Способ изготовления трубчатого тепловыделяющего элемента с переменной электропроводностью

 

Изобретение относится к технологии высокотемпературных неметаллических материалов, а именно к способам изготовления трубчатых тепловыделяющих элементов с переменной электропроводностью по длине образующей поверхности. В предложенном способе элемент изготавливают из электропроводящей массы с коэффициентом сжатия от 2,4 до 2,8, разбавленной диэлектриком в количестве от 5 до 45 мас. %, распределяя ее по образующей цилиндрической поверхности секторов трубки, при соотношении числа и последовательностью образованных ими частей токоподвода : промежуточной части : активной части : промежуточной части : токоподвода, как 5-8 : 2 : 8 : 2 : 5-8, подвергают механическому обжатию при давлении не ниже 2 МПа, затем гидростатическому обжатию при давлении не ниже 80-100 МПа до достижения в токоподводящей, промежуточной и активной частях элемента соотношения плотностей 1,09-1,12 : 1,03-1,06 : 0,80 - 1,00 соответственно, и обжигают в среде с пониженным содержанием кислорода при 1700-1800^oС. Способ позволяет изготавливать трубчатые тепловыделяющие элементы равной толщины, характеризующиеся переменным сопротивлением по длине, с высоким сроком службы. 1 табл.

Изобретение относится к технологии высокотемпературных неметаллических материалов, а именно к способам изготовления трубчатых тепловыделяющих элементов с переменной электропроводностью по длине образующей поверхности.

В настоящее время известны способы изготовления нагревательных резистивных элементов с переменным сопротивлением (авторское свидетельство СССР N 1525951, H 05 B 3/14 от 30.11.89 г.; аналог) и с переменной электропроводностью (авторское свидетельство СССР N 1525952, H 05 B 3/14 от 30.11.89 г.; аналог). Нагреватели с переменным сопротивлением имеют площадь сечения в токоподводящих частях больше, чем в активной (тепловыделяющей) части. Нагреватели с переменной электропроводностью имеют в токоподводящих частях электропроводность выше, чем в активной части. Нагреватели с переменным химическим составом (электропроводностью) могут иметь как переменную, так и постоянную площадь сечения. Постоянная площадь сечения нагревателя более приемлема, так как исключается концентрация напряжений в местах изменения площади сечения. В условиях термоциклирования, обычных для резистивных элементов, уровень действующих термонапряжений на границах токоподвода и активной части (то есть в местах изменения площади сечения) может в 2 - 3 раза превышать номинальное значение. Таким образом, при изготовлении нагревательных резистивных элементов оптимальным может считаться обеспечение по длине элемента переменного сопротивления, постоянной площади сечения (для трубчатых элементов - равнотолщинности) и переменной электропроводности.

Известен способ формирования переменного химического состава заготовки нагревателя многократным послойным нанесением оксидного материала (авторское свидетельство СССР N 862400, H 05 B 5/14; БИ N 33, 1981 г., стр. 293; прототип).

Недостатком известного способа является градиент электропроводности по толщине активной части нагревателя, что объясняется однородностью химического состава по каждому слою нанесенного оксидного материала, хотя состав материала может меняться при переходе от одного слоя к другому. Указанный недостаток является причиной неравномерного выделения тепла в сечении нагревателя. Кроме того, известный способ позволяет формировать переменную электропроводность по толщине нагревателя (при переходе от одного слоя к другому), но не по длине. Для того чтобы обеспечить переменное сопротивление нагревателя по длине, в известном способе предусмотрено разбиение заготовки на отдельные участки (зоны), на которых ведется многократное послойное нанесение оксидного материала по своему режиму. Многократность выполняемых для достижения цели приемов отрицательно сказывается на стабильности эксплуатационных характеристик нагревателя.

Задачей предлагаемого технического решения является изготовление трубчатого тепловыделяющего элемента равной толщины, характеризующегося переменным сопротивлением по длине, с высоким сроком службы.

Сущность заявляемого способа заключается в том, что элемент изготавливают из электропроводящей массы с коэффициентом сжатия от 2,4 до 2,8, разбавленной диэлектриком в количестве от 5 до 45 мас.%, при соотношении числа и последовательностью образованных частей токоподвода 5 - 8: промежуточной части 2 : активной части 8 : промежуточной части 2 : токоподвода 5 - 8, подвергают механическому обжатию при давлении не ниже 2 МПа, затем гидростатическому обжатию при давлении не ниже 80 - 100 МПа до достижения в токоподводе, промежуточной и активной частях элемента соотношения плотностей 1,09 - 1,12 : 1,03 - 1,06 : 0,80 - 1,00 и обжигают в среде с пониженным содержанием кислорода при температуре 1700 - 1800^oC.

Заявляемый способ позволяет изготавливать нагреватели с переменной электропроводностью и переменным сопротивлением по длине образующей поверхности. Отсутствие градиента электропроводности по толщине сечения нагревателя способствует равномерному выделению тепла. Равнотолщинность нагревателя обеспечивают подбором насыпной плотности и коэффициента сжатия порошков разного химического состава. Отдельные части нагревателя формируют в едином технологическом режиме. Давление при механическом обжатия 2 МПа достаточно для придания заготовке нагревателя минимальной механической прочности, требуемой для подготовки заготовки к гидростатическому обжатию. Давление при гидростатическом обжатии не ниже 80 - 100 МПа обеспечивает конечную пористость не более 5%. Часть токоподвода нагревателя, не металлизированная для увеличения электропроводности, является промежуточной частью. Она выполнена из электропроводящей массы с характеристиками, отличными от таковых для металлизированного токоподвода и активной части, что снижает температуру на металлизированном токоподводе и уменьшает критический температурный перепад до величины менее 600^oC, не приводящей к опасным термическим напряжениям. Промежуточная часть нивелирует контраст сопротивлений между активной частью и металлизированным токоподводом, что ведет к увеличению ресурса нагревателя.

Предлагаемое техническое решение обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленно применимо.

Ниже приводятся примеры реализации способа.

Пример 1. Синтезируют хромит лантана, легированный кальцием и алюминием, La_0,975Ca_0,25Cr_0,9Al_0,1O₃ из оксида хрома (III) (ТУ 6-09-4272-84), оксида лантана (ОСТ 48-194-81), оксида алюминия (ТУ 6-09-426-75) и карбоната кальция (ГОСТ 4530-76). Из легированного хромита лантана, разбавленного диэлектриком-оксидом иттрия (ТУ 48-4-524-90), подготавливают 3 состава (мас.%): состав 1 - 90% хромита лантана, 10% оксида иттрия; состав 2 - 70% хромита лантана, 30% оксида иттрия; состав 3 - 60% хромита лантана, 40% оксида иттрия. Составы увлажняют 5%-ным водным раствором поливинилового спирта до влажности шихты 5 мас.%. Полученные массы состава 1 с коэффициентом сжатия K_сж = 2,40, состава 2 с K_сж = 2,65 и состава 3 с K_сж = 2,80 засыпают раздельно по весу в секционную воронку. Из секционной воронки отдозированные массы засыпают в пресс-форму в соотношении образуемых частей трубчатого нагревателя токоподвода 5, промежуточной части 2, активной части 8, промежуточной части 2, токоподвода 5 и обжимают механически вокруг расположенного в форме шаблона в виде стального сердечника диаметром 7 мм при давлении 4 МПа. Заготовку перемещают в эластичную оболочку, в которой ее вакуумируют и гидростатически обжимают при давлении 100 МПа. Заготовку извлекают из эластичной оболочки, освобождают от шаблона и сушат в естественных условиях в течение 24 ч. После сушки заготовку обжигают в среде с парциальным давлением кислорода 10^-2 Па при температуре 1800^oC.

Характеристики полученного указанным способом тепловыделяющего элемента приведены в таблице.

Пример 2. Синтезируют хромит лантана, легированный кальцием и алюминием, La_0,975Ca_0,025Cr_0,9Al_0,1O₃ из оксида хрома (III) (ТУ 6-09-4272-84), оксида лантана (ОСТ 48-194-81), оксида алюминия (ТУ 6-09-426-75) и карбоната кальция (ГОСТ 4530-76). Из легированного хромита лантана, разбавленного диэлектриком-оксидом иттрия (ТУ 48-4-524-90), подготавливают 3 состава (мас.%): состав 1 - 90% хромита лантана, 10% оксида иттрия; состав 2 - 70% хромита лантана, 30% оксида иттрия; состав 3 - 60% хромита лантана, 40% оксида иттрия. Составы увлажняют 5%-ным водным раствором поливинилового спирта до влажности шихты 5 мас.%. Полученные массы состава 1 с коэффициентом сжатия K_сж = 2,45, состава 2 с K_сж = 2,65 и состава 3 с K_сж = 2,76 засыпают раздельно по весу в секционную воронку. Из секционной воронки отдозированные массы засыпают в пресс-форму в соотношении образуемых частей трубчатого нагревателя токоподвода 8, промежуточной части 2, активной части 8, промежуточной части 2, токоподвода 8 и обжимают механически вокруг расположенного в форме шаблона в виде стального сердечника диаметром 7 мм при давлении 2 МПа. Заготовку перемещают в эластичную оболочку, в которой ее вакуумируют и гидростатически обжимают при давлении 80 МПа. Заготовку извлекают из эластичной оболочки, освобождают от шаблона и сушат в естественных условиях в течение 24 ч. После сушки заготовку обжигают в среде с парциальным давлением кислорода 10^-2 Па при температуре 1700^oC.

Характеристики полученного указанным способом тепловыделяющего элемента приведены в таблице.

Пример 3. Синтезируют хромит лантана, легированный кальцием и алюминием, La_0,975Ca_0,025Cr_0,9Al_0,1O₃ из оксида хрома (III) (ТУ 6-09-4272-84), оксида лантана (ОСТ 48-194-81), оксида алюминия (ТУ 6-09-426-75) и карбоната кальция (ГОСТ 4530-76). Из легированного хромита лантана, разбавленного диэлектриком-оксидом иттрия (ТУ 48-4-524-90), подготавливают 3 состава (мас.%): состав 1 - 90% хромита лантана, 10% оксида иттрия; состав 2 - 70% хромита лантана, 30% оксида иттрия; состав 3 - 60% хромита лантана, 40% оксида иттрия. Составы увлажняют 5%-ным водным раствором поливинилового спирта до влажности шихты 5 мас.%. Полученные массы состава 1 с коэффициентом сжатия K_сж = 2,40, состава 2 с K_сж = 2,65 и состава 3 с К_сж = 2,80 засыпают раздельно в секционную воронку. Из секционной воронки отдозированные массы засыпают в пресс-форму в соотношении образуемых частей трубчатого нагревателя токоподвода 6, промежуточной части 2, активной части 8, промежуточной части 2, токоподвода 6 и обжимают механически вокруг расположенного в форме шаблона в виде стального сердечника диаметром 7 мм при давлении 4 МПа. Заготовку перемещают в эластичную оболочку, в которой ее вакуумируют и гидростатически обжимают при давлении 90 МПа. Заготовку извлекают из эластичной оболочки, освобождают от шаблона и сушат в естественных условиях в течение 24 ч. После сушки заготовку обжигают в среде с парциальным давлением кислорода 10^-2 Па при температуре 1800^oC.

Характеристики полученного указанным способом тепловыделяющего элемента приведены в таблице.

Как следует из таблицы, при изготовлении тепловыделяющего элемента достигается переменная электропроводность, переменное сопротивление и равнотолщинность по длине образующей поверхности, устраняется градиент электропроводности по толщине нагревателя, что исключает возможность локальных перегревов. Перечисленные факторы способствуют увеличению ресурсных возможностей тепловыделяющего элемента и повышению стабильности его эксплуатационных характеристик.

Формула изобретения

Способ изготовления трубчатого тепловыделяющего элемента с переменной электропроводностью, при котором в заготовке формируют участки с разным электросопротивлением, отличающийся тем, что элемент изготавливают из электропроводящей массы с коэффициентом сжатия от 2,4 до 2,8, разбавленной диэлектриком в количестве от 5 до 45 мас.%, при соотношении числа и последовательностью образованных частей токоподвода 5 ^oC 8 : промежуточной части 2 : активной части 8 : промежуточной части 2 : токоподвода 5 ^oC 8, подвергают механическому обжатию при давлении не ниже 2 МПа, затем гидростатическому обжатию при давлении не ниже 80 ^oC 100 МПа до достижения в токоподводе, промежуточной и активной частях элемента соотношения плотностей 1,09 ^oC 1,12 : 1,03 ^oC 1,06 : 0,80 ^oC 1,00 и обжигают в среде с пониженным содержанием кислорода при 1700 ^oC 1800 ^oС.

РИСУНКИ

Рисунок 1