Главная 

Статьи 

Книги 

Юмор 

Разное 

О себе 

Обратная связь

Бондаренко Ю.Н.

ЛАБОРАТОРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

*

Изготовление газоразрядных источников света

для лабораторных целей и многое другое

Предисловие  1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Содержание

Глава 10. Печи.

Здесь печью будем называть устройство с полостью, в которую для нагрева помещается некий объект.

Конструированием и изготовлением подобных устройств человек занимается едва ли не всю свою историю. Мы здесь приведём описание и рисунки наиболее ходовых конструкций, применяемых в нашей работе. Кратко упомянём о других конструкциях, данные о которых следует искать в оригинальной литературе.

Наиболее просто печь для отжига мелких стеклянных деталей можно сделать в виде массивного блока с толщиной стенки 10-20 мм из алюминия, железа или латуни с отверстием, выложенным внутри сеткой из нержавейки. Такой блок обеспечивает высокую равномерность температуры по объёму. Скорость его охлаждения регулируется толщиной стенки. Он крепится на подставке посредством термобатареи из толстой проволоки. Термобатарея нихром-константан из нескольких последовательно включенных термопар даёт напряжение вполне достаточное для измерения обычным микроамперметром, установленным на той же подставке. Нагревая блок горелкой или внешним электронагревателем можно использовать его для медленного охлаждения спаев металл-стекло, а крупные блоки из латуни и для отжига мелких деталей.

Гораздо удобнее электрические печи из шамотной или фарфоровой трубки от реостата. На трубку следует намотать нагреватель из нихромовой противолоки подходящего сечения (рис. 23). Поверх обмотки следует обмазать трубку смесью огнеупорной глины с толчёным шамотом и асбестом (в соотношении по объёму 1:1:1). Для температур до 700° можно пользоваться обычной глиной, а выше — только огнеупорной без асбеста. Для предельной температуры нихрома или «киевского сплава» (ОХ 27Ю5А) следует применять для обмазки окись алюминия, не содержащую кремнезёма.

Рис.23

Трубку с обмоткой следует поместить в кожух из алюминия и заполнить свободное пространство подходящим теплоизолятором, способным выдержать рабочую температуру. Теплоизоляцию можно выполнить из асбеста (остерегаться пыли, она канцерогенна) или крошки легковесного кирпича.

Брауэр советует для печей с температурой до 700° удельную мощность 2,1 вт/см² поверхности муфеля. Питать печь лучше напряжением около семидесяти вольт от универсального трансформатора, в первичную обмотку которого включен ЛАТР.

Для температур до 1500° для теплоизоляции можно применять чистый наждачный порошок. Окись циркония тоже пригодна, но она слишком хорошо проводит тепло.

Для не очень больших печей с высокой температурой можно применять дорогую, но плохо проводящую тепло окись церия. Особенно хороша она для изоляции микропечей с нагревом ТВЧ. Они делаются следующим образом: Нагреватель в виде трубки из силита, дисилицида молибдена или хромита лантана помещается в корпус из кварца, где центрируется шайбами из окиси циркония и засыпается прокаленной окисью церия. Нагревая такую втулку с помощью одетого снаружи индуктора, можно получить температуру до 1400° или 1700° (для хромита лантана).

Подобная печка может служить мощным источником инфракрасного излучения, работающим безо всяких окон, с не искажённым поглощением «чернотельным» спектром.

Печи, предназначенные для отжига стекла, следует обязательно устанавливать вертикально, для получения симметричного температурного поля.

Печи подового типа следует также, по возможности, устанавливать вертикально, а в крупных печах дополнительно устанавливать крыльчатку для перемешивания воздуха с целью усреднения температуры.

Предназначенные к отжигу детали полезно заворачивать в несколько слоёв алюминиевой фольги. Иногда удобно их, особенно длинные «свечи», уложить в прямоугольный железный тигель, перекладывая алюминиевой фольгой. Фольга свободно выдерживает многократный нагрев до температуры 640 градусов.

Более полные описания печей есть у Брауэра, Стронга и Агеннера.

качестве небольших печей для не очень высоких температур (до пятисот градусов) можно применять остеклованные резисторы.

Водородную (или другую контролируемую) атмосферу в печи можно создавать, подавая газ в муфель из металла, кварца, алунда, но не из пористого шамота.

Печи для высоких температур приходится делать с нагревателями из окисляющихся на воздухе металлов — вольфрама, молибдена, тантала. На воздухе они быстро сгорают и для их защиты применяют инертные к данному металлу газы — водород, аргон, азот с водородом для вольфрама и молибдена или вакуум. Тантал и ниобий не могут работать в водородной и азотной атмосфере. Для их защиты следует применять аргон или вакуум. Очень чистый водород в небольших количествах можно получить, разлагая термически гидрид титана.

Водород очень хорошо проводит тепло и взрывоопасен. Для устранения этих недостатков к нему лучше добавлять до 90% аргона. Во всех случаях нужно стараться, чтобы в защитном газе не было заметных примесей воды и кислорода. Следует применять сушку силикагелем или, лучше, алюмогелем, который можно регенерировать при более высокой температуре (около 500°). Печь следует греть постепенно, для полного удаления выделяющейся из конструкции сорбированной воды.

При работе в вакууме следует поддерживать достаточно низкое давление, так как газ при давлениях выше сотых долей миллиметра ртутного столба резко усиливает теплоотдачу за счёт теплопроводности, которая мало зависит от его давления.

Восстанавливать небольшое количество оксидов металлов, например, покрывая железный полый катод изнутри кобальтом или никелем очень удобно в нагреваемой извне кварцевой трубке.

Трубку устанавливаем с небольшим наклоном для стока образующейся при восстановлении оксида воды и в верхнюю часть её подаём водород (один пузырёк в секунду).

Несколько катодов с намазанным изнутри оксидом помещаем на расстоянии нескольких сантиметров от открытого конца трубки и последовательно нагреваем их сквозь кварц горелкой на гремучем газе один за другим (рис. 24). Нагрев следует вести по току водорода. Температура должна составлять около тысячи градусов. Восстановление металла происходит за несколько десятков секунд. Такая «печь» очень удобна и для пайки в водороде мелких деталей медью или другими подходящими твёрдыми припоями, но кварц быстро приходит в негодность.

Рис.24

Имеется ещё много конструкций печей различного типа и принципа действия. Мы их перечислим: печь с насыпным нагревателем из крупки графита или карбида кремния. Печи типа «горна», в которых нагрев тигля, помещённого в насыпку из негорючего вещества (например, окиси магния или кальция), производится продуваемым сквозь неё пламенем, силитовые печи с стержневыми нагревателями из карбида кремния — рабочая температура до 1400^° и дисилицида молибдена (до 1600^°), печи с нагревом пучком электронов (разновидность — печи с полым катодом), зеркальные печи с нагревом световым пучком (лазером, солнечным светом, ксеноновой лампой). Печи, в которых нагреватель работает в инертной атмосфере, могут быть самой разнообразной конструкции и размеров. Их конструируют исходя из конкретной задачи. Расчёт можно делать приблизительно и корректировать в следующей конструкции. Полезные сведения по этой теме можно найти в первом томе шеститомника Брауэра.

Ожидает испытания идея автора о безмуфельной печи для нагрева до температуры около тысячи градусов, в которой нагреватель из толстой проволоки в виде короткой спирали с установленным внутри тиглем засыпается подходящим теплоизолятором (песок, корунд, тугоплавкие окислы). Засыпка играет роль поддержки горячей проволоки, электро и теплоизолятора и, к тому же, легко заменяется при загрязнении. Продувка засыпки водородом позволит применять в качестве нагревателя дешёвую железную проволоку. Температура плавления железа не намного ниже, чем у платины, а отсутствие кислорода уравнивают их по химической стойкости.

Быстрый нагрев, например, плавка металлов до 1000° можно осуществить на ленте из нержавеющей стали или нихрома, в которой выбита выемка в виде корытца. Концы ленты толщиной около миллиметра, шириной 25 мм и длинной около ста миллиметров зажаты в толстых, охлаждаемых токовводах. Для нагрева такой ленты нужна мощность около полутора киловатт при напряжении до трёх вольт. (Приведенные данные — ориентировочные). Само собой разумеется, что эту ленту можно свернуть в трубку и т.п. Печи такой конструкции широко применяют для испарения различных материалов в вакууме.