СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КАРБИДКРЕМНИЕВЫХ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЧЕРНОГО КАРБИДА КРЕМНИЯ Российский патент 2001 года по МПК C04B35/565 C04B35/573 

Изобретение относится к способу изготовления карбидкремниевых электронагревателей, преимущественно диаметром 20-25 мм, используемых в электрических печах сопротивления в керамической и металлообрабатывающей промышленности, в промышленности по производству полупроводников и стекла.

Известен способ изготовления карбидкремниевых электронагревателей путем мундштучного формования или вибротрамбовки массы, состоящей из карбида кремния зеленого, небольших добавок (до 1,5%) ламповой сажи и связующего (жидкое стекло или бакелит) с последующим силицирующим обжигом в печах сопротивления, в засыпках, содержащих карбид кремния, кварцевый песок, нефтяной кокс и разрыхлитель (см. "Спеченные материалы для электротехники и электроники ", справочник под редакцией Гнесина Г.Г., М., "Металлургия", 1981 г., с. 252-255). При этом свойства электронагревателей после силицирующего обжига должны удовлетворять следующим требованиям: содержание карбида кремния SiC не менее 97% и открытая пористость активной части не более 29%.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному техническому решению является способ изготовления карбидкремниевых электронагревателей на основе карбида кремния зеленого различных фракций и технического углерода, их смешение и увлажнение раствором жидкого стекла плотностью 1,32-1,35 г/см³, формование стержней, сушка и первичный обжиг (термообработка), подготовка и обмазка стержней токопроводящей пастой, силицирующий обжиг в засыпке кварцевого песка (75 + 0,5), литейного кокса (25+0,5), плавиковошпатового концентрата (5+0,5, 5% сверх 100%) при максимальной мощности 13-14 кВт и времени выдержки при максимальной мощности 50 - 7 минут (см. "Технологическая инструкция" ТИ-200-0.45.95 часть 1, с. 71-81, ОАО "Комбинат "Магнезит").

Недостаток известных способов производства карбидкремниевых электронагревателей заключается в том, что основной исходный материал - карбид кремния зеленый является дефицитным и дорогостоящим, а его производство является вредным (в настоящее время производство карбида кремния зеленого в России практически прекращено). Кроме того, существующая последовательность приготовления массы для формования стержней и режимные параметры силицирующего обжига не позволяют обеспечить требуемый технический результат.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является использование частично или полностью вместо карбида кремния зеленого менее дефицитного и недорогостоящего карбида кремния черного.

Технический результат, который может быть получен при использовании изобретения, заключается в повышении механической прочности, уменьшении пористости и сохранении показателей электрических сопротивлений в допустимых пределах (1-5 Ом) при использовании частично или полностью в качестве основного исходного материала карбида кремния черного с пониженным содержанием SiC.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном способе изготовления карбидкремниевых электронагревателей, включающем приготовление массы путем смешения карбида кремния, сажи и жидкого стекла, двукратную протирку массы через сито, формование стержней, термообработку, подготовку и обмазку стержней токопроводящей пастой и силицирующий обжиг в засыпке, содержащей кварцевый песок, литейный кокс и плавиковошпатовый концентрат, в качестве карбида кремния используют частично или полностью технический порошок карбида кремния черного различных фракций, а связующее - жидкое стекло плотностью 1,28 -1,32 r/см³ при следующем соотношении компонентов,%.

Карбид кремния черный N 160,120 или 100 - 45-55
Карбид кремния зеленый или черный N 6 или М 50 - 10-15
Карбид кремния зеленый или черный N 10 или 12 - 35-40
Сажа ламповая - 1,5-2,5
Связующее жидкое стекло - 50-60 мл на 1 кг сухой массы
при этом подачу и смешивание массы осуществляют в последовательности: подачу карбида кремния черного N 160, 120 или 100 и 50% жидкого стекла, подачу карбида кремния черного или зеленого N 6 или М 50, подачу сажи, подачу карбида кремния черного или зеленого N 10 или 12 и оставшегося жидкого стекла путем заливки тонкой струей на стенку смесителя при общем цикле перемешивания 50-60 мин, для протирки массы используют сита 6-8 мм, а силицирующий обжиг ведут ступенчато с автоматическим управлением по мощности и времени при следующем соотношении компонентов засыпки, мас%:
Кварцевый песок - 65+0,5
Литейный кокс - 35+0,5
Плавиковошпатовый концентрат - 4,8+0,05 (сверх 100%)
Зерновой состав фракций N 160, 100, 12, 10, 6, M 50 указан и расшифрован в ГОСТе 3647 - 80. Зерновой состав марки N 120 приведен в таблице N 1.

Предложенный способ изготовления карбидкремниевых электронагревателей осуществляется следующим образом. Приготовление массы для формования стержней и силицирующий обжиг электронагревателей из карбида кремния черного рассмотрим на примере состава 2-ой таблицы.

В смеситель СМ - 100 подают 50% крупной фракции N 160, 120 или 100, увлажняют жидким стеклом плотностью 1,28-1,32 г/см³ в количестве 50% от необходимого и смешивают в течение 5 мин. Затем добавляют тонкомолотую фракцию N 6 или М 50 в количестве 13% и смешивают 10 мин. После этого подают технический углерод в количестве 2% и смешивают 15 минут. Далее подают среднюю фракцию N 10 или 12 в количестве 35% и осторожно тонкой струей заливается оставшееся жидкое стекло, перемешивание продолжается с переключением направления вращения лопастей при общем цикле смешивания в течение 50 - 60 мин.

Аналогичным способом готовятся массы составов 1,3,4,5.

Изменено процентное содержание силицирующей засыпки для обжига при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Кварцевый песок - 65+0,5
Литейный кокс - 35+0,5
Плавиковошпатовый концентрат - 4,8+0,05 (сверх 100%)
Состав шихты для токопроводящей пасты взят по прототипу и включает:
Кварцевый песок - 48+0,1%
Графит - 39+0,1%
Декстрин - 13+0,005%
Воду - 48-50% от веса сухой шихты.

Силицирующий обжиг стержней проводят на электрической печи сопротивления ступенчато с автоматическим управлением по мощности и времени.

Использование карбида кремния черного для изготовления электронагревателей стало возможным за счет изменения следующих технологических параметров:
1. Рационального сочетания крупных, средних и мелких фракций карбида кремния, увеличения содержания сажи и уменьшения плотности жидкого стекла.

2. Определенной последовательности подачи компонентов в смеситель при приготовлении массы для формования стержнем и циклическом перемешивании по времени.

3. Изменение процентного содержания компонентов засыпки: увеличение литейного кокса и уменьшение плавиковошпатового концентрата.

4. Ступенчатого подвода мощности по времени в процессе силицирующего обжига, при котором создаются определенные температурные условия, обеспечивающие более полное протекание всех физико-химических процессов.

Примеры выполнения способа, составов, и полученные при этом свойства изделий приведены в таблице N 2.

Анализ приведенных в таблице данных, свидетельствует, что при взаимодействии углерода, паров кремнезема разложившегося жидкого стекла в нагревателе и паров кремнезема, углерода в разогретой засыпке образуется вторичный карбид кремния, который увеличивает общее содержание SiC и связывает зерна исходного карбида кремния, тем самым улучшаются электрические свойства, увеличивается механическая прочность, снижается брак (лом).

Изобретение относится к способу изготовления карбидкремниевых нагревателей преимущественно диаметром 20-25 мм, используемых в печах сопротивления в керамической и металлообрабатывающей промышленности, в промышленности по производству полупроводников и стекла. Последовательно при одновременном перемешивании в смеситель подают: черный карбид кремния 160, 120 или 100 45-55 мас.%, половину жидкого стекла плотностью 1,28-1,32 г/см³, карбид кремния 6 или М50 10-15 мас.%, сажу 1,5-2,5 мас.%, карбид кремния 10 или 12 35-40 мас. % и оставшееся жидкое стекло при общем цикле перемешивания 50-60 мин, жидкое стекло берут из расчета 50-60 мл на 1 кг сухой массы. Массу протирают через сито 6-8 мм, формируют стержни, термообрабатывают, наносят токопроводящую пасту и ведут ступенчатый силицирующий обжиг в засыпке из кварцевого песка, литейного кокса и плавиковошпатового концентрата. Электронагреватели из масс с применением карбида кремния черного, изготовленные по предложенному способу, отличаются повышенной механической прочностью, снижением пористости и снижением брака при транспортировке с сохранением показателей электросопротивления в допустимых пределах. 1 з.п.ф-лы, 3 табл.

1. Способ изготовления карбидкремниевых электронагревателей, включающий приготовление массы путем смешивания карбида кремния, сажи и жидкого стекла, двукратную протирку массы через сито, формование стержней, термообработку, подготовку и обмазку стержней токопроводящей пастой и силицирующий обжиг в засыпке, содержащей кварцевый песок, литейный кокс и плавиковошпатовый концентрат, отличающийся тем, что в качестве карбида кремния используют полностью или частично технический порошок карбида кремния черного различных фракций, в качестве связующего - жидкое стекло плотностью 1,28-1,32 г/см³ при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Карбид кремния черный 160,120 или 100 - 45 - 55
Карбид кремния зеленый или черный 6 или М50 - 10 - 15
Карбид кремния зеленый или черный 10 или 12 - 35 - 40
Сажа ламповая - 1,5 - 2,5
Жидкое стекло - 50 - 60 мл на 1 кг сухой массы
при этом подачу и смешивание компонентов осуществляют в следующей последовательности: карбид кремния 160, или 120, или 100, 50% жидкого стекла, карбид кремния 6 или М50, сажа, карбид кремния 10 или 12 и оставшееся жидкое стекло при общем цикле перемешивания 50-60 мин, для протирки массы используют сита 6 - 8 мм, а силицирующий обжиг ведут ступенчато с автоматическим управлением по мощности и времени при следующем соотношении компонентов засыпки, мас.%:
Кварцевый песок - 65 + 0,5
Литейный кокс - 35 + 0,5
Плавиковошпатовый концентрат - 4,8 + 0,05 (сверх 100%)
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что параметры ступенчатого автоматического управления по мощности и времени при силицирующем обжиге берут в следующих пределах: для первой ступени подводимая мощность составляет 7 - 9 кВт в течение 5 - 10 мин, для второй соответственно 14 - 17 кВт и 10 - 20 мин, для третьей 20 - 23 кВт и 15 - 20 мин, для четвертой 24 - 25 кВт и 20 - 25 мин, для пятой 15 - 20 кВт и 15 - 20 мин.