JP6883151B2 - 加熱素子 - Google Patents

Description

本開示は、異なる二ケイ化モリブデンをベースとした組成物に基づいた少なくとも２つの部品から構成される加熱素子に関し、ここで、二ケイ化モリブデンをベースとした部品の少なくとも１つは、クロム合金をベースとした二ケイ化モリブデン組成物に基づいており、二ケイ化モリブデンをベースとした部品の少なくとも１つの部品は、９０重量％以上のＭｏ（Ｓｉ，Ａｌ）_２を含む二ケイ化モリブデンをベースとした組成物に基づいている。本開示はまた、加熱素子の使用及び該加熱素子を含む加熱炉にも関する。

二ケイ化モリブデンをベースとした材料は、加熱炉などの高温用途でよく知られている。これらの材料で作製された加熱素子は、シリカガラスとしても知られる保護二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）層が形成されることから、空気中、１８００℃超などの高温で良好な性能を有する。

二ケイ化モリブデンをベースとした材料を空中で加熱すると、モリブデンとシリカの両方が酸化する。モリブデンから形成される酸化物は揮発性になり蒸発し、シリカから形成される酸化物は、加熱素子を腐食及び摩耗劣化にさらされるのを防ぐ保護酸化物層を加熱素子上に形成する。しかしながら、低温（４００〜６００℃）では、二酸化モリブデンが二酸化ケイ素層に残り、連続的なＳｉＯ_２層の形成を妨げる。これは、加熱素子の材料の継続的な消費につながり、「ペスティング」又は「ペスト」として知られる現象である。

加熱炉内、とりわけ工業加熱炉では、加熱素子の劣化に関する問題が存在する。工業加熱炉は、高温のゾーン（加熱ゾーン）と低温のゾーン（コールドゾーン）とを有する。加熱ゾーンでは、保護二酸化ケイ素層がすぐに形成されるため、通常、ペスティングは問題ではない。しかしながら、コールドゾーンにある加熱素子の部品は、ペスティングに関する問題を有し、それによってこれらの部品は腐食や摩耗劣化にさらされ、最終的には素子の故障につながる。ペスティングに関するさらに別の問題は、故障した素子からの酸化物フレークの落下に起因する、加熱される材料の汚染である。

さらには、ＭｏＳｉ_２含有組成物へのアルミニウムの添加は、それで作られた加熱素子のペスト耐性を劇的に改善することが知られている。しかしながら、アルミニウムに関連する問題は、六方晶系のＭｏ（Ｓｉ，Ａｌ）_２を形成すること、及び、結合に必要とされる高温での２つの材料の強度が異なることから、Ｍｏ（Ｓｉ，Ａｌ）_２を含む部品は、ＭｏＳｉ_２を含む部品に溶接することによる結合が非常に難しいことである。また、六方晶系のＭｏ（Ｓｉ，Ａｌ）_２は正方晶系の（Ｍｏ，Ｃｒ）Ｓｉ_２よりも高い電気抵抗率を有するため、端子の不必要な加熱に起因する電力損失が増加する。

本開示の目的は、上記の問題を排除するか、又は少なくとも軽減することである。

したがって、本開示の態様は、工業加熱炉などの加熱炉での使用に適しており、上記の問題に耐えるか、又は少なくとも軽減する加熱要素を提供することである。

したがって、本開示は、少なくとも２つの二ケイ化モリブデンをベースとした部品を含む加熱素子を提供することであり、該部品は、異なる二ケイ化モリブデンをベースとした組成物に基づいており、ここで、二ケイ化モリブデンをベースとした部品の少なくとも１つは、９０重量％以上の（Ｍｏ_１−ｘＣｒ_ｘ）Ｓｉ_２を有する二ケイ化モリブデンをベースとした組成物に基づいており、ここでｘは０．０５から０．２５であり；かつ、二ケイ化モリブデンをベースとした部品の少なくとも１つは、９０重量％以上のＭｏ（Ｓｉ，Ａｌ）_２を含む二ケイ化モリブデンをベースとした組成物に基づいている。

得られた加熱素子は、とりわけ加熱炉の始動時に端子の不必要な加熱に起因する電力損失が低くなる。加えて、得られた加熱素子は、ペストに対する高い耐性を有するであろう。

９０重量％以上のＭｏ（Ｓｉ，Ａｌ）_２を含む二ケイ化モリブデンをベースとした組成物に基づく加熱素子の（一又は複数の）部品は、好ましくは、加熱素子のホットゾーン、すなわち、６００℃を超える温度を有するゾーンで使用されるべきである。

さらには、本開示はまた、本明細書で上記又は下記で定義される加熱素子を含む固定接点にも関する。

本開示はまた、本明細書で上記又は下記で定義される加熱素子を含む、工業加熱炉などの加熱炉にも関する。

本開示の一実施形態による加熱素子を示す図 Ｍｏ（Ｓｉ，Ａｌ）_２をベースとした材料（左側）とＣｒ合金ＭｏＳｉ_２をベースとした材料との結合部を示す図。図の下の部分は、結合部の断面を示している。 Ｍｏ（Ｓｉ，Ａｌ）_２をベースとした材料（左側）と（Ｍｏ，Ｃｒ）Ｓｉ_２をベースとした材料との結合部を示す走査型電子顕微鏡写真（後方散乱モード）

本開示は、少なくとも２つの二ケイ化モリブデンをベースとした部品を含む加熱素子に関し、該部品は、異なる二ケイ化モリブデンをベースとした組成物に基づいており、ここで、二ケイ化モリブデンをベースとした部品の少なくとも１つは、９０重量％（ｗｔ％）以上の（Ｍｏ_１−ｘＣｒ_ｘ）Ｓｉ_２を有する二ケイ化モリブデンをベースとした組成物に基づいており、ここでｘは０．０５から０．２５であり、二ケイ化モリブデンをベースとした部品の少なくとも１つは、９０重量％以上のＭｏ（Ｓｉ，Ａｌ）_２を含む二ケイ化モリブデンをベースとした組成物に基づいている。したがって、１つの部品は、１つの二ケイ化モリブデンをベースとした組成物に基づいており、１つの部品は、別の二ケイ化モリブデンをベースとした組成物に基づいている。

本発明に係る加熱素子の設計は、該加熱素子が少なくとも２つの部品の組み合わせを有しており、１つの部品は、１つの二ケイ化モリブデンをベースとした組成物に基づいており、他方の部品は、別の二ケイ化モリブデンをベースとした組成物に基づいていることから、加熱ゾーンにおける加熱素子の高温性能を損なうことなく、ペスティングの減少又は排除さえも提供するであろう。したがって、部品は異なる特性を有するであろう。加えて、該加熱素子の設計は、端子の不要な加熱に起因する電力損失を低減するであろう。

加熱炉のコールドゾーン（４００〜６００℃）にさらされる加熱素子の（一又は複数の）部品は、９０重量％以上の（Ｍｏ_１−ｘＣｒ_ｘ）Ｓｉ_２を含む、二ケイ化モリブデンをベースとした組成物に基づいており、ここでｘは０．０５から０．２５である。組成物の残りは、アルミノケイ酸塩粘土及び／又はＳｉＯ_２などの１つ以上の無機酸化物でありうる。一実施形態では、アルミノケイ酸塩粘度は、例えばベントナイトなどのモンモリロナイト型のものである。

一実施形態によれば、モリブデン（Ｍｏ）の一部がクロム（Ｃｒ）で置き換えられた、二ケイ化モリブデンをベースとした組成物は、９５重量％以上の（Ｍｏ_１−ｘＣｒ_ｘ）Ｓｉ_２を含み、残りは、アルミノケイ酸塩粘土及び／又は１つ以上の無機酸化物である。

一実施形態によれば、ペスティングをさらに低減するために、ｘは、０．１５から０．２０の間など、０．１０から０．２０の間である。

クロム合金化二ケイ化モリブデンをベースとした組成物は、コールドゾーンで酸化モリブデンを形成しないことが示されており、これは、形成された二酸化ケイ素層が連続的であり、したがって腐食及び／又は摩耗による劣化にさらされないことを意味する。本開示では、「（Ｍｏ，Ｃｒ）Ｓｉ_２をベースとした材料」及び「（Ｍｏ_１−ｘＣｒ_ｘ）Ｓｉ_２」及び「クロム合金をベースとした二ケイ化モリブデン」及び「クロム合金化二ケイ化モリブデンをベースとした組成物」という用語は、同じ意味で用いられる。

さらには、加熱ゾーン（すなわち６００℃超）にさらされる加熱素子の（一又は複数の）部品は、９０重量％以上のＭｏ（Ｓｉ，Ａｌ）_２を含む、二ケイ化モリブデンをベースとした組成物に基づいている（該組成物から製造される）。組成物の残りは、アルミノケイ酸塩粘土及び／又はＳｉＯ_２などの１つ以上の無機酸化物でありうる。一実施形態では、アルミノケイ酸塩粘度は、例えばベントナイトなどのモンモリロナイト型のものである。

驚くべきことに、（Ｍｏ_１−ｘＣｒ_ｘ）Ｓｉ_２をベースとした部品は、Ｍｏ（Ｓｉ，Ａｌ）_２をベースとした部品に容易に結合可能である（接続される）ことがわかっている。理論に縛られるわけではないが、クロムがキーとなる元素であると考えられる。加えて、これら２つの組成物の部品を結合することにより、加熱炉内のペスティングが低減されるだけでなく、（Ｍｏ，Ｃｒ）Ｓｉ_２の抵抗率がＭｏ（Ｓｉ，Ａｌ）_２に比べて低いことから、望ましくない発熱量もまた低減されるであろう。したがって、材料の異なる熱膨張に起因して、結合部への影響が少なくなるであろう。

部品はまた、上記のように、１０重量％（ｗｔ％）以下のアルミノケイ酸塩粘土及び／又は例えばＳｉＯ_２などの１つ以上の無機酸化物も含みうる。一実施形態では、アルミノケイ酸塩粘土は、例えばベントナイトなどのモンモリロナイト型であり、押出助剤及び／又は焼結助剤として機能する。

９０重量％以上のＭｏ（Ｓｉ，Ａｌ）_２を含む組成物に基づく少なくとも１つの部品は、それぞれ、Ｍｏ（Ｓｉ，Ａｌ）_２をベースとしたマトリクス相、並びに最大５体積％のＭｏ_５（Ｓｉ，Ａｌ）_３及び最大１５体積％のＡｌ_２Ｏ_３を含みうる。

一実施形態によれば、本明細書で上記又は下記で定義される加熱素子は、異なる二ケイ化モリブデンをベースとした組成物の２つの部品を含むか、又は該２つの部品からなる。別の実施形態によれば、本明細書で上記又は下記で定義される加熱素子は、３つの部品を含むか、又は該３つの部品からなり、ここで、該部品のうちの２つは、同じ二ケイ化モリブデンをベースとした組成物で構成される。別の実施形態によれば、本明細書で上記又は下記で定義される加熱素子は、４つの二ケイ化モリブデンをベースとした部品を含むか、又は該部品からなり、ここで、２つの部品は、本明細書で上記又は下記で定義されるクロム合金化二ケイ化モリブデン組成物に基づいている。別の実施形態によれば、加熱素子は、（Ｍｏ_１−ｘＣｒ_ｘ）Ｓｉ_２組成物に基づく２つの部品及びＭｏ（Ｓｉ，Ａｌ）_２組成物に基づく１つの部品を含むか、又はそれらの部品からなる。

図面を参照すると、加熱素子は、（一又は複数の）端子として知られるセクションを含む（図１を参照）。コールドゾーンは、通常、このセクションに位置している。一実施形態によれば、端子は、好ましくは、クロム合金化二ケイ化モリブデンをベースとした組成物を含む部品に基づいているが、端子の小さいセクションは、加熱ゾーンで用いられる材料から作製することもできる。加熱ゾーンセクションは、好ましくは、他の二ケイ化モリブデン組成物から製造される。端子全体が、クロム合金化二ケイ化モリブデンをベースとした組成物で構成されていてもよい。端子は、加熱ゾーンよりも大きい直径を有しうる。端子はまた、加熱炉壁を通って加熱炉の外側に延び、加熱炉の外側に電気的に接続されるように適合させることができる。

図１は、本開示による加熱素子の例を示している。図１は、加熱素子１を開示している。加熱素子１は端子２を有している。端子の部品３は、クロム合金化二ケイ化モリブデン組成物で構成されており、１つの部品は、ホットゾーン４に適した二ケイ化モリブデンをベースとした組成物から構成される。

加熱素子の部品は、拡散溶接などの溶接を使用することによって、又は誘導加熱を使用し、その後に結合部に垂直に外圧を印加することによって、結合させることができる。結合部に電流を流し、同時に結合部に垂直に外圧を印加することも使用されうる。図２は、Ｍｏ（Ｓｉ，Ａｌ）_２をベースとした材料（左側）とＣｒ合金化ＭｏＳｉ_２をベースとした材料との結合部を示しており、該結合は拡散溶接によって行われた。

加熱素子のさまざまな部品は、ロッド又は他の形態へと形成することができ、次に接続することができる。さらには、部品は、Ｕ要素としてだけでなく、マルチシャンク、らせん、拡散カセット、フラットパネルなどとして成形することもできる。したがって、さまざまな部品はロッドの形態とすることができ、加熱素子の使用目的に応じて曲げても真っ直ぐにしてもよい。ロッドの断面は、通常、円形でありうるが、用途に応じて、楕円形又は長方形などの他の幾何学的形状も可能である。

一実施形態では、（Ｍｏ，Ｃｒ）Ｓｉ_２をベースとした材料に基づく（一又は複数の）部品は、動作中、４００〜６００℃の温度範囲を有する（一又は複数の）ゾーンを覆うのに十分に長い。一実施形態では、該（一又は複数の）部品は、１から３０ｍｍの直径及び１から４０ｃｍの長さを有するロッドの形態をしている。

本明細書において、「部品は組成物に基づく」という表現は、部品の少なくとも７０重量％がその組成物に基づくことを意味することが意図されている。

本開示は、以下の非限定的な実施例によってさらに説明される。

モリブデン、ケイ素、及びクロム粉末の２つの混合物を調製し、アルゴン中で加熱して、Ｍｏ_０．８５Ｃｒ_０．１５Ｓｉ_２を形成した。得られた生成物を粉砕し、その後、５重量％のアルミノケイ酸塩（モンモリロナイト型のベントナイト粘度）及び水と混合して、押し出しのためのペーストを形成した。形成されたペーストを直径９ｍｍのロッドに押し出し、その後、乾燥させ、水素中で予備焼結した。次に、完全な密度を達成するための最終焼結を、空気中で抵抗加熱することによって実施した。ロッドの直径端面を研磨した。

Ｍｏ（Ｓｉ，Ａｌ）_２をベースとした材料の９ｍｍロッドを提供し、ロッドの直径端面を研磨した。

ロッドを、誘導コイルを使用して保護ガス下で加熱した。温度が１５５０〜１６５０℃に達したときにロッドを押し合わせ、４００〜６００Ｎの圧力を１５〜６０秒間適用した（拡散結合）。結合部の縦断面を走査型電子顕微鏡で分析し、２つの材料間の結合が成功したことを確認した（図２Ａ及びＢを参照）。

Claims (12)

1. 少なくとも２つの二ケイ化モリブデンをベースとした部品から構成される加熱素子であって、
   二ケイ化モリブデンをベースとした部品の少なくとも１つが、９０重量％以上の（Ｍｏ_１−ｘＣｒ_ｘ）Ｓｉ_２を有する二ケイ化モリブデンをベースとした組成物に基づいており、ここでｘは０．０５から０．２５であり；かつ
   二ケイ化モリブデンをベースとした部品の少なくとも１つが、９０重量％以上のＭｏ（Ｓｉ，Ａｌ）_２を含む二ケイ化モリブデンをベースとした組成物に基づいている、加熱素子。
2. 加熱素子が２つの二ケイ化モリブデンをベースとした部品からなる、請求項１に記載の加熱素子。
3. 加熱素子が、３つの二ケイ化モリブデンをベースとした部品からなり、ここで、２つの部品は、同じ二ケイ化モリブデンをベースとした組成物に基づいており、１つの部品は、別の二ケイ化モリブデンをベースとした組成物に基づいている、請求項１に記載の加熱素子。
4. ２つの部品が、９０重量％以上の（Ｍｏ_１−ｘＣｒ_ｘ）Ｓｉ_２を有する二ケイ化モリブデンをベースとした組成物に基づいており、ここでｘは０．０５から０．２５であり；かつ、１つの部品が、９０重量％以上のＭｏ（Ｓｉ，Ａｌ）_２を含む、二ケイ化モリブデンをベースとした組成物に基づいている、請求項３に記載の加熱素子。
5. 加熱素子が、４つの二ケイ化モリブデンをベースとした部品からなり、ここで、加熱素子の２つの部品は、９０重量％以上の（Ｍｏ_１−ｘＣｒ_ｘ）Ｓｉ_２を有する二ケイ化モリブデンをベースとした組成物に基づいており、ここでｘは０．０５から０．２５であり、加熱素子の２つの部品は、９０重量％以上のＭｏ（Ｓｉ，Ａｌ）_２を含む二ケイ化モリブデンをベースとした組成物に基づいている、請求項１に記載の加熱素子。
6. ９０重量％以上の（Ｍｏ_１−ｘＣｒ_ｘ）Ｓｉ_２を有する二ケイ化モリブデンをベースとした組成物（ｘは０．０５から０．２５である）が、１０重量％以下のアルミノケイ酸塩及び／又は１つ以上の無機酸化物も含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の加熱素子。
7. ｘが、０．１５から０．２０の間など、０．１０から０．２０の間である、請求項１から６のいずれか一項に記載の加熱素子。
8. （Ｍｏ_１−ｘＣｒ_ｘ）Ｓｉ_２を含む二ケイ化モリブデンをベースとした組成物が、９５重量％以上の（Ｍｏ_１−ｘＣｒ_ｘ）Ｓｉ_２を含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の加熱素子。
9. ９０重量％以上のＭｏ（Ｓｉ，Ａｌ）_２に基づく二ケイ化モリブデンをベースとした組成物が、１０重量％以下のアルミノケイ酸塩及び／又は１つ以上の無機酸化物を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の加熱素子。
10. ９０重量％以上のＭｏ（Ｓｉ，Ａｌ）_２に基づく組成物から構成される少なくとも１つの部品が、それぞれ、Ｍｏ（Ｓｉ，Ａｌ）_２をベースとしたマトリクス相、並びに最大５体積％のＭｏ_５（Ｓｉ，Ａｌ）_３及び最大１５体積％のＡｌ_２Ｏ_３も含む、請求項１から９のいずれか一項に記載の加熱素子。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の加熱素子を含む、固定接点。
12. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の加熱素子を含む、加熱炉。

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