Способ определения стойкости материалов для нагревателей

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихреспублик(6) Дополнительное к авт. свид-ву - (22) Заявлено 20. 08. 81(21) 3333617/24-07 с присоединением заявки Йо//Н 05 В 3/62 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий.254(088.82 Дата опубликования описания 1501.83(72 Авторы изобретен ЕРИАЛ ОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТОИКОСТ ДЛЯ НАГРЕВАТЕЛЕЙя вя Изобретение относится к нагрева-, тельным элементам для электропечей;. а нмеено к способам определения стойкости материалов для нагревателей.Известен способ определения стойкости материалов для нагревателей, при котором иэ исспедуемого материала изготавливают образец нагревате-, ля, нагревают его прямым пропусканием тока в условиях работы натурных нагревателей, определяют в ходе работы его электросопротивление и по сроку службы образца нагревателя до того момента времени, когда его электросопротивление увеличится на 20, судят о стойкости 1) и 21.Недостатками данного способа являются его низкая точность, связанная с условностью 20-ного уровня увеличения сопротивления, условностью определения характеристики стойкости (срока службы нагревателя до момента 20 гного увеличения его сопротивления ) при одном уровне температуры и плотности тока т.е. на одном самопроизвольном установившемся режи- . ме - при данном токе по образцу в данной печи температура строго определенная а также малые функциональные возможности способа, что с зано с невозможностью одновременно" го варьирования токоми температуро и необходимость изготовления и испытания образца натурального нагревателя.Наиболее близким к предлагаемомупо технической сущности и достигаемому положительному эффекту являетсяспособ определения стойкости материалов для нагревателей, при котором из исследуемого материала изготавливают образец нагревателя, нагревают его прявавм пропусканием тока до достижения на нем рабочей температуры и 15 контролируют стойкость по времениего работы при этой температуре 3).Недостатками данйого способаявляются его сравнительно низкая точность, связанная с тем, что данные о стойкости можно получить только при .некоторых сочетаниях величин плотности тока и .температуры образцов, а также с неопределенностью. места разрушения образца из-эа статистической неопределенности расйоложения в нем наиболее крупных дефектов структуры - зерна, пор й т.д., малые Функциональные возможности, что свзано с невозможностью получения еднрой зависимости стойкости от плот 989427ности тока и температуры образцов,а также необходимость изготовленияббразца нагревателя,Цель изобретения - повышениеточности определения стойкости преимущественно углеродных материалов 5и расширение Функциональных возможностей путем создания воэможностииспытаний образцов прк.варьируемыхтемпературе и плотности тока.Указанная цель достигается тем, (О,;то согласно способу, при которомиэ исследуемого материала изготавливают образец, нагревают его прямым;пропусканием тока до достижения рабочей температуры, контрлируют время 5их работы при этой температуре дофих разрушения и по нему судят о стойкости, образец изготавливают в видепрямоугольной пластины с галтелями,отношения толщины к длине и толщины 20к ширине для которой лежат в интервале соответственно 1:10 - 1:50 и1; 3 - 1:15, в геометрическом центрепластины выполняют отверсти ., отношение диаметра которого к ширине образца лежит в интервале 1:10 - 1:25,перед укаэанным нагревом образецнагружают до уровня напряжений 0,20,5 кг/мм и нагревают косвеннодополнительным внешним нагревателемдо температуры на 100-500 ОС меньшерабочей температуры, после чего ведут указанный нагрев прямым пропусканием тока через образец с повышением плотности пропускаемого по немутока и одновременно снижают температуру дополнительного нагревателя.На фиг. 1 показано устройство дляпроведения испытаний по определениюстойкости, общий вид 4 на фиг. 2 - распределение температуры по образцу при 40различных параметрах, на фиг. 3зависимости стойкости образцов иэразличных углеродных материалов отэксплуатационных Факторов..45Образец 1 (,Фиг. 1 ).имеет формупластины с галтелями, длина рабочейчасти которой относится к толщине иширине к толщине соответственно как-1:10 - 1: 50 и 1:3 - 1:15. Образец1 устанавливается с помощью шпилек2 в захваты 3 с продольными пазамив каждом один из захватов - верхнийне показан .). Образец 1 окружен дополнительным нагревателем 4, например цилиндрическим. В геометрическом центре образца 1 выполнено отвесртие 5, диаметр которого относится к ширине образца как 1:10 - 1:25.Нагреватель 4 устанавливается натокопроводахне показаны), а полу,чение хорошего электрического контакта обеспечивается, например, выполнением нагревателя с фланцем, наповерхности которого выполнены кольцевая канавка 6 и кольцевой выступ 7,65 Зона 8 разрушения (фиг. 2/ подавляющего числа образцов нагревателей совпадает с зоной высоких температур для различных распределений температуры по образцу для различных параметров ( 9 - образец толщиной 1 мм, плоность тока 8 А/мм;10 толщина 2 мм, плотность тока 8 А/мм11 - толщина 3 мм, плотность тока 8 А/мм; 12 - толщина 2 мм, плотность тока 11 А/мм ; 13 - толщина 2 мм, плотность тока 14 А/мм 2.Прямая 14 соответствует графиту ,ВПП, 15 - материалу МПГ-б, 16 - АРВ ( Фиг. 3).По оси ординат отложена длительйость работы образца 1, моделирующего работу нагревателя из данного материала, по оси абсцисс - комплексный параметр ехр(Я / Рт)Ж 1 2,звгде й - толщина образца;Я - энергия активации процесса,равная 160 ккал/моль;В - универсальная газовая постоянная;Т - абсолютная температура,Подавляющее большинство выпускаемых нагревательных элементов (, кроместержневых ) представляет собой трубки или пластины, два габаритных размера которых намного превосходят третий (толщину). А стержневые нагреватели могут быть представлены в видеэквивалентных элементов с двумя габаритными размерами, существенно превышающими третий,Результаты испытаний образцов, вы-.полненных в виде плоских пластин сгалтелями, отношение длины которыхбеэ галтелей к толщине и ширины ктолщине лежат в интервале соответственно 1:10 - 1:50 и 1:3 - 1:15, хорошо коррелируют с результатами испытания натурных нагревателей, Кроме того, при изучении данных о причинах и локалиэации мест. разрушенияи выхода из строя натурных нагревателей установлено, что подавляющеебольшинство нагревателей .(порядка74) разрушаются в зоне .наиболее высоких температур, лежащих чаще всего в центральной части нагревателя; В связи с тем, что каждое испытание образца на стойкость является весьма длительным (50 - 600 мин,)и требует тщательной подготовки образца и установки к испытаниям, тонеобходимо получение результатов,все из которых являются надежными инет испытаний, которые дслжны бытьотброшены иэ-эа разрушения образцовне в центральной зоне. В связис этим предложено в цейтральной части образца выполнять отверстие. Исследованиями установлено, что приотношении диаметра отверстия к ширине образца, лежащем в интервале 1:101:25,. обеспечивается надежное разрушение образца в центральной части.Отверстия меньшего, чем укаэанный,диаметра (ширина образца обычно 625 мк), выполнять в тонких (толщиной 0,5 + 4 мм ) образцах из углеродных материалов сложно.Кроме того, например, для крупнозернистых углеродных материалов (смаксимальным размером зерна 1,22,3 мм отверстия меньшего диаметра, чем 1-2,5 мм, не сказываются наразрушении нагревателя в центральной или периферийной части образца.Увеличение диаметра отверстия дозначений, дающих отношения, превышающие 1:25, чрезмерно ослабляетживое сечение образца и приводитк появлению краевых эффектов, искажая экспериментальные результаты постойкости,Механическое нагружение образцав пределах 0,2 - 0,5 кг/мм позволяйет обеспечить исключение люфтов изазоров в соединениях, например,образца с захватами. Йсследованиями установлено, что меньшие нагрузкине устраняют люфтов, .а бопьшие приводят к появлению физико-механических явлений, в частности к возникновению полэучести (при температурахсвыше 2000 - 24 ОООС.Нагружение образца осуществляютпутем шарнирного связывания верхнего токопровода с изолированнымэлементом, закрепленным в корпусеиечи, а нижнего токопровода - снагружающим механизмом, выполненным в виде системы грузов или двигателя с парой винт-гайка, связанногос динамометром. Токопроводы соединены с токовводами, проходящими черезводоохлаждаемый корпус печи, шинами, выполненными из параллельных листов медной фольги или графитовойткани,Нагрев на 100 - 500 С позволяетточнее "попасть" на требуемые плот-,ности тока и температуру образца.П р и м е р 1 . Испытывается крупнозернистый графит марки ВПП, Образцы имеют длину 65 мм, ширину галтелей 25, а ширину рабочей части - 16 мч. Длина рабочей части образца 20 мм, толщина 2 мм. В геометрическом центре образца выполняют отверстие диаметром 0,6 мм, Плотность тока по образцу .14,7 А/мм ,2 температура центральной зоны дополнительного нагревателя 2500 С, тем" пература центральной зоны образца2820 фС. Механическое напряжение в образце 0,2 кг/мм . При этих условиях длительность работы образца на гревателя 75 мин. Отбрасываемых испытаний нет,П р и м е р 2 . Испытывается мелкозернистый графит МПГ. Образцыимеют длину 95 мм, ширину галтелей25, а ширину рабочей части - 15 мм,Длина рабочей части,образца 50 мм,толщина образца 1 мм. Диаметр отверстия 0,8 мк. Плотность тока по образцу 11,36 А/мм , температура цент 10 ральной зоны дополнительного нагревателя 2450 С, температура централь.ной эоны образца 2745 С. Напряжениев образце 0,5 кг/мм . Длительностьработы 115 мин. Отброшенных испыта-15 ний нет.П р д м е р 3, Испытывается графит АРВ. Образцы имеют длину 95 мм,ширину галтелей 25, а ширину рабочей части - 50 мм. Длина рабочей час 20 ти образца 50 мм, толщина 2,5 мм.Диаметр отверстия 1,0 ма. Плотность,ра образца 2740 С. Длительность ра 25 боты 114 мин, Отбрсвянных испытаний нетПрименение предлагаемого изобретения позволяет по сравнению с про.,тотипом повысить точность испытаний30 на 15-20 за счет исключения воэмож 1 Мости действия побочных механизмовизноса, отсутствующих в натурных нагревателях и расширить функциональные возможности эа счет обеспечения35 проведения испытаний при различныхплотностях тока и температурах. 40 45 50 55 60 65 Формула иэобретенияСпособ определения стойкости материалов для нагревателей, при котором изготовленный из исследуемого материала образец нагревают прямым пропусканием тока до достижения рабочей температуры, контролируют стойкость по времени его работы при этой температуре, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышенияточности определения стойкости преимущественно углеродных материалов, образец изготавливают в виде прямоугольной пластины с галтелями, отношение толщины к длине и толщины к ширине которой лежит в интервале 1:10 - 1:50 и 1:3- 1:15 соответственно, в геометрическом центре пластины выполняют отверстие, отношение диаметра которого к ширине пластины лежит в интервале 1:10 - 1:25, перед указанным нагревом нагружают образец до уровня механических напряжений 0,2 О, 5 кг/мми нагревают косвенно дополнительным, установленным вокруг него нагревателем до температурына 100 - 500 ОС меньшей рабочей температуры, после чего ведут указанный нагрев 1 прямым пропусканием тока и одновременно снижают температуру дополнительного нагревателя.источники информации, принятые во внимание при экспертизе1. Мармер Э.Н, Материалы вакуумных электропечей. М.-Л., Госэнергоиздат, 1959. 2, Мармер Э,Н , Мурованная С.Г. Электропечи для термовакуумных процессов, М., "Энергия", 1977.5 3. Процесс износа. нагретыхметаллических проволок в условиях эксплуатации, 1970, 18, Р 64, с18 - 19, ВЦП, пер, Р ц.989427 О - ЖР Р АЩ Составитель Техред И, Над еда есело акаэ 11115 113035 ППП "Патент", г, Ужгород, ул, Проектная,л Тираж 871ИИПИ Государственногопо делам изобретенийМосква, Ж, Рауыск одатаева. КорректорЛ. Во ШеПодписйоекомитета СССРи открытийя .наб д. 4/5