Электропечь для лабораторных высокотемпературных исследований

3
Полезная модель относится к конструкции электропечей мощностью в десятки кВА, применяемых в технической физике при лабораторном анализе материалов, для фотометрического определения физических параметров образцов высокотемпературных металлических расплавов на основе Fe, Ni, Co oобъемом несколько см, в частности при изучении в гелиевой атмосфере температурных зависимостей плотности, кинематической вязкости, удельного электросопротивления таких образцов. При этом используют гибкие шланги длиной 1-2 метра для систем вакуумирования, заполнения электропечи гелием из баллона, и водоохлаждения, подключенные к соответствующим магистралям. Полезная модель может быть использована при осуществлении лабораторных работ в вузах, а также в заводских лабораториях металлургических предприятий.
Известна электропечь в виде вакуумного сушильного шкафа – см. «Сушильный шкаф ВШ-0,035М», эксплуатационный паспорт, рис. 3, с. 8 - 10, в состав которого входят электронагреватель, вакуумный электронасос, система водоохлаждения проточной водой, трубки для нее и системы вакуумирования до 10 мм ртутного столба, короткие, меньше 0,1 метра, отрезки гибких шлангов, подключенные к этим трубкам. Эти отрезки представляют собой резиновые трубки с армировочными слоями.
-4
Известно устройство для изучения вязкости и электросопротивления металлических расплавов, содержащее электронагреватель, водоохлаждаемые вакуумируемую электропечь и токоподводы – см. патент ПМ РФ № 117632 - аналог. Через электронагреватель, соединенный с токоподводами из медных шин, протекает низковольтный - 5 ÷ 10 В, ток величиной до нескольких кА, получаемый от силового 30-кВА трансформатора. Водоохлаждение осуществляют из водной магистрали, соединенной с компонентами электропечи несколькими парами, например 3,  гибких соединений в виде входных/выходных резиновых или дюритовых шлангов, длиной преимущественно 1-2 метра. Вакуумирование электропечи получают вакуумным насосом посредством гибкого неармированного толстостенного шланга  диаметром до 40 мм из вакуумной резины, также длиной преимущественно 1-2 метра. Такой шланг используют при величине требуемого в экспериментах установившегося давления в нем преимущественно от 10до 1 атм. Последующее после вакуумирования заполнение электропечи гелиевой атмосферой до величин 0,3 – 2 атм из баллона, осуществляют посредством аналогичного шланга, подключенного к редуктору газового баллона. Как вариант, используют единственный гибкий шланг с переключением процедур вакуумирования и газонаполнения.
Известна высокотемпературная лабораторная электропечь, содержащая вакуумный насос, упругие вакуумирующие элементы, узлы вакуумного уплотнения и ввода/вывода охлаждающей воды, гибкие шланги, водоохлаждаемые  корпус электропечи и токоподводы – см. патент ПМ РФ № 159417 - аналог. В ней используют несколько, например три, пар гибких шлангов для водоохлаждения компонентов электропечи, вакуумный насос для осуществления предварительного вакуумирования с гибким шлангом из неармированной толстостенной упругой вакуумной резины, длиной 1-2 метра. Заполнение электропечи гелием из баллона и ее водоохлаждение осуществляют подобно вышеуказанному аналогу.
Прототипом предлагаемой полезной модели является электропечь для лабораторных высокотемпературных исследований, содержащая водоохлаждаемые корпус с системой тепловых экранов, токоподводы и нижний фланец,  верхний фланец с закрепленной в нем верхним концом упругой подвесной системы, тигель, подвешенный на ее нижнем конце, размещенные на водоохлаждаемом корпусе штуцерные соединения, соединенные с гибкми шланговыми соединениями, с которым подключены вакуумный насос и баллон с инертным газом, а также магистрали   вакуумирования, газонаполнения и водоохлаждения  - см. Г. В. Тягунов и др. «Измерение удельного электросопротивления методом вращающегося магнитного поля», журн. «Заводская лаборатория. Диагностика материалов», 2003, №2, том 69, с. 35 ÷ 37, рис. 1 - прототип.
Недостатками вышеописанных шлангов являются, во первых, пересыхание, особенно под солнечным светом, при высокой температуре и плохой вентиляции, во вторых, нежелательность перегибания и скручивания, практически неизбежных во время эксплуатации, в третьих, для продления срока службы рекомендуют их поместить в защитную оболочку, в четвертых, они неэргономичны и имеют существенные массогабаритные параметры - см. http://avento.org/chto-predstavlyaet-soboy-i-gde-ispolzuetsya-rukav-dyuritovyy. Роль этих недостатков возрастает, когда длина этих шлангов составляет преимущественно 1-2 метра, необходимых для эксплуатации электропечи с типовой мощностью до 20 - 30 кВА в ограниченных условиях ее размещения в научной или учебной лаборатории.
о
Внутри гибких шлангов во время эксперимента возникают скачки давления, в частности, при открывании и регулировке редуктора газового баллона. Давление в подобном случае возрастает в разы, вплоть до 3 - 5 атмосфер, и может превысить предельные растяжимость и прочность шланга из вакуумной резины, который в принципе не переносит резкие изменения рабочего режима – см. «Вакуумные шланги для вакуумных систем», стр. 3,  info@pv-system.ru. Это может вызвать срыв со штуцера шланга и/или появление в нем разрывов. Кроме того, при высокотемпературном нагреве, вплоть до 2000 С, образцов сплавов, например на основе железа, в электропечи, давление газа в ней и вышеуказанном шланге непредсказуемо возрастает, иногда также в разы. Кроме того, вакуумная резина имеет величину газовыделения которое возрастает с ростом температуры, на 2 - 3 порядка больше, чем у металлов. Поэтому в процессе нагрева образцов высокотемпературных сплавов это может изменить газовый состав в электропечи и, соответственно, неконтролируемо изменить условия эксперимента. При изучении расплавов с легколетучими компонентами, например цинком, их испарение вплоть до десятков процентов массы из тигля и оседание внутри электропечи вызывает уменьшение массы изучаемого образца, измеряемой до начала эксперимента с высокой точностью. Эти изменения, вызванные, в том числе изменением величины объема и давления за счет температурного расширения гелия в электропечи и шланге, например от одной до двух атмосфер, напрямую влияют на результаты эксперимента по определению физических параметров образцов высокотемпературных сплавов, в частности, легколетучих, уменьшая их достоверность. Шланг из вакуумной резины непрозрачен, что не позволяет визуально оперативно контролировать возможность задымления в электропечи, которое возникает при изучении подобных сплавов. Увеличение прочности шлангов за счет выбора более прочных типономиналов увеличенного размеров, в частности, толщины стенок и, соответственно, внешнего диаметра, например с 30 до 50 мм, существенно увеличивает радиус изгиба – до 0,5 - 1 метра, и массу шланга из вакуумной резины, что усложняет его фиксацию, размещение компонентов электропечи и ее эксплуатацию и, таким образом, ухудшает эргономичность конструкции. Кроме того, усложняется процедура загрузки/выгрузки подвесной системы с образцом в электропечь, особенно в ограниченном пространстве лаборатории. Эта многочасовая процедура требует высокой квалификации работника.
При водоохлаждении также могут возникать непредсказуемые изменения давления, в том числе при централизованных незапланированных, например, аварийных или ремонтных работах на водных магистралях вне лабораторного помещения, причем наиболее опасны скачки давления при включениях/переключениях подачи воды. Кроме того, в водяных шлангах со временем появляются неконтролируемые осадки, которые в конечном итоге оседают в системах охлаждения электропечи, в том числе на упругих вакуумирующих элементах, например узлах вакуумного уплотнения. Это ухудшает их долговечность и может потребовать внеплановой процедуры очистки внутренних поверхностей элементов охлаждения. Кроме того, могут непредсказуемо возникать опасные нарушения техники безопасности, особенно нежелательные для студентов и персонала невысокой квалификации. В подобном случае эксперимент неизбежно прекращают, причем образец считают испорченным. Затем меняют шланги, готовят заново образец, калибруют измерительную установку, загружают образец. Только после этого снова осуществляют сорванный эксперимент и/или лабораторную работу.
В конечном итоге, при изучении физических параметров образцов высокотемпературных сплавов уменьшается предсказуемость, надежность и стабильность осуществления эксперимента, возникает опасность его срыва, повреждается изучаемый образец, увеличивается общая продолжительность эксперимента, возрастают бесполезные энерготраты, расходы гелия и воды. Кроме того, появляется вероятность срыва лабораторной работы в вузе и/или опасного нарушения техники безопасности.
Полезная модель направлена на решение технической проблемы, а именно, уменьшение негативного влияния на осуществление эксперимента непредсказуемых изменений давления, вплоть до скачков в кратное число раз, в гибких шлангах, соединенных с вакуумной, газовой и водной магистралями электропечи, а также недостаточной физико-химической инертности и непрозрачности материала, из которого они изготовлены, а в конечном итоге, обеспечение осуществления штатной процедуры эксперимента..
Технический результат, достигаемый при реализации заявляемой полезной модели, заключается в расширении функциональных возможностей электропечи, уменьшении влияния на эксперимент изменений давления  в вакуумной, газовой и водной магистралях электропечи. Возрастают эргономичность электропечи, период ее безремонтной работы, стабильность и надежность функционирования. Кроме того, уменьшается вероятность повреждения изучаемых образцов, уменьшаются непредусмотренные энерготраты, расход воды и инертного газа, а в конечном итоге, обеспечивается увеличение надежности и стабильности проведения эксперимента и уменьшается вероятность срыва лабораторных работ, а также нарушений техники безопасности.
Указанная проблема решается с помощью предлагаемой полезной модели - электропечи для лабораторных высокотемпературных исследований.
Заявляется электропечь для лабораторных высокотемпературных исследований, содержащая водоохлаждаемые токоподводы, нижний фланец и корпус, верхний фланец с закрепленной в нем верхним концом упругой подвесной системы, с тиглем, подвешенным на ее нижнем конце, размещенные на вышеуказанных токоподводах, нижнем фланце и корпусе штуцеры, соединенные с одним концом гибких шлангов, с другим концом которых соединены магистрали вакуумирования, газонаполнения и водоохлаждения,
От прототипа полезная модель отличается тем, что гибкие шланги выполнены из прозрачного материала.
Кроме того, гибкие шланги выполнены из поливинилхлорида или  силикона.
Кроме того, гибкие шланги могут быть выполнены армированными.
Таким образом, при реализации предлагаемой полезной модели достигается уменьшение влияния на эксперимент изменений и/или скачков давления в гибких шланговых соединениях, которые соединены с вакуумной, газовой и водной магистралями электропечи, Кроме того, увеличивается время безремонтной работы систем водоохлаждения, вакуумирования и заполнения газом и, таким образом, стабильности и надежности функционирования электропечи. В конечном итоге, достигается расширение функциональных возможностей электропечи, увеличение ее договечности, надежности и стабильности, а также уменьшается вероятность срыва при  осуществлении лабораторных работ, обеспечивается более высокий уровень безопасности экспериментов.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом - фиг. 1, на котором приведена фотография электропечи.
Она содержит корпус 1 электропечи, токоподводы (на схеме не показаны),  смотровое окно 2, гибкие шланги 3, гибкие шланги 4, штуцеры (на схеме не показано).
Корпус 1 электропечи выполнен из нержавеющей стали, в виде вертикальной водоохлаждаемой цилиндрической конструкции. Электропечь предназначена преимущественно для изучения кинематической вязкости высокотемпературных расплавов. Смотровое окно 2 выполнено из 20 мм стекла. Токоподводы выполнены в виде двух гибких многожильных луженых медных шин, длиной 1 метр сечением  5 х 30 мм каждая. Они рассчитаны на ток 3 - 6 кА при напряжении 6 - 10 В. Гибкие шланги 3 водоохлаждающей, вакуумной и газовой систем, закрепленные на стальных штуцерах, приваренных к корпусу электропечи 1, выполнены преимущественно из легких напорных двойных армированных прозрачных бесцветных поливинилхлоридных шлангов, серия HO, производитель DIXON,  Англия, артикул НО 22010 и НО 22016, имеющих рабочее давление по газу не меньше 11 бар и по воде 15 бар, с радиусом изгиба 65 и 104 мм соответственно – см. info@shlang-vial.ru,  проспект компании ВИАЛ, г. Санкт-Петербург, серия НО, артикул 9988100. Для сравнения на фиг. 1 показаны несколько гибких шлангов 4, выполненных из вакуумной резины.
Эксплуатация гибких шлангов 3 в течение одного года в одной из лабораторий УрФУ г. Екатеринбурга, при высокотемпературных исследованиях в вышеописанной электропечи, в частности, кинематической вязкости расплавов на основе Fe, Ni, Co,  продемонстрировала заявляемые преимущества гибких шлангов 3 перед гибкими шлангами из вакуумной резины 4.
Предложенное техническое обеспечивает уменьшение влияния на эксперимент явлений в гибких шлангах, соединенных с вакуумной, газовой и водной магистралями электропечи при изменении и/или скачках давления в них. При этом увеличивается время безремонтной работы, стабильность и надежность функционирования электропечи, уменьшается вероятность повреждения изучаемых образцов, непредусмотренных энерготрат, расхода воды и инертного газа,  В конечном итоге, полезная модель расширяет функциональные возможности электропечи, увеличивает договечность, надежность и стабильность ее работы, а также уменьшает вероятность срыва эксперимента и/или лабораторных работ.
Техническое решение, содержащее вышеуказанные совокупности ограничительных и отличительных признаков, позволяет считать его имеющим уровень полезной модели.