RU2123241C1

RU2123241C1 - Method for manufacturing of tube heat- emitting element with alternating electric resistance

Info

Publication number: RU2123241C1
Application number: RU96121173A
Authority: RU
Inventors: С.А. Суворов; А.П. Шевчик
Original assignee: Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)
Priority date: 1996-09-24
Filing date: 1996-09-24
Publication date: 1998-12-10

Abstract

FIELD: high-temperature non-metal materials. SUBSTANCE: method involves manufacturing said element from current-conducting material, which compression factor is within range of 2.4-2.8 and which is diluted by dielectric within range of 5- 45 % by weight. Said material is spread over generatrix of cylindrical surface of tube sections using following ratio and sequence of sections: current feeding circuit / intermediate section / active section/ intermediate section/ current feeding circuit 5-8 / 2/ 8/ 2/ 5-8. Then method involves mechanical pressing under pressure of at least 2 MPa and hydrostatic pressing under pressure of at least 80- 100 MPa to achieve density of 1.-09-1.12 / 1.03-1.06 / 0.80-1.00 in, respectively, current feeding circuit, intermediate and active sections of element. EFFECT: possibility to manufacture heat-emitting elements with width and resistance alternating along tube and with increased service life. 1 tbl, 3 ex

Description

Изобретение относится к технологии высокотемпературных неметаллических материалов, а именно к способам изготовления трубчатых тепловыделяющих элементов с переменной электропроводностью по длине образующей поверхности. The invention relates to the technology of high-temperature non-metallic materials, and in particular to methods for manufacturing tubular fuel elements with variable electrical conductivity along the length of the forming surface.

В настоящее время известны способы изготовления нагревательных резистивных элементов с переменным сопротивлением (авторское свидетельство СССР N 1525951, H 05 B 3/14 от 30.11.89 г.; аналог) и с переменной электропроводностью (авторское свидетельство СССР N 1525952, H 05 B 3/14 от 30.11.89 г.; аналог). Нагреватели с переменным сопротивлением имеют площадь сечения в токоподводящих частях больше, чем в активной (тепловыделяющей) части. Нагреватели с переменной электропроводностью имеют в токоподводящих частях электропроводность выше, чем в активной части. Нагреватели с переменным химическим составом (электропроводностью) могут иметь как переменную, так и постоянную площадь сечения. Постоянная площадь сечения нагревателя более приемлема, так как исключается концентрация напряжений в местах изменения площади сечения. В условиях термоциклирования, обычных для резистивных элементов, уровень действующих термонапряжений на границах токоподвода и активной части (то есть в местах изменения площади сечения) может в 2 - 3 раза превышать номинальное значение. Таким образом, при изготовлении нагревательных резистивных элементов оптимальным может считаться обеспечение по длине элемента переменного сопротивления, постоянной площади сечения (для трубчатых элементов - равнотолщинности) и переменной электропроводности. Currently, there are known methods of manufacturing heating resistive elements with variable resistance (USSR author's certificate N 1525951, H 05 B 3/14 of 11/30/89; analogue) and with variable electrical conductivity (USSR author's certificate N 1525952, H 05 B 3 / 14 from 11/30/89; analogue). Variable resistance heaters have a cross-sectional area in the current-supplying parts more than in the active (heat-generating) part. Heaters with variable electrical conductivity have higher conductivity in the current-carrying parts than in the active part. Heaters with a variable chemical composition (electrical conductivity) can have both a variable and a constant cross-sectional area. A constant cross-sectional area of the heater is more acceptable, since stress concentration in places where the cross-sectional area changes is eliminated. Under thermal cycling conditions common for resistive elements, the level of effective thermal voltages at the boundaries of the current supply and the active part (that is, in places where the cross-sectional area changes) can be 2 to 3 times higher than the nominal value. Thus, in the manufacture of heating resistive elements, the provision of variable resistance, a constant cross-sectional area (for tubular elements - equal thickness), and variable electrical conductivity can be considered optimal.

Известен способ формирования переменного химического состава заготовки нагревателя многократным послойным нанесением оксидного материала (авторское свидетельство СССР N 862400, H 05 B 5/14; БИ N 33, 1981 г., стр. 293; прототип). A known method of forming a variable chemical composition of a heater preform by multiple layer-by-layer deposition of oxide material (USSR author's certificate N 862400, H 05 B 5/14; BI N 33, 1981, p. 293; prototype).

Недостатком известного способа является градиент электропроводности по толщине активной части нагревателя, что объясняется однородностью химического состава по каждому слою нанесенного оксидного материала, хотя состав материала может меняться при переходе от одного слоя к другому. Указанный недостаток является причиной неравномерного выделения тепла в сечении нагревателя. Кроме того, известный способ позволяет формировать переменную электропроводность по толщине нагревателя (при переходе от одного слоя к другому), но не по длине. Для того чтобы обеспечить переменное сопротивление нагревателя по длине, в известном способе предусмотрено разбиение заготовки на отдельные участки (зоны), на которых ведется многократное послойное нанесение оксидного материала по своему режиму. Многократность выполняемых для достижения цели приемов отрицательно сказывается на стабильности эксплуатационных характеристик нагревателя. The disadvantage of this method is the gradient of electrical conductivity across the thickness of the active part of the heater, which is explained by the homogeneity of the chemical composition for each layer of the deposited oxide material, although the composition of the material can change during the transition from one layer to another. This drawback is the cause of uneven heat generation in the cross section of the heater. In addition, the known method allows to form a variable electrical conductivity along the thickness of the heater (when moving from one layer to another), but not in length. In order to provide variable resistance of the heater along the length, in the known method, the workpiece is divided into separate sections (zones), in which multiple layer-by-layer deposition of oxide material is carried out according to its mode. Repeatedly performed to achieve the goal of techniques adversely affects the stability of the operational characteristics of the heater.

Задачей предлагаемого технического решения является изготовление трубчатого тепловыделяющего элемента равной толщины, характеризующегося переменным сопротивлением по длине, с высоким сроком службы. The objective of the proposed technical solution is the manufacture of a tubular fuel element of equal thickness, characterized by variable resistance along the length, with a high service life.

Сущность заявляемого способа заключается в том, что элемент изготавливают из электропроводящей массы с коэффициентом сжатия от 2,4 до 2,8, разбавленной диэлектриком в количестве от 5 до 45 мас.%, при соотношении числа и последовательностью образованных частей токоподвода 5 - 8: промежуточной части 2 : активной части 8 : промежуточной части 2 : токоподвода 5 - 8, подвергают механическому обжатию при давлении не ниже 2 МПа, затем гидростатическому обжатию при давлении не ниже 80 - 100 МПа до достижения в токоподводе, промежуточной и активной частях элемента соотношения плотностей 1,09 - 1,12 : 1,03 - 1,06 : 0,80 - 1,00 и обжигают в среде с пониженным содержанием кислорода при температуре 1700 - 1800^oC.The essence of the proposed method lies in the fact that the element is made of an electrically conductive mass with a compression ratio of from 2.4 to 2.8, diluted by a dielectric in an amount of from 5 to 45 wt.%, With a ratio of the number and sequence of formed parts of the current supply 5 - 8: intermediate part 2: active part 8: intermediate part 2: current supply 5 to 8, subjected to mechanical compression at a pressure of at least 2 MPa, then hydrostatic compression at a pressure of at least 80 to 100 MPa until the element reaches the current supply, intermediate and active parts and the density ratio of 1.09 - 1.12: 1.03 - 1.06: 0.80 - 1.00 and burn in an environment with a low oxygen content at a temperature of 1700 - 1800 ^o C.

Заявляемый способ позволяет изготавливать нагреватели с переменной электропроводностью и переменным сопротивлением по длине образующей поверхности. Отсутствие градиента электропроводности по толщине сечения нагревателя способствует равномерному выделению тепла. Равнотолщинность нагревателя обеспечивают подбором насыпной плотности и коэффициента сжатия порошков разного химического состава. Отдельные части нагревателя формируют в едином технологическом режиме. Давление при механическом обжатия 2 МПа достаточно для придания заготовке нагревателя минимальной механической прочности, требуемой для подготовки заготовки к гидростатическому обжатию. Давление при гидростатическом обжатии не ниже 80 - 100 МПа обеспечивает конечную пористость не более 5%. Часть токоподвода нагревателя, не металлизированная для увеличения электропроводности, является промежуточной частью. Она выполнена из электропроводящей массы с характеристиками, отличными от таковых для металлизированного токоподвода и активной части, что снижает температуру на металлизированном токоподводе и уменьшает критический температурный перепад до величины менее 600^oC, не приводящей к опасным термическим напряжениям. Промежуточная часть нивелирует контраст сопротивлений между активной частью и металлизированным токоподводом, что ведет к увеличению ресурса нагревателя.The inventive method allows the manufacture of heaters with variable electrical conductivity and variable resistance along the length of the forming surface. The absence of a gradient of electrical conductivity over the thickness of the cross section of the heater promotes uniform heat generation. The evenness of the heater is ensured by the selection of bulk density and compression ratio of powders of different chemical composition. Separate parts of the heater are formed in a single technological mode. The pressure during mechanical compression of 2 MPa is sufficient to give the preform of the heater the minimum mechanical strength required to prepare the preform for hydrostatic compression. The pressure during hydrostatic compression of not less than 80 - 100 MPa provides a final porosity of not more than 5%. The part of the current lead of the heater, not metallized to increase electrical conductivity, is an intermediate part. It is made of an electrically conductive mass with characteristics different from those for the metallized current lead and the active part, which reduces the temperature on the metallized current lead and reduces the critical temperature drop to less than 600 ^o C, which does not lead to dangerous thermal stresses. The intermediate part eliminates the contrast of resistances between the active part and the metallized current lead, which leads to an increase in the life of the heater.

Предлагаемое техническое решение обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленно применимо. The proposed solution has a novelty, inventive step and is industrially applicable.

Ниже приводятся примеры реализации способа. The following are examples of the implementation of the method.

Пример 1. Синтезируют хромит лантана, легированный кальцием и алюминием, La_0,975Ca_0,25Cr_0,9Al_0,1O₃ из оксида хрома (III) (ТУ 6-09-4272-84), оксида лантана (ОСТ 48-194-81), оксида алюминия (ТУ 6-09-426-75) и карбоната кальция (ГОСТ 4530-76). Из легированного хромита лантана, разбавленного диэлектриком-оксидом иттрия (ТУ 48-4-524-90), подготавливают 3 состава (мас.%): состав 1 - 90% хромита лантана, 10% оксида иттрия; состав 2 - 70% хромита лантана, 30% оксида иттрия; состав 3 - 60% хромита лантана, 40% оксида иттрия. Составы увлажняют 5%-ным водным раствором поливинилового спирта до влажности шихты 5 мас.%. Полученные массы состава 1 с коэффициентом сжатия K_сж = 2,40, состава 2 с K_сж = 2,65 и состава 3 с K_сж = 2,80 засыпают раздельно по весу в секционную воронку. Из секционной воронки отдозированные массы засыпают в пресс-форму в соотношении образуемых частей трубчатого нагревателя токоподвода 5, промежуточной части 2, активной части 8, промежуточной части 2, токоподвода 5 и обжимают механически вокруг расположенного в форме шаблона в виде стального сердечника диаметром 7 мм при давлении 4 МПа. Заготовку перемещают в эластичную оболочку, в которой ее вакуумируют и гидростатически обжимают при давлении 100 МПа. Заготовку извлекают из эластичной оболочки, освобождают от шаблона и сушат в естественных условиях в течение 24 ч. После сушки заготовку обжигают в среде с парциальным давлением кислорода 10^-2 Па при температуре 1800^oC.Example 1. Synthesize lanthanum chromite doped with calcium and aluminum, La _0.975 Ca _0.25 Cr _0.9 Al _0.1 O ₃ from chromium oxide (III) (TU 6-09-4272-84), lanthanum oxide (OST 48 -194-81), aluminum oxide (TU 6-09-426-75) and calcium carbonate (GOST 4530-76). From doped lanthanum chromite diluted with yttrium dielectric oxide (TU 48-4-524-90), 3 compositions are prepared (wt.%): Composition 1 - 90% lanthanum chromite, 10% yttrium oxide; composition 2 - 70% lanthanum chromite, 30% yttrium oxide; composition 3 - 60% of lanthanum chromite, 40% of yttrium oxide. The compositions are moistened with a 5% aqueous solution of polyvinyl alcohol to a mixture moisture of 5 wt.%. The resulting masses of composition 1 with a compression ratio of K _cr = 2.40, composition 2 with K _cr = 2.65 and composition 3 with K _cr = 2.80 are poured separately by weight into a sectional funnel. From the sectional funnel, the metered masses are poured into the mold in the ratio of the formed parts of the tubular heater of the current supply 5, intermediate part 2, active part 8, intermediate part 2, current supply 5 and are crimped mechanically around a 7 mm diameter steel core in the form of a mold at a pressure 4 MPa. The workpiece is moved into an elastic shell in which it is evacuated and hydrostatically crimped at a pressure of 100 MPa. The workpiece is removed from the elastic shell, freed from the template and dried under natural conditions for 24 hours. After drying, the workpiece is fired in an environment with a partial oxygen pressure of 10 ^-2 Pa at a temperature of 1800 ^o C.

Характеристики полученного указанным способом тепловыделяющего элемента приведены в таблице. The characteristics of the fuel element obtained by the above method are given in the table.

Пример 2. Синтезируют хромит лантана, легированный кальцием и алюминием, La_0,975Ca_0,025Cr_0,9Al_0,1O₃ из оксида хрома (III) (ТУ 6-09-4272-84), оксида лантана (ОСТ 48-194-81), оксида алюминия (ТУ 6-09-426-75) и карбоната кальция (ГОСТ 4530-76). Из легированного хромита лантана, разбавленного диэлектриком-оксидом иттрия (ТУ 48-4-524-90), подготавливают 3 состава (мас.%): состав 1 - 90% хромита лантана, 10% оксида иттрия; состав 2 - 70% хромита лантана, 30% оксида иттрия; состав 3 - 60% хромита лантана, 40% оксида иттрия. Составы увлажняют 5%-ным водным раствором поливинилового спирта до влажности шихты 5 мас.%. Полученные массы состава 1 с коэффициентом сжатия K_сж = 2,45, состава 2 с K_сж = 2,65 и состава 3 с K_сж = 2,76 засыпают раздельно по весу в секционную воронку. Из секционной воронки отдозированные массы засыпают в пресс-форму в соотношении образуемых частей трубчатого нагревателя токоподвода 8, промежуточной части 2, активной части 8, промежуточной части 2, токоподвода 8 и обжимают механически вокруг расположенного в форме шаблона в виде стального сердечника диаметром 7 мм при давлении 2 МПа. Заготовку перемещают в эластичную оболочку, в которой ее вакуумируют и гидростатически обжимают при давлении 80 МПа. Заготовку извлекают из эластичной оболочки, освобождают от шаблона и сушат в естественных условиях в течение 24 ч. После сушки заготовку обжигают в среде с парциальным давлением кислорода 10^-2 Па при температуре 1700^oC.Example 2. Synthesize lanthanum chromite doped with calcium and aluminum, La _0.975 Ca _0.025 Cr _0.9 Al _0.1 O ₃ from chromium oxide (III) (TU 6-09-4272-84), lanthanum oxide (OST 48-194 -81), aluminum oxide (TU 6-09-426-75) and calcium carbonate (GOST 4530-76). From doped lanthanum chromite diluted with yttrium dielectric oxide (TU 48-4-524-90), 3 compositions are prepared (wt.%): Composition 1 - 90% lanthanum chromite, 10% yttrium oxide; composition 2 - 70% lanthanum chromite, 30% yttrium oxide; composition 3 - 60% of lanthanum chromite, 40% of yttrium oxide. The compositions are moistened with a 5% aqueous solution of polyvinyl alcohol to a mixture moisture of 5 wt.%. The resulting masses of composition 1 with a compression ratio of K _cr = 2.45, composition 2 with K _cr = 2.65 and composition 3 with K _cr = 2.76 are poured separately by weight into a sectional funnel. From the sectional funnel, the metered masses are poured into the mold in the ratio of the formed parts of the tubular heater of the current lead 8, intermediate part 2, active part 8, intermediate part 2, current lead 8 and are crimped mechanically around a 7 mm diameter steel core in the form of a mold at a pressure 2 MPa. The workpiece is moved into an elastic shell in which it is evacuated and hydrostatically crimped at a pressure of 80 MPa. The workpiece is removed from the elastic shell, freed from the template and dried under natural conditions for 24 hours. After drying, the workpiece is fired in an environment with a partial oxygen pressure of 10 ^-2 Pa at a temperature of 1700 ^o C.

Пример 3. Синтезируют хромит лантана, легированный кальцием и алюминием, La_0,975Ca_0,025Cr_0,9Al_0,1O₃ из оксида хрома (III) (ТУ 6-09-4272-84), оксида лантана (ОСТ 48-194-81), оксида алюминия (ТУ 6-09-426-75) и карбоната кальция (ГОСТ 4530-76). Из легированного хромита лантана, разбавленного диэлектриком-оксидом иттрия (ТУ 48-4-524-90), подготавливают 3 состава (мас.%): состав 1 - 90% хромита лантана, 10% оксида иттрия; состав 2 - 70% хромита лантана, 30% оксида иттрия; состав 3 - 60% хромита лантана, 40% оксида иттрия. Составы увлажняют 5%-ным водным раствором поливинилового спирта до влажности шихты 5 мас.%. Полученные массы состава 1 с коэффициентом сжатия K_сж = 2,40, состава 2 с K_сж = 2,65 и состава 3 с К_сж = 2,80 засыпают раздельно в секционную воронку. Из секционной воронки отдозированные массы засыпают в пресс-форму в соотношении образуемых частей трубчатого нагревателя токоподвода 6, промежуточной части 2, активной части 8, промежуточной части 2, токоподвода 6 и обжимают механически вокруг расположенного в форме шаблона в виде стального сердечника диаметром 7 мм при давлении 4 МПа. Заготовку перемещают в эластичную оболочку, в которой ее вакуумируют и гидростатически обжимают при давлении 90 МПа. Заготовку извлекают из эластичной оболочки, освобождают от шаблона и сушат в естественных условиях в течение 24 ч. После сушки заготовку обжигают в среде с парциальным давлением кислорода 10^-2 Па при температуре 1800^oC.Example 3. Synthesize lanthanum chromite doped with calcium and aluminum, La _0.975 Ca _0.025 Cr _0.9 Al _0.1 O ₃ from chromium oxide (III) (TU 6-09-4272-84), lanthanum oxide (OST 48-194 -81), aluminum oxide (TU 6-09-426-75) and calcium carbonate (GOST 4530-76). From doped lanthanum chromite diluted with yttrium dielectric oxide (TU 48-4-524-90), 3 compositions are prepared (wt.%): Composition 1 - 90% lanthanum chromite, 10% yttrium oxide; composition 2 - 70% lanthanum chromite, 30% yttrium oxide; composition 3 - 60% of lanthanum chromite, 40% of yttrium oxide. The compositions are moistened with a 5% aqueous solution of polyvinyl alcohol to a mixture moisture of 5 wt.%. The resulting masses of composition 1 with a compression ratio of K _cr = 2.40, of composition 2 with K _cr = 2.65 and of 3 with K _cr = 2.80 are poured separately into a sectional funnel. From the sectional funnel, the metered masses are poured into the mold in the ratio of the formed parts of the tubular heater of the current supply 6, intermediate part 2, active part 8, intermediate part 2, current supply 6 and are crimped mechanically around a 7 mm diameter steel core in the form of a mold at a pressure 4 MPa. The workpiece is moved into an elastic shell in which it is evacuated and hydrostatically crimped at a pressure of 90 MPa. The workpiece is removed from the elastic shell, freed from the template and dried under natural conditions for 24 hours. After drying, the workpiece is fired in an environment with a partial oxygen pressure of 10 ^-2 Pa at a temperature of 1800 ^o C.

Как следует из таблицы, при изготовлении тепловыделяющего элемента достигается переменная электропроводность, переменное сопротивление и равнотолщинность по длине образующей поверхности, устраняется градиент электропроводности по толщине нагревателя, что исключает возможность локальных перегревов. Перечисленные факторы способствуют увеличению ресурсных возможностей тепловыделяющего элемента и повышению стабильности его эксплуатационных характеристик. As follows from the table, in the manufacture of the fuel element, variable electrical conductivity, variable resistance and equal thickness along the length of the forming surface are achieved, the gradient of electrical conductivity along the thickness of the heater is eliminated, which eliminates the possibility of local overheating. These factors contribute to increasing the resource capabilities of the fuel element and increasing the stability of its operational characteristics.

Claims

A method of manufacturing a tubular fuel element with variable electrical conductivity, in which sections with different electrical resistance are formed in the preform, characterized in that the element is made of an electrically conductive mass with a compression ratio from 2.4 to 2.8, diluted with a dielectric in an amount of from 5 to 45 wt. %, at a ratio of the number of parts and the sequence formed by the current lead 5 ^o C 8: intermediate 2: 8 active portion: intermediate portion 2: a current lead 5 ^o C 8, is subjected to mechanical compression at a pressure not ilk 2 MPa, then the hydrostatic compression at a pressure of not lower than 80 ^o C of 100 MPa to achieve a current lead, and the intermediate element parts active ratio of densities 1.09 1.12 ^o C: 1.03 1.06 ^o C: 0.80 ^o C 1.00 and calcined in a medium with a low oxygen content at 1700 ^o C 1800 ^o C.