Нагреватель для лабораторной цилиндрической электропечи

Полезная модель относится к технической физике, а именно к устройствам для анализа материалов путем бесконтактного фотометрического определения физических параметров, например поверхностного натяжения и/или плотности высокотемпературного металлического расплава в зависимости от величины его температуры. Изучают образец, размещенный внутри тепловой зоны цилиндрического тонкостенного, преимущественно молибденового, нагревателя электропечи. Дополнительной сферой являются вузовское обучение студентов и металлургия.
3
При фотометрии динамики высокотемпературных физических параметров расплавов, например, поверхностного натяжения и/или плотности расплава, с горизонтальным или вертикальным положением нагревателя в электропечи, например, при определении кинематической вязкости расплава, внутри этого нагревателя помещают керамический сосуд в виде подложки или тигля, содержащий исследуемый образец. Объем образца составляет единицы или десятки см, при этом размеры цилиндрических нагревателей составляют 4-6 см в диаметре и 15-20 см в длину. Кроме того, нагреватели, преимущественно молибденовые, оснащены комплектом из коаксиальных тепловых металлических и керамических трубчатых экранов.
3
Необходимо отметить, что габариты электропечи обусловлены потребляемой мощностью (порядка десяти кВт), требуемой для нагрева и плавления образцов, объем расплава которых составляет единицы см и возможностью водяного охлаждения этой электропечи. Поэтому ее рабочее пространство имеет ограниченные размеры, в частности, диаметр. Расстояние от изучаемого образца до керамического трубчатого экрана, расположенного внутри нагревателя, составляет единицы мм.
Известно устройство фиксации нагревателя в вертикальной цилиндрической  электропечи, в которой коаксиально расположен молибденовый нагреватель, снаружи которого находятся цилиндрические металлические и керамические тепловые экраны, один из керамических тепловых экранов выполнен в виде сужающейся кверху трубы, размещенный на верхней части нагревателя - см. пат. ПМ РФ № 191826 - аналог.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является нагреватель для лабораторной цилиндрической электропечи, который выполнен в виде тонкостенных молибденовых полуцилиндров, коаксиально расположенных внутри системы экранов, токоподводы, подключенные к каждому из полуцилиндров с одного конца, а с другого конца закреплены в токопроводящем фиксирующем цилиндре, выполненном из двух тонкостенных молибденовых слоев. Его используют в горизонтальной электропечи, входящей в состав университетской лабораторной установки, предназначенной для изучения плотности расплавов методом большой капли - см. «Изучение плотности и поверхностного натяжения расплавов методом большой капли» - Методические указания к лабораторной работе по физике / Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2009, 25 стр., с. 2- 5 - прототип.
Недостатками вышеуказанных устройств являются нижеследующие. Во время проведения экспериментов наиболее опасная ситуация возникает при контакте теплоизолирующего экрана с нагревателем в средней его части, где сформирована горячая изотермическая зона протяженностью 3-5 см. При температурах выше 1500°С идет испарение металла нагревателя и его осаждение на поверхность экрана. Со временем слой металла на этом экране становится все более электропроводящим, что может привести к электрическому замыканию. При этом возникают их последующие сплавления, перегорание нагревателя при  таком контакте и как следствие, срыв экспериментов, например лабораторных работ, с трудоемкой заменой компонентов электропечи и последующей перекалибровкой измерительной установки.
Кроме того, при использовании в вертикальной электропечи алундового керамического устройства фиксации нагревателя, предложенного в аналоге, требуется ряд ручных подгоночных манипуляций, в частности механической обработки, которые осуществляет высококвалифицированный специалист. Такое устройство обеспечивает определение удельного электросопротивления расплавов, в частности на основе железа, в процессе высокотемпературных исследований в диапазоне до 1600°С. Однако при изучении расплавов с температурой вплоть до 1850-1900°С, например жаропрочных, необходима более термостойкая, чем алундовая бериллиевая керамика. Ее конструкция также требует ряда ручных подгоночных манипуляций, в частности высококвалифицированной механической обработки. Существенным недостатком индивидуального использования бериллиевой керамики для изготовления неординарного устройства фиксации нагревателя из нее, вследствие отсутствия номенклатуры таких изделий, является высокая опасность бериллиевых соединений для человека, в частности пыли (1 класс опасности), при работе с ними или изготовлении каких-либо деталей. Это особенно актуально  в вузовской практике, при осуществлении лабораторных работ со студентами.
Кроме того, использование на верхнем торце нагревателя устройства фиксации на основе его собственного веса, предлагаемого в аналоге, в горизонтальной печи практически невозможно. При этом деформации, например, провисание молибденового нагревателя и/или тепловых экранов, как металлических, так и керамических, а также искажение однородности тепловых полей, в горизонтальной или вертикальной электропечи аналогичны. Отсюда возникают нестабильность изотермической области нагрева, а также наличие взаимной неконтролируемой децентровки нагревателя, экранов и изучаемого образца. В конечном итоге, появляется опасность срыва экспериментов, а также сокращается межремонтный период работы.
Проблемой аналога и прототипа является возможность проявления  неоднородности, неравномерности и несимметричности теплового поля внутри нагревателя электропечи,  в том числе на краях нагревателя и экранов. Из-за этого возможны деформации, а также неконтролируемое взаимное смещение нагревателя и экранов при их нагреве, что ведет к их контакту, замыканию и перегоранию нагревателя. При этом сокращается межремонтный период работы измерительной установки.
Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого устройства, заключается в том, что расширяются функциональные возможности электропечи посредством увеличения стабильности изотермической области нагрева, уменьшаются неоднородность, неравномерность и несимметричность теплового поля внутри нагревателя электропечи, которые обусловлены взаимной децентровкой нагревателя, экранов и изучаемого образца. Кроме того, увеличивается межремонтный период работы измерительной установки. Таким образом, предлагаемое решение обеспечивает осуществление экспериментов по определению физических параметров расплавов, таких как поверхностное натяжение и/или плотность, в горизонтальной электропечи при высоких температурах изучения расплавов, вплоть до 1900°С. Осуществляют создание контролируемого зазора между нагревателем и тепловыми экранами посредством размещения тонкостенных молибденовых элементов в преимущественно верхней, менее нагретой части нагревателя, где практически не оседает испарившийся металл нагревателя. Такой зазор обеспечивает возможность предотвратить электрическое замыкание и его негативные последствия, влекущие срыв экспериментов.
При осуществлении заявляемого устройства решается проблема отсутствия устройств данного назначения и, соответственно, достигается технический результат, который заключается в реализации назначения устройства.
Указанная проблема решается с помощью предлагаемой полезной модели - нагревателя для лабораторной цилиндрической электропечи.
Заявляется нагреватель для лабораторной цилиндрической электропечи, который выполнен в виде тонкостенных молибденовых полуцилиндров, коаксиально расположенных внутри системы экранов, токоподводы, подключенные к каждому из полуцилиндров с одного конца, а с другого конца закреплены в токопроводящем фиксирующем цилиндре, выполненном из двух тонкостенных молибденовых слоев.
От прототипа устройство отличается тем, что в него введены три тонкостенных молибденовых элемента, которые зафиксированы равноудаленно друг от друга коаксиально вдоль вышеуказанных полуцилиндров между слоями токопроводящего фиксирующего цилиндра, при этом элементы выполнены в виде узких тонкостенных молибденовых полос, выступающих сверху за края данного цилиндра и загнутых наружу над краями токопроводящего фиксирующего цилиндра.
Таким образом, в конечном итоге достигается расширение температурного диапазона и номенклатуры исследуемых высокотемпературных металлических расплавов при изучении их физических параметров, в частности таких, как поверхностное натяжение и/или плотность, методом большой капли в горизонтальной электропечи. Кроме того, уменьшается количество непредсказуемых срывов экспериментов, увеличивается межремонтный период исследовательского комплекса, а также уменьшается необходимость использования вредных для персонала материалов. При этом наличие контролируемого зазора между нагревателем и тепловыми экранами обеспечивает уменьшение возможности возникновения взаимной децентровки  нагревателя и экранов, а также их контакта и прогиба.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами:
фиг. 1 - схема нагревателя;
фиг. 2 - фото нагревателя, вид с торца;
фиг. 3 - фото нагревателя с четырьмя тонкостенными молибденовыми элементами.
Полезная модель содержит электропечь цилиндрической формы (на схеме не показано), основными компонентами которой являются: токоподводы (на схеме не показано), первый керамический тепловой экран 1, внешний металлический тепловой экран 2, нагреватель для лабораторной цилиндрической электропечи, в состав которого входят: тонкостенные молибденовые полуцилиндры 3, молибденовый токопроводящий фиксирующий цилиндр 4, тонкостенные молибденовые элементы 5 - см. фиг. 1.
Цилиндрический первый керамический тепловой экран 1 выполнен из алунда или бериллиевой керамики. Цилиндрический металлический тепловой экран 2, токопроводящий фиксирующий цилиндр 4, а также два полуцилиндра нагревателя 3 и элементы 5, в количестве не меньше трех, выгнуты из молибденового листа толщиной 0,2-0,3 мм, предпочтительно выступающие на 5 мм и отогнутые на 1 мм - см. фиг. 1, фиг. 3. Варианты размещения тонкостенных молибденовых элементов 5 приведены на фиг. 1, а именно: I - полоса загнута над краями токопроводящего фиксирующего цилиндра 4; II - полоса загнута сверху токопроводящего фиксирующего цилиндра 4 - см. фиг 3; III - полоса загнута снизу токопроводящего фиксирующего цилиндра 4.
На фиг. 2. приведено фотоизображение верхнего торца нагревателя и его вышеперечисленных конструктивных компонентов: цилиндрический керамический тепловой первый экран 1, тонкостенные молибденовые полуцилиндры 3, внутренние 6 и внешние 7 слои молибденового токопроводящего фиксирующего цилиндра 4, зазоры 8 для размещения тонкостенных молибденовых элементов 5.
На фиг. 3. показано фотоизображение одного из вариантов конструкции нагревателя с четырьмя зафиксированными симметричными тонкостенными молибденовыми элементами 5.
Используют нагреватель для лабораторной цилиндрической электропечи  следующим образом. Данный нагреватель фиксируют внутри электропечи. В начале эксперимента, в центральной части этого нагревателя, в предполагаемой изотермической зоне, коаксиально размещают керамический сосуд в виде подложки или тигля с изучаемым металлическим образцом. Электропечь закрывают и заполняют из баллона инертным газом, например, гелием. Затем включают ее нагрев, устанавливают требуемые значения температуры, при этом осуществляют преимущественно ступенчатый, с задаваемым шагом, нагрев и последующее охлаждение образца расплава. Для каждой из температур фиксируют, посредством бесконтактной фотометрии, изменение состояния расплава образца. Затем на основе данных фотометрии вычисляют посредством известных формул физические параметры, например поверхностное натяжение и/или плотность изучаемого высокотемпературного металлического расплава в зависимости от величины каждой из температур, вплоть до 1900°С, после чего используют эти параметры в качестве характеристик изучаемого образца.
Предложенное техническое решение обеспечивает функционирование нагревателя электропечи при существенном расширении температурного диапазона и увеличении межремонтного периода. Уменьшается количество непредсказуемых срывов экспериментов, уменьшается  использование вредных для персонала материалов. Данное решение соответствует уровню полезной модели.