Способ получения полых нагревателей сопротивления на основе углеродкарбидокремниевого материала

Предложен способ получения полых трубчатых нагревателей из композиционного материала на основе углерода, кремния и карбида кремния путем пропитки расплавленным кремнием предварительно сформированной трубы из углеграфитовых тканей. Заготовку перемещают в вакуумной среде относительно капиллярного питателя, непрерывно подающего расплав кремния к ее внешней поверхности. По завершении процесса силицирования полученные изделия после незначительной доработки могут использоваться в качестве резистивных нагревателей, способных эксплуатироваться при температурах до 1300°С в среде воздуха. Технический результат – обеспечение равномерной пропитки заготовок кремнием и повышение технико-экономических показателей процесса производства труб. 1 ил.

 

Изобретение относится к области получения труб из композиционного материала на основе углерода, кремния и карбида кремния, которые могут использоваться в качестве нагревателей, работающих в окислительных газовых потоках при высоких температурах.

Известен способ получения нагревателей, в том числе в форме труб, на основе карбида кремния путем мундштучного прессования или вибротрамбовки предварительно приготовленных смесей порошков углерода и карбида кремния с различными добавками и связками с последующим обжигом в силицирующих засыпках (Рутман Д.С., Осинцова О.Г. - В кн.: Высокотемпературные материалы, М., "Металлургия", 1966, с. 164-171) [1].

Недостатком способа [1] является высокая себестоимость изделий за счет необходимости использования прессового оборудования и дорогостоящей оснастки, что особенно невыгодно в условиях мелкосерийного производства и необходимости часто изменять типоразмеры нагревателей. Кроме того, пористость материала достигает 20-30%, что приводит к быстрому окислению при высоких температурах и возрастанию электросопротивления.

Другим недостатком способа [1] является низкая термостойкость получаемых нагревателей, что принуждает дополнительно затрачивать электроэнергию в период медленного охлаждения печи и ограничивает рабочий ресурс нагревателя.

Известен способ получения композиционного материала на основе углеродного волокна и карбида кремния (по патенту РФ №2058964, опубл. 04.27.1996, МПК6 С04В 35/52, С04В 35/83, C04В 35/56) [2], включающий изготовление и силицирование углерод-углеродной заготовки, изготовленной из двух углеродных слоев, один из которых содержит углерод с пониженной реакционной способностью к жидкому кремнию, а другой, поверхностный, - с предельно высокой.

Целью способа [2] является создание изделий, работающих в высокоскоростных окислительных потоках при температуре до 1700°С. Эта задача решается за счет использования в заготовке материалов с различной реакционной способностью по отношению к расплаву кремния: в результате наружные слои, состоящие после силицирования практически на 100% из карбида кремния, защищают основной внутренний слой от окисления.

Недостатком способа [2] является возможность окисления внутреннего слоя материала с поверхности его торцевых участков. Другим недостатком является то, что описанная схема силицирования предусматривает выдержку заготовки в вакууме при 2000°С в течение 1 часа, что технически возможно лишь для небольших лабораторных образцов. Схема подачи кремния к заготовке не детализирована. Получение длинномерных изделий с заданным электрическим сопротивлением по этому способу практически невозможно.

Известен способ получения изделий из углерод-карбидокремниевого композиционного материала для создания изделий и элементов конструкций, подвергающихся воздействию агрессивных сред (по патенту РФ №2084425, опубл. 07.20.1997, МПК6 С04В 35/52, С04В 35/83, С04В 35/56) [3].

Способ включает изготовление углепластиковой заготовки на основе углеродного волокна и термореактивного связующего, ее предварительную термообработку до образования коксовой матрицы, армированной углеродными волокнами, последующее уплотнение коксовой матрицы пироуглеродом, кристаллизацию осажденного пироуглерода и образование поровых каналов путем дополнительной термической обработки заготовки и силицирование орошением.

Известный способ [3] неоправданно сложен и включает ряд достаточно дорогих энерго- и материалоемких операций. Силицирование орошением применяется в технике для групповой обработки небольших по габаритам изделий. Обеспечить силицирование длинномерных крупногабаритных изделий способом орошения практически невозможно.

Еще одним недостатком способа является то, что он не позволяет получать изделия с гарантированным удельным электрическим сопротивлением, чтобы создавать нагреватели, совместимые с серийными печными трансформаторами.

Наиболее близким к заявляемому изобретению и принятым за прототип является способ получения полых нагревателей сопротивления из углеродкарбидо-кремниевого композиционного материала(по патенту РФ №2286317, опубл. 27.10.2006, МПК С04В 35/577, С04В 35/80) [4], включающий изготовление заготовки на основе углеродного волокна путем наматывания нескольких слоев углеродной ткани на покрытую слоем органического связующего трубу-шаблон, фиксацию намотанной ткани углеродной нитью, отделение заготовки от трубы-шаблона и ее силицирование, причем для проведения силицирования исходную заготовку засыпают изнутри дробленым кремнием и пропитывают заготовку расплавленным кремнием путем перемещения ее в горизонтальной плоскости относительно графитового нагревателя. Для предотвращения высыпания шихты кремния из полости заготовки к ее торцевым участкам крепят графитовые пробки, затем после извлечения силицированной заготовки графитовые пробки механически удаляют и шлифуют внешние поверхности торцевых участков.

Недостатком способа [4] является сложность определения дозирования необходимой для качественного силицирования заготовки массы загрузки шихты кремния. При ее недостатке на поверхности силицированной заготовки остаются непропитанные участки и процесс силицирования повторяют, для чего требуется удалять одну из графитовых пробок для досыпания дополнительной шихты. При небольшом избытке массы шихты на внешней поверхности силицированной заготовки возникают наплывы кремния, которые приходится сошлифовывать с использованием алмазного инструмента. Другим недостатком является необходимость использования пробок из плотного графита.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, выражается в возможности получения длинномерных полых нагревателей сопротивления силицированием трубчатых углеволокнистых заготовок путем подачи расплавленного кремния к их внешней поверхности, что исключает возможность образования как непропитанных участков, так и наплывов кремния и повышает технико-экономические показатели процесса.

Для достижения названного технического результата в предлагаемом способе, включающем изготовление заготовки на основе углеродного волокна путем наматывания нескольких слоев углеродной ткани на покрытую слоем органического связующего трубу-шаблон, фиксацию намотанной ткани углеродной нитью, отделение заготовки от трубы-шаблона и ее силицирование путем подачи расплавленного кремния к внешней поверхности заготовки при ее перемещении относительно подающего расплав кремния капиллярного питателя.

При этом не требуется дозировать массу необходимого для силицирования кремния, поскольку она естественным образом определяется капиллярными силами, действующими при взаимодействии расплава с пористыми углеграфитовыми материалами.

Общими с прототипом признаками заявляемого способа являются изготовление заготовки на основе углеродного волокна путем намотки на трубу-шаблон нескольких слоев углеродной ткани с повышенной реакционной способностью к жидкому кремнию, затем нескольких слоев углеродной ткани с пониженной реакционной способностью к жидкому кремнию, фиксацию тканей углеродной нитью, нагрев на воздухе, отделение заготовки от трубы-шаблона и пропитку заготовки расплавленным кремнием путем перемещения в горизонтальной плоскости относительно П-образного графитового нагревателя.

Отличительным признаком является пропитка заготовки расплавленным кремнием через ее внешнюю поверхность при подаче расплава через связанный с содержащим его тиглем капиллярный питатель.

Для подачи расплава кремния к внешней поверхности заготовки используется капиллярный питатель из плотного графита, хвостовик которого погружают в расплав в графитовом тигле, а носовую часть приводят в контакт с заготовкой. Используются три независимых нагревателя: нагреватель тигля, нагреватель носовой части питателя и П-образный нагреватель узкой зоны заготовки, в которой протекает процесс ее пропитки. С целью снижения затрат на расход тиглей предусмотрены два варианта их исполнения. По первому варианту тигель большой емкости снабжается донным летниковым отверстием, через которое проводят слив тигельного остатка по завершении процесса, что обеспечивает неоднократное использование такого тигля. По второму варианту используется тигель малой емкости, в который периодически добавляют шихту кремния. Подобный тигель является одноразовым, но его себестоимость относительно невелика.

Пример

Получали нагреватель для установки термического расщепления графита. На тонкостенную трубу из нержавеющей стали диаметром 40 мм и длиной 900 мм, покрытую слоем парафина, намотали два слоя углеродной ткани ТМП-3 и два слоя углеродной ткани ТМП-5, модифицированной пироуглеродом до уровня 25% масс. Для предотвращения разматывания слоев их обмотали углеродной нитью. Заготовку поместили в печь и нагрели до 110°С на воздухе, после чего отделили нагретую заготовку от трубы-шаблона. Дальнейшая схема процесса иллюстрируется Фиг. 1. Заготовку 1 поместили в проходную печь и в вакууме произвели ее перемещение в горизонтальной плоскости относительно П-образного графитового нагревателя 2 со скоростью 0,8 см/мин. Для подачи расплава к внешней поверхности заготовки 1 использовали капиллярный питатель 3, выполненный из плотного графита и связанный с расплавом кремния 4 в графитовом тигле 5. Температура П-образного нагревателя 2 составляла 1800°С, потребляемая им мощность - 7,5 кВт. Для нагрева тигля 5 использовался графитовый нагреватель 6. С тем, чтобы избежать застывания расплава в носовой части питателя 3 применялся независимый графитовый нагреватель 7. Процесс пропитки заготовки 1 протекал в относительно узкой зоне 8. После охлаждения силицированную заготовку 9 извлекли из проходной печи. Затем механически обработали торцевые участки силицированной заготовки на круглошлифовальном станке и приклеили к их поверхности несколько слоев гибкой графитовой фольги. Общая длина нагревателя в результате обработок составила 810 мм, внешний диаметр - 46 мм, внутренний - 40 мм.

Измерения двухзондовым методом на переменном токе показали, что при комнатной температуре электросопротивление полученного нагревателя составляет 0,25 Ом.

Способ получения полых нагревателей сопротивления на основе углерод-карбидокремниевого материала, включающий изготовление заготовки на основе углеродного волокна путем наматывания нескольких слоев углеродной ткани на покрытую слоем органического связующего трубу-шаблон, фиксацию намотанной ткани углеродной нитью, отделение заготовки от трубы-шаблона и ее силицирование, отличающийся тем, что силицирование производят путем подачи расплавленного кремния к внешней поверхности заготовки при ее перемещении относительно подающего расплав кремния капиллярного питателя.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к теплозащитным покрытиям на рабочих и направляющих лопатках энергетических турбин, газовых турбин авиадвигателей, а также форсажных камер авиадвигателей, произведенных из углерод-углеродистого композиционного материала (УУКМ).
Изобретение может быть использовано в химической и химико-металлургической промышленности. Изготавливают пористую заготовку из углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ) неполной, например половинной, толщины - внутреннюю оболочку.
Изобретение относится к нанотехнологиям и предназначено для получения высокопрочной трубчатой или комбинированной нити, пленки или ленты (разница только в ширине) нанотолщины из тройной структуры бор-углерод-кремний B-C-Si (насколько мне известно, оно не имеет названия, поэтому далее будем называть его, а точнее - наноизделия из него - «старброн»).
Изобретение относится к производству огнеупорных композиций на основе фосфатных связующих, которые могут быть использованы для изготовления и ремонта футеровок печных агрегатов, а также для получения различных высокотемпературных покрытий.

Изобретение относится к производству и эксплуатации огнеприпаса, например капселей, используемых для политого обжига фарфоровых изделий и изготовленных методом полусухого .прессования и ангобируемых в воздушно-сухом состоянии.

Изобретение относится к области огнеупорных материалов и направлено на создание опорных плит (лещадок) для высокотемпературного обжига керамических изделий, таких как посуда, электроизоляторы и т.п.

Изобретение относится к получению многофункциональных композиционных материалов с керамической матрицей из карбонитрида кремния, сформированной на основе пористого армирующего каркаса, выполненного из углеродных тканей или волокон в виде нитей, пучков или слоистых филаментов непрерывной или дискретной структуры.

Изобретение предназначено для использования при изготовлении изделий, работающих в окислительных газовых потоках, в абразивосодержащих газовых и жидкостных потоках, а также в качестве пар трения.

Изобретение предназначено для использования при изготовлении изделий, работающих в окислительных газовых потоках, в абразивосодержащих газовых и жидкостных потоках, а также в качестве пар трения.

Изобретение относится к области получения композиционных материалов на основе углерода и карбида кремния и изделий из них, теплозащитного, конструкционного назначений, предназначенных для эксплуатации в условиях комплексных статических и динамических нагрузок при температурах до 2000°C в окислительной и абразивосодержащих средах (авиакосмическая техника и металлургия).

Изобретение относится к области конструкционных материалов, работающих в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды, и может быть использовано в химико-металлургической промышленности для создания изделий и элементов конструкций, подвергающихся воздействию агрессивных сред.

Изобретение относится к области получения композиционных материалов на основе углерода и изделий из них теплозащитного, конструкционного, химически стойкого назначений, подлежащих эксплуатации в условиях комплексных статических и динамических нагрузок под нагревом при температуре до 2000°С в окислительной среде и высокоскоростных абразивосодержащих окислительных газовых потоках и жидкостных средах (авиакосмическая техника, высокотемпературное электротермическое оборудование в химической, нефтяной и металлургической промышленностях).
Изобретение относится к области получения композиционных материалов (КМ) на основе углерод-керамической матрицы и изделий из них теплозащитного, конструкционного назначений, предназначенных для длительной работы в окислительных средах преимущественно в интервале температур 800-1500°C.

Изобретение относится к области конструкционных материалов, работающих в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды, и может быть использовано в химико-металлургической промышленности для создания изделий и элементов конструкций, подвергающихся воздействию агрессивных сред.

Изобретение относится к области углерод-каридокремниевых композиционных материалов (УККМ), предназначенных для работы в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды, и может быть использовано при создании ракетно-космической техники, где к изделиям предъявляется требование по герметичности под избыточным давлением.

Изобретение относится к области углерод-карбидокремниевых конструкционных материалов на основе объемно-армированных каркасов из углеродного волокна, работающих в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды, и может быть использовано в химической, нефтяной и металлургической промышленности, а также в авиакосмической технике. Углерод-карбидокремниевый композиционный материал имеет объемно-армированную структуру на основе многонаправленных стержневых каркасов (n=3, 4 …, где n - число направлений армирования) из углеродного волокна и комплексную углерод-карбидокремниевую матрицу, получаемую из углеводородов в процессе их карбонизации при атмосферном давлении или изостатически под давлением, насыщения заготовок пироуглеродом, высокотемпературной обработки, предварительного силицирования и последующего повторного силицирования после механической обработки. Силицирование (предварительное и повторное) углерод-углеродной заготовки может проводиться любым известным способом, в том числе смесью кремния и бора или смесью кремния с другими тугоплавкими компонентами, или соединениями на основе кремния при плотности заготовок под силицирование в пределах от 1,60 до 1,95 г/см3 в зависимости от конечного использования материала. Представленный углерод-карбидокремниевый композиционный материал обладает высокой термоэрозионной и окислительной стойкостью, а также достаточными физико-механическими характеристиками, которые повышаются с ростом температуры. 1 з.п. ф-лы, 8 пр., 2 табл., 2 ил.
Наверх