Способ изготовления электрического нагревателя из хромита лантана

/4 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ до следующего эерава, мас,7.: которые могут бытьсоздания высокотемпеустановок, работающ)1850 С. ких как ланта готовлей иэ выстности нтов, таИзобретение относи нию электрических наг сокоогнеупорных оксид хромитов редкоэемельн ся к применены длтурных печей вате в ч лем а воздухе ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГННТ СССР(54)(57) 1, СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАГРЕВАТГЛЯ ИЗ ХРОМИТА ЛАНТАНА, модифицированного кальцием, с утолщенными токовыводнымичастями, при котором измельчаютисходный материал, формуют активнуюи токовыводные части, обжигают заготовки, механически обрабатывают и металлиэируют токовыводные части,о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с цельюуменьшения материалоемкости нагревателя, для активной части измельчаютмодифицированный кальцием хромит лантана состава1.а, Са СтОгде х - 0,05-0,15,нового сост 2 1-0,5 мм 20-30 0,25-0,06 мм 20-50 Менее 0,01 мм 30-50, для токовыводных частей модифицированный кальцием хромит лантана состава1.а, СаСгО , где х - О, 15-0, 30, до следующего зернового состава, мас,Х: 1-0,5 мм 20-30 0,25-0,06 мм 10-40 Менее 0,01 мм 30-60, причем содержание кальция в материале активной части выбирают меньшим,чем в материале токовыводных частей не менее чем на 0,1 мольную долю, Формуют активную и токовыводные части раэдель- сФ но, надевают токовыводные части на активную часть с зазором 0,05-0,5 мм при влажности всех частей не более 6,5 мас,Х и заполняют зазор суспензией иэ модифицированного кальцием хромита лантана состава1.а, СаСтО, где х - 0,05-0,25, СЛ с размером частиц не более 0,5 мм при Я ее влажности 10-12 мас,й,2, Способ по п.1о т л и ч а ющ и й с я тем, что перед надеванием токовыводных частей заготовки активной части дополнительно обжигают при 13001800 С.3 152595Известен способ изготовления электрического нагревателя из диоксида циркоция с пористостью больше 807., выводные концы которого с помощью ультразвукового или термохимического методов5 пропитаны более электропроводным материалом, например, хромитом лантана,Нагреватели, изготовленные по этому способу, требуют предварительного разогрева, имеют малую конструктивную прочность и отличаются нестабильностью эксплуатационных характеристик в процессе службы из-за структурных изменений в высокопористом материале активной части и фазовых изменений на границе активной и пропитанной токовынодцой части при высоких температурах.Известен способ изготовления злект рического нагревателя иэ хромита лантана, модифицированного кальцием, согласно которому электронагреватель изготавливают из шихты трехфракционного зернового состава, механическую об работку осуществляют путем нарезки геликоидальной спирали и выводные концы металлизируют алюминием,Недостатками нагревателя, изготовленного по этому способу, являются малая конструктивная прочность и высокая ползучесть при температурах службы, обусловленные наличием значительных механических напряжений в виткахспирали,Наиболее близким по техническойсущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ изготовления нагревательного элемента из модифицированного кальцием хромита40лантана, согласно которому изделия с кажущейся плотостью более 5,5 г/см 1 Формуют цз хромита лантана, содержащего 10-807 мас.Е частиц размером 0 05-2 4 мм и 20-90 мас,7 частиц разЭ У45 мером менее 0,05 мм, причем 5-207 мольцых лантана замещены ионами кальция, обжигают при 1500-2000 С (предпочтительно 1600-1800 С), производят механическую обработку активной части,50 а металлизацию ныводцых концов нагревателя осуществляют нанесением серебра.Этот способ изготовления электронагревателя связан с большими технологическими потерями материала при55 механической обработке (сошлифовке алмазным инструментом) активной части обожженной заготовки нагревателя. 1 4При этом це удается добиться э(фективного увеличения электрического сопротивления активной части по отношению к сопротивлению выводных концовнагревателя, эа счет чего последниев эксплуатации имеют значительнуютемпературу, что не позволяет использовать для их металлиэации такиеметаллы, как никель, или алюминий, 3 ысокая температура выводных концов нагревателя, изготовленного по этомуспособу, обусловливает большие тепловые потери и снижает эффективную мощность нагревателя, а металлизация концов нагревателя серебром значительноповышает его стоимость,Цель изобретения - уменьшение материалоемкости нагревателя.Поставленная цель достигается тем,что в способе изготовления нагревателя с утолщенными токовыводными частями из модиФицированного кальцием хромита лацтана, при котором измельчаютисходный материал, формуют активнуюи токовыводные части, обжигают заготовки, механически обрабатывают и металлизируют токовыводцые части, дляактивной части измельчают модифицированный кальцием хромит лантана состава1,аСа,СгО,где х = 0,05-0,15,до следующего зернового состава,мас,Х:1-0,5 мм 20-300,25-0,06 мм 20-50Менее 0,01 мм 30-50,для токовыводных частей измельчаютмодифицированный кальцием хромит лантана состава1 а, СаСтОгде х = 0,15-0,30, до следующего зернового состава, мас.Е;1-0,5 мм 20-300,25-0,06 мм 10-40Менее 0,01 мм 30-60,причем содержание кальция в материалеактивной части выбирают меньшим,чемв материале токовыводных частей неменее чем ца 0,1 мольную долю, формуют активную и токовыводные частираздельно, надевают гоковыводцые части на активную часть с зазором 0,050,5 мм при влажности всех частей неболее 6,5 мас,7. и заполняют зазорсуспензией из модифицированного кальцием хромита лантана состава1.а, СакСтОзгде х = 0,05-0,25,с размером частш не более 0,5 ммпри ее влажности 10-12 мдс.%,Перед надеванием токовыводцых частей заготовка активно части можетбыть дополнительно обожжена лр 130051800 С.Предлагаемый способ позволяет изготовить электрический нагреватель соутолщенными токовыводцыми частями и сактивной частью как трубчатой, так истрежцевой, а также нагреватель с активной частью Ч-образной Формы, имеющий токоподводы с одной стороны.Преимуществом предлагаемого способа,является непосредственное получениенагревателя с утолщенными токовыводцыми частями без механической обрдботкиактивной части, что ликвидирует безвозвратные потери при сошлфовке алмазным инструментом материала с заготовки нагревателя и одновременно обеспечивает различие в площадях сеченийи, соответственно, сопротивлениях активной и токовыводцых частей, Повьппецие содержания кальция в храмте лантана существенно .увеличиваст удельнуюэлектропроводность синтезированного материала, д использование в активно и токовыводцых частях материалов,значительно отличающихся ло электропроводности, обеспечивает мдксимальцое выделение мощности именно ца активной части нагревателя. Последнее позволяет дополнительно снизить матералоемкость нагревателя за счет уме 1 ьшеция35 необходимого соотношения площадей сечений токовыводных и активных, дстей.Таким образом, предлагдемь: способ позволяет получить более экономичный нагреватель за счет уменьшения расхода материала при изготовлении токо- выводных частей и уменыпения тепловых потерь, поскольку температура токо- выводных концов нагревателя, изготов 45 ленного по предлагаемому способу, значительно ниже, чем у нагревателя ло прототипу, Последнее обстоятельство позволяет при металлизации концов токовыводных частей нагревателя заменить серебро на никель, алюминий и другие металлы, что очень важно как с точки зрения экономии серебра, так и с точки зрения снижения стоимостинагревателя.55Увеличенное содержание кальция вматериале выводной части по сравнениюс материалом активной части обеслечивдет ловьппецие электропроводостивывода и его низкую температуру.Уменьшение содержания кальция менее ,05 мольцых долей це обеслечвдет достдточцо интенсивного спекдня и получения материала с высоким уровнем проводимости, а также является прчилой поьч,ппеццой ислдряемости матердлд лри высоких температурах,1 алгл.е свыше 0,30 мольных долей кальция лрводит к резкому сцижецию деформаионных свойств мдт( рдла лри высоких температурах.Уменьшене различия в содержании кань;я в активной и таковыводных частях менее, чем ца 0,1 мольцую долю, це обеспечивает достаточно больпц;и раз ниы в соотнопецн лроводимос - пей активной и токовыводцых частей, цызьедет повышение температуры коц" цов токовыводцых частей и лерераспреслецие выдел емой на нагревателе мощцос тУцеьцчелне содержания кальция в мат( риале, используемом для заполнения зазора между активной и токовыводными "дсг: 1, свьппе 0,25 мольцых долей при - вгдт к интенсивной его усадке в лроессе обжига, отрыву от стенок заготовки и ухудшению в дальне;язем электрического контакта. 1 слользование указанных зерновыхсоставов хромита лацтана позволяет л;.лучть термостойкий материал зерцстого строения достаточно высокой л:отцости и прочности, обеспечить миншальные усадки в сушкс и обжиге при удовлетворительной формуемости заготовок из пластичной формовочной массы.Увеличение содержания тонких фракц;. порошка свыше 50-60% приводит к образованию в обжиге сплопшой мелко- кристаллической матрицы, повышению усддок в сушке и обжиге и сцижению термической стойкости, Увеличение содержания промежуточной фракции (0,25- 0,06 мм) свыше 40-50 приводит к раэдвигацию каркаса крупных частиц, сцижецию плотности матералов и их прочности, Вместе с тем увеличение содержания крулцого зерна (0,5-1,0 мм) более ЗОХ и умецыпение содержания промежуточной фракции вплоть до перехода к двухфракционным составам резко ухудшает формовочные свойства масс, что делает невозможным Ф рмовдцие заготовок методом вьцдвливдция.Для достижения надежного и качественного контакта между заготовками активной и токовыводных частей нагревателя необходимо подбирать эерно 5 вой состав таким образом, чтобы усадки заготовок токовыводных частей были несколько выше, чем у активной части для обеспечения более плотного контакта заготовок и дополниТельного обжатия заполняющей зазор массы,Возможность варьирования зерновым составом формовочных масс позволяет производить соединение частей нагревателя при разной влажности отфор мованных заготовок или использовать при соединении обожженную заготовку активной части, обеспечивая при этом равномерность усадок в процессе сушки и термической обработки, достаточную для сохранения целостности отдельных частей нагревателя и получения качественного электрического контакта между активной и токовыводными25частями,Решению последней задачи способствует использование при заполнениизазора между отдельными частями нагревателя увлажненного временной технологической связкой порошка хромиталантана с размером частиц не более0,5 мм, При этом максимальный размерчастиц определяется величиной заполняемого зазора, а средний размерчастиц выбирается с учетом величинывозможных усадок активной и токовывод 35ных частей,Иаксимальная влажность соединяемыхчастей заготовок (6,5 мас.7) опре 0целяется минимальной необходимой прочностью сырца после формования, при которой возможно их соединение без нарушения геометрической формы и целост-.ности,Внутренний диаметр токовыводныхчастей должен быть на менее, чем на0,1 мм больше внешнего диаметра активной части, поскольку получить керамические заготовки иэ зернистой массыс шероховатостью и кривизной поверхности менее 0,1 мм практически невоз 50можно, а для сохранения геометрическихразмеров и сплошности нагревателя необходимо свободное надевание однойзаготовки на другую. При разности соответствующих диаметров более 1,0 мм55электрический контакт ослабляется засчет малоуплотненной заполняющей массы и его качество ухудшаетсяУменьшение влажности суспенэии для заполнения зазора между отдельными частями нагревателя ниже 10 мас.7 затрудняет равномерное и полное заполнение зазора, а увеличение ее свыше 12 мас,7 не позволяет получить достаточной плотности массы после удаления временной технологическойч связи.С целью увеличения прочности заготовки активной части мож: быть осуществлен ее дополнительный обжиг, Иинимальная температура обжига (1300 С)определяется началом спекания и заметного повышения прочности материала заготовки, При обжиге до 1800 С практически полностью заканчиваются усадочные явления и дальнейшего существенного повышения прочности заготовки иэ зернистых масс не происходит.П р и м е р 1. Для изготовления электронагревателя с утолщенными токо- выводными частями используют синтезированный высокочастотным плавлением модифицированный кальцием хромит лантана составов 1,ад СаодСгОиВаСаСгО, 11 атериал измельчают и фракционируют, Для изготовления активной части из материала с более низким содержанием кальция готовят шихту следующего зернового состава, мас, 7,;1-05 мм 200,25-0,06 мм 20Иенее 0,01 мм 50111 ихту пластифицируют 107-ным водным раствором карбоксиметилцеллюлозы в количестве 7 мас.7., формовочную массу тщательно перемешивают и на поршневом прессе выдавливают трубку диаметром, наружным 10 мм и внутренним б мм и длиной 600 мм.Заготовки токовыводных частей диаметром: внешним 16 мм, внутренним 11 мм и длиной 200 мм формуют так же, используя хромит лантана с. 15 мольн,7. кальция следующего зернового состава мас, 7.:1-0,5 мм 200,25-0,06 мм 20Менее 0,01 мм 60Для соединения заготовок активной и токовыводных частей на заготовку активной части с влажностью 2,5 мас,7 с обоих концов на длине 200 мм наносят тонким слоем суспенэию, состоящую иэ модифицированного 5 мольн,7. кальцияхромита лантана со средним размеромзерна 0,003 мм, увлажненную 10%-нымраствором карбоксиметилцеллюлозы вколичестве 12 мас,%, Соединение с за 5готовкой токовыводной части с влажностью 2,5 мас.% производят последовательно с обоих концов активной части,вставляя ее в заготовку токовыводнойочасти на 200 мм. Собранный нагреватель сушат и обжигают 4 ч при 17001720 С в пламенной печи. Торцованиеконцов обожженного нагреватели производят отрезным алмазным кругом,На длине 3 см с каждой стороны нагреватегля выводные концы металлизируют алюминием.П р и м е р 2, Для изготовления.электронагревателя используют синтезированный высококачественным плавлением модифицированньп хромит лантанас содержанием кальция 15 и 30 мольн,%Материал с меньшим содержанием кальция измельчают и фракционируют дозернового состава, мас,%; 251-0,5 мм 200,25-0,06 мм 40Менее 0,01 мм 40и формуют из него заготовки активнойчасти длиной 300 мм так же, как в при мере 1.Из материала с 30 мольн,% кальция,измельченного и фракционированного дозернистого до зернового состава:1-0,5 мм 300,25-0,06 мм 1035Менее 0,01 мм 60формуют заготовки выводных частей диаметром, внешним 16 мм, внутренним10,5 мм и длиной 200 мм,На заготовку активной части с влажностью 6,5 мас,% на длине 50 мм скаждой стороны тонким слоем наносятсуспенэию, состоящую из модифицированного 25 мольн,% кальция хромиталантана с размером зерна менее0,063 мм, увлажненную 10%-ным раствором карбоксиметилцеллюлозы в количестве 10%. Соединение с заготовкамивыводных частей с влажностью 6,5%50производят последовательно с каждойстороны актинной части, вставляязаготовки одна в другую на длину50 мм. Сушку, обжиг, механическую обработку и металлизацию концов токовыводных частей никелем производят так же, как в примере 1П р и м е р 3. Для формирования заготовки активной части используют плавленый хромит лантана, модифицированньп 1 15 мольн,% кальция, измельченньп до следующего эерноного состава, мас.%:1-0,5 мм 200,25-0,06 мм 50Менее 0,01 мм 30Так же, как в примере 1, формуют заготовку с диаметром: внешним 10,4 мм, ннутренним 6 мм и длиной 225 мм и обжигают ее в печи с силитовыми нагревателями 6 ч при 1300 С. Так же, как в примере 2, формуют заготовки токоныводных частей, используя плавленый хромит лантана с содержанием кальция 30 мольн,% следующего зернового состава, мас,%: 1-0,5 мм 300,25-0,06 мм 40Менее 0,01 мм 30На предварительно обожженную заготовку активной части на длине 10 ммс каждой стороны наносят тонким слоем суспензию, укаэанную в примере 1,Соединение заготовок на длине10 мм с каждой стороны активной частипроизводят при влажности заготовок выводных частей 2,5 мас,%. Сушку и всепоследующие технологические операциипроизводят так же, как в примере 2.П р и м е р 4. Заготовку активнойчасти длиной 240 мм формуют так же,как в примере 1, используя массу модифицированного 5 мольн,% кальцияхромита лантана, измельченного доследующего зернового состава, мас,%:1-0,5 мм 250,-25-0,06 мм 20Менее 0,01 мм 55,Заготовки токоныводных частей иэхромита лантана с содержанием кальция 20 мольн,% формуют так же, как впримере 3.Заготовку активной части предварительно обжигают н течение 1 ч прис1800 С в трубчатой печи с нагревателем из хромита лантана, на нее тонким слоем на длине 20 мм с каждойстороны наносят суспензию, состоящую из хромита лантана с 10 мольн,%кальция следующего зернового состава, мас,%:0,5-0,25 мм 50Менее 0,01 мм 5015259 с 1 12 рального типа Таблица Варьируемые параметр оСадержаниле ктвнмольн,%Зерновойтивной ча1 - 0,50,25-011 енее Са в матерна час 0 15 О, 15 0,05 состав а ст 20 20 60 25 20 20 2040 50 40 30 мм20 50 Соединение заготовок и все последующие технологические операции производят так же, как в примере 2.5П р и м е р 5, Заготовку активной части Ч-образного нагревателя формуют, используя плавленый хромит лантана, модифицированный 10 мольн, кальция, следующего зернового состава, мас,%:1 О 1-0,5 мм 200,25-0,06 мм 20Менее 0,01 мм 60Формование трубок длиной 500 мм,диаметром: внутренним 6 мм и внешним10 мм производят выдавливанием напоршневом прессе из массы, пластифицированной 57-ным водным растворомметилцеллюлозы в количестве 7 Е, Свежеотформованнон трубке с помощьюшаблона придают Ч-образную форму,огибая ее в средней части со средним радиусом кривизны 30 мм. Высушенную навоздухе заготовку активной части обжигают в печи с нагревателями из хромита лантаиа 4 ч прп 1500 С,Заготовки токовыводных частей формуют так же, как в примере 3, иэ массы следующего зернового состава,мас.1-0,5 мм 250,25-0,06 мм 30Иенее 0,01 мм 45Концы Ч-образной заготовки активнойчасти на длине 30 мм покрывают тонкимслоем массы ",з модифицированногоо3520 мольн./ кальция хромита лантанас размером зерна менее 0,1 мм, увлажненной 10 Х-ным водным раствором карбоксиметилцеллюлоэы в количестве 123.Соединяют заготовки, надевая воздушносухие заготовки выводных частей наконцы Ч-об азной активной части надлину 30 мм, Все последующие технологические операции производят так же,как в примере 2,В табл.1 представлены некоторыеварьируемые технологические параметры процесса изготовления электронагревателей по примерам.В табл,2 представлены некоторыехарактеристики электронагревателей,изготовленных по предлагаемому способу и согласно прототипу, а такжепромьдпленно выпускаемого спирального нагревателя иэ хромита лантана.1(ак видно из табл,2, потери материала на стадии механической обработки активной части нагревателя, изготовленного по прототипу, составляют около 302. Температура выводных концов нагревателей, изготовленных по предлагаемому способу, значительно ниже,чем у нагревателя, изготовленного по прототипу. Таким образом, существенно снижаются тепловые потеври эа счет теплоотвода чсрез токоподвод, а также пропада; необходимость в метаплиэации концов токовыводных частей серебром, Лучшим из известных электронагревателей иэ хромита лантана является нагреватель спиЭлектронагреватель, изготовленный по предлагаемому способу, отличается значительно большей прочностью крипоустойчивостью (низкой полэучестью) при высоких температурах и большим скроком службы при высоких температурах эксплуатации. Одновременно предлагаемый способ дает возможность расширил ассортимент выпускаемьгх типоразмеров электронагревателей и обеспечить .производство нагревателей длиной до 1 м.1525951 14 1,0 0,5 0,1 0,5 0,5 0,15 0,30 0,30 0,20 0,30 20 20 60 30 30 1 О 40 60 30 30 40 30 25 30 45 0,05 0,25 0,05 0,10 0,20 Среднийразмер0,003 мм нее0,0 мм 503 12 1 О 12 10 12 2,5 6,5 Обож, Обож. Обок. 6,5 2,5 2,5 2,5 Воздуш- носухая 1300 1800 1500 0,1 0,15 0,15 0,15 0,20 Разность диаметровактивной и выводныхчастей, ммСодержание Са в материале токовыводнойчасти, мольн.ХЗерновой состав токовыводных частей, мас.Х1-0,5 мм0,25-0,06 ммМенее 0,01 ммСодержание Са в массе,заполняющей зазор,мольн,ХЗерновой состав массы,заполняющей зазор,Влажность суспензия,заполняющей зазор,мас.ХВлажность активной части при соединении, мас,ЕВлажность выводныхчастей при соединении,мас.7 Температура обжигаактивной части, СРазница в содержаниикальция в материалеактивной и токовыводных частей, мольн.Х Зерно Среднийменее размер0,063 мм 0,003 мм Продолжение табл. 1 0,5- Зернох фх - о цххв ос 1 бэ хфх ха ои хх х о 1 х о б х )х о х Ю О ю счФл Ю м м о л с х 11 Со О11б нахО б ,"охвхоЕо хвьха1 х хб б бх авхэЕ Х СЕвовО фРв хЕС 1 Оф 0а ьоС нХохо оо дх фО Р,Фх эЭ 3хЦбф хЭа хР 9вхо фР1 лб Юосч1