CN111868009B - 加热元件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种加热元件，所述加热元件包含由不同的二硅化钼基组合物构成的至少两个部分，其中至少一个二硅化钼基部分是以铬合金化基二硅化钼组合物((Mo1‑xCrx)Si2，其中x为0.05～0.25)为基础的，以及至少一个部分是以包含大于或等于90重量％的Mo(Si,Al)2的二硅化钼基组合物为基础的。本发明还涉及所述加热元件的用途。
Description
技术领域
本发明涉及一种加热元件，所述加热元件由基于不同的二硅化钼基组合物的至少两个部分构成，其中至少一个二硅化钼基部分是以铬合金化基二硅化钼基组合物为基础的，以及至少一个二硅化钼基部分是以包含大于或等于90重量％的Mo(Si,Al)2的二硅化钼基组合物为基础的。本发明还涉及所述加热元件的用途以及包含所述加热元件的炉。
背景技术
二硅化钼基材料在诸如炉的高温应用方面是众所周知的。由这些材料制成的加热元件因为形成了保护性二氧化硅(SiO2)层而在空气中在诸如超过1800℃的高温下具有良好的性能，所述二氧化硅(SiO2)层也称作硅石玻璃。
当在空气中加热二硅化钼基材料时，钼和二氧化硅两者都将发生氧化。由钼形成的氧化物将挥发并蒸发，并且由二氧化硅形成的氧化物将在加热元件上形成保护性氧化物层，这继而将防止加热元件腐蚀和暴露于磨损劣化下。然而，在低温(400～600℃)下，二氧化钼将保留在二氧化硅层中并干扰连续SiO2层的形成。这将导致连续消耗加热元件的材料，并且是一种被称为“氧化粉化”(pesting或pest)的现象。
在炉中，特别是在工业炉中，存在加热元件劣化的问题。工业炉包括具有高温的区域(热区域)和具有低温的区域(冷区域)。在热区域中，氧化粉化通常不是问题，因为会立即形成一层保护性二氧化硅。然而，加热元件的在冷区域中的部分将具有氧化粉化的问题，因此这些部分将暴露于腐蚀和磨损劣化下，这最终将导致元件故障。与氧化粉化相关的另一个问题是由于从故障元件掉落的氧化物碎片而导致的被加热材料的污染。
此外，已知的是，向含MoSi2的组合物中添加铝将明显改善由其制成的加热元件的抗氧化粉化性。然而，关于铝的问题在于它将形成六方晶系的Mo(Si,Al)2，并且含Mo(Si,Al)2的部分很难通过焊接接合到包含MoSi2的部分上，因为在接合所需要的高温下在这两种材料之间存在强度差异。另外，因为六方晶系的Mo(Si,Al)2的电阻率比四方晶系的(Mo,Cr)Si2更高，所以由于端子的不必要的加热而导致的功率损耗将提高。
本发明的目的是消除或至少减轻上述问题。
发明内容
因此，本发明的方面提供一种加热元件，所述加热元件适用于诸如工业炉的炉中，并且将耐受或至少减轻上述问题。
因此，本发明提供一种加热元件，所述加热元件包含作为以不同的二硅化钼基组合物为基础的部分的至少两个二硅化钼基部分，其中至少一个所述二硅化钼基部分是以具有大于或等于90重量％的(Mo1-xCrx)Si2(其中x为0.05～0.25)的二硅化钼基组合物为基础的；以及其中至少一个二硅化钼基部分是以包含大于或等于90重量％的Mo(Si,Al)2的二硅化钼基组合物为基础的。
得到的加热元件将使得由于端子的不必要的加热(特别是在炉启动期间)而导致的功率损耗降低。另外，得到的加热元件将具有高的抗氧化粉化性。
以包含大于或等于90重量％的Mo(Si,Al)2的二硅化钼基组合物为基础的加热元件的部分优选用于加热元件的热区域中，即用于具有超过600℃温度的区域中。
此外，本发明还涉及一种固定触点，所述固定触点包含如上文或下文中所定义的加热元件。
本发明还涉及一种炉，例如包含如上文或下文中所定义的加热元件的工业炉。
附图说明
图1显示了根据本发明的一个实施方案的加热元件；
图2A显示了Mo(Si,Al)2基材料(左侧)与Cr合金化的MoSi2基材料之间的接合处。图的下部以横截面显示了接合处；
图2B显示了扫描电子显微照片(背散射模式)，所述扫描电子显微照片显示了Mo(Si,Al)2基材料(左侧)与(Mo,Cr)Si2基材料之间的接合处。
具体实施方式
本发明涉及一种加热元件，所述加热元件包含作为以不同的二硅化钼基组合物为基础的部分的至少两个二硅化钼基部分，其中至少一个二硅化钼基部分是以具有大于或等于90重量％(wt％)的(Mo1-xCrx)Si2(其中x为0.05～0.25)的二硅化钼基组合物为基础的，以及其中至少一个二硅化钼基部分是以包含大于或等于90重量％的Mo(Si,Al)2的二硅化钼基组合物为基础的。因此，一个部分是以一种二硅化钼基组合物为基础的，以及一个部分是以另一种二硅化钼基组合物为基础的。
本加热元件的设计将在不损害热区域中加热元件的高温性能的条件下减少或甚至消除氧化粉化，因为加热元件具有至少两个部分的组合，其中一个部分是以一种二硅化钼基组合物为基础的，以及另一个部分是以另一种二硅化钼基组合物为基础的。因此，所述部分将具有不同的性能。另外，所述加热元件的设计将使得由于端子的不必要的加热而导致的功率损耗降低。
炉的加热元件的暴露于冷区域(400～600℃)的部分是以包含大于或等于90重量％的(Mo1-xCrx)Si2(其中x为0.05～0.25)的二硅化钼基组合物为基础的。所述组合物的剩余物可以是铝硅酸盐粘土和/或一种或多种诸如SiO2的无机氧化物。根据一个实施方案，所述铝硅酸盐粘土呈诸如膨润土的蒙脱石型。
根据一个实施方案，其中部分钼(Mo)被铬(Cr)置换的二硅化钼基组合物包含大于或等于95重量％的(Mo1-xCrx)Si2，并且剩余物为铝硅酸盐粘土和/或一种或多种无机氧化物。
根据一个实施方案，为了进一步减少氧化粉化，x为0.10～0.20，例如0.15～0.20。
已经显示，铬合金化二硅化钼基组合物不会在冷区域中形成氧化钼，这意味着形成的二氧化硅层将是连续的，因此不会由于腐蚀和/或磨损而暴露于劣化下。在本发明中，术语“(Mo,Cr)Si2基材料”与“(Mo1-xCrx)Si2”以及“铬合金化基二硅化钼”与“铬合金化二硅化钼基组合物”可以互换使用。
此外，加热元件的暴露于热区域(即高于600℃)的部分是以包含大于或等于90重量％的Mo(Si,Al)2的二硅化钼基组合物为基础的(由其制造的)。所述组合物的剩余物可以是铝硅酸盐粘土和/或一种或多种诸如SiO2的无机氧化物。根据一个实施方案，所述铝硅酸盐粘土呈诸如膨润土的蒙脱石型。
令人惊讶地发现，(Mo1-xCrx)Si2基部分将易于接合(连接)到Mo(Si,Al)2基部分。不受任何理论的束缚，据认为铬是关键元素。另外，不仅通过接合这两种组合物的部分将减少炉内的氧化粉化，而且由于(Mo,Cr)Si2比Mo(Si,Al)2更低的电阻率而减少了不期望的热形成的量。因此，由于材料的不同热膨胀而使得接合处受到的影响更小。
如上所述，所述部分可以还包含小于或等于10重量％(wt％)的铝硅酸盐粘土和/或一种或多种诸如SiO2的无机氧化物。根据一个实施方案，铝硅酸盐粘土呈诸如膨润土的蒙脱石型，并将用作挤出助剂和/或烧结助剂。
基于包含大于或等于90重量％的Mo(Si,Al)2的组合物的至少一个部分可以分别包含Mo(Si,Al)2基基体相以及高达5体积％的Mo5(Si,Al)2和高达15体积％的Al2O3。
根据一个实施方案，如上文或下文中所定义的加热元件包含不同的二硅化钼基组合物的两个部分或由其构成。根据另一个实施方案，如上文或下文中所定义的加热元件包含三个部分或由其构成，其中两个部分由相同的二硅化钼基组合物构成。根据另一个实施方案，如上文或下文中所定义的加热元件包含四个二硅化钼基部分或由其构成，其中两个部分是以如上文或下文中所定义的铬合金化二硅化钼组合物为基础的。根据另一个实施方案，加热元件包含基于(Mo1-xCrx)Si2组合物的两个部分和基于Mo(Si,Al)2组合物的一个部分或由其构成。
参考附图，加热元件包含称为端子的部分(见图1)。冷区域通常位于该部分中。根据一个实施方案，端子优选是以包含铬合金化二硅化钼基组合物的部分为基础的，但是端子的一小部分也可以由用于热区域中的材料制成。热区域部分优选由另一种二硅化钼组合物制成。整个端子可以由铬合金化二硅化钼基组合物构成。端子的直径可以大于热区域。端子还可以适于通过炉壁延伸到炉的外部并且电连接到炉的外部。
图1显示了根据本发明的加热元件的实例。图1公开了一种加热元件1。加热元件1具有端子2。端子的部分3由铬合金化二硅化钼组合物构成，并且一部分由适用于热区域4的二硅化钼基组合物构成。
可以通过使用诸如扩散焊接的焊接或通过使用感应加热、然后施加垂直于接合处的外部压力来接合加热元件的部分。也可以使用使电流流过接合处，然后同时施加垂直于接合处的外部压力。图2显示了Mo(Si,Al)2基材料(左侧)与Cr合金化MoSi2基材料之间的接合处，其中所述接合是通过扩散焊接进行的。
加热元件的不同部分可以形成为棒或其他形式，然后连接。此外，所述部分可以成形为U形元件，也可以成形为多个柄(multi-shank)、螺旋形、扩散盒、平板等。不同的部分因此可以呈棒的形式，并且可以根据加热元件的预期用途弯曲或是直的。棒的横截面通常可以是圆形的，但是根据应用，其他几何形状也可以是可能的，例如椭圆形或矩形。
根据一个实施方案，以(Mo,Cr)Si2基材料为基础的部分足够长以在操作期间覆盖具有400～600℃的温度范围的区域。根据一个实施方案，所述部分为具有1～30mm直径和1～40cm长度的棒的形式。
在本说明书中，表述“部分是以组合物为基础的”旨在表示所述部分的至少70重量％是以所述组合物为基础的。
通过如下非限制性实例来进一步描述本发明。
实施例
制备钼、硅和铬的粉末的两种混合物，并在氩气中加热以形成Mo0.85Cr0.15Si2。将得到的产物研磨，然后与5重量％的铝硅酸盐(蒙脱石型的膨润土)和水混合以形成用于挤出的浆料。将形成的浆料挤出成直径为9mm的棒，随后将其干燥并在氢气中预烧结。然后通过在空气中电阻加热进行最终烧结以实现全密度。对棒的直径端面进行研磨。
提供9mm的Mo(Si,Al)2基材料的棒，并且对棒的直径端面进行研磨。
使用感应线圈在保护气体下将棒加热。当温度达到1550～1650℃时，将棒推在一起，并施加400～600N的压力且持续15～60秒(扩散结合)。在扫描电子显微镜中对接合处的纵向截面进行了分析，并确认了两种材料之间成功地结合，参见图2A和2B。
Claims (12)
1.一种加热元件，所述加热元件由至少两个二硅化钼基部分构成，
其中至少一个二硅化钼基部分是以具有大于或等于90重量％的(Mo1-xCrx)Si2的二硅化钼基组合物为基础的，其中x为0.05～0.25；以及
其中至少一个二硅化钼基部分是以包含大于或等于90重量％的Mo(Si,Al)2的二硅化钼基组合物为基础的，
其中所述加热元件的暴露于冷区域的部分是以所述具有大于或等于90重量％的(Mo1- xCrx)Si2的二硅化钼基组合物为基础的，其中x为0.05～0.25，所述冷区域是指400～600℃的区域。
2.根据权利要求1所述的加热元件，其中所述加热元件由两个二硅化钼基部分构成。
3.根据权利要求1所述的加热元件，其中所述加热元件由三个二硅化钼基部分构成，
其中两个部分是以相同的二硅化钼基组合物为基础的，以及
一个部分是以另一种二硅化钼基组合物为基础的。
4.根据权利要求3所述的加热元件，其中两个部分是以具有大于或等于90重量％的(Mo1-xCrx)Si2的二硅化钼基组合物为基础的，其中x为0.05～0.25；以及
一个部分是以包含大于或等于90重量％的Mo(Si,Al)2的二硅化钼基组合物为基础的。
5.根据权利要求1所述的加热元件，其中所述加热元件由四个二硅化钼基部分构成，
其中所述加热元件的两个部分是以具有大于或等于90重量％的(Mo1-xCrx)Si2的二硅化钼基组合物为基础的，其中x为0.05～0.25；以及
所述加热元件的两个部分是以包含大于或等于90重量％的Mo(Si,Al)2的二硅化钼基组合物为基础的。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的加热元件，其中所述具有大于或等于90重量％的(Mo1-xCrx)Si2的二硅化钼基组合物还包含小于或等于10重量％的铝硅酸盐和/或一种或多种无机氧化物，其中x为0.05～0.25。
7.根据权利要求1所述的加热元件，其中x为0.10～0.20。
8.根据权利要求1所述的加热元件，其中包含(Mo1-xCrx)Si2的所述二硅化钼基组合物包含大于或等于95重量％的(Mo1-xCrx)Si2。
9.根据权利要求1所述的加热元件，其中基于大于或等于90重量％的Mo(Si,Al)2的所述二硅化钼基组合物还包含小于或等于10重量％的硅铝酸盐和/或一种或多种无机氧化物。
10.根据权利要求1所述的加热元件，其中由基于大于或等于90重量％的Mo(Si,Al)2的组合物构成的所述至少一个部分分别包含Mo(Si,Al)2基基体相以及高达5体积％的Mo5(Si,Al)2和高达15体积％的Al2O3。
11.一种固定触点，所述固定触点包含根据权利要求1～10中任一项所述的加热元件。
12.一种炉，所述炉包含根据权利要求1～10中任一项所述的加热元件。
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