Высокотемпературный неметаллический нагреватель

 

Изобретение относится к области разработки средств получения высоких температур. Применяется в порошковой металлургии в качестве средства нагрева при термообработке различных деталей, а также при экспериментальных исследованиях свойств жидких металлов, сплавов и оксидных композиций. Неметаллический высокотемпературный нагреватель включает рабочую часть, размещенную в защитной оболочке, токоподводы, в которых через трубки из окиси алюминия помещена металлическая проволока-клемма, имеющая электрический контакт с токоподводами. Рабочая часть выполнена из механической смеси порошков, один из которых является проводником электричества, а другой - изолятором, и размещена в зазоре, образованном двумя коаксиальными огнеупорными цилиндрами, внешний цилиндр имеет дно, а внутренний представляет собой трубу, нижний срез которой опирается на дно, в объеме трубы создается зона наиболее высокого равномерного нагрева, токоподводы из графита расположены внутри рабочей части так, что их нижние торцы также упираются в дно внешнего цилиндра, а противоположные концы токоподводов удалены на некоторое расстояние от зоны высокой температуры, верхнюю поверхность рабочей части изолируют от внешней газовой среды слоем огнеупорного непроводящего порошка и расположенным на нем сверху слоем гранулированного металла. Техническим результатом является обеспечение стабильной и длительной работы нагревателя на всем температурном интервале, вплоть до 1600°С. Ток через рабочую часть нагревателя не превышает 10 А, а напряжение на токоподводах составило до 220 В. 3 з.п.ф-лы, 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к области разработки средств получения высоких температур, применяемых в порошковой металлургии, а также для исследования свойств металлов, сплавов и оксидных композиций в твердой и жидкой фазах.

Известны высокотемпературные нагреватели, рабочая часть которых выполнена из дисплицида молибдена MoSi₂ и карбида ниобия. Дисплицид молибдена обладает комплексом свойств, необходимых для использования в качестве материала нагревательных элементов печей сопротивления только при наличии окислительной газовой атмосферы. Напротив, использование карбидов переходных металлов в качестве рабочей части нагревателя невозможно на воздухе и других окислительных газовых средах, т.к. рабочая часть нагревателя легко разрушается при температурах 500-600^oC. Поэтому тугоплавкие карбиды могут применяться как нагревательные элементы только в установках с нейтральной газовой средой или вакууме (см.кн. Экспериментальная техника и методы высокотемпературных измерений. М.: Наука, 1966, с. 25-27).

Известны также графитовые нагреватели, позволяющие получать в печах с защитной средой температуры до 3000^oC. Графит легко обрабатывается, имеет сравнительно низкую стоимость и обладает комплексом свойств, позволяющих отнести данный материал к ряду наиболее перспективных для применения в высокотемпературных печах. Но графитовые нагреватели применяются лишь при наличии восстановительной или инертной атмосферы либо там, где присутствие СО не оказывает существенного влияния на условия опыта и качество нагреваемого вещества.

Наиболее близким из описанных в литературе к заявляемому устройству является неметаллический высокотемпературный нагреватель, рабочая часть которого состоит из 95% ThO₂ и 5% La₂O₃, а токоподводы - из 85% ZrO₂ и 15% La₂O₃. В токоподводящие блоки через трубку из окиси алюминия помещается металлическая проволока-клемма (60% Pt + 40% Rh), которая после спекания при 1500 - 1600^oC в окислительной среде получает хороший электрический контакт с материалом токоподводящего контактного блока вследствие его усадки. Рабочую часть нагревателя покрывают защитной замазкой, предотвращающей взаимодействие нагревателя с окружающей газовой средой. Данный нагреватель устанавливают в вертикальном положении (см. кн. П.С. Кислый, А.Х. Бадян B.C.Киндышева и др. Высокотемпературные неметаллические нагреватели. Киев, "Наукова думка", 1981, с. 149).

Выбранный в качестве прототипа нагреватель обеспечивает работу печей сопротивления при температурах порядка 2000^oC с окислительной газовой средой.

Вместе с тем, ему присущи недостатки, характерные для подавляющего большинства тугоплавких окислов, используемых в качестве рабочих тел нагревателей, а именно их исключительно низкая электропроводность (удельное электрическое сопротивление ThO₂ при комнатной температуре составляет 4·10^-11 Ом·м), поэтому, обычно, в устройствах с такими нагревателями предусмотрен дополнительный стартовый нагрев окисных нагревателей до 1000-1200^oC, осуществляемый, например, платиновыми нагревателями, при этом удельное электрическое сопротивление ThO₂ значительно снижается до уровня 1,1·10³ Ом·м и продолжает падать с увеличением температуры.

Кроме того, применение прототипа для работы в восстановительной среде, даже при наличии защитной замазки на внешней поверхности рабочего тела нагревателя проблематичио, т.к. возникающие значительные термические напряжения на границе раздела фаз "замазка - рабочее тело нагревателя" приводят к разрушению защитного слоя. Нельзя исключить также и химического взаимодействия рабочего тела нагревателя и материала токоподвода.

И, наконец, при изготовлении известного неметаллического нагревателя проводится тонкая и трудоемкая операция спекания и компонентов рабочего тела нагревателя, и материала токоподводов, целью которой является улучшение электрического контакта в местах сочленения элементов нагревателя, а также стабилизация температурной зависимости электрического сопротивления нагревателя в целом.

Целью настоящего изобретения является использование нагревателя в восстановительных и окислительных условиях без стартового подогрева, минуя операцию спекания компонентов рабочей части нагревателя, а также исключение химического взаимодействия рабочей части нагревателя и защитной оболочки.

Сформулированная цель достигается тем, что в известном неметаллическом высокотемпературном нагревателе, включающем рабочую часть, состоящую из 95% ThO₂ и 5% La₂O₃, размещенную в защитной оболочке, токоподводы, состоящие из 85% ZrO₂ и 15% La₂O₃, в которых через трубки из окиси алюминия помещена металлическая клемма из сплава 60% Pt и 40% Rh, имеющая электрический контакт с рабочей частью, отличающийся тем, что рабочая часть выполнена из механической смеси порошков, один из которых является проводником электричества, а другой - изолятором, и размещена в зазоре, образованном двумя коаксиальными огнеупорными цилиндрами, внешний цилиндр имеет дно, а внутренний представляет собой трубу, нижний срез которой опирается на дно внешнего цилиндра, в объеме трубы создается зона наиболее высокого равномерного нагрева, токоподводы из графита расположены внутри рабочей части так, что их нижние торцы также упираются в дно внешнего цилиндра, а противоположные концы токоподводов удалены на некоторое расстояние от зоны высокой температуры, верхнюю поверхность рабочей части изолируют от внешней газовой атмосферы слоем огнеупорного непроводящего порошка и расположенным на нем сверху слоем гранулированного металла.

Рабочая часть нагревателя выполнена из механической смеси порошка окиси алюминия Al₂O₃ и графита определенного гранулометрического состава и объемного соотношения. Данный выбор обусловлен тем, что малое электросопротивления рабочей части нагревателя (чистый графит) требует для нагрева слишком больших токов, например, в печах сопротивления Таммана с графитовым нагревателем, температура 1600^oC обеспечивается при токах 110-130 А, а значительное электросопротивление - больших напряжений, что крайне нежелательно. Поэтому, комбинируя соотношение и фракционный состав компонентов рабочей части, можно получить оптимальные электрические характеристики нагревателя.

Установлено, что средний диаметр частиц графита d_гр должен удовлетворять соотношению: 0,3 мм < d_гр < 0,7 мм, средний диаметр частиц окиси алюминия d_ок - 0,1 < d_ок < 0,5, а объемная доля изолятора по отношению к проводящему графиту должна составлять 0,3 - 0,7 д.е. При соблюдении данных соотношений достигнута наиболее стабильная работа нагревателя, при этом во всем диапазоне температур вплоть до 1600^oC напряжение на токоподводах и ток через нагреватель составили до 220 В и до 10 А.

Но при высоких температурах, создаваемых нагревателем (~1600^oC) полностью предотвратить диффузию, например, кислорода через стенки внутреннего и внешнего защитных цилиндров к рабочей части нагревателя практически очень трудно, иными словами, имеет место взаимодействие проводящего компонента с кислородом, причем в первую очередь окисляются самые мелкие частицы углерода. Именно этим обстоятельством обусловлен выбор нижнего предела диаметра частиц углерода, составляющего 0,3 мм. В то же время, взаимодействуя с кислородом при высокой температуре, в зазоре между огнеупорными цилиндрами и в рабочей части нагревателя создается дополнительная защитная восстановительная атмосфера СО, причем реакция окисления протекает с увеличением объема: 2C + O₂ = 2CO, следовательно, в зазоре между внешним и внутренним цилиндрами имеет место избыточное давление, препятствующее проникновению окислителя извне.

Внешний и внутренний цилиндры изготовлены из спеченой или плавленной окиси алюминия. Для данных элементов конструкции нагревателя используют серийно выпускаемые отечественной промышленностью алундовые трубы и тигли.

Некоторые характеристики рабочей части нагревателя приведены в таблице.

Наибольшему воздействию окислительной газовой среды подвержена верхняя граница рабочей части нагревателя. Поэтому ее защита выполнена двухслойной. Роль слоя из окиси алюминия имеет двоякую направленность. С одной стороны, он является тепловым экраном, отделяющим зону высокой температуры от слоя гранул металла, а впоследствии расплава, а с другой, не позволяет жидкому металлу просочиться в рабочую часть нагревателя и замкнуть накоротко токоподводы. Жидкий слой металла, а в данном случае выбран алюминий, надежно защищает сверху рабочую часть нагревателя от проникновения кислорода и взаимодействия его с частицами графита.

Алюминий является наиболее подходящим для защитной роли металлом. Температура плавления его невысока и составляет 660^oC, вместе с тем, имеет значительную температуру кипения - 2520^oC, практически нелетуч в жидкой фазе, а образующаяся на поверхности расплава плотная пленка окисла защищает металл от дальнейшего окисления.

Окись алюминия, из которой выполнены внешний и внутренний цилиндры и входящая в состав рабочей части нагревателя, не вступает в химическую реакцию с графитом вплоть до температуры 2000^oC, не испытывает аллотропических превращений, не подвержена активному спеканию и обладает чрезвычайно низкой электрической проводимостью (удельная электрическая проводимость ρ при 1600^oC составляет ~1000 Ом·м). Все эти преимущества использованы в заявляемом устройстве.

И, наконец, токоподводы в заявляемом устройстве выполнены из графита. Данный выбор основан на том, что графит является хорошим проводником электричества, а та часть токоподводов, находящаяся вне зоны высокой температуры, устойчива в окислительной атмосфере. Температура токоподводов на верхнем срезе нагревателя не превышает 500^oC.

На приведенном чертеже изображен заявляемый высокотемпературный неметаллический нагреватель в разрезе.

Нагреватель имеет графитовые токоподводы 1 с закрепленными на них соединительными клеммами 2, токоподводы изолированы от слоя металла керамическими кольцевыми изоляторами 3, верхнюю свободную поверхность рабочей части нагревателя 4 защищает от воздействия окислительной газовой среды слой металла 5, отделенный от рабочей части нагревателя слоем из окиси алюминия 6. Рабочая часть нагревателя находится в зазоре, образованном двумя коаксиальными цилиндрами: внешним с дном 7 и внутренним в виде трубы 8. В объеме внутреннего цилиндра 9 создается зона наиболее высокого равномерного нагрева.

Нагреватель работает следующим образом. При наложении напряжения на токоподводы 1 через них и рабочую часть нагревателя протекает электрический ток: выделяя джоулево тепло. Основная тепловая мощность выделяется в рабочей части нагревателя 4. По мере повышения температуры тепло через слой окиси алюминия 6 передается слою алюминия 5, что приводит к его расплавлению. После чего жидкий слой металла, заполняя все верхнее пространство, включая полости и шероховатости, надежно защищает рабочую часть нагревателя от окислительной газовой среды. Тепловая энергия, нагревая стенки внутреннего цилиндра 8, создает в его объеме 9 высокотемпературную равномерную зону, в которой идет плавка или термообработка образцов.

Пример 1. Проводят цементацию поверхности стальных изделий. Изделие помещают во внутренний объем нагревателя, создают восстановительную атмосферу СО и поддерживают температуру ~900^oC в течение 5 часов.

Пример. 2 Измеряют электрическое сопротивление раствора оксидов железа FeO и Fe₃O₄, находящихся в платиновом тигле, помещенном во внутренний объем нагревателя, в твердой и жидкой фазах, в воздушной атмосфере, в режиме охлаждения. Температуру нагревателя изменяют от 1610^oC до комнатной.

Формула изобретения

1. Высокотемпературный неметаллический нагреватель, включающий рабочую часть, помещенную в защитную оболочку, токоподводы с металлическими клеммами, имеющие электрический контакт с рабочей частью, отличающийся тем, что рабочая часть состоит из механической смеси порошков, один из которых является проводником электричества, а другой изолятором, и размещена в зазоре, образованном двумя коаксиальными огнеупорными защитными цилиндрами, внешний цилиндр имеет дно, а внутренний представляет собой трубу, в объеме которой создается зона наиболее высокого равномерного нагрева, нижний срез трубы опирается на дно внешнего цилиндра, графитовые токоподводы расположены внутри рабочей части так, что их нижние торцы также опираются на дно внешнего цилиндра, противоположные концы токоподводов удалены на некоторое расстояние от зоны высокой температуры, верхняя поверхность рабочей части изолирована от внешней газовой атмосферы слоем из огнеупорного непроводящего электричества порошка и расположенным на нем слоем гранулированного металла.

2. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что рабочая часть нагревателя состоит из порошков графита и окиси алюминия, причем средний диаметр частиц графита d_гр удовлетворяет соотношению 0,3 мм < d_гр < 0,7 мм, средний диаметр частиц Al₂O₃ d_ок удовлетворяет соотношению 0,1 мм < d_ок < 0,5 мм, а объемная доля изолятора по отношению к проводящему графиту составляет 0,3 - 0,7 д.е.

3. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что внешний и внутренний защитные цилиндры изготовлены из спеченой или плавленной окиси алюминия.

4. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что в качестве слоя из огнеупорного непроводящего электричества порошка используют слой из окиси алюминия, в качестве слоя гранулированного металла используют слой металлического алюминия.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2