Электрический нагреватель из диоксида циркония

 

Электрический нагреватель из диоксида циркония токовыводными участками из хромита редкоземельного элемента, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и уменьшения ползучести, между активным и токовыводным участками нагревателя размещен соединительный промежуточный слой, выполненный из порошка с дисперсностью 1000-10000 см<SP POS="POST">2</SP>/см<SP POS="POST">3</SP> хромита общей формулы ME<SB POS="POST">1-X</SB>CA<SB POS="POST">X</SB>CRO<SB POS="POST">3</SB>, где ME - лантан, иттрий, взятые вместе или порознь

X=0,05-0,25

токовыводные участки выполнены из хромита формулы ME<SB POS="POST">1-X</SB>CA<SB POS="POST">X</SB>CRO<SB POS="POST">3</SB>, где ME - лантан, иттрий, взятые вместе или порознь

X=0,05-0,30, а активный и токовыводные участки изготовлены из двухфракционных порошков с дисперсностью 60-1000 см<SP POS="POST">2</SP>/см<SP POS="POST">3</SP> и 5000-10000 см<SP POS="POST">2</SP>/са<SP POS="POST">3</SP>, взятых в соотношении 1:4 - 3:1.

А1

СОЮЗ СОВЕТСНИл

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„15259 2

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

СмирМе1 „Са„СгОз

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 3584165/24-07 (22) 24.03.83 (46) 30.11.89. Бюл. К - 44 (72) И.А. Захаров, Н.А. Иофис, В.A. Бурлаков, В.Е. Сотников, Ю.M. Иосин, В.Л. Балкевич, A.M. нитский и А.С. Власов (53) 621.306 ° 662.4 (088.8) (56) Патент США h 4041236, кл. 13/25, 1977.

Патент Франции М 766329, кл. H 05 В 3/12, 1978.

Патент Франции Ф 7511335, кл. Н 05 В 3/14, 1976 (прототип (54) (57) ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ НАГРЕВАТЕЛЬ

ИЗ ДИОКСИДА Щ1РКОНИЯ токовыводными участками из хромита редкоземельного элемента, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и уменьшения ползучести, между активным и токовыводным участкаИзобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим нагревателям из диоксида циркония.

Известен нагреватель с активной частью из диоксида циркония и токовыводными частями из оксида цинка, в которые вмонтирован металлический проводник из нихрома. Такие нагреватели нетермостойки и разрушаются при нагреве переходной части иэ оксида цинка свыше 1200 С в результате испарения оксида цинка.

Известен нагреватепь из диоксида циркония, выполненный из пористого материала, выводные концы которого (51)4 Н 05 В 3/14, С 04 В 35/48

2 ми нагревателя размещен соединительный промежуточный слой, выполненный из порошка с дисперсностью 100010000 см /см хромита общей формулы где Me — лантан, иттрий, взятые вместе или порознь; х = 0,05-0,25, токовыводные участки выполнены из хромита формулы

Me,„Са „СгО з где Me — лантан, иттрий, взятые вместе или порознь; х = 0,05-0,30, а активный и токовыводные участки изготовлены из двухфракционных порошков с дисперсностью 60 †10 см /ем и 5000-10000 см /см3, взятых в соотношении 1:4 — 3: 1. пропитаны хромитом лантана. Такой нагреватель имеет малую устойчивость к деформации под нагрузкой при высоких температурах и сравнительно высокую температуру токовыводных концов, что требует металлизации его благородными металлами (серебро, платина), Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является нагреватель с активной частью иэ диоксида циркония и токовыводными частями иэ хромита редкоземельного элемента, механический и электрический контакт между которыми осуществлен поджатием их с

1525952

Ме 1 „Са„СгО з, 35

Ме, „Са,Cr03, 40

50 помощью упругого элемента при монтаже нагревателя в печи у потребителя. Механический контакт поверхностей керамических материалов не обеспечивает

5 надежного и стабильного электрического контакта, что приводит к появлению микродуг на поверхности соприкосновения. В результате наблюдается эрроэия контактного слоя и, благодаря значигельным механическим напряжениям, возникающим под действием прижимного устройства, имеет место повышенная ползучесть нагревателя при эксплуатации.

Цель изобрет ния †повышен надеж15 ности электрического нагревателя иэ диоксида циркония и уменьшение его ползучести.

Поставленная цель достигается тем, что в нагревателе иэ диоксида циркония с токовыводными участками из хромита редкоземельных элементов размещен соединительный промежуточный слой, выполненный из порошка с дисперсностью 1000-10000 см /см хромита 25 общей формулы где Ме — лантан, иттрий, взятые в:чес — 30 те или порознь, х = 0 05 Ов25 токовыводные части выполнены из хромита формулы где Me — лантан, иттрий, взятые вместе или порознь, х = 0,05-0,30, активная и токовыводные части изготовлены из двухфрикционньгх порошков с дисперсностью 60-100 см /смз и

5000-10000 см /см, взятых в соотношении 1:4 — 3:1.

Токовыводные участки из хромитов лантана и иттрия, стабилизированных кальцием, обеспечивают получение низкой (не более "500 С) температура концов токовыводных частей при максимальной температуре службы нагревателя (до 2200 С) благодаря высокому уровню проводимости материала токовывода. Введение оксида кальция в материал вывода в количестве 0,050,30 мольных долей необходимо для обеспечения высокого уровня проводимости и снижения испаряемости хромита, а также улучшения его спекания в обжиге. Хромиты, содержащие менее

0,05 мольных долей кальция, отличаются высокой испаряемостью, низкой электропроводностью и плохо спекаются, не обеспечивая требуемого уровня прочности. При содержании кальция более 0,30 мольных долей значительно (на 150-250 С) снижается температура плавления материала и увеличивается его высока температурная полэучесть. Использование индивидуальных хромитов лантана и иттрия или их смесей позволяет варьировать проводимость и усадки материалов в обжиге, обеспечивая, с одной стороны, требуемый уровень электропроводности и низкую температуру вывода, а с другой — надежный, прочный и термостойкий контакт активной и токовывод— ной частей в процессе эксплуатации °

Промежуточный соединительный слой.из хромитов обеспечивает увеличение общей площади контакта на границе активного и выводных участков и повышает его прочность вследствие более активного спекания хромита по сравнению с диоксидом циркония. Содержание кальция в материале переходного слоя не более 0,25 мольных долей обусловлено необходимостью получения материала с достаточно высокой. проводимостью и повышенной температурой службы, что не достияслмо при использовании материала с содержанием кальция более

0,25 мольных долей. Причины, определяющие нижний предел содержания кальция, указаны.

Варьирование дисперсности материала переходной зоны в пределах 100010000 см /см позволяет дополнительно скомпенсировать усадки и коэффициенты термического расширения отдельных элементов нагревателя, увеличить его термостойкость и прочность, повысить надежность в эксплуатации. Уменьшение дисперсности материала переходной зоны ниже 1000 см /смз препятствует проникновению части материала в объем активного и выводных участков и уменьшает прочность контакта.

С целью повышения прочности, термостойкости и надежности контакта используются двухфракционные составы порошков диоксида циркония и хромита при формировании заготовок активной и токовыводных частей ° Уменьшение дисперсности крупной фракции ниже

60 см2/см не позволяет получить тон5 152595 костецць1е нагреватели. Увеличение дисперсности крупной фракции свьппе

1000 см /см приводит к повью;еццю пористости заготовок и образованию матрицы материала иэ тонкодисперсцых

5 зерен, что поньпиает полэучесть мате риала прц рабочих температурах. !

Вместе с тем уменьшение дисперсности тонких фракций ниже 5000 см /см

10 резко ухудшает формуемость заготовок и препятствует или делает невозможным получение качестненного нагревателя. Верхний предел дисперсцости тонкомоготого порошка (10000 см /см )

15 обусловлен существующими методами измельчения оксидцых керамических материалов. Варьиронание дисперсцостц и соотношения фракций хр амита и диокс.идаа циркоция позволяет комцецсиро- 20 вать усадки н обжиге, согласовать коэффициенты термического распп.рения материалон активной и выводной частей нагрснателя, создать надежный ме— ханический и электрический КО11такт в

40

50

55 переходной зоне.

Увеличение прочности и плотности (снижение пористости) материала нагревателв дос-.цгается также использованием разрывного зернового состава масс для изготовления нагревателей

И ПРИМЕ ЦЕ1Й1ЕМ IIOPOPJI(OB КР П! (В",Х II ТОНких фракций н соотношении 1: 4 — 3: 1.

Уме ньше ц11е д0JI II Kp ) 11 FILI.: час ТII II

1:4 прин дит к образованию матрицы из мелких кристаллов и поньппеццю полэучести, Увеличение прц этом плотности материала отрицательно сказывается на его термической стойкости. При соотношении крупных и тонких фракций порошка болee 3:1 н материале образуется каркас крупных зерен с ма цпм количеством тоцкомолотой связки, что снижает прочность и термическую стойкость материала, Использонание указанных фрцкциоцных составов материалов нагревателя позволяет получить пороную структуру с преимущественным размером пор 20100 мкм, что способствует процикцо«ению части материала переходного слоя н активную и выноц11у1о части нагревателя и дополнительно повышает пр очность и надежность контакта активной и вынодцой частей за счет развития площади контактного сечения.

На чертеже представлен нагреватель, общий нид.

2 6

Нагреватель содержит активный участок 1 из диоксида циркония, токо выводные участки 2 иэ хромцтон н промежуточный соединительный слой 3 °

Пример 1. Методом высокока11 II честнецного плавления в холодном контейнере синтезируют хромит лантаца, модифицированный 0,15 мольными долями кальция, и монокристаллический диоксид циркония "фианит", стабилизированный 0,2 мсльными долями иттрия. Материалы измельчают и фракццоцируют, выделяя фракции порошков с днсперсностью 500 см /см и

7000 см /смз для диоксида циркония и 600 см /см и 8000 см2 /смз для хро1ита лацтана. Иэ порошков диоксида циркоция, взятых в соотношении ):1, методом пластического формования на входных временных технологических связках формуют трубчатые заготовки активного участка длиной 750 мм, внутренним и внешним диаметрами 9

16 мм соответственно. Порошки хромцта лантана смешивают в соотношении

2:3 и тем же методом формуют заготовки с внешним диаметром 24 мм, внутренним диаметром 16,5 мм и длиной

250 и 1, Еонцы заготовки активного у 1астка ца длину 250 мм покрывают слоем массы, содержащей хромит лантаHl того же химического состава с дцсперсностью 5000 см /смэ, после чего цаленают на нее заготовки токоньгнодцых участков. Собранный нагреватель сушат и обжигают при 1730 С с выдержкой 4 ч, после чего металлизируют концы токовыводных участков алюминием. Некоторые свойства нагревате:1я представлены в таблице.

Пример 2. Методом высокотемпературной обработки синтезируют хромит иттрия, модифицированный

5 мольн.7 кальция и диоксид циркония, стабилизированный 5 мольн.7 кальция.

Иэ порошков хромита иттрия с дисперсностью 60 и 5000 см /см, взятых в соотношении 3:1, формуют заготовки токовынодных частей. Для изготовления активного участка используют порошки диоксида цирко 1ия с дисперсностью 60 и 6000 см2 /смэ в соотношении 3: 1 и формуют заготовки активной части, Заготовки нагревателя помешают в пресс гидростатического прессования, заполняя промежуток между ними порошком хромита иттрия с дисперсностью 1000 см /см и содержанием кальция

1525952

0 05 мольных долей, и прессуют при

У давлении 200-250 г1Па, 1!агреватель сушат и обжигают при тех же температурах и времени выдерж5 ки что и в примере 1. Выводные концы

У металлизируют никелем.

Пример 3. Плавлением в "холодном" контейнере изготавливают хромит с соотношением лантана и иттрия

1:1 и содержанием кальция 0,30 мольных долей. В качестве материала активной части используют монокристаллический диоксид циркония. Заготовки активного участка — из порошков с дисперсностью 1000 и 10000 см /см при соотношении 1:4 методом выдавливания массы на основе термопластичной связки. По той же технологии изготавливают заготовки токовыводных участков, используя порошки с той же дисперсностью. Заготовки соединяют торец в торец, предварительно нанося на соединяемые торцы массу хромита с соотношением лантаиа и иттрия 25

1:1, стабилизированного 25 моли.7. кальция с дисперсностью 10000 см /см, и связки, содержащей парафин и нсводный растворитель. Собранпыс .-.з-делпя обжигают и металлпзируюг пр = -0 тех же условиях. что и в примере

Пример 4. Из плавленного диоксида цирконпя готовят порошки с дисперснос тью 800 и 5000 см - /см . Порошки смешивают при соотношении 1:1, 35 вводят временную техно.гогическую связку и формуют заготовку активного участка. Из смеси порошкэв хромита лантана с добавкой О, 15 мольных долей кальция и дисперсностью 600 и

8000 см /см при соотношении 1:! формуют заготовки токовывод ых участков, Заготовки соединяют, используя в качестве промежуточного слоя порошки хромитов иттрия и лантана с добавкой

0,25 мольных долей кальция и дисперсностью 1000 см /см для хромита иттрия и 5000 см /см для хромпта лантана. Собранный нагреватель сушат и ) обжигают при 1730 С и выдержке 4 ч, 1(онцы нагревателя металлизируют нп50 келем.

Пример 5 ° Для сравнения из масс состава примера 1 изготовлякт нагреватели по способу-прототипу °

Для этого из порошков диоксида цир-! копия с дпспереностью 500-7000 ем /cM при соотношении 1:1 формуют заготовки активного участка нагревателя. Из порошков хромита лантана с добавкой

0,15 мольных долей кальция и дисперсностью б00 и 8000 см /см в соотношении 2:3 формуют заготовки токовыводиых частей. Заготовки токовыводных и активного участков нагревателя сушат и обжигают прп 1700 С с вьгдержкой б ч. Затем торцовые части заготовок токовыводных частей металлизируют алюминием. Нагреватель собирают при установке в печи и токовыводиые части прижимают к активной с помощью пружины. Свойства нагревателей Т!о примерам приведены в таблице.

Свош тва нагревателей оценивают по от|едок л .м показателям. Надежность по длительности службы при температуре свыше 1800 С до изменения длины ва -рсиателя более. чсм па 17., выхода пз .троя за счет механического разрушения или появления электрических дуг, до прогиба eI o более, чем на 3Й. Ползучесть — по деформации веp T1!K: I!ü»o у TBh .IB.IE нного нагревателя и эц действием < обственного веса !!!!;! пзижи,.и(зго устройства при

1900 С з» пе1 вые 10 ч работы. Термос бойкость — по числу циклов Нагрев цо 1800 С со скоростью 800 С/ч — охлажденпс с печью",приводящему к нарушению целостности нагревателя.

Как видно из таблицы нагрс1 атели, изготовленные по примерам 1-4, отличаются бопьшим временем лужбы при высоких температурах и повышенной крипоуетойчивостью по сравнению с нагревателем, изготовленным в соответствии с ггрототипом, т.е, имеют большую надежностг- в эксплуатации.

Нагреватели предлагаемой конструкции отличаются п, еокой термической стойкостью, что обеспечивает возможность эксплуатации в циклическом режиме с большой скоростью подъема и снижения гемпературы.

Нагреватели предлагаемой к.,нструкции отличаются значительно большей конструктивной прочностью, более высокой температурой эксплуатации и большей длительностью службы.

1525952

Пример

Показатель Пример

Пример

Пример

4 о спосоу-протоипу

Ме „Ca „CrO>

Токовыводной участок иэ хромита

Ьа

0,15

600

2:3

Активный участок иэ диоксида циркония

Дисперсность крупной фракции, см /см2

Дисперсность тонкой фракции, см /см

Соотношение крупной и мелкой фракций 1:1 3:1 1:4

Промежуточный слой иэ Ме,„ Са ÄCrO

Ме La Y La:Y

1:1

0,15 0,05 0,25

La:Y

1:1

0,25 х

Дисперсность, см2 /см

La-5000

Y — 1000

Не более

200

Свыше 400 ч

100 х

Дисперсность крупной фракции, < м2 /CMÝ

Дисперсность тонкой фракции, см2 /СМЭ

Соотношение крупной и мелкой фракций

Длительность службы при 2000 С, ч

Скорость полэучести (Деформация в осевом направлении при температуре 1900 С за первые

10 ч работы, 7)

Термостойкость по количеству циклов "Нагрев до

1800 С вЂ” охлаждение"

Лантан Иттрий Ьа:Y La

1:1

0,25 0,05 0,30 0 ° 15

600 60 1000 600

8000 5000 10000 8000 8000

2331141:1

500 60 1000 800 500

7000 6000 10000 5000 7000 5000 1000 10000

Oэ30 Оэ20 Оэ35 Ов25 Оэ60

200 240 150 160!

525952

Составитель Б. Кузнецов

Техред 11.Ходанич

Корректор M. Самборская

Редактор И. Касарда

Заказ 7248/57 Тираж 775 Подписное

ВН1!!1П11 1 осударстне нного комитета по изобретениям и открытиям при Гl:,11Т СССР

113035, Москва, ih-35, Раушская наб., д. 4/5

<< «

Произв я<гтненно-издательский к «бинат llатент, г. Ужгород, ул, Гагарина, 101