Исследование стойкости нагревательных элементов

высокотемпературных вакуумных печей из углеродных

материалов, обработанных титаном и цирконием

Студент : Пандаков К.М.

Научный руководитель : Погребисский М.Я.

Постановка задачи

Металлические нагреватели (Nb, Mo, W)

Нагреватели из УУКМ• Высокая механическая прочность• Приемлемое удельное сопротивление• Низкая теплопроводность • Стойкость к атмосфере остаточных газов

Садка НагревательГазообразные вещества

2

CaCO3 = CaO + CO2

CO2 УУКМ CO

900 0С

3

Повышение стойкости нагревательных элементов

Для повышения химической стойкости нагревателей из углерод - углеродного композиционного материала может быть применена его пропитка металлом с целью образования высокотемпературных карбидов.

4

Способ получения

90% Ti+10% Zr ÷ 60% Ti+40% Zr

1900±50 0C ÷ 2100±50 0C, Р 1 Па, 1-4 ч.

УУКМ 2D (1300 кг/м3)

5

Технологический режим

Вакуумная печь сопротивленияВЭ-16-22-У

Нагревательный блок

6

2100±50 0C, Р = 1 Па, 1-4 ч.

7

УУКМ пропитанный сплавом титана и циркония(химическое соединение)

Скорость испарения карбидов зависит от их атомного отношения С/Ме, плотности и структуры. Поэтому вероятно ожидать, что значения скоростей испарения будут уменьшаться.

Взаимные сплавы карбидов, обладают более высокими характеристиками по сравнению с индивидуальными карбидами и являются перспективными материалами в технике высоких температур.

(Э.Н. Мармер, О.С. Гуревич, Л.Ф. Мальцева «Высокотемпературные материалы») 8

Математическая модель печи сопротивления

W1(p)Р T W2(p)T1 P1-2T2

Нагреватель

СадкаФутеровка

Рс

9

10

Нагреватель и загрузка

Футеровка

Мощность при теплообмене

11

Система автоматического регулирования температуры

12

Расчет коэффициентовНагреватель и загрузка

2λ(θ- θ0)/(qS) = kat/S2

KA = kAa/(λ A×2BL) KB = kBa/(λ B×2AL)

1/K = (B/KA + A/KB)/(A+B)

W= K/p

Футеровка

W=K/(T p+1)

Коэффициенты теплообмена

P = C(Θi - Θj)Fij Pij =gij[Ti4 - Tj

4]

13

Определение постоянной времени футеровки

14

Р Θп- Θ1k

Tp 1

tkk TeTTp

15

ΘБ. = PНОМ. ×(1/KН. П.)×R

T* = Θ * + 273/ ΘБ.

PНОМ = qххF3p = Pб

tб=T

K* = K PБ. tБ. / ΘБ

Kф* = KPб./ ΘБ. = KPНОМ./ ΘБ. = ΘБ. / ΘБ. =1

gij * = gij ΘБ.4/PБ

16

Временные зависимости температур

17

Регулирование температуры нагревателей из УУКМ пропитанных металлами

18

19

Выводы

• Нагреватели, полученные пропиткой металлами, имеют ярко

выраженную крутую кривую разогрева по сравнению с нагревателями

из УУКМ при тех же геометрических размерах.

• Вследствие уменьшения степени черноты (у пропитанных металлами

нагревателей) нагрев загрузки происходит медленнее, чем в случае

непропитанных нагревателей.

• Увеличение потерь через футеровку и перегрев нагревателей требует

отстройки параметров ПИД - регулятора, и , как следствие, большее (по

сравнению с нагревателями из УУКМ ) недоиспользование мощности.

20

Будущая работа

Ско

рост

ь ис

паре

ния

Температура

• Учет температурных зависимостей теплофизических

параметров материала нагревателя (теплопроводность,

теплоемкость, плотность).

• Учет скорости испарения материала и, как следствие,

уменьшения поперечного сечения нагревателя в ходе

эксплуатации. Исследование реакции системы на данное

возмущение.

• Учет зависимости скорости

испарения от температуры.

21