RU2101881C1

RU2101881C1 - Device for high-temperature treatment of high-melting materials

Info

Publication number: RU2101881C1
Application number: RU96105774A
Authority: RU
Inventors: А.М. Балбашов; Б.И. Поляк; А.В. Кирьянов; Ю.Л. Супоницкий
Original assignee: Российский химико-технологический университет им.Д.И.Менделеева
Priority date: 1996-03-26
Filing date: 1996-03-26
Publication date: 1998-01-10

Abstract

FIELD: high-temperature treatment of materials. SUBSTANCE: device has lined body, high-temperature resistive heater made of high-fireproof oxides in the form of heating plates with holes positioned one under the other with clearance. Holes are arranged coaxially and form operating channel. Each plate is provided with separate power supply and power control system. Heating plates are of circular form. They have current leads provided at the ends with metal coating. Plates and current leads are made of lanthanum chromite modified by calcium of the following composition: for heating plates La_1-xCa_xCrO₃, where x - 0.02 - 0.07, and for current leads La_1-xCa_xCrO₂, where x - 0.10-0.18. Content of calcium in heating plate material is selected less than in current lead material by at least 0.08 mole fraction. EFFECT: reduced power consumption, extended service life and simplified construction of device. 2 cl, 5 wdg5

Description

Изобретение относится к области высокотемпературной обработки тугоплавких материалов путем вертикального протаскивания материала через рабочий канал печи, например, к процессу послеростового отжига монокристаллов в установках радиационного нагрева. The invention relates to the field of high-temperature processing of refractory materials by vertically dragging the material through the working channel of the furnace, for example, to the process of post-growth annealing of single crystals in radiation heating plants.

Известно устройство для высокотемпературной обработки материалов, например, для вытягивания волокна из тугоплавких материалов, включающее корпус печи, футерованный огнеупорной керамикой, высокотемпературный резистивный оксидный нагреватель, например, из модифицированного добавками оксида циркония, выполненный в виде пластины со сквозным отверстием, образующим рабочий канал, расположенный перпендикулярно оси, соединяющей электроды, пусковой нагреватель [1]
Работа печи устройства происходит следующим образом. После предварительного подогрева до температуры 1100^oC с помощью пускового нагревателя постепенно подают электрическое питание на высокотемпературный резистивный нагреватель, поднимая в рабочем канале температуру до величины, необходимой для начала обработки материала. После чего вводят заготовку в рабочий канал.A device is known for high-temperature processing of materials, for example, for drawing fibers from refractory materials, including a furnace body lined with refractory ceramics, a high-temperature resistive oxide heater, for example, made of zirconium oxide modified with additives, made in the form of a plate with a through hole forming a working channel located perpendicular to the axis connecting the electrodes, starting heater [1]
The operation of the furnace device is as follows. After preheating to a temperature of 1100 ^o C with the help of a starting heater, electric power is gradually supplied to the high-temperature resistive heater, raising the temperature in the working channel to the value necessary to start processing the material. Then enter the workpiece into the working channel.

Печь имеет ряд конструктивных недостатков, понижающих ее надежность во время работы, проявляющихся особенно при росте монокристаллов на установках радиационного нагрева. Подобная конструкция не обеспечивает создание равномерного высокотемпературного поля или же поля с заданным градиентом температур по сечению канала. Для прогрева заготовок увеличенного диаметра требуется подавать на нагреватель дополнительную электрическую нагрузку. Увеличение электрической нагрузки способствует более быстрому износу электродов и приэлектродной части нагревателя, вплоть до расплавления. The furnace has a number of design flaws that reduce its reliability during operation, which are manifested especially with the growth of single crystals in radiation heating plants. Such a design does not provide the creation of a uniform high-temperature field or a field with a given temperature gradient along the channel cross section. To heat up billets of increased diameter, an additional electrical load is required to be supplied to the heater. An increase in the electrical load contributes to faster wear of the electrodes and the near-electrode part of the heater, up to melting.

Установлено, что для послеростового отжига монокристаллов длина рабочего канала должна оптимально составлять не менее 90 мм. Печь с нагревателем, выполненным в виде одной толстой пластины, удовлетворяющей указанному оптимальному размеру канала, характеризуется резким снижением ее надежности в работе, вследствие образования расплава внутренних участков нагревателя по центральной оси, соединяющей электроды, разрушения при термоциклировании за счет невысокой термостойкости. It was found that for post-growth annealing of single crystals, the length of the working channel should optimally be at least 90 mm. A furnace with a heater made in the form of one thick plate that satisfies the indicated optimal channel size is characterized by a sharp decrease in its reliability in operation, due to the formation of a melt of the internal sections of the heater along the central axis connecting the electrodes, and destruction during thermal cycling due to low heat resistance.

Это объясняется спецификой свойств конструкционных материалов нагревателей, в том числе низкой теплопроводностью и экспоненциальной зависимостью температурного коэффициента электросопротивления. This is explained by the specific properties of the structural materials of heaters, including low thermal conductivity and the exponential dependence of the temperature coefficient of electrical resistance.

Наиболее близким к изобретению решением по технической сущности и достигаемому результату является устройство для высокотемпературной обработки тугоплавких материалов, например, для вытягивания стекловолокна, содержащее корпус, футерованный огнеупорными материалами, электроды, пусковой нагреватель и высокотемпературный резистивный нагреватель из высокотемпературных оксидов, выполненный в виде расположенных одна над другой пластин, отверстия которых образуют рабочий канал печи, а оси, соединяющие электроды, располагаются параллельно, при этом каждая пластина снабжена отдельной системой регулирования мощности [2]
Устройство позволяет создать оптимальную высоту рабочего канала и заданное температурное поле, что обеспечивает необходимый для отжига монокристалла рабочий температурный режим без электрических и тепловых перегрузок на электродах и активной части.The closest solution to the invention in terms of technical nature and the achieved result is a device for high-temperature processing of refractory materials, for example, for drawing fiberglass, containing a housing lined with refractory materials, electrodes, a starting heater and a high-temperature resistive heater made of high-temperature oxides, made in the form located one above one another plate, the holes of which form the working channel of the furnace, and the axles connecting the electrodes are located in parallel no, each plate is provided with a separate power control system [2]
The device allows you to create the optimal height of the working channel and a given temperature field, which provides the operating temperature necessary for annealing a single crystal without electrical and thermal overloads on the electrodes and the active part.

Недостатками данного устройства являются высокое электросопротивление нагревательных пластин при низких температурах, что требует обязательного использования предварительного подогрева от другого источника и усложняет или делает практически невозможным осуществление контролируемого охлаждения монокристалла, невысокая термостойкость нагревательных пластин увеличивает время прогрева рабочего канала до заданной температуры, что снижает время полезной работы установки, в которой используется устройство, и уменьшает время службы в режиме циклической эксплуатации с общей продолжительностью термоцикла, включающего подъем температуры, выдержку, контролируемое охлаждение, менее 24 ч. The disadvantages of this device are the high electrical resistance of the heating plates at low temperatures, which requires the use of preheating from another source and complicates or makes it almost impossible to carry out controlled cooling of the single crystal, the low heat resistance of the heating plates increases the heating time of the working channel to a predetermined temperature, which reduces the useful life installation in which the device is used and reduces the service time cyclic mode of operation with a total duration of a thermal cycle comprising raising the temperature, exposure, controlled cooling, for at least 24 hours.

Техническим результатом изобретения является понижение энергозатрат, связанных с нагревом до рабочей температуры, увеличение срока службы в режиме циклической эксплуатации, упрощение конструкции устройства для проведения нагрева до рабочей температуры и осуществления контролируемого охлаждения обрабатываемого материала. The technical result of the invention is to reduce energy costs associated with heating to operating temperature, increasing the service life in cyclic operation, simplifying the design of the device for heating to operating temperature and the implementation of controlled cooling of the processed material.

Это достигается тем, что в устройстве для высокотемпературной обработки тугоплавких материалов, содержащем футерованный корпус, высокотемпературный резистивный нагреватель из высокоогнеупорных оксидов, выполненный в виде установленных одна под другой с зазором нагревательных пластин с отверстиями, расположенными соосно и образующими рабочий канал со снабжением каждой пластины токоподводами, имеющими на концах для соединения с отдельными системами подачи электропитания и регулирования мощности металлическое покрытие; нагревательные пластины выполнены кольцевой формы, токоподводы - прямоугольной формы из модифицированного кальцием хромита лантана разного состава:
для нагревательной пластины
La_1-x Ca_x CrO₃,
где Х 0,02 0,07
для токоподвода
La_1-x Ca_x CrO₃,
где Х 0,10 0,18,
при этом содержание кальция в материале нагревательной пластины выбирают меньшим, чем в материале токоподвода пластины, не менее чем на 0,08 мольных долей.This is achieved by the fact that in the device for high-temperature processing of refractory materials containing a lined body, a high-temperature resistive heater made of high refractory oxides is made in the form of heating plates installed one below the other with a gap, with holes arranged coaxially and forming a working channel with current leads being supplied to each plate, having a metal coating at the ends for connection to separate power supply and power control systems; heating plates are made of a circular shape, current leads are rectangular in shape from calcium-modified lanthanum chromite of various compositions:
for heating plate
La _1-x Ca _x CrO ₃ ,
where X 0.02 0.07
for current supply
La _1-x Ca _x CrO ₃ ,
where X 0.10 0.18,
however, the calcium content in the material of the heating plate is chosen less than in the material of the current supply of the plate, not less than 0.08 molar fractions.

Отличие предлагаемого устройства от известного состоит в том, что токоподвод содержит электрод из мягкого металла П-образного профиля, имеющего посередине основания профиля вырез по всей ширине профиля длиной 0,25-0,4 его длины и выступ, являющийся продолжением одной из вертикальных стенок профиля для подключения в электрическую цепь, и зажимной элемент, охватывающий электрод, и помещенный над вырезом в электроде, причем концы зажимного элемента стянуты у стенки профиля крепежным элементом. The difference between the proposed device and the known one is that the current lead contains an electrode made of soft metal of a U-shaped profile having a cutout in the middle of the base of the profile along the entire width of the profile with a length of 0.25-0.4 and a protrusion that is a continuation of one of the vertical walls of the profile for connection to an electric circuit, and a clamping element covering the electrode, and placed above the cutout in the electrode, the ends of the clamping element being pulled against the wall of the profile by a fastening element.

На фиг. 1 приведен общий вид устройства в горизонтальном разрезе; на фиг. 2 то же, в вертикальном разрезе; на фиг. 3 нагревательная пластина; на фиг. 4 и 5 токовод в разобранном виде и в сборе. In FIG. 1 shows a General view of the device in horizontal section; in FIG. 2 the same, in vertical section; in FIG. 3 heating plate; in FIG. 4 and 5 current lead disassembled and assembled.

В центральной части устройства расположен высокотемпературный нагреватель в виде десяти нагревательных пластин 1 из модифицированного кальцием хромита лантана, расположенных одна под другой с воздушным зазором между ними таким образом, что вертикальные оси отверстий пластин совпадают с осью рабочего канала. Внутри высокотемпературного рабочего канала, образованного отверстиями пластин 1 нагревателя, установлен защитный огнеупорный экран, предназначенный для защиты пространства рабочего канала от загрязнения материалом нагревателя. Защитный экран состоит из трубки 2 и крышки 3 с отверстием, которая плотно одевается на верхний наружный конец трубки 2. Снаружи нагревателя установлена высокотемпературная футеровка 4, между которой и корпусом установки 5 расположен слой высокоэффективной теплоизоляции 6 из прессованной каолиновой ваты. Каждая нагревательная пластина 1 со стороны рабочего канала имеет два теплоизоляционных элемента 7. Концы с металлическим покрытием 8 тоководов 9 каждой нагревательной пластины 1 закреплены в токовводах 10, которые в свою очередь закрепляются в системах подачи электропитания и регулирования мощности 11. Токоввод 10 состоит из несущего электрода 12 в виде профиля П-образного сечения из мягкого металла, выполненного с вырезом в основании посередине П-образного профиля на 0,25-0,4 его длины и выступом 13, служащим для закрепления в системах подачи электропитания и регулирования мощности 11; вокруг электрода 12 над вырезом одевается зажимной элемент в виде хомутика 14 из упругого металла, концы которого через отверстия соединяются с помощью крепежного элемента, включающего винт 15 и прямоугольную гайку 16. In the central part of the device there is a high-temperature heater in the form of ten heating plates 1 of calcium-modified lanthanum chromite, located one below the other with an air gap between them so that the vertical axis of the plate openings coincide with the axis of the working channel. Inside the high-temperature working channel formed by the holes of the heater plates 1, a protective refractory screen is installed to protect the working channel space from contamination by the heater material. The protective screen consists of a tube 2 and a cover 3 with a hole that fits tightly on the upper outer end of the tube 2. Outside the heater, a high-temperature lining 4 is installed, between which and the installation case 5 there is a layer of high-performance thermal insulation 6 made of pressed kaolin wool. Each heating plate 1 on the side of the working channel has two heat-insulating elements 7. The ends with a metal coating 8 current leads 9 of each heating plate 1 are fixed in the current leads 10, which in turn are fixed in the power supply and power control systems 11. The current lead 10 consists of a carrier electrode 12 in the form of a profile of a U-shaped section made of soft metal, made with a cutout in the middle of the U-shaped profile at 0.25-0.4 of its length and a protrusion 13, which serves to be fixed in the power supply systems ktropitaniya and power control 11; around the electrode 12, a clamping element in the form of a clamp 14 of elastic metal is worn over the cutout, the ends of which are connected through holes with a fastener, including a screw 15 and a rectangular nut 16.

Подвод питания к нагревателям осуществлен следующим образом: конец 8 токоподвода 9 вставляется в несущий электрод 12 так, чтобы основание электрода располагалось параллельно плоскости токоподвода 9, после чего с помощью винта 15 затягивают хомутик 14, который при этом прижимает стенки электрода к стенкам токоподвода 9, обеспечивая надежный электрический и тепловой контакты. The power supply to the heaters is implemented as follows: the end 8 of the current supply 9 is inserted into the supporting electrode 12 so that the electrode base is parallel to the plane of the current supply 9, after which, using a screw 15, tighten the clamp 14, which presses the walls of the electrode against the walls of the current supply 9, providing reliable electrical and thermal contacts.

Устройство в рабочем положении, например, при отжиге монокристаллов, устанавливается таким образом, чтобы рабочий канал устройства совпадал с оптической осью установки радиационного нагрева. Устройство работает следующим образом. The device in the working position, for example, during annealing of single crystals, is installed so that the working channel of the device coincides with the optical axis of the radiation heating installation. The device operates as follows.

На нагревательный элемент подается напряжение 30-35 В и осуществляется нагрев рабочего канала до заданной температуры (любой до 1700^oC) со скоростью 18 гр/мин. После этого керамическую заготовку постепенно вводят в соприкосновение через расплавленную зону с затравкой монокристалла и медленно протаскивают в вертикальном направлении через зону радиационного нагрева, при этом образующийся монокристаллический участок були постоянно поступает в рабочий канал устройства. После получения були требуемой длины ее охлаждают в рабочем канале по заданному режиму до комнатной температуры.A voltage of 30-35 V is supplied to the heating element and the working channel is heated to a predetermined temperature (any up to 1700 ^o C) at a speed of 18 g / min. After that, the ceramic billet is gradually brought into contact through the molten zone with the single crystal seed and slowly dragged vertically through the radiation heating zone, while the resulting boules single-crystal section constantly enters the working channel of the device. After receiving the boules of the required length, it is cooled in the working channel according to the specified mode to room temperature.

Опытный макет устройства, выполненный в соответствии с описанием, испытан в режиме выращивания монокристаллов алюмоиттриевого граната. Нагреватель состоял из десяти пластин, имеющих следующие размеры: общая длина 100 мм, высота 6 мм, внешний диаметр кольцевой пластины 35 мм, внутренний диаметр 25 мм, длина токоподводов 65 мм, ширина 20 мм, ширина прорези 5 мм. Внешние габариты корпуса макета устройства составляли: диаметр 100 мм, высота 100 мм; диаметр рабочего канала 20 мм. An experimental device mock-up, made in accordance with the description, was tested in the mode of growing single crystals of yttrium aluminum garnet. The heater consisted of ten plates having the following dimensions: total length 100 mm, height 6 mm, outer diameter of the annular plate 35 mm, inner diameter 25 mm, length of current leads 65 mm, width 20 mm, slot width 5 mm. The external dimensions of the case of the device layout were: diameter 100 mm, height 100 mm; the diameter of the working channel is 20 mm.

В режиме роста монокристалла АИГ при температуре в рабочем канале 1600^oC, напряжении на нагревателе 35 В, потребляемый ток 28 А, мощность 980 Вт.In the growth mode of the AIG single crystal at a temperature in the working channel of 1600 ^o C, voltage at the heater 35 V, current consumption 28 A, power 980 watts.

После работы устройства в течение 9 циклов общим временем выдержки 25 ч при температуре 1500^oC-1600^oC видимых изменений на нагревателе не обнаружено.After the operation of the device for 9 cycles with a total exposure time of 25 hours at a temperature of 1500 ^o C-1600 ^o C no visible changes were detected on the heater.

Наблюдалась стабильная работа устройства при термоциклировании по режиму нагрев до максимальной температуры за 80 мин и охлаждение до комнатной температуры со скоростью 10 гр/мин. Stable operation of the device was observed during thermal cycling according to the regime of heating to a maximum temperature in 80 minutes and cooling to room temperature at a speed of 10 g / min.

При такой конструкции устройства и состава материала пластин появляются ряд преимуществ:
1. Модифицированный кальцием хромит лантана обладает электропроводностью во всем диапазоне температур от комнатной до заданной рабочей, что позволяет отказаться от использования предварительного подогрева.With this design of the device and the composition of the plate material, a number of advantages appear:
1. Calcium-modified lanthanum chromite has electrical conductivity in the entire temperature range from room temperature to a given working temperature, which eliminates the need for preheating.

2. Конструкция нагревательной пластины и состава материала, используемого для изготовления нагревательных пластин и токоподводов, позволяет сократить время нагрева печи до рабочей температуры и обеспечить ее контролируемое охлаждение. 2. The design of the heating plate and the composition of the material used for the manufacture of heating plates and current leads can reduce the heating time of the furnace to operating temperature and ensure its controlled cooling.

3. Более высокая термостойкость материала, из которого выполнены пластины, позволяет эксплуатировать печь в более жестком режиме термоциклирования. 3. Higher heat resistance of the material from which the plates are made, allows the furnace to be operated in a more stringent thermal cycling mode.

4. Значительное различие удельных сопротивлений нагревательных пластин и токоподводов обуславливает нагрев практически только рабочего канала, что снижает расход тепла и соответственно электроэнергии на нагрев обрабатываемого материала. 4. A significant difference in the resistivities of the heating plates and current leads leads to heating of almost only the working channel, which reduces the consumption of heat and, accordingly, electricity for heating the processed material.

5. Использование токоподводящих зажимов обеспечивает закрепление нагревательных пластин в заданном положении без создания значительных напряжений в материале пластин при эксплуатации. 5. The use of current-supplying clamps ensures the fixing of the heating plates in a predetermined position without creating significant stresses in the material of the plates during operation.

Claims

1. A device for high-temperature processing of refractory materials, containing a lined body, a high-temperature resistive heater made of high refractory oxides, made in the form of heating plates installed one below the other with a gap, with holes located coaxially and forming a working channel with supply of each plate with current leads that have ends for connections to separate power supply and power control systems, metal coating, and current lead, characterized in that revolving plates are made of a circular shape, and rectangular current leads of calcium-modified lanthanum chromite of different compositions: for a heating plate La ₁ _- _x Ca _x CrO ₃ , where x 0.02 0.07, for a current lead - La ₁ _- _x Ca _x CrO ₃ , where x 0.10 0.18, while the calcium content in the material of the heating plate is chosen lower than in the material of the current lead by at least 0.08 mol.

2. The device according to claim 1, characterized in that the current lead contains a soft metal electrode of a U-shaped profile having a cutout in the middle of the base along the entire width of the profile with a length of 0.25 0.4 and its length and a protrusion for connection to an electric circuit, which is a continuation one of the vertical walls of the profile, covering the electrode and placed above the cutout in the electrode, and the ends of the clamping element are pulled against the wall of the profile by a fastening element.