Устройство для фиксации изделий при термообработке

Полезная модель относится к области высокотемпературной обработки изделий и может быть использована при изготовлении трубчатых керамических (твердооксидных) топливных элементов.
Основной проблемой, возникающей при спекании керамических трубчатых изделий, является их изгиб относительно центральной оси в процессе температурной обработки в условиях высоких температур (Т~1400-1500°С). Основными факторами, определяющими искажение первоначальной формы, могут являться неоднородность толщины стенок трубки, вызванная несоосностью внутреннего канала, а также градиент температуры в рабочей зоне высокотемпературной печи. Получаемое в результате этого керамическое изделие, с точки зрения дальнейшего использования, становится непригодным.
Из предшествующего уровня техники известны устройства, позволяющие в той или иной мере решить эту проблему.
Известно, например, устройство, предназначенное для изготовления твердооксидных топливных элементов с последующей термообработкой (RU 2560454, 2015 г.). С целью исключения изменения формы трубчатых элементов в процессе обработки, конструкция предусматривает направляющие элементы для поддержки «сырых» керамических изделий.
Недостатком известного технического решения является сложность конструкции.
В области высокотемпературной обработки известны достаточно простые в конструктивном исполнении технические решения, позволяющие предотвратить искажение первоначальной формы изделий при изменении температуры.
Так, например, известно устройство для фиксации изделий при термообработке, включающее опорную плиту с укрепленными в ней по периметру направляющими штангами и набор параллельных между собой и относительно опорной плиты фиксирующих пластин, при этом пластины выполнены с равномерно распределенными по поверхности сквозными отверстиями для обрабатываемых изделий, причем соответствующие отверстия всех пластин выполнены соосными (SU 1735394, 05.03.1990).
Известное устройство исключает коробление изделий в процессе высокотемпературной обработки. Конструкция достаточно проста в изготовлении и использовании, однако не лишена недостатков. К примеру, указанная конструкция не позволяет одновременно обрабатывать изделия разного диаметра, поскольку все отверстия в фиксирующих пластинах выполнены одного диаметра. Фиксирующие пластины, ввиду особенности обрабатываемых изделий (она предназначена для обработки изделий конической формы), имеют возможность продольного перемещения. Кроме того, известная конструкция в силу использования металлических пластин будет окисляться при высокотемпературном нагреве на воздухе, что, в конечном счете, приведет к ее механической деградации, охрупчиванию и разрушению.
Предложенное техническое решение позволяет повысить функциональные возможности конструкции, за счет ее универсальности, надежности и химической стабильности в условиях высоких температур.
0.84
0.16
1.92
Вышеуказанное достигается за счет того, что устройство для фиксации изделий при термообработке включает опорную плиту с равномерно расположенными в ней по периметру направляющими штангами и набор фиксирующих пластин, параллельных между собой и относительно опорной плиты. Фиксирующие пластины выполнены с распределенными по поверхности сквозными отверстиями для обрабатываемых изделий, а по периметру опорной плиты и фиксирующих пластин выполнены отверстия под направляющие штанги. Соответствующие отверстия всех пластин выполнены соосными. Устройство снабжено проставками, которые могут быть выполнены, например, из керамики, размещенными на направляющих штангах между фиксирующими пластинами, соответствующие соосные отверстия всех пластин выполнены одинакового диаметра, а отверстия в каждой пластине выполнены (нескольких) разных диаметров, по меньшей мере двух. В качестве материала опорной плиты, фиксирующих пластин и направляющих штанг может быть использован материал на основе керамики. Как правило, используют материал, идентичный электролиту в отжигаемых трубчатых керамических (твердооксидных) топливных элементах, например, состава ZrYO(керамика 8YSZ). Геометрическая форма проставок может быть, например, трубчатой (цилиндрической). В опорной плите могут быть выполнены сквозные или несквозные (глухие) отверстия под направляющие штанги.
Сущность заявленной полезной модели иллюстрируется графическими материалами, где, на фиг. 1 представлен общий вид конструкции в аксонометрии (без проставок), на фиг. 2 - опорная плита, на фиг. 3 - фиксирующая пластина, на фиг. 4 представлено размещение фиксирующих пластин на направляющих штангах с помощью проставок.
Устройство для фиксации обрабатываемых изделий (трубчатых керамических топливных элементов) при термообработке включает опорную плиту 1, по периметру которой (например, в отверстиях) размещены направляющие штанги 2. На штангах 2 по всей длине расположены параллельно между собой и относительно опорной плиты 1, фиксирующие пластины 3. В пластинах 3 равномерно по всей поверхности выполнены сквозные отверстия 4 под трубчатые элементы (на чертеже не показаны). В опорной плите 1 по периметру могут быть выполнены отверстия 5 (сквозные или глухие) под направляющие штанги 2. Такие же отверстия 6, соосные отверстиям 5, выполнены и по периметру всех фиксирующих пластин 3.
Фиксирующие пластины 3 изготавливаются из материала на основе керамики 8YSZ. В качестве направляющих штанг 2 используют стержни, изготовленные из керамики 8YSZ. Направляющие штанги 2 обеспечивают жесткость конструкции и параллельность размещения пластин 3 между собой.
Для первоначальной фиксации направляющих используется толстая керамическая основа - опорная плита 1, выполненная из керамики 8YSZ (толщина плиты около 10 мм). В плите 1 могут быть прорезаны отверстия 5 для направляющих штанг 2. Направляющие штанги 2 помещают в отверстия 5 опорной плиты, перпендикулярно ее плоскости.
Штанги 2 могут быть зафиксированы в отверстиях 5 также с помощью высокотемпературного клея (в частности, Ceramabond™ 885, США), с последующим высушиванием его, например, при 95°С, 260°С и 370°С с выдержкой в течение около 2 часов на каждой температуре.
2
3
На штангах 2, начиная от основания (опорной плиты 1), с интервалом 5-10 мм последовательно размещают фиксирующие пластины 3, выполненные на основе керамики 8YSZ. Интервал обеспечивается при помощи проставок 7. Между двумя соседними фиксирующими пластинами высота проставок должна быть одинаковой. Также важным условием при размещении пластин является их взаимная параллельность (это как раз и обеспечивается одинаковой высотой проставок между двумя соседними пластинами), при этом соответствующие отверстия всех пластин должны быть соосными. Фиксацию пластин 3 на направляющих штангах 2 осуществляют при помощи цилиндрических проставок 7, надеваемых на каждую из направляющих штанг 2. Керамические проставки 7 могут быть изготовлены из алундовой (AlO) или циркониевой (8YSZ) керамики.  Варьирование высоты керамических проставок позволяет изменять частоту размещения фиксирующих пластин 3.
С помощью системы керамических фиксирующих пластин 3 с соосными сквозными отверстиями формируются каналы, обеспечивающие соосное размещение в них «сырых» трубчатых изделий (элементов). При последующем спекании канал обеспечивает стабилизацию положения трубчатого элемента, вследствие чего не происходит искажение его исходной формы в условиях температурного градиента высокотемпературной печи. Не происходит коробление изделий еще и потому, что фиксирующие пластины, как и сами изделия, выполнены из того же материала, что и электролит в отжигаемых трубчатых керамических (твердооксидных) топливных элементах (например, на основе керамики 8YSZ). Конструкция, изготовленная из материалов на основе подобной керамики, не будет окисляться при высокотемпературном нагреве на воздухе, т.е. в условиях высоких температур обеспечивается химическая стабильность.
Помимо укзанных выше, при изготовлении заявляемого устройства, возможно использование таких керамик, как, например, SSC или 10GDC.
Предложенная конструкция универсальна, поскольку позволяет производить высокотемпературную обработку изделий сразу нескольких типоразмеров (диаметров), за счет того, что в каждой пластине имеются отверстия (а, следовательно, обеспечивается возможность формирования каналов) нескольких разных диаметров для размещения в них обрабатываемых изделий. Кроме того, устройство идентично по физико-химическим свойствам материалов термообрабатываемых образцов (изделий).
Таким образом, конструкция заявленной полезной модели надежна, универсальна, и химически стабильна в условиях высоких температур, что в конечном итоге позволяет значительно расширить ее функциональные возможности.