Способ изготовления композиционных нагревательных элементов
Изобретение относится к электротехнике, а именно к способам изготовления нагревательных элементов из композиционных материалов, и может быть использовано для промышленного изготовления нагревательных элементов к устройствам бытового и производственного назначения (нагревательные панели, теплый пол и т.п.) Для повышения производительности при прессовании и уменьшения разброса значений электрического сопротивления нагревательных элементов осуществляют сухое перемешивание в течение 5-60 минут в зависимости от типа смесителя, массы смеси, перед загрузкой смеси в пресс-форму проводят влажное перемешивание в течение не более 5 минут и протирку смеси через сито с размером ячеек 3-5 мм, устанавливают в пресс-форму подложку, загружают смесь, выравнивают, размечают места расположения тоководов и укладывают их, накладывают на поверхность смеси разделительную подложку, прессуют с выдержкой 0,5-10 секунд, нагревательный элемент извлекают вместе с подложками, которые удаляют перед гидротермальной обработкой, а гидротермальную обработку проводят после нормализации при температуре 95°±5°С в течение 8-10 часов, сушку проводят при температуре 105-110°С до постоянного веса.
Изобретение относится к электротехнике, а именно к способам изготовления нагревательных элементов из композиционных материалов, и может быть использовано для промышленного изготовления нагревательных элементов к устройствам бытового и производственного назначения (нагревательные панели, теплый пол и т.п.).
Известен способ изготовления объемных резисторов по авторскому свидетельству №478551 МКИ Н 01 С 17/00, который может быть использован для изготовления нагревательных элементов из смеси токопроводящего вещества с портландцементом. По этому способу смесь прессуют при давлении 25-1000 кг/см2 с выдержкой в течение 1-5 минут, затем выдерживают в нормальных условиях при 15-25°С и относительной влажности 98% в течение 16-24 часов, после чего резисторы подвергают гидротермальной обработке при 80-200°С и сушат до постоянного веса при 150-200°C.
Известен также способ изготовления объемных композиционных резисторов по патенту RU №2012084 МКИ Н 01 С 17/00, который может быть использован для изготовления нагревательных элементов. По этому способу смесь, состоящую из технического углерода, портландцемента и суперпластификатора С-3 перемешивают в шаровой мельнице не менее 25 минут, добавляют в смесь кварцевый песок, перемешивают в течение 5 минут, добавляют воду и перемешивают смесь еще 10 минут. Затем смесь загружают в форму и уплотняют вибрационным способом. После формования образцы выдерживают в нормальных условиях в течение 16 часов, извлекают из форм и пропаривают при температуре 95±5°С, далее образцы сушат при температуре 105°С до постоянной массы и методом напыления наносят на торцы тоководы.
Эти способы не обеспечивают допустимый разброс значений электрического сопротивления нагревательных элементов и высокую производительность. При влажном перемешивании происходит комкование смеси, нарушается однородность распределения электропроводных компонентов. Длительная выдержка смеси под давлением способствует отжиманию свободной воды, в результате чего также нарушается однородность распределения электропроводных компонентов, это приводит к большому разбросу значений электрического сопротивления нагревательных элементов. Длительность выдержки снижает производительность способа. После прессования прочность нагревательных элементов еще мала и при извлечении их из пресс-формы часто на поверхности появляются микротрещины, раковины, облой. При формовании изделий вибрационным уплотнением происходит разделение составляющих компонентов смеси разной плотности, что приводит к нарушению однородности смеси и большому разбросу значений электрического сопротивления нагревательных элементов, а монтаж форм на виброплощадке и сам процесс виброуплотнения не обеспечивает высокую производительность способа.
Наиболее близким к предлагаемому способу по назначению является способ изготовления нагревателей из бетэла (Пугачев Г.А. Электропроводные бетоны. - Новосибирск. Наука. 1993. - 286 с., с.224 - 228). По этому способу для изготовления нагревательных элементов из бетэла необходимо выполнить ряд операций: весовое дозирование необходимых компонентов, сухое перемешивание компонентов, дозирование смеси на один нагревательный элемент, подготовку пресс-формы, установку тоководов, загрузку смеси в пресс-форму, прессование с давлением 25 МПа и выдержкой до 10 минут. Затем изделие совместно с пресс-формой подвергается гидротермальной обработке в воде, которую нагревают до 100°С за 2 часа. После достижения заданной температуры делают выдержку без подвода тепла в течение 17 часов. Далее пресс-форму разбирают, извлекают нагревательный элемент и проводят нормализацию при температуре 18±2°С и влажности 95±5% в течение 24 часов. Далее изделие подвергают сушке по режиму: нагрев до температуры 50°С, выдержка 8 часов, подъем температуры до 80°С, выдержка 16 часов, охлаждение 8 часов. После сушки контролируют электрическое сопротивление и отбраковывают изделия с дефектами.
Этот способ не свободен от недостатков. Так как в пресс-форме для прессования с высоким давлением зазоры для проникновения воды в смесь малы, то при гидротермальной обработке изделий вместе с пресс-формой насыщение смеси водой через эти зазоры происходит неравномерно и процесс твердения цементного связующего происходит тоже неодинаково и не обеспечивает стабильности значений электрического сопротивления нагревательных элементов. Выход нагревательных элементов с заданной величиной электрического сопротивления по данным автора не превышает 70%. Производительность способа лимитируется продолжительностью операции прессования и при времени прессования до 10 минут обеспечивает выпуск не более 48 нагревательных элементов в смену (с.229). Проведение гидротермальной обработки изделий в пресс-формах приводит к быстрому выходу последних из строя из-за коррозии и налипания материала бетэла на пуансон, другие контактирующие поверхности, способствует образованию дефектов на поверхности изделия.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение производительности при прессовании и уменьшение разброса значений электрического сопротивления нагревательных элементов за счет совершенствования процесса подготовки смеси и исключения возможности образования дефектов (трещин) при изготовлении.
При решении поставленной задачи имеет место экономический эффект за счет сокращения продолжительности прессования нагревательных элементов, что позволяет изготавливать заданное количество нагревательных элементов при меньшем количестве прессового оборудования и меньшей трудоемкости.
Технический результат достигается за счет того, что для обеспечения процесса твердения цементного связующего равномерно по всему объему дополнительно вводят влажное перемешивание, которое проводят не более 5 минут. За это время первичное схватывание цементного связующего еще не успевает завершиться, электропроводные компоненты в смеси распределены равномерно, протирка через сито исключает комкование смеси и первичное схватывание завершается после прессования. Продолжительность выдержки при прессовании при этом значительно сокращается и не превышает 10 секунд. При увеличении же продолжительности влажного перемешивания образующаяся при первичном схватывании структура разрушается, изменяются электропроводность и жесткость смеси и после прессования получается большой разброс значений электрического сопротивления нагревательных элементов. Для исключения образования микротрещин перед загрузкой смеси в пресс-форму устанавливают подложку. Вторую разделительную подложку укладывают на поверхность смеси. Удаляют подложки после нормализации, когда нагревательные элементы из бетэла уже приобретают некоторую прочность.
Поставленная задача решается за счет того, что осуществляют сухое перемешивание в течение 5-60 минут, в зависимости от типа смесителя, массы смеси, перед загрузкой смеси в пресс-форму проводят влажное перемешивание в течение не более 5 минут и протирку смеси через сито с размером ячеек 3-5 мм, устанавливают в пресс-форму подложку, загружают смесь, выравнивают, размечают места расположения тоководов и укладывают их, накладывают на поверхность смеси разделительную подложку, прессуют с выдержкой 0,5-10 секунд, нагревательный элемент извлекают вместе с подложками, которые удаляют перед гидротермальной обработкой, а гидротермальную обработку проводят после нормализации при температуре 95±5°С в течение 8-10 часов, сушку проводят при температуре 105-110°С до постоянного веса.
Способ осуществляется следующим образом. Для изготовления нагревательных элементов используется кварцевый песок, портландцемент, технический углерод. Эти компоненты дозируют по весу с точностью до 0,1 грамма, загружают в смеситель и перемешивают в течение 5-60 минут. Продолжительность сухого перемешивания зависит от типа смесителя, массы смеси и уточняется экспериментально. После сухого перемешивания смесь выгружают из смесителя, увлажняют и перемешивают. Продолжительность перемешивания не должна быть больше 5 минут. При более длительном перемешивании поверхность смеси начинает высыхать и при прессовании такой смеси получаются нагревательные элементы со слоистой структурой и большим разбросом значений электрического сопротивления. После влажного перемешивания смесь протирают через сито с размером ячеек 3-5 мм и загружают в пресс-форму. Протирка через сито обеспечивает равномерность объемной плотности смеси. При использовании сита с ячейками менее 3 мм увеличиваются продолжительность протирки и требуемые для этого усилия, что способствует высыханию и ухудшает однородность смеси. При ячейках более 5 мм ухудшается разрыхление мелких комков смеси, образовавшихся при влажном перемешивании. Для прессования может быть использована пресс-форма, которая имеет достаточный объем для загрузки смеси и вертикальные пазы для укладки тоководов. Тоководы выполняют из многожильного медного провода ПЩ или многожильной луженой плетенки ПМЛ. Перед прессованием из пресс-формы удаляют грязь и влагу, а на дно укладывают подложку из металла, соответствующую размерам нагревателя и пресс-формы. Для получения одинаковой плотности нагревательного элемента и положения тоководов поверхность смеси выравнивают шпателем и шаблоном размечают места расположения тоководов. В получившиеся после разметки углубления укладывают тоководы так, чтобы их концы через пазы в стенке пресс-формы выходили наружу. На поверхность смеси укладывают разделительную подложку из тонкого полимерного материала либо металла и производят прессование с выдержкой 0,5..10 секунд. Продолжительность выдержки зависит от давления прессования, модели прессового оборудования, жесткости (состава) смеси и уточняется экспериментально. При малых давлениях продолжительность выдержки увеличивается, а при больших сокращается. Продолжительность выдержки может быть увеличена из-за падения давления в гидросистеме под нагрузкой. Для уменьшения разброса значений электрического сопротивления давление прессования и выдержка при изготовлении нагревательных элементов должны быть одинаковыми для всей партии изделий. При прессовании жестких смесей, содержащих частицы углерода, электрическое сопротивление нагревательных элементов зависит от уплотнения частиц композиции. Поэтому конкретное значение величины давления может быть различным. Верхний предел ограничивается площадью поверхности нагревательного элемента и рабочим усилием пресса. После прессования пресс-форму разбирают, извлекают нагревательный элемент вместе с подложками и помещают в камеру для нормализации при температуре 18±2°С и влажности 95±5% в течение 16-24 часов. Далее изделия извлекают из камеры, удаляют подложки и проводят гидротермальную обработку при температуре 95±5°С в течение 8 часов, затем после охлаждения сушат при температуре 105-110°С до постоянного веса. Контроль электрического сопротивления нагревательных элементов проводится цифровым мультиметром модели В7-22А или аналогичным.
Пример. Для изготовления нагревательного элемента 150×150×10 мм производили дозирование компонентов на весах с точностью до 0,1 г:
| Песок кварцевый | 248,0 |
| Портландцемент | 197,0 |
| Углерод технический | 13,5 |
| Вода | 49,0 |
Сухое перемешивание проводили в гравитационном смесителе в течение 25 минут, затем смесь выгружали в чашу со сферическим днищем, увлажняли и перемешивали в течение 3,5 минуты до получения однородной массы. В это же время пресс-форму очищали от посторонних частиц, грязи, влаги и укладывали на дно стальную подложку толщиной 3 мм. Затем смесь протирали через сито с размером ячейки 4 мм и загружали в пресс-форму. Поверхность смеси в пресс-форме выравнивали при помощи шпателя и шаблоном, который представляет собой легкий пуансон с двумя ребрами, расположение которых соответствует расположению тоководов, размечали места для укладки тоководов. В образовавшиеся в смеси углубления укладывали тоководы из плетенки ПМЛ по ОСТ 1.00657 и через пазы в стенке пресс-формы концы тоководов выводили из пресс-формы. На поверхность смеси накладывали разделительную подложку и прессовали нагревательные элементы давлением 22,5 МПа с выдержкой 5 секунд, которую определяли по секундомеру. После прессования пресс-форму разбирали, извлекали нагревательный элемент вместе с подложками и проводили нормализацию при температуре 18±2°С и влажности 95±5% в течение 16 часов. Затем удаляли подложки и проводили гидротермальную обработку при температуре 95±5°C в течение 8 часов, после охлаждения сушили при температуре 105-110°С до постоянного веса. Контроль электрического сопротивления нагревателей проводили цифровым мультиметром модели В7-22А.
По этому способу изготовили серию нагревательных элементов из 30 шт. с электрическим сопротивлением 217 Ом. Производительность за одну смену составляла 96 шт. Разброс значений сопротивления составил 6,7%.
Способ изготовления композиционных нагревательных элементов путем дозирования компонентов смеси, сухого перемешивания, подготовки пресс-формы, загрузки смеси в пресс-форму, укладки тоководов, прессования смеси, гидротермальной обработки, разборки пресс-формы, извлечения и выдержки в нормальных условиях, сушки и контроля, отличающийся тем, что осуществляют сухое перемешивание в течение 5-60 мин в зависимости от типа смесителя, массы смеси, перед загрузкой смеси в пресс-форму проводят влажное перемешивание в течение не более 5 мин и протирку смеси через сито с размером ячеек 3-5 мм, устанавливают в пресс-форму подложку, загружают смесь, выравнивают, размечают места расположения тоководов и укладывают их, накладывают на поверхность смеси разделительную подложку, прессуют с выдержкой 0,5 -10 с, нагревательный элемент извлекают вместе с подложками, которые удаляют перед гидротермальной обработкой, а гидротермальную обработку проводят после нормализации при температуре (95±5)°С в течение 8-10 ч, сушку проводят при температуре 105-110°С до постоянного веса.
