6.6 Електрически пещи. Част 1
Електрическите пещи се делят на муфелни, тръбни, тигелни, шахтови и криптолови.
Муфелните пещи (фиг. 120, a, b, d) са електрически пещи с хоризонтално разположена нагревателна камера / (муфел), изработена от огнеупорен материал с достатъчна топлопроводимост и устойчивост на температурни промени. Електрически нагревателен елемент 2 е поставен върху външната повърхност на муфела (виж фиг. 120, b) под формата на съпротивление от тел или лента, около която има топлоизолация 4. Контролът на температурата в муфела се извършва с помощта на термодвойка 3. Допустимите температури на нагряване на електрическите муфелни пещи са дадени в таблица. 22 и зависят от електрическото съпротивление на материала. Сред посочените в табл. 22 материала с особена стойност са мегапир, кантал и нихром, чиято устойчивост почти не зависи от температурата.
При прегряване на пещта с последващо охлаждане телта от желязо, хром, никел и алуминиеви сплави се счупва и дори може да се разпадне на прах.
Ориз. 120. Муфелни пещи: обикновени хадеси; схема на устройството (b); закрепване на силикатни пръти (c) и пещ на Stepin (d)
Всички топлоизолационни материали провеждат електричество при високи температури, но постоянният ток причинява тяхното електрохимично разлагане, което води до разрушаване на съпротивлението на проводника. Следователно променливият ток почти винаги се използва за отопление на муфелни пещи. Освен това при температури над 1500 °C химическата активност на керамичните и топлоизолационните материали става толкова значителна, че те започват да реагират помежду си и стават пропускливи за газове.
Обикновено муфелните пещи позволяват температурата да се развива от 250 до 1150 °C с точност на поддържането й ± 20 °C. Време за загряване на муфеладо 1100 °C е приблизително 2 часа.
В допълнение към жичните съпротивления за нагряване на муфела
Използват се пръчки от силит (карборунд, глобар) и пръти на Нернст. Силитът (карборунд, глобар) е маса, синтерована при 1500 ° C в азотна атмосфера, съдържаща SiC карбид и силициев диоксид SiO2. Пръчките на Nernst са синтерована смес, състояща се от ториев диоксид ThO2 (90%) и ди-итриев триоксид Y2O3 (10%). Силитните пръти и пръчките Nernst имат достатъчна механична якост и химическа устойчивост.
Специфичното електрическо съпротивление на силикатния прът е 1 * 10 -7 Ohm cm, а пръчката на Nernst - 5 * 10 -7 Ohm * cm. Пръчките се поставят вътре в муфела в специални вдлъбнатини. Пещите с такива нагреватели могат лесно да бъдат изключени, ако силата на тока не се намали при нагряване на прътите след няколко минути, тъй като тяхното съпротивление пада рязко с повишаване на температурата и остава почти постоянно при по-високи температури. Силитовите пръти стареят с течение на времето и устойчивостта им се увеличава. Освен това не се препоръчва температурата в муфела да се довежда до граничните стойности: пръчките взаимодействат с водни пари, кислород и азот от въздуха, което води до тяхното унищожаване в рамките на 10 часа.
За да не се нагряват твърде много контактите 3 на прътите 1, те се правят удебелени (фиг. 120, c) и се изолират от нагрятата стена на муфела 2 или намаляват съпротивлението на краищата чрез добавяне на различни добавки към масата на краищата при оформяне на прътите. При нагряване от 1200 до 1400 ° C, кухите електрически контакти на прътите са прикрепени към системата за водно охлаждане.
Нернст Валтер Фридрих Херман (1864 – 1941) – немскифизик. Той открива през 1906 г. третия закон на термодинамиката, носител на Нобелова награда.
За високотемпературна обработка на малки количества чисти вещества се използват малки кварцови муфелни пещи на Stepin (виж фиг. 120, d), които позволяват да се създаде инертна или редуцираща атмосфера в отопляемото пространство. Дизайнът на такава пещ е ясен от горната фигура (обозначенията са същите като на фигура 120, b, само муфелът 1 е кварц, а външният корпус е керамичен).
Тръбните пещи представляват керамични или кварцови тръби, отворени в двата края, върху които е навито съпротивление от тел (фиг. 121). Тръбните пещи могат да бъдат хоризонтални, вертикални и наклонени. Има печки, които могат да се въртят и нагласят под желания ъгъл. Малките тръбни пещи са разделени, двулистни. Те са необходими за някаква аналитична работа.
Тръбните пещи с резистивен проводник от мегапир или кантал (вижте таблица 22) са проектирани за температура вътре в работната кухина от 1200 - 1250 °C. Обърнете внимание, че температурата вътре в пещта винаги е с 50 - 100 °C по-ниска от температурата на самата съпротивителна жица.
Колкото по-дълга е тръбата и колкото по-малък е нейният диаметър, толкова повече 30 за равномерно нагряване.
Ориз. 121. Устройството на тръбна пещ (а) и закрепване на нейните констатации (б)
Пещ с широка и къса тръба има значителна температурна разлика между средата и краищата на тръбата.
Мощните тръбни пещи никога не се свързват веднага към мрежата, а първо се въвежда съпротивлението на реостата и температурата на пещта се повишава постепенно, като се стремите да загреете пещта с 400 - 500 o C за поне един час. Същият режим на пускане на пещта в експлоатация се спазва и при електрическите муфелни пещи. След достиганеопределената температура, можете безопасно да премахнете реостата и да доведете пещта до максималната възможна температура за него. При рязко повишаване на температурата поради локално прегряване, керамичната тръба се разрушава.
Изключването на тръбните и муфелни пещи се извършва незабавно чрез отстраняване на реостата и изключване на мрежата, тъй като охлаждането на голяма маса от керамика и топлоизолация протича бавно.
Във всяка химическа лаборатория можете да създадете преносима тръбна пещ за нагряване до 400 - 600 ° C чрез обвиване на нихромова тел 3 (фиг. 121, a, b) с кварцова тръба 4 с желания диаметър. Жицата се навива на 3 - 4 тесни ивици 8 от азбестова хартия, залепени към тръбата по дължина с течно стъкло. В началото и в края на намотката се навиват плътно 3-4 оборота тел, като се фиксира краят му под винт в медна или месингова скоба 7. След навиване върху жицата се навива навлажнен тънък лист азбест на няколко слоя с дебелина 40 - 50 mm или дебел азбестов шнур. Азбестови стърготини или стъклена вата могат да служат като топлоизолатор 6.
В такава тръбна пещ не трябва да се развиват температури над 800 °C, тъй като азбестът, когато се нагрява, образува нискотопими шлаки с нихромова тел, които бързо правят пещта неизползваема.
Ориз. 122. Тигелни пещи: конвенционални (а), високотемпературни (б), за термография (в) и училище (г): 1 - капак; 2.3 - съпротивление на проводника; 4 - топлоизолация; 5, 6. - керамични цилиндри; 7- пръстеновидно пространство; 8 - термодвойка; 9 - метален блок; 10 - устройство за подаване на етанол; 11 - огнеупорна основа; 12 - съдовете на Степанов
Температурата на тръбната пещ се контролира от показанията на термодвойка 5 или съпротивителен термометър, поставен директно в тръбата или под електрическия нагревател, по-близо до центъра на тръбата.Температурата в тръбните пещи не е еднаква по цялата дължина на тръбата, така че обектът, който ще се нагрява, трябва да бъде поставен близо до температурния датчик. Извън тръбната пещ има керамична тръба 2, покрита с железен корпус 1.
Тигелните пещи имат вертикално разположение на керамичен цилиндричен муфел с подвижен керамичен капак, обикновено съставен от две половини за въвеждане на една или две термодвойки (фиг. 122, а). Високотемпературните тигелни пещи са направени каскадно (фиг. 122, b) с два нагревателя - външен 3 и вътрешен 2.
В тигелна пещ със съпротивление на молибденов проводник 2 могат да се развият температури до 1100 - 1500 °C. При по-висока температура-fvpax керамичните огнеупорни материали, от които е изготвена нагревателната камера 5, стават лесно пропускливи за газове и поради това молибденовият проводник бързо изгаря. Молибденовият нагревател се поставя над цилиндъра 5 в пръстена 7, където етанолът се добавя на капки от устройството 10, за да се създаде редуцираща атмосфера.
Етанолът се въвежда в пещта, когато температурата в нея достигне 350 - 400 °C. Потокът на алкохол на капки в пръстена се контролира от кран. Измивайки молибденовата тел (диаметър 0,5 - 1,0 mm), алкохолните пари напускат пещта през тръбата и се запалват. Размерът на пламъка се използва за преценка на потока от алкохолни пари. Разходът на етанол е 100 - 150 ml/h. Едва след като алкохолът започне да гори, включете котлона на пълна мощност. Вътрешният цилиндър 5 ("пламъчна тръба") е направен от алунд Al2O3 и магнезиев оксид служи като топлоизолация 4. Външният нагревател е изработен от нихромова тел.
Тигелната пещ се използва широко в термографията. В този случай в него се спуска метален блок 9 (фиг. 122, c) с две гнезда, в коитопоставят се или тигели, или съдове по Степанов 12 с изпитваното вещество и стандарта (калцинирани оксиди на алуминий или магнезий). Температурата на веществото се контролира с помощта на термодвойка 8. Съдът на Степанов се приготвя от топлоустойчиво стъкло за тегло 3–4 г. Дясното рамо на съда служи за зареждане, създаване на вакуум в него или въвеждане на инертен газ. След тези операции процесът се запоява. Термодвойката се вкарва в левия процесен джоб.
Степанов Николай Иванович (1879 - 1938) - български физикохимик.
Необходим е метален блок за изравняване на температурата около тигелите или съдовете на Степанов. В противен случай неравномерното нагряване ще повлияе на резултатите от изследването. Основното изискване за тигелните пещи, използвани в термографията, е възможността за равномерно повишаване на температурата и контрол на скоростта на нагряване.