ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 1999 года по МПК H05B3/14 

Изобретение относится к области технологии изделий из углеродных материалов, к применению углеродных материалов для изготовления электронагревательных элементов, в частности, к изготовлению электронагревательных элементов для высокотемпературных агрегатов, работающих в восстановительной среде, инертном газе или в вакууме.

Известен электронагревательный элемент для печи сопротивления из искусственного графита в форме стержня, трубы или пластины. Электронагревательный элемент электрически соединяется прижатием к токоподводам с использованием зажимов, в частности винтовых, нагрев полезного объема производится передачей тепла излучением или другим способом от разогретой протекающим электрическим током рабочей зоны электронагревательного элемента, расположенной между зонами контактов с токоподводами. В качестве материала электронагревательного элемента применяют конструкционные мелкозернистые искусственные графиты марок ГМЗ, ППГ, ЗОПГ и ЭГ (Авдеенко М.А., Розенман И.М. Основные области применения углеродных конструкционных материалов в цветной металлургии. В кн.: Применение углеродных материалов в цветной металлургии. Сборник научных трудов НИИграфита. М.: Металлургия, 1989 г., стр. 4 - 13). Кажущаяся плотность конструкционного графита находится в пределах 1,5 - 1,85 г/см³, удельное электросопротивление находится в пределах 7-18 мкОм•м (прототип).

Одним из недостатков данного электронагревательного элемента является ограничение размеров его деталей размерами графитовых заготовок. Кроме того, перепад температур по толщине электронагревательного элемента приводит к возникновению термических напряжений. Поэтому в качестве материала электронагревательного элемента применяют специально изготавливаемый высокопрочный конструкционный графит. При изготовлении электронагревательного элемента из заготовок конструкционного графита значительная часть материала теряется в виде отходов, и это удорожает изготовление элемента.

Известен электронагревательный элемент, изготовленный из волокнистого композиционного углерод-углеродного материала (Разумов Л. Л., Волга В.И. Исследование влияния температуры обработки на структуру и эксплуатационные свойства углеродных нагревательных элементов. В кн.: Применение углеродных материалов в цветной металлургии. Сборник научных трудов НИИграфита. М.: Металлургия, 1989 г., стр. 48 - 57). В процессе изготовления электронагревательный элемент необходимых размеров формуется из углеродного волокна, которое скрепляется карбонизующимся связующим или осажденным пироуглеродом. Кажущаяся плотность волокнистого композиционного углерод-углеродного материала находится в пределах 1,20- 1,45 г/см³, удельное электросопротивление находится в пределах 15-35 мкОм•м (аналог).

Общим недостатком указанных выше углеродных материалов, применяемых для изготовления электронагревательного элемента согласно прототипу и аналогу, является то, что для изготовления применяется специальное дорогое сырье, и производство материалов осуществляется с использованием сложного оборудования с применением термических процессов, что увеличивает цену изделий. Для электрического подсоединения электронагревательного элемента из указанных выше материалов используется сложная система компенсации термического расширения, что удорожает и усложняет конструкцию и эксплуатацию печей сопротивления, и является экономически неоправданным при использовании в массовом производстве.

Задачей настоящего изобретения является создание углеродного электронагревательного элемента пластинчатой формы из гибкого материала, дешевого и не сложного при изготовлении с рабочей температурой, определяемой температурой сублимации углерода.

Решение поставленной задачи достигается использованием в качестве углеродного материала для электронагревательного элемента гибкой и легкообрабатываемой фольги терморасширенного графита (ТРГ).

Для обеспечения долговечности работы при больших размерах элемента фольга перфорируется, что предотвращает образование пузырей на поверхности при большой скорости подъема температуры.

Проводящее сечение электронагревательного элемента регулируется набором слоев фольги ТРГ в пакет до необходимой толщины, а также перфорацией фольги. Для предотвращения расслоения с образованием промежутков листы фольги в пакете, согласно заявляемому изобретению, скрепляют, используя склеивание или механическое скрепление, в частности, прошивку.

Исследования, проведенные по источникам патентной и научно-технической информации, показали, что заявляемые применение фольги ТРГ и конструкция изготовленного из нее электронагревательного элемента неизвестны и не следуют явным образом из изученного уровня техники, то есть, находятся в соответствии с критериями "Новизна" и "Изобретательский уровень".

Удельное электросопротивление фольги ТРГ находится в пределах (7 - 20)•10^-6 Ом•м. Это сравнимо с удельным сопротивлением искусственного мелкозернистого графита и углерод-углеродного волокнистого композита. Поэтому замена этих материалов на фольгу ТРГ не повлечет за собой изменения электрической схемы существующих трансформаторов и силовой сети нагревательных установок. Это обеспечит применение электронагревательного элемента из фольги ТРГ в конструкции высокотемпературных печей, в том числе печей для термообработки твердых фракционированных материалов и, в частности, для высокотемпературного восстановления или синтеза в твердой фазе. Таким образом, заявляемый объект является промышленно применимым.

Цена фольги ТРГ в настоящее время сравнима с ценой конструкционных графитов и в несколько раз ниже волокнистых углерод-углеродных композиционных материалов. В целом, данная совокупность существенных признаков позволяет решить поставленную задачу - создать дешевый и гибкий углеродный электронагревательный элемент, позволяющий снизить эксплуатационные расходы и упростить конструкцию печи сопротивления.

В настоящее время фольга ТРГ выпускается в виде гибкой ленты толщиной 0,05 - 0,5 миллиметров, шириной 0,5 метра, длиной до 100 метров. Это позволяет вырезать листовые заготовки произвольной формы, изгибать их и набирать электронагревательные элементы в виде пакетов.

Число слоев фольги ТРГ в электронагревательном элементе определяется из его электрического сопротивления по заданным размерам пакета по длине L и ширине B. Электрическое сопротивление электронагревательного элемента задается подводимыми электрической мощностью P и электрическим напряжением U. При толщине листа фольги H и продольном удельном сопротивлении ρ для пакета постоянного сечения суммарное число N параллельно соединенных листов в электронагревательном элементе определяется по формуле (1):
N = (P•L•ρ)/(U²•B•H). (1)
Электрическое подсоединение электронагревательных элементов из фольги ТРГ к токоподводам осуществляется зажимами, аналогичными применяемым при подключении электронагревательных элементов, изготовленных из других углеродных материалов. При этом гибкость и упругость листов фольги ТРГ обеспечивает электрическое подключение с низким переходным контактным сопротивлением между листами в пакете и между пакетом и токоподводами.

Для выпуска воздуха, заключенного в порах между слоями из чешуек терморасширенного графита и расширяющегося при быстро осуществляемых нагреве или вакуумировании, фольгу ТРГ перфорируют. Расстояние между перфорациями составляет от H до 30H, где H - толщина фольги, более плотная перфорация разрушает материал, более редкая неэффективна.

При значительных линейных размерах возможно расслоение удаленной от токоподводов части пакетов, что создает условие электрического замыкания крайних листов с теплоизоляцией или садкой внутри рабочего пространства печи. Для предотвращения этого листы фольги ТРГ в пакете скрепляют, для чего может быть использовано склеивание термостойким клеем, скрепление углеродным или любым другим термостойким крепежом, в частности, прошивка углеродной нитью, или любые другие способы скрепления. Расслоение по краям предотвращается прошивкой с расположением строчки вдоль краев. Прошивка центральной части пакета предотвращает его раздувание расширяющимся воздухом при разогреве или вакуумировании.

На чертеже представлен общий вид электронагревательного элемента в аксонометрической проекции, с разрезом вдоль шва, скрепляющего листы фольги.

Электронагревательный элемент (см. чертеж) состоит из пакета листов фольги 1, скрепленного в рабочей зоне строчками швов по краям 2 и центральной 3. В области контактных зон прошивка не требуется, так как листы фольги в ней сжаты друг с другом токоподводными зажимами. Для предотвращения разлохмачивания углеродной нити швов на поверхности пакета 4 дополнительно промазывают карбонизующимся клеевым составом на основе высокомолекулярных коксующихся углеводородов или углеводов, например, раствором бакелита в ацетоне или водным раствором сахара. При нагреве отвердевший клей карбонизуется и его коксовый остаток образует спеченное скрепление волокон углеродных нитей. Внутренние слои фольги ТРГ сохраняют относительную подвижность вследствие гибкости внутренних участков нитей шва 5, показанных в области разреза на чертеже. Поэтому при неравномерном нагреве по толщине электронагревательного элемента в нем не создаются термические напряжения.

Расстояние между строчками и краем нагревательного элемента, а также шаг швов находятся в пределах от N•H до 10N•H, где N•H - размер нагревательного элемента по толщине. Если это расстояние меньше N•H, то шов нарушает прочность листов фольги, а если больше 10N•H, то скрепляющее действие шва оказывается недостаточным и листы фольги между скрепляющими элементами расслаиваются.

Величина промежутка между строчками находится в пределах от N•H до 0,5B, где B - ширина пакета листов фольги. Минимальное значение этого расстояния определяется сохранением прочности фольги между строчками швов, а максимальное определяется необходимостью создания хотя бы одного центрального шва.

Если скрепление волокон в углеродных нитях на поверхности электронагревательного элемента отсутствует, то возможно отделение отдельных волокон от нити. Эти волокна производят электрическое замыкание нагревательного элемента с помещенной в рабочем объеме печи садкой или с термоизоляцией печи.

При ремонте скрепляющие пакет фольги нити удаляются, и изношенные крайние листы фольги ТРГ в пакетах заменяются, пакет прошивается, и швы промазываются карбонизующимся составом, после чего электронагревательный элемент пригоден к эксплуатации.

Теплопроводность фольги ТРГ составляет поперек слоев 7 Вт/м, вдоль слоев - 220 Вт/м. Низкая теплопроводность фольги поперек слоев создает условия работы внешних слоев в пакетах электронагревательных элементов как дополнительной теплоизоляции рабочего объема печи, что дополнительно снижает расход электроэнергии при эксплуатации.

Пример конкретного осуществления заявляемого электронагревательного элемента.

Электронагревательные элементы из фольги ТРГ использованы при создании вакуумной печи сопротивления типа СНВЛ. Вакуумная печь имела силовой трансформатор марки ОСУ 40 мощностью 40 кВт с коэффициентом трансформации 10, напряжение высокой стороны регулировалось тиристорным преобразователем.

Электронагревательный элемент был изготовлен в виде пакета из листов фольги одного размера. Листы фольги предварительно перфорировались прокалыванием иглой с расстоянием между проколами 6 мм на 6 мм. В пакете листы фольги ТРГ скреплялись швами из углеродной нити УН-2. Шаг стежков при прошивке 15 - 20 мм. Швы расположены вдоль краев пакета и продольный шов посредине. Находящиеся на поверхности пакета углеродные нити были промазаны бакелитовым лаком, который при нагреве карбонизовался и в дальнейшем закоксовался, скрепив отдельные волокна в них. Это предотвратило разлохмачивание углеродных нитей на поверхности пакетов, при этом находящиеся в объеме пакета углеродные нити сохранили гибкость.

Длина пакета составляла 750 мм, ширина пакета 170 мм, толщина листа фольги 0,5 мм. Удельное электросопротивление фольги составляет 8,5 мкОм•м. Опытным путем установлено, что при достижении рабочей температуры 1500^oC снижение сопротивления электронагревательного элемента составило 5%. Используемая мощность трансформатора печи при термообработке 20 кВт, напряжение высокой стороны 220 В, коэффициент трансформации 10, напряжение низкой стороны принято для расчета 22 В. Два электронагревательных элемента печи электрически подсоединены последовательно. При изготовлении электронагревательных элементов использовалось определенное по формуле (1) число листов в каждом из двух пакетов, равное 6.

Два электронагревательных элемента в печи располагались параллельно на расстоянии 180 мм, внутреннее пространство между ними образует прямоугольную в сечении рабочую зону. Электронагревательные элементы помещались внутрь теплоизоляционного углеродистого кожуха в виде прямоугольной призмы.

Пакеты зажимались по всей ширине на каждом конце между плоскими поверхностями графитовых токоподводов и графитовых прижимных пластин при помощи двух графитовых винтов. Область контактирования составляла 60 мм в длину. Графитовые блоки токоподводов соединялись резьбовым соединением с медными водоохлаждаемыми вакуумными токовводами, выходящими наружу из откачиваемого внешнего водоохлаждаемого корпуса печи через вакуумные уплотнения.

При эксплуатации печи установлено, что использование электронагревательных элементов со швами, не промазанными бакелитовым лаком, приводило к разлохмачиванию поверхностных участков углеродных нитей. При разлохмачивании образовывались отдельные волокна, контактирующие с углеродной теплоизоляцией, что приводило к образованию электрических микродуг и эрозии материала фольги на прилегающих участках.

Всего проведено 15 кампаний по синтезу высокотемпературного карбида. Садка каждой кампании составляла 10 кг. Температура выдержки составляла 1500^oC, время выдержки три - четыре часа, общее время выдержки за 15 кампаний составило 50 часов, потребляемая мощность во время подъема температуры находилась в пределах от 10 до 20 кВт, при выдержке потребляемая мощность составляла 9- 12 кВт.

За время эксплуатации электрическое сопротивление электронагревательного элемента не изменилось, механические повреждения и осыпание материала ТРГ на его поверхности отсутствовали.

Электронагревательные элементы из фольги ТРГ установлены взамен используемых в подобных печах волокнистых углерод-углеродных электронагревательных элементов.

Применение: в конструкции высокотемпературных электронагревательных агрегатов, а том числе печей сопротивления, применяемых в металлургии, порошковой металлургии и для высокотемпературного синтеза. Технический результат: использование пакета фольги терморасширенного графита в качестве электронагревательного элемента снижает эксплуатационные расходы и упрощает конструкцию высокотемпературной печи сопротивления. Сущность изобретения: углеродный электронагревательный элемент изготавливают из листов фольги терморасширенного графита, которые перфорируют, набирают в пакет и скрепляют термостойким крепежом, в частности прошивают углеродной нитью и промазывают швы карбонизующимся при нагреве составом. Строчки швов расположены в продольном направлении по краям и по центру, шаг швов и расстояние между краем пакета и строчками находится а пределах 1 - 10 толщин пакета, а между строчками находится в пределах от 1 толщины пакета до половины его ширины. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Электронагревательный элемент на основе углеродного материала, имеющий контактные зоны и рабочую зону между ними, отличающийся тем, что для его изготовления используется фольга терморасширенного графита, листы фольги перфорированы и набраны в пакет до заданной толщины и электрически параллельно подключены вдоль слоев сжатием токоподводящими пластинами в контактных зонах. 2. Электронагревательный элемент по п.1, отличающийся тем, что в области рабочей зоны листы фольги скреплены. 3. Электронагревательный элемент по п.2, отличающийся тем, что скрепление листов фольги в пакете осуществляется прошивкой углеродной нитью, строчки швов расположены в продольном направлении по краям и по центру, шаг швов и расстояние между краем пакета и строчками находится в пределах 1 - 10 толщин пакета, а между строчками находится в пределах от 1 толщины пакета до половины его ширины. 4. Электронагревательный элемент по п.3, отличающийся тем, что находящиеся на поверхности углеродные нити швов промазаны карбонизирующимся составом.