RU2503155C1 - Нагревательный блок и способ его изготовления - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области электротехники, а именно к производству монолитных металлокерамических нагревательных элементов электрического, в частности резистивного, нагрева. Нагревательный блок содержит трубу из огнеупорного материала, резистивный металлокерамический нагреватель, размещенный на внешней поверхности трубы, имеющий зону нагрева и токоподвода, которые выполнены плазменным напылением с использованием металлокерамического материала, содержащего от 10 до 30 весовых % керамической компоненты, при этом напылением из сплава с керамической компонентой выполнена только зона нагрева. Предложен также способ изготовления нагревательного блока, в котором вначале металлическим сплавом напыляют зону токоподвода, после чего в сплав добавляют керамическую компоненту и напыляют зону нагрева. Снижение электрических потерь в электронагревателе за счет обеспечения равномерного распределения подводимого тока, а также повышение его надежности является техническим результатом изобретения. 2 н.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Description

Изобретение относится к области электротехники, а именно к производству монолитных металлокерамических нагревательных элементов электрического, в частности резистивного нагрева, и может быть использовано при изготовлении нагревательного блока для электрических печей сопротивления.

Известен нагревательный элемент и способ его изготовления (Патент РФ №2369046, опубл. 27.09.2009 г.) [1]. Известный нагревательный элемент содержит резистивный элемент с положительным температурным коэффициентом сопротивления, выполненный из композиционного материала на основе железа и размещенный в электроизоляционном слое, выполненном из стеклокерамики на основе периклаза (MgO), термоизоляционный слой и защитный слой, а также, по меньшей мере, два токосъемных элемента, подключенных к резистивному элементу с шириной d. Способ производства нагревательного элемента включает изготовление резистивного элемента, формирование вокруг него электроизоляционного слоя с последующим прессованием и спеканием полученной многослойной структуры. При этом спекание осуществляют на воздухе при температуре 850-900°С с выдержкой при указанной температуре в течение от 0,5 до 1,5 часов и последующим охлаждением вместе с печью. Кроме того, известный способ, отличается тем, что в состав электроизоляционного слоя дополнительно вводят оксидное стекло, баритовый флинт, бентонитовую глину, микротальк и поливинилацетат и состав периклаза (MgO) из компонентов с различной дисперсностью. Известное техническое решение характеризуется тем, что для локального уменьшения температуры резистивного элемента в месте его соединения с токосъемным элементом выполнена контактная площадка, площадь поперечного сечения которой в n раз больше, чем в среднем по всей длине резистивного элемента. Это приводит к увеличению объема нагревательного элемента и повышенному расходу материала резистивного элемента.

Известен нагревательный блок и его изготовление плазменным напылением (Патент РФ на полезную модель №110174, опубл. 10.11.2011 г.) [2]. Известный блок содержит цилиндрическую трубу из огнеупорного материала, витковый резистивный нагреватель, размещенный на внешней поверхности цилиндрической трубы, выполненный из металлосодержащего материала, и теплоизоляционное покрытие. В известном решении витковый резистивный нагреватель выполнен металлокерамическим, в форме плоской ленты с изоляционными зазорами между ее фрагментами с размером каждого из зазоров не менее толщины ленты, расстояние от которой до внутренней поверхности цилиндрической трубы равно 5-10% от размера ее внутреннего диаметра. Для изготовления нагревательного блока используют порошок электрокорунда (оксида алюминия) и проволоку из нихрома, содержащую 80 мас.% никеля и 20 мас.% хрома. Первоначально напыляют керамическую цилиндрическую трубу, затем монтируют «маску» для формирования резистивного нагревателя в форме плоской ленты с изоляционными зазорами. Далее через «маску» напыляют резистивный нагреватель при одновременном вводе в плазму нихромовой проволоки и порошка оксида алюминия при отношении количества металлической компоненты к керамической от 7:3 до 9:1. После этого производят демонтаж «маски» и зачистку изоляционных зазоров. Затем снаружи резистивного нагревателя монтируют теплоизоляционное покрытие. В последнюю очередь монтируют токоподводы, через которые нагреватель подключают к электросети.

Согласно известному решению [2], зоны нагрева и токоподвода нагревательного блока формируют из одного и того же металлокерамического материала. При плазменном напылении металлокерамического нагревателя образуются многочисленные частицы, состоящие из металлической - токопроводящей, и керамической - диэлектрической, компонент. В результате этого в сечении нагревателя общая площадь, занимаемая диэлектрической компонентой, увеличивается, а площадь металлической компоненты - уменьшается. Это приводит к увеличению сопротивления нагревателя в зоне нагрева, повышению количества выделяющейся в нем теплоты, и тем самым, к увеличению теплового потока в рабочее пространство. Однако то же самое происходит и в зоне токоподвода, поскольку в известном решении [2] зона нагрева и токоподвода сформирована из одного и того же металлокерамического материала. Это приводит к нежелательному нагреву в зоне токоподвода, неоправданным потерям тепла и снижению срока службы нагревательного блока в результате разрушения контактной пары.

Задача настоящего изобретения заключается в повышении теплоэффективности и надежности нагревательного блока, а также в увеличении срока его службы.

Для решения поставленной задачи нагревательный блок содержит трубу из огнеупорного материала, резистивный металлокерамический нагреватель, размещенный на внешней поверхности трубы, имеющий зону нагрева и токоподвода, нагревательный блок выполнен плазменным напылением с использованием металлокерамического материала, при этом зона токоподвода напылена металлическим сплавом, а зона нагрева -металлокерамическим материалом, содержащим от 10 до 30 весовых % керамической компоненты.

Способ изготовления нагревательного блока включает плазменное напыление трубы с образованием зон нагрева и токоподвода, напыление ведут с использованием металлокерамического материала, содержащего от 10 до 30 весовых % керамической компоненты, при этом вначале металлическим сплавом напыляют зону токоподвода, после чего в сплав добавляют керамическую компоненту и напыляют зону нагрева.

Сущность заявленного способа заключается в следующем. Создание условий работы нагревателя, при которых зона токоподвода будет иметь пониженную температуру (холодная), а зона нагрева имеет максимальную температуру, позволяет избежать потерь из-за нагрева функциональной зоны и применять недорогие (нетугоплавкие) материалы для подведения электричества к токоподводам. Понижение сопротивления в зоне токоподвода, достигаемое отсутствием керамической компоненты в данной зоне, обеспечивает равномерное распределение подводимого тока, позволяет исключить разогрев в контактной зоне нагревателя и увеличить срок его службы.

Экспериментально установлено, что при содержании в зоне нагрева более 30 весовых % керамической компоненты, нагреватель в большей степени приобретает диэлектрические свойства, электросопротивление нагревателя резко увеличивается, его мощность уменьшается, нагрева не происходит и нагревательный блок не работает. При содержании в зоне нагрева менее 10 весовых % керамической компоненты, нагреватель в большей степени приобретает металлические свойства, сопротивления зон выравниваются и потери возрастают.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в снижении электрических потерь, повышении уровня теплораспределения и надежности работы нагревательного блока.

Приведенный на чертеже заявляемый нагревательный блок содержит трубу (1) из огнеупорного материала, размещенный на внешней поверхности трубы (1) резистивный металлокерамический нагреватель (2), имеющий зону нагрева (3) и зону токоподвода (4). В таблице приведены характеристики заявляемого нагревательного блока и прототипа [2]. Пример 1 - нагревательный блок-прототип; пример 2 - заявляемый нагревательный блок, зона нагрева сформирована керметом с содержанием керамической компоненты 20%; пример 3 - заявляемый нагревательный блок, зона нагрева сформирована керметом с содержанием керамической компоненты 10%.

Для изготовления нагревательного блока плазменным напылением применяют установку плазменного напыления, состоящую из аппарата УМП-6 и камеры-полуавтомата 15 В-Б, снабженных дополнительным устройством подачи металлической проволоки - полуавтоматом сварочным ПДГ-519. Из керамической компоненты, например, оксида алюминия, напыляют трубу нагревательного блока. После этого металлическим жаростойким сплавом, например, нихромом, на трубу напыляют зону токоподвода. Затем к металлическому сплаву добавляют керамическую компоненту, например, оксид алюминия, в количестве от 10 до 30 весовых % и напыляют на трубу зону нагрева. После этого нагреватель закрывают теплоизоляционным керамическим покрытием, например, из оксида алюминия, и монтируют токоподводы. Полученный нагревательный блок устанавливают в корпус печи и включают режим нагрева.

Из приведенной таблицы видно, что затраты электроэнергии на разогрев и поддержание температуры у заявленного нагревательного блока снижаются на 10-15%.

Таблица
	№1	№2	№3
Время разогрева до 1000°С, при скорости разогрева 10°С/ мин	110	100	100
Сила тока при температуре 1000°С, напряжение, стабилизированное 50 В, сопротивление нагревателей 1,7 Ом	33,9	30	30,9

Claims (2)

1. Нагревательный блок, содержащий трубу из огнеупорного материала, резистивный металлокерамический нагреватель, размещенный на внешней поверхности трубы, имеющий зоны нагрева и токоподвода, при этом нагревательный блок выполнен плазменным напылением с использованием металлокерамического материала, отличающийся тем, что зона токоподвода напылена металлическим сплавом, а зона нагрева металлокерамическим материалом, содержащим от 10 до 30 вес.% керамической компоненты.

2. Способ изготовления нагревательного блока, включающий плазменное напыление трубы с образованием зон нагрева и токоподвода, при этом напыление ведут с использованием металлокерамического материала, отличающийся тем, что напыление ведут с использованием металлокерамического материала, содержащего от 10 до 30 вес.% керамической компоненты, при этом вначале металлическим сплавом напыляют зону токоподвода, после чего в сплав добавляют керамическую компоненту и напыляют зону нагрева.