СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КАРБИДКРЕМНИЕВЫХ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЕЙ Российский патент 2001 года по МПК H05B3/14 

Изобретение относится к области электротехнической промышленности, а именно к технологии изготовления карбидкремниевых электронагревателей, предназначенных для использования в печах при температуре на поверхности рабочей части электронагревателя до 1450^oC.

Предшествующий уровень техники
Известен способ изготовления карбидкремниевых электронагревателей, заключающийся в том, что изготавливают методом пластичного прессования из формовочной массы заготовки токоподводов и их рабочих частей в виде трубчатых стержней, после формования осуществляют сушку заготовок рабочих частей и токоподводов, механически обрабатывают заготовки под требуемый типоразмер, в частности обрезают их до определенной длины и выравнивают торцы, затем производят силицирование заготовок токоподводов при помощи обжига в силицирующей массе и в инертной среде, после этого присоединяют токоподводы к концам рабочих частей и получают заготовки электронагревателей, охлаждают заготовки электронагревателей и производят поверхностную металлизацию их концов. Описанная технология была реализована на установке для изготовления карбидкремниевых электронагревателей, введенной в эксплуатацию на Запарожском огнеупорном заводе в 1970 г. (кн. "Кабидкремниевые электронагревателя" (Материалы Всесоюзной конференции по нагревателям, состоявшейся 19-21 октября 1971 г. в г. Ленинграде), изд.МИНЧЕРМЕТ CССР, Ленинград, 1975, с 37-43).

К недостаткам известной технологии изготовления карбидкремниевых электронагревателей относятся сложность оборудования, применяемого при ее осуществлении, и как следствие высокая себестоимость производимой по данной технологии продукции, а также недостаточное качество выпускаемой продукции, обусловленное неоднородностью структуры материала стержней рабочей части и токоподводов.

Раскрытие изобретения
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка способа изготовления карбидкремниевых электронагревателей, обеспечивающего повышение качества выпускаемой продукции за счет снижения пористости нагревателей, а также обеспечивающего более длительный срок эксплуатации за счет существенного расширения диапазона требуемых вольтамперных характеристик и увеличения времени "старения" изделия. Технический результат, достигаемый настоящим изобретением, заключается в улучшении механических характеристик и химической стойкости частей электронагревателя, содержащих карбидкремний, за счет увеличения доли карбидной фазы в составе материала и оптимизации ее структуры. Кроме этого, изобретение позволяет существенно расширить гамму выпускаемого ассортимента продукции и упростить технологический процесс путем сокращения ряда вспомогательных операций.

Для решения поставленной задачи и достижения технического результата в известном способе изготовления карбидкремниевых электронагревателей, заключающемся в том, что изготавливают методом пластичного прессования из формовочной массы заготовки токоподводов и их рабочих частей, осуществляют сушку заготовок рабочих частей и токоподводов, механически обрабатывают заготовки под требуемый типоразмер, производят силицирование заготовок токоподводов при помощи обжига в силицирующей массе и в инертной среде, после этого присоединяют токоподводы к концам рабочих частей с возможностью изготовления заготовки электронагревателя, охлаждают заготовки электронагревателей и производят поверхностную металлизацию их концов, при этом сушку заготовок рабочих частей после пластического формования осуществляют с переменной температурой, меняющейся от 0^oC до 110^oC со скоростью 15^oC и выдерживают их не менее 5 ч,
- сушку заготовок токоподводов после пластического формования производят в несколько температурных этапов:
первый этап - с температурой, изменяющейся от 0^oC до 75^oC со скоростью 20^oC/ч, и выдерживают их не менее 3 ч,
второй этап - с температурой, изменяющейся от 65^oC до 110^oC со скоростью 15^oC/ч, и выдерживают их не менее 3 ч,
третий этап - с температурой, изменяющейся от 100^oC до 140^oC со скоростью 15^oC/ч, и выдерживают их не менее 12 ч,
- затем кальцинируют заготовки путем высокотемпературной их обработки с температурой, изменяющейся до 550^oC со скоростью 90^oC/ч,
- при силицировании заготовок токоподводов производят их непрерывный обжиг при температуре от 2050^oC до 2150^oC, а присоединение токоподводов к концам рабочих частей осуществляют при помощи клеящего вещества с последующей термообработкой заготовки электронагревателя в инертной среде, при этом термообработку склеенных заготовок электронагревателей осуществляют при температуре от 1800^oC до 2000^oC.

Возможны и другие варианты выполнения способа, согласно которым необходимо, чтобы:
- непрерывный обжиг заготовок токоподводов при их силицировании осуществлялся бы в атмосфере азота,
- высокотемпературную обработку заготовок при их кальцинировании осуществляли бы при помощи высокотемпературной сушилки,
- силицирующая смесь содержала бы кремний технический, графит, патоку крахмальную, буру или карбид бора, при этом указанные компоненты находились бы в следующем соотношении, мас.%:
Кремний технический - 84,8 - 87,7
Графит - 6,0 - 7,4
Патока крахмальная - 6,0 - 7,4
Бура или карбид бора - 0,3 - 0,4
- клеящее вещество приготавливали бы из сухой смеси, состоящей из графита или нефтяного кокса, карбида кремния зеленого, при этом указанные компоненты сухой смеси выбирают в следующем соотношении, мас.%:
Графит или нефтяной кокс - 3,0 - 7,0
Карбид кремния зеленый фракция с размером частиц 150 - 200 мкм - 58,0 - 60,0
Карбид кремния зеленый фракция с размером частиц 5 - 20 мкм - 35,0 - 37,0,
а перед использованием клеящего вещества в сухую смесь дополнительно вводят смолу и отвердитель количеством - на 1 кг смеси 147 - 154 г смолы и 11 - 17 г отвердителя, затем перемешивают массу до получения сметанообразного состояния.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязанными между собой причинно-следственной связью с образованием совокупности существенных признаков, достаточных для достижения технического результата.

Лучший вариант осуществления изобретения
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером выполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения данной совокупностью признаков заданного технического результата.

В соответствии с настоящим изобретением способ изготовления карбидкремниевых электронагревателей заключается в выполнении следующих операций:
- методом пластичного прессования изготавливают из формовочной массы заготовки токоподводов и их рабочих частей в виде стержней,
- после пластического формования осуществляют сушку заготовок рабочих частей с температурой, меняющейся от 0^oC до 110^oC со скоростью 15^oC/ч, выдерживают их при температуре 110^oC не менее 5 ч.

- сушку заготовок токоподводов производят после пластического формования в несколько температурных этапов:
первый этап - с температурой, изменяющейся от 0^oC до 75^oC со скоростью 20^oC/ч,
- выдерживают их при температуре 65^oC не менее 3 ч,
второй этап - с температурой, изменяющейся от 65^oC до 110^oC со скоростью 15^oC/ч,
- выдерживают их при температуре 100^oC не менее 3 ч,
третий этап - с температурой, изменяющейся от 100^oC до 140^oC со скоростью 15^oC/ч,
- выдерживают их при температуре 130^oC не менее 12 ч.

После этого полученные заготовки кальцинируют путем высокотемпературной их обработки с температурой, изменяющейся до 550^oC со скоростью 90^oC/ч, при этом эту операцию осуществляют в высокотемпературной сушилке.

Далее их механически обрабатывают под требуемый типоразмер, в частности отрезают требуемой длины и подготавливают торцы для соединения.

После этого в соответствии с технологическим процессом производят силицирование заготовок токоподводов при помощи обжига в силицирующей массе и в инертной среде, в частности в атмосфере азота. При этом силицировании заготовок токоподводов производят их непрерывный обжиг при температуре от 2050^oC до 2150^oC.

Таким образом, синтез карбидов не сопровождается выделением каких-либо попутных продуктов, что очень существенно для снижения микропористости готового изделия и, соответственно, повышения его прочности.

Затем присоединяют концы токоподводов к концам рабочих частей с возможностью получения заготовки электронагревателя. Присоединение токоподводов к концам рабочих частей осуществляют при помощи клеящего вещества с последующей термообработкой заготовки электронагревателя в инертной среде, при этом термообработку склеенных заготовок электронагревателей осуществляют при температуре от 1800^oC до 2000^oC.

После выполнения этих операций заготовки электронагревателей охлаждают и производят поверхностную металлизацию их концов.

Для изготовления электронагревателей высокого качества силицирующая смесь, используемая при силицировании заготовок токоподводов, должна содержать кремний технический, графит, патоку крахмальную, буру или карбид бора, при этом указанные компоненты находятся в следующем соотношении, мас.%:
Кремний технический - 84,8 - 87,7
Графит - 6,0 - 7,4
Патока крахмальная - 6,0 - 7,4
Бура или карбид бора - 0,3 - 0,4
Одной из особенностей настоящего изобретения является то, что используемую при соединении частей электронагревателя клеящее вещество приготавливают из сухой смеси, состоящей из графита или нефтяного кокса и карбида кремния зеленого, при этом указанные компоненты сухой смеси выбирают в следующем соотношении, мас.%:
Графит или нефтяной кокс - 3,0 - 7,0
Карбид кремния зеленый фракция с размером частиц 150 - 200 мкм - 58,0 - 60,0
Карбид кремния зеленый фракция с размером частиц 5 - 20 мкм - 35,0 - 37,0,
а перед использованием клеящего вещества в сухую смесь дополнительно вводят смолу и отвердитель количеством - на 1 кг смеси 147-154 г смолы и 11-17 г отвердителя, затем перемешивают массу до получения сметанообразного состояния.

В результате выполнения указанных выше операций изготавливают высококачественные карбидкремниевые электронагреватели.

В качестве доказательства реализации изобретения может служить следующий пример.

1. Для приготовления формовочной массы токоподводов используют карбид кремния черного марки "32" ГОСТ 36470-80 в количестве 5,2 кг и марки "16" в количестве 8,6 кг, муку пшеничную высшего сорта - 2,2 кг, гласкол - 0,8 кг, графита "ЭУТ -2" - 6,0 кг и воду - 4,5 ± 0,25 кг в зависимости от влажности воздуха. Указанные компоненты взвешивают на весах с точностью ± 20 г, загружают в мешалку Хоберта и перемешивают в течение 10 мин на 1-й скорости. В сухую перемешанную смесь мерной емкостью добавляют воду. Перемешивание продолжают в течение 10 мин на 1-й скорости, а затем в течение 15 мин на 2-й скорости, общее время перемешивания массы 35 мин. Массовая доля влаги формовочной массы должна быть в пределах 17-22%.

2. Для приготовления формовочной массы рабочих частей используют карбид кремния зеленый марки "16" в количестве 12,0 кг, марки "10" 10,5 кг и марки "М-20" 7,5 кг, метилцеллюлозу 0,7 кг, декстрин 0,6 кг и воду 4,5 ± 0,2 кг также в зависимости от влажности воздуха. Указанные компоненты взвешивают на весах с точностью ± 20 г, загружают в мешалку Хоберта и перемешивают в течение 5 мин на 1-й скорости. В сухую перемешанную смесь мерной емкостью добавляют воду. Перемешивание продолжают в течение 10 мин на 1-й скорости, а затем в течение 10 мин на 2-й скорости, общее время перемешивания массы 25 мин. Массовая доля влаги формовочной массы должна быть для рабочих частей диаметром от 8 до 18 мм в пределах 11-14%, а диаметром более 25 мм - в пределах 7-10%.

3. Прессование заготовок рабочих частей и токоподводов производят на прессе ВР-340 через мундштуки в виде трубок, диаметр мундштуков и сердечников выбирают в зависимости от типа нагревателей: КЭН АПС или КЭН ВПС, при этом длину прессуемых заготовок задают согласно типоразмеру (с учетом обрезки) на 50-100 мм больше заданной.

4. Сушку заготовок токоподводов и рабочих частей с диаметром от 8 до 18 мм осуществляют на воздухе в течение не менее 12 ч, а диаметром более 18 мм - не менее 8 ч, а затем помещают в сушильный шкаф, начальная температура в котором должна быть не более 30^oC. После чего для сушки рабочих частей поднимают температуру до 110^oC со скоростью 15^oC/ч и выдерживают при температуре 110^oC в течение 8 ч (всего 14 ± 1 ч), а для сушки токоподводов поднимают температуру до 65^oC со скоростью 20^oC/ч, выдерживают при температуре 65^oC в течение 3 ч, поднимают температуру до 100^oC со скоростью 15^oC/ч, выдерживают при температуре 100^oC в течение 3 ч, поднимают температуру до 130^oC со скоростью 15^oC/ч, выдерживают при температуре 130^oC в течение 12 ч (всего 24 ± 2 ч). После окончания сушки рабочие части и токоподводы охлаждают в сушильном шкафу в течение не менее 2 ч.

5. Токоподводы кальцинируют при температуре 550 ± 10^oC в атмосфере азота, при этом поднимают температуру окружающей среды до 350^oC (1 ± 0,25) ч, выдерживают при температуре 350^oC 3 ч, поднимают температуру от 350^oC до 550^oC 1 ч и выдерживают при температуре 550^oC -(1 ± 0,25) ч, всего 6 ± 0,5 ч. Время охлаждения камеры после отключения высокотемпературной сушилки не менее 12 ч в атмосфере азота.

6. Обжиг рабочих частей проводят в печи непрерывного обжига, при этом температура зоны подогрева печи от 500 до 550^oC, а температура обжига от 2350 до 2600^oC в среде азота два раза.

7. Затем производят резку рабочих частей и токоподводов на заданные типоразмеры. При резке рабочих частей используют алмазный круг, охлаждаемый водой. C каждой стороны заготовки должно быть отрезано не менее 50 мм, после чего заготовки необходимо высушить в сушильном шкафу в течение не менее 2 ч при температуре 100-120^oC. При резке токоподводов используют сухую распилку алмазным кругом.

8. Следующая операция включает приготовление силицирующей массы для силицирования токоподводов, состоящей их технического кремния в количестве 25 кг, графита молотого 2,0 кг и патоки крахмальной 2,0 кг. Для обеспечения эффективного силицирования допускается добавлять в силицирующую смесь буру в количестве от 0,13 до 0,15 кг или карбид бора в количестве от 0,1 до 0,12 кг. Указанные компоненты взвешивают на весах с точностью до 20 г, затем загружают в мешалку Хобарта и перемешивают на первой скорости в течение 10 мин. Токоподводы силицируют для снижения сопротивления. Силицирование производят в среде азота с использованием печи непрерывного обжига типа EFCO.

9. Затем производят приготовление клеящего вещества, в состав которого входят графит молотый марки "ЭУТ-2" в количестве 1,0 кг, карбид кремния зеленый марки "16" 12 кг и марки "М-20" 7 кг. Сухие компоненты смешивают в Y-образной мешалке в течение не менее 1 ч. Перед склеиванием на лабораторных весах с точностью до ± 0,5 г взвешивают 150 г смолы и 15 г отвердителя, добавляют в сухую смесь и тщательно перемешивают вручную до сметанообразного состояния. Для склеивания используют "ниппеля", длина которых зависит от типоразмера нагревателя. Нагреватели сушат под лампами в течение от 30 до 60 мин, затем упрочняют швы в печи непрерывного обжига для упрочнения, при этом температура в основной печи должна быть от 1890 до 1960^oC в атмосфере азота.

10. После чего осуществляется поверхностная металлизация, представляющая собой покрытие концов токоподводов распыленным алюминием электрометаллизатором ЭМ-12М. Длина металлизации зависит от диаметра нагревателя.

Из рассмотренного примера следует, что способ изготовления карбидкремниевых электронагревателей позволяет получать изделия на основе карбида кремния с улучшенной структурой и механическими свойствами.

Промышленная применимость
Настоящее изобретение может быть использовано в электротехнической промышленности, а именно в технологии изготовления карбидкремниевых электронагревателей, предназначенных для использования в печах при температуре на поверхности рабочей части электронагревателя до 1450^oC.

Карбидная керамика обладает более широким спектром свойств по сравнению с оксидной керамикой, а именно высокой жаропрочностью и термостойкостью, поэтому изготовление изделий на основе карбидной керамики значительно расширяет возможность применения их в качестве элементов электронагревателей.

Применение данного способа позволяет получать разнообразные керамические материалы, содержащие карбид кремния с улучшенной структурой и механическими свойствами.

Изобретение соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость", поскольку его реализация возможна при использовании существующих средств производства с применением известных технологических операций.

Изобретение может быть использовано в электротехнической промышленности, а именно в технологии изготовления карбидкремниевых электронагревателей. Способ изготовления карбидкремниевых электронагревателей заключается в том, что изготавливают методом пластичного прессования из формовочной массы заготовки токоподводов и их рабочих частей, осуществляют сушку заготовок рабочих частей и токоподводов, механически обрабатывают заготовки под требуемый типоразмер, производят силицирование заготовок токоподводов при помощи обжига в силицирующей массе и в инертной среде, после этого присоединяют токоподводы к концам рабочих частей с возможностью изготовления заготовки электронагревателя, охлаждают заготовки электронагревателей и производят поверхностную металлизацию их концов. Сушку заготовок рабочих частей после пластического формования осуществляют с переменной температурой, меняющейся от 0 до 110°С со скоростью 15°С, и выдерживают их не менее 5 ч, сушку заготовок токоподводов после пластического формования производят в несколько температурных этапов: первый этап - с переменной температурой, изменяющейся от 0 до 75°С со скоростью 20°С/ч и выдерживают их не менее 3 ч, второй этап - с переменной температурой, изменяющейся от 65 до 110°С со скоростью 15°С/ч и выдерживают их не менее 3 ч, третий этап - с переменной температурой, изменяющейся от 100 до 140°С со скоростью 15°С/ч, затем их выдерживают, кальцинируют и присоединяют токоподводы к концам рабочих частей. Изобретение позволяет снизить пористость нагревателей и увеличить срок эксплуатации. 4 з.п. ф-лы.

1. Способ изготовления карбидкремниевых электронагревателей заключающийся в том, что изготавливают методом пластичного прессования из формовочной массы заготовки токоподводов и их рабочих частей, осуществляют сушку заготовок рабочих частей и токоподводов, механически обрабатывают заготовки под требуемый типоразмер, производят силицирование заготовок токоподводов при помощи обжига в силицирующей массе и в инертной среде, после этого присоединяют токоподводы к онцам рабочих частей с возможностью изготовления заготовки электронагревателя, охлаждают заготовки электронагревателей и производят поверхностную металлизацию их концов, отличающийся тем, что сушку заготовок рабочих частей после пластического формования осуществляют с переменной температурой, меняющейся от 0 до 110^oC со скоростью 15^oС/ч и выдерживают их не менее 5 ч, сушку заготовок токоподводов после пластического формования производят в несколько температурных этапов: первый этап - с температурой, изменяющейся от 0 до 75^oC со скоростью 20^oC/ч и выдерживают их не менее 3 ч, второй этап - с температурой, изменяющейся от 65 до 110^oC со скоростью 15^oC/ч и выдерживают их не менее 3 ч, третий этап - с температурой, изменяющейся от 100 до 140^oC со скоростью 15^oC/ч и выдерживают их не менее 12 ч, затем кальцинируют заготовки путем высокотемпературной их обработки с температурой, изменяющейся до 550^oС со скоростью 90^oC/ч, при силицировании заготовок токоподводов производят их непрерывный обжиг при температуре от 2050 до 2150^oC, а присоединение токоподводов к концам рабочих частей осуществляют при помощи клеящего вещества с последующей термообработкой заготовки электронагревателя в инертной среде, при этом термообработку склеенных заготовок электронагревателей осуществляют при температуре от 1800 до 2000^oC. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что непрерывный обжиг заготовок токоподводов при их силицировании осуществляют в атмосфере азота. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что высокотемпературную обработку заготовок при их кальцинировании осуществляют в высокотемпературной сушилке. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что силицирующую смесь содержит кремний технический, графит, патоку крахмальную, буру или карбид бора, при этом указанные компоненты находятся в следующем соотношении, мас.%:
Кремний технический - 84,8 - 87,7
Графит - 6,0 - 7,4
Патока крахмальная - 6,0 - 7,4
Бура или карбид бора - 0,3 - 0,4
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что клеящее вещество приготавливают из сухой смеси, состоящей из графита или нефтяного кокса, карбида кремния зеленого, при этом указанные компоненты сухой смеси выбирают в следующем соотношении, мас.%:
Графит или нефтяной кокс - 3,0 - 7,0
Карбид кремния зеленый фракция с размером частиц 150 - 200 мкм - 58,0 - 60,0
Карбид кремния зеленый фракция с размером частиц 5 - 20 мкм - 35,0 - 37,0
а перед использованием клеящего вещества в сухую смесь дополнительно вводят смолу и отвердитель количеством - на 1 кг смеси 147 - 154 г смолы и 11 - 17 г отвердителя, затем перемешивают массу до получения сметанообразного состояния.