книги из ГПНТБ / Бессонов А.Ф. Установки для высокотемпературных комплексных исследований

из электродного графита. Наружное покрытие графитного эле­ мента карбидом кремния позволило развить в окислительной атмосфере температуру до 1700° С. В качестве тепловой изоляции печи обычные типы засыпок, обмазок и т. п. не подходили, так как инерционность ее соста­ вила бы несколько часов, а тол­ щина изоляции— до полуметра.

Поэтому был выбран принци­ пиально новый вид изоляции —

Рис. 1. Электропечь с нагревателями

холодная водоохлаждаемая, отражательная металлическая. Мед­ ные стенки изоляции были отполированы и покрыты изнутри тонким слоем золота (коэффициент отражения около 98%).

Т. Б. Ридом и Р. Е. Файни [153] разработана простая печь сопротивления для работы при температурах вплоть до 2400° С

10

как в окислительной, так и в нейтральной и восстановительной

газовых средах.

Образец исследуемого вещества помещают в плотную трубку из двуокиси циркония, укрепленную внутри танталового нагре­ вательного элемента, представляющего собой цилиндр с верти­ кальными прорезями. Внутри трубки из двуокиси циркония можно создавать любую требуемую газовую среду без ущерба для нагревательного элемента, работающего в атмосфере аргона. Нагревательный элемент, защищенный трубкой из двуокиси

Рис. 3. Схема установки для изучения высокотемператур­ ных процессов'.

1 — подвижная подставка; 2 — подставка под образец; 3 — гра­ фитовый нагреватель; 4 — печь; 5 — образец; 6 — термопара; 7 — реометр

циркония также и от воздействия паров образца, окружен танта­ ловыми тепловыми экранами. Вся эта система заключена в корпусе

сводяным охлаждением.

Втрубке из двуокиси циркония с внутренним диаметром 222 мм

достигается температура 2400° С, а в трубке диаметром 350 мм —

2200° С.

При проведении опытов в нейтральной атмосфере при темпе­ ратурах до 2400° С В. Г. Борисовым 1 применена печь ,(рис. 3)

сграфитовыми нагревателями. Температуру в печном простран-

1Борисов В. Г. Взаимодействие кремнезема с карбидом кремния в интер­ вале температур 1870—2670°. Труды всесоюзного института научно-исследова­

тельских и проектных работ огнеупорной промышленности. Вып. 39, Л., 1967,

с. 128.

11

стве замеряли вольфрам-рениевой термопарой и изменяли регули­ ровкой мощности, подводимой к графитовому нагревателю.

В ряде случаев при проведении экспериментов требуется бы­ стрый подъем или снижение температуры. С этой целью скон­ струирована приставка (рис. Ч) к широко распространенной печи ТВВ-4 (трубчатая вакуумная печь с вольфрамовым нагрева-

телем) [139]. Кроме того, револьверное устройство, которым снабжена приставка, позволяет провести за одну загрузку четырешесть экспериментов без затраты времени на разгерметизацию.

Приставка дает возможность производить эксперименты как

ввакууме, так и в регулируемой нейтральной среде. Приставку ставят на место крышки печи ТВВ-4. После за­

грузки контейнеров с образцами и установки приставки на печи вся система вакуумируется (либо наполняется соответствующим газом). Контейнеры с образцами поочередно опускаются через отверстие в реакционную зону. Замер температуры (до 2200° С)

12

оптическим пирометром и наблюдение за образцами, находящи­ мися в печи, производят через смотровое окно.

Обычно печи питаются от сети переменного тока; напряжение на клеммы и величина тока регулируется в зависимости от кон­ струкции печи и толщины проволоки нагревателя. Печи с обмот­ кой нагревателя из нихрома, сплавов хромеля могут нагреваться непосредственно при подключении в электросеть. Печи с платино­ вой обмоткой непосредственно в сеть включать нельзя, так как они для работы при температуре 1500° С рассчитаны на большое сопротивление (в 4—5 раз больше, чем при комнатной темпера­ туре). При включении холодной печи в сеть величина тока пре­ вышает предельное значение для данного сечения проволоки, которая в таком случае перегорает. Для платиновых печей необ­ ходим обязательно пусковой реостат или автотрансформатор. Однако даже если печь можно прямо включить в питающую сеть, то в начале и в конце нагрева отмечается более медленный подъем температуры. Это объясняется тепловой инерцией печи в начале нагрева и большой теплоотдачей при высоких темпера­ турах в конце. Способы регулирования процесса нагревания рассматриваются ниже.

Поскольку в лабораториях нередко приходится изготовлять печи собственными силами, то значительную помощь могут оказать подробные указания по этому вопросу, приводимые в работе [200].

Как уже упоминалось, для получения температур выше 1500° С часто применяют молибденовые и вольфрамовые нагреватели, работающие в неокислительной атмосфере или в вакууме. Работа в среде инертного газа в ряде случаев представляет известные преимущества по сравнению с работой в вакууме: при высоких температурах уменьшается испарение (возгонка) образцов и дета­ лей печи, при давлении в камере выше атмосферного становятся менее опасными внезапные явления проникновения посторонних газов в процессе работы. Применяемые инертные газы необходимо тщательно очищать, но, к сожалению, не существует надежных методов определения количества примесей в очищенных газах. В исследовательской практике требование вакуума иногда является самостоятельным условием — главным образом при создании аппаратуры, обеспечивающей чистоту исследуемых объектов (прежде всего полупроводниковых материалов и метал­ лов). Поэтому рассмотрим несколько подробнее основные особен­ ности конструирования этих печей.

В зависимости от размещения нагревателя по отношению к вакуумному рабочему пространству (здесь и в дальнейшем подразумевается, что исследуемый образец находится в вакуумном пространстве) все печи делят на три типа.

В печах первого типа нагревательный элемент сопротивления расположен вне вакуумной камеры. Тепловая энергия передается путем конвекции в воздухе (или защитном газе) между нагрева­ телем и стенками камеры и затем путем теплопроводности (если

13

образец касается стенок) или излучения между стенками камеры и нагреваемым образцом. Таким образом, стенки камеры должны одновременно обеспечить три условия: 1) газонепроницаемость; 2) механическую прочность; 3) теплопроводность.

Практически нержавеющие и жаростойкие стали могут приме­ няться для изготовления вакуумных камер при получении темпе­ ратур до 900° С. При более высоких температурах стенки камеры перестают удовлетворять первым двум условиям.

Для более высоких температур (1000° С при стационарном режиме; 1100° С при кратковременном нагревании) вакуумную камеру изготовляют из кварца. Такие печи весьма просты, рабо­ тают удовлетворительно, но при условии, что не превышается температура, указанная выше (примеры таких печей многократно рассмотрены в последующих главах).

Ко второму типу печей, дающих значительно большие возмож­ ности с точки зрения величины достигаемых температур, следует отнести печи, в которых нагревательный элемент сопротивления размещен внутри рабочего пространства. В этих условиях при сохранении хорошего вакуума важнейшим фактором, ограничи­ вающим температуру, является упругость паров материала, из которого изготовлен нагревательный элемент.

Наиболее благоприятными жаростойкими материалами для таких нагревательных элементов при продолжительных опытах являются (ввиду их малой упругости паров) молибден (для тем­ ператур менее 1900° С); тантал (для температур менее 2200° С); вольфрам (для температур менее 2800° С); графит (для температур менее 3000° С).

При необходимости работать при температуре свыше 1800° С весьма трудно подобрать огнеупоры с необходимыми свойствами.

Огнеупорами принято называть такие материалы, которые могут выдерживать высокие температуры без быстрого ухудшения свойств, изменения формы или существенной потери в массе. Огнеупорные окислы при высоких температурах и при наличии вакуума в большинстве своем начинают разлагаться, карбиды же становятся проводниками. Кроме того, происходит взаимодей­ ствие образца с тиглем, опорой или другими частями печи, с кото­ рыми соприкасается образец. В этих случаях иногда используют бескаркасный — самонесущий (без контакта с теплоизоляцион­ ными элементами печи) нагревательный элемент простой формы [193], либо опыт проводят в условиях взвешенного состояния образца (металл) в индукторе печи [196].

Необходимо принимать во внимание также следующие сообра­ жения. Поскольку теплопередача происходит часто путем излу­ чения, то необходимо добиваться максимальной передачи энергии нагреваемому объекту и минимальной — в окружающее про­ странство. Для этого применяют экранирование. Высокое качество экранирования обеспечивает также конструктивные преимущества установок с целью уменьшения влияния неблагоприятных явле-

14

ний: нагревания соединений стенок камеры, смотровых окон, токовводов; газовыделения и т. д.

К третьему типу вакуумных печей относятся дуговые, индук­ ционные, бомбардировочные и плазменные. Следует только отме­ тить, что себестоимость энергии в этом случае обычно имеет второ­ степенное значение по сравнению с решаемыми задачами.

Перейдем к краткому рассмотрению печей с третьим способом нагрева образцов.

Известно, что в условиях контактного высокотемпературного нагрева взаимодействие между образцом и контактирующими деталями обусловлено развитием диффузионных процессов и хими­ ческими реакциями, оно вызывает нарушение механического или электрического контакта и, в конечном сч^те, нарушение кон­ струкции. Несмотря на множество проведенных исследований в области температурной совместимости разных материалов, техника выполнения экспериментов обладает рядом недостатков, не позволяющих «обеспечить повторяемость опыта в широком интервале температур и при относительно высокой степени раз­ режения.

Для бесконтактного исследования керамических материалов

рованные стабилизированной двуокисью циркония. Обогрев про­ изводится газовоздушной смесью при умеренных температурах и газокислородной — при высоких температурах обжига. В печи возможен обжиг 22 экспериментальных конусов одновременно, температура измеряется оптическим пирометром.

Печь с газовоздушным отоплением описана в работе [217]. Печь разделена на две половины, в которых системой отдельных

Х75 мм.

Метод электронного пучка позволяет производить нагрев исследуемых образцов в широком интервале температур и исклю­ чает влияние материала нагревателя [207].

Электроннолучевая установка (рис. 5) состоит из вакуумной камеры, вакуумной системы, блока электронной пушки, систем электропитания и водяного охлаждения.

В блоке электронной пушки пучок электронов эмитируется с плоской вольфрамовой спирали, а фокусировка его обеспечи­ вается электромагнитной короткофокусной линзой (соленоидом).

Образцы в виде спрессованных таблеток помещают в молибде­ новый стаканчик и вставляют в углубление медного водоохлаж­ даемого столика. Небольшие размеры образца (диаметр 8 мм, высота 3 мм) практически предотвращают возможный перепад температур по высоте образца. Требуемую температуру нагрева регулируют изменением мощности электронного пучка.

15

В связи с тенденцией теплоэнергетики к повышению рабочих температур особое значение приобретает аппаратура для исследо­ ваний высокотемпературных материалов и процессов, перспектив­ ных с точки зрения новых методов получения и преобразования энергии (ядерные и термоядерные реакторы, МГД-генераторы, полупроводниковые, термоэлектронные и термоионные преобра­ зователи тепла в электричество, газовые турбины и др.).

Внимание исследователей, работающих в области высоких температур, привлекают такие новые средства высокотемператур­ ного обогрева, как «электронные пушки», плазменные горелки,

Рис. 5. Схема установки с использованием электроннолучевого нагрева:

1 — форвакуумный насос ВН-2МГ; 2 — диффузионный насос Н-5С-М1; 3 — форвакуумный насос ВН-461; 4 — диффузионный насос ЦВЛ-100; 5 — высоковольтный изолятор; 6 — электронная пушка; 7 — плоская вольфрамовая спираль; 8 — ускоряющий анод; 9 — трансформатор накала плоской вольфрамовой спирали; 10 — силовой высоковольт­

лазеры, дуговые отражательные печи и др. Среди них достойное место могут занять солнечные высокотемпературные печи, которые обладают рядом преимуществ по сравнению с другими устрой­ ствами. Эти преимущества заключаются в возможности достиже­ ния относительно простыми средствами высоких плотностей энергии и соответствующих температур (до 3000—4000° С) при бесконтактном способе чисто поверхностного подвода энергии к образцу, в чистоте («стерильности») условий обогрева, в воз­ можности применения любых газовых атмосфер и вакуума, в пол­ ном отсутствии электрических и магнитных полей, в возможности обогрева любых оптически непрозрачных материалов независимо от их электрических и магнитных свойств. Многими такими же указанными свойствами обладают и другие рефлекторные печи.

Главный недостаток солнечных печей состоит в необходи­

16

Следует заметить, что рассмотренное деление печей на группы по методам нагрева несколько условно, поскольку имеются печи с комбинированными методами нагрева и т. п. Для решения различных задач сконструированы и применяются многие спе­ циальные печи: сьерхвакуумные печи для работы при температуре до 800° С [95 ] и до 1500° С [40 ]; печь для работы в окислительной среде при температуре до 2100° С [218]; печь для работы в любой газовой атмосфере при температуре до 2300° С [148]; печи с гра­ фитовыми нагревательными элементами до 2800 и 3000° С [226]; печь типа ТВВ для нагрева до 2800° С [199]; печь высокого давле­ ния (140 кгс/см2) для нагрева до 3200° С [8]; лабораторная уста­ новка для горячего прессования [147]; печи с постоянным темпе­ ратурным градиентом вдоль образца [116]; дуговая рефлекторная печь [190],

3. ИЗМЕРЕНИЕ И РЕГУЛИРОВАНИЕ

ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР

Приборы, с помощью которых производят измерение темпера­ туры, называются термометрами. По принципу действия термо­ метры разделяют на несколько основных типов: 1) дилатометриче­ ские, основанные на измерении меняющихся с температурой разме­ ров тел; 2) манометрические, основанные на измерении давления, меняющегося в замкнутом пространстве с изменением темпера­ туры; 3) сопротивления, основанные на измерении величины элек­ трического сопротивления тела, изменяющегося с температурой;

4)термоэлектрические, основанные на измерении термоэлектродви­ жущих сил (этот тип термометров обычно называют термопарами);

5)излучения, основанные на измерении теплового или светового потока накаленного тела.

Использование термометров первых трех типов ограничивается малым верхним пределом температуры. Для измерения и контроля высоких температур наиболее широко используются термопары различных типов, позволяющие измерять температуру контакт­ ным способом, а также регистрировать ее дистанционно.

В СССР наибольшее распространение для измерения темпера­ тур в окислительной среде получили термопары, характеристики которых приведены в табл. 1.

Иногда для предохранения термопары ее помещают в чехол, часто закрытый с одного конца донышком. Такие предохранитель­ ные чехлы термопар в зависимости от свойств среды, в которой производится измерение температуры, изготовляют из материалов, способных противостоять механическим, температурным и кор­ розионным воздействиям.

В последние годы ведутся многочисленные исследования по изысканию новых типов термопар, которые пфвблйГли’бы повысить верхний предел их использования без существенной потери точ­ ности.

Наиболее перспективными термопарами для измерения высо­ ких температур в промышленности в настоящее время являются термопары, электроды которых выполнены из вольфрама, молиб­

дена и сплавов вольфрама с рением.

Вольфрам-молибденовые термопары (ВМ) служат для измере­ ния температур до 2000° С и выше. Они удовлетворительно рабо­ тают в нейтральных газах, вакууме и в восстановительной среде, но совершенно непригодны для измерения температур в окисли­

тельной среде.

При высоких температурах в вольфраме и молибдене происхо­ дят рекристаллизация и охрупчивание. К существенным недо­ статкам ВМ термопар следует отнести также плохую воспроизво­ димость их градуировочных характеристик, особенно при изго­ товлении термоэлектродов из проволоки различных партий и бухт.

Значительно лучшими качествами обладают вольфрам-рение- вые термопары (ВР). Опыт применения термопар из сплавов вольфрама с рением показал, что ими можно измерять темпера­ туру в нейтральной и восстановительной средах, в вакууме, а также в присутствии угольной и керамической пыли. Они могут работать в контакте с титаном, молибденом, твердыми сплавами, графитом, а также в условиях вибрации и больших скоростей. Эти термопары вполне пригодны для проведения измерений в усло­

о зависимости электродвижущей силы в милливольтах от темпе­ ратуры для ВМ термопар и некоторых типов ВР термопар [206].

Таким образом, измерение высоких температур в вакууме, нейтральной и восстановительной атмосферах является решенной проблемой.

18-

В окислительной же среде при температурах выше 1200° С нужно применять благородные металлы: например, платиноро- дий-платинородий (различные проценты содержания) до 1800° С. Пределом их применимости является температура плавления. При более высоких температурах можно применять термопары из иридия и некоторых сплавов. Подробные сведения об этих видах термопар приводятся в работе [2]. С характеристиками этих термопар можно ознакомиться из табл. 3.

В опытах с некоторыми расплавленными солями и газами металл электродов термопары сам вступает в химические реакции с исследуемыми веществами при высоких температурах. В таких случаях разрабатывают полупроводниковые термопары. Отличи­ тельной особенностью полупроводниковых термопар является очень большая чувствительность (выше, чем у металлических термопар). Такие высокотемпературные неметаллические термо-