Электрический нагреватель из диоксида циркония

СОЮЗ СОВЕТСКИ СОЦИАЛИСТИЧЕСК 19) 1 259 2 УБЛИН В 35 14,)4 НО ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН инитель ыполненныию 1000 ей формулы фис,ов,А.М. Смир 1 е, СаСгОзМе ан, итли пор-0,25,участ тые вмесрии, энь; а ы из мита формуль 1 е С Г 1-х аСгОзМе - лантан, иттрийте или порозньх = 0,05-0,30,тивный и токовыводн взятые вмес 1 ЧЕСКИЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ОНИЯ токовыводными ита редкоземельног и чающий с я ю повышения надеж(54) (57) ЭИЗ ДИОКСИДАучасткамиэлемента,КТР ЩР е уч нных 000 ки иэ хро порошм /емв соото, уме е ятых нош тивным о ог СУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМИ ГКНТ СССР АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ 1(56) Патент США У 404 1236,кл, 13/25, 1977.Патент Франции М 766329,кл. Н 05 В 3/12, 1978.Патент Франции Р 7511335,кл. Н 05 В 3/14, 1976 (протот щения ползучести, межтоковыводным участкаИзобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим нагревателям из диоксида циркония,Известен нагреватель с активной частью из диоксида циркония и токо- выводными частями из оксида цинка, в которые вмонтирован металлический проводник из нихрома, Такие нагрева тели нетермостойки и разрушаются пр 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 кот р о ми нагревателя размещен ный промежуточный слой, из порошка с дисперснос 10000 см/см хромита о х = 0,05токовыводные ки выпол готовлены из двухфракциков с дисперсностью 60и 5000-10000 см/см 3,енин 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.из хромитов обеспечивает увеличение Ме, СаСгОЗ,где Ме - лантан, иттрий, взятые в:чес - 30те или порознь,х = Ор 05-Ов 25 фтоковыводные части выполнены из хромита Формулы 35 Ме, Са,СгОз,40 50 55 помощью упругого элемента при монтаже нагревателя в печи у потребителя, Механический контакт поверхностей керамических материалов не обеспечивает5 надежного и стабильного электрического контакта, что приводит к появлениюмикродуг на поверхности соприкосновения, В результате наблюдается эррозия контактного слоя и, благодаря значигельным механическим напряжениям, возникающим под действием прижимного устройства, имеет место повышенная ползучесть нагревателя при эксплуатации.Цель изобрет ния в повышен надеж 15 ности электрического нагревателя иэ диоксида циркония и уменьшение его ползучести.Поставленная цель достигается тем, что в нагревателе из 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 вместе или порознь,х = 0,05-0,30,активная и токовыводные части изготовлены из двухфрикционньгх порошковс дисперсностью 60-100 см/смз и5000-10000 см/см, взятых в соотношении 1:4 - 3:1,Токовыводные участки из хромитовлантана и иттрия, стабилизированныхкальцием, обеспечивают получениенизкой (не более "500 С) температураконцов токовыводных частей при макрмальной температуре службы нагревателя (до 2200 С) благодаря высокому уровню проводимости материала токовывода. Введение оксида кальция вматериал вывода в количестве 0,050,30 мольных долей необходимо дляобеспечения 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 высокатемпературная ползу- честь. 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 токовыводной частей в процессе эксплуатацииПромежуточный соединительный слой общей площади контакта на границе активного и выводных участков и повышает его прочность вследствие более активного спекания хромита по сравнению с диоксидом циркония, Содержаниекальция в материале переходного слояне более 0,25 мольных долей обусловлено необходимостью получения материала с достаточно высокой. проводимостьюи повышенной температурой службы,что не достижимо при использованииматериала с содержанием кальция более0,25 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, увеличитьего 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 составыпорошков диоксида циркония и хромитапри Формировании заготовок активнойи токовыводных частейУменьшениедисперсности крупной Фракции ниже60 см 2/см не позволяет получить тон5 152595 костеннгпе нагреватели, Увеличение дисперсности крупной Фракции свьппе 1000 см/см приводит к повью;енпю пористости заготовок и образованию матрицы материала иэ тонкодисперсных5 зерен, что повьппает полэучесть мате риала при рабочих температурах.Вместе с тем уменьшение дисперсности тонких Фракций ниже 5000 см/см10 резко ухудшает Формуемость заготовок и препятствует или делает невозможным получение качественного нагревателя. Верхний предел дисперсности тонкомоготого порошка (10000 см /см )5 обусловлен существующими методами измельчения оксидных керамических материалов. Варьирование дисперсности и соотношения фракций хромита и диок.сида циркония позволяет компевсиро вать усадки в обжиге, согласовать коэффициенты термического распп.рения материалов активной и выводной частей нагрсвателя, создать надежный ме - ханический и электрический контакт в 35 40 50 55 переходной зоне.Увеличение прочности и плотности(снижение пористости) материала нагревателв дос".ига 1 этся также использовапием разрывного зернового составамасс для изготовления нагревателей и применением порошков крупя,",х и тонких фракций в соотношении 1;4 - 3:1, Уменьшение доли крупных частиц ьнж 1:4 при 11 дит к образованию матрицы из мелких кристаллов и повьппенню полэучести, Увеличение при этом плотности материала отрицательно сказывается на его термической стойкости. При соотношении крупных и тонких Фракций порошка более 3:1 в материале образуется каркас крупных зерен с малым количеством тонкомолотой связки, что снижает прочность и термическую стойкость материала.Использование указанных Фрикционных составов материалов нагревателя позволяет получить поровую структуру с преимущественным размером пор 20- 100 мкм, что способствует проникноению части материала переходного слоя в активную и выводную части нагревателя и дополнительно повышает прочность и надежность контакта активной и выводной частей за счет развития площади контактного сечения. На чертеже представлен нагреватель, общий вид. 2 6Нагреватель содержит активныйучасток 1 из диоксида циркония, токовыводные участки 2 из хромитов ипромежуточный соединительный слой 3.П р и м е р 1. Методом высокока 11 11чественного плавления в холодномконтейнере синтезируют хромит лантана, модифицированный 0,15 мольнымидолями кальция, и монокристыглическийдиоксид циркония "фианит", стабилизированный 0,2 мыльными долями иттрия, Иатериалы измельчают и фракционируют, выделяя фракции порошковс дисперсностью 500 см /см и7000 см /смз для диоксида цирконияи 600 см /см и 8000 см 2 /смз для хроми 1 а лантана, Из порошков диоксидациркония, взятых в соотношении 1:1,методом пластического Формования навходных временных технологическиХсвязках формуют трубчатые заготовкиактивного участка длиной 750 мм,внутренним и внешним диаметрами 916 мм соответственно. Порошки хромита лантана смешивают в соотношении2;3 и тем же методом формуют заготсвки с внеппшм диаметром 24 мм,внутренним диаметром 16,5 мм и длиной250 мм. Еонны заготовки активногоу ветка на длину 250 мм покрываютслоем массы, содержащей хромит лантана того же химического состава сдпсперсностью 5000 см /смэ, послечего напевают на нее заготовки токовынодных участков. Собранный нагреватель сушат и обжигают при 1730 С свыдержкой 4 ч, после чего металлизируют концы токовыводных участков алюминием, Некоторые свойства нагревателя представлены в таблице,П р и м е р 2. Иетодом высокотемпературной обработки синтезируютхромит иттрия, модифицированный5 мольн,7 кальция и диоксид циркония,стабилизированный 5 мольн,Е кальция.Иэ порошков хромита иттрия с дисперсностью 60 и 5000 см /см, взятых всоотношении 3:1, формуют заготовкитоковыводных частей. Для изготовленияактивного участка используют порошкидиоксида циркония с дисперсностью 60и 6000 см 2 /смэ в соотношении 3: 1 иФормуют заготовки активной части.Заготовки нагревателя помешают впресс гидростатического прессования,заполняя промежуток между ними порошком хромита иттрия с дисперсностью1000 см/см и содержанием кальция0 05 мольных долей, и прессуют при9давлении 200-250 ИПа,Нагреватель сушат и обжигают притех же температурах и времени ньдерж 5ки что и в примере 1, Выводные концыУметаллизируют никелем,П р и м е р 3. Планлением в "холодном" контейнере изготавливают хромит с соотношением лантана и иттрия1:1 и содержанием кальция 0,30 мольных долей, В качестве материала активной части используют монокристаллический диоксид циркония, Заготовкиактивного участка - из порошков с Гдисперсностью 1000 и 10000 см /смпри соотношении 1:4 методом ньдавливания массы на основе термопластичной связки, По той же технологии изготавливают заготовки токовыводныхучастков, используя порошки с той жедисперсностью. Заготовки соединяютторец в торец предварительно нанося на соединяемые торцы массу хромита с соотношением лантаиа и иттрия 251:1, стабилизированного 25 моли,7.кальция с дисперсностью 10000 см /см,и связки, содержащей парафин и нсводный растноритель. Соб 1 кгнпыо зделия обжигают и металлпзиру 1 ог пр"тех же условиях, что и в примереП р и м е р 4. Из плавленного диоксида цирконпя готовят порошки сдисперсностью 800 и 5000 см /см . Порошки смешивают при соотношении 1:1,35вводят временную техно.гогическуюсвязку и формуют заготовку активногоучастка, Из смеси порошкэн хромиталантана с добавкой О, 15 мольных долей кальция и дисперсностью 600 и8000 см/см при соотношении 1:формуют заготовки токонынодпых участков, Заготовки соединяют, используя нкачестве промежуточного слоя порошкихромитов иттрия и лантана с добавкой0,25 мольных долей кальция и дисперсностью 1000 см /см для хромита иттрия и 5000 см /см для хромита лантана, Собранный нагреватель сушат иобжигают при 1730 С и выдержке 4 ч,1(онцы нагревателя металлизируют нп 50келем,П р и м е р 5Для сравнения измасс состава примера 1 изготовляютнагреватели по способу-прототипу.Для этого из порошков диоксида цир копия с дисперсностыо 500-7000 см /см при соотношении 1:1 формуют заготовки активного участка иагренателя. Из порошков хромита лантана с добавкой 0,15 мольных долей кальция и дисперсностью б 00 и 8000 см /см в соотношении 2:3 формуют заготовки токовыволиых частей, Заготонки токовыводных и активного участков нагревателя сушат и обжигают прп 1700 С с выдержкой 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 по примерам приведены в таблице,Свойства нагревателей оценивают по следохдм показателям, Надежность по длительности службы при температуре свыше 1800 С до изменения длины нагревателя более, чсм па 17., выхода пз троя за счет механическогоразрушения или появления электрических дуг, до прогиба его более, чем на 3 Й, Ползучесть - по деформации вертикально у таиовлениого аренателя пц действием собственного неса или пипки.иэго устройства при 1900 С з первые 10 ч работы. Термосгойкость - по числу цикловНагрев цо 1800 С со скоростью 800 С/ч - охлаждение с печью",приводящему к нарушению целостности нагревателя. 1(ак видно из таблицы нагрс 1 атели, изготовленные по примерам 1-4, отличаются большим временем лужбы при высоких температурах и поньпоенной крипоуетойчивость.о по сравнению снагревателем, изготовленным н соответствии с грототипом, т.е, имеют большую надежность в эксплуатации, Нагреватели предлагаемой конструкции отличаются высокой термической стойкостью, что обеспечивает возможность эксплуатации в циклическом режиме с большой скоростью подъема и сниженияоемпературы.Нагреватели предлагаемой конструкции отличаются значительно большей конструктивной прочностью, более высокой температурой эксплуатации и большей длительностью службы,о спосоу-протоипу Ме, Сасго 5 Токовыводной участок иэ хромита Ьа Ме 0,15 600 2:3 Активный участок иэ диоксида цирконияДисперсность крупной фракции,см /смДисперсность тонкой фракции,см 2 /смэСоотношение крупной и мелкой фракций 1:1 3:1 1:4Промежуточный слой иэ Ме,Са СгОМе Ьа У Ьа:У1:10,15 0,05 0,25 Ьа:У 1:1 0,25 хДисперсность,см /см Ьа У - 1000Не более200 Свыше 400 ч 100 хДисперсность крупной фракции,см 2 /смзДисперсность тонкой фракции,см 2 /смэСоотношение крупной и мелкой фракций Длительность службы при 2000 С, чСкорость ползучести (Деформацияв осевом направлении при температуре 1900 С за первые10 ч работы, 7)Термостойкостьпо количеству циклов "Нагрев до1800 С - охлаждение" Лантан Иттрий Ьа:У Ьа1:10 25 0 05 0 30 0 15 600 60 1000 600 8000 5000 10000 8000 8000 2:3 3:1 1:4 1:1 500 60 1000 800 500 7000 6000 10000 5000 70005000 1000 10000 0,30 0,20 0,35 0)25 0,60 200 240 150 1601525952 Составитель В. КузнецовТехред М.Ходанич Корректор М, Самборская Редактор И. Касарда Заказ 7248/57 Тираж 775 ПодписноеВНИ 1 ПИ 1 осударстненного комитета по изобретениям и открытиям при ГЕНТ СССР113035, Москва, Ж, Рзущская наб., д, 4/5 вПроизвгтненно-издательский комбинат 11 атент, г, Ужгород, ул, Гагарина, 101