کوره با دمای بالا: انواع، عناصر و طراحی حرارتی

A کوره با دمای بالا نه تنها با حداکثر دمای عملیاتی آن بلکه با درجه حرارت تعریف می شود کل سیستم حرارتی - عناصر گرمایشی، پکیج عایق، ساختمان محفظه و سیستم کنترل - که باید به طور قابل اعتماد و با یکنواختی دما در دماهای پایدار بالای 1000 درجه سانتیگراد کار کنند. . چالش اساسی مهندسی این است که در این دماها، مواد معمولی به سرعت از بین می‌روند: عناصر گرمایش نیکل کروم اکسید می‌شوند و آویزان می‌شوند، آجر نسوز آلومینا سیلیکات رسانای الکتریکی می‌شود و ترموکوپل‌ها از کالیبراسیون خارج می‌شوند. انتخاب یک کوره با دمای بالا برای یک فرآیند خاص - خواه تف جوشی سرامیکی در 1600 درجه سانتیگراد، عملیات حرارتی فلز در 1200 درجه سانتیگراد، یا آزمایش مواد در 1800 درجه سانتیگراد باشد - توسط تعامل بین سقف دمای مورد نیاز، جو در محفظه، سطح آلودگی مجاز و فرکانس چرخه حرارتی کنترل می شود. مواد عنصر گرمایش عامل اصلی تعیین کننده قابلیت های کوره است، با عناصر کاربید سیلیکون غالب در محدوده 1200 درجه سانتیگراد تا 1550 درجه سانتیگراد، عناصر دی سیلیسید مولیبدن با پوشش دمای 1500 درجه سانتیگراد تا 1800 درجه سانتیگراد، و عناصر گرافیت یا تنگستن مورد نیاز برای دماهای بالاتر از 1800 درجه سانتیگراد تحت اتمسفر محافظ یا خلاء .

مواد عناصر گرمایشی و پاکت های عملیاتی آنها

المنت حرارتی جزئی است که انرژی الکتریکی را به گرما تبدیل می کند و آن را به حجم کار منتقل می کند و خواص مواد آن حداکثر دما، سازگاری جو و طول عمر کوره را تعیین می کند. ماده عنصر باید دارای نقطه ذوب بالا، مقاومت در برابر اکسیداسیون خوب در دمای عملیاتی، استحکام گرم کافی برای تحمل وزن خود، و مقاومت الکتریکی قابل پیش بینی باشد که به طور غیرقابل قبولی در طول عمر کارکرد عنصر پیر نشود. جدول زیر مواد عنصر گرمایش با درجه حرارت بالا تجاری قابل توجه را با محدوده عملیاتی و محدودیت های عملی آنها ترسیم می کند.

عناصر کاربید سیلیکون، نیروی کار صنعت کوره با دمای بالا برای محدوده 1200 درجه سانتیگراد تا 1550 درجه سانتیگراد هستند، زیرا آنها تعادل مطلوبی از هزینه، در دسترس بودن و عملکرد در هوا و اتمسفر خنثی ارائه می دهند. این عناصر با تبلور مجدد دانه‌های کاربید سیلیکون در دمای بالا تولید می‌شوند و یک سرامیک متخلخل و متصل به خود ایجاد می‌کنند که رسانای الکتریکی است. مقاومت الکتریکی یک عنصر SiC در طول عمر مفید آن افزایش می یابد - پدیده ای به نام پیری - با اکسید شدن مرزهای دانه و کاهش سطح مقطع رسانای موثر. معیار پایان عمر معمولاً افزایش 100 درصدی مقاومت نسبت به مقدار اولیه است، در این مرحله عنصر دیگر نمی تواند توان نامی خود را در ولتاژ موجود ارائه دهد. منبع تغذیه کوره باید با شیرهای ولتاژ روی ترانسفورماتور طراحی شود تا این اثر پیری جبران شود، و مقاومت عنصر باید به صورت دوره ای برای پیش بینی طول عمر باقیمانده کنترل شود. یک عنصر که در دمای 1550 درجه سانتیگراد در هوا کار می کند ممکن است بین 2000 تا 4000 ساعت کار کند، در حالی که همان عنصری که در دمای 1300 درجه سانتیگراد کار می کند ممکن است 10000 ساعت یا بیشتر دوام بیاورد که منعکس کننده رابطه نمایی بین دما و سرعت اکسیداسیون است.

سیستم های عایق: فیبری، آجری و میکرو متخلخل

سیستم عایق کوره با دمای بالا دو هدف متناقض را دنبال می کند: به حداقل رساندن اتلاف حرارت از محفظه به محیط، که به حداکثر ضخامت عایق و حداقل هدایت حرارتی نیاز دارد، و به حداقل رساندن جرم حرارتی کوره، که نرخ گرمایش و سرمایش و انرژی مصرف شده در هر سیکل را تعیین می کند. مواد عایق باید دارای رسانایی حرارتی پایین در دمای عملیاتی، مقاومت گرم کافی برای تحمل وزن خود، و مقاومت در برابر جو کوره و هر گونه فرار ناشی از بار کاری باشد. سه کلاس اولیه مواد عایق با دمای بالا و محدوده کاربرد آنها به شرح زیر است.

پتو و تخته الیاف سرامیکی

الیاف سرامیکی آلومینو سیلیکات که از ذوب و الیاف کردن ترکیبی از آلومینا و سیلیس تولید می شود، ماده عایق غالب برای کوره های با دمای بالا تا حدودی است. 1400 درجه سانتی گراد (دمای طبقه بندی) . این الیاف به صورت پشم حجیم، پتوی سوزنی، تخته خلاء یا ماژول شکل‌دهی مرطوب تولید می‌شود. رسانایی حرارتی پتو الیاف سرامیکی با چگالی 128 کیلوگرم بر متر مکعب در دمای 1000 درجه سانتی گراد تقریباً است. 0.25 تا 0.35 W/m·K ، که تقریباً یک سوم تا یک دوم آجر نسوز عایق در همان دما است. جرم حرارتی کم عایق الیافی - ظرفیت گرمایی ویژه آن ضربدر چگالی - به کوره اجازه می دهد تا دمای محیط را تا 1200 درجه سانتیگراد در 30 تا 60 دقیقه گرم کند، در مقایسه با چندین ساعت برای کوره آجری با ظرفیت معادل. تعادل این است که الیاف سرامیکی بیشتر مستعد آسیب ناشی از حمله شیمیایی توسط شارها و بخارات قلیایی است و سطح الیاف پس از قرار گرفتن در معرض طولانی مدت بالاتر از دمای طبقه‌بندی خود، از بین می‌رود و شکننده می‌شود. برای دماهای بالاتر از 1400 درجه سانتیگراد، از الیاف آلومینا پلی کریستالی (PCW) با دمای طبقه بندی 1600 درجه سانتیگراد استفاده می شود که هزینه بسیار بالاتری دارد.

آجر نسوز عایق (IFB)

آجرهای نسوز عایق، اشکال نسوز متخلخل و سبکی هستند که با ترکیب منافذ ساز قابل احتراق - خاک اره، دانه های پلی استایرن یا کربن - در بدنه رسی یا آلومینا نسوز ساخته می شوند که در حین پخت می سوزند و شبکه ای از منافذ بسته را به جا می گذارند. دمای طبقه بندی IFB از 1260 درجه سانتیگراد (درجه 23) تا 1760 درجه سانتیگراد (درجه 32) متغیر است، با افزایش محتوای آلومینا و افزایش چگالی با درجه حرارت. درجه 26 IFB (طبقه بندی 1430 درجه سانتیگراد، 45٪ آلومینا) دارای چگالی تقریباً می باشد. 780 کیلوگرم بر متر مکعب و هدایت حرارتی 0.35 W/m·K در 1000 درجه سانتیگراد. جرم حرارتی بالاتر یک آستر آجری در مقایسه با فیبر به معنی گرمایش و سرمایش کندتر است، اما دوام بیشتری را برای کوره هایی که در معرض سوء استفاده مکانیکی، جوهای ساینده، یا بارگیری و تخلیه مکرر قطعات کار سنگین هستند، فراهم می کند.

عایق میکرو متخلخل

عایق میکرو متخلخل ترکیبی از ذرات سیلیس دود شده زیر میکرون، یک مات کننده (معمولا کاربید سیلیکون یا دی اکسید تیتانیوم) برای جلوگیری از انتقال حرارت تشعشعی و یک فیبر تقویت کننده است. اندازه منافذ در پودر فشرده شده کوچکتر از میانگین مسیر آزاد مولکول های هوا در فشار اتمسفر است که هدایت گاز را سرکوب می کند و به ماده رسانایی گرمایی موثری می دهد. 0.020 تا 0.030 W/m·K در 800 درجه سانتی گراد - کمتر از هدایت حرارتی هوای ساکن. پانل های میکرو متخلخل، با حداکثر دمای سرویس دهی 1000 درجه سانتیگراد تا 1100 درجه سانتیگراد، به عنوان عایق پشتی در پشت پوشش الیاف سرامیکی یا آجری داغ برای کاهش ضخامت کلی دیوار برای نرخ تلفات حرارتی معین استفاده می شوند. آنها به ویژه در کوره هایی که ابعاد پوشش خارجی توسط زیرساخت های موجود محدود شده است یا جایی که پایین ترین دمای پوشش خارجی ممکن یک نیاز ایمنی یا فرآیند است، ارزشمند هستند.

اتمسفر محفظه: هوا، گاز خنثی و عملیات خلاء

اتمسفر داخل یک کوره با دمای بالا، محیط شیمیایی را که عناصر گرمایشی، عایق و حجم کار در آن کار می کنند، تعیین می کند. کوره ای که برای عملیات هوا طراحی شده است دارای عناصر گرمایشی و عایق است که در دما، مقیاس های اکسیدی محافظ و چسبنده را تشکیل می دهد. همان کوره را نمی توان در یک جو کاهنده بدون تغییر در انتخاب عنصر و شیمی عایق کار کرد. سه دسته جو اولیه و مفاهیم مهندسی آنها عبارتند از:

• هوا (اکسید کننده): جو پیش فرض برای اکثر کوره های آزمایشگاهی و صنعتی. کاربید سیلیکون و عناصر دی سیلیسید مولیبدن یک لایه شیشه ای محافظ سیلیس (SiO2) روی سطح خود تشکیل می دهند که اکسیداسیون بیشتر را محدود می کند. عایق الیاف سرامیکی و آجر نسوز کاملاً سازگار هستند. محتوای اکسیژن اتمسفر هوا از احتراق باندهای آلی و آلاینده‌های ناشی از حجم کار پشتیبانی می‌کند که از طریق اگزوز کوره تخلیه می‌شوند.
• گاز بی اثر (نیتروژن، آرگون): برای جلوگیری از اکسیداسیون حجم کار - رایج در عملیات حرارتی فولادهای زنگ نزن، تیتانیوم و فلزات راکتیو استفاده می شود. نیتروژن انتخاب مقرون به صرفه‌تری است اما با مواد خاصی واکنش نشان می‌دهد: نیترید تیتانیوم را روی سطوح تیتانیوم تشکیل می‌دهد، و می‌تواند با عناصر حرارتی مبتنی بر سیلیکون بالاتر از 1300 درجه سانتی‌گراد واکنش دهد تا نیترید سیلیکون را تشکیل دهد و مقاومت عنصر را تغییر دهد. آرگون واقعاً با همه مواد در تمام دماهای عملی کوره خنثی است و زمانی مشخص می شود که نیتروژن از نظر شیمیایی با حجم کار یا داخل کوره ناسازگار باشد. کوره باید برای حذف اکسیژن باقیمانده قبل از گرم کردن، تمیز شود، که معمولاً نیاز به مبادلات حجمی 5 تا 10 اتاق با گاز بی اثر قبل از شروع چرخه گرمایش.
• خلاء: تمیزترین محیط ممکن را برای پردازش فلزات واکنش پذیر، سوپرآلیاژها و سرامیک های پیشرفته فراهم می کند. سطح خلاء مورد نیاز بستگی به کاربرد دارد: یک خلاء خشن 10-2 mbar برای جلوگیری از اکسیداسیون ناخالص بیشتر مواد کافی است. خلاء بالای 10-5 تا 10-6 mbar برای فرآیندهایی مورد نیاز است که حتی مقدار کمی از اکسیژن یا بخار آب خواص مواد را تخریب می کند. منطقه داغ کوره در یک کوره خلاء معمولاً از عایق نمدی گرافیتی و عناصر گرمایش گرافیت ساخته می‌شود، زیرا این مواد در خلاء تا دمای بسیار بالا پایدار هستند و فشار بخار پایینی دارند. سیستم پمپاژ خلاء - متشکل از یک پمپ پشتی پره ای دوار، یک دمنده ریشه، و یک پمپ انتشار یا توربومولکولی برای خلاء بالا - باید برای رسیدن به زمان تخلیه پمپ مورد نیاز و برای کنترل بار خروجی از عایق و بار کاری در طول چرخه گرمایش اندازه شود.

اندازه گیری و کنترل دما بالای 1000 درجه سانتیگراد

اندازه گیری دقیق دما پایه و اساس پردازش دمای بالا قابل تکرار است و ترموکوپل سنسور اولیه برای دماهای تا حدودی است. 1700 درجه سانتیگراد در هوا . انواع ترموکوپل های مورد استفاده در کوره های با دمای بالا و محدودیت های کاربرد آنها عبارتند از: نوع K (کرومل-آلومل، تا دمای 1200 درجه سانتی گراد پیوسته)، نوع S (پلاتین در مقابل پلاتین-10٪ رودیوم، تا 1450 درجه سانتی گراد پیوسته)، نوع B (پلاتین-6٪ رودیوم در مقابل R10 تا 30٪ ممتد) (پلاتین در مقابل پلاتین-13% رودیوم، تا 1450 درجه سانتیگراد پیوسته). نوع B انتخاب استاندارد برای محدوده 1500 درجه سانتی گراد تا 1700 درجه سانتی گراد در هوا است زیرا محتوای رودیوم در هر دو پا مهاجرت رودیم را به حداقل می رساند، که مکانیزم رانش اولیه در ترموکوپل های نوع S و نوع R در دمای بالا است.

بالاتر از 1700 درجه سانتیگراد، یا در اتمسفرهای کاهش دهنده و خلاء که ترموکوپل های پلاتین آلوده و شکننده هستند، پیرومتری مادون قرمز غیر تماسی جایگزین ترموکوپل ها به عنوان روش اندازه گیری اولیه می شود. یک پیرومتر دو رنگ (نسبت) تابش حرارتی ساطع شده از هدف را در دو طول موج مختلف اندازه گیری می کند و دما را از نسبت شدت ها محاسبه می کند، که خطای ناشی از تغییرات انتشار و تضعیف مسیر نوری در اثر دود یا بخار را حذف می کند. پیرومتر باید از طریق پنجره ای دیده شود که در طول موج های اندازه گیری شفاف باشد - کوارتز برای دمای تا 1100 درجه سانتیگراد، یاقوت کبود برای دمای تا 1800 درجه سانتیگراد و سلنید روی یا فلوراید کلسیم برای کاربردهای تخصصی. پنجره باید تمیز و عاری از میعانات باشد که می تواند تابش مادون قرمز را جذب کند و باعث شود دمای اندازه گیری شده پایین بیاید.

کنترل کننده دمای کوره از a الگوریتم PID (متناسب-انتگرال-مشتق). برای تعدیل توان تحویلی به عناصر گرمایشی در پاسخ به تفاوت بین دمای اندازه‌گیری شده و نقطه تنظیم. پارامترهای PID باید برای ویژگی‌های حرارتی خاص کوره تنظیم شوند - جرم حرارتی، زمان پاسخ عنصر گرمایش، و نرخ تلفات حرارتی - برای دستیابی به کنترل پایدار بدون افزایش بیش از حد در هنگام راه‌اندازی یا نوسان در نقطه تنظیم. یک کوره به خوبی تنظیم شده می تواند یکنواختی دمایی 1± تا 5± درجه سانتی گراد را در سراسر منطقه کار حفظ کند، بسته به طراحی کوره، منطقه بندی عنصر و وجود یک فن گردشی برای انتقال حرارت همرفتی در دماهای پایین تر. یکنواختی دمای منطقه کار با بررسی یکنواختی دما (TUS) در هر مورد تأیید می شود AMS 2750 (برای عملیات حرارتی هوافضا) یا طبق مشخصات فرآیند قابل اجرا، که در آن ترموکوپل های بررسی متعدد در کوره قرار می گیرند تا توزیع دما در نقطه تنظیم فرآیند را ترسیم کنند.

منبع تغذیه و کنترل: تریستورها، ترانسفورماتورها و بهره وری انرژی

منبع تغذیه برای یک کوره با دمای بالا باید توان کنترل شده ای را به عناصر گرمایشی در طیف گسترده ای از مقاومت های عنصر، از مقاومت کم سرما در راه اندازی تا مقاومت بالاتر در دمای کار، ارائه دهد و باید پیر شدن عناصر کاربید سیلیکون را در طول عمر مفید آنها در نظر بگیرد. کنترل قدرت توسط a به دست می آید کنترل کننده قدرت تریستور (SCR) که با استفاده از کنترل زاویه فاز یا شلیک انفجاری (صفر متقاطع) برق AC را به عناصر تعدیل می کند. شلیک با زاویه فاز وضوح کنترل ریزتری را ارائه می دهد و در مواردی که زمان پاسخ حرارتی کوره کوتاه است استفاده می شود. شلیک انفجاری با روشن و خاموش کردن چرخه های کامل شکل موج AC، توان را کنترل می کند، که نویز الکتریکی و هارمونیک ها را کاهش می دهد اما خروجی کنترل درشت تری ایجاد می کند. انتخاب بین دو حالت بستگی به مشخصات الکتریکی کوره و حساسیت نیازهای کیفیت برق سایت دارد.

برای کوره های سیلیکون کاربید و عنصر دی سیلیسید مولیبدن، a ترانسفورماتور چند ضربه ای بین کنترل کننده قدرت و عناصر قرار گرفته است. ترانسفورماتور ولتاژ تغذیه را به ولتاژ پایین کاهش می دهد - معمولاً 10 تا 60 ولت - که عناصر کم مقاومت به آن نیاز دارند، و چندین ضربه زدن به آن اجازه می دهد تا ولتاژ در طول عمر عنصر افزایش یابد تا افزایش مقاومت ناشی از کهنه شدن جبران شود. ترانسفورماتور باید برای جریان بار کامل در حداکثر ولتاژ ضربه ای درجه بندی شود و امپدانس آن باید با بار عنصر مطابقت داشته باشد تا از افت ولتاژ بیش از حد جلوگیری شود. برای کوره‌های صنعتی بزرگ با توان بیش از 100 کیلووات، توزیع نیرو به صورت منطقه‌بندی می‌شود - محفظه به مناطق گرمایش کنترل شده مستقل تقسیم می‌شود که هر کدام دارای ترموکوپل، کنترل‌کننده و منبع تغذیه خاص خود هستند - تا به یکنواختی دمایی مورد نیاز در سرتاسر حجم کاری دست یابد.

برنامه های کاربردی در سراسر طیف دما

کوره‌های با دمای بالا در صنایعی که پردازش حرارتی در دمای کنترل‌شده بالای 1000 درجه سانتی‌گراد برای ایجاد خواص مطلوب مواد مورد نیاز است، ضروری هستند. دسته بندی های اولیه کاربرد و محدوده دمای معمولی آنها عبارتند از:

• تف جوشی سرامیک (1200 درجه سانتیگراد تا 1800 درجه سانتیگراد): چگالش پودر سرامیک - آلومینا، زیرکونیا، نیترید سیلیکون، کاربید سیلیکون - با انتشار حالت جامد یا تف جوشی در فاز مایع. اتمسفر کوره (هوا، نیتروژن، خلاء) و مشخصات حرارتی (نرخ گرمایش، زمان ماندگاری، سرعت سرد شدن) برای دستیابی به چگالی هدف، اندازه دانه و خواص مکانیکی بسیار مهم هستند. سرامیک های پیشرفته برای الکترونیک، ایمپلنت های پزشکی و زره در کوره های دمای بالا با کنترل دقیق جو پخت می شوند.
• عملیات حرارتی فلز (1000 درجه سانتیگراد تا 1350 درجه سانتیگراد): سخت شدن، بازپخت محلول و تنش زدایی فولادهای ابزار، فولادهای ضد زنگ، سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل و آلیاژهای تیتانیوم. کوره باید دمای یکنواخت و برای بسیاری از آلیاژها، اتمسفر یا خلاء محافظ را برای جلوگیری از اکسیداسیون سطح و کربن زدایی فراهم کند.
• لحیم کاری و پیوند انتشار (1000 درجه سانتیگراد تا 1200 درجه سانتیگراد): اتصال فلزات با استفاده از یک آلیاژ پرکننده که ذوب می شود و با عمل مویرگی به شکاف مفصل جریان می یابد. لحیم کاری با دمای بالا در اتمسفر خلاء یا هیدروژن برای مبدل های حرارتی هوافضا، پره های توربین و اجزای راکتور هسته ای استفاده می شود که در آن اتصال لحیم کاری باید استحکام خود را در دمای سرویس حفظ کند.
• تست مواد (تا 1800 درجه سانتیگراد): اندازه گیری خواص مکانیکی - استحکام کششی، خزشی، خمشی و فشاری - در دمایی که ماده در حین کار تجربه می کند. کوره های آزمایش باید یکنواختی دمایی بسیار محکم داشته باشند و مجهز به اکستانسومترها و لودسل هایی باشند که در دمای آزمایش به طور دقیق عمل کنند.
• متالورژی پودر و قالب گیری تزریقی فلز (MIM) تف جوشی (1200 درجه سانتی گراد تا 1450 درجه سانتی گراد): تف جوشی پودرهای فلزی فشرده - فولاد ضد زنگ، فولاد ابزار، کاربید تنگستن - تا چگالی تقریباً کامل. اتمسفر کوره (هیدروژن، نیتروژن-هیدروژن، یا خلاء) برای کاهش اکسیدهای سطحی روی ذرات پودر و کنترل محتوای کربن قسمت متخلخل ضروری است.

سیستم های ایمنی و خطرات عملیاتی

عملکرد ایمن یک کوره با دمای بالا نیاز به کنترل های مهندسی دارد که خطرات گرمای شدید، اتمسفرهای قابل احتراق یا خفه کننده و احتمال شکست نسوز را برطرف می کند. سیستم های ایمنی اولیه شامل الف مدار حفاظتی اضافی در برابر دمای بیش از حد که از یک ترموکوپل و کنترل کننده مستقل استفاده می کند که روی دمایی بالاتر از نقطه تنظیم فرآیند اما کمتر از حداکثر دمای طراحی کوره تنظیم شده است. اگر ترموکوپل کنترل اولیه از کار بیفتد یا کنترلر خراب شود، کنترل کننده دمای بیش از حد برق عناصر گرمایشی را قطع می کند. این مدار ایمنی مستقل برای عملیات بدون مراقبت و برای کوره‌هایی که بارهای کاری با ارزش را پردازش می‌کنند، در جایی که یک رویداد غیرمنتظره دمای بیش از حد محصول و احتمالاً کوره را از بین می‌برد، اجباری است.

برای کوره هایی که با اتمسفرهای قابل احتراق کار می کنند - هیدروژن، گاز تشکیل دهنده یا گاز گرماگیر - سیستم های ایمنی اضافی مورد نیاز است. کوره باید قبل از وارد شدن هیدروژن با گاز بی اثر از هوا پاک شود، و تصفیه باید توسط یک آنالایزر اکسیژن تأیید شود که غلظت اکسیژن کمتر از حد انفجاری پایین است. الف شعله سوختن یا یک جرقه زن کاتالیزوری در اگزوز کوره تضمین می کند که هر هیدروژن واکنش نداده قبل از ورود به فضای اتاق به طور ایمن احتراق می شود. خطوط گازرسانی باید دارای شیرهای برقی با بسته معمولی باشند که در صورت قطع برق از کار می افتند و جریان گاز را فوراً متوقف می کنند. یک مدار توقف اضطراری با سیم سخت که تمام جریان گاز و نیروی گرمایشی را قطع می کند باید از موقعیت اپراتور قابل دسترسی باشد. برای کوره‌های خلاء، خطر ایمنی اولیه انفجار محفظه خلاء است و محفظه باید مطابق با کد مخزن تحت فشار مناسب - ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VIII یا معادل استاندارد ملی - با یک دستگاه کاهش فشار که از تحت فشار قرار گرفتن محفظه بالاتر از حد طراحی آن جلوگیری می‌کند، طراحی و ساخته شود.