Измерение температуры металла в печи
Обновлено: 19.05.2024
Высокие температуры (от 400–500 °С) в промышленности чаще всего измеряют термоэлектрическими преобразователями – термопарами. Но случается, что при установке и эксплуатации таких датчиков не соблюдаются рекомендации производителей. Термопары быстро выходят из строя, перестают соответствовать заявленным метрологическим характеристикам. В данной статье приведены результаты моделирования и эксперимента, проведенных на термопреобразователях, выпускаемых компанией ОВЕН. Сравнивались различные варианты установки датчика на печь при нескольких значениях измеряемых температур, в результате чего выработаны рекомендации для долгой бесперебойной эксплуатации термопар.
Общая информация о термопарах
Термопара – один из наиболее распространенных датчиков температуры, применяемых в промышленности. В общем случае датчик представляет собой две проволоки из разнородных металлов, спаянных с обоих концов. Один спай – «горячий» – погружается в среду с измеряемой температурой, другой – «холодный» – находится при постоянной температуре (обычно 0 ˚С). В этом замкнутом контуре возникнет термоэлектродвижущая сила (ТЭДС), и она будет зависеть только от разницы температур спаев. Встроив в этот контур милливольтметр, можно измерять термоЭДС, которая в данном случае будет зависеть только от изменения температуры «горячего» спая, так как «холодный» спай находится в изотермических условиях. Сразу оговоримся, что приведенная выше схема – это общее определение термопары, и так трудоемко измеряли ее ТЭДС только исследователи. Сейчас все гораздо проще: «холодный» спай нет необходимости поддерживать при постоянной температуре, поправку делает вторичный прибор – измеритель или контроллер, который также выполняет роль милливольтметра.
Термопара, помещенная внутрь защитной арматуры, снабженная головкой для подключения удлинительного кабеля или кабельным выводом, имеет право называться термоэлектрическим преобразователем (рис. 1), но в обиходе для краткости такие датчики все равно называют термопарами.
Рис. 1. Термоэлектрический преобразователь
Современные производители предлагают широчайший ассортимент термоэлектрических преобразователей практически под любую задачу. Различные материалы чехлов – стали, сплавы, керамика, полимеры – защищают термоэлектроды от агрессивных и высокотемпературных сред. Различные выходные сигналы – нативный (мВ), аналоговые (0(4)…20 мА, 0. 10 В), цифровые (HART, RS‑485, Foundation Fieldbus и др.) – позволяют встраивать эти датчики в любые системы автоматизации.
Огромный выбор модификаций датчиков температуры зачастую вынуждает обращаться за дополнительными консультациями к техническим специалистам компании-производителя: нужно учесть все «подводные камни» применения датчика, специфику его монтажа, подобрать дополнительное оборудование и т. п. Ошибка в подборе первичных преобразователей может дорого обойтись. Бывают случаи, когда из-за неверного подбора датчика идет в брак вся термообрабатываемая продукция. Например, долго не прослужат термопары типа ХА (хромель-алюмель) при установке на печь, в атмосфере которой содержится 2–3 % кислорода: селективное окисление хрома в хромеле приведет к уменьшению его ТЭДС и коррозии термоэлектрода («зеленая гниль»). При использовании термопар ХА, ХК (хромель-копель), НН (нихросил-нисил) в восстановительной атмосфере (где присутствуют, в частности, монооксид углерода СО или водород Н2) необходимо надежно защитить термоэлектроды от негативного воздействия среды. Например, можно выбрать термопреобразователи на основе КТМС (кабель термопарный с минеральной изоляцией в стальной оболочке).
Датчики с кабельным выводом на основе КТМС – одни из самых простых по конструкции. Но в подборе и эксплуатации таких датчиков также имеются тонкости, которые необходимо учитывать. Об этом – в сегодняшней статье.
В качестве примера рассмотрим термопару на основе КТМС с кабельным выводом ОВЕН ДТПХхх4. Чаще всего такие модели термопреобразователей (рис. 2, 3) устанавливаются на печи различных производств – от обжига кирпича до металлургии. С их помощью измеряют температуры садки, атмосферы печи, уходящих газов в дымовом тракте.
Рис. 2. Общий вид датчика температуры с кабельным выводом на основе КТМС ОВЕН ДТПХхх4
Рис. 3. Конструктивное исполнение ОВЕН ДТПХхх4
Монтажная (погружная) часть L представляет собой гибкий КТМС, внутри которого в заглушенном конце расположен «горячий» спай. КТМС может быть различного диаметра D: от 1,5 до 4,5 мм. Выбор диаметра зависит от размера монтажного отверстия, необходимости изгиба, уровня измеряемых температур. Кабельный вывод l такого датчика обычно изготавливается из термопарного кабеля в силиконовой оболочке, который служит для подключения термопары ко вторичному прибору и обычно находится снаружи объекта измерения при относительно невысокой температуре (до 200 °C).
Номинально-статические характеристики (НСХ) таких датчиков по ГОСТ 8.585 – ТХА (К), ТХК (L), ТЖК (J), ТНН (N). Наиболее высокую температуру можно измерять термопарами с НСХ типов К и N – 900…1250 °C. Последняя температура измерения справедлива только для типа N. Также в конструктиве такого датчика присутствует тонкостенная металлическая трубка диаметром 6 мм и длиной 50 мм – так называемая переходная втулка (рис. 3). Внутри нее находится соединение выводов термоэлектродов КТМС с термоэлектродами термопарного силиконового кабеля.
При монтаже на объект измерения (например, печь) допускается погружать термопару на всю длину монтажной части L, но при условии, что при эксплуатации датчика температура на переходной втулке не должна превышать 200 °C. Если это условие будет нарушено, то силиконовая изоляция начнет деформироваться и оплавляться, оголяя термоэлектроды и разрушая соединение «КТМС – кабельный вывод». При подборе и монтаже датчика обязательно нужно учитывать это условие. Иногда просчет в определении температуры на переходной втулке влечет за собой выход из строя десятков дорогостоящих датчиков, остановы печей и миллионные убытки. Трудность в том, что на температуру переходной втулки влияет несколько условий: максимальная температура в печи, толщина стенки печи, материал футеровки печи, температура окружающего печь воздуха, тип монтажа датчика (горизонтальный или вертикальный) и самое важное – расстояние от внешней поверхности печи до переходной втулки.
Моделирование нагрева
Инженерами компании ОВЕН были смоделированы максимально жесткие условия по температуре эксплуатации такой модели датчика: температура в рабочем пространстве печи 1250 °C, в печь погружена термопара типа N с диаметром монтажной части 3 мм, материал оболочки КТМС – Nicrobell. Монтаж вертикальный, в отверстие в своде печи.
Материал свода печи – шамотно-волокнистые плиты ШВП‑350. Снаружи они покрыты металлическим тонкостенным кожухом. Температура окружающей среды 60 °C. Симуляция проводилась в программно-техническом комплексе Solid Works, который позволяет проводить тепловые расчеты и строить модели нагрева твердых тел.
В табл. 1 представлены два варианта моделирования условий эксплуатации датчика:
- модель № 1 – переходная втулка расположена вплотную к внешней поверхности печи (кожуху);
- модель № 2 – переходная втулка расположена на расстоянии S = 30 мм от внешней поверхности печи (кожуха).
Таблица 1. Два варианта моделирования условий эксплуатации датчика
На рис. 4а представлен температурный градиент по длине датчика при полном погружении в печь. Таким образом, при данных условиях эксплуатации втулка нагреется практически до 300 °C, что недопустимо.
На рис. 4б видно, как меняется температура монтажной части датчика по мере удаления от раскаленного рабочего пространства печи в случае большей толщины футеровки и удаления втулки всего лишь на 30 мм от стенки; на самой втулке температура практически 100 °C, что вполне допустимо. При таких условиях эксплуатации термопреобразователь прослужит годы.
Рис. 4. Варианты моделирования условий эксплуатации датчика: а – модель № 1. Распределение температур по длине датчика, датчик полностью погружен в печь; б – модель № 2. Распределение температур по длине датчика, втулка отодвинута от стенки печи на расстояние S отступа = 30 мм (увеличить изображение)
Эксперимент на реальной печи
Затем инженеры ОВЕН провели эксперимент на реальной печи при наиболее распространенных температурах термообработки: 700, 900 и 1000 °C. Объект измерения – трубчатая печь МТП‑2 М‑50-500. Маркировка испытываемой термопары – ДТПК444-09.200/3,0С.1, диаметр монтажной части 4,5 мм, длина L – 200 мм. Общий вид стенда для проведения эксперимента приведен на рис. 5.
Рис. 5. Стенд для эксперимента: общий вид
Условия эксперимента: изначально термопара ДТПК444 полностью до переходной втулки была погружена в предварительно разогретую печь, монтаж – горизонтальный. Температура переходной втулки измерялась с помощью малогабаритной термопары ДТПL011, спай которой был прижат к втулке и закреплен кремнеземной нитью (рис. 6а). Оба датчика были подключены к двухканальному измерителю ОВЕН ТРМ202.
Рис. 6. Этапы эксперимента: а – термопара ДТПК444 полностью («до упора») погружена в печь; б – втулка термопары ДТПК444 отодвинута от стенки печи на 10 мм
Затем в ходе эксперимента глубина погружения в печь данного датчика была уменьшена на 10 мм, то есть переходная втулка была отодвинута от стенки печи на это расстояние (рис. 6б). Каждые 10 минут температура в печи и температура втулки фиксировались. Результаты эксперимента приведены на графике (рис. 7).
Рис. 7. График изменения температур в печи и на переходной втулке
Всего было произведено 18 измерений: первые 8 – при температуре в печи 700 ± 10 °C, втулка придвинута вплотную к стенке печи. Температура втулки практически стабилизировалась на уровне 120 °C.
Следующие три измерения (№№ 9, 10 и 11) температура в печи составляла 900 °C, температура втулки при этом повысилась до 180 °C.
Затем, с измерения № 12 по № 18, печь была разогрета до 1000 °C, но до измерения № 15 втулка была также придвинута вплотную. На графике ясно видно, что температура переходной втулки при таких температурах и монтаже достигла 195 °C, практически критической температуры, выше которой наступит разрушение силиконовой изоляции.
Но если немного уменьшить глубину погружения датчика, отодвинув переходную втулку всего лишь на 10 мм от стенки, при той же температуре рабочего пространства печи в 1000 °C температура на втулке опустится до приемлемых 150 °C. Это можно заметить на графике (измерения №№ 16, 17 и 18).
Выводы и рекомендации
Моделирование и эксперимент, показывающие характер нагрева термоэлектрических преобразователей ДТПХхх4 на основе КТМС, проводились с целью установить зависимость температуры конструктивного элемента, переходной втулки, температура которой при эксплуатации датчика не должна превышать 200 °C, от температуры в печи и расстояния между втулкой и наружной поверхностью печи. Нагрев втулки выше 200 °C недопустим по причине разрушения изоляции (чаще всего силиконовой) термопарного провода, обжатого внутри втулки и служащего для подключения термопар данной конструкции ко вторичным приборам.
По результатам и моделирования, и эксперимента можно сделать несколько важных выводов для практической термометрии:
- при измерении температуры более 1000 °C стационарно установленными на объекте датчиками не рекомендуется придвигать вплотную к стенкам агрегата их коммутационные элементы (переходные втулки, коммутационные головки) во избежание перегрева и выхода их из строя;
- при выборе термопреобразователя необходимо предусматривать «запас» по длине монтажной части датчика;
«запас» длины монтажной части может быть совсем небольшим, в общем случае – 10…20 мм. Этого расстояния S отступа будет достаточно, чтобы избежать перегрева коммутационного элемента.
Как измерить температуру в муфельной печи?
Муфельные печи — нагревательные установки, предназначаемые для плавки металлов, обжигов керамики и проведения лабораторных исследований. Это самые надежные и доступные по цене печные установки. Их можно использовать не только для обработки изделий в больших объемах, но и в мелких частных компаниях для обработки изделий в небольшом количестве. Также муфельные печи пользуются спросом у тех, для кого работа с керамикой это любимое дело приносящее только удовольствие.
Температура является основным фактором, определяющим, какая печь вам подходит. В первую очередь следует определиться, с какими материалами вы будете работать, требуют он высоких, средних или низких температурных обработок.
К материалам требующих невысоких температур обжига относятся глиняная посуда и стекло, керамогранит может быть предназначен как для печей среднего, так и для высокотемпературного обжига, а фарфор требует самых высоких температурных уровней. Кроме того, важно купить печь, которая превышает максимальную температуру, необходимую для вашей работы. Со временем мощность печи уменьшается, а это означает, что ее способность выдерживать высокую температуру также падает, что нужно учесть на будущее.
Кем бы ни был владелец муфельной печи: профессионал с огромным стажем или новичком в этом деле, у него рано или поздно возникнет проблема точного измерения температуры в муфельной печи. Несмотря на огромный ассортимент различных измерительных приборов, зачастую с его помощью можно определить только, какую максимальную температурную нагрузку способен выдержать тот или иной обрабатываемый материал, а не температуру самой печи. Вот сегодня мы и поговорим о приборах и способах измерения температуры в муфельной печи.
1. Определение накала температуры по цвету черепка
Это самый финансово не затратный способ, но не самый простой. Температуру при данной методике определяют по изменению цвета керамики в печи. Профессионалам сделать это не сложно. На основе богатого опыта керамист сразу определит, до какой степени накалилось изделие, увидев наличие определенного цвета и характерного оттенка. А вот новичкам придется проявить внимательность. Соответствие цвета керамики конкретному температурному диапазону печи вы можете увидеть на примере ниже.
2. Пирометрические конусы (пироскопы)
Пирометрический конус представляет собой керамическую пирамиду небольшого размера. Под воздействием высоких температур пирамидка меняет свои физические характеристики: становится мягкой и бесформенной. Использовать придется несколько конусов, которые рассчитаны на разную температурную нагрузку. Каждый из конусов имеет свой номерок и разрушается при разных термических воздействиях.
Пирамиды выкладывают на специальные подложки, которые не так податливы к плавлению, как керамика. В основном подложки изготавливаются из шамота. Пирамидки устанавливают на глубину не более 4 мм.
Для получения максимально точных данных в печь одновременно выкладывают три разные виды пирамид. Порядок расположения конусов такой: с одной стороны выставляется конус, рассчитанный на воздействие максимально высоких температур, посредине — рассчитанный на рабочую температуру муфельной печи, и третья пирамида, рассчитанная на низкий температурный показатель. Верхушка пирамидки, для которой установленная температура печи оказалась рабочей, в процессе деформации будет наклоняться и достигнет поверхности подложки. Пирамида, для которой температура окажется критической (это та, которая рассчитана на низкий порог термического воздействия) расплавится и полностью «ляжет» на подложку. Третий конус, который способен выдерживать сверхнагрузки может слегка наклониться. Наблюдать за пирамидами можно через специальное смотровое окошко. Когда рабочий конус коснулся подложки, разогрев печи прекращают.
Пирометрические конусы самые применяемые элементы в определение температуры муфельной печи. Но отнести их к высокоточным методам вычисления температуры нельзя. Такой способ более подходит для вычисления, сколько тепла способен поглотить конкретный тип пироскопа.
Печь разогрета до 1010 °С. Пирамидка №105 не меняет своего положения совсем, но при повышении температуры до 1060°С и, выдержав пирамидку под таким воздействием, короткий промежуток времени ее верхушка начинает расплавляться и «ложиться» на подложку. Температурные характеристики пироскопов близки к термическим свойствам керамики. Из-за этого многие керамисты используют именно этот способ.
3. Температурные кольца
Температурные кольца PTCR являются относительно новым методом применения пироскопов. С их помощью также можно определять количество поглощаемого керамикой тепла. Данный вариант является более точным, чем предыдущий. При повышении температуры кольца уменьшаются в размере, и использование микрометра для определения размеров кольца после обжига даст возможность перевести полученную величину в температурный эквивалент. Точное соответствие диаметров колец и температур PTCR STH и LTH представлены в таблице ниже.
К сожалению, данный метод нецелесообразен, если нужно вычислить температуры непосредственно в процессе работы муфельной печи. Кольца сокращаются в диаметре медленно и что-то понять невооруженным взглядом очень сложно.
4. Пирометр
Благодаря данному устройству замерить температуру в печной установке можно на расстоянии. Направив измерительный прибор на печь через несколько секунд на экране пирометра можно увидеть нужный показатель. Такие устройства довольно дорогие, поэтому используют их в основном на крупных предприятиях.
5. Термопара
Термопару для замера температуры в печи используют довольно давно. При этом и зарекомендовала она себя как надежное измерительное устройство. По сути это два проводка состоящих из разных сплавов, которые соединены между собой с помощью сварки.
Во время замера температуры на концах проводков вырабатывается ток, и чем большей будет температура печи, тем больше мы получим милливольт на выходе. Используя специальные приборы можно с легкостью переводить милливольты в температурный показатель.
Существует огромное количество типов термопар, которые состоят из различных сплавов. Для муфельной печи предназначается термопара типа К. Состоит она из сплава хромель-алюмель и рассчитана на температуру вплоть до 1300 °С. Для работы в высокотемпературной среде рекомендовано использовать термопару с толстой проволокой.
Измерять температуру внутри печи термопарой можно при помощи различных приспособлений. Некоторые из них мы опишем далее.
Мультиметр — доступное устройство измерения в его конструкции сразу продумана функция определения температуры термопарой типа К. В основном этот тип преобразователя сразу продается в наборе с мультиметром. Недостатком является только то, что предложенная в данном варианте ТХА тоненькая и при высоких температурах быстро выходит из строя.
Еще можно использовать термопары типа S в основе которых находятся сплавы платинородия-платины. Они дороже сплавов термопары типа К, но лучше выдерживают высокие температуры, т. к. рассчитаны на 1600 °С и прослужат дольше. По стандарту такая термопара поставляется уже в защитном кожухе.
Термический преобразователь ТПП как и термопару К подсоединяют к электронному преобразовательному устройству. Таким образом, удается легко определить температуру в печи и регулировать ее с помощью пользовательской программы.
Преобразователь ТХА еще один тип измерителя соединяющегося с контролером. Здесь важно, чтобы длина проводков была достаточной. Если изначально проводки короткие, то можно использовать специальные термокомпенсационные провода. При этом важно понимать, что материал удлиняющего провода должен состоять из тех же сплавов, что и материал самого преобразователя. Но, диаметр его должен быть меньшим.
Подключив термопару к контроллеру и подключив их к питанию, вы сразу сможете узнать температуру в муфельной печи. Чтобы еще облегчить работу по обжигу используйте элементы управления и в автоматическом режиме управляйте этим процессом.
На сайте «Технонагрев» вы сможете подобрать самый подходящий вариант термопары и удлиняющие провода. При необходимости обратитесь за консультацией к нашим менеджерам.
Работая с муфельной печью, не забывайте о средствах защиты. Даже когда печь имеет более чем достаточную изоляцию, ее внешняя поверхность может стать достаточно горячей, чтобы серьезно обжечь кого-либо, если прикоснуться к ней незащищенной кожей. Поэтому используйте следующие средства индивидуальной защиты:
Рукавицы или перчатки для печи: их следует носить при работе с любой частью печи (кроме панели управления) во время ее обжига или охлаждения. Даже после отключения питания печь останется горячей в течение нескольких часов. Не открывайте и не трогайте ее до полного охлаждения.
Темные очки. Для наблюдения за отверстиями в печи рекомендуется использовать специальные защитные очки. Они защищают ваши глаза от лучистого тепла. Обычные солнцезащитные очки не подходят для этой цели и могут даже навредить, т.к. не рассчитаны на высокие температуры. Защитные очки могут также позволить вам видеть ваши конусы, если вы их используете, более четко.
Измерение температур при ковке и термической обработке
Точность измерения температур печи и нагреваемого инструмента зависит как от качества применяемых приборов и обращения с ними, так и от правильной установки их d печи.
Для замера температур при ковке применяют: при нагреве в печи в зоне температур до 1000° термопары, а в зоне высоких температур (в сварочной камере) и в процессе ковки — переносные оптические пирометры. Замер температур с учетом поправки в показаниях пирометра производят: 1) при выдаче слитков и заготовок из сварочной камеры печи — по цвету стенки печи, 2) в начале ковки и в конце ковки — по цвету металла. Результаты измерений записывают в журнале контроля температур ковки.
При наварке резцов в очковой печи производят систематическое измерение температур в сварочной камере оптическим пирометром три-четыре раза в смену.
При нагреве для закалки быстрорежущей стали в пламенной печи замер температур производят оптическим пирометром систематически, причем один-два раза в смену показания пирометра проверяют по термопаре. Во избежание быстрого выхода термопары из строя при высоком нагреве в печи (1240—1300°) ее не следует держать в сварочном пространстве более 5 мин. при каждом замере, ограничиваясь быстрой проверкой показаний пирометра.
При нагреве для закалки быстрорежущей стали в соляной ванне измеряют температуры радиационным пирометром (ардометром). Необходимо учитывать, что ардометр указывает температуру зеркала ванны. Поэтому надо обеспечить сдувание паров соли с зеркала ванны, искажающих показания прибора, и помещать инструмент для нагрева на определенном уровне ванны, примерно не ниже 10—20 мм от поверхности. Показания ардометра систематически проверяют по термопаре в таком же порядке, как при нагреве в пламенной печи.
В остальных случаях нагрева замер температур производят термопарами.
При выборе типа термопар можно руководствоваться указаниями табл. 76.
Для того чтобы показания термопары не искажались в результате излишнего нагрева холодного спая, термопары должны иметь компенсационные провода.
Показания термопар и пирометров, установленных в цехе, не реже одного-двух раз в неделю проверяют по показаниям контрольной термопары, хранящейся в лаборатории завода. Результаты проверки устанавливают отклонение показаний стрелки гальванометра на шкале от фактической температуры и приводятся в специальной справке, подписываемой лабораторией завода и хранящейся вместе с гальванометром. В справке указывают дату проверки прибора и величину отклонения стрелки гальванометра.
Для того чтобы замер температур по контрольно-измерительным приборам позволял максимально близко определять действительную температуру нагрева изделий, необходимо учитывать перепад между температурой печи и фактической температурой изделия.
Температуры, указываемые в литературе и в технологических инструкциях для ковки и термической обработки, обычно предусматривают фактическую температуру, которая должна быть достигнута в нагреваемом металле. Между тем в большинстве случаев оптические пирометры и термопары показывают температуру окружающей среды, меняющуюся в зависимости от места их установки.
Минимальный перепад между температурами нагревающей среды и изделия имеет место при нагреве в свинцовой, соляных и масляных ваннах. Практически при термической обработке инструмента в цеховых условиях значениями этого перепада можно пренебрегать и считать, что температура ванны и температура нагреваемого инструмента равнозначны, если инструмент помещается в ванне на том же уровне, как и горячий спай термопары, а выдержка достаточна для прогрева.
Наибольший перепад температур имеет место при нагреве в пламенных, а также в некоторых электрических печах. Абсолютные значения этого перепада могут достигать 50—60°, например, при нагреве инструмента в закрытых ящиках. Поэтому величину перепада температур надо определять экспериментально для каждой конкретной печи, работающей в цехе, и стремиться к тому, чтобы значения перепада в каждой печи были максимально постоянными, приближались к действительной температуре загруженного в печь инструмента, а нагрев инструмента был равномерным. Для этой цели необходимо:
1. Установить постоянное место горячего спая термопары по отношению к нагреваемому инструменту; как общее правило, следует помещать термопару над нагреваемым инструментом примерно не выше 40—50 мм; в этом случае термопару надо устанавливать каждый раз после загрузки очередной партии инструмента и вынимать ее из печи перед выгрузкой инструмента.
При нагреве одновременно нескольких крупных изделий, например, больших штоков, рационально устанавливать термопару в зазоре между уложенными в печи штоками, а при нагреве молотовых штампов — между блоками, примерно на половине их высоты.
2) В методических печах надо устанавливать не менее двух термопар.
3. Инструмент или ящики с инструментом не следует размещать непосредственно на подине печи, а необходимо устанавливать на металлических брусьях (высотой 70—100 мм).
4. Если нагрев производят в ящиках, то следует применять узкие или плоские ящики, что не только сокращает продолжительность прогрева, но и обеспечивает более равномерный нагрев инструмента в разных местах ящика.
Определение абсолютной величины перепада температур в данной печи производится замером показаний термопары: а) в месте, избранном для постоянной установки ее в печи, б) путем установки горячего спая непосредственно между загруженными в печь инструментами или в середине ящика. Перепад температур определяется для двух режимов нагрева, например, применяемого при цементации (—900°) и применяемого при отпуске (~ 500°). Поправку к показаниям постоянной термопары, регистрирующей температуру печи, а не нагреваемого инструмента, надо устанавливать для каждой печи и указывать ее в технологической карте.
Перепад температур в кузнечной печи определяют сравнением показаний оптического пирометра, полученных по цвету стенки печи, и термопары, устанавливаемой между нагреваемыми заготовками.
При выполнении длительных термических обработок, например, цементации, закалки и отпуска крупных штампов, газового или твердого цианирования и т. п., необходимо записывать в контрольном журнале результаты измерения температур через каждые 15 мин. Контрольный журнал надо вести отдельно для каждой печи.
Теплотехнический контроль сушил и печей
Теплотехнический контроль сушил и печей заключается: в контроле температур, тяги, состава дымовых газов, влажности воздуха, скорости обмена воздуха.
До 360°С температура измеряется ртутными термометрами. В сушилах термометры устанавливаются в боровах, подающих дымовые газы и воздух, в камерах вверху и внизу в нескольких пунктах по длине и в боровках, отсасывающих отработавший воздух. В печах термометрами контролируют температуру отходящих дымовых газов в борове и температуру камер на парах.
Контроль более высоких температур в печи осуществляется по цвету накаленного тела «на-глаз», с помощью пироскопов и пирометров. Пироскопы (конуса Зегера) изображены на рис. 148. Пироскоп, расплавляющийся и упавший своей вершиной на подставку, показывает наивысшую достигнутую температуру в печи (в данном случае № 94); температура измеряется один раз. Все пироскопы нумерованы; номера их по нашему стандарту соответствуют их температурам плавления без нуля.
Для контроля температуры в печи помещают три конуса, вставленных в плитку из огнеупорной глины с шамотом. Конуса не должны засыпаться золой, в противном случае показания их будут неточными. Поэтому плитку с ними вставляют в муфелек размером 15*15*10 см из огнеупорной шамотной массы. Средний конус подбирают так, чтобы он плавился при температуре обжига сырца-кирпича или черепицы. Первый конус должен плавиться на 2,0—40° ниже температуры среднего конуса, а третий при температуре на 20° выше среднего. Обжигая сырец при 970—980°, ставят конуса — 94, 96, 100. Когда первый конус (94), плавясь при температуре 940°, пригинается вершиной к подставке это, является сигналом о скором наступлении требуемой температуры обжига. Третий конус (100), плавясь, при температуре 1000°, высшей, нежели температура обжига 960°, не должен плавиться и падать. Когда средний конус (96) сгибается, это говорит о том, что обжиг идет при требуемой температуре — 960°, и взварщик прекращает засыпку топлива в трубочки по соседству с наблюдаемыми конусами.
Для установки конусов и наблюдения за ними в садке выкладывают сплошные каналы поперек печи или ходков. Топливо не должно засыпать эти каналы. Напротив каналов в ходках оставляют смотровые отверстия — «глазки», заделанные слюдой (стекло трескается). Иногда такое отверстие устраивают в стенке печи. Через глазки наблюдают за состоянием конусов. Конуса можно ставить в специально выложенных колодцах (по всей высоте садки). В этом случае для наблюдения за конусами устраивают отверстие в самом своде печи.
Иногда между трубочками с песочными затворами вставляют в свод печи несколько фасонных кирпичей. В момент наблюдения крышки трубочек заменяются стеклянными или из слюды. Чтобы рассмотреть конуса сбоку в общей раскаленной массе кирпича, нужно за ними оставить не менее 250 мм свободного пространства.
Для контроля температур применяются еще пирометры.
В противоположность конусам пирометрами можно измерять температуру многократно.
Пирометры делятся на две группы:
б) пирометры оптические.
Работа термопар основана на том, что в спае двух металлов возникает при нагревании электрический ток и тем большего напряжения, чем выше температура нагревания. Для разных пределов температур берутся спаи разных металлов. Схема термопары показана на рис. 149, где А — спай двух проволок различных металлов, В — гальванометр, измеряющий величину напряжения.
Термопара может быть сделана самопишущей, регистрирующей температуру непрерывно. Применяют ее для контроля работы засыпщиков топлива (взварщиков).
О температуре можно судить еще по цвету накаленного тела. Так определяют температуры свыше 450° невооруженным глазом. При навыке ошибка в определении составляет около 20°.
Сравнивая силу света, идущую от накаленного тела с каким-либо световым стандартом, также можно сделать вывод о температуре данного тела. Обычно сравнение делают с накаленной нитью электролампы. Подгоняя накал лампы к накалу изучаемого тела, определяют его температуру. Косвенно накал лампы определяется напряжением тока, подаваемого лампой, т. е. гальванометром. Прибор, основанный на этом принципе, называется оптическим пирометром. Схема его приведена на рис. 150.
Существуют еще приборы, в которых собирают лучистую энергию накаленного тела в фокусе, где помещен спай термопары. Чем выше температура нагретого, тела, тем больше оно выделяет лучистой тепловой энергии. Благодаря этому есть возможность измерять температуру накаленного тела. Схема его показана на рис. 151, где в — спай термопары. Такой пирометр легко может быть сделан самопишущим.
Наблюдение за температурой печи производится пирометрами через отверстия трубсчек или через глазки в ходках. В сушилах применяют пирометры для контроля температуры дымовых газов подтопка.
Тяга в печи должна быть такой, чтобы на разрежении была покрайней мере половина зоны взвара (обжига). Тяга измеряется U-образной трубкой (рис. 152) либо видоизменением ее — тягомером Креля (рис. 153). Оба прибора работают по принципу простейшего манометра. Применяют еще мембранные тягомеры. Тягомеры устанавливаются в сушилах у нагнетающего вентилятора подтопка, у всасывающего вентилятора, в боровах, подающих и отводящих газы, в камерах сушил вверху и внизу. В гофманских печах установка тягомеров производится в борове у источника тяги, в боровках, в канале печи. И на 6 ряду впереди зоны взвара.
Очень большую роль в контроле печи играет анализ дымовых газов. Пользуясь результатами измерения количества углекислоты (CO2) в дымовых газах, можно установить правильно ли ведется засыпка топлива в печь (величина промежутков времени между засыпками, размеры засыпаемых порций). Ta засыпка будет наилучшей, при которой удается достигнуть максимального количества углекислоты (в процентах) в дымовых газах и минимума закиси углерода (продукта неполного горения топлива, вследствие недостатка кислорода воздуха). Анализ дымовых газов показывает и наличие вредных засосов воздуха. Определение состава газов производится прибором — газоанализатором. Схема прибора изображена на рис. 154. В сосуд 3 набирается газ, подлежащий анализу, в количестве 100 см2. Газ пропускают через склянку 4, поглощающую углекислоту. В склянке находится раствор едкого калия. По разнице объемов газа до пропуска через склянку и после него находят количество углекислоты. Подобным же путем определяют кислород в склянке 5 (поглощение его раствором пирогаллола) и закись углерода — продукт неполного горения топлива. Закись углерода поглощается в склянке 6 аммиачным раствором хлористой меди. При нормальном горении в дымовых газах ее должно быть не более 1%. Контроль состава дымовых газов в гофманской печи производится обычно на 5-м ряду впереди огня. В сушилах газоанализатор ставится в борове подтопка до смесительной камеры.
Измерение влажности воздуха (относительной) имеет значение, главным образом, для контроля работы сушил. Контроль производится психрометром Августа. Как показано на рис. 155, прибор состоит из двух одинаковых термометров. Шарик одного из них завернут в марлю, постоянно смачиваемую водой (мокрый термометр В). Благодаря поглощению теплоты на испарение, мокрый термометр всегда показывает температуру низшую, нежели сухой А. Разница температур будет тем большей, чем меньше влажность воздуха. Зная разницу температур и показания термометров, по готовым таблицам легко находим относительную влажность воздуха в процентах. Психрометры устанавливаются в боровках перед сушилами, после них и в боровах, подающих воздух в смесительную камеру у подтопков.
Для сушил, как естественных, так и искусственных, а отчасти и для печей, имеет значение определение скорости обмена (движения) воздуха. Приборы служащие для этой цели, называются анемометрами. Приборы эти устроены так, что движущийся газ вращает колесо с лопастями. Скорость вращения, главным образом, зависит от скорости движения газа. Колесо, вращаясь, регистрирует свое движение счетчиком оборотов. По числу оборотов в единицу времени находят путь газа за это время, т.е. скорость движения газа. Анемометр изображен на рис. 156.
Анемометры устанавливаются в борове, соединяющем смесительные камеры подтопков с сушилами, и в борове от печи к сушилам (если печь к ним присоединена); иногда анемометры устанавливаются в боровке подтопка, питающего наружным воздухом смесительную камеру.
Читайте также: