RU207585U1

RU207585U1 - Heater for laboratory cylindrical electric furnace

Info

Publication number: RU207585U1
Application number: RU2021111104U
Authority: RU
Inventors: Аркадий Моисеевич Поводатор; Владимир Викторович Вьюхин; Владимир Степанович Цепелев; Николай Иванович Синицин
Priority date: 2021-04-20
Filing date: 2021-04-20
Publication date: 2021-11-02

Abstract

Полезная модель относится к технической физике, а именно к устройствам для анализа материалов путем фотометрии физических параметров высокотемпературного металлического расплава в зависимости от его температуры. Изучают образец, размещенный внутри тепловой зоны цилиндрического нагревателя электропечи. Дополнительной сферой являются вузовское обучение студентов и металлургия. Нагреватель выполнен в виде тонкостенных молибденовых полуцилиндров, коаксиально расположенных внутри системы экранов, токоподводы, подключенные к каждому из полуцилиндров с одного конца, а с другого конца закреплены в токопроводящем фиксирующем цилиндре, выполненном из двух тонкостенных молибденовых слоев, отличающийся тем, что в него введены три тонкостенных молибденовых элемента, которые зафиксированы равноудаленнодруг от друга, коаксиально вдоль вышеуказанных полуцилиндров между слоями токопроводящего фиксирующего цилиндра, при этом элементы выполнены в виде узких тонкостенных молибденовых полос, выступающих сверху за края данного цилиндра и загнутых наружу над краями токопроводящего фиксирующего цилиндра. Предложенное решение обеспечивает функционирование нагревателя электропечи при расширении температурного диапазона вплоть до 1900°С. Увеличивается межремонтный период, уменьшается количество непредсказуемых срывов экспериментов, а также использование вредных для персонала материалов. Посредством размещения тонкостенных элементов создают контролируемый зазор между нагревателем и тепловыми экранами. 3 ил.The utility model relates to technical physics, namely to devices for analyzing materials by photometry of the physical parameters of a high-temperature metal melt depending on its temperature. Examine the sample placed inside the thermal zone of the cylindrical heater of the electric furnace. An additional area is university education of students and metallurgy. The heater is made in the form of thin-walled molybdenum half-cylinders, coaxially located inside the system of screens, current leads connected to each of the half-cylinders from one end, and from the other end are fixed in a conductive fixing cylinder made of two thin-walled molybdenum layers, characterized in that three thin-walled molybdenum elements, which are fixed equidistant from each other, coaxially along the above-mentioned semi-cylinders between the layers of the conductive locking cylinder, while the elements are made in the form of narrow thin-walled molybdenum strips protruding from above the edges of this cylinder and bent outward above the edges of the conductive locking cylinder. The proposed solution ensures the operation of the electric furnace heater when the temperature range is expanded up to 1900 ° C. The overhaul period increases, the number of unpredictable failures of experiments decreases, as well as the use of materials harmful to personnel. By placing thin-walled elements, a controlled gap is created between the heater and the heat shields. 3 ill.

Description

Полезная модель относится к технической физике, а именно к устройствам для анализа материалов путем бесконтактного фотометрического определения физических параметров, например поверхностного натяжения и/или плотности высокотемпературного металлического расплава в зависимости от величины его температуры. Изучают образец, размещенный внутри тепловой зоны цилиндрического тонкостенного, преимущественно молибденового, нагревателя электропечи. Дополнительной сферой являются вузовское обучение студентов и металлургия. The utility model relates to technical physics, namely to devices for analyzing materials by non-contact photometric determination of physical parameters, for example, surface tension and / or density of a high-temperature metal melt, depending on the value of its temperature. A sample is examined, placed inside the thermal zone of a cylindrical thin-walled, mainly molybdenum, heater of an electric furnace. An additional area is university education of students and metallurgy.

При фотометрии динамики высокотемпературных физических параметров расплавов, например, поверхностного натяжения и/или плотности расплава, с горизонтальным или вертикальным положением нагревателя в электропечи, например, при определении кинематической вязкости расплава, внутри этого нагревателя помещают керамический сосуд в виде подложки или тигля, содержащий исследуемый образец. Объем образца составляет единицы или десятки см³, при этом размеры цилиндрических нагревателей составляют 4-6 см в диаметре и 15-20 см в длину. Кроме того, нагреватели, преимущественно молибденовые, оснащены комплектом из коаксиальных тепловых металлических и керамических трубчатых экранов. When photometry of the dynamics of high-temperature physical parameters of melts, for example, surface tension and / or density of a melt, with a horizontal or vertical position of the heater in an electric furnace, for example, when determining the kinematic viscosity of a melt, a ceramic vessel in the form of a substrate or crucible containing the sample under study is placed inside this heater. ... The volume of the sample is units or tens of cm ³ , while the dimensions of the cylindrical heaters are 4-6 cm in diameter and 15-20 cm in length. In addition, heaters, predominantly molybdenum, are equipped with a set of coaxial thermal metal and ceramic tubular shields.

Необходимо отметить, что габариты электропечи обусловлены потребляемой мощностью (порядка десяти кВт), требуемой для нагрева и плавления образцов, объем расплава которых составляет единицы см³ и возможностью водяного охлаждения этой электропечи. Поэтому ее рабочее пространство имеет ограниченные размеры, в частности, диаметр. Расстояние от изучаемого образца до керамического трубчатого экрана, расположенного внутри нагревателя, составляет единицы мм.It should be noted that the dimensions of the electric furnace are due to the power consumption (about ten kW) required for heating and melting samples, the volume of the melt of which is a few cm ³ and the possibility of water cooling of this electric furnace. Therefore, its working space has limited dimensions, in particular, diameter. The distance from the sample under study to the ceramic tubular screen located inside the heater is a few millimeters.

Известно устройство фиксации нагревателя в вертикальной цилиндрической электропечи, в которой коаксиально расположен молибденовый нагреватель, снаружи которого находятся цилиндрические металлические и керамические тепловые экраны, один из керамических тепловых экранов выполнен в виде сужающейся кверху трубы, размещенный на верхней части нагревателя - см. пат. ПМ РФ № 191826 - аналог.A device for fixing a heater in a vertical cylindrical electric furnace is known, in which a molybdenum heater is coaxially located, outside of which there are cylindrical metal and ceramic heat shields, one of the ceramic heat shields is made in the form of a pipe tapering upward, placed on the upper part of the heater - see US Pat. PM RF No. 191826 - analogue.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является нагреватель для лабораторной цилиндрической электропечи, который выполнен в виде тонкостенных молибденовых полуцилиндров, коаксиально расположенных внутри системы экранов, токоподводы, подключенные к каждому из полуцилиндров с одного конца, а с другого конца закреплены в токопроводящем фиксирующем цилиндре, выполненном из двух тонкостенных молибденовых слоев. Его используют в горизонтальной электропечи, входящей в состав университетской лабораторной установки, предназначенной для изучения плотности расплавов методом большой капли - см. «Изучение плотности и поверхностного натяжения расплавов методом большой капли» - Методические указания к лабораторной работе по физике / Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2009, 25 стр., с. 2- 5 - прототип. The closest to the proposed utility model is a heater for a laboratory cylindrical electric furnace, which is made in the form of thin-walled molybdenum half-cylinders, coaxially located inside the system of screens, current leads connected to each of the half-cylinders from one end, and from the other end are fixed in a conductive fixing cylinder made of two thin-walled molybdenum layers. It is used in a horizontal electric furnace, which is part of a university laboratory facility designed to study the density of melts by the large drop method - see "Study of the density and surface tension of melts by the large drop method" - Guidelines for laboratory work in physics / Yekaterinburg, USTU-UPI, 2009, 25 pp., P. 2-5 - prototype.

Недостатками вышеуказанных устройств являются нижеследующие. Во время проведения экспериментов наиболее опасная ситуация возникает при контакте теплоизолирующего экрана с нагревателем в средней его части, где сформирована горячая изотермическая зона протяженностью 3-5 см. При температурах выше 1500°С идет испарение металла нагревателя и его осаждение на поверхность экрана. Со временем слой металла на этом экране становится все более электропроводящим, что может привести к электрическому замыканию. При этом возникают их последующие сплавления, перегорание нагревателя при таком контакте и как следствие, срыв экспериментов, например лабораторных работ, с трудоемкой заменой компонентов электропечи и последующей перекалибровкой измерительной установки. The disadvantages of the above devices are as follows. During the experiments, the most dangerous situation arises when the heat-insulating screen contacts the heater in its middle part, where a hot isothermal zone with a length of 3-5 cm is formed.At temperatures above 1500 ° C, the metal of the heater evaporates and is deposited on the surface of the screen. Over time, the metal layer on this screen becomes more and more electrically conductive, which can lead to electrical short circuits. In this case, their subsequent fusion occurs, the heater burns out with such a contact and, as a consequence, the disruption of experiments, for example, laboratory work, with the laborious replacement of the components of the electric furnace and the subsequent recalibration of the measuring installation.

Кроме того, при использовании в вертикальной электропечи алундового керамического устройства фиксации нагревателя, предложенного в аналоге, требуется ряд ручных подгоночных манипуляций, в частности механической обработки, которые осуществляет высококвалифицированный специалист. Такое устройство обеспечивает определение удельного электросопротивления расплавов, в частности на основе железа, в процессе высокотемпературных исследований в диапазоне до 1600°С. Однако при изучении расплавов с температурой вплоть до 1850-1900°С, например жаропрочных, необходима более термостойкая, чем алундовая бериллиевая керамика. Ее конструкция также требует ряда ручных подгоночных манипуляций, в частности высококвалифицированной механической обработки. Существенным недостатком индивидуального использования бериллиевой керамики для изготовления неординарного устройства фиксации нагревателя из нее, вследствие отсутствия номенклатуры таких изделий, является высокая опасность бериллиевых соединений для человека, в частности пыли (1 класс опасности), при работе с ними или изготовлении каких-либо деталей. Это особенно актуально в вузовской практике, при осуществлении лабораторных работ со студентами. In addition, when using an alundum ceramic heater fixing device proposed in the analogue in a vertical electric furnace, a number of manual adjusting manipulations, in particular mechanical processing, are required, which are carried out by a highly qualified specialist. Such a device provides the determination of the electrical resistivity of melts, in particular those based on iron, in the process of high-temperature studies in the range up to 1600 ° C. However, when studying melts with temperatures up to 1850-1900 ° C, for example, heat-resistant ones, one needs more heat-resistant than alundum beryllium ceramics. Its design also requires a number of manual adjustments, in particular highly skilled machining. A significant disadvantage of the individual use of beryllium ceramics for the manufacture of an extraordinary device for fixing a heater from it, due to the lack of a nomenclature of such products, is the high danger of beryllium compounds for humans, in particular dust (hazard class 1), when working with them or manufacturing any parts. This is especially true in university practice, when carrying out laboratory work with students.

Кроме того, использование на верхнем торце нагревателя устройства фиксации на основе его собственного веса, предлагаемого в аналоге, в горизонтальной печи практически невозможно. При этом деформации, например, провисание молибденового нагревателя и/или тепловых экранов, как металлических, так и керамических, а также искажение однородности тепловых полей, в горизонтальной или вертикальной электропечи аналогичны. Отсюда возникают нестабильность изотермической области нагрева, а также наличие взаимной неконтролируемой децентровки нагревателя, экранов и изучаемого образца. В конечном итоге, появляется опасность срыва экспериментов, а также сокращается межремонтный период работы. In addition, the use of a fixing device on the upper end of the heater based on its own weight, proposed in an analogue, is practically impossible in a horizontal furnace. In this case, deformations, for example, sagging of a molybdenum heater and / or heat shields, both metal and ceramic, as well as distortion of the uniformity of thermal fields, in a horizontal or vertical electric furnace are similar. Hence, the instability of the isothermal heating region arises, as well as the presence of mutual uncontrolled decentering of the heater, screens, and the sample under study. Ultimately, there is a danger of disruption of experiments, and the turnaround time is also reduced.

Проблемой аналога и прототипа является возможность проявления неоднородности, неравномерности и несимметричности теплового поля внутри нагревателя электропечи, в том числе на краях нагревателя и экранов. Из-за этого возможны деформации, а также неконтролируемое взаимное смещение нагревателя и экранов при их нагреве, что ведет к их контакту, замыканию и перегоранию нагревателя. При этом сокращается межремонтный период работы измерительной установки.The problem of the analogue and prototype is the possibility of manifestation of inhomogeneity, unevenness and asymmetry of the thermal field inside the heater of the electric furnace, including at the edges of the heater and screens. Because of this, deformations are possible, as well as uncontrolled mutual displacement of the heater and screens when they are heated, which leads to their contact, short circuit and heater burnout. At the same time, the overhaul period of the measuring installation is reduced.

Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого устройства, заключается в том, что расширяются функциональные возможности электропечи посредством увеличения стабильности изотермической области нагрева, уменьшаются неоднородность, неравномерность и несимметричность теплового поля внутри нагревателя электропечи, которые обусловлены взаимной децентровкой нагревателя, экранов и изучаемого образца. Кроме того, увеличивается межремонтный период работы измерительной установки. Таким образом, предлагаемое решение обеспечивает осуществление экспериментов по определению физических параметров расплавов, таких как поверхностное натяжение и/или плотность, в горизонтальной электропечи при высоких температурах изучения расплавов, вплоть до 1900°С. Осуществляют создание контролируемого зазора между нагревателем и тепловыми экранами посредством размещения тонкостенных молибденовых элементов в преимущественно верхней, менее нагретой части нагревателя, где практически не оседает испарившийся металл нагревателя. Такой зазор обеспечивает возможность предотвратить электрическое замыкание и его негативные последствия, влекущие срыв экспериментов.The technical result achieved by the implementation of the proposed device is that the functionality of the electric furnace is expanded by increasing the stability of the isothermal heating region, the inhomogeneity, unevenness and asymmetry of the thermal field inside the heater of the electric furnace are reduced, which are due to the mutual decentering of the heater, screens and the sample under study. In addition, the overhaul period of the measuring installation increases. Thus, the proposed solution provides the implementation of experiments to determine the physical parameters of melts, such as surface tension and / or density, in a horizontal electric furnace at high temperatures for studying melts, up to 1900 ° C. A controlled gap is created between the heater and the heat shields by placing thin-walled molybdenum elements in the predominantly upper, less heated part of the heater, where the evaporated metal of the heater practically does not settle. This gap provides an opportunity to prevent electrical short-circuit and its negative consequences that lead to the disruption of experiments.

При осуществлении заявляемого устройства решается проблема отсутствия устройств данного назначения и, соответственно, достигается технический результат, который заключается в реализации назначения устройства.When implementing the proposed device, the problem of the lack of devices for this purpose is solved and, accordingly, a technical result is achieved, which consists in realizing the purpose of the device.

Указанная проблема решается с помощью предлагаемой полезной модели - нагревателя для лабораторной цилиндрической электропечи.This problem is solved using the proposed utility model - a heater for a laboratory cylindrical electric furnace.

Заявляется нагреватель для лабораторной цилиндрической электропечи, который выполнен в виде тонкостенных молибденовых полуцилиндров, коаксиально расположенных внутри системы экранов, токоподводы, подключенные к каждому из полуцилиндров с одного конца, а с другого конца закреплены в токопроводящем фиксирующем цилиндре, выполненном из двух тонкостенных молибденовых слоев.A heater for a laboratory cylindrical electric furnace is claimed, which is made in the form of thin-walled molybdenum half-cylinders, coaxially located inside the system of screens, current leads connected to each of the half-cylinders from one end, and from the other end are fixed in a conductive fixing cylinder made of two thin-walled molybdenum layers.

От прототипа устройство отличается тем, что в него введены три тонкостенных молибденовых элемента, которые зафиксированы равноудаленно друг от друга коаксиально вдоль вышеуказанных полуцилиндров между слоями токопроводящего фиксирующего цилиндра, при этом элементы выполнены в виде узких тонкостенных молибденовых полос, выступающих сверху за края данного цилиндра и загнутых наружу над краями токопроводящего фиксирующего цилиндра.The device differs from the prototype in that three thin-walled molybdenum elements are introduced into it, which are fixed equidistant from each other coaxially along the above half-cylinders between the layers of the conductive locking cylinder, while the elements are made in the form of narrow thin-walled molybdenum strips protruding from above the edges of this cylinder and bent outward over the edges of the conductive retaining cylinder.

Таким образом, в конечном итоге достигается расширение температурного диапазона и номенклатуры исследуемых высокотемпературных металлических расплавов при изучении их физических параметров, в частности таких, как поверхностное натяжение и/или плотность, методом большой капли в горизонтальной электропечи. Кроме того, уменьшается количество непредсказуемых срывов экспериментов, увеличивается межремонтный период исследовательского комплекса, а также уменьшается необходимость использования вредных для персонала материалов. При этом наличие контролируемого зазора между нагревателем и тепловыми экранами обеспечивает уменьшение возможности возникновения взаимной децентровки нагревателя и экранов, а также их контакта и прогиба. Thus, in the end, an expansion of the temperature range and the nomenclature of the high-temperature metal melts under study is achieved when studying their physical parameters, in particular, such as surface tension and / or density, by the large drop method in a horizontal electric furnace. In addition, the number of unpredictable failures of experiments decreases, the turnaround time of the research complex increases, and the need to use materials harmful to personnel decreases. In this case, the presence of a controlled gap between the heater and the heat shields reduces the possibility of the occurrence of mutual decentering of the heater and the shields, as well as their contact and deflection.

Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами:The proposed utility model is illustrated by drawings:

фиг. 1 - схема нагревателя;fig. 1 - heater circuit;

фиг. 2 - фото нагревателя, вид с торца;fig. 2 - photo of the heater, end view;

фиг. 3 - фото нагревателя с четырьмя тонкостенными молибденовыми элементами.fig. 3 is a photo of a heater with four thin-walled molybdenum elements.

Полезная модель содержит электропечь цилиндрической формы (на схеме не показано), основными компонентами которой являются: токоподводы (на схеме не показано), первый керамический тепловой экран 1, внешний металлический тепловой экран 2, нагреватель для лабораторной цилиндрической электропечи, в состав которого входят: тонкостенные молибденовые полуцилиндры 3, молибденовый токопроводящий фиксирующий цилиндр 4, тонкостенные молибденовые элементы 5 - см. фиг. 1. The utility model contains a cylindrical electric furnace (not shown in the diagram), the main components of which are: current leads (not shown in the diagram), the first ceramic heat shield 1, an external metal heat shield 2, a heater for a laboratory cylindrical electric furnace, which includes: thin-walled molybdenum half-cylinders 3, molybdenum conductive locking cylinder 4, thin-walled molybdenum elements 5 - see FIG. 1.

Цилиндрический первый керамический тепловой экран 1 выполнен из алунда или бериллиевой керамики. Цилиндрический металлический тепловой экран 2, токопроводящий фиксирующий цилиндр 4, а также два полуцилиндра нагревателя 3 и элементы 5, в количестве не меньше трех, выгнуты из молибденового листа толщиной 0,2-0,3 мм, предпочтительно выступающие на 5 мм и отогнутые на 1 мм - см. фиг. 1, фиг. 3. Варианты размещения тонкостенных молибденовых элементов 5 приведены на фиг. 1, а именно: I - полоса загнута над краями токопроводящего фиксирующего цилиндра 4; II - полоса загнута сверху токопроводящего фиксирующего цилиндра 4 - см. фиг 3; III - полоса загнута снизу токопроводящего фиксирующего цилиндра 4. The cylindrical first ceramic heat shield 1 is made of alundum or beryllium ceramics. A cylindrical metal heat shield 2, a conductive locking cylinder 4, as well as two half-cylinders of a heater 3 and elements 5, in an amount of at least three, are bent from a molybdenum sheet 0.2-0.3 mm thick, preferably protruding by 5 mm and bent by 1 mm - see fig. 1, fig. 3. Variants of placement of thin-walled molybdenum elements 5 are shown in FIG. 1, namely: I - the strip is bent over the edges of the conductive locking cylinder 4; II - the strip is bent on top of the conductive locking cylinder 4 - see Fig. 3; III - the strip is bent from the bottom of the conductive locking cylinder 4.

На фиг. 2. приведено фотоизображение верхнего торца нагревателя и его вышеперечисленных конструктивных компонентов: цилиндрический керамический тепловой первый экран 1, тонкостенные молибденовые полуцилиндры 3, внутренние 6 и внешние 7 слои молибденового токопроводящего фиксирующего цилиндра 4, зазоры 8 для размещения тонкостенных молибденовых элементов 5.FIG. 2. shows a photographic image of the upper end of the heater and its above-mentioned structural components: cylindrical ceramic first thermal shield 1, thin-walled molybdenum half-cylinders 3, inner 6 and outer 7 layers of molybdenum conductive fixing cylinder 4, gaps 8 for placing thin-walled molybdenum elements 5.

На фиг. 3. показано фотоизображение одного из вариантов конструкции нагревателя с четырьмя зафиксированными симметричными тонкостенными молибденовыми элементами 5.FIG. 3. shows a photographic image of one of the variants of the heater design with four fixed symmetric thin-walled molybdenum elements 5.

Используют нагреватель для лабораторной цилиндрической электропечи следующим образом. Данный нагреватель фиксируют внутри электропечи. В начале эксперимента, в центральной части этого нагревателя, в предполагаемой изотермической зоне, коаксиально размещают керамический сосуд в виде подложки или тигля с изучаемым металлическим образцом. Электропечь закрывают и заполняют из баллона инертным газом, например, гелием. Затем включают ее нагрев, устанавливают требуемые значения температуры, при этом осуществляют преимущественно ступенчатый, с задаваемым шагом, нагрев и последующее охлаждение образца расплава. Для каждой из температур фиксируют, посредством бесконтактной фотометрии, изменение состояния расплава образца. Затем на основе данных фотометрии вычисляют посредством известных формул физические параметры, например поверхностное натяжение и/или плотность изучаемого высокотемпературного металлического расплава в зависимости от величины каждой из температур, вплоть до 1900°С, после чего используют эти параметры в качестве характеристик изучаемого образца. Use a laboratory cylindrical electric oven heater as follows. This heater is fixed inside the electric oven. At the beginning of the experiment, in the central part of this heater, in the assumed isothermal zone, a ceramic vessel in the form of a substrate or crucible with the studied metal sample is placed coaxially. The electric furnace is closed and filled from a cylinder with an inert gas, for example, helium. Then its heating is switched on, the required temperature values are set, while predominantly stepwise, with a set step, heating and subsequent cooling of the melt sample is carried out. For each of the temperatures, the change in the state of the sample melt is recorded by means of contactless photometry. Then, based on the photometric data, physical parameters are calculated using known formulas, for example, the surface tension and / or density of the studied high-temperature metal melt, depending on the value of each of the temperatures, up to 1900 ° C, after which these parameters are used as characteristics of the studied sample.

Предложенное техническое решение обеспечивает функционирование нагревателя электропечи при существенном расширении температурного диапазона и увеличении межремонтного периода. Уменьшается количество непредсказуемых срывов экспериментов, уменьшается использование вредных для персонала материалов. Данное решение соответствует уровню полезной модели.The proposed technical solution ensures the operation of the electric furnace heater with a significant expansion of the temperature range and an increase in the overhaul period. The number of unpredictable failures of experiments is reduced, and the use of materials harmful to personnel is reduced. This solution corresponds to the level of a utility model.

Claims

Heater for a laboratory cylindrical electric furnace, which is made in the form of thin-walled molybdenum half-cylinders, coaxially located inside the system of screens, current leads connected to each of the half-cylinders from one end, and from the other end are fixed in a conductive fixing cylinder made of two thin-walled molybdenum layers, characterized by that three thin-walled molybdenum elements were introduced into it, which are fixed equidistantly from each other, coaxially along the above-mentioned half-cylinders between the layers of the conductive locking cylinder, while the elements are made in the form of narrow thin-walled molybdenum strips protruding from above the edges of this cylinder and bent outward over the edges of the conductive locking cylinder.