ТЕПЛООТРАЖАЮЩИЙ ЭКРАН

Область техники.
Полезная модель относится к элементам высокотемпературных печей, эксплуатируемых при температурах до 3000°С и выше, и может найти применение в металлургии, в печах графитации углеродного волокна, производстве композиционных материалов, например, углерод - углеродных, особо чистых материалов, а также в авиационной и других отраслях машиностроительного комплекса.
Уровень техники.
Известен теплоотражающий многослойный цилиндрический экран, обладающий теплоотражательными свойствами, выполненный из смотанной в рулон фольги из терморасширенного графита (ТРГ), ламинированной нетканым материалом из углеродных волокон (WO 0106169).
Наиболее близкое к предложенному техническое решение раскрывается в патенте на полезную модель RU 70971. В соответствии с данным патентом известен теплоотражающий цилиндрический многослойный экран, содержащий смотанную в рулон фольгу на основе терморасширенного графита с размещенным между слоями фольги клеем на основе пека.
К недостаткам известных технических решений относятся ограниченные низким уровнем прочностные свойства теплоотражающих экранов, а также их недостаточная жесткость - для удержания формы в процессе эксплуатации теплоотражающие экраны часто требуют применения дополнительных приспособлений, например, бандажей или другой фиксирующей оснастки.
Раскрытие полезной модели.
Задачей полезной модели является устранение присущих известным техническим решениям недостатков.
Поставленная задача решается теплоотражающим экраном, выполненным из гибкой фольги на основе терморасширенного графита, в соответствии с которым он выполнен из фольги, армированной частицами пиролитического углерода при следующем соотношении компонентов, масс.%:
Пиролитический углерод
0,5-5,0
Терморасширенный графит
остальное.
3
.
В частных воплощениях полезной модели поставленная задача решается экраном из фольги, характеризуемой плотностью 0,5-1,5 г/см
Экран может быть выполнен из фольги, дополнительно армированной углеродными волокнами с их содержанием до 20%.
Экран может быть выполнен из фольги, дополнительно армированной мелкодисперсными углеродными частицами с их содержанием до 20%.
Экран может иметь как плоскую форму, так и цилиндрическую, или может быть выполнен в любой другой заданной форме, например, в форме, составленной из дискретных элементов, соединенных воедино.
Сущность полезной модели состоит в следующем.
3
Использование фольги из терморасширенного графита (ТРГ) для производства теплоотражающих экранов, предназначенных для защиты футеровок высокотемпературных печей от излучения нагревающих элементов, основано на большой анизотропии коэффициента теплопроводности фольги. Так, для фольги плотностью 1-1.2 г/см коэффициент теплопроводности фольги в направлении прокатки превосходит коэффициент теплопроводности в перпендикулярном ей направлении в 20-25 раз. Кроме того, фольга из ТРГ обладает хорошей гибкостью, ей легко можно придать заданную форму, например цилиндрическую.
3
Использование пироуглеродного насыщения позволяет значительно повысить прочность графитовой фольги. Так прочность на разрыв графитовой фольги плотностью 1 г/см, полученной на основе 2 ступени нитрата графита, составляет 3 МПа, а графитовой фольги, содержащей 3 вес.% пироуглерода, составляет 10 МПа (см. фиг.1). Кроме того, при пироуглеродном насыщении достигается заметная жесткость экрана, т.е. с помощью пироуглерода можно «закрепить» форму, приданную фольге.
3
Наилучшие характеристики теплоотражающего экрана могут быть достигнуты при намотке фольги из ТРГ с плотностью 0,5-1,5 г/см, обладающей наибольшим коэффициентом анизотропии теплопроводности, равным 25, наивысшей прочностью на разрыв, равной 2-8 МПа, для фольги на основе нитрата графита второй ступени. Использование фольги с плотностью менее 0,5 г/см нежелательно в связи с низкими механическими характеристиками (прочность на разрыв не превышает 2 МПа - для нитрата графита второй ступени), невысоким коэффициентом анизотропии теплопроводности (не более 10).
3
Использование фольги с плотностью более 1,5 г/см приводит к снижению эффективности применения композиции за счет увеличения веса изделия при той же теплопроводности в направлении прокатки, хотя прочность на разрыв составляет не менее 10 МПа.
В зависимости от конструкции и мощности нагревающего элемента используемой печи количество теплозащитных экранов может варьироваться. Также может варьироваться толщина экранов от 0,3 до 1 мм.
Самые наилучшие свойства экрана могут быть реализованы, если содержание пироуглерода в нем составляет 3-4 масс.%.
3
Для повышения прочности фольга может быть дополнительно армирована различными волокнами, например углеродными - на основе вискозных, пековых или ПАН прекурсоров. Волокна для этих целей имеют следующие параметры: прочность на разрыв 0,5-7 ГПа, плотность 1-1,2 г/см.
Для повышения эффективности работы теплоотражающего экрана, фольга, также, может быть армирована другими мелкодисперсными веществами, например дискретными волокнами, пековым или нефтяным коксом, искусственными или природными графитами, сажей, оксидами алюминия или кремния, карбидом кремния (эксплуатация экрана при температуре <1700°С), карбидом циркония для снижения коэффициента теплопроводности, повышения окислительной стойкости (особенно, при введении оксидов алюминия или кремния и карбида кремния).
Армированную волокнами фольгу получают путем добавления волокон или других мелкодисперсных веществ в терморасширенный графит до его прокатки в фольгу в количестве до 20 масс.%, наиболее приемлемо от 0,1 до 15 масс.%.
Экран заданной формы получают по следующей схеме: получают заготовку из графитовой фольги, проводят пироуглеродное насыщение, что приводит к фиксации формы и получению жесткой конструкции.
Примеры осуществления изобретения.
Пример 1.
3
Из графитовой фольги толщиной 0,3 мм с плотностью 1,0 г/см вырезали полосу заданной длины и ширины (10*20 см). Масса заготовки для экрана составила 6,010 г.
Проводили пиронасыщение по следующим режимам: в качестве источника пиролитического углерода использовали метан. Пиролиз осуществляли в импульсном режиме при температуре 1060±3°С и общем давлении газов 20±2 кПа. Количество осаждаемого пироуглерода от 0,5 до 5,0 масс.% изменяли путем варьирования времени процесса пиролиза.
Δ
Полученный образец извлекали из реактора, и определяли относительный процент привеса (m):
кон.
иcx
где m - масса образца после пиролиза, m. - масса исходного образца графитовой фольги.
Δ
3
При определении m взвешивание образца, полученного в результате насыщения, осуществляли с точностью 0,001 г. Масса полученного экрана составила 6,220 г, а толщина экрана увеличилась до 0,36 мм вследствие термического расширения фольги при нагревании. Таким образом, привес составил 3,5 масс.%, а плотность полученного экрана 0,87 г/см.
3
Пример 2. Получали теплоотражающий экран, армированный графитом марки ГТ (фракция <100 мкм). Полосу графитовой фольги, армированной 20 масс.% графита, размером 10*20 см подвергли пироуглеродному насыщению в приведенных выше условиях. Привес пироуглерода составил 3,5 масс.%, плотность полученного экрана 0,88 г/см.
3
3
3
Пример 3. Еще одним примером осуществления изобретения является теплоотражающий экран, армированный углеродным волокном (УВ) на основе ПАН-прекурсора (120 текс, плотность 1,80 г/см, прочность на разрыв 2 ГПа). Введение 3 масс.% углеродного волокна приводит к увеличению прочности фольги плотностью 1 г/см с 3 до 12 МПа. Полосу графитовой фольги, армированной 2 масс.% волокна, размером 50*200 мм подвергли пироуглеродному насыщению в приведенных выше условиях. Привес пироуглерода составил 3,5 масс.%, плотность полученного экрана 0,88 г/см.
Из центральной части полученных экранов вырезали образцы, размером 10×10 мм и проводили измерения коэффициента теплопроводности, коэффициента линейного термического расширения в направлении, перпендикулярном плоскости прокатки исходной фольги в интервале температур 25-1000°С.
На фиг.2 приведена зависимость коэффициента теплопроводности экранов в направлении, перпендикулярном плоскости прессования исходной фольги (т.е. направлении использования экрана). Каждое из приведенных при различных температурах значений является средним из трех испытаний. Как следует из данного рисунка, теплопроводность экранов на основе фольги, насыщенной пироуглеродом, и на основе фольги, армированной углеродным волокном и насыщенной пироуглеродом, практически не отличаются. Так, при комнатной температуре, теплопроводность составляет 6,2 Вт/м*К, при 1000°С - 3,7 Вт/м*К, т.е. наблюдается тенденция к понижению коэффициента теплопроводности экрана с повышением температуры, что позволяет эффективно использовать заявляемые экраны в качестве теплоотражающих. Прочность экрана, армированного волокном, превышает прочность неармированного в 2,5 раза, составляя 25 МПа, поэтому использование такого экрана предпочтительно.
Наиболее эффективным является использование экрана, армированного графитом марки ГТ. Теплопроводность такого экрана при комнатной температуре составляет 5,2 Вт/м*К, при 1000°С - 2,7 Вт/м*К. Уменьшение коэффициента теплопроводности экрана при введении графита связано с высокой анизотропией его свойств.
-6
-1
-4
-1
-5
-1
КЛТР фольги, содержащей 3,5 масс.% пиролитического углерода, (фиг.3) практически линейно возрастает в диапазоне температур 25-500°С от значения 5*10К до значения 1*10К и сохраняет это значение до 650°С. Выше 650°С наблюдается уменьшение КЛТР до значения 5*10K при 800°С.
Для проведения испытаний стойкости полученного экрана к окислению при высоких температурах проводили нагрев образца со скоростью 10°С/мин на воздухе. Стойкость к окислению графитовой фольги увеличивается при введении в ее поры пироуглерода. Так, температура начала интенсивного окисления фольги, содержащей 3,5 масс.% пироуглерода, на 50°С выше чем температура начала окисления фольги, не модифицированной пироуглеродом (фиг.4).
Все испытываемые экраны при эксплуатации в печи при температуре 1600°С держали свою форму в течение 24 часов, что свидетельствует о достаточной жесткости и отсутствии необходимости использования скрепляющих бандажей.
Таким образом, как следует из представленных материалов, предложенное техническое решение просто в осуществлении, позволяет с высокой производительностью изготавливать теплоотражающие экраны, характеризующиеся высоким уровнем теплозащитных свойств, которые могут эксплуатироваться в высокотемпературных (до 3000°С) ва-куумируемых печах или печах с защитной атмосферой. Экраны обладают высокими прочностными свойствами и способны сохранять свою форму в печах в течение длительного времени.
Кроме того, такие экраны могут быть изготовлены любой формы - цилиндрической, плоской или быть любой другой формы из различной формы дискретных элементов, соединенных воедино.