Способ изготовления трубчатого электронагревателя

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРУБЧАТОГО ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики твердого тела и полупроводников Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Зубец Александр Владимирович Стогний Александр Иванович Суходолов Юрий Викторович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики твердого тела и полупроводников Национальной академии наук Беларуси(57) Способ изготовления трубчатого электронагревателя, включающий установку резистивного элемента внутри металлической оболочки, засыпку ее полости электроизоляционным наполнителем, обжатие оболочки, термообработку, герметизацию торцов оболочки, отличающийся тем, что в качестве электроизоляционного наполнителя засыпают смесь порошков периклаза и корунда, а термообработку производят при температуре 1350-1500 С в течение 1-5 ч.(56)610322, 1995.1246418 1, 1986.94027440 1, 1997.5753893 , 1998.01122590 , 1989.10255961 , 1998. Изобретение относится к области электротехники и, в частности, к способам изготовления трубчатых электронагревателей (ТЭН), предназначенных для работы в диапазоне температур 500-1000 С. Известен способ изготовления трубчатых электронагревателей, при котором полость цилиндрической металлической оболочки с установленным в ней резистивным элементом заполняют электроизоляционным наполнителем, например, периклазом, затем оболочку многократно обжимают для уплотнения наполнителя 1. Операции обжимания оболочки усложняют процесс изготовления ТЭНов и приводят к увеличению разброса их удлинения, значительному изменению электрического сопротивления спирали в сторону его уменьшения 2. Многоступенчатый процесс опрессовки происходит таким образом, что на первых ступенях уплотнение набивки пропорционально степени опрессовки, а удлинение ТЭНа весьма незначительно на последних ступенях опрессовки, наоборот, уплотне 6273 1 ние замедляется, а удлинение ТЭНа резко возрастает. Разброс удлинения ТЭНов является практически безвозвратным отходом дефицитных материалов. С ростом степени опрессовки происходит измельчение зерен наполнителя из периклаза, приводя к уменьшению его влагостойкости и снижению в 1,5-2 раза электроизолирующих свойств. Известен способ, предназначенный снизить материалоемкость и повысить качество ТЭНов за счет создания на наружной поверхности металлической оболочки по всей длине,по меньшей мере, одной продольной впадины глубиной не менее 0,03 наружного диаметра оболочки, затем опрессовывают оболочку и при опрессовке завальцовывают эту впадину внутрь оболочки 3. Описанный способ требует специального прокатного оборудования для создания впадин на оболочках. Образование при опрессовке внутренних ребер равнозначно уменьшению слоя изоляции на величину, равную ширине ребра. Это снижает электрическую прочность и надежность электронагревателей. Кроме того, создание глубоких узких борозд и последующая их завальцовка на используемых тонкостенных (0,5-1 мм) трубах сопряжены с возможностью появления в этой области микротрещин, т.е. повышается вероятность брака. Наиболее близким заявленному способу является способ изготовления ТЭНов, заключающийся в том, что после установки резистивного элемента внутри металлической оболочки, засыпки ее полости электроизоляционным наполнителем и обжатия оболочки производят термообработку нагревателя при температурах 900-1400 С в течение 1-12 ч в защитной атмосфере и герметизируют его торцы 4. В результате обжига происходит удаление влаги, что способствует повышению электроизолирующих свойств наполнителя и удлиняет срок службы электронагревателя. Однако указанный способ не устраняет необходимость многократного обжатия оболочки для уплотнения электроизоляционного наполнителя. Общими существенными признаками изобретения и прототипа являются последовательно выполняемые операции установки резистивного элемента внутри металлической оболочки, засыпка ее полости электроизоляционным наполнителем, обжатие оболочки, термообработка нагревателя в защитной атмосфере и герметизация торцов оболочки. Задачей данного изобретения является улучшение технологии изготовления электронагревателя. Предлагаемый способ изготовления трубчатого электронагревателя включает установку резистивного элемента внутри металлической оболочки, засыпку ее полости электроизоляционным наполнителем, обжатие оболочки, термообработку, герметизацию торцов оболочки, отличающийся тем, что в качестве электроизоляционного наполнителя засыпают смесь порошков периклаза и корунда, а термообработку производят при температуре 1350-1500 С в течение 1-5 ч. В наполнителе в результате химической реакции между периклазоми корундом А 2 О 3 с соотношением компонентов 11 мол. образуется шпинель 24, занимающая объем больший, чем объем, занимаемый смесью 5. В отличие от прототипа в заявленном способе увеличение объема наполнителя позволяет без дополнительных приспособлений и усложнения процесса изготовления уменьшить кратность операций опрессовки оболочки и перейти на меньший начальный диаметр оболочек. Данное обстоятельство приводит к уменьшению общего числа операций изготовления, к снижению разброса параметров ТЭНов и экономии материалов. Повышается надежность работы ТЭНа за счет меньших колебаний длины спирали, большей плотности слоя изоляции между оболочкой и резистивным элементом, меньшего влагопоглощения вследствие укрупнения зерен наполнителя в результате реакции и уменьшения газового объема, улучшается теплопередача через наполнитель. Техническая применимость заявленного способа не ограничена, т.к. не влечет за собой никаких конструктивных изменений и дополнений. Расчет показывает, что увеличение объема кристаллической элементарной ячейки при образовании шпинели из периклаза и корунда по реакции 2324 составляет 2 1007,6,255 / 674,6 / 4 где 526,5/8, 255/6, 74,6/4 - объемы элементарных ячеек шпинели, корунда и периклаза в ангстремах, деленные на число формульных единиц, составляющих соответствующую кристаллическую ячейку 6. Пример. Смесь порошков электролитического периклаза и корунда со стехиометрическим для вышеуказанной реакции (1 мольна 1 моль А 2 О 3) соотношением компонентов, приготовленную в шаровой мельнице в течение 4 ч, помещали в стальные трубки длиной 3 м и диаметром 16 мм, утряской доводили до приблизительно 70 насыпной плотности смеси, а также прессовали из нее таблетки диаметром 10 мм и высотой около 10 мм со средней кажущейся плотностью 3,04 г/см 3. Затем обжигали при температурах от 1300 С до 1500 С в среде аргона в течение 1, 2 и 5 ч. После чего рентгенофазовым анализом определяли присутствие исходных компонентови А 2 О 3 в порошках и таблетированных образцах и измеряли изменение объемов таблеток. Изменение объемов порошков происходит за счет изменения насыпной плотности и измерено быть не может, поэтому измерения проводили на таблетированных образцах, результаты которых приведены в таблице. Непрореагировавших исходных компонентов в обожженных при 1400 С порошковых смесях и таблетках не обнаружено. В образцах, обожженных при 1350 С, выявлено присутствие непрореагировавшего корунда. Наибольшее увеличение объема около 6 установлено у таблеток, обожженных при 1500 С в течение 2 ч (таблица). Из экспериментов следует, что обжиг при температуре 1350 С, хотя и приводит к увеличению объема, но даже при выдержке 5 ч оно составляет величину более, чем наполовину меньше теоретической. Причиной малого объемного увеличения является низкая скорость химической реакции при данной температуре, что подтверждается результатами рентгенофазового анализа. Оптимальным по температуре и времени оказался режим обжига при 1500 С в течение 2 ч, когда увеличение близко к максимальному. При 1300 С образования шпинели не происходит. При температуре 1400 С и выдержке 5 ч объем образцов остается практически таким же, как и при двухчасовой выдержке. Повышение температуры свыше 1500 С, хотя и приводит к дальнейшему увеличению объема, однако может серьезно повлиять на качество оболочки, так как приближается к температуре плавления железа. Расхождения в рассчитанных и экспериментальных значениях объема, вероятно, связаны с незавершенностью химической реакции, пористостью, величиной дисперсности порошковой смеси, степенью ее гомогенности. В обожженных в стальных трубках порошковых смесях изменение объема в результате реакции происходит за счет увеличения насыпной плотности путем заполнения зазоров между частичками порошка без изменения внешних габаритов. Увеличение насыпной плотности является целью операции опрессовки и позволяет уменьшать кратность опрессовки. Таким образом, обжиг ТЭНов с наполнителем из смеси порошков корунда и периклаза, взятых в молярном отношении /23, равном 11, при температуре 1400 С в течение 2 ч приводит к увеличению объема не менее, чем на 5,8 , что позволяет сократить количество операций опрессовки при сохранении качества, что удешевляет процесс изготовления ТЭНов и повышает их надежность. Таблица изменения объема таблеток смеси порошков корунда и периклаза Источники информации 1. Патент США 333034, 29-611, 1967. 2. Белавин Ю.А., Евстигнеев М.А., Чернявский А.Н. Трубчатые электрические нагреватели и установки с их применением. - М. Энергоатомиздат, 1989. - С. 160. 3. А.с. 1246418 1, МПК 05 В 3/52, 1984. 4. А.с. 610322, МПК Н 05 В 3/48, 1975. 5. Стрелов К.И. Теоретические основы технологии огнеупорных материалов. - М. Металлургия, 1985. - С.480. 6. Матюшенко Н.Н. Кристаллические структуры двойных соединений. - М. Металлургия, 1969. - С. 303. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.