СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РАБОЧЕГО ЭЛЕМЕНТА ГОРЕЛОК СО СКВОЗНОЙ ПОРИСТОСТЬЮ Российский патент 2008 года по МПК B22F7/04 B22F3/24 C23C14/35 C23C14/02 C23C14/58 

Изобретение относится к технологии изготовления рабочего элемента горелок с открытой сквозной пористостью, в частности газовых, преимущественно металлических изделий, в которых процесс горения углеводородного топлива происходит внутри металловолоконного элемента, преобразующего реакцию горения топлива в инфракрасное излучение.

Известен из патента США 4746287, кл. F23D, 14/14, 1988 г. способ изготовления пористого элемента путем заливки в матрицу тестообразного водного раствора, содержащего в качестве компонентов керамические фибры, связующий неорганический агент в виде геля, испаренный наполнитель и алюминиевый сплав в виде пудры, осажденной на поверхности керамических фибр, сушки сформованного изделия и отжиг его при температуре 600-1000°С.

Известен из патента Российской Федерации 2063304, кл. В22F 3/12, 1994 г. способ брикетирования металлических частиц, например, проволоки путем ее прессования до заданной плотности и пропускания через нее импульса электрического тока.

Известен из патента Великобритании 1190844, кл. D04N, 1/08, 1967 г. способ изготовления пористых структур из металлических фибр, нарезанных из прядей проволоки, сохраняющих форму за счет сил трения при сцеплении фибр между собой, с последующей пропиткой структур в листы и подпрессовкой.

Известен также из патента Японии 52-10407, кл. 10А62, 1977 г. способ изготовления пористых изделий, включающий формование пористой заготовки из металлической проволоки путем сборки последней в слой и прокатки в валках с последующей термической обработкой.

Недостатком приведенных способов является малый ресурс изготавливаемых изделий (несколько часов). Причина этого заключается в неоднородности их структуры, неравномерности распределения в изделиях сквозных каналов по сечению и наличии в них тупиковых пор, из-за чего процесс горения газа или нефтепродуктов происходит неравномерно и имеются зоны локальных температур выше рабочих (≈1200°С), что приводит к быстрому разрушению рабочего элемента и появлению открытого пламени, что ограничивает возможность применения рабочих элементов, изготовленных указанными способами, для нагрева газа в газораспределительных станциях, в нефтеперерабатывающей промышленности.

Наиболее близок по своей сути к предложенному способ изготовления рабочего элемента с открытой сквозной пористостью, включающий формирование проницаемой каркасно-скелетной структуры заготовки из контактирующих друг с другом фибр и объединение их в единое целое посредством термической обработки (патент РФ 2180280, кл. B22F 7/04).

Недостатком указанного способа также является невозможность получения рабочего элемента с длительным (более 5000 часов) ресурсом работы в нагревательных установках для нагрева газа или нефтепродуктов.

При нагревании в условиях горения газа в присутствии кислорода воздуха при температуре 600÷800°С на поверхности металлической проволоки, из которой изготавливают рабочий элемент, происходит процесс высокотемпературного окисления и процесс сульфидно-окисной коррозии. Сера является попутным элементом углеводородных газов. Входящий в состав металлической проволоки хром вступает в реакцию с кислородом воздуха и образует плотную пассивирующую пленку. Однако в условиях присутствия серы и высокой температуры эта пленка легко разрушается с образованием сульфидов, которые имеют рыхлую структуру, что резко снижает ресурс рабочего элемента.

Задачей изобретения является увеличение (более 5000 часов) ресурса работы рабочих элементов горелки за счет защиты их поверхности от сульфидно-окисной коррозии.

Решение данной задачи достигается тем, что в способе изготовления рабочего элемента горелок со сквозной пористостью, включающем формирование проницаемой каркасно-скелетной структуры из контактирующих друг с другом фибр и объединение их в единое целое посредством термической обработки до диффузионного проникновения, на полученный рабочий элемент наносят алюминиевый слой толщиной 5÷12 мкм методом магнетронного распыления в вакууме плоским магнетроном с разбалансированным магнитным полем, при этом в качестве мишеней используют алюминий чистотой не менее 95%, причем перед нанесением алюминиевого слоя поверхность рабочего элемента активируют ионным источником, а после нанесения алюминиевого слоя проводят диффузионный отжиг до проникновения алюминия в поверхность рабочего элемента на глубину не менее 1,5 мкм.

Сущность предложенного способа изготовления рабочего элемента заключается в том, что на полученный рабочий элемент наносят алюминиевый слой толщиной 5÷12 мкм методом магнетронного распыления в вакууме плоским магнетроном с разбалансированным магнитным полем, при этом в качестве мишеней используют алюминий чистотой не менее 95%, причем перед нанесением алюминиевого слоя поверхность рабочего элемента активируют ионным источником, а после нанесения алюминиевого слоя проводят диффузионный отжиг до проникновения алюминия в поверхность рабочего элемента на глубину не менее 1,5 мкм.

После изготовления рабочего элемента горелок со сквозной пористостью, включающего формирование проницаемой каркасно-скелетной структуры из контактирующих друг с другом фибр и объединение их в единое целое посредством термической обработки, на полученный рабочий элемент наносят алюминиевый слой толщиной 5÷12 мкм методом магнетронного распыления в вакууме плоским магнетроном с разбалансированным магнитным полем, при этом в качестве мишеней используют алюминий чистотой не менее 95%, причем перед нанесением алюминиевого слоя поверхность рабочего элемента активируют ионным источником, а после нанесения алюминиевого слоя проводят диффузионный отжиг до проникновения алюминия в поверхность рабочего элемента на глубину не менее 1,5 мкм. Экспериментально установлено, что при образовании диффузионного слоя менее 1,5 мкм невозможно достигнуть ресурса работы рабочего элемента 5000 часов и более.

Алюминиевый слой наносят вакуумным методом, преимущественно магнетронным распылением с планерного магнетрона с разбалансированным магнитным полем. В качестве мишени используют алюминий марки чистоты не менее А95. Использование алюминия с большим содержанием примесей приводит к образованию, наряду с оксидом алюминия, других окислов, которые снижают ресурс работы рабочего элемента до значений менее 100 часов. Применение в качестве мишени алюминия с меньшим содержанием примесей экономически нецелесообразно. Для активации поверхности, на которую наносят алюминий, используют ионный источник типа радикал с ускоряющим напряжением 2000 В.

Скорость распыления 0,7÷1,2 мкм/мин, чему соответствует толщина алюминиевого слоя от 5 до 12 мкм. При получении толщины менее 5 мкм требуемый ресурс (более 5000 часов) рабочего элемента не достигается. А при получении слоя алюминия более 12 мкм за счет внутренних напряжений слоя возможно частичное или, в некоторых случаях, полное отслоение слоя алюминия от поверхности рабочего элемента. Для получения равномерного слоя алюминия в процессе осаждения покрытия рабочий элемент вращается. Тем самым достигается максимальное проникновение алюминия в волокнистую структуру рабочего элемента.

Вторая стадия отработки поверхности рабочего элемента заключается в проведении диффузионного отжига. Тем самым достигается внедрение слоя алюминия не менее чем до 1,5 мкм в основу рабочего элемента.

Пример осуществления предложенного способа.

Предварительно изготавливают рабочий элемент из сплава фехреля или нихрома или из других высокотемпературных сплавов. Рабочий элемент помещают в вакуумную камеру таким образом, чтобы его можно было вращать в молекулярном потоке алюминия. Алюминий распыляют магнетронным способом.

Время нанесения покрытия составляет от 8 до 15 минут. Давление в процессе распыления 10^-3÷10^-4 мм рт.ст. Рабочий газ - аргон. По окончании процесса нанесения алюминиевого слоя рабочий элемент отжигают в вакуумной печи при давлении 5·10^-4 мм рт.ст., температуре 900±10°С, время отжига 60÷90 мин.

Результаты испытаний.

Сравнительные испытания рабочих элементов с покрытием из алюминия и без покрытия показали, что ресурс работы рабочего элемента без покрытия составил ≈500 часов, а с покрытием из алюминия толщиной ≈8 мкм составил ≈9700 часов.

Изобретение относится к способам изготовления рабочего элемента горелок со сквозной пористостью и может быть использовано в установках для газовой, нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности, например при изготовлении нагревателей газа на газораспределительных станциях. Способ включает формирование проницаемой каркасно-скелетной структуры из контактирующих друг с другом фибр и объединение их в единое целое посредством термической обработки до диффузионного проникновения. После чего на полученный рабочий элемент наносят алюминиевый слой толщиной 5÷12 мкм методом магнетронного распыления в вакууме плоским магнетроном с разбалансированным магнитным полем, при этом в качестве мишени используют алюминий чистотой не менее 95%. Перед нанесением алюминиевого слоя поверхность рабочего элемента активируют ионным источником, а после нанесения алюминиевого слоя проводят диффузионный отжиг до проникновения алюминия в поверхность рабочего элемента на глубину не менее 1,5 мкм. При этом значительно увеличивается ресурс работы рабочего элемента горелок.

Способ изготовления рабочего элемента горелок со сквозной пористостью, включающий формирование проницаемой каркасно-скелетной структуры из контактирующих друг с другом фибр с объединением их в единое целое посредством термической обработки до диффузионного проникновения, отличающийся тем, что после термической обработки поверхность полученной заготовки активируют ионным источником, после чего на заготовку наносят алюминиевый слой толщиной 5÷12 мкм методом магнетронного распыления в вакууме плоским магнетроном с разбалансированным магнитным полем, при этом в качестве мишени используют алюминий чистотой не менее 95%, а после нанесения алюминиевого слоя проводят диффузионный отжиг до проникновения алюминия в поверхность заготовки на глубину не менее 1,5 мкм.