автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Оптимизация применения углеродных материалов в конструкциях высокотемпературных электропечей и разработка нового углеродного композиционного материала для нагревателей

ВВЕДЕНИЕ.

1. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ВАКУУМНЫЕ ЭЛЕКТРОПЕЧИ И МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОПЕЧЕЙ.

Основные высокотемпературные технологические процессы

Среда высокотемпературных электропечей.

1.3. Материалы нагревателей и теплоизоляции для высокотемпературных электропечей.

Нагреватели электропечей.

1.3.1.1. Тугоплавкие металлы для нагревателей высокотемпературных вакуумных электропечей.

1.3.1.2. Углеродные материалы для нагревателей высокотемпературных электропечей.

Тепловая изоляция электропечей.

Высокотемпературные вакуумные электропечи.

1 -4-1 ■ Электропечи на основе тугоплавких металлов.

Электропечи на основе углеродных материалов.

2. РАЗРАБОТКА НОВОГО УГЛЕРОДНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ НАГРЕВАТЕЛЕЙ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ВАКУУМНЫХ ЭЛЕКТРОПЕЧЕЙ И ТЕХНОЛОГИИ ЕГО ПРОИЗВОДСТВА.

Предпосылки использования УКМ в электропечах.

2.2. Анализ теплоизолирующих свойств УКМ и оценка эффективности их применения в качества теплоизоляции электропечей.

2.3. Анализ требований к электросопротивлению материалов для нагревателей и токоподводов высокотемпературных печей.

2.4. Обоснование нового подхода к выбору состава и технологии производства УКМ для электропечей.

Технология изготовления УКМ с матрицей из карбида титана.

Материаловедческие исследования. z.o.i. Рентгеноструктурные исследования.

Исследование электросопротивления.

2.7. Определение плотности углеродных композиционных материалов.

Стойкость и надежность работы нагревателей из УКМ в печах 66 2.9. Технологичность и трудоемкость изготовления нагревателей и нагревательных блоков из УКМ по новой технологии.

Выводы.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ БЛОКОВ ИЗ УГЛЕРОДНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ.

3.1. Разработка методика оценки теплоемкости высокотемпературных материалов для инженерных тепловых расчетов электропечей.

3.2. Теплотехнические расчеты нагревательных блоков и электропечей с использованием новых закономерностей.

Сравнительный анализ нагревательных блоков из УКМ и ТМ.

Выводы.

4. РАЗРАБОТКА, ВНЕДРЕНИЕ И ОПЫТ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПЕЧЕЙ С НАГРЕВАТЕЛЬНЫМИ БЛОКАМИ ИЗ УКМ.

Разработка новой серии печей с нагревателями из УКМ.

4.2. Технические и экономические преимущества электропечей с нагревательными блоками из УКМ.

Снижение электрической мощности, потребляемой из сети.

Снижение расхода электроэнергии.

4.2.2.1. Расход электроэнергии при спекании твердых сплавов в электропечах с нагревателями из УКМ и тугоплавких металлов.

4.2.2.2. Расход электроэнергии при спекании и термообработке изделий из оксидной керамики.

Повышение надежности и срока службы печей.

4.2.4. Возможность повышения остаточного давления в печах с блоками из УКМ.

4.2.5. Возможность модернизации действующих печей типа СНВЭ путем замены нагревателей из тугоплавких металлов на нагревательные блоки из УКМ.

4.3. Сравнение технологических и эксплуатационных показателей печей СНВГ новой серии с печами ведущих зарубежных фирм

Объемы внедрения результатов работы.

Выводы.

Научно-технический прогресс в различных отраслях современной техники, таких как производство современных инструментальных материалов, ядерная энергетика, авиакосмическая техника и др., связан с возрастающим использованием новых перспективных материалов, получаемых и обрабатываемых при высокотемпературном нагреве.

Это определяет необходимость создания и совершенствования электропечного оборудования, удовлетворяющего современным требованиям по диапазонам рабочих температур, экономичности и экологии. К такой категории оборудования относятся высокотемпературные вакуумные печи различного назначения.

Работы по созданию вакуумных электропечей в нашей стране велись с середины 50-х годов по настоящее время во Всесоюзном научно-исследовательском институте электротермического оборудования ныне ОАО «ВНИИЭТО», а отечественного вакуумного оборудования - во Всесоюзном научно-исследовательском институте вакуумной техники ныне ГосВНИИВТ им. С.А. Векшинского.

По температуре вакуумные электропечи разделяются на низкотемпературные - до 1150°С, среднетемпературные - 1200-1600°С и высокотемпературные -1700-2200°С.

Низкотемпературные электропечи при остаточных давлениях 10"2-10-3 Па обеспечивают отжиг, пайку, спекание изделий из реакционно-активных материалов, таких как титан, цирконий, сверхпроводящие сплавы и т.п. Как правило, такие печи имеют экранную теплоизоляцию.

При более высоких давлениях до 10"1 Па эти электропечи использовались для отжига пермаллоев и сталей различного состава, а также для закалки низколегированных сталей в масло. В этом случае в электропечах применялись в качестве нагревателей сплавы сопротивления, а теплоизоляция изготавливалась из сравнительно дешевого легковесного шамота.

С использованием таких материалов были разработаны серии элеваторных, шахтных, камерных и других типов электропечей /1-8/. Общее производство таких электропечей в период до 1990 года составляло 100-150 шт. в год.

Среднетемпературные электропечи широко применяются для нагрева в вакууме 10"1 Па до 1300°С с последующей закалкой в масле или в газах при повышенном до 0,6 МПа давлении изделий из быстрорежущих сталей, а также для спекания высоколегированных сталей и сплавов на основе никеля.

Изделия из твердых сплавов, в том числе безвольфрамовых, и из карби-досталей, содержащих до 50% карбида титана, спекаются при температурах л

1400-1500°С в вакуумных электропечах с полезным объемом до 240 дм и мощностью до 500 кВт, где для нагревателей и теплоизоляции используются углеродные материалы. Для спекания титана, циркония и их сплавов используются электропечи с экранной теплоизоляцией при остаточном давлении

2 3 3

10*-10" Па, полезным объемом до 600 дм и мощностью до 350 кВт/9-14/.

Высокотемпературные электропечи предназначены, в основном, для термообработки и спекания тугоплавких металлов (вольфрама, молибдена, ниобия, тантала) и сплавов на их основе, спекания оксидной керамики, синтеза и спекания порошков тугоплавких карбидов и нитридов, термообработки монокристаллических материалов типа фианита и лейкосапфира и др. Круг материалов и задач, требующих применения таких печей, в последние годы интенсивно расширяется, возникает необходимость дальнейшего повышения температуры печей, в частности, до 2500°С и выше.

Работоспособность высокотемпературных электропечей в основном зависит от материалов нагревателей, токоподводов, теплоизоляции, контейнеров, силовых элементов.

В настоящее время в высокотемпературных электропечах для нагревателей и теплоизоляции обычно используются тугоплавкие металлы (ТМ): вольфрам и молибден, а также углеродные материалы как из традиционных сортов графита, так и из углеродных композиционных материалов (УКМ).

Основными требованиями к этим материалам являются стабильность служебных свойств и совместимость с окружающей средой, характеризуемая контактными реакциями и взаимодействием с парами нагреваемых материалов и остаточными газами.

Использование тугоплавких металлов в электропечи в основном ограничено температурой (1900° С для молибдена и 2500° С для вольфрама) и необходимостью высокого вакуума (10" -10" Па).

На надежность работы нагревателей и теплоизоляции из ТМ влияют внутренние структурные изменения в материале, например, приводящая к хрупкому разрушению рекристаллизация, что особенно сказывается при использовании тонких нагревателей (толщиной 2-6 мм) и экранов (0,1-0,3 мм). Стабильность формы зависит также от деформации, которая определяется ползучестью. Неравномерность нагрева отдельных участков деталей из ТМ, особенно экранов, влияет на коробление. Кроме того, она зависит от неравномерности осаждения на экранах паров материала садки.

Этих недостатков лишены углеродные композиционные материалы. По сравнению с традиционными сортами графита (ГМЗ, ППГ, МГ и др.) они обладают более высокой прочностью и стойкостью к ударным нагрузкам (в 3-5 раз), что позволяет изготавливать из них тонкостенные изделия, а также использовать для силовых элементов печей (подставки, поддоны, крепежные изделия и т. п.).

Конструкции из углеродных композиционных материалов технологичны, сравнительно легко обрабатываются вручную и на обычных металлообрабатывающих станках. Производство элементов печей из тугоплавких металлов обычно требует специальных приспособлений для изготовления экранов, подогрева до 800-1200°С для гибки вольфрамовых прутков и пластин при изготовлении нагревателей, токоподводов, крючков и др. При необходимости сварки вольфрама и молибдена она также представляет определенные трудности, в частности, необходима аргоно-дуговая сварка, специальные приспособления для фиксирования свариваемых элементов. Все указанное существенно снижает выход годного и увеличивает расход дорогостоящих тугоплавких металлов (ТМ) при изготовлении печных конструкций.

В современных условиях все большее значение приобретают задачи ресурсосбережения и в этом отношении печи с нагревательными блоками из углеродных композиционных материалов более предпочтительны, поскольку позволяют сократить потребление электроэнергии и расход дорогостоящих тугоплавких металлов.

Однако в свете современных требований и высокотемпературные печи с нагревательными блоками из УКМ нуждаются в совершенствовании и дальнейшем развитии в направлениях:

- повышения технологичности изготовления и снижения стоимости блоков из углеродных композиционных материалов и печей в целом;

- повышения их К.П.Д. и сокращения расхода электроэнергии;

- упрощения конструкции и улучшения эксплуатационных характеристик печей за счет повышения остаточного давления в электропечах.

Цель работы: Систематизация и оптимизация условий эффективного применения существующих и перспективных материалов для нагревателей высокотемпературных вакуумных электропечей и создание нового экономичного углеродного композиционного материала, позволяющего повысить рабочие температуры и увеличить срок службы печей, а также расширить области их применения и повысить технико-экономическую эффективность при эксплуатации.

В работе решались следующие задачи:

- обобщение и анализ основных параметров, экономичности и надежности промышленно применяемых высокотемпературных печей и материалов нагревателей;

- сравнительные исследования рабочих характеристик известных и перспективных материалов для высокотемпературных нагревателей и оптимизация диапазона условий их рационального применения в вакуумных электропечах;

- разработка нового технологичного материала для нагревателей на основе углеродных композиционных материалов с улучшенными эксплуатационными характеристиками;

- совершенствование методики теплотехнических расчетов тепловых блоков;

- создание печей с нагревательными блоками на основе новых углеродных композиционных материалов, анализ опыта их эксплуатации и оценка реальной технико-экономической эффективности.

Научная новизна работы

1. Предложен новый принцип получения материала для нагревателей электропечей, заключающийся в пропитке заготовок из УКМ расплавами металлов с самопроизвольным формированием матрицы из карбидов этих металлов в результате высокотемпературного химического взаимодействия металлов с углеродом.

2. Разработана новая методика оценки теплоемкости высокотемпературных материалов для инженерных тепловых расчетов электропечей, основанная на новых закономерностях, квалифицированных и зарегистрированных как научные открытия.

3. Впервые, с применением установленных закономерностей, расчетно-экспериментальным путем определены полные тепловые балансы высокотемпературных электропечей с нагревательными блоками из углеродных композиционных материалов и тугоплавких металлов с определением всех составляющих тепловой мощности (полезная мощность; мощность, аккумулированная конструктивными элементами электропечей; мощность тепловых потерь).

Практическая ценность

1. Разработаны новый состав и технология производства материала для нагревателей электропечей, основанная на пропитке углеродных композиционных материалов расплавом титана с самопроизвольным формированием матрицы из карбида титана при температурах, не превышающих 1900°С и достижимых в серийных высокотемпературных вакуумных электропечах.

2. Разработана новая конструкция высокотемпературной электропечи сопротивления с теплоизоляцией и пластинчатыми нагревателями из УКМ, защищенная Свидетельством РФ на полезную модель.

3. Разработана и освоена в производстве ОАО "ВНИИЭТО" новая серия экономичных высокотемпературных вакуумных электропечей типа

СНВГ с нагревательными блоками из УКМ с рабочими объемами 4 о

30 дм на температуры до 1600-2200°С, не уступающих по основным техническим показателям электропечам лучших зарубежных производителей.

Новые электропечи в количестве более 40 шт. используются в промышленности, практика их эксплуатации доказала высокую техникоэкономическую эффективность.

Апробация работы

Основные результаты работы доложены и обсуждены на научных семинарах и конференциях, в том числе:

Научно-производственная конференция «Стекло и керамика: производство и применение» январь 1997 г., Москва, Россия.

Международный симпозиум «Передовые термические технологии и материалы» 22-26 сентября 1997 г., пос. Кацивели, Крым, Украина.

XI научный семинар «Тугоплавкие соединения. Получение, свойства, применение» 18-22 мая 1998 г., Киев, Украина.

Международная научно-техническая конференция «Сварка, высокочастотная техника, электротермия, металлообработка» 27-30 апреля 1999 г., Санкт-Петербург, Россия.

Международная конференция «Перспективные материалы» симпозиум А, 3-7 октября 1999 г., Киев, Украина.

Третий международный аэрокосмический конгресс, 23-27 августа 2000 г. Москва, Россия.

Международная конференция «Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации», 18-22 сентября 2000 г., пос. Кацивели, Крым, Украина.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основании анализа физических и механических свойств высокотемпературных материалов обоснованы перспективные направления и оптимальные условия применения различных углеродных материалов для нагревателей и теплоизоляции высокотемпературных вакуумных и газонаполненных электропечей.

2. Разработан новый состав и технология производства УКМ основанная на пропитке углеродных композиционных материалов расплавом титана с самопроизвольным формированием матрицы из карбида титана при температурах, не превышающих 1900°С и достижимых в серийных высокотемпературных вакуумных электропечах.

3. Выполнена аналитическая и экспериментальная оценка стойкости и надежности нагревателей из УКМ в высокотемпературных вакуумных электропечах, которая показала существенные преимущества нового материала, производственные испытания которого на заводе АББ "Унитурбо" показали увеличение срока службы новых нагревателей в 1,5-2 раза по сравнению с нагревателями из традиционных УКМ.

4. Разработана новая методика оценки теплоемкости высокотемпературных материалов для инженерных тепловых расчетов электропечей, основанная на новых закономерностях, квалифицированных и зарегистрированных как научные открытия под названиями "Закономерная связь между величиной объемной теплоемкости высокотемпературных материалов и температурой их нагрева" и "Закономерность изменения приведенной молярной теплоемкости высокотемпературных соединений от числа атомов в этих соединениях".

5. Разработана новая конструкция высокотемпературной электропечи сопротивления с теплоизоляцией и пластинчатыми нагревателями из УКМ, защищенная Свидетельством РФ на полезную модель.

6. Впервые расчетно-экспериментальным путем определены полные тепловые балансы высокотемпературных электропечей с нагревателями из УКМ и тугоплавких металлов с определением всех составляющих тепловой мощности (полезной мощности; мощности, аккумулированной на нагрев конструктивных элементов печей; мощности тепловых потерь).

7. Разработана и освоена в производстве в ОАО "ВНИИЭТО" новая серия высокотемпературных вакуумных электропечей типа СНВГ с нао гревательными блоками из УКМ и рабочими объемами 4-30 дм на температуры до 1600 - 2200°С.

Основными преимуществами электропечей новой серии по сравнению с действующими электропечами серии СНВЭ с нагревателями из тугоплавких металлов являются:

- снижение расходов электроэнергии в 2 - 3,5 раза;

- повышение надежности и сроков службы печей в 3-6 раз;

- снижение расхода воды на охлаждение печей в 2-2,5 раза;

- снижение текущих производственных затрат на ремонт электропечей с заменой нагревателей;

- возможность работы при повышенном остаточном давлении без использования диффузионных насосов.

Показано, что по основным техническим показателям электропечи новой серии СНВГ не уступают электропечам лучших зарубежных производителей.

8. Использование разработанных конструкций нагревательных блоков из УКМ позволяет на их основе без значительных затрат и в короткое время проводить модернизацию действующих ранее изготовленных печей серии СНВЭ с увеличением их полезных объемов и рабочих температур.

9. Новые электропечи серии СНВГ длительное время (с 1990 г.) и широко (в количестве более 40 шт.) используются в промышленности, практика эксплуатации доказала их преимущества и высокую технико-экономическую эффективность.

1. Мармер Э.Н., Мурованная С.Г. Электропечи для термовакуумных процессов. М.: Энергоатомиздат, 1977, 216 с.

2. Мармер Э.Н., Мурованная С.Г., Васильев Ю.Э. Электропечи для термовакуумных процессов. 2-е изд., М.: Энергоатомиздат, 1991, 232 с.

3. Палей Ф.А., Мурованная С.Г. Печь СНВ-5.10.5/11,5Ф для закалки колец из стали 95X18-Ш. // МиТОМ, 1981, № 10, с. 47-48,

4. Мурованная С.Г., Мармер Э.Н. Исследование скорости испарения жаростойких сплавов в вакууме. // Исследование в области промышленного электронагрева. Тр. ВНИИЭТО, 1965, вып. 1, с. 249-261.

5. Мармер Э.Н., Мурованная С.Г., Вислобоков В.И. Охлаждающая способность некоторых вакуумных масел при различных разрежения. // МиТОМ, 1983, № 1, с. 14-16.

6. Железнякова Ш.Р. Влияние различных сред и вакуума на жаропрочные свойства сталей и сплавов. // Электротехническая промышленность. Сер. Электротермия. 1970, вып. 96, с. 24-27.

7. Вульф Б.К. Термическая обработка титановых сплавов. М.: Металлургия, 1969,376 с.

8. Ковалев М.Н., Левина И.А. Исследование дегазации волокнистых материалов при нагреве в вакууме. // Огнеупоры, 1985, № 1, с. 21-26.

9. Молотилов Б.В., Петренко А.Н., Петляков М.М. Современное состояние проблемы трансформаторных сталей. // МиТОМ, 1970, № 4, с. 28-43.

10. Несмеянов А.Н. Давление пара химических элементов. М.: Изд-во АН СССР, 1961, 396 с.

11. Мармер Э.Н., Паршин Н.И. Вакуумные электропечи для термической обработки. // МиТОМ, 1979, № 1, с. 43-47.

12. Порошковая металлургия титана. 2-е изд./ Устинов B.C., Олесов Ю.Г., Дрозденко В.А., Антипин JI.H. М.: Металлургия, 1981, 248 с.

13. Колачев В.А., Габидуллин P.M., Пигузов Ю.В. Технология термической обработки цветных металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1980, 280 с.

14. Муха И.М. Твердые сплавы в мелкосерийном производстве. Киев: Нау-кова думка, 1981, 120 с.

15. Линецкий Б.Л., Крупин А.В., Опара Б.К., Ракоч А.Г. Безокислительный нагрев редких металлов и сплавов в вакууме. М.: Металлургия, 1985, 184 с.

16. Радомысельский И.Д., Шильдин В.В., Ткаченко В.Ф. Влияние сред спекания на структурное состояние порошковых нержавеющих сталей. // Порошковая металлургия, 1981, № 6, с. 82-86.

17. Падалко О.В. Спеченные быстрорежущие стали. // Порошковая металлургия, Итоги науки и техники. ВИНИТИ АН СССР, М.: 1983, т. 1, с. 3-76.

18. Третьяков В.И. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых сплавов. М.: Металлургия, 1976, 420 с.

19. Савицкий Е.М., Поварова К.Б., Макаров П.В. Металловедение вольфрама. М.: Металлургия, 1978, 224 с.

20. Шмыков А.А. Закономерности взаимодействия контролируемых атмосфер с металлами. // МиТОМ, 1967, № 5, с. 54-62.

21. Поляк Г.В., Усатый Ю.П. Электропечь СНВ-5.10.5/13И1 для вакуумной цементации. // МиТОМ, 1986, № 2, с. 58-60.

22. Анциферов В.Н., Устинов B.C., Олесов Ю.Г. Спеченные сплавы на основе титана. М.: Металлургия, 1984, 168 с.

23. Порошковая металлургия сталей и сплавов. / Дзнеладзе Ж.И., Щеголева Л.С., Голубева Л.С. и др., ML: Металлургия, 1978, 150 с.

24. Тугоплавкие соединения. (Справочник). / Самсонов Г.В., Виницкий И.М. 2-е изд. М., Металлургия, 1976, 560 с.

25. Войтович Р.Ф. Тугоплавкие соединения. Термодинамические характеристики. Справочник. Киев: Наукова думка, 1971, 220 с.

26. Горбачев B.C. Спекание порошкового молибдена в вакуумной печи с нагревателями и футеровкой из графита. // Порошковая металлургия. Минск: Высшая школа, 1966, с. 204-207.27