автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Исследование и разработка индукционной нагревательной печи для термообработки углеродных материалов с температурой до 3500 К

ВСЕСОЮЗНЫЙ ШЧНО-ИССВДОБАТЕЛЬСКИЙ ПРОШТО-КОНСТРУКТОРСКИЙ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИ ИНСТИТУТ ЭЛШРОТШиМШЮГО ОБОРУДОВАНИЯ БНШТО

Для служебного пользования

Экз.» 40 ,

На правах рукописи

ЛАЗУТКЖ Юрий Витальевич

УДК 621.3Ь5.Ь ИССЛЕДОВАНИЕ К РАЗРкьОТКА ИНДУКЦИОННОЙ НАГРЕВАТЕЛЬНОЙ ПЕЧИ ДЛЯ ТЕРМООБРАБОТКИ УГЛЕРОдаХ МАТЕРИАЛОВ С ТШНЕРАТУРОЙ ДО 3500 К

Специальность 05.09.10 - электротермические процессы и установки

АЬТОРКЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1992

/

/

- г -

Работа, выполнена во Всесоюзном научно-исследовательском, проектном-конструкторском и технологическом институте электротермического оборудования.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Простяков А.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Немков B.C. кандидат технических наук, доцент Дзлбилин К.В.

Ведущее предприятие - НИУТрафит

Защита диссертации состоится ОПР#Л Я 1992 г.

в часов на заседании специализированного совета К 143. 07.01 Всесоюзного нгучно-исследовательского, лроектно-кон-струкгорекого и технологического института электротермического оборудования по адресу: 10905«:, Москва, Нижегородская, 29.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНКЮТО.

Автореферат разослан NQPTQ 1992 г.

Ученый секретарь

специализированного совета

к*т.н.i с*нфс«

Актуальность таи;. С каздда годом' возрастает погрзоность в графатзрованной предугадав как в СССР, тая и за суйзгсм. ¿.'яровое производство графатарсванних электродов в ISE6 г. составило 1,5 шт. тонн. 1Й2СБ09 производство углеродного волокна э IS37 г. составило 4720 тонн, в 1995 г, оэдцаэтея 10880 гош.

Информация о производстве углеграфзтонп: катвриаяоз з СССР имеет закрыта характер. По данным НИИПзафита з .'настоящее зре-мг э СССР производится около 40000 тонн изделий из графзта, а углвродного волокна и .изделий из наго выпускается около 240 тс.га етагод-;ю. В 1995 г. ожидается выпуск углеродных волокнистых катэрязлоз на 300 мля.руб.а даерод-углеродкнх кошсзшмояшес материалоэ на 230 млн.руб. в действувицзх ценах. :

Значительный рост производства углеродных вояоноя обусловлен прогрессивностью технологических процессов синтеза новых композиционных материалов, обладавших высокими фязЕко-даханнчсскшп параметрами. Значительную часть композиционных материалов составляют материалы, армированные углеродгамя волокнами, а такге углэрод-—углеродные кошгозишояеыз материалы (УУБМ).

^Среди тенденций развитая злектеотэршчзской техники огаечаэт-ся шроКое развитие высокотемпературного' ейд^здионного нагрева. К ногам областям применения высокотемпературного индукционного нагрева относится графягярование углеродных материалов. Индукционный нагрев дозволяет значительно интенсифицировать процесс ггафитадая, время гравитации сокращается б 3-4 раза по сравнению с narresом сопротивлением. Выход годного ттераала за 2 года эксплуатация опытной печи в СССР составил 100$. Основное параметры графптиро-навного материала значительно дучш, чем цра обработке в па чах сопротивления. Исследования показали, что индукционная графятация в непрерывном раиш позволит на 20—3052 снизать удельный расход электроэнергии.

В связи с агам представляется целесообразным для репзная ряда тахнологическах задач разработка высокотемпературных индукционных нагревательных печей'{БТИНЮ, пыевдах преимущества перед высокотемпературными нагревательными печами других типов.

Актуальность работы определяется' потребностями проыксдон-еости в высококачественных углеродных иатзвиалах.

Исследования выполнены в объеме, необходимой для разработка ВТИНП, в рачках хозяйственного договора J» 954 os 09.02.89 г. "Ш0КР на разработку спеададизароваввоа андлэдокпой электропечи".

Пер работа % исследования. Целью настоящей работы

являлось комплексное теоретическое и экспериментальное исследование взаимосвязанное вопросов, позволяющих изучить особенности протекания физических процессов коа высокотемпературном награве углеродных материалов и определить параметры основных узлов разрабатываемых печей..

Иеи выполнении работы были поставлены и решены следуэдие за-дачв: ' '

1. В результате экспериментальных исследований по определению тепдиЕых потесь чо ¡.103 тепловую взо'.гяцив ВШШ по луче вы полиноми-валыша заэисимостс плотности потока тепловых потесь чевез боковую поверхность тепловой изоляции, пригодные для использования пси расчета различных ВШШ.

2. Исследование эгеятроиагнигногто поля в системе "индуктор--ыеталлвчаский защитный экран - графитовый нагреватель - изделие".

3. Исследование удельного электрического сопротивления угла-графитовых материалов.

4. Исследование срока службы тепловой изоляции.

5. Исследование равномерности теплового поля рабочего пространства ШИ2Ш.

6. Исследование конструкций свода и нагревателя.

7. Разработка методики расчета ШШП.

6. Разработка рекомендаций то конструирования основных элементов и эксплуатации ВТИШ1.

Методы исследований. Црв решнип поставленных задач применен комплексный подход, включадаий теоретические а экспе скаа и таль нне исследований. £ частности, ислодьзоваш методы теории планирования эксперимента, физическое и математическое моделирование, аналитические расчетные метода, натурные эксперименты на спытно-промышлев-ной печи. В ряде случаев автору потребовалось разработать вовне Методы исследований.

Научная новизна. Наследованы тепловые потери через тепловую изоляции ВТИНП, конструкции тепловой изоляции, срок ее службы, материалы футеровок. Исследовано электромагнитное поле в системе "индуктор- металлический защитный экран - графитовый нагреватель-изделие". Разработана методика и исследовано удельное злэктричес-— коо сопротивление углаграфитовых материалов. Построена иатеыати-чааяаяс иоде ль срока службы тепловой изоляции ВВЕЛ. Разработана методика я исследовано тепловое поле рабочего пространства ВШШ.

Разработаны розсевндзцйз по коястсущсеавзв основных узлоз а эксплуатация ЕЕШП.

Др.а?,тя5зская нежность. ССссяоезлы илпко-экозомичзокпз критерии разработки д внедрения в цооышшшность ВНЕШ. Ощзздалоны тепловые потеря чарзз тепловую изоякдао ВТИНП, волучэна всиог» рамы для определения срока сё сдукбц, иеоб^одушиэ дэд опрздо» ления параметров ШИШ1 л хода еэ дрозктарррадш!. Для всполгзо*-рения в ходе ЕЮКР цазваботаяи мвтодаяв: расчета ЗТЙЦП, осрэ^ деления удельного'эдэкгггвческого соцротавлвняя углеграфлизшс материалов, расчета срока слугбы срода и роГрератоля, Разработаны рекомендация по бэзопасаой и падеглоЗ эксплуатации ВТКНП и проектированию основных узлов ЕИЩ, Создана одитнсь-прогислен-нал установка - ШШШ с диаметром рабочего пространства 0,17 м а высотой его 0,2 и и рабочей температурой до 3500 К. Внедрения результатов заботы.Разработакшэ иэтодаки исследования и расчета внедрена в практику ШОК? ВВД1ЭТ0. Материалы диссертации гспользоланы поя создании я внедрении в опытно-лрскнх-дзннув эксплуата'таю ВЕПШ с диаметром рабочего пространства 0.17.м а еысотой его 0,2 м я рабочей тзыпэр§туро2 до 3500 К, а также при разработке промыишзнной электропечи ИЭВЗ- 20.20/2800--0.5-И1.

Дгтробадяя работа. Основное пологэнхя д результаты диссертации докладывалась я обсувдались на Евроирйсхса конгрессе по прямо-Еэаию индукции в вдошплоиностя ( Страсбург, 1591) л заседаниях научно-техннчэскъго совета ЕНШЭТО.

Публикация. Результаты работы отвалены з 2 статьях , I отчоте о НИ? ВНИИЭТО, 2 волсзительЕых решениях ЩЩГЦЭ по заявка?л на изобретения.

Стпукттса и объем работа. Диссертация родуорт рз введения, четырех основных глав, заключения, при логе родер^зт £94 страницы сквозной нумерации, в том числе 127 страниц .цацрноцаенрго текста, 38 рисунков и 25 таблиц на 50 страницах а сщзсок лртера=-тура нз 110 наименований ва 12 страницах.

КРАТКОЕ СОДЕЕШШ РАБОТЫ

Внедерио содеркат обоснование актуальности теш диссертация, формулировку вдяя работы а основЕка попоеонйя, зыпосиг.не на захвату.

Глата 2. Современные методы высокотемпературной термообработки углеводных материалов. Выполнен анализ современных промышленных методов термообработки углеродных материалов. Рассмотрены установка графитацш для производства электродов, саз личных углеродных заготовок, углеродных волоков, долученгя УУКа. Проведен анаша з свойств углеводных катериалов в зависимости от температуры термообработки и показана необходимость достижения температур до 3500 К. Являатся перспективными разЕИЕаацаася в настоящее время ' НШН, способный решить ряд технологических задач, поставленных современным развитием науки и техники.

В ¡мающейся литературе отсутствуют расчетные методики определения тепловых потерь через тепдовуи изоляцию ВТКШ, вклвчазмцув а себя шталлгчоскиЕ защитный экран. Также отсутствуют расчетные методики определения срока службы конструкции тепловой изоляции -вашейшего параметра ВГйНП, что затрудняет проектирование печей.

Описанные ъ литературе расчетные методаки ояределения тепловых полей высокотемпературных нагревательных электропечей не учи- . тчЕаат особенностей ВТИНа е их црпавнение вносит погрешности в расчет ВТИНП, Влияние подачи газа в рабочее пространство ВТИНП не учитывается.

Приведенные в литературе данные о удельном электросопротивлении углеграфиговых материалов подучены традиционным методом -пропускавшей тока через образцы материалов. Использование этих данных пси расчета ЗТИНП для материалов футеровок (особенно волокнистых) требует проверки возаонности их применения, т.к. условия ВПШИ существенно отличаптся от экспериментальных.

Приведенные в литературе давние с вакуумных к химических свойствах гранита такаа требуют проверка ьозмовдости изименевля их для услотаР ВШНД.

Еа основании анаддза литературных и патентных источников .конкретизирована задачи настоящей работы, обоснованы примененные в работе ызгоды исследований.

Глава Тэо'эетйчдокие и экорери?:еятальняэ исследования теплогой л.зрдяциа гасдкотемпегагфной .индукционной нзгтезательной Печи. Экспериментальна стенд, созданный во'ВНИИЭТО, представляет собой оштво-промышюняую ЕГЛНП. Печь средназначзна для исследо--ваьий тепловой изоляции, а такгз допускает возмогность проведэ-ния 'экспериментальных с срошшязнных нагревов углеродных материалов дая термообработки до температур 2500 К. Эта печь коает еду-

иить прототипом пей проектировании промышленных ВЦ-ИЛ.

Проведенные экспериментальные исследования тепловых потерь через боковую поверхность тепловой изоляции ВПШ, состоящей из металлического защитного экрана и футеровки из углеграфитовых материалов, позволили получить зависимость плотности потока гел-лоеых потерь ( 0( ) от температуры нагревателя РС<) и толщины футеровка С ж. ) для различных материалов последней. Пример зависимостей дан на рис. I. Интервал Та выбран от 2473 К до 3473 К, а интервал от 0,07 м до 0,125 .ч. Интервалы варьирования факторов охватывают значения, характерные для ВТИШ, и выбраны на основе данных литературных источников." .

Исследования выполнены в соответствии с ортогональными центрально-композиционным планом втоцого порядка.

В результате получены зависимости для футеровок из саки П803, углеграфитового войлока ЕИШ-250 и карботенстима В соответственно:

«о"-( <,«>? - H.U^o'V,, - л ■% -

♦ гоч -

-t i

юЧ^Ь- T„ -AS,CW,5S-.<°-TH*

где ф- в Вт/и2, Гн - в К , эс- - в м.

Другие исследованные материалы (маловериистый гранулированный углеродный материал ЫГУМ, ТИЗАЫ и т.д.) показали худшие теплоизоляционные свойства. Наялучшм теплоизоляционным материален является caz,а. Тепловые потери чс^эз тепловую изоляции с футеровкой из углеграфитового войлока э даа раза выше, а с футеровкой из карботекстима В - в четыре раза выше.

Исследования влияния качества изготовления футеровки на теплоизоляционные свойства ее выявили високую чувствительность ее к цо-

доотности для волокнистых материалов. Незначительные нарушения целостности футеровка ведут к резкому со с ту теплового потока в этом месте в интенсивному разрыв нию футеровки.

Для оценки эффективности работы тепловых изоляций использэва-ны полиномы дня «V • Составам выражение для аси е виде:

Ьеу- (2,и- пси Тн = 2473 К

(3,09 -2", ж. +г<Я при Тн= 3473 К

С погрешность!) 500 Бг/м2 = <?-« пр и О,079 м для Гц=2473 К, пав х-*0,108 и .. для Тц - 3473 К, По результата-.: экспериментов сделан вывод о том, что металлический защитный экран охлаждает футеровку га некоторое расстояние от себя, и, начиная с некоторой толщины все футеровки работают с одинаковой эффективностью.

Экспериментально получена картина электромагнитного поля в системе "яндуктор-эк1ан-гра$итоЕкй нагреватель-изделие". Установлена высокая однородность электро.магннгаого воля а пределах рабочего пространства ВГиНП. Ослабление электромагнитного поля сво- -дом я подом не болев 10%. Полученные результаты благоприятны для энергетических характеристик ВВЕНП (высокая равномерность выделения энергии в нагревателе, возможность высокого заполнения нагревателя загрузкой).

Исследования удельного электрического сопротивления (УХ) углэграфитовых материалов проводились по разработанной методике, отлячавдеЕся от традиционной отсутствием каких-либо электрических контактов при измерениях, возможностью усреднения значения УХ для материалов с ярко выраженной анизотропией электро- и тепдофазических свойств, возможноегьв проверить испытуемый материал в условиях, близких к реальным.

Образец из углеграфитового материала помещается в однородное электромагнитное поле, в котором нагревается вихревым токами. Активная мощность, выделяющаяся в образце, определяется по формуле : • Рв &-И1 • д-Ь /д5Г

где с - удельная теплоемкоеть материала образца; . т - вес его;

л-*1 - перепад температур за время нагрева; время нагрева,.

С другой стороны Ра мокно определить по формулам для нагрева тел проста» геометрической формы, широко представленным в литературе. Длг. этого необходимо знать геометрические размеры об-

разца, напряженность магнитного поля Ш0) и его УЭС. Зная ?а а Н0 можно вычислять УЭС испытуемого материала. Н0 определяется при-помощи измерительной"катушки или по нагреву образца с известным УЭС.

Исследовались сыпучие, волокнистые в твердые углеграфитовые материалы. Полученные значения УЭС для волокнистых и твердых материалов отличается от приведенных в литературе. Проведенные исследования позволяют считать, что сыпучие материалы невосприимчивы к электромагнитному полю на частотах, характерных для НГИШ, при диаметре частиц до О.ОС1 м; для волокнистых и твердых угле-графитовых материалов при изготовлении из них футеровок ВТИШ можно считать замкнутыми контурами тока по всей футеровке; при расчете ВТИНП необходимо учитывать выделение мощности в самой футеровке для правильного выбора материала ее.

Опыт разработки и эксплуатации ЗТШ1 показывает, что одной из важнейших характеристик конструкция тепловой изоляции является срок службы ее.

Срок службы конструкции тепловой изоляции моз-.но Еыразить Е виде^ и* О-•

(I)

где О и В - коэффициенты;

Т - температура, К. ПзреЕдя к превыдюнию температуры футерован над гешоратурой окру-ааодей среды {7-213) К и проделав преобразования, получим:

где Ьм- номинальный срок службы при допустимой температуре; допустимое превышение температуры; ¡■г - коэффициент.

В условиях менявшихся нагрузок и режимов пользоваться формулой (I) нельзя. Введем понятие относительной величины использованного ресурса времени службы тепловой изоляции. Пусть в течение времени ЯГ; температура изоляции составляет • Соответствующий срок слухбы .. о^ч

и1 = ин-е-г*,('■ >

Относительная величина использованного ресурса времени службы изоляции определяется как д 1**'в

Очевидно, что ресурс времени будет исчерпан при условии £ "ь^"^. Для конструкции тепловой изоляции НГИНП получим:

- 10 К fS—

s:

Проделаем преобразования: , ,v \

Отношение Ti/L может рассматриваться как вероятность того, что температура в период временя будет равна . В этом случае в соответствии с определением математического оаадания ыогно" записать g Si М [е"1']

tel ^

Здесь У Cs^J- математическое ожидание экспоненциальной функции случайной величины m(i,

Тогда ■ Ь^-а

u *" И Се-*3

Чтобы определить Ы необходимо знать закон распределе-

ния температуры нагрева тепловой изоляции -f С&) :

При нормальном законе распределения температуры нагрева тепловой изоляции величина е-*" ^определена до логнормальнсму закону

й M С*"*'.] * е м^ 40,b~'hl

Тогда « (л^ -

Такил образом, для расчета срока слунбы тепловой изоляции по формуле С2) необходимо знать математическое ожидание M в дисперсию превышения температуры тепловой изоляции над температурой окружающей среды Dt^J. Очевидно, что правильно выбранной мо-лет считаться тепловая изоляция, срок службы которой в данных условиях равен номинальному. Исхода аз этого, получим условие выбора тепловой изоляции по температуре:

И 1*3 vo,s-n, Ot>] -1Уу»

Полученное условие ЕНбора тепловой изоляция существенно отличается от общепрЕнятого выбора по предельной температуре применения s данных условиях.

Формула (2) применима при любом рзяиме работы, особенности каждого из них отражаются lia вероятностных характеристиках !£ {&] -ь-ОЬ*]-

Црадставим процесс эксплуатации BTIliffl как чередование периодов работы1^; и пауз ^пс произвольной продолжительности, причем ^„>0В период работа действуют импульса моадостс неточна-

ва питания Р- > 0. В период действяя ямцудьса ммгности происходит нагрев тепловой изоляции, в паузах - охлаждение. Определение кривой превышения температура футеровкинад температурой окружавшей среды ( далее кривой перегрева) подробно рассмотрено в литературе.

Во вре;»м работы: _ 2.

где Тф - постоянная времени футеровки;

продельное значение температуры футеровки в установившемся-решка.

Во время паузы: . ....

Рассматривая каядый жпульс Р;, как единственный можно построить кривую шзрзгрэна только от него. Температура футеровки в каждый момент времени ровна сумме температур, которое имела бы футеровка з этот момент времени от воздействия каздого из предшествующих единичных импульсов ко'дности. Таким образом, результирующая кривая превышения температуры футеровки 1за весь срок службы футеровки представляет собо-/ су^уу единичных кривых перегрева (,чг) , имевших место в тот :г.е пар^од:

С*)*

где К - количество единичных импульсов иасртовя!, клашгл неото за время срока слукбы и.

Проделав соотаетстзукшз преобразования, вокучиа фор иуду:

ИС^Ы} = мс^пр^.е^ (3)

где И 1,нте;.:атлческое ожидание предельного

значения температура футеровки; - вероятность того, что печь включена.

Известно, что О О! = ^С/1] - . Поэтому

задача определения дисперсии превьчгеняя температуры сводится к задаче определения математического о.т.и/дния квадрата превышения температуры.

Проделав соответствующие преобразования, получим формулу:

МЕ-р] \ I

-í +

Зависимости (3) и (4) универсальны, они применива для любого режима работы.

Учитывая, что при расчете вероятностных характеристик древы-шяия температуры играют роль перяоды, в которых (9^, > 0, мокно для длительного реакма считать =3?^ ( т.е. считать время паузы равный времена полного затухания экспоненты).

Лрогеряа полученных зависимостей для двух частных случаев -регулярного графика нагрузки (детершшщованный режим) и графика нагрузки, представляющего пуассоновскай поток событий (случайный режим) - показывает совпадение зависимостей, полученных из ободай модели, с зависимостями, полученным для частных модэлей.

В качестве регулярного графика нагрузки использовался режим газотермической обработки углеграфитовых материалов - нагрев, хлорирование, изотермическая выдеркка, охлаждение. Цри выдержке происходит фторирование.

В настоящее вре.*ля отсутствуют систематизированные данные о сроках службы тепловой изоляции ЗЕ1Ш. Из литературных данных известных, что , например, срок слухбы конструкций тепловой изоляции пачи для получения электроцеточного полуфабриката, состоявших из сажи, углеграфнтового войлока и их комбинаций, составлял 240-270 часов при температуре 3073-3273 К.

Анализ эксплуатации опытно-прошаленной печи ВТШ1 во ШИИЭТО с конструкцией тепловой изоляции, в к лз чаще 2 в себя металлический защитный экран и футеровку из углеграфитового войлока БИНН-250, позволяет сделать вывод, что определяющей для срока службы тепловой изоляции является футеровка. Ориентировочно ыоано считать, что срок слухбы ео при температуре 3073 К равен 300 часов, а при температуре 2973 К - 360 часов. Л6со/1Т

-В-этом случае— Ь—= 1^65 -часов, и перейдя к д-р, и <У

получим I. = ЗОО-е1^*'^!?"^ С учетом формулы (21:. и - зоо ■ е ^ ~Сн

Для использования в инаенерных расчетах был проведен комплекс вычислений срока службы футеровки при вероятностных характеристи-

ках распределения температуры, соответствующих нормальному закону распределения. Для различных сочетаний "С,, и 'С« построены номограшы для определения срока слузбы, позволяющие достаточно быстро определить Ь на стадии проектирования печи. Пример номограмм дан на рис. 2.

Глада 4. Теоретические я экссе?я:дзятаяьицо исследования теплового поля вч с о к о т е;.ще ату о н огидурцгониоЗ нагооза-.течьпой печи и конструкции свода и нагревателя. Анализ литературных данных о матема-тпчзском моделировании теплов1"' 'йолей высокотемпературных нагрева-тзльшлх печей позволяет сделать вывод, что математической модели теплового поля ЬТ/Ш на сегодня нет. Существует математическая модель высокотемпературной нагревательной печи сопротивления, учитывающая конструктивные и теплотехнические особенности печей, иоз-воляеедя оценивать раЕно:.:еряооть теплового поля ка изделии, помещенном в вакуумную печь сопротивления с гранитовым нагревателем и экранной теплово! изоляцией.

Анализ условий. БНЕП (наличие внутренних источников тепла в нагревателе и загрузка; основной вид теплопередачи чзраз футеровку но излучение, а теплопроводность; наличие газовой атмосферы в рабочем пространстве печи) позволяет сделать вывод, что оценка неравномерности теплового поля, полученная ко судоствугссеп ::сдолп, является наи:судаг.! случаем для условий ЪИЕШ.

Анализ возможности физического моделирования теплового поля ШИШ показал значительную сложность соблюдения всох критериев подобия. Тем не менее, было принято решение провести физическое исследование теплового поля ВТИНП, при температурах, допускаввдх использование термопар. Полученные результата ионко будет использовать при разработке катекагическоЗ модели НГКШ и при проектировании печей.

Основная задача при исследовании '- оценка равномерности теплового поля ВТИНП при отсутствии и подаче газа в рабочее пространство печи.

В результате проведенных экспериментов могло сделать следующие еыводы: тепловое поло ВТШШ весьма равномерно при температурах до 1473 К и мо.тло отдать высокую равномерность ого до температур порядка 3500 К, подача газа ясказавг температурное поле при высоких расходах его. При расходах газа, применяемых на практике, искажение температурного поля отсутствует.

Вабор конструкций свода я нагревателя БТИЗП, работающих при высоких температурах в агрессивной среде, должен проводится не только с учетом расчета на прочность, но также включать расчет на ползучесть и потери массы, так как оба этих явления существенно проявляются именно при высоких температурах.

Литературные данные о скоростях ползучести графита и его мас-соуяосе требуют проверки для применения при расчете ВТИНП, гак как условия экспериментов, при которых от получэны, значительно отличаются от"условий ВТИНП.

Экспериментальные исследования свода и нагревателя опытно--промышлеявой ВТИНП на ползучесть и потерю массы при температуре 3273 К позволяют сделать выводы о возможности определения скорости ползучести графита по литературным данным.

Скорость массоуноса графита нагревателя в условиях опытно-вромышенно£ ВИНИ значительно меяызе рассчитанной по литературным данным. Оаа составляет всего 0,057 от расчетной скорости.Это объясняется тем, что в экспериментах, описанных в литературе, весь испарившийся углерод уносился от образца. В условиях ВТИНП углерод насыщает рабочее пространство печи и удаляется через отверстия в свода, суммарная плоиадь которых равна 0,028 от площади свода. Печь ь.чеет значительное .количество футеровки, также содержащей много углерода. Это затрудняет испарение с наружной стороны нагревателя. Предлагается определять скорость испарения графита нагревателя по формуле: V^Урасч (.о,ог» ^

где Ч^мч- скорость испарения, определяемая-по литературным данным;

- коэффициент, равный отношении суммы площадей отверстий свода к его общей площади. Крупногабаритный нагреватель может быть изготовлен из графитового электрода подходящего диаметра. Однако массовое производство электродов ограничено диаметром 0,7 м, большего диаметра (до 1,2 м) существуют только экспериментальные образцы. В то ае время механическая обработка электродов, большого даглзтра сопряжена со значительными трудностями. Поэтому целесообразно рассмотреть ьаз-могности изготовления нагревателя из небольших элементов.

Передача-энергии-элвктроыагнитаото-поля-нагреватела^оает__

происходить как кавдому его элементу в отдельности, так и группе элементов, соединенных в кольцо. В первом случае необходимо применять гораздо более высокую частоту тока индуктора, чем во. втором.

Это вздет к увеличению стоикосгз БТИНП. Одяако главную опасность представляет возможность гзстгания газового разряда кехгду отдоль- • ныма элементами нагревателя, особенно пря температурах около 300C К, так'как вацряввняэ згапгаягя в вааууш для аргона составляет единицы вольт. В сзяэл с изложении! возникает задача ебесдочош'я на-дэзного электрического контакта сооданяекцга злеизптака,

прячем ГЭС контакта должно быть несущественно болыэ ( а здеала-пз больпз) 73G материала нагревателя.

Анализ литературных данных по вопросам пайки сзаркз графита, а такпз созданпя надежных электрических контактон для графитовых нагревателей электропечей сопротивления, дозэоляот сделать вивод о возможности соединения гранатовых элекзнтоз нагревателя с высоким качеством.

Экспериментальные исследования, соединения полуколец из графита е кольцо с использованием смеси бакелитового лака с графитовым порошком, этой смесп с добзнлэняеи титановых опилок, аргепо-дуго-еоЭ пайкой титаном позволил;; сделать еыеод о перспективности использования nacía на основе бакелитового лака с графитовый перои-KOM. - .1

С цальа проведения экстр гшиталыагх исследована! был изготовлен сборжй нагреватель из отдельных-элементов для спнтнс-про-мшшщнноЗ БТуШП. Он состоял вз пята слоев гранатовых элег/еатоз по гость эламзцтов а слое. Слоя соединяются гладкими графитовыми шшькама,- по дев в каздом элементе - по всей еысото, Eco эломан-ты з шильхи сказываются пастой на основе баяэдатозого лака п графитового пороака. После суаки на воздухе нагреватель трезду нагревался до 3073 К и после каздого раьа он все больше трескался по швам. Результаты испытаний нагревателя, соединенного пастой на основе крешайорганпчоского лака а графитового по;оска, аналогичное.

По результата;.! исследований вексмэздувтся конструкция сборного нагревателя, стянутого шпиаькама с розьбой, а все соединения сказаны паотей на основе бакелитового лака с графитовым псцошхои. Глава 5. Расчет впсокстетаератуг.ичх икдукпиоршпе ,ряг>?ор.1?члыг?х дечзЛ. Дриведекы результаты разработки 'методика расчета ЕТИНП. Расчет ЕШШ является комплексным а вклпчает в себя э качества разделов расчета отдельных пагалэтроЕ - рас. 3.

С цельо определения влияния толщины нагревателя на выделение иокноата в нем при загруэке, изменяющей слог физические свойства в процессе нагрева ("обсиженная" заготовка превращается з графят),

проделав ряд расчетов на математической модем. В результате получены рекомендации по выбору толины нагревателя и конструкции тепловой изоляции, обеспзчивахииа высокий естественный коэффициент мощности при незначительном перегрева нагревателя относительно загрузки.

На этапа электрического расчета следует проверить поглощение энергии электромагнитного соля футеровкой ВТИНП с использованием данных главы 3.

Расчеты сроков службы тепловой изоляции, свода и нагревателя проводятся с использованием формул глав 3 и 4.

Все остальные расчеты выполняются по известным методикам.

В числе рекомендаций по конструированию основных элементов и эксплуатации ВТКЕП предложены конструкции свода для печай большого диаметра. Разработаны рекомендации по защите нагревателя от воздействия атмосферы печи для повышения срока его слукбы. Пред-логэны варианты конструкции нагревателя, позволяющие создать температурные зоны по высоте последнего.

Вопросы эффективности применения ВТИНП в народном хозяйстве страны исследованы е целом на примере использования ВТИНП для термообработки четырехмерного ТУШ. С&идаемый экономический эффект от создания и внедрения ВТИНП составляет более 2,0 млн.руб.

Экономический эф|юкг от использования результатов данной работы составляет в настоящее время 80 тыс.руб.

В прилеганиях представлена результаты внедрения и расчет народнохозяйственного экономического эффекта от создания в внедрения ВШЩ для термообработки четырехмерного 7T&Í.

ЗАЗЦЦЧЗЙИВ

Основные результаты и выеоды по работе:

1. В результате экспериментальных исследований по определена тепловых потерь через тепловую изоляции ВТИНП получены полиномиальные зависимости плотности потока тепловых потерь через бо-кову» поверхность тепловой язоляцин, пригодные для использования при расчете различных ВТИНП. )

2, Дев выборе Еонструкци^теплоЕой изоляции и материалов футеровка сдодт/э? учитывать, что при' заданной темпзратуре нагрева--

теля начиная с некоторой толчанн футеровки из углаграфитовых материалов работает с одинаковой эффективностью по тепловым потерям. Это обусловлено влиянием металлического защитного экрана на

на теплопроводность материала футеровка и существенно расширяет круг взаимозаменяемых- материалов.

3. футеровки из волокнистых и твердых углеграфитовах материалов весьма чувствительны к качеству их изготовления я незначительные раруЕения целостности таких футерсюк могут приводить к разрушении их вследствие резкого увеличения теплового пот-ока.

4. Исследования по определению электромагнитного поля в системе "индуктор-экран-графатовый нагреватель - изделие" показала Ексокую однородность электромагнитного поля внутри и вне нагревателя по всей его высоте, что способствует равномерности выделения мощности в нем. Ослабление электромагнитного поля сводов незначительно при толщинах материала свода не более половины глубины проникновения электромагнитной волны в материал свода. В силу этого положение изделия внутри нагревателя не имеет значения с точки зрения выделения мощности электромагнитного поля.

5. На основании исследований по определению удельного электрического сопротивления углегра^итовых материалов можно считать, что сыпучие материалы с диаметром частиц до 0,001 м невосприимчивы к магнитному нолю на частотах 0,Ь - 10 КГц, характерных для ВТИШ. Волокнгстые и твердые материалы имеют такие значения удельного электрического сопротивления, которые в сочетании с тем, что контуры гояа'до футеровке вокруг ¡¡агревателя замкнуты независимо от способа соединения кусков материала .приводят к необходимости учета выделено мощности в футеровке щи расчете ВТШШ.

6. 3 результате теоретических исследований срока слузбы тепловой изоляции ВТИШ на основе вероятностного подхода, построена математическая модель расчета срока службы тепло еой изоляции, применимая для любого решзма работы печи. Получены универсальные зависимости для определения математического ожидания и дисперсии прзяыпения температуры футеровки.

7. По результатам эксплуатации опытно-промышленной ВТИНП получена зависимость срока службы ее от математического ожидания и дисперсии превышения тешературн футеровки. На основании этой зависимости получены графика для определения срока служба тепловой изоляции при различных постоянных времени футеровки в длительностях нагрева и охлаждения.

8. По результатам экспериментальных исследований теплового поля ВТИШ установлена высокая равномерность ого при темяерату-

рах лп 1473 К. В связи с так, что тепловая изоляция ШШ эффективно работает лри температурах до 3500 К ыоздо саидать вксокуа равноыерность теплового иоля и при высоких температурах. Подача газа в рабочее пространство всканает тепловое поле ери больших расходах газа. В этом случае для достижения высокой равномерности теплового поля требуются дополнительные меры.

9. Б результате теоретических и экспериментальных исследова--ний конструкции свода и нагревателя определено оптимальное сечение сводовых балок, определена методика расчета срока службы конструктивных элементов ШШП с учетом ползучести ах материалов и кас-соуноса при высоких температурах.

10. В результате теорегичвоких в экспериментальных исследований возможностей изготовления графитовых нагревателей из составных частей разработаны рекомендации по конструкции нагревателя и способе его .изготовления.

11. Разработана и внедрена в практику НИОКР ШИИЭТО методика расчета НШШ.

12. Разработаны рекомендации по выбору размеров тепловой изоляции и нагревателя ВТШП, обеспечивающих оптимальное распределение выделения энергии электромагнитного поля в тепловой изоляции, нагревателе и загрузке печи.

13. Разработаны рекомендации по конструировании основных элементов и эксплуатации ШИНП на основе результатов, полученных в ходе экспериментальных исследований, выполненных^ опытно-проши-ленной ВТИНП, а такав теоретических исследований.

14. Материалы диссертации использованы при разработке прошпь-ленной печи ИЭВЭ-20,20/2800-0,5-И1.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работа:;:

I. Срок службы тепловой изоляции высокотемпературных индукционных нагревательных печей. Памфилов В.Н., Лазу ткан Ю.В. Всосо~за. В.-и., проектао-коыстр. и технолог, иа-т элекгротери.оборуд.-И., 1990, 27 е., вн. Библиограф. II вазв. - Рус.-Двп. в Информэлектро « 58-ЗГ90 от 01.06.90,г.

_ 2. Нагреватель высокотемпературной нагревательной лечи

йузовлвв И.Б., Лазуткин Ю.З./Бодалоа С.В. Бсесоюзн. н.-и.,-

проектно-консгр. в технолог, ин-т элекгротеры. оборуд. -И., 1990, II с., ил. Библиограф. 2 вазв. - Рус. - Дэп. в Ивфорюлектро

* 162-ЭГ90 от 20.12.9Сг.

3. Лазуткин Ю.В., Дузовлев И.В. НИР по исследованию оптимальных энергетических и конструктивных параметров электропечи. Отчет. УДК 621.365.5, ЕНШЭТО, 1589 , [да] .

4. Кузовлев И.В., Лазуткин Ю.В., Глебов И.Й., ШесЁфэр СЛ., КосыреЕ А.И. Вакуумная высокотемпературная нагревательная печь. Сол.решение по заявке Е 4852354/07 от 29.05.91 г.

5. Кузовлев И.В., Лазуткин Ю.В., Индукционная установка. Дол.решение по заявке К 482&С68/02 от 15.07.91 г.

^уГ.К-м-Л«,/, Зн»-. «-.и^и ^ьЫлЫ»* Р. м^к^я

С^*«., «ило,^ и' и^Ыь* £5- AppUcc.-fc.Wi

П^Ь^ъ Нем,,

2473 297 i TA75 T*,K РисЛ зависимость плотности теплового потока я- 01 температуры нагревателя Т при тол-тане футеровки * « 0,07 м.

I - сажа ШОЗ

к - углеграфитовый войлок ВШН-250 2 - 'ip 3 - карботекстим В 3 - чр

¿ 4 ее т.,

Рис.2 Зависимость срока час службы и от постоянной времени футеровки Т^ при соп^ъ и ^п ■ 1 - » Т. » 5 час

» 7 час =10 час

Рис.3 Блок-схема расчета ВТКНП. За* 31дсп

Тча. бО

ВНии$ то

ÂS22âSMGS25>_22Ш- С казддо годом' возрастает потребность з графзтароваппэй продукций как в СССР, sas я sa руСзгсу. Мировое производство графагярсЕаннцх электродов в I9ES г. составило 1,5 млн.тона. !йрсвое производство утлзродного волокна з ISS7 г. составило 4720 тонн, a IS95 г. оглдается I08S0 тоня.

Информация о производстве утлеграфитошх катериалсз з СССР имеет закритЗ характер. По дашшм ВИГрафзта з ¡настоящее зремл а СССР производится около 40000 тонн изделий пз граната, а углеродного волокна и .издэляй яз наго запускается около 240 тоня ежегодно. 3 I9S5 г. создается выпуск углеродных еодокнкстих материалов на 300 млн.руб.,. а углерод-уг.-ародкых коупозедзоппых катерзалоэ аа 230 млн.руб. з дайствукетх ценах. :

Значительный рост производства углеродных волокся обусловлен прогрессивностью техвояогзческах процессов синтеза новых композиционных материалов, обладающих высокими фязико-кеханичзскиш параметрами. Значительную чзсть композиционных материалов составляют материалы, армированные углеродныкя волокнами, а такге утлерод--утлеродяые кошозицкояныз материалы {7ТШ).

iGседа тенденций развития электротермической техники отмзчазт-ся шроЯое развитие высокотемпературного" ишфкцзонцсго нагрева. К новым областям применения высокотемпературного индукционного нагрева относится графйгарешаняо углеродных материалов. Кядухгцнонпый нагрев позволяет значительно интенсифицировать процесс графитацзи, время графитация сокращается в 3-4 раза до сравнению с ;загреЕом сопротивлением. Биход годного ¡материала га 2 года эксплуатация опытной печл в СССР составил 1С0$. Основные параметры графпгиро-ванного материала значительно лучиз, чзм гра обработке з пачах сопротивления. Исследования показали, что индукционная графатацая з непрерывном режиме позволит на 20-30% снизать удельный расход электроэнергии.

В связи с эт2м представляется целесообразным для роезнйя ряда технологических задач разработка высокотемпературных индукционных нагревательных пачэй ' (БГИШ), имеющих прзимупоства перед высокотемпературными вагреватольныма пзчаки других типов.

Актуальность работа определяется' потребностям промнпден-ностя з высококачественных углеродных материалах.'

Исследования выполнены а объеме," необходимом для разработки ЗВШП, s рамках хозяйственного договора S 954 от 09.02.89 г. "НИ0ХР на разработку специализированной нндуевдоеной электропечи

Цель работа к задачу, иоолодоваеия. Целью настоящей саб о ты являлось комплексное.теоретическое и экспериментальное исследование взаимосвязанных вопросов, позволяющих изучить особонносет протекания физических процессов леи высокотемпературном нагреге углеродных материалов я определить параметры основных узлов разрабатываемых печей.

При выполнении работы были поставлены я решены спедувдие задачи:

1. 3 результате экспериментальных исследований по определению •гепливых потерь через тепловую изоляцию В"ШНП получеш полиноки-нальные зависимости плотности потока тепловых потерь через боковую поверхность тепловой изоляция, пригодные для использования при расчете различных ВВИЛ.

2. Исследование электромагнитного поля в системе "индуктор--ыеталличэсяий защитный экран - графитовый нагреватель - изделие".

3. Исследование удельного электрического сопротивления угла-графа товых материалов.

4. Исследование срока службы тепловой изоляции.

5. Исследование равномерности теплового поля рабочего пространства ВТИШ.

6. Исследование конструкций свода и нагревателя. -

7. Разработка методики расчета ВПИЛ.

6. Разработка рекомендаций но конструировали» основных элементов а эксплуатации ШИНН. .

Методы исследований. Црв решении поставленных задач применен комплексный подход, включающий, теоретические и экспериментальные исследования. В частности, использованы »¿входы теории планирования эксперимента, физическое и математическое моделирование, аналитические расчетные методы, натурные эксперименты на спытно-проиыпшенной печи. В ряде случаев автору потребовалось разработать новые Метода исследований.

Научная новизна. Исследованы тепловые потери через тепловую изоляции ВТИШ, конструкции тепловой изоляции, срок ее службы, материалы фугеравок. Исследовано электромагнитное поле в системе "индуктор- металлический защитный экран - графитовый нагрелатель-издедяе". Разработана методика и исследовано удельное электрическое сопротивление углеграфитовых материалов. Построена матсмати-чесгая модель срока службы тепловой изоляции ВШШ. Разработана методика и исследовано тепловое поде рабочего пространства. ВТИШ.

Разработаны рекомендации по конструарозаЕшэ ссншшх узлоз я эксплуатации ВГИНП.

Практическая ценность. Обоснованы мащаяо-эгоноиичесняз критерии разработка и внедрения в промыаленность ВТШШ. Определены тепловые потери через тепловую язсшадо ВТЙНП, получена нсиог» ракмы для определения срока её службы, деобходрхыв для опредр=» леная параметров ВГИНП в ходе ее адоортаро^адпя. Для использо» вания в ходе ШГОКР разработгны методика: расчета ВЕЩ, опрз^ деления удельного'электрического сопротивления углеграфятозцх материалов, расчета срока слуабы сэрда и вагрэватадя, Разработаны рекомендация по безопасно! и надежной эксплуатация ВТИНП и проектированию основных узлов ЩЩЦ, Создана орытно^при.згшоа-' ная установка - ВТИНП о диаметром рабочего пространства 0,17 и и высотой его 0,2 м и рабочей температурой до 3500 К. Введверэ результатов, работы.Разсаботаннвэ методики исследования и расчета внедрены в практику ШЩР ЩВДЭГО. Материалы диссертации использованы при создании и внедрения в опытво-прошяе-лэннуа эксплуатации ВТИНП с диаметров рабочего пространства 0,17. ы и высотой его 0,2 и я рабочей температурой до 5500 К, а такшЗ при разработке прошллэнной этзктзрпрчп ИЗВЗ- 20.20/2800--0.5-И1.

Апробация оабот. Основн.'.е положения э результата диссертация докладывались и обсуздаглсь на Espossíosou конгрессе по приме-пению индукции s промышленности ( Сгразбург, 1991) и заседаниях научно-технического совета ВКИИЗТО,

Публикапии. Результаты работы отражены в 2 статьях , I отчете о НИР БНИИЭТО, 2 положительных решениях ВДЙГЦЭ со заявка:! на изобретения.

Структура и. объеы щбяты. Диссертация ресуоз? из эводония, четырех основных глав, заклачения, прилогедай, содержит J94 страницы сквозной нумерации, в том числе 127 страняд цвдзшопзсного текста, 38 рисунков и 25 таблиц па 50 страницах и с да сок литера»-туры из НО наименований на 12 страницах.

КРАТКОЕ СОДЕЕЕАЩЗ РАБОТЫ

еленио содержит обоснование актуальности темы диссертации, формулировку цели работы н основные пологения, шшосвмыв на за*-щиту.

Гла^а 2. Современные катоды высокотемпературной термообработки углеводных материалов. Выполнен анализ современных промышленных методов термообработки углеродных материалов. Рассмотрены установка графитадии для производства электродов, различных углеродных 'заготовок, углеродных волокон, получения УУКМ. Проведен анализ свойств углеродных материалов в зависимости от температуры термообработки, и показана необходимость достижения телшератур до 3500 К. Являются перспективными развивавдиеся в настоящее время ЗГуИП, способный решить ряд технологических задач, поставленных современным развитием науки и техники.

В кроющейся литературе отсутствуют расчетные методики определения тепловых потерь через тепловую изоляцию ВГИНП, вкличаюцую в себя неталлячзский защитный экран. Также отсутствуют расчетные методики определения срока службы конструкции тепловой изоляции -ваанейазго параметра ВТйНП, что затрудняет проектирование печей.

. Описанные в литературе расчетные методики определения тепловых полей высокотемпературных нагревательных электропечей.не учитывают особенностей ВТИНП в их причинение виосиг погрешности в расчет БЖШ, Влияние подачи газа в рабочее пространств с ВГИНП ве учитывается. -

Приведенные в литературе данные о удельном электросопротивлении углеграфитовых материалов подучены традиционным методом -пропускание;: тока через образцы материалов. Использование этих данных при расчете В1ИНП для материалов футоровок (особенно волокнистых) требует проверки еозыокнссти их применения, т.к. условия ВТЯНИ существенно отличаится от экспериментальных.

Приведенные в литературе давние с вакуумных и химических свойствах графита также требуют проверки.Еозыогности применения их для условий ВТ/КП.

На основании анализа литературных и патентных источников конкретизированы задача настоящей работы, обоснованы примененные £ работе 1«огоды исследований.

Глава 3. Теоретические и экспериментальные исследования тепловой .изоляция шаодртемпзратурной индукционной нагревательной речи. Экспериментальный стенд, созданный во ВНИЮТО, представляет собой одытво-промышленнур ЕТЛНП. Печь предназначена для исследований тепловой изоляции, а таюге допускает возможность проведе-— ни я экспериментальных г проиыш!ЭННых нагревов углеродных ыатериа-дсв для термообработки до температур 2500 К. Эта печь коает еду-

жить прототипом при проектировании промышленных ШИШ.

Проведенные экспериментальные исследования тепловых потерь через Соковую поверхность тепловой изоляции ВГЖШ, состоящей из .металлического защитного экрана и футеровки из углеграфитових материалов, позволили получить зависимость.плотности потока тепловых потерь ( су ) от температуры нагревателя ) и толщины футеровки ( х. ) для различных материалов последней. Пример зависимостей дан на рис. I. Интервал Тд выбран от 2473 К до 3473 К, а интервал от 0,07 м до 0,125 м. Интервалы варьирования факторов охватывают значения, характерные для ВТИНП, и выбраны на основе данных литературных источников.' .

Исследования выполнены в соответствии с ортогональными центрально-композиционным планом второго порядка.

В результате получены зависимости для футеровок из сажи 11803, углеграфитового войлока БИНН-250 и карботекстима В соответственно:

юЧ^ь? - 1<,<з-Л0"ч.т^ -1,96-зс + а,зсм0-

- Ю,?0 ■ Х-'- 5 •

♦ гоч-х1- но'^Тя-х-)

* Ь1 б- ж.х -<51 г?•■«о"?ти•

где з Вт/м2, Тн - в К , X - в м.

Другие исследованные материалы (тлоьернистый гранулированный углеродный материал МГУ1Л, ТИЗА1Л и т.д.) показали худшие теплоизоляционные свойства. Наилучшие теплоизоляционным материалом является сала. Тепловые потери через тепловую изоляции с футеровкой из углеграфитового войлока в два раза выше, а с футеровкой из карботекстима В - в четыре раза выше.

Исследования елияния качества изготовления футеровки на теплоизоляционные свойства ее выявили Еысокую чувствительность ее к. це-

достности для волокнистых материалов. Незначительные нарушения целостности футеровки ведут к резкому росту теплового потока в этом месте и интенсивно:,^ разрушению футеровка.

Для оценки эффективности работы тепловых изоляций использованы полиномы для «V • Составим выражение для аеи в виде:

Ьсу - Сз.Н+г.<<> ЛО при тн = 2473 К

Й1<У» О.оэ -г,«- « 1-г<в*-*-)-ЮЧ дли ха= 3473 к

С погрешвостью 500 Вт/;/2 <У& при Хг 0,079 м для Тн=2473 К, при «.»0,108 м .. для Тц = 3473 К* По результатам экспериментов сделан вывод о той, что металлический завдтннй экран охлаждает футеровку ва некоторое расстояние от себя, и, начиная с некоторой толщины все футеровки работая? с одинаковой эффективностью.

Экспериментально получена картина электромагнитного поля в систеае "индуктор-экран-грауитовый нагреватель-изделие". Установлена высокая однородность электромагнитного поля в пределах рабочего пространства ШИШ. Ослабление электромагнитного поля сво- . дом и подом не более 10$. Подученные результаты благоприятны для энергетических характеристик Ш51НЯ (высокая равномерность выделения энергии в нагревателе, возмолность высокого заполнения нагревателя загрузкой).

Исследования удельного электрического сопротивления (УЭС) углеграфитовых материалов проводилась по разработанной методике, отличающейся от традиционной отсутствием каких-либо электрических контактов при измерениях, возможностью усреднения значения УЭС для материалов с ярко выраяенноЕ анизотропией электро- и теплофазическах свойств, возможностью проверить испытуемый материал в условиях, близких к реальным.

Образец из углеграфитового материала помешается в однородное электромагнитное поде, в котором нагревается вихревыми токами. Активная мощность, выделяющаяся в образце, определяется по формуле : Ра г й.'С

где С. - удельная теплоемкость материала образца; . г« - вес его;

- перепад температур за время нагроЕа;

----адемя сагрева_._______

С другой стороны Ра можно определить по формулам для натре-ва тел просто» геометрической формы, широко представленным в литературе. Ддя этого необходимо знать геометрические размеры об-

хгаэца, напряженность магнитного поля (Н0) и его УЭС. Зная ?а и Н0 можно вычислить УЭС испьтуемого материала. Н0 определяется при-помощи измерительной'катушки или по нагреву образца о известным УЭС.

Исследовались сыпучие, волокнистые и твердые углеграфитовые материалы. Полученные значения УЭО для волокнистых и твердых материалов отличаются от приведенных е литературе. Проведенные исследования позволяют считать, что сыпучие материалы невосприимчивы к электромагнитному полю на частотах, характерных для ВТИНП, при диаметре частиц до О.иС! м; для волокнистых и твердых угяе-графитовых материалов при изготовлении из них футеровок ВТИНП можно считать замкнутыми контурами тока по всей футеровка; при расчете ВТИШ необходимо учитывать выделение мощности в самой футеровке для правильного выбора материала ее.

Опыт разработки и эксплуатации ЗГйЯП показывает, что одной из важнейших характеристик конструкции тепловой изоляции является срок службы ее.

Срок службы конструкции тепловой изоляции мояно Еыразать в виде;- 1-0- '

(I)

где О и В - коэффициенты;

Г - температура, К. ПзреДця к превнжчию температуры футеровки над температурой окружающей среда (Т-273) К и проделав преобразования, получим:

где Ьн- номинальный срок слунбы щи допустимой температуре; допустимое превышение температуры; - коэффициент.

В условиях меняющихся нагрузок и режимов пользоваться формулой (I) нельзя. Введем понятие относительной величины использованного ресурса времена службы тепловой изоляции. Пусть э течение временя температура изоляции составляет . Соответствующий срок службы , ц,

»Г • ;

Относительная величина использованного ресурса времени службы изоляции определяется как д !->*' = ■

с ^

Очевидно, что ресурс временя будет исчерпан при условии -^. Для конструкции тепловой изоляции БТИШ получим:

- 10 -

Тс

Ьи-е"1^""= 1

Проделаем преобразования: , ^ \

, -с- е. -Ьн

Отношение ЯГ;/и может рассматриваться как вероятность того, что температура в период времени будет равна . В этом случае в соответствии с определением математического ожидания моано записать . '^ъ*")_ ^-т^^с« ^

С« 4

Здесь М £5^5 - математическое олидание экспоненциальной функции случайной величины 19".

Тогда , 1>м ^

Ь * М

Чтобы определить М необходимо знать закон распределе-

ния температуры нагрева тепловой изоляции 4 С1^):

При нормальном законе распределения температуры нагрева тепловой изоляции величина еТ распределена по логнормальнсму закону

и И ^ е и

Тогда

Ь = (2)

Таким образом, для расчета срока службы тепловой изоляции по формула (2) необходимо знать математическое ожидание Ы [_&] а дисперсию превышения температуры тепловой изоляции над температурой окружающей среда ОЬ^]. Очевидно, что правильно выбранной ыо-тч считатася тепловая изоляция, срок службы которой в данных условиях равен номинальному. Исходя из этого, получим условие выбора тепловой изоляции по температуре:

и 1Ж] * о 1>1 -

Полученное условие выбора тепловой изоляции существенно отличается от общепринятого выбора по предельной температуре применения г данных условиях.

Формула (2) драконима при лнбом рзкяш работы, особенности каждого из них отражаются на вероятностных характеристиках Ц (>]

и ОЦ^Зг____________—_________________

Дрздстайиы процесс эксплуатации ВПШ как чередование периодов работы ^ и пауз ^п: произвольной продолжительности, причем "Ср^о^^о. В период работы действуют импульсы мощности источни-

ка питания Р;, > 0. В период действия импульса мощности происходит нагрев тепловой изоляции, в паузах - охлаждение. Определение кривой превышения температура футеровки над температурой окружающей среда ( далее кривой перегрева) подробно рассмотрено в литературе.

Во время работы: _

где Тф - постоянная времени футеровки; ^»гд,- предельное значение температуры футеровки в установившемся-режиме.

Во время паузы: . ... .

Рассматривая каздый гицульс Р с как единственный можно построить кривую перэгрэва только от него. Температура футеровки в каждый момент времени равна суше температур, которое имела бы футеровка в этот же момент времени от воздействия каздого из предшествующих единичных 'импульсов медности. Таким образом, результирующая кривая превышения- температуры футеровки за Еесь срок служба футеровки представляет собой сукуу единичных кривых перегрева ^С*) . имевших место а тот'.т.е период:

где К - количество единичных кдц'льсов шцносга, имевпяд место за время срока службы Ь.

Проделав соответствую®« преобразования, получим формулу:

МС^Се)! = МС^пр^.бр (3)

где И математическое ожидание предельного

значения температуры футеровки; - вероятность того, что печь вкл;очена.

Известно, что О СХ} = МСл*1 - • Поэтому

задача определения дисперсии превышения температуры сводится к задаче определения математического отдания квадрата превышения температуры.

Проделав соответствующие преобразования, получим формулу:

Зависимости (3) и (4) универсальны, они применяй для любого режима работы.

Учитывая, что при расчете вероятностных характеристик превышения температуры играют роль периоды, в которцх 0, мокно для длительного режима считать % =ЗТ^ ( т.е. считать время паузы равным времени полного затухания экспоненты).

Проверка полученных зависимостей для двух частных случаев -регулярного графика нагрузки (детерминированный рекиы) и графика нагрузки, представляющего пуассоновсюзй поток событий (случайный раним) - показывает совпадение зависимостей, полученных из общей модели, с зависимостями, полученными для частных моделей.

3 ка чес гае регулярного графика нагрузки использовался реки;.: газотерыяческой обработки углеграфптовых материалов - нагрев, хлорирование, изотермическая выдеряка, охлаждение. Цри выдержке происходит фторирование.

В настоящее время отсутствуют систематизированные данные о сроках службы тепловой изоляции ВТИШ. Из литературных данных известных, что , например, срок сдукбы конструкций тепловой изоляции печи для получения электрощеточного полуфабриката, состоявших из сажи, углеграфзгового войлока и их комбинаций, составлял 240-270 часов при температуре 3073-3273 К.

Анализ эксплуатации опытно-промышленной лечи ВИНИ во БНИИЭТО с конструкцией тепловой изоляции, включающей в себя металлический защитный экран и футеровку аз углеграктового войлока НШН-250, позволяет сделать вывод, что определяющей для срока службы тепловой изоляция является футеровка. Ориентировочно ыоаао считать, что срок службы ее при температуре 3073 К равен 300 часов, а при температуре 2973 К - 360 часов. иооо/ф, . •..

Б атон случае~и-=-1,65--------часоЕ, и перейдя к О^а <У

получим Ь * ЗОО-е^/^Г"^? С учетом формула (2):, и - ЗОО. е - *<■&> ))

Для использования л инженерных расчетах был проведен комплекс вычислений срока службы футеровка при вероятностных характер'йсти-

ках распределения температуры, соответствующих нормальному закону распределения. Длят различных сочетаний Тф, "р и построены номограммы для определения срока слузбы, позволяющее достаточно быстро определить L на стадии проектирования печи. Пример номограмм дан на рис. 2. k

поля высокотемпературной .индукционной наг:-сва:ельиой печи и конструкции свода.и наг'.еаателт. Анализ литературных данных о математическом моделировании .теплов"г !толей высокотемпературных нагревательных печей позволяет сделать еывод, что математической модели теплового поля ВГННП на сегодня нет. Существует математическая модель высокотемпературной нагревательной печи сопротивления, учитывающая конструктивные и теплотехнические особенности печей, позволявшая оценивать равномерность теплового поля на изделии, помещенном в вакуумную печь сопротивления с графитовым нагревателем и экранной тепловой изоляцией.

Анализ условий БПЕП (наличие внутренних источников тепла в нагревателе и загрузка; основной вид теплопередача чзраз футеровку но излучение, а теплопроводность; наличие газовой атмосферы в рабочем пространстве печи) позволяет сделать вывод, что оценка неравномерности теплового поля, полученная по существуйте;: модели, является наихудшим спутаем для условий ЬТ1ПШ.

Анализ возможности физического моделирования теплового поля BTiffiü показал значительную сложность совладения всех критериев подобия. Тем не менее, было принято решение провести физическое исследование теплового поля ВТЕНП, при температурах, допускающих использование термопар. Полученные результаты мояно будет использовать при разработке математической модели ЯШНП и при проектировании печей.

Основная задача при исследовании - оценка равномерности теплового поля ВТЙШ при отсутствии и подаче газа в рабочее пространство печи.

В результате проведенных экспериментов ыокно сделать следующие выводы: тепловое поле ВИПШ весьма равномерно яри температурах до 1473 К и «окно омадать высокую равномерность ого до температур порядка 3500 К, подача газа искажает температурное поле при высоких расходах его. При расходах газа, применяемых на практике, искажение температурного поля отсутствует.

Выбос конструкций свода и нагревателя ВТИБП, работающих при высоких температурах в агрессивной среде, должен проводится не только с учетом расчета на прочность, но также включить расчет на ползучесть и потери массы, так как оба зтих явления существенно проявляются именно при высоких температурах.

Литературные данные о скоростях ползучести графита и его мас-соуяосе требуют проверки для применения при расчете ВТИНП, так как условия экспериментов, при которых они получены, значительно отличаются от "условий ВТИНП.

Экспериментальные исследования свода и нагревателя опытно--промышленвой ВТИНП на ползучесть и потерю массы при температуре 3273 К позволяют сделать вывода о возможности определения скорости ползучести графита по литературным данным.

Скосость массоуноса графита нагревателя в условиях опытно-промышленной ВТЯНП значительно меньие рассчитанной по литературным данным. Ола составляет всего 0,057 от расчетной скорости.Это объясняется тем, что в экспериментах, описанных в литературе, весь испарившийся углерод уносился от образца. В условиях ВТИНП углерод насыцаег рабочее пространство печи и удаляется через от-везстия в своде, суммарная площадь которых равна 0,028 от площади сгода. Печь лмеег значительное количество футеровки, также содержащей много углерода. Это затрудняет испарение с наружной стороны нагревателя. Предлагается определять скорость испарения графита нагревателя по формуле: У'Урал ч (,°|°28+к:»)

где У^мч- скорость испарения, определяемая-по литературным данным;

- коэффициент, равный отношении суммы площадей отверстий свода л его общей площади. Крупногабаритный нагреватель может быть изготовлен из графитового электрода подходящего диаметра. Однако массовое производство электродов ограничено диаметром 0,7 м, большего диаметра (до 1,2 м) существуют только экспериментальные образцы. В то же время механическая обработка электродов большого диглэтра сопряжена со значительными трудностями. Поэтому целесообразно рассмотреть возможности изготовления нагревателя из небольших элементов.

________Передача энергии электромагнитного поля нагревателю может

происходить как каждого его элементу в отдельности, так и группе элементов, соединенных в кольцо..В первом случае необходимо применять гораздо более высокую частоту тока индуктора, чем во.-втором.

Эхо ведет к увеличений стоимости ШШ, Однако главнуп опасность представляет воз.\шность загнгаиая газового разряда ыезду отдоль- • ныиа элементами нагревателя, особенно пол температурах около 3000 К, так'как напрякевяа загнгания в вакууме вла аргоне составляот единицы вольт. В связи с излояанпыы возникает задача обеспечения надежного электрического контакта ызгду совдинявмаиа здошитагш, причем УЭС контакта доляно быть несущественно больга ( в идоало-но болыга) УЭС иаторяала нагревателя.

Анализ лятературши данных по воадосаи пайки сварки графита, а такке создания надежных электрических контактов для графитовых нагревателей электропечей сопротивления, позволяет сделать вывод о возможности соединения графитовых элеызнтоэ нагрователя с высоким качеством.

Экспериментальные исслздования соединения полуколец из графита е кольцо с использованием смеси бакелитового лака с графитовым порошком, этой сшси с добзвлэнием титановых опилок, аргоно-дуго-воЗ пайкой титанои позволял;: сделать вывод о перспективности использования пасшна основе бакелитового лака с графитовая порошком. ,

С целью проведения экспериментальных исследований был изготовлен сборный нагреватель из отдельных элекентов для опытно-промышленной ЗТИНП. Он состоял из пяти слоев графитовых элекентов по кесть элементов в слое. Слоя соединяются гладкими графитовыми Епилькааи,- по два в каядом элементе - по всей высоте. Все элементы и ¡шильки смазываются пастой на основе бакелитового лака и графитового пороака. После сушки на воздухе нагреЕатель триады нагревался до 3073 К и после каждого раза он все больга трескался по швам. Результаты испытаний аагрегателя, соединенного пастой-на основе креынайорганнческого лака и графитового по;оцка, аналогичные.

По результатам исследований рекомендуется конструкция сборного нагревателя, стянутого шпильками с розьбой, а все соединения смазаны пастой на оснсез бакелитового л~ка с графитовым порошком. Глава 5. Расчет вцеокотешеоатуг.ннх индукционных няг^евателытах печей. Приведены результаты разработки'методики расчета ВТИНП. Расчет ВГИНП является комплексным а вклочает в себя в качество разделов расчета отдельных параметров - рис. 3.

С целью определения влияния лвдлины нагревателя па выделение иощноата в ней при загругке, изменяющей свои физические свойства в процессе нагрева ("обоЕкенная" заготовка превращается э грзфит),

проделан ряд расчетов ка математической модели. В результате получены рекомендации по выбору толщины нагревателя а конструкции тепловой изоляции, обеспечивающие высокий естественный коэффициент модности при незначительном перегреве нагревателя относительно загрузки.

На этапе электрического расчета следует проверить поглощение энергии электромагнитного поля футеровкой БТИНП с вспользо- • ванием данцых павы 3.

Расчеты сроков службы тепловой изоляции, свода и нагревателя проводятся с использованием формул глав 3 и 4.

Все остальные расчеты выполняются по известным методикам.

В числе рекомендаций по конструированию основных элементов и эксплуатации ВТИНП предложены конструкции свода для печей большого диаметра. Разработаны рекомендации по завдте нагревателя от воздействия атмосферы печи для повышния срока его службы. Предложены варианты конструкции нагревателя, позволяющие создать температурные зоны по высоте последнего.

Вопросы эффективности применения ВТИНП в народном хозяйстве страны исследованы в целом на примере использования ВТИНП для термообработки четырехмерного У7Ш. Ожидаемый экономический эффект от создания и внедрения ВТИНП составляет более 2,0 млн.руб.

Экономическая эффект ог использования результатов данной работы составляет в настоящее время 80 тыс.руб.

В прилокениях представлены результаты внедрения и расчет народнохозяйственного экономического эффекта от создания и внедрения ВТИЩ1 для термообработки четырехмерного УУКМ.

9АЙДВЧ5НИВ

Основные результаты и выводы по работе:

1. В результате экспериментальных исследований по определено тепловых потерь через тепловую изоляции ВПШ получены полиномиальные зависимости плотности потока тепловых потерь через боковую поверхность тепловой изоляции, пригодные для использования при расчете различных ВТ/НИ. )

2, При выборе конструкции^ тепловой изоляции и материалов футеровки еде дует учи тывать, -что при'заданной ..температуре нагревателя начиная с некоторой толщины футеровки из угдаграфитовых материалов работает о одинаковой эффективностью по тепловым потерям. Это обусловлено влиянием металлического защитного экрана на

на теплопроводность материала футеровка а существенно расширяет круг взаимозаменяемых-материалов.

3. йутсрсвкя из волокнистых и твердых углеграфитовых материалов весьма чувствительны к качеству их изготовления и незначительные рарусенлл целостности таких футерсгюк могут приводить к разрушению их вследствие резкого увеличения теплового пот-ока.

4. Исследования по определению электромагнитного поля з системе "индуктор-зкран-графатовый нагреватель - изделие" показала высокую однородность электромагнитного цоля внутри и вне нагревателя по всей его высоте, что способствует равномерности выделения мощности в нем. Ослабление электромагнитного поля сводов незначительно при толщинах материала свода не более половины глубины проникновения электромагнитной волны в материал свода. В силу этого положение изделия внутри нагревателя не имеет значения с точка зрения выделения мощности электромагнитного поля.

5. На основании исследований по определению удельного электрического сопротивления углеграфитсвых материалов мокно считать, что сыпучае материалы с диаметром частиц до О,COI м невосприимчивы к магнитному нолю на частотах О.Ь - 10 кГц, характерных для БТШШ. Волокнистые и твердые материалы имеют такие значения удельного электрического сопротивления, которые в сочетании с тем, что контуры тока по футерогке вокруг нагревателя замкнуты независимо от способа соединения кусков материала .яря-водят к необходимости учета выделения мощности в футеровка при расчете ВТИШ.

6. 3 результате теоретических исследований срока слугбы тепловой изоляции БТШШ на основе вероятностного подхода построена математическая модель расчета срока службы тепловой изоляции, применимая для любого режима работы печи. Получеш универсальные зависимости для определения математичэсксго окидания н дисперсии превыиения температуры футеровки.

7. По результатам эксплуатации опытно-промышленной ВТКБП подучена зависимость срока службы ее от математического окядания я дисперсии превышения температуры футеровки. На основании этой' зависимости получены графики для определения срока службы тепловой изоляции при различных постоянных времена футеровки и длительностях нагрева и охлаждения.

8. По результатам экспериментальных исследований теплового поля ВТИШ установлена высокая равномерность ого пря температу-

. pax да 1473 К. Б связи с тем,. что тепловая изоляция БПШП эффективно работает при температурах до 3500 К ыохно ожидать высокую равномерность теплового^додя в при высоких температурах. Подача ваза в рабочее пространство искажает тепловое поло при больших расходах газа. В этом случае для достижения высокой равномерности теплового поля требуются дополнительные меры. "

9. В результате теоретических и экспериментальных исследований конструкции свода и нагревателя определено оптимальное сечение сводовых балок, определена методика расчета срока слукбы конструктивных элементов ВТШП с учетом ползучести их материалов и кас-соуноса при высоких температурах.

10. В результата теоретических и экспериментальных исследований возможностей изготовления графитовых нагревателей из составных частей разработаны рекомендации по конструкции нагревателя в способе его .изготовления.

11. Разработана и внедрена в практик ШОКР ВШИЭТО методика расчета НШШ.

12. Разработаны рекомендации по выбору размеров тепловой изоляции и нагревателя ВТИНП, обеспечивающих оптимальное распределение выделения знзргяи электромагнитного поля в тепловой изоляции, нагревателе и загрузке печи.

13. Разработаны рекомендации по конструировании основных элементов и эксплуатации ВТЯНИ на основа результатов, полученных в ходе экспериментальных исследований, выполненных,на опытно-промышленной КИШ, а такге теоретических исследований.

14. Материалы диссертации использованы ори разработке прошибленной печи ИЭВЭ-20.20/2800-0,5-И1.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Срок службы тепловой изоляции высокотемпературных индукционных нагревательных печей. Памфилов 5.Н., Лазуткин Ю.В. Всесовзн. н.-и., провктно-ионстр. и технолог, ен-т электротерм.оборуд.-И. 1990, 27 е., ил. Библиограф. II назв. - Iyc.-Двп. в Информэлектро & 58-ЭТ90 от 01.06.90 г.

2. Еагрезагель высокотемпературной нагревательной яечл -----------Кузовлев И.Е., Лазуткин D.B.,'Водалев С.В. Всесоюзн. н.-и.,____________

проектно-констр. и технолог, ан-t электротерм. оборуд. -Ы., IS90, II е., ил. Библиограф. 2 вазв. - iyc. - Деп. в Информэлектро .. S 162-ЭХ90 от 20.I2.9Cr.

3. Лазуткин Ю.В., Кузовлев И.В. НИР по исследованию оптимальных энергетических и конструктивных параметров электропечи. Отчет. УЛК 621.365.5, ЕЯНИЭГО, 1989 , [ДЗП] .

4. Кузовлев И.В., Яазуткин О.В., Глебов И.Й., Шеф$>ар* СЛ., Косарев Д.И. Вакуумная высокотемпературная нагревательная печь. Пол.решение по заявке И 4852354/07 от 29.05.91 г.

5. Хузоалев И.В., Лазуткин Ю,В., Индукционная установка. Пол.реоеаие по заявка X 4826Й68/02 от 15.07.91 г.

6. Л/л»/ Есучл.рг^иил'Ь ^етг "Ьквл'Ь'и^

2473 2973 3473 Т*,К

РисЛ зависимость плотности теплового потока от температуры нагревателя Т при толщине футеровки х ж О,СП м. 1 - сажа П603 £ - углеграфитовый войлок ВКНН-ЗэО £ -3 - карбогенстлм В 3

■¿-4 ее т?1

Рис.2 Зависимость срока час службы Ь от постоянной времени футеровки Тл цри ч:,,« сслъъ и * еся.аЬ. 1 - Тр ж ЧГ, > 5 час » ч„ « 7 час « Г„ «10 час

Г*

Задание на расчет

Тепловой расчет

Электрический расчет системы "индуктор -

МЗЭ - 1-рафитовый нагреватель - изделие"

Расчет магиитопрово-дов

и.

Расчет срока служба тепловой изоляции, — свода и нагревателя

Охлаждение индуктора.

Охлаждение экрана »-

Конденсаторная батарея _

Рис.о Блок-схема расчета ВТШП.

Але 31дсп

6О Лмии ,$ то