП «НИТТИН» на российский рынок, довольно большой:
Колпаковая водородная электропечь модели СГНЭ-2.4/13
Колпаковая многозонная водородная электропечь модели СГНЭ-4,5.20/13
Шахтная водородная электропечь модели СШНЭ-2.3/14,5
Камерная водородная электропечь модели СННЭ-2.4.2/13
Элеваторная водородная электропечь модели СЭНЭ-4.6/13
Двухкамерная водородная электропечь модели СННЭ-2.4.2-2/13
Двухколпаковая водородная электропечь модели СГНЭ-1,8.2-2/22
Двухкамерная водородная электропечь модели СННЭ-3.6.3-2/15
Двухкамерная водородная электропечь модели СННЭ-1.3.1-2/11,5
Двухшахтная водородная электропечь модели СШНЭ-2.3-2/14,5.
Трехкамерная водородная электропечь модели СННЭ-2.4.2-3/13
Их буквенно-цифровая маркировка расшифровывается следующим образом:
Первая буква в индексе всех электропечей обозначает метод нагрева:
С – косвенный нагрев сопротивлением.
Вторая буква обозначает – основной конструктивный признак:
Г – колпаковая;
Н – камерная;
Ш – шахтная;
Э – элеваторная.
Третья буква обозначает среду в рабочем пространстве:
Н – водород;
Четвёртая (вспомогательная) буква обозначает для водородных электропечей исполнение теплоизоляции:
Э – экранная (цельнометаллическая).
После букв через тире следуют размеры рабочего пространства в дециметрах:
параллелепипед – ширина, длина, высота;
цилиндрических – диаметр, высота.
После соответствующих размеров через дробь указывается номинальная температура водородных электропечи в сотнях градусов Цельсия.
Кроме того, для некоторых конструкций применяются дополнительные обозначения.
Например, для многокамерных водородных электропечей после размеров рабочего пространства через тире указывается количество камер в штуках, как в случае колпаковых – СГВ-2.4-2/13.
После буквенно-цифрового обозначения может указываться какое-либо функциональное назначение водородной электропечи, а также торговая марка фирмы-производителя – компании «НИТТИН».
Однако, несмотря на все многообразие предлагаемых моделей водородных электропечей, их можно рассмотреть с единых позиций, взяв в качестве основы базовое исполнение водородной электропечи с экранной теплоизоляцией как технической системы.
Общая характеристика базового исполнения
Базовое исполнение — конструкция водородной электропечи, на основе которой разрабатываются модификации для разных случаев применения. Фирменный методологический НИТТИН-подход для проведения таких модификаций основан на представлении о водородных электропечах как технических системах, предназначенных для выполнения полезных функций, имеющих определенную структуру, организацию и проявляющих системные свойства или новое качество. Технические системы такого типа пригодны для постоянного усовершенствования (развития во времени). Поэтому водородные электропечи торговой марки «НИТТИН» отвечают последнему слову науки и техники. Основой развития технических систем на основе водородных электропечей является наличие базового исполнения мирового уровня, которое подвергается регулярной модификации с учетом новых достижений науки и техники.
Главная полезная функция
Главная полезная функция водородной электропечи – нагрев садки в среде молекулярного (двухатомного) водорода, а сам режим термообработки будет чисто водородным, несмотря на продувку рабочего пространства инертным газом или использования предварительной откачки вакуумным насосом. Благодаря этому возможно проведение целого спектра термических процессов.
Структура
Несмотря на конструктивное многообразие существующих водородных печей их можно представить в виде единой структурной блок-схемы одного базового исполнения. Такая схема представлена на рисунке 3.
1 – монтажная рама; 2 – технологическая камера; 3 – цельнометаллический нагревательный модуль; 4 – система газовая; 5 – система водяного охлаждения; 6 – система электропитания; 7 – печной трансформатор; 8 – термометрическое устройство; 9 – система дожига водорода; 10 – предохранительное устройство; 11 – система управления; 12 – система безопасности; 13 – панель оператора; 14 – подвод сетевого инертного газа или из баллона; 15 – подвод сетевого водорода или из баллона; 16 – коллектор подвода воды; 17 – коллектор отвода воды; 18 – подвод электропитания.
Рис. 3. Структурная блок-схема общеизвестного базового исполнения водородной электропечи
Организация
Контроль всех технологических параметров ведется единым микропроцессорным программируемым логическим контроллером. Полная автоматизация процесса термообработки происходит по следующей схеме. Нажатие единственной кнопки запускает процесс. Автоматически происходит продувка камеры инертным газом для вытеснения воздуха, затем запускается водород. Осуществляется подъем температуры до задаваемого значения и последующая изотермическая выдержка при этой температуре. После выключения нагревательных элементов электропечь переходит в режим охлаждения и проводится окончательная продувка инертным газом для вытеснения водорода, после которой процесс термообработки завершается.
Новое качество
Проведение нагрева садок в атмосфере водорода позволяет решить две задачи. Первая – исключить окисление садки, как это происходит в электропечах с воздушной атмосферой. Водород выполняет функцию защитного газа. Вторая – водородный отжиг в ряде случаев позволяет удалять с поверхности металлов оксидные пленки. В этом случае водород выполняет функцию восстановительной среды.
К настоящему времени в водородных печах осуществляют: пайку твердыми припоями и медью, серебряными припоями, серебром металла с керамикой, эвтектикой металла с керамикой и другие. Различные виды отжигов. Спекание металлокерамики твердых сплавов, первичное твердых сплавов, высокотемпературное штабиков тугоплавких металлов. Обжиг керамики, подогревателей катодов. Металлизация керамики, металлических деталей. Восстановление порошков тугоплавких металлов. Нагрев слитков под ковку. Прессование слитков методом выдавливания при 1600 оС. Термическую обработку вольфрамовых спиралей для снятия оставшихся внутренних напряжений. Выделения оставшихся газов из садки и закрепления ее формы. Термообработка полупроводников, а также других термических процессов, обеспечиваемых параметрами водородных печей.
Благодаря таким качествам при нагреве водородные электропечи нашли широкое применение в целом ряде российских отраслей промышленности для проведения множества различных видов термических процессов.
Опции – источник модификации базового исполнения
Опция — дополнительная возможность, позволяющая осуществить первичную модификацию электропечи или режимов ее работы за счет комплектации базового исполнения новыми элементами структуры, которые необходимы потребителю. К ним относятся все опции, связанные с повышением энергосбережения, обеспечения всех требований по технике безопасности, экологии и санитарно-гигиеническим требованиям работы персонала, и многое другое. В качестве примера приведем варианты модификации базового исполнения.
Водородная электропечь может иметь одну или несколько электрических зон. Одну или несколько технологических камер, которые определяют внешний облик монтажной рамы и ее дизайн. В свою очередь технологические камеры могут иметь различную конфигурацию и оснащаться технологическими окнами (например, смотровыми – «гляделками»).
Большим потенциалом для усовершенствований обладает нагревательный модуль – ключевой элемент водородной электропечи. Исследование тепловых режимов работы позволяет подобрать оптимальное количество экранов теплоизоляции, разработать конструкцию нагревательного элемента с максимальным ресурсом работы. Диапазон работы нагревательного модуля от 100 до 3000 оС.
Газовая система за счет разработки новых элементов автоматики позволяет полностью контролировать параметры технологических газов (водорода, азота, аргона и др.). Газовая система может подключаться к централизованной сети предприятия, к магистрали от газовых баллонов, или комплектоваться индивидуальными генераторами газов (например, водорода и азота) и ресивером. Большинство водородных электропечей эксплуатируется при небольшом избыточном давлении водорода. Однако на практике возможно использование разреженных водородных атмосфер в диапазоне от 1 мм рт.ст. до 760 мм рт.ст. Иногда применяют водородные атмосферы с давлением до 100 атм и выше.
Система водяного охлаждения может комплектоваться узлом магнитной обработки воды, фильтрами грубой и самопромывающимися фильтрами тонкой очистки. Современные приборы позволяют контролировать расход и температуру охлаждающей воды. Оптимизация системы водяного охлаждения полностью связана с конкретным типоисполнением водородной электропечи.
Система электропитания и управления непрерывно совершенствуется вместе с развитием роботизации. Современная водородная электропечь – это полностью автоматическое оборудование.
Система безопасности осуществляет не только полный контроль всех внутренних параметров работы водородной электропечи, но также ведет учет некоторых внешних параметров. Например, контроль и архивация напряжения и частоты в подводимой электрической сети, контроль фазового угла, контроль и архивация активной и реактивной потребляемой мощности, коэффициента мощности (cos φ).
Таким образом при разработке водородных электрических печей периодического действия с экранной теплоизоляцией торговой марки «НИТТИН» учитываются все последние достижения мировой науки и техники, что позволяет обеспечить наивысший технический уровень предлагаемого на рынок оборудования.