Вакуумные печи для отжига

Вакуумные печи с молибденовыми нагревателями сопротивления — современное оборудование для термообработки металлов и сплавов в контролируемой безвоздушной среде. Теплогенераторы равномерно нагревают заготовки, точно поддерживают заданную температуру и обеспечивают стабильность результатов. У молибденовых нагревателей для вакуумных печей лучшее соотношение качества и цены.

Тепловой модуль повышает качество продукции, сокращает потери, увеличивает производительность и прибыль. Оборудование используют для обработки материалов с высокими требованиями к чистоте среды: тугоплавких металлов, технической керамики, стекла и композитов.

Устройство вакуумной печи

Основные компоненты установки — рабочая камера, насосы, нагревательные элементы, контур охлаждения. Датчики и контроллеры управляют работой оборудования.

Камера представляет собой герметичную емкость, которую после загрузки заготовок изолируют от внешней среды. Именно замкнутое пространство обеспечивает условия и стабильность термического процесса.

Внешняя оболочка печи — прочный кожух, защищающий конструкцию от механических воздействий и исключающий попадание воздуха. Пространство между внутренней и наружной стенками заполнено теплоизоляцией, которая предотвращает потери тепла. Наиболее востребованные теплоизоляционные материалы, способные выдержать высокотемпературный отжиг: графитовые, молибденовые или комбинированные волокнистые наполнители,

Двухступенчатая система откачки воздуха создает и поддерживает необходимый уровень остаточного давления. Комплект состоит из форвакуумных и предварительных насосов, вакуумной арматуры, трубопроводов, приборов контроля давления и автоматизированных модулей управления.

Молибденовый нагреватель — преимущества и особенности работы

Основной компонент нагревательной системы — резистивный проводник тока из нихрома, карбида кремния, дисилицида молибдена, вольфрама или других менее популярных металлов и сплавов. В переводе с английского, слово «resistance» обозначает «сопротивление».

Качество продукта после термообработки зависит от термоэлементов: количества, расположения в камере, схемы подключения, характеристик материала и ресурса износа.

По сравнению с другими тепловой источниками, молибденовый нагреватель для вакуумных печей обладает преимуществами:

• высокой энергоэффективностью;

• точным соблюдением температуры;

• надежностью;

• долговечностью;

• простотой обслуживания;

• экономичностью.

Основной фактор, который влияют на качество продукта, — температура, одинаковая во всех зонах камеры отжига. Равномерное распределение тепловых потоков внутри камеры достигается за счет многоэлементных схем. Например, одни молибденовые нагреватели устанавливают в верхней, а другие устройства, — в нижней части камеры.

Равномерность нагрева изделий зависит и от мощности. Если мощные источники энергии находятся недалеко друг от друга, заготовки могут изменить форму (покоробиться). При неправильной расстановке термоэлементов наблюдается перегрев, компоненты печи быстрее выходят из строя. Чтобы контролировать температуру в разных частях герметической емкости, монтируют несколько термореле.

Перед запуском выставляют режим в настройках. Автоматическая система управления резистивным нагревом учитывает тепловую инерционность, удельное объемное электросопротивление, другие электрические и неэлектрические параметры материала. Автоматика регулирует процесс с учетом ресурса износа и схемы подключения молибденовых нагревателей.

Охлаждение и управление работой печи

Система охлаждения предназначена для контролируемого понижения температуры в камере печи. В зависимости от технологических требований, оборудование оснащают водяным или воздушным контуром.

Система управления в автоматическом режиме контролирует рабочие показатели (температуру, давление, уровень вакуума, скорость, время), а также состояние компонентов термической установки. При отклонении от заданных настроек электронный блок включает сигнал тревоги и оповещения.

Молибденовый нагреватель для вакуумных печей

Название «вакуумные печи сопротивления» указывает на принцип работы нагревательного устройства — преобразование электрической в тепловую энергию за счет изменения удельного сопротивления материала (ρ). В процессе нагрева значение ρ проводника возрастает. При покупке термоэлемента, когда выбирают материал, оценивают объем выделенного тепла и особенности нагревательного процесса.

Молибден (Mo) — редкоземельный металл с высокой температурой плавления (2623 °C), хорошей теплопроводностью, устойчивый к окислению в безвоздушном пространстве. При изготовлении проводников чистый химический элемент не используется. Молибденовые нагреватели для вакуумных печей изготавливают из сплавов. Наиболее востребованное химическое соединение — дисилицид молибдена (MoSi2).

Внешний вид теплогенератора зависит от конструкции печи и условий работы. Варианты Тепловые модули изготавливают в виде серпантина, обычных лент, стержней, спиралей, панелей или плоских элементов сложной формы. Конструкции фиксируют внутри рабочей камеры.

Молибденовые нагреватели MoSi2 разных производителей отличаются химическим составом, чистотой входящих элементов, плотностью. Разброс характеристик тепловых модулей объясняется комбинацией разных параметров.

Главные критерии выбора — максимально допустимая температура, скорость теплопередачи (q) и окислительная стойкость. При обычной температуре (T = 20-25 0С) теплопроводность дисилицида молибдена равна 45–65 Вт/(м·К). Когда термоблок нагревается до 1000–1500 °C, параметр q уменьшается до 25–35 Вт/(м·К).

Проводники из сплава MoSi2 выгодно отличаются от других металлокерамических нагревателей высоким уровнем стойкости к окислению при нагреве. Свойство проявляется в вакууме и среде инертного газа.

Рабочий диапазоны температур

При нагреве до 1250 °C кремний, который присутствует в сплаве MoSi2 плавится и взаимодействует с кислородом воздуха. В результате химической реакции образуется . стабильный термодинамический барьер. Тонкая и плотная стеклообразная пленка SiO2 (кремнезем — окись кремния) препятствует контакту металла и окислителя.

Если температура рабочей камеры превышает предельное значение, происходит обратный процесс. Верхний слой постепенно разрушается: плавится, собирается в капли и стекает. В местах повреждений образуются очаги коррозии, такие молибденовые нагреватели непригодны к эксплуатации и подлежат замене.

Если в технологической карте указана термообработка деталей при максимально высокой температуре, используют поэтапный нагрев с выдержкой. Постепенное повышение температуры стабилизирует структуру материала.

Кроме диапазона 1650 – 1800 °C, существует еще одна зона нестабильности: от 400 °C до 700 °C. На этом отрезке температур ускоряется окисление. Термоэлементы из дисилицида молибдена не рекомендуется использовать для продолжительного нагрева в указанных пределах. Чтобы сохранить источник тепловой энергии в работоспособном состоянии, нагрев в зоне от 400 °C до 700 °C ускоряют. Иногда верхнюю планку повышают до 1200 °C.

Электрические свойства молибденовых нагревателей

Молибден — это металл с положительным температурным коэффициентом сопротивления (TCR). Слово «положительный» указывает на прямую зависимость удельного электрического сопротивления от температуры среды в камере вакуумной печи. Характер изменения TCR учитывают при проектировании источников питания и систем управления нагревом. Основные электрические свойства молибденовых нагревателей: удельное сопротивление, температурный коэффициент сопротивления и плотность тока.

По данным справочника «CRC Handbook of Chemistry and Physics», в обычной среде, когда T = 20-250С, удельное электрическое сопротивление диоксида кремния изменяется в пределах от ρ = 5,34 × 10⁻⁸ Ом·м до 5,47 × 10⁻⁸ Ом·м. Если температура равна (или превышает) T = 10000С, параметр увеличивается почти в два раза: ρ = 9 –10,6 × 10⁻⁸. При температуре 1800–2000 °C (и выше) нагреватель выходит из строя.

Сплав MoSi2 эффективно преобразует электрическую энергию в тепло, что подтверждают исследования инженерного сообщества «All About Circuits» (AAC). Температурный коэффициент сопротивления кремниевого соединения (TCR) равен 4,5–5,0 × 10⁻³ K⁻¹. Эксперименты инженеров показывают: при повышении температуры на один градус сопротивление молибденового нагревателя увеличивается на ~0,45–0,5%.

Максимальная (или допустимая) плотность тока (j) зависит от сечения нагревателя (s) и силы тока (i): j = i / s. На параметр j влияет скорость отведения тепла, которая определяется работой системы охлаждения и свойствами теплоизоляции. В вакууме при температуре 1500–2000 °C показатель j = 5–15 г/см3.

Производство молибденовых нагревателей для вакуумных печей

Цель всех действий — получить молибденовый нагреватель с высокой чистотой, однородной структурой и заданными электротехническими характеристиками. Полный технологический процесс состоит из нескольких этапов: подготовки, улучшения, формообразования и сборки изделия.

Термоблоки изготавливают из слитков или порошков с массовой долей молибдена (Mo) в составе — 99,95%. Заготовки получают методом литья или плавки. Чтобы предотвратить окисление, исходный материал обрабатывают в вакууме или инертной рабочей среде.

Следующий этап — улучшение механических и других свойств материала. Изделия подвергают механическому и электрохимическому полированию (операция стабилизирует значение сопротивления).

В зависимости от конструкции вакуумной печи, дисилицид молибдена разрезают на заготовки нужного размера и придают форму. Наиболее распространенные конфигурации — в виде английских букв U, W и I.

Между формообразующими операциями производят отжиг, который уменьшает внутренние напряжения и улучшает структуру. В некоторых обстоятельствах детали подвергают дополнительной механической и термической обработке: ковке, прессованию, прокатке. Далее следует контроль качества, сборка и монтаж.

В пробном образце определяют реальную чистоту материала (Mo) в составе. В заводской лаборатории проверяют на соответствие нормативам электрические свойства молибденовых нагревателей: электрическое сопротивление, плотность тока и другие рабочие характеристики. Контролируют теплопроводность и термические показатели: стойкость и усталость.

Завершающая операция — комплектование изделий крепежом и изолирующими элементами. Молибденовый нагреватель готов к монтажу в камере.

Проектирование, монтаж термонагревателей в камере и хранение

Электрические свойства молибденовых нагревателей (и другие параметры) учитывают на всех стадиях производства вакуумных печей, а также при установке, подключении, демонтаже и обслуживании. При повышении температуры более 1200 0C, термоэлементы изменяют форму (изгибаются), растягиваются и удлиняются. Конструкции U-образной формы прикрепляют на боковых стенках (или своде) печи, чтобы обеспечить равномерный нагрев и соблюдать требования техники безопасности.

Стержневые горизонтальные нагреватели располагают на подкладках из дисилицида молибдена и кронштейнах, опоры устанавливают с шагом 100 мм.

Все плотноспеченные керамические изделия обладают повышенной хрупкостью. Термонагреватель с осторожностью устанавливают, демонтируют, коммуницируют, хранят и транспортируют.

Как заказать вакуумную печь для отжига с молибденовыми нагревателями?

ООО “НПО “ГКМП” — известный в Российской Федерации и за рубежом производитель термическое оборудования. Организация вкладывает средства в наращивание производственных мощностей и развитие научно-исследовательского центра. Компания проектирует и контролирует все этапы изготовления установки по техническому заданию заказчика.

Производственная база оснащена современным оборудованием для механообработки и сборки агрегатов. Коллектив ООО НПО “ГКМП” имеет опыт модернизации морально устаревших термических устройств. Предприятие принимает заказы на изготовление стандартных установок и агрегатов, созданных с учетом особенностей конкретного бизнеса.

Вакуумные печи отжига с молибденовыми нагревателями “НПО “ГКМП” — способ выйти на новый уровень качества, снизить энергозатраты и расширить производственные возможности. Обращайтесь! научно-исследовательский центр

Самое актуальное в рубрике: Интересно

Больше интересного в жанре: Новости