Трубчатый нагреватель из хромита лантана

(19) (11) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ЬИЬЛаО (Ы,ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(56) 1. Авторское свидетельство СССРВ 132347, кл. Н 05 В 3/12, 1960.2. 1.Ио 1 з е 1 а 1. "Ругох 2000"Неа 1 ег Е 1 ешепС, Рцгпасе Гог НЦЬТещрегй 1 иге ОхЫаС 1 оп. а 1 воерЬеге.ем Ог 1 еайя. 1976.(54)(57) ТРУБЧАТЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ИЗХРОИИТА ШАНТАНА, содержащий нагревательный элемент и токоподводы, о тличающийсятем, что, сцелью повышения механической прочности нагревателя, он снабжен наружнымэлектроизоляционным и теплоизоляционным трубчатым элементом, выполненнымиз материала химически и физически 3(51) Н 05 В 3/44; Н 05 В 3 18 нейтрального к материалу нагревательного элемента следующего состава, мас.%:.Хромит щелочно- земельногоэлемента фракции менее 0,06 мм 40-85 фосфат хрома 1-3 Хромит щелочно- земельного элемента фракции 0,5-1,0 мм Остальное нагревательный элемент выполнен из хромита лантана следующего состава, мас.Ъ: Окись кальция или магния 5-10 Й 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..Изобретение относится к нагревательным элементам, способным работатьв окислительной среде при температурах около 1900 ОС.Известен нагревательный элементиз хромита лантана, легированного5 .кальцием, который выполнен в видеспирали и трубчатых тоководов 13Этот нагревательный элемент не"достаточно прочен и при температурахоколо 1600 О С прогибается под дейст- )Овием своего веса. Рабочая температура выше 1700 С не может быть достигнута, потому что .материал выше1700 С диссоциирует.Наиболее близким по техническойсущности к предлагаемому являетсянагреватель иэ хромита лантана, состоящий из трех участков: двух токоподводящих, выполненных иэ легированного хромита с низким удельнымэлектросопротивлением, и центрального рабочего с большим удельнымзлектросопротивлением, выполняемымиз того же хромита, но с меньшимколичеством легирующей добавкиУпомянутые три участка нагревателясварены между собой посредствомдиффузионной сварки, что значительно усложняет их изгбтовление 21;Недостаток известного нагревателязаключается в том, что хромит лантана обладает малой теплопроводностьюи в то же время склонен к ползучести,особенно при температурах, превышающих 1800 С. Малая теплопроводностьхромитов порядка 2-3 ккал/матч г ) 35приводит к тому, что радиальный .градиент температур (поперек стенки)оказывается весьма значительнымпорядка 500 С и выше ). При больших .толщинах величина напряжений, возникающих из-заразности термического расширения, достигает предельныхдля хромита значений и .материал . ра э.руша е.тся .:Недостатком известного нагрева- ,тельного элемента также является высокая полэучесть легированногохромита лантана при темйературахвыше 1800 СПоэтому эксплуатация таких нагревательных элементоввозможна только при температурах " 50не выше 1850 С и при вертикальномположении элементов. Кроме того, невозможно изготовление нагревателей увеличенной длины, что важно в реальных печах, 55Цельизобретения - 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 65 материалу нагревательного элемента следующего состава, мас.Ъ:Хромит щелочноэемельного элементаФракции менее 0,06 мм 40-85Фосфат хрома 1-3Хромит щелочноземельного элементаФракции 0,5-1,0 ммОстальное Нагревательный элемент выполнен из хромита лантана следующего состава, мас.Ъ: .Окись кальция илимагния 5-10Хромит 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 1тепло-и электроизоляционной трубы. В результате того, что рабочий объем нагревательного элемента находится внутри, рабочая температура на 300-400 С выше, чем в печи со стержневыми нагревателями.Толщина стенок реального нагревательного элемента 1 не должна быть более 3-4 мм. 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 приводит к УменьШениЮ рабочего объема печи. Если же это отношение более О,",то это приводит к. падению механической прочности нагревательного элемента при высокой,температуре в результате роста термическихнапряжений на границе трубок(изолирующей и нагревательной),Состав тепло-и электроизоляционного материала. элемента 2 и соотношение компонентов выявлены опытнымпутем.5Если содержание тонкодисперсногохромита щелочно-земельного элементащ. з. э;) менее 40 мас. Ъ, то механическая прочность трубы 2 недостаточна и к тому же это приводит кухудшению изоляционных свЬйств.Если содержание тонкодисперсногохромита щ.з,э. более 85 мас.Ъ, тоухудшается стойкость трубы 2 ктермическому удару, т,е. ее термостойкость.Аналогично, если содержание грубойфракции хромита щ.з.э. менее 12 мас.Ъто теплостойкость и механическаяпрочность ухудшаются. В том.же случае, если грубозернистый хромитщ.з.э. введен.в количествах свЬ 1 ще59 мас.Ъ, то время .схватываниямассы увеличивается, а прочностьпосле сушки ухудшается.Материал элемента 2 должен бытьне электропроводен вплоть до высокихтемператур. Он должен быть малотеплопроводен.с тем, чтобы при толщине стенок внешней трубы температурана ее поверхности не превышала301000-1200 С, что необходимо дляобеспечения механической прочностивнешней трубы и всего. нагревателя.Материал внешней трубы не долженвзаимодействовать с материалом . 35внутренней в химическом и физическом,смысле т.е; должна быть исключенациффузия катионов в нагретую внутрен: нюю Трубу и наоборот. 20 Указанным требованиям отвечают. ,40такие материалй, как Мо, Сг ОС 6 Сг.которые имеют высокую Т 2200.С,неэлектропроводны, не боятся термоударов и соответствуют требованиям,предъявляемым к обоим материалам 45По термическому расширениюТак как .катионы Са + или М могутдиффундировать в чистый хромитлантана. или иттрия, то важно, чтобыв хромите уже были введены соответ:"ствующие катионы и их количествосоответствовало максимально возмож-ному, т.е. было на пределе растворимости этих катионов в решетке:хромитов. Именно по этой причинев качестве нижнего предела легирования установлено 5 Са,По фракционному составу материа. лов обеих трубок необходимо, сделатьспециальные пояснения.Тонкозернистый .хромит при спекании: образует керамику весьма плот-.ную, прочную, но недостаточно термостойкую. Поэтому опытным путем подбирают зернистые составы, которыепосле спекания оказываются намного 65 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 Н РО ортофосфорная кислота) , введейной 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 том случае, если количество ортофосфорной кислоты менее 8 мас.В, то материал не набирает при сушке необходимой прочности.При введении НРО более 15 мас.% формовочная масса изЛишне текуча и формовка осложняется.Соотношения компонентов материала нагревательного элемента 1 выявлены эксПериментальио.В том случае, если количество окиси кальция менее 5 мас,Ъ или хромиталантана больше 95 мас.Ъ, то получаемый легированный хромит лантана состава Ьа О, 95; Са 0, 05СгО не достигает предельно возмож- ной концентрации кальция.или магния в твердом растворе и при работе возможна диффузия этих катионов Са2+ или М+из Изоляционного элемента 2 трубы ) в нагревательный элемент 1. Это нежелательно из-за распада хромита.щ,з.э.В том .же случае, если количество окиси кальция превышает 10 мас.% 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 развитйю трещин разрушения в условиях градиент" ного нагрева. При этом удельная поверхность .самого порошка еще достаточна 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 уменьше. ние, дисперсности, не увеличивая сил, связи, уменьшает время до величины 10-20 мин, что неудобно при форл 1 овУстройство. работает следующим образом1107346 45 10 ЪОсталь- ное Остальное ВНИИПИ Заказ 5780/45 Тираж 783 Подписное Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул.Проектная, 4 При подаче питания на токоподводы3 нагревательный элемент 1 за счет.джоулева разогрева нагревается. Изменение его линейных размеров компенсируется неплотным прилеганием кнему внутренней поверхности элемента 52. Элемент 2, нагреваясь за счет контакта с нагревательным элементом 1,защищает его от потерь тепла вовнешнюю среду, При этом разницатемператур на внешней и внутренней 10поверхностях элемента 1 уменьшаетсяв несколько раз, что ведет к уменьшению в нем термических наПряжений.Так как рабочий объем нагревателянаходится внутри, то рабочие темпера туры оказываются автоматически повышенными. Механическая прочность всегоэлемента в сборе обеспечивается тем,что температура наружной поверхностиэлемента 2, изготовленного из пористого материала, оказывается невысокой и не достигает области ползучестиматериала.Рабочий объем печи представляетсобой суммарный внутренний объемнескольких таких элементов,25П р и м е р 1, Нагревательныйэлемент имеет толщину стенки 3 мм,длину 300 мм, внешний диаметр 150 мми следующий состав ингредиентов,мас,Ъ; ЗООкиськальция СаО 5Хромит лантана .аСОЗ Остальноеа наружный элемент имеет толщину стенки 20 мм и изготовляется из материала следующего состава, мас.Ъ: 35Хромит щ.з,э, МСг О,фракции менее 0,06 мм 40Фосфат хрома 1Хромит щ.з,э, Д С О Фракции 0,5 мм%Осталь ОноеП р и м е р 2. Нагревательныйэлемент имеет толщину стенки 4 мм,длину 260 мм и внешний диаметр133 мм к следующее соотношениингредиентов,. мас,Ъ;Окись кальцияХромит лантана Наружный элемент при этом имеет 50толщину стенок 15 мм и изготовляетсяиз материала следующего состава,мас,Ъ;Хромит щ,з.з, СмС сфракции менее 0,6 мм 85 55Фосфат хрома 3Хромит щ. з. э. М Сг ОАФракции 0,5-1,0 мм П р и м е р 3. Нагревательный элемент имеет толщину стенки 4 мм, длину 480 мм, внешний диаметр 160 мм и следующий состав, мас.ЪОкись магния 8Хромит лантана ОстальноеНаружный элемент при этом имеет толщину стенок 20 мм, а материал имеет следующий состав, мас.Ъ:Хромит щ.з.э. Сдс 04фракции менее 0,6 мм 60Фосфат хрома 2Хромит щ а 3 э Мсг 04фракции 0,5-1,0 мм ОстальноеЗа базовый объект принят нагреватель завода "Эмитрон", представляющий собой трубку Р =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 СВ 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 кгвес элемента и груза 1 при более высокой температуре Т=1700 ОС, 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.