Техника эксперимента. Расчет и проектирование лабораторных печей электросопротивления

УДК 621.365.412 
Т38 

Р е ц е н з е н т 
доцент, канд. техн. наук СИ. Педос 

Техника эксперимента. Расчет и проектирование лабораторТ38 ных печей электросопротивления: Учеб. пособие / Н.И. Полушип, М.В. Воробьева, А.В. Мапухип, А.Н. Матлахов; Под ред. 
А.В. Елютипа. - 2-е изд., испр. - М.: МИСиС, 2004. - 56 с. 

В пособии рассмотрены методы расчета лабораторных муфельных нечей 
сопротивления, изложена методика теплового расчета камерных и трубчатых 
лабораторных печей сопротивления, расчета различных типов нагревателей и 
представлен обширный справочный материал. В пособие включено руководство по использованию программы на ПЭВМ для проведения теплового расчета. 

Соответствует государственному образовательному стандарту дисциплины «Техника эксперимента». 

Предназначено для студентов второго курса, обучающихся по специальностям 070800 «Физико-химические исследования процессов и материалов» 
и 070900 «Физика металлов». 

© Московский государственный институт 
стали и сплавов (Технологический 
университет) (МИСиС), 2004 

Оглавление 

Введение 
4 

1. Особенности устройства некоторых печей 

электросопротивления 
5 

2. Теплофизические основы расчета печей электросопротивления 
7 

2.1. Основы теплопередачи 
7 

2.2. Расчет футеровки печи 
13 

3. Тепловой расчет камерной печи 
18 

3.1. Расчет футеровки корпуса печи 
18 

3.2. Расчет однослойной заглушки (или дверцы) 
21 

3.3. Расчет двухслойной заглушки (или дверцы) 
23 

4. Тепловой расчет трубчатой печи 
27 

5. Принципы нагрева в печах сопротивления 
31 

6. Расчет нагревателей печей электросопротивления 
33 

6.1. Типы нагревателей 
33 

6.2. Схемы включения и питания нагревательных элементов 
36 

6.3. Металлические нагреватели 
39 

6.4. Карборундовые нагреватели 
42 

6.5. Нагреватели из дисилицида молибдена 
44 

Библиографический список 
47 

Приложение 
48 

3 

ВВЕДЕНИЕ 

В современной лабораторной металлургической практике используются все известные методы нагрева: 

- прямой нагрев электрическим током; 
- косвенный нагрев в электрических печах сопротивления; 
- 
индукционный; 

- 
электродуговой; 

- 
плазменный; 

- 
электронно-лучевой; 

- лазерный; 
- нагрев лучами света (солнечные печи). 
Но наиболее широко применяются прямой нагрев электрическим 
током и косвенный нагрев в электрических печах сопротивления. 
Электрические печи сопротивления обладают рядом весьма существенных преимуществ: их конструкция проста; температуру в печи 
легко регулировать и поддерживать; легко автоматизировать и программировать нагрев; можно создать равномерное распределение 
температуры в большом объеме, а время работы при заданной температуре можно изменять в широких пределах. 

Электрические печи сопротивления широко используются в производстве и научно-исследовательской работе для нагревания материалов 
до температуры 1700 °С. Выпускаемые серийно лабораторные и промышленные электрические нагревательные печи обеспечивают выполнение разнообразных технологических операций, однако в ряде случаев, особенно при постановке научного эксперимента, их технические 
характеристики, такие как потребляемая мощность, производительность, габаритные размеры и т.п., превышают необходимые для экспериментальной работы потребности. С другой стороны, многообразие 
решаемых исследователями задач требует большой номенклатуры нагревательных устройств с рабочими параметрами, отвечающими конкретным условиям эксперимента, что не всегда соответствует характеристикам стандартных лабораторных нагревательных печей. 

В связи с этим в научных подразделениях электрические нагревательные устройства изготавливают самостоятельно, используя теплотехнические и электронагревательные материалы заводского производства. Инженер-исследователь, проектируя нагревательную печь, должен знать основные принципы теплового расчета, имел, навыки определения необходимой потребляемой мощности печи, уметь грамотно выбрать материал теплоизолирующей футфовки, надежно подобрать материал нагревательных 
элементов и установить их геометрические размеры, провесттт конструкторскую работу по общей компоновке печи и вьшолнить рабочие чертежи 
для изготовления нагревательной печи в производственных мастерских. 

4 

1. ОСОБЕННОСТИ УСТРОЙСТВА НЕКОТОРЫХ 
ПЕЧЕЙ ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЯ 

Рассмотрим два типа лабораторных печей: камерные и трубчатые. 
Камерная печь имеет прямоугольную форму сечения рабочего пространства (рис. 1.1). Футеровка корпуса печи выполняется из двух 
слоев (огнеупора и теплоизоляции) как со стороны боковых стенок, 
так и с одной из торцевых сторон. Другая торцевая сторона (загрузочное окно) при выходе на температурный режим и во время работы 
печи закрывается заглушкой или дверцей. Заглушка или дверца могут иметь однослойную (огнеупор) или двухслойную (огнеупор и 
теплоизоляция) футеровку. Трубчатая печь имеет цилиндрическую 
форму рабочего пространства (рис. 1.2) и двухслойную или однослойную футеровку корпуса. Загрузочные окна закрываются заглушками с однослойной или двухслойной футеровкой. 

Рис. 1.1. Схема рабочей камеры 
камерной печи 

Если печь сопротивления проектируется с дверцей, то нагревательные элементы размещают по всей заданной длине рабочего пространства печи. При устройстве заглушек длина рабочего пространства печи уменьшается на суммарную толщину заглушек. 

В качестве футеровочных материалов нагревательных печей используются огнеупоры и теплоизоляторы. 

Рис. 1.2. Схема рабочей камеры 
трубчатой печи 

5 

Огнеупорные материалы предназначены для изготовления внутреннего слоя футеровки печи и размещения в них нагревательных 
элементов. Они должны иметь достаточно высокую механическую 
прочность, особенно при повышенных температурах, низкую теплопроводность, хорошую термостойкость и химическую стойкость. В 
зависимости от химического состава огнеупоры делятся на динасовые (SiOz), шамотные (SiOz + 28...45 % АЬОз), муллитовые, каолиновые и корундовые (SiOz + 45...95 % А^Оз), магнезитовые (MgO), 
карборундовые (SiC). 

Динас обладает низкой термостойкостью. Шамот - самый распространенный огнеупор - дешев и термоустойчив. Муллитовые, каолиновые и корундовые огнеупоры имеют высокую термостойкость и 
термопрочность. Магнезитовые материалы хрупки, плохо переносят 
резкие перепады температур. Карборунд обладает высокой огнеупорностью и износостойкостью. Графит в окислительной среде имеет высокую скорость газификации при температурах выше 700 °С. 

Огнеупорные изделия выпускаются промышленностью в виде 
кирпичей следующих типоразмеров: 170x113x65 мм, 230x13x66 мм 
и 250x123x65 мм. 

Теплоизоляционные материалы предназначены для формирования 
второго (после огнеупора) слоя футеровки и обеспечивают максимальный градиент температурного поля при минимальной толщине 
слоя. Они должны иметь как можно более низкую теплопроводность 
при умеренной прочности, теплостойкости и термостойкости. Характерной особенностью теплоизоляторов является высокая пористость 
изделий. К самым распространенным из них относится диатомит пористая осадочная горная порода. 

Теплоизоляционные материалы используются в футеровке в основном в виде порошка, крошки, ваты, шнуров, лент, тонкостенных 
плит, обмазки и т.п. В ряде случаев, например при использовании 
диатомита, из них формуют кирпичи различной формы и размера. 

Корпус печи делается из жести. Для этой цели используют жесть 
из Ст.З толщиной 1 ... 1,5 мм. Как правило, корпус печи изготавливают разборным. 

Расчет электрических печей сопротивления делится на два этапа. 
На первом из них производится тепловой расчет и определяются габаритные размеры печи, на втором - выполняется расчет и производится выбор нагревательного элемента, схемы их соединения и электрического питания. 

6