НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ БЛОК И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
HEATING UNIT AND METHOD OF ITS MANUFACTURING

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