СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НАГРЕВАТЕЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЕЧИ Российский патент 1994 года по МПК C04B35/54 C04B41/87 

Изобретение относится к стекольной промышленности и может быть использовано, в частности, в процессе получения кварцевых волоконных световодов, предназначенных для волоконно-оптических линий связи, оптоэлектронных приборов, например, в волоконно-оптической шине накопителя на оптических дисках.

Известен способ изготовления нагревателя высокотемпературной печи для вытягивания кварцевого волоконного световода, включающий измельчение, увлажнение, прессование, формовку, сушку толстостенного полого цилиндра из грубозернистых материалов на основе двуокиси циркония.

Недостатки известного способа - сложность технологии, обусловленная большим количеством трудоемких операций и их большой продолжительностью. Известный нагреватель из двуокиси циркония нестоек к термическим колебаниям и рассчитан практически лишь на однократное включение печи (нестоек к термоциклированию). Кроме того, крупнозернистый материал нагревателя оказывает отрицательное влияние на поверхность обрабатываемого изделия. Например, при вытягивании кварцевого волоконного световода происходит травмирование поверхности световода, приводящее к снижению его прочности на разрыв.

Известен способ изготовления нагревателя высокотемпературной печи, включающий механическую обработку графитовой заготовки, представляющей собой блок или трубу, до получения полого цилиндра с уменьшенным поперечным сечением средней части.

К существенным недостаткам известного способа относится высокотемпературное взаимодействие материала нагревателя и обрабатываемой детали. Так, при использовании известного нагревателя для вытягивания кварцевого волоконного световода у зоны перетягивания образуются эродирующие частицы (SiC, Si, C), представляющие собой продукты высокотемпературного (2200-2300^оС) взаимодействия паров кварца с графитом, которые травмируют поверхность световода, снижая его механическую прочность.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к изобретению является способ изготовления нагревателя высокотемпературной печи, включающий получение графитового элемента и модификацию его поверхности путем нанесения пленки нитридов металлов (Ti, Ta, Zr) толщиной 100 мкм методом парофазного осаждения при 900-1500^оС с целью предотвратить взаимодействие графита с материалом обрабатываемой детали (кварцевой заготовки) и не допустить образование в жаровом пространстве SiС.

Существенным недостатком прототипа является пониженная устойчивость нагревателя к температурным колебаниям в циклах нагрев-охлаждение, что приводит к появлению трещин и сколов вплоть до разрушения. Причина недостатка обусловлена непрочностью связи "пленка-элемент" и различием в коэффициентах термического расширения пленок нитридов металлов и графитового элемента.

Цель изобретения - повышение устойчивости к термоциклированию.

Устойчивость к термоциклированию заключается в постоянстве технологических характеристик при многократной реализации цикла "нагрев-охлаждение" и выражается в замедлении процесса старения поверхности нагревателя.

Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления нагревателя высокотемпературной печи, включающем получение графитового элемента и модифицирование его поверхности металлом, в отличие от прототипа модифицирование поверхности проводят путем многократной обработки элемента попеременно парами воды и парами хлорида металла при 150-300^оС с последующим отжигом в инертной среде при температуре не ниже температуры превращения оксида металла в карбид.

Положительный эффект - повышение устойчивости к термоциклированию - объясняется тем, что при многократной обработке элемента попеременно парами воды и парами хлорида металла при 150-300^оС с последующим отжигом в инертной среде при температуре превращения оксида металла в карбид реализуется химическое взаимодействие металла с материалом нагревателя, что приводит к образованию прочной двухслойной структуры графит (в объеме) - карбид металла (на поверхности). При этом образуется тонкий химически связанный с поверхностью безынерционный слой, более чем прототип устойчивый к термоциклированию (нагрев-охлаждение). Это является главным отличием изобретения от прототипа, где не происходит химического сращивания металла с графитовым элементом.

Сущность изобретения заключается в следующем. При многократной обработке элемента попеременно парами воды и парами хлорида металла при 150-300^оС на поверхности нагревателя образуется оксид металла, который имеет толщину несколько ангстрем за один цикл обработки (монослой) и равномерно выстилает всю поверхность нагревателя, включая гребешки и впадины микронеровностей и разомкнутые поры поверхности, производя залечивание дефектов. Многократная (не менее 5 циклов) обработка позволяет получать существенно более тонкое, чем в прототипе, покрытие. При последующем отжиге в инертной среде при температуре превращения оксида металла в карбид на поверхности нагревателя образуется тончайшая безынерционная структура карбида металла, обусловленная химическим взаимодействием поверхности нагревателя с оксидом металла.

Высокотемпературный нагреватель предназначен для создания рабочей температуры более 2000^оС.

При обработке нагревателя попеременно парами воды и парами хлорида металла при температуре менее 150^оС способ не реализуем вследствие низкой скорости реакции. При температуре более 300^оС способ также не реализуем вследствие температурной диссоциации промежуточных продуктов реакции. В качестве металлов используют титан, тантал, цирконий.

Для графитов известно использование покрытий, полученных различными способами: контактными - лакирование, окрашивание, оплавление, наплавление, погружение в расплав, растекание, капельное напыление, конденсация пара; химическими - жидкостной, газофазный, избирательное осаждение, электрохимическое осаждение. При этом связь между материалом нагревателя и покрытием осуществляется посредством адсорбционного, Ван-дер-Ваальсового взаимодействия или по водородному механизму. В предлагаемом же способе реализуется прочная ковалентная химическая связь вследствие участия в реакции атомов поверхности нагревателя. Кроме того, постадийность проведения химических реакций обеспечивает получение монослоя за каждый цикл обработки, т.е. позволяет создать на поверхности упорядоченную сверхтонкую (десятки ангстрем) структуру карбида титана, химически связанную с нагревателем по всей поверхности контакта.

П р и м е р 1. Получают графитовый элемент путем механической обработки графитовой заготовки. Графитовый элемент имеет высоту 149 мм, наружный диаметр 42 мм, внутренний диаметр 38 мм. Класс чистоты поверхности 7. Обрабатывают поверхность элемента попеременно парами воды и парами хлорида титана при 200^оС. Повторяют цикл обработки 5 раз, заканчивая обработкой парами воды. После этого графитовый элемент помещают в печь для вытягивания волоконного световода на штатную позицию, обдувают потоком аргона и проводят отжиг при 2200^оС путем подвода к фланцам печи электрического напряжения (температура превращения оксида титана в карбид - 1450^оС).

Используют печь для вытягивания кварцевого волоконного световода (температура вытягивания 2200^оС) путем перетягивания его из кварцевой заготовки диаметром 10 мм. Диаметр волоконного световода 125 мкм. После вытягивания печь остужали до температуры производственного помещения. Нагреватель выдерживает 32 цикла нагрев (2200^оС) - охлаждение (25^оС), после чего наблюдается заметное ухудшение качества поверхности нагревателя (растрескивания, появление шероховатости, загрязнение жарового пространства).

В процессе эксплуатации карбид кремния (продукт химического взаимодействия материала световода и графита) в печи не образуется.

П р и м е р ы 2-3; 4-5 (за пределами заявленных значений). Получают графитовый элемент и модифицируют его поверхность, как в примере 1, за исключением варьируемых параметров, значения которых представлены в таблице. Там же представлены результаты по устойчивости нагревателя к термоциклированию в условиях эксплуатации печи для вытягивания кварцевого волоконного световода (см. пример 1).

П р и м е р 6 (прототип). Получают графитовый элемент, как в примере 1. Наносят защитную пленку карбида титана парофазным осаждением в вакууме при 1000^оС. Толщина пленки 100 мкм. Используют печь для вытягивания кварцевого волоконного световода как в примере 1, результаты помещены в таблице. Карбид кремния не образуется.

Анализ рассмотренных примеров показывает, что использование изобретения (примеры 1-3) по сравнению с прототипом (пример 6) позволяет существенно в 10 раз повысить устойчивость нагревателя к термоциклированию при периодическом нагреве (2200^оС) - охлаждении (25^оС). Многократная обработка элемента попеременно парами воды и хлорида металла при температуре менее 150^оС (пример 4) не позволяет предотвратить образования в жаровом пространстве печи карбида кремния, а при температуре более 250^оС (пример 5) нарушается целостность поверхностной структуры, что приводит к частичному взаимодействию материала детали (SiO₂) и графита.

Предложенный способ позволяет проводить модификацию поверхности графитового элемента при существенно более низких температурах, увеличить срок службы нагревателя; технологическое оформление предложенного способа не требует дорогостоящего по сравнению с прототипом оборудования. Перечисленные преимущества гарантируют рентабельность при внедрении изобретения в производство.

Использование: изобретение относится к стекольной промышленности и может быть использовано для изготовления графитовых нагревателей, применяемых в процессе получения кварцевых волоконных световодов, предназначенных для волоконно-оптических линий связи, оптоэлектронных приборов, например, в волоконно-оптической шине накопителя на оптических дисках. Сущность изобретения: получают графитовый элемент и модифицируют его поверхность путем многократной обработки элемента попеременно парами воды и парами хлорида металла при 150 - 300°С с последующим отжигом в инертной среде при температуре не ниже температуры превращения оксида металла в карбид. 1 табл.

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НАГРЕВАТЕЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЕЧИ, включающий получение графитового элемента и нанесение на его поверхность покрытия из тугоплавкого соединения металла из группы: титан, тантал, цирконий, отличающийся тем, что, с целью повышения устойчивости к термоциклированию, графитовый элемент многократно обрабатывают попеременно парами хлорида металла и воды при 150 - 300^oС с последующим отжигом в инертной среде при температуре не ниже температуры превращения оксида металла в карбид.