Лабораторной муфельной печью называется специальное высокотемпературное нагревательное оборудование , предназначенное для эксплуатации в лабораторных условиях. Данное устройство представляет собой печь, имеющую особую конструкцию.

Она предусматривает полное отсутствие взаимодействия нагреваемых предметов с различными компонентами, выделяющимися в воздух в результате сгорания топлива (сажей, газообразными веществами, а также копотью ).

Для создания таких условий нагревания применяется муфель - огнеупорная камера, которая является своеобразной преградой между нагреваемым изделием и используемым топливом.

Что представляет из себя лабораторная муфельная печь?

Большинство таких муфелей изготавливается из огнестойкого кирпича, жаропрочной стали либо высокопрочного керамического волокна . Именно за счет данного приспособления производители имеют возможность предотвратить загрязнение посторонними веществами различных дорогих металлов, а также химически чистых образцов.

Благодаря тому, что оборудование обладает специальными техническими характеристиками, оно подходит для эксплуатации во многих сферах промышленности:

• в химических лабораториях;
• на предприятиях, занимающихся производством ювелирных изделий ;
• в геофизических лабораториях;
• на предприятиях, которые изготавливают восковые предметы ;
• в пищевой промышленности;
• на предприятиях, выполняющих купелирование разных благородных металлов ;
• в стоматологических центрах;
• для выполнения различных аналитических работ (нагрев и высушивание, сжигание или выращивание кристаллов);
• для обжига различных форм для литья;
• для изготовления изделий из фарфора либо керамики ;
• для плавки , а также закалки различных металлов и их сплавов;
• для проведения кремации .

Современное оборудование должно обязательно обладать следующими характеристиками:

1. Достаточное внутреннее пространство для того чтобы обрабатываемые предметы свободно помещались внутрь прибора.
2. Большой температурный диапазон , позволяющий выполнять разные виды работ.
3. Терморегулятор .
4. Система вытяжки .
5. Возможность подключения к компьютеру (требование предъявляется к некоторым моделям приборов).

Особенности конструкции

Оборудование имеет особую схему строения, которая приспособлена для создания специальных условий обработки различных изделий. Основное отличие от печей других видов заключается в наличии огнеупорной камеры или так называемого муфеля. Это создает преграду, которая предотвращает взаимодействие поверхности материалов с газообразными веществами, выделяющимися из используемого топлива.

Для изготовления муфеля — основной части устройства — и других элементов производители используют, как правило, жаростойкую сталь, огнеупорный кирпич, а также керамическое волокно, которое обладает высокой прочностью.

Фото 1. Схематичное изображение устройства лабораторной муфельной печи. Указаны только основные части.

Как правильно подобрать нужное устройство?

Для максимально эффективной эксплуатации оборудования нужно обращать внимание на следующие его характеристики:

• параметры;
• максимально возможные нагрузки;
• мощность;
• предельная температура обжига;
• рабочее напряжение;
• напряжение питания;
• равномерность прогрева;
• безопасность функционирования оборудования;
• стоимость.

Прежде всего необходимо определиться с объемом рабочей камеры, а также с температурным диапазоном . Кроме того, обязательно нужно обратить внимание на сложность нагрева .

Виды лабораторных печей

Не менее важными показателями при выборе оборудования служит скорость и равномерность прогрева муфельной камеры.

В зависимости от индивидуальных требований, можно подобрать горизонтальную либо вертикальную печь: первая отличается довольно большой вместительностью, а вторая нагревается за короткий промежуток времени.

Лабораторные муфельные печи оснащаются открытыми либо закрытыми нагревательными элементами . Устройства первого типа отлично подойдут для эксплуатации в условиях, когда требуется прогревать камеру до высокой температуры за небольшое время . Однако такое оборудование сильнее подвергается негативному воздействию различных агрессивных веществ, выделяющихся во время обработки предметов.

Печи, в которых используется закрытый нагревательный элемент, отличаются более продолжительным эксплуатационным сроком , равномерным нагревом рабочей камеры, но для максимального прогревания требуется гораздо больше времени. Существенным недостатком устройств данного вида является то, что при поломке нагревательного элемента придется менять полностью всю камеру.

Наиболее простой конструкцией обладает оборудование, имеющее одноступенчатый терморегулятор . Его основная особенность — с самого начала камера нагревается до определенной температуры, а затем она поддерживается на протяжении рабочего процесса. Чаще всего эти печи используются для выполнения таких простых задач, как сушка или обжиг.

Для более сложной аналитической работы предназначаются муфельные печи, которые функционируют за счет специального программного управления .

Они позволяют настраивать процесс нагрева на несколько разных уровней. Контроль происходит с помощью микропроцессора с цифровым индикатором и звуковым сигнализатором.

При необходимости программу можно запустить в автоматическом режиме.

Чтобы выбрать исправную печь, необходимо проверить оборудование на отсутствие каких-либо механических повреждений (сколов, потертостей, царапин и других) на всех составных элементах.

Полезное видео

Ознакомьтесь с видео, в котором показано, как выглядит муфельная печь большого объема для обработки металлов.

Изобретение относится к области технологии пеносиликатных материалов. Технический результат изобретения заключается в создании способа получения гранулята для производства пеностеклокристалических материалов без осуществления процесса варки стекла. Подготавливают фракцию высококремнеземистого сырья с содержанием SiO 2 более 60 мас.% путем прогрева при температуре 200-450°С. Затем добавляют кальцинированную соду в количестве 12-16 мас.%, полученную смесь уплотняют в форме из жаропрочной стали. Форму помещают в печь непрерывного действия и термообрабатывают с выдержкой при максимальной температуре 10-20 минут, и полученный спек измельчают. 1 табл.

Изобретение относится к области технологии пеносиликатных материалов, получаемых вспениванием при температуре выше 800°С - пеностекло, керамзит, петрозиты, в том числе пеноцеолиты, и может быть использовано для изготовления теплоизоляционных материалов с плотностью 150-350 кг/м 3 . Перед вспениванием исходной смеси получают гранулят или гранулы, которые в отдельных случаях измельчают до порошка с удельной поверхностью 6000-7000 м 2 /г.

Известен способ получения гранулята для вспенивания путем формования пластичных масс на шнековых или валковых прессах с последующей сушкой при температуре 100-120°С, при этом вспенивание материала протекает при температурах 1180-1200°С. Недостатком этого способа является ограниченная применимость - только для глиносодержащих шихт при получении гранулированного пористого материала (Онацкий С.П. Производство керамзита. - М.: Стройиздат, 1987). Получение исходной для вспенивания шихты, например, из стеклобоя, данным способом невозможно.

Известен способ получения стеклогранулята путем смешивания компонентов шихты необходимого состава и варки стекломассы при температурах выше 1400°С, охлаждением стекломассы с последующим дроблением и измельчением до удельной поверхности 6000-7000 м 2 /г (Китайгородский И.И., Кешишян Т.Н. Пеностекло. - М., 1958; Демидович В.К. Пеностекло. - Минск, 1975). Недостатком данного способа является необходимость организации процесса при высоких температурах с большим энергопотреблением.

Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности является способ получения гранулята, включающий подготовку фракции высококремнеземистого сырья, добавление кальцинированной соды, смешивание порошков и обжиг в печах непрерывного действия при температуре 750-850°С (Иваненко В.Н. Строительные материалы и изделия из кремнистых пород. - Киев: Будiвельник, 1978, стр.22-25). Недостатком этого способа является ограниченная применимость - получают термолиты, применяемые в качестве пористых заполнителей для бетонов, которые изготавливают только из кремнистых опаловых пород (диатомит, трепел, опока).

Задачей изобретения является подготовка гранулята на основе термообработки смеси компонентов: а) сырьевых материалов с SiO 2 более 60 мас.%, например цеолитовые туфы, маршаллиты, диатомиты, трепелы и т.п. и б) технологических добавок, обеспечивающих процессы силикатообразования без осуществления варки стекла.

Поставленная задача достигается следующим образом:

1. Кремнеземистую породу, содержащую SiO 2 более 60 мас.%, дробят, измельчают, просеивают (фракция менее 0,3 мм);

2. Порошок кремнеземистой породы активируют путем прогрева при температуре 200-450°С для удаления т.н. «молекулярной воды»;

3. Для приготовления сырьевой смеси добавляют кальцинированную соду в количестве 12-16 мас.%;

4. Полученную смесь уплотняют в форме из жаропрочной стали и термообрабатывают в печах непрерывного действия при температуре 750-850°С с выдержкой при максимальной температуре 10-20 минут;

5. Полученный спек измельчают до фракции менее 0,15 мм и используют для приготовления шихты с газообразователем и другими добавками для производства пеностекла и пеностеклокристаллических материалов известными технологическими процессами.

Предлагаемый способ получения гранулята иллюстрируется примером:

1. В качестве кремнеземистого сырья был применен цеолитизированный туф Сахаптинского месторождения (Красноярский край) следующего химического состава, мас.%: SiO 2 - 66,1; Al 2 О 3 - 12,51; Fe 2 О 3 - 2,36; CaO - 2,27; MgO - 1,66; Na 2 O - 1,04; K 2 O - 3,24; TiO 2 - 0,34; потери при прокаливании - 10,28.

2. Подготовленная проба - измельченная, просеянная с фракцией менее 0,3 мм активируется путем прогрева в сушильном шкафу при температуре 400°С в течение 10 минут.

3. Расчет количества кальцинированной соды проводится из предпосылок максимального образования Na 2 SiO 3 при твердофазовом взаимодействии SiO 2 и Na 2 СО 3 - т.о. на 100 г активированной пробы добавляется 18,62 г кальцинированной соды.

4. Для спекания используют формы из жаропрочной стали. Внутренняя поверхность формы обмазывается каолиновой суспензией для предотвращения прилипания опека к металлу.

5. Подготовленная порошкообразная смесь уплотняется в форме, помещается в муфельную печь и нагревается до температуры 800°С и выдерживается 15 минут.

6. Полученный спек с содержанием стеклофазы 65-85% охлаждается, измельчается и является полуфабрикатом для приготовления шихты для производства пеностекла.

Полученный по данному способу гранулят апробирован в технологическом процессе производства пеностекла:

Гранулят измельчался до фракции менее 0,15 мм;

В полученную порошкообразную шихту вводился газообразователь - кокс, антрацит, жидкие углеводороды в количестве 1% по весу;

Шихта уплотнялась в формах и термически обрабатывалась в муфельной печи при температуре 820°С с выдержкой 15 минут. После выдержки формы удалялись из печи для охлаждения и стабилизации ячеистой структуры.

Получен пеностеклокристаллический материал с характеристиками, приведенными в таблице.

Таким образом, авторами предлагается способ получения гранулята для производства пеностеклокристаллического материала, позволяющий использовать природной сырье вместо дефицитного стеклобоя. Технологический процесс не требует высоких температур, что делает производство экономически эффективным.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ получения гранулята для производства пеностекла и пеностеклокристаллических материалов, включающий подготовку фракции высококремнеземистого сырья с содержанием SiO 2 более 60 мас.%, добавление кальцинированной соды, смешивание порошков и обжиг в печах непрерывного действия при температуре 750-850°С, отличающийся тем, что полученную фракцию высококремнеземистого сырья активируют путем прогрева при температуре 200-450°С, затем добавляют кальцинированную соду в количестве 12-16 мас.%, полученную смесь уплотняют в форме из жаропрочной стали, помещают форму в печь непрерывного действия, термообрабатывают с выдержкой при максимальной температуре 10-20 мин и полученный спек измельчают.

Начало

Началась эта затея, как обычно начинается множество подобных затей – случайно зашёл в мастерскую к знакомому, а он показал новую «игрушку» – полуразобранную муфельную печь МП-2УМ (рис.1 ). Печь старая, «родной» блок управления отсутствует, термопары нет, но нагреватель целый и камера в хорошем состоянии. Естественно, у хозяина вопрос – а нельзя ли приделать к ней какое-нибудь самодельное управление? Пусть простое, пусть даже с небольшой точностью поддержания температуры, но чтобы печь заработала? Хм, наверное, можно… Но сначала неплохо было бы посмотреть документацию на неё, а потом уточнить техническое задание и оценить возможности его воплощения.

Итак, первое – документация есть в сети и легко находится по запросу «МП-2УМ» (также лежит в приложении к статье). Из перечня основных характеристик следует, что питание печи однофазное 220 В, потребляемая мощность примерно 2,6 кВт, верхний порог температуры – 1000°С.

Второе – нужно собрать электронный блок, который мог бы управлять питанием нагревателя с потребляемым током 12-13 А, а также мог бы показывать заданную и реальную температуры в камере. При конструировании блока управления следует не забывать, что нормального заземления в мастерской нет и неизвестно, когда будет.

Учитывая вышеперечисленные условия и имеющуюся электронную базу, решено собирать схему, измеряющую потенциал термопары и сравнивающую его с выставленным «заданным» значением. Сравнение проводить компаратором, выходной сигнал которого будет управлять реле, которое в свою очередь будет открывать и закрывать мощный симистор, через который сетевое напряжение 220 В будет поступать на нагревательный элемент. Отказ от фазоимпульсного управления симистором связан с большими токами в нагрузке и отсутствием заземления. Решили, что если при «дискретном» управлении окажется, что температура в камере колеблется в больших пределах, то тогда переделаем схему в «фазовую». Для индикации температуры можно применить стрелочный прибор. Питание схемы – обыкновенное трансформаторное, отказ от импульсного блока питания так же обусловлен отсутствием заземления.

Самым сложным было найти термопару. В нашем городишке магазины таким не торгуют, но выручили, как обычно, радиолюбители с их желанием вечно хранить в гаражах всякое радиоэлектронное барахло. Примерно через неделю после оповещения ближайших знакомых о «термопарной потребности» позвонил один из старейших радиолюбителей города и сказал, что есть какая-то, лежащая ещё с советских времён. Но её надо будет проверить – может оказаться, что она низкотемпературная хромель-копелевая. Да, конечно проверим, спасибо, ну, а для экспериментов подойдёт любая.

Небольшой «поход в сеть» на предмет просмотра того, что уже сделано другими по этой теме, показал, что в основном по такому принципу самодельщики их и конструируют –«термопара – усилитель – компаратор – силовое управление» (рис.2 ). Поэтому и мы не будем оригинальными – попробуем повторить уже проверенное.

Эксперименты

Сначала определимся с термопарой – она одна и она односпайная, поэтому в схеме компенсации изменения комнатной температуры не будет. Подключив к выводам термопары вольтметр и обдувая спай воздухом с разной температурой из термофена (рис.3 ), составляем таблицу потенциалов (рис.4 ) из которой видно, что напряжение растёт с градацией примерно в 5 мВ на каждые 100 градусов. Учитывая внешний вид проводников и сравнивая полученные показания с характеристиками разных спаев по таблицам, взятым из сети (рис.5 ), можно с большой вероятностью предположить, что применяемая термопара является хромель-алюмелевой (ТХА) и что её можно использовать длительное время при температуре 900-1000 °С.

После выяснения характеристик термопары экспериментируем со схемотехникой (рис.6 ). Схема проверялась без силовой части, в первых вариантах применялся операционный усилитель LM358, а в окончательный вариант был установлен LMV722. Он тоже двухканальный и тоже рассчитан на работу при однополярном питании (5 В), но, судя по описанию, имеет лучшую температурную стабильность. Хотя, очень может быть, что это была излишняя перестраховка, так как при применённой схемотехнике погрешность установки и поддержания заданной температуры и так достаточно велика.

Результаты

Окончательная схема, управления показана на рис.7 . Здесь потенциал с выводов термопары T1 поступает на прямой и инверсный входа операционного усилителя ОР1.1, имеющего коэффициент усиления примерно 34 dB (50 раз). Затем усиленный сигнал проходит через фильтр низкой частоты R5C2R6C3, где 50-тигерцовая помеха ослабляется до уровня –26 dB от уровня, приходящего с термопары (эта цепь была предварительно симулирована в программе , расчетный результат показан на рис.8 ). Далее отфильтрованное напряжение подаётся на инверсный вход операционного усилителя ОР1.2, выполняющего роль компаратора. Уровень порога срабатывания компаратора можно выбирать переменным резистором R12 (примерно от 0,1 В до 2,5 В). Максимальное значение зависит от схемы включения регулируемого стабилитрона VR2, на котором собран источник образцового напряжения.

Для того, чтобы компаратор не имел «дребезга» переключений при близких по уровню входных напряжениях, в него введена цепь положительной обратной связи – установлен высокоомный резистор R14. Это позволяет при каждом срабатывании компаратора смещать уровень образцового напряжения на несколько милливольт, что приводит к триггерному режиму и исключает «дребезг». Выходное напряжение компаратора через токоограничительный резистор R17 подаётся на базу транзистора VT1, управляющего работой реле К1, контакты которого открывают или закрывают симистор VS1, через который напряжение 220 В подаётся в нагреватель муфельной печи.

Блок питания электронной части выполнен на трансформаторе Tr1. Сетевое напряжение поступает на первичную обмотку через фильтр низкой частоты C8L1L2C9. Переменное напряжение со вторичной обмотки выпрямляется мостом на диодах VD2…VD5 и сгладившись на конденсаторе С7 на уровне около +15 В, поступает на вход микросхемы-стабилизатора VR1, с выхода которой получаем стабилизированные +5 В для питания ОР1. Для работы реле К1 берётся нестабилизированное напряжение +15 В, избыточное напряжение «гасится» на резисторе R19.

Появление напряжения в блоке питания индицируется зелёным светодиодом HL1. Режим срабатывания реле К1, а значит и процесс нагрева печи, показывает светодиод HL2 с красным цветом свечения.

Стрелочный прибор Р1 служит для индикации температуры в камере печи при левом положении кнопочного переключателя S1 и требуемой температуры при правом положении S1.

Детали и конструкция

Детали в схеме применены как обыкновенные выводные, так и рассчитанные на поверхностный монтаж. Почти все они установлены на печатной плате из одностороннего фольгированного текстолита размером 100х145 мм. На ней же закреплен трансформатор питания, элементы сетевого фильтра и радиатор с симистором. На рис.9 показан вид на плату со стороны печати (файл в формате программы находится в приложении к статье, рисунок при ЛУТ надо «зеркалить»). Вариант установки платы в корпус показан на рис. 10 . Здесь же видны закрепленные на передней стенке стрелочный прибор Р1, светодиоды HL1 и HL2, кнопка S1, резистор R12 и пакетный переключатель S2.

Ферритовые кольцевые сердечники для сетевого фильтра взяты из старого блока питания компьютера и затем обмотаны до заполнения проводом в изоляции. Можно использовать дроссели и другого типа, но тогда потребуется внести необходимую правку в печатную плату.

Уже перед самой установкой блока управления на печь, в разрыв одного из проводников, идущих от фильтра к трансформатору был впаян обрывной резистор. Его цель не столько защищать БП, сколько понизить добротность резонансного контура, получающегося при шунтировании первичной обмотки трансформатора конденсатором С9.

Предохранитель F1 впаян на вводе 220 В в плату (установлен вертикально).

Трансформатор питания подойдёт любой, мощностью более 3…5 Вт и с напряжением на вторичной обмотке в пределах 10…17 В. Можно и с меньшим, то тогда потребуется установка реле на более низкое рабочее напряжение срабатывания (например, пятивольтовое).

Операционный усилитель ОР1 можно заменить на LM358, транзистор VT1 на близкий по параметрам, имеющий статический коэффициент передачи тока более 50 и рабочий ток коллектора более 50…100 мА (КТ3102, КТ3117). На печатной плате разведено место и для установки транзистора в smd исполнении (ВС817, ВС846, ВС847).

Резисторы R3 и R4 сопротивлением 50 кОм - это 4 резистора номиналом 100 кОм, по два "в параллель".

R15 и R16 припаяны к выводам светодиодов HL1, HL2.

Реле К1 – OSA-SS-212DM5. Резистор R19 набран из нескольких последовательно включенных для того, чтобы не перегревался.

Переменный резистор R12 – RK-1111N.

Кнопочный переключатель S1 – КМ1-I. Пакетный выключатель S2 – ПВ 3-16 (исполнение 1) или подобный из серии ПВ или ПП под нужное количество полюсов.

Симистор VS1 – ТС132-40-10 или другой из серий ТС122…142, подходящий по току и напряжению. Элементы R20, R21, R22 и C10 распаяны навесным монтажом на выводах симистора. Радиатор взят из старого компьютерного блока питания.

В качестве стрелочного электроизмерительного прибора Р1 подойдёт любой подходящего размера и с чувствительностью до 1 мА.

Проводники, идущие от термопары к блоку управления сделаны максимально короткими и выполнены в виде симметричной четырёхпроводной линии (как описано ).

Силовой вводной кабель имеет сечение жил около 1,5 кв.мм.

Наладка и настройка

Отлаживать схему лучше поэтапно. Т.е. запаять элементы выпрямителя со стабилизаторами напряжения – проверить напряжения. Спаять электронную часть, подключить термопару – проверить пороги срабатывания реле (на этом этапе понадобится или какой-то нагревательный элемент, подключенный к внешнему дополнительному блоку питания (рис.11 ), или хотя бы свеча или зажигалка). Затем распаять всю силовую часть и, подключив нагрузку (например, электрическую лампочку (рис.12 и рис.13 )) убедиться, что блок управления поддерживает выставленную температуру, включая и выключая лампочку.

Настройка может понадобиться только в усилительной части – здесь главное, чтобы напряжение на выходе ОР1.1 при максимальном нагреве термопары не превышало уровня 2,5 В. Поэтому если выходное напряжение велико – то его следует понизить изменением коэффициента усиления каскада (уменьшив сопротивление резисторов R3 и R4). Если же используется термопара с малым выходным значением ЭДС и напряжение на выходе ОР1.1 получается небольшим – то в этом случае нужно увеличить коэффициент усиления каскада.

Номинал подстроечного резистора R7 зависит от чувствительности применяемого прибора Р1.

Можно собрать вариант блока управления без индикации напряжения и, соответственно, без режима предварительной установки нужного температурного порога – т.е. удалить из схемы S1, Р1 и R7 и тогда для выбора температуры следует сделать риску на ручке резистора R12 и на корпусе блока нарисовать шкалу с температурными отметками.

Провести калибровку шкалы несложно – на нижних пределах это можно сделать с помощью термофена паяльника (но нужно как можно больше прогревать термопару, чтобы её длинные и относительно холодные выводы не остужали место термоспая). А более высокие температуры можно определить по плавлению разных металлов в камере печи (рис.14 ) – процесс это относительно долгий, так как требуется изменять установки малым шагом и давать печи достаточное время для прогрева.

Фото, показанное на рис. 15 , сделано при первых включениях в мастерской. Температурная калибровка ещё не была сделана, поэтому шкала прибор чистая – в дальнейшем на ней появится множество разноцветных меток, нанесённых маркером прямо на стекло.

Через некоторое время владелец печи позвонил и пожаловался на то, что перестал загораться красный светодиод. При проверке оказалось, что он вышел из строя. Скорее всего, это произошло из-за того, что при последнем включении проверялись возможности печи и камера, со слов владельца, нагревалась до белого цвета. Светодиод заменили, блок управления переносить не стали – во-первых, может быть, дело было и не в перегреве блока управления, а во-вторых, больше таких экстремальных режимов не будет, так как нужды в таких температурах нет.

Андрей Гольцов, r9o-11, г. Искитим, лето 2017

Список радиоэлементов

Нагрев формы без наружного опокового кольца X6 Если форму X6 нагревают до 270° C, то диаграмма ее нагрева изменяется. Большее количество порошка (320 г) требует и существенно большего количества жидкости (ок. 48-60 мл) в зависимости от вида формовочной смеси.

На температурной кривой видно, что теперь процесс испарения замедляется, и форма дольше остается в температурном диапазоне между 110° C ... 120° C.

Теперь время прокаливания составляет 30 минут нагрева плюс 45 минут выдержки, пока температура формовочной смеси в центре формы не достигнет 265° C. Только после этого увеличивают температуру нагрева в муфельной печи.

При использовании стального опокового кольца с вискозной прокладкой нагрев прекращают в диапазоне 270° C ... 300° C (при применении той же самой формовочной массы). Выдержка и температурный режим не изменяется.

Нагрев формы со стальным опоковым кольцом и синтетической прокладкой X6 В этом случае используют формовочную смесь с большим содержанием влаги, что значительно замедляет процесс испарения при температуре 110°C ... 120°C. На 320 г порошка добавляют от 68 до 80 мл жидкости.

Поэтому необходимо значительно увеличить выдержку при нагреве по сравнению с менее влагосодержащими формовочными массами.

После 30 минут нагрева до 300° C выдерживают еще 75 минут при постоянной температуре, чтобы форма в центре прогрелась до 265° C, после чего продолжают процесс предварительного нагрева.

Время выдержки определяется исключительно количеством влаги в формовочной смеси, а не конструктивными особенностями формы.

Нагрев формовочной смеси без опокового кольца X9

При изготовлении формы величиной X9 мы увеличиваем количество порошка до 480 г и объем жидкости, соответственно, от 72 до 90 мл. Вследствие этого при нагреве формы температура еще дольше остается в пределах 110°.. .120° C.

Температурная кривая собранной формы размером X9 складывается из участков 30 минутного крутого подъема температуры и 60 минутного стабильного прогрева при 270° C (до тех пор пока центр формы не достигнет фактической температуры 265° C), после чего процесс нагрева продолжают.

При использовании стального опокового кольца с вискозной прокладкой (при тех же самых типах формовочных масс) изменяется не время выдержки, а только температура нагрева в первой фазе выдержки.

Нагрев формы X9 со стальным кольцом и синтетической прокладкой

При массе порошка 480 г и объеме жидкости от 102 до 120 мл время выдержки увеличивается до 90 минут. Это обусловлено длительным испарением большого объема влаги из формы.

Время предварительного нагрева составляет 120 минут (при температуре печи 300° C температура в центре формы должна достигнуть 265° C), после чего нагревание может вестись дальше.

Превращение кварца

Превращение кварца в процессе нагрева собранной формы начинается при температуре формовочной смеси от 570° C и связано с продолжительностью процесса.

Как указывает приведенная рядом диаграмма, изменения начинаются только при температуре 570°C. Окончание превращения зависит от его длительности. Для полного перехода кварц должен быть выдержан 30 минут при температуре 570°C ... 580°C.

Важно не то, какую температуру создает муфельная печь, а когда именно температура формовочной смеси в центре формы действительно достигла этого значения.

Форма X3 Опоку с формовочной массой полностью высушивают при температуре 450°C. На этом участке нагрева от 300°C до 600°C воск или моделировочная пластмасса полностью выгорает в муфельной печи, то есть также имеет место термическое воздействие.

Так как формовочная масса в опоке полностью высохла, теперь имеет значение только величина собранной формы, а не количество влаги (т.к. она уже испарилась). Температуру нагрева поднимают со скоростью менее 8° C в минуту до температуры 580°C.

Форма величиной X3 нуждается в выдержке только 10 минут, пока масса не достигнет заданной температуры, после чего начинается превращение кварца. Собранная форма выдерживается в муфельной печи (если необходим дальнейший нагрев), так что в этом случае 30 минут для фазы выдержки вполне достаточно.

Форма X6 При величине формы X6 формовочной смеси необходимо примерно 15 минут, для достижения температуры 570° C, после чего в ней начинается фаза превращения кварца.

После 30-минутной выдержки форму можно нагревать дальше. Форма X9 Собранную форму размера X9 необходимо прогревать на протяжении 20 минут до температуры 570° C в центре формы. Поэтому при этом размере и литье сложных объемных конструкций рекомендовано устанавливать выдержку 40 минут.

Это очень важно, если речь идет о каркасе большой протяженности или цельнолитой вторичной конструкции. Цельнолитые каркасы достаточно велики, и оптимальное расширение - это предпосылка для хорошей припасовки в дальнейшем.

Спекание кварца в формовочной смеси Спекание кварца происходит в интервале температур между 820° C ... 870° C и не ограничено по времени.

Если температура в форме достигла 870° C, то кварц, независимо от прошедшего времени, спечется. Спекшийся кварц не подвержен расширению или сжатию при изменении температуры.

Прохождение этой фазы термообработки имеет большое значение для припасовки работ большой протяженности. По окончании процесса спекания формовочная масса, охлажденная ниже 580° C, снова возвращает баланс кварца к исходному пункту.

Температура нагрева формовочной смеси всегда должна достигать 900° C, если нужен оптимальный результат литья и припасовки с очень хорошей поверхностью отливки.

Сплав также нужно прогреть почти до 900° C, дальнейший температурный режим плавки должен быть указан в инструкции производителем сплава. Сравнение измерений глубины шероховатостей на приведенной рядом иллюстрации показывает отчетливое улучшение качества поверхности.

Поверхностное спекание

Линейные графики нагрева:

Нагрев формы без опокового кольца X9 - 480 г порошка, 75 мл жидкости для смешивания

Эта диаграмма нагрева получена после сведения воедино предшествующих результатов физикохимических преобразований и графика повышения температуры в печи.

Максимальное воздействие на компоненты формовочной массы оказывают периоды выдержки температуры.

Именно они обеспечивают повторение качественных результатов литья и припасовки. Некоторые процессы подчинены физико-химическим законам и не могут изменяться по нашим желаниям.

Нагрев формы со стальным опоковым кольцом и синтетической прокладкой X9 - 480 г порошка, 75 мл жидкости для смешивания

При сравнении графика нагрева формы со стальным опоковым кольцом и вискозным вкладышем, с графиком нагрева формы без кольца, наблюдается идентичная последовательность во всем, кроме выдержки температуры в муфельной печи при 300° C.

В этом случае собранная форма в центре достигает той же самой температуры 265° C, как и формовочная масса без опокового кольца при температуре выдержки нагрева печи 270°C. При температуре нагрева муфельной печи выше 450° C тепловая реакция различных форм идентична.

В настоящее время довольно разнообразный сортамент ответственных труб нагревают и охлаждают в процессе термообработки в проходных муфельных печах различной конструкции с подачей в них защитного газа для получения светлой поверхности. Муфели обогреваются снаружи либо продуктами сгорания, либо электрическими нагревателями. Печи громоздкие, электрические нагреватели высокотемпературных печей часто перегорают, срок службы муфелей невелик из-за неравномерного нагрева и коробления. Однако основной их недостаток - отсутствие механизации: для организации непрерывного потока (по одной трубке через каждый муфель) на входной стороне печи трубы вручную стыкуются друг с другом с помощью втулок, а с выходной их вручную расстыковывают. Это снижает производительность труда и приводит к заметному браку, особенно на трубках мелких диаметров (6-12 мм). Конвейерные муфельные печи громоздки, неэкономичны и часто выходят из строя из-за обрывов цепей.

Организация непрерывного транспортирования труб малого диаметра (особенно тонкостенных) при их прямом нагреве кипящим слоем также вызывает значительные трудности, если не говорить о технологических процессах, в которых труба, как проволока, движется в виде сплошной бесконечной нити.

Сотрудниками Первоуральского новотрубного завода было предложено осуществлять термообработку (нагрев и охлаждение) холоднодеформированных труб перлитного класса с целью снятия напряжений, возникающих при деформации, в муфелях, обогреваемых снаружи кипящим слоем. Первый такой агрегат описан.

Предварительные опыты показали, что скорость нагрева в обогреваемых кипящим слоем муфелях примерно вдвое меньше скорости прямого нагрева этих трубок в кипящем слое частиц корунда 320 мм, но значительно больше, чем в пламенной газовой муфельной печи с цепным конвейером. При одинаковой температуре муфеля (920° С) время нагрева в муфелях трубы 25 X 2 (сталь 20) до 820° С составляло соответственно 2,5 и 6 мин, причем температура рабочего пространства пламенной печи была на 70-80° С выше температуры кипящего слоя. Различие скоростей нагрева в этих условиях объясняется большой массой металла цепей, прогревающихся вместе с трубой конвейерной печи и неравномерностью температур по длине муфеля. Этим же объясняется и примерно вдвое меньшая скорость охлаждения труб в конвейерной печи. Интересно, что в муфеле небольшого диаметра (25 мм) поверхность нагреваемых труб получалась светлой даже без подачи в них защитного газа за счет сгорания смазки, поскольку нагревали необезжиренные трубы непосредственно после стана ХПТР.

На основании этих данных проектный отдел завода и теплотехническая лаборатория совместно с УПИ спроектировали полностью механизированный пятиручьевой муфельный агрегат. Он включает в себя загрузочный стол со стеллажами; устройство, задающее в печь трубы и состоящее из пятиручьевого трайб аппарата с индивидуальным электроприводом и пневмонажимным устройством; камеру нагрева с кипящим слоем, в которой с шагом 175 мм расположены пять муфелей длиной ~2,8 м (длина обогреваемой части 1,3 м) диаметром 114 мм и толщиной стенки 10 мм из стали Х23Н18; трубчатый водяной холодильник (труба в трубе) длиной 1,7 м, являющийся фактически продолжением муфелей; устройство, принимающее трубы (магнитный ролик с индивидуальным электроприводом, скорость вращения которого равна скорости задающего устройства); рольганговый стол выдачи с гладкими роликами и цепным сбрасывателем.

Печь с кипящим слоем имеет камеру нагрева прямоугольного сечения, футерованную шамотом на жидком стекле, с газоплотной металлической обшивкой. Роль подины в печи выполняют две съемные газораспределительные решетки площадью 960 х 570 мм, каждая из которых имеет по 40 (фактически 39) колпачков из стали Х23Н18 с диаметром головки 50 мм, установленных с шагом 110 мм по углам квадрата. Каждый колпачок имеет по шесть отверстий диаметром 2,8 мм, через которые из камер смешения подается газо-воздушная смесь. Для сушки печи и разогрева предусмотрена двухпроводная горелка ГНП-2. Псевдоожижаемым материалом является корунд № 32 (320 мкм) ГОСТ 3647-71 и ОН-11-60 с высотой насыпного слоя (от отверстий в колпачках) 300 мм.

Агрегат был изготовлен и смонтирован силами завода и сдан в промышленную эксплуатацию в декабре 1970 г. Сметная стоимость печи составляет - 9 тыс. руб., из них на кладку 2,5 тыс. руб. и загружаемый в печь корунд ЭБ-32 1,5 тыс. руб. Фактические затраты на корунд существенно меньше, так как он стоит 293 руб/т, а его загрузка не превышает 1 т. Воздуходувка стоит -2 тыс. руб. Сметная стоимость механизации равна 11 тыс. руб, КИП и автоматики -4 тыс. руб.

Ускорение нагрева труб в агрегате с кипящим слоем позволило сократить его длину по сравнению с пламенными муфельными печами, что исключило необходимость стыковки труб. Так как длина печи с холодильником меньше длины термически обрабатываемых труб, то вне печи всегда имеется свободный конец трубы, находящийся либо в толкающем трубу трайб-аппарате до печи, либо в тянущем ее магнитном ролике после холодильника. Пройдя магнитный ролик, трубы попадают на цепной сбрасыватель, управляемый автоматически или дистанционно, и сбрасываются им со стола выдачи.

Единственной ручной операцией на агрегате является задача пакета труб в трайб-аппарат, причем через каждый муфель одновременно движется от 1 до 30 труб со скоростью 1,0-0,2 м/мин в зависимости от диаметра труб и толщины стенки.

Температура в печи поддерживается автоматически изменением расхода газа при постоянном для данной номинальной температуры расходе воздуха, заметно превышающем теоретически необходимое количество (а в = 1,15-2,5). Рабочие скорости псевдоожижения составляют 0,5-0,8 м/с при температуре печи 900-1100° С. Такой способ регулирования увеличивает потери с уходящими газами, но упрощает систему автоматики и позволяет регулировать температуру, практически не изменяя заданную скорость псевдоожижающего агента. С увеличением номинальной температуры расход воздуха увеличивается задатчиком.

Измерения с помощью зачеканенных термопар показали, что после разогрева печи и выхода ее на стационарный режим (примерно через 2 ч после розжига) температура всех муфелей становилась одинаковой как по длине, так и по сечению и практически равной температуре кипящего слоя. Лишь температура с входного конца муфеля была несколько ниже. Следовательно, в муфельных печах с кипящим слоем теплоотдача от слоя к муфелю не лимитирует скорость нагрева труб, которая определяется только внутренним теплообменом.

Печь нормально работает при 900-1000° С. На холостом ходу при 900; 950 и 1000° С приведенный к нормальным условиям расход природного газа равен соответственно 16, 21 и 24 м 3 /ч. Видно, что с увеличением производительности печи общий расход газа увеличивается незначительно, а удельный - резко сокращается. Приведены данные разных авторов по удельным расходам тепла, затрачиваемого на нагрев 1 т трубных изделий в проходных печах, видно, что в печи с кипящим слоем удельные расходы тепла в 1,9-1,25 раза меньшие, чем в пламенных печах.

Балансовые испытания, проведенные при температуре печи 1000° С и нагреве в ней 520 кг/ч труб размером 8 X 1,5 мм до 820° С, показали, что на нагрев труб расходуется 29,8% подводимого тепла, потери через кладку составляют 18,7%, потери с излучением через открытый верх печи 11%, на нагрев защитного газа (азота), подаваемого в муфели, идет 5,2%, потери с дымовыми газами 35,3%. Зависимость к. п. д. печи от ее производительности оказалась достаточно близкой к расчетной, заложенной в основу проекта.

Термограммы, полученные измерением температуры движущейся в муфеле трубы с вставленной в нее термопарой, показывают, что время нагрева каждой трубы до заданной температуры увеличивается при увеличении числа труб в муфеле, однако несмотря на вызываемое этим уменьшение скорости движения труб производительность печи при этом увеличивается. Если одна труба диаметром 40 X 2 мм при скорости 0,55 м/мин нагревается до 820° С за 120-130 с, то две - за 180 с, что при уменьшении скорости в 1,5 раза позволяет примерно на 35% повысить производительность.

При анализе данных необходимо иметь в виду: наличие в трубах крупнее 10 мм воды и смазки, замедляющих прогрев на начальном участке; медленный нагрев труб в части муфеля, расположенной в кладке; охлаждение выходного конца муфеля и труб теплопроводностью (муфель соединен с холодильником без теплоизолирующей прокладки, чтобы охлаждение труб начиналось уже в выходной части муфеля).

В описываемой печи, находившейся в непрерывной промышленной эксплуатации с декабря 1970 по март 1972 г., осуществляли отжиг труб промежуточных и конечных размеров (в том числе и на экспорт) сталей 10; 20; 35; 45; 15Х; 20Х; 40Х; 20А диаметром 4-12 мм с толщиной стенки <4,0 мм, а также готовых труб для ВАЗа из сталей 10, 20 диаметром 6-36 мм толщиной стенки <55,0 мм. Механические свойства как по длине отдельной трубы, так и по разным трубам всех пяти муфелей, заметно не различались (o в и о s обычно не более чем ±1-2 кгс/мм 2 , б не более ±4%), были стабильны по времени и вполне удовлетворяли техническим условиям. Металлографические исследования показали, что микроструктура металла труб после отжига в кипящем слое представляет собой равноосные зерна феррита и перлита.

При нормальных режимах эксплуатации термообработанные трубы имеют светлую поверхность. При увеличении производительности трубы выходят из холодильника нагретыми до температуры, превышающей 300° С, поэтому на поверхности появляются цвета побежалости (допускаемые техническими условиями).

В течение 1971 г. печь проработала под нагрузкой 6589 ч со средней производительностью 300 кг/ч, т. е. выдала -2000 т продукции (-1000 ч печь работала без загрузки - холостой ход, испытания, отработка режимов; -1000 ч составили простои), а за 2 месяца 1972 г. - 1116 ч со средней производительностью 322 кг/ч. Максимальная производительность печи при температуре слоя 1000° С на трубах готовых размеров (5 X 1-8 X 1 мм) достигает (от 3,6-4 до 1 мм и менее). За год эксплуатации на печи было обработано более 3,5 тыс. т. труб. Сравнительные показатели муфельных печей с кипящим слоем и пламенным нагревом приведены в табл. 27, составленной по цеховым данным.

Из табл. 27 видно, что съем труб с 1 м 2 пода печи при переходе на кипящий слой увеличен с 58,5 до 240 кг/(м 2 .ч), т. е. в шесть раз. Число обслуживающих рабочих сокращено вдвое (с двух до одного в смену). Стоимость печи с оборудованием и КИП составила 35,5 тыс. руб, экономический эффект - более 45 тыс. руб/год.

Используя положительный опыт работы этих печей, сотрудники того же цеха ПНТЗ в ноябре 1972 г. сдали в промышленную эксплуатацию третий десятимуфельный агрегат для светлой термообработки труб для ВАЗа и других заказчиков.

В состав агрегата рис. 74 входит стеллаж 1; роликовый стол задачи 2; три электромагнитных секционных ролика 3 с электроприводом, задающие трубы в печь; десять муфелей 4 диаметром 89x6 мм из стали Х23Н18, расположенных в камере нагрева 5 с кипящим слоем электрокорунда 0,4 мм; трубчатый водяной холодильник 6; электромагнитный секционный ролик 7 расстыковки труб; направляющие патрубки 8 из немагнитной стали с электрокатушками, сигнализирующими о прохождении трубы и открывающие желоба 10 сброса труб; электромагнитный сгонный ролик 9, перемещающий трубы в желоб сброса 10; ленточный транспортер для труб, падающих с желоба 10 в карман 11. Трубы перед подачей их в печь стыкуются двумя рабочими с помощью патрубков из немагнитной стали.

На выходе из холодильника трубы автоматически расстыковываются роликом 7, скорость вращения которого больше, чем роликов задачи труб, а патрубки свободно падают в корзину. В зоне стола выдачи и ленточного транспортера расположен кнопочный пульт ручного управления сбросом труб, который при необходимости обслуживается третьим рабочим. На агрегате термически обрабатывают трубы диаметром 12-30 мм с толщиной стенки 0,5-3,5 мм из углеродистых сталей. Основные требования, предъявляемые к качеству термически обработанных труб:

Качество обработанных на агрегате труб удовлетворяет указанным требованиям. Для получения светлой поверхности в муфели подается 70-80 м 3 /ч защитного газа (95-96% азота, 4-5% водорода). Муфели установлены на опорах, выполненных из тех же труб, что и муфели. Практика показывает, что оптимальный шаг между опорами для муфелей с толщиной стенки 5-7 и 10-14 мм составляет соответственно 300 и 500 мм. Наличие опор не влияет на псевдоожижение материала.

По длине камеры нагрева агрегата, аналогичной изображенным на рис. 69 и 74, внутренними размерами в плане 3,78x1,58 м и расширением вверху до 2,04 м, предусмотрено три газораспределительные решетки площадью 1,94 м 2 , и соответственно, три самостоятельные зоны регулирования температуры. В каждую решетку при изготовлении вварено по 180 колпачков с шагом 100x100 мм. Как и на печи, изображенной на рис. 74, колпачки изготовлены из трубки (сталь Х23Н18) диаметром 24 мм, один конец которой закован, а ниже просверлено по четыре отверстия диаметром 3 мм (толщина стенки трубки 7 мм). Такие колпачки, нетрудоемкие в изготовлении, отлично зарекомендовали себя на второй пятимуфельной печи (за все время эксплуатаци ни один не вышел из строя). В верхней части камеры нагрева предусмотрен дырчатый свод. Высота насыпного слоя 250 мм, сопротивление решетки и слоя (суммарное) ~8 кН/м 2 . Условная скорость пневдоожижения (в расчете на холодную смесь) на номинальном режиме и при пуске составляет соответственно 0,1-0,15, 0,22-0,25 м/с.

В соответствии с требованием технологического режима в трех зонах печи поддерживают разные температуры. При обработке труб готовых размеров для ВАЗа (трубы 30x1,5 и 36x2,1 мм, ТУЗ-208-69) они составляют 850, 820 и 810° С соответственно. Скорости перемещения труб при этом равны 0,8-1,2 м/мин, что обеспечивает среднюю производительность 600 кг/ч. Для труб готовых и предготовых размеров по ГОСТ 9567-60 и др. температуры по зонам составляют 950, 920 и 820° С, а скорости перемещения труб 0,8-8 м/мин в зависимости от толщины стенки. Средняя производительность на этих трубах достигает 1 т/ч.

Важно отметить, что переход с одного температурного режима на другой (например, повышение температуры с 820 до 950° С) длится всего 5-6 мин, что практически исключает простои печи при переходе на другой сортамент труб. Регулирование температуры осуществляется автоматически изменением расхода газа на каждую зону при постоянном расходе воздуха. Абсолютный расход топлива (природного газа) при таком режиме колеблется в пределах 55-80 м 3 /ч. Капитальные затраты по агрегату составили на печь 12 086, КИП и автоматику 8461 и на механическое оборудование 23 048 руб.

Поскольку этот агрегат представлял собой реконструированную муфельную пламенную печь, не удалось создать оптимальный вариант механизации. Между тем сейчас есть все исходные данные для создания механизации таких печей, практически полностью исключающей ручной труд. Такая печь нами разрабатывается в настоящее время. Тем не менее даже при существующей дорогой и не очень совершенной механизации расчетный экономический эффект от реконструкции печи составляет 81 тыс руб./год. Из методики расчета, приведенной в последней главе, следует, что применение кипящего слоя в муфельных агрегатах тем выгоднее, чем больше тепловая нагрузка муфеля, т. е. чем больше металла проходит через него в единицу времени. Именно поэтому агрегат с кипящим слоем в отличие от пламенного дает большую производительность при заполнении всего сечения муфеля трубами. Это означает, что муфельные агрегаты с кипящим слоем весьма перспективны и для светлого нагрева в муфелях достаточно массивных изделий (трубки, шпиндели, кольца и т. д.), который позволяет к тому же весьма просто механизировать их перемещение. В настоящее время нами заканчивается сооружение муфельного агрегата с кипящим слоем для нагрева подшипниковых колец на одном из заводов. Эксперименты показали, что кольца диаметром 130-140 мм толщиной 20 и шириной 30- 50 мм нагреваются до 1100-1150° С за 8-12 мин. Расчет по приведенной далее методике дает те же показатели.

На трубных заводах достаточно широко распространены муфельные конвейерные печи для светлой безрисочной обработки труб. В этих печах на нагрев конвейерной цепи, транспортирующей трубы в муфелях, тепла затрачивается в несколько раз больше, чем на нагрев самих труб, в результате чего резко увеличивается как время нагрева до заданной температуры, так и время охлаждения. Анализ показал, что применение кипящего слоя для обогрева муфелей позволяет в этих условиях существенно интенсифицировать теплообмен. Кроме того, обычно одна и та же цепь конвейера проходит и через печь, и через охладитель. Разделив один конвейер на две цепи (одна в пределах печи, другая в холодильнике), можно превратить недостаток конвейерных печей в их преимущество, ибо в этом случае первая цепь будет горячей практически по всей длине, т. е. ускорит нагрев труб, а вторая, холодная по всей длине, будет способствовать охлаждению труб. Уменьшение длины горячей цепи снизит механические и температурные нагрузки на нее и увеличит надежность ее работы. Такой агрегат в настоящее время разрабатывается нами совместно с сотрудниками ПНТЗ.

Администрация Общая оценка статьи: Опубликовано: 2012.05.21