Трубчатый нагреватель из хромита лантана

Трубчатый нагреватель из хромита лантана

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ТРУБЧАТЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ИЗ ХРОМИТА JiAHTAHA, содержащий нагревательный элемент и токоподводы, о тличающийся тем, что, с целью повышения, механической прочности нагревателя, он снабжен наружным электроизоляционным и теплоизоляционным трубчатым элементом, выполненным из материала химически и физически нейтрального к материалу нагревательного элемента следующего состава, мае.%:. Хромит щелочноземельного элемента фракции менее 0,06 мм 40-85 Фосфат хрома1-3 Хромит щелочноземельного элемента фракции 0,5-1,0 ммОстальное нагревательный элемент выполнен из хромита лантана следующего состава, мае.%: Окись кальция или магния5-10 Хромит лантана Остальное с отношением внешнего диаметра к длине в пределах 0,2-0,5 и с отношением толщины стенки к внешнему диаметру в пределах 0,02-0,03. О СО 4 Ф

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕС((УБЛИН (19) (11) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ASTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ЬИЬЛИ(". (Ы(. ., ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3610535/24-07", (22) 28.06.83 (46) 07.08 84. Бюл. 9 29 (72) Г.И.Гладков, Н.A.Êàëèíèí, Л.С.Лазаренко, Э.Г.Спиридонов, Ю.A.×åðíû)nîâ и A.È.Þìàòîâ

{53) 621.3.036.663(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

В 132347, кл. Н 05 B 3/12, 1960.

2. I.Èois et а1. "Pyrox 2000"

Heat er Element, Furnace for High

Temperature Oxidation: atmosphere.

New Огleans. 1976. (54)(57) ТРУБЧАТЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ИЗ

XPONHTA ШАНТАНА, содержащий нагревательный элемент и токоподводы, о тличающийсятем,что,с целью повышения, механической прочности нагревателя, он снабжен наружным электроизоляционным и теплоизоляционным трубчатым элементом, выполненным из материала химически и физически

3(51) Н 05 В 3/44; Н 05 В 3 1 8 нейтрального к материалу нагревательного элемента следующего состава, мас.Ъ:

Хромит щелочноземельного элемента фракции менее 0,06 мм 40-85

Фосфат хрома 1-3

Хромит щелочноземельного элемента фракции

0,5-1,0 мм Остальное нагревательный элемент выполнен из хромита лантана следующего состава, мас.Ъ:

Окись кальция или магния 5-10 Ф

ХроМит лантана Остальное с отношением внешнего диаметра к длине в пределах 0,2-0,5 и с отношением толщины стенки к внешнему диаметру в пределах 0,02-0,03.

1107346

Изобретение относится к нагревательным элементам, способным работать в окислительной среде при температурах около 1900ОC.

Известен нагревательный элемент из хромита лантана, легированного

5 .кальцием, который выполнен в виде спирали и трубчатых тоководов 13 °

Этот нагревательный элемент недостаточно прочен и при температурах около 1600ОС прогибается под дейст- 10 вием своего веса. Рабочая температура выше 1700 С не может быть достигнута, потому что .материал выше

1700 С диссоциирует.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является нагреватель из хромита лантана, состоящий из трех участков: двух токоподводящих, выполненных иэ легированного хромита с низким удельным электросопротивлением, и центрального рабочего с большим удельным злектросопротивлением, выполняемым иэ того же хромита, но с меньшим количеством легирующей добавки« упомянутые три участка нагревателя ! сварены между собой посредством диффузионной сварки, что значительно усложняет их изгбтовление f21;

Недостаток известного нагревателя заключается в том, что хромит ланта- 30 на обладает малой теплопроводностью и .в то же время склонен к ползучести, особенно при температурах, превышающих 1800 C. Малая теплопроводность хромитов. порядка 2-3 ккал/м ч ° r ) - 35 приводит к тому, что радиальный

-.градиент температур (поперек стенки оказывается весьма значительным порядка 500 С и выше }. При больших .толщинах величина напряжений, возникающих из-за разности термического расширения, достигает предельных для хромита значений и .материал ..разрушается.

:Недостатком известного нагрева-: ,тельного элемента также является ..высокая полэучесть легированного ... хромита лантана при темйературах выше 1800 С. -Поэтому эксплуатация таких нагревательных элементов возможна только при температурах " 50 не выше 1850 C и при вертикальном положении элементов. Кроме того, невозможно изготовление нагреВателей увеличенной длины, что важно в реальных печах. 55

Цель изобретения — увеличение механической прочности нагреватель-.. ного элемента.

Для достижения указанной цели ..трубчатый нагреватель из хромита лантана,.содержащий нагревательный элемент и токоподводы, снабжен . наружным электроизоляционным и .. теплоизоляционным трубчатым элементбм, выполненным из материала химически и,физически нейтрального к материалу нагревательного элемента следующего состава, мас.Ъ:

Хромит щелочноэемельного элемента фракции менее 0,06 мм 40-85

Фосфат хрома 1-3

Хромит щелочноземельного элемента фракции 0,5-1,0 мм Остальное

Нагревательный элемент выполнен из хромита лантана следующего состава, мас.Ъ:

Окись кальция или магния 5-10

Хромит лантана. Остальное с соотношением внешнего диаметра к длине в пределах 0,2-0,5 и с отношением толщины стенки к внешнему . .диаметру в пределах 0,02-0,03.

На чертеже показан нагреватель, «общий вид.

Нагреватель содержит нагревательный элемент 1, выполненный в виде сплошной или разрезной трубы, наружный теплоэлектроиэоляционный элемент 2 в виде трубы и токоподводы 3.

Механическая прочность нагревательного элемента 1 в виде трубы большого диаметра при толщине стенок

2-10 мм обеспечивается элементом

2, выполненным в виде наружной

1 тепло-и электроизоляционной трубы.

В результате того, что рабочий объем нагревательного элемента находится внутри, рабочая температура на 300-400:." выше, чем в печи со стержневыми нагревателями.

Толщина стенок реального нагревательного элемента 1 не должна быть более 3-4 blM Пбэтому отношение толщины к диаметру элемента характе-. ризует суммарное сопротивление элемента и его Весовые габаритные. характеристики. Увеличение толщины стенок выше 4 мм ведет к возрастанию градиента температуры. Однако с другой сторбны увеличение диаметра свыше 200-250 мм при толщине. стенки

4 мм также. нецелесообразно из-эа падения механической прочности нагревательного элеМента.

Отношение толщины стенки к диа- . метру более 0,03 не имеет. практического смысла, так как это ведет к уменьшению рабочего объема нагревательного элемента, поскольку толщина .стенки достаточно жестко зафикси.— рована. Выбор отношения размеров нагревательного элемента 2 „ М определяется следующими условиями, если это .отношение менее 0,2, то это г риводит к уменьШениЮ рабочего объема печи. Если же это отношение более

О,,то это приводит к- падению механической прочности нагреватель-. ного элемента при высокой,температуре в результате роста термических

1107346

Указанным требованиям отвечают. .40 такие материалй, как Mg, cr2 О,,cácr2(4 .которые имеют высокую Т„„ 2200 .С, неэлектропроводны, не боятся термоударов и соответствуют требованиям, предъявляемым к обоим материалам 45

По.термическому расширению..

Так как катионы Са + или М могут диффундировать в чистый хромит лантана. или иттрия,-то важно, чтобы в хромите уже были введены соответ. ствующие катионы -и их количество соответствовало максимально возмож- ному, т.е. было на пределе раствори.мости этих катионов в ре етке

:хромитов. Именно-по этой причине в качестве нижнего предела легирования установлено 53 Са.

По фракционному составу материа- лов обеих трубок необходимо, сделать специальные пояснения.

Тонкозернистый .хромит при спека- 60 нии: образует керамику весьма плот-. ную, прочную, но недостаточно термостойкую. Поэтому опытным путем подбирают зернистые составы, которые после спекания оказываются намного напряжений на границе трубок(изолирующей и нагревательной).

Состав тепло-и электроизоляционно. го материала, элемента 2 и соотношение компонентов выявлены опытным путем.

Если содержание тонкодисперсного хромита щелочно-земельного элемента (щ. з. э; } менее 40 мас. Ъ, то механическая прочность трубы 2 недостаточна и к тому же это приводит к ухудшению изоляционных свЬйств.

Если содержание тонкодисперсного хромита щ.з э. более 85 мас.Ъ, то ухудшается стойкость трубы 2 к термическому удару, т.е. ее термо- )5 стойкость.

Аналогично, если содержание грубой фракции хромита щ.3 ° э. менее 12 мас.Ъ то теплостойкость и механическая прочность ухудшаются. B том же случае, если грубозернистый хромит щ.з.э. введен.в количествах свыше

59 мас. Ъ, то время .схватывания массы увеличивается, а прочность после сушки ухудшается.

Материал элемента 2 должен быть не электропроводен вплоть до высоких температур. Он .должен быть малотеплопроводен.с тем, чтобы при толщине стенок внешней трубы температура на ее поверхности не превышала. 30

1000-1200 С, что необходимо для обеспечения механической прочности внешней трубы и всего нагревателя. .Материал внешней трубы не должен взаимодействовать с материалом . 35 внутренней в химическом и физическом, смысле т.е; должна быть исключена циффузия катионов в нагретую внутрен:-нюю Трубу и наоборот. более термостойкими. С этой целью шихта для внешней трубы составляется в значительной доле из крупных зерен

0,5-1,0 мм величиной и тонкодисперсного порошка менее 0,06 мм, который при спекании играет роль связки. между крупными зернами.

Фосфаты хрома в конечном материале образуются за счет HYPO (ортофосфорная кислота, введейно в качест-. ве связки при формовке. Сушка изделия при Т выше 500 С приводит к образованию в конечном изделии фосфата хрома переменного состава, который имеет также высокую огнеупор= ность.

Ортофосфорная кислота. вводится в количестве 8-15 мас .%, что приводит к образованию 3-5 .мас.Ъ фосфата хрома.

В roM случае, если количество ортофосфорной кислоты менее 8 мас.В, то материал не набирает при сушке необходимой прочности.

При введении Н РО+ более 15 мас.Ъ формовочная масса изЛишне текуча и формовка осложняется.

Соотношения компонентов материала нагревательного элемента 1 выявлены эксцериментальио.

В том случае, если количество окиси кальция менее 5 мас.Ъ или хромита лантана больше 95 мас.Ъ, то получаемый легированный хромит лантана состава Ьа 0,95; Са 0,05„

Cr0> не достигает предельно возможной концентрации кальция-или магния в твердом растворе .и при.работе возможна диффузия этих катионов Са .

2Ф или Мф2+из изоляционного элемента

2(трубы ) в нагревательный элемент 1.

Это нежелательно из-за распада хромита щ.з.э.

В том .же случае, E.ñëè количество окиси кальция превышает 10 мас.Ъ или хромита лантана меньше. 90 мас.% то получающийся .легированный хромит будет иметь недостаточную тугоплавкость, что ухудшает характеристики нагревателя.

Дисперсность. хромита щ.з.э. выбирается из следующих соображений.

Фракция 0,5-1,0 мм берется как компонента, препятствующая развитню трещин разрушения в условиях градиенr"" ного нагрева. . При этом -удельная поверхность самого .порошка еще доста-.. точна для развития прочной связи с

НЗРО, и .тонкодисперсной фазой.

Фракция 0,06 мм выбирается опытным путем, исходя из времени схваты-. вания всей массы, которое должно. быт не.менее 30 мин. Дальнейшее.уменьшение. дисперсности, не увеличивая сил, связи, уменьшает время до величины

10-20 мин, что неудобно ври форл1ов)

Устройство работает следующим образом..

1107346

10Ъ

Остальное

Остальное

ВНИИПИ Заказ 5780/45 Тираж 783 Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул.Проектная, 4

При подаче питания на токоподводы

3 нагревательный элемент 1 за счет. джоулева разогрева нагревается. Изменение его линейных размеров компенсируется неплотным прилеганием к нему внутренней поверхности элемента 5

2. Элемент 2, нагреваясь за счет контакта с нагревательным элементом 1, защищает его от потерь тепла во внешнюю среду. При этом разница температур на внешней и внутренней 10 поверхностях элемента 1 уменьшается в несколько раз, что ведет к умень— шению в нем термических наПряжений.

Так как рабочий объем нагревателя находится внутри, то рабочие темпера- 5 туры оказываются автоматически повышенными. Механическая прочность всего элемента в сборе обеспечивается тем, что температура наружной поверхности элемента 2, изготовленного из пористого материала, оказывается невысокой и не достигает области ползучести материала.

Рабочий объем печи представляет собой суммарный внутренний объем нескольких таких элементов.

Пример 1. Нагревательный элемент имеет толщину стенки 3 мм, длину 300 мм, внешний диаметр 150 мм и следующий состав ингредиентов, мас.Ъ: 30

Окись кальция СаО 5

Хромит лантана LoC 0> Остальное а наружный элемент имеет толщину стен ки 20 мм и изготовляется из материала следующего состава, мас.Ъ: 35

Хромит щ. з. э. И С г О, фракции менее 0,06 мм 40

Фосфат хрома 1

Хромит щ.з.э. 9 Cr 0 фракции 0,5 мм

Осталь- 40 ное

Пример 2. Нагревательный элемент имеет толщину стенки 4 MM длину 260 мм и внешний диаметр

133 мм к следующее соотношени ингредиентов,. мас.Ъ:

Окись кальция

Хромит лантана

Наружный элемент при этом имеет 50 толщину стенок 15 мм и изготовляется из материала следующего состава, мас.Ъ;

Хромит i.ç.ç. СмС 0д фракции менее 0,6 мм 85 55

Фосфат хрома 3

Хромит щ. з. э. MC С1 04

Фракции 0,5-1,0 мм

Пример 3. Нагревательный элемент имеет толщину стенки 4 мм, длину 480 мм, внешний диаметр 160 мм и следующий состав, мас.Ъ

Окись магния 8

Хромит лантана Остальное

Наружный элемент при этом имеет толщину стенок 20 мм, а материал имеет следующий состав, мас.Ъ:

XPoMHT Ql 3 s Cact 04 фракции менее 0,6 мм 60

Фосфат хрома 2

Хромит щ 3 э М с 04 фракции 0,5-1,0 мм Остальное

За базовый объект принят нагреватель завода "Эмитрон", представляющий собой трубку 0 =400 мм, диаметром 20 мм из хромита лантана, легированного кальцием.

Преимущества предлагаемого нагревателя заключаются в том, что повышается механическая прочность, уменьшается ползучесть нагрерательного элемента вплоть до Т=1800 С.

Базовый объект прогибается под собственным весом при 1500 С, а известный при Т=1600 С

В данном случае за характеристику механической прочности берется величина ползучести иа изгиб при рабочих температурах, как величина прямо характеризующая способность нагревательного элемента работать длительное время без деформации. Как известное, так и базовое устройства, размещенные в горизонтальном положении, прогибаются под собственным весом и деформируются уже при Т=1500-1600 С в течение 5-8 мин.Беличина ползучести составляет 10 мм/мин при нагрузке, приложенной к середине в 1 кг(вес самого элемента}.

Предлагаемый нагреватель при нагрузке, сосредоточенной в центре в

2 кг(вес элемента и груза)при более высокой температуре Т=1700 С, не показал прогиба и деформации в течение 5 ч. Ползучесть его составила не более 0,001 мм/мин и к тому же при более высокой температуре.

Применение предлагаемого нагревателя позволяет осуществить промышленный нагрев до Т=1900 С, а также упростить технологию. производства как печи, так и самого нагревателя.

Появляется возможность. изготовления нагревателей большого размера.

Реальная печь составляется иэ нескольких нагревателей описанного типа, составленных последовательно один за другим.