гибкий токоподвод, способ его изготовления и устройство для насыщения его пироуглеродом

Формула изобретения

ГИБКИЙ ТОКОПОДВОД, СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАСЫЩЕНИЯ ЕГО ПИРОУГЛЕРОДОМ.

1. Гибкий токоподвод, содержащий жесткие крепежные обоймы и соединяющие их гибкие элементы, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей токоподвода, крепежные обоймы из углерод-углеродного материала выполнены в форме каркаса из углеродных стержней и нитей, заполненного аморфным и пиролитическим углеродом, распределенным по обойме с разной степенью плотности в направлении по длине токоподвода с образованием двух участков обоймы разной жесткости, причем участок с большей жесткостью расположен с торцевой стороны обоймы, а гибкие элементы выполнены из низкомодульных нитей, сплетенных между собой и заглубленных концами на всю толщину и ширину обойм.

2. Способ изготовления гибкого токоподвода, при котором собирают элементы каркаса крепежных обойм, пропитывают их связующим, термообрабатывают и насыщают пироуглеродом, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей токоподвода, каркасы двух крепежных обойм собирают одновременно, на расстоянии друг от друга, равном длине гибкого элемента токоподвода, по схеме 4d путем установки в первом направлении углеродных стержней в оснастке, прокладки между ними во втором и третьем направлениях таких же стержней и протяжки в четвертом направлении одновременно через обе обоймы углеродных нитей, образующих гибкие элементы, которые переплетают между собой, а насыщение пироуглеродом выполняют при разогреве обоймы с торцевой стороны до 1000 - 1100^oС подачей природного газа плоской струей под острым углом к поверхности каркаса со стороны гибких элементов токоподвода.

3. Устройство для насыщения пироуглеродом гибкого токоподвода, содержащее камеру, в которой установлены верхний и нижний токоподводящие элементы, и систему подачи газа в камеру, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей токоподвода, в токоподводящих элементах на обращенных друг к другу поверхностях выполнены пазы для фиксации в них посредством введенных графитовых клиньев и изолирующих прокладок обойм гибкого токоподвода, система подачи газа снабжена двумя установленными в камере щелевыми соплами, выполненными длиной и шириной, обеспечивающей охват обойм, выходы этих сопел направлены под острым углом к стенкам токоподводящих элементов с пазами, а на боковой поверхности камеры на уровне между токоподводящими элементами укреплен кронштейн для подвески гибкого элемента токоподвода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротермии, в частности к устройству токоподводов высокотемпературных электропечей, и может быть использовано в газонаполненных и вакуумных печах с рабочей температурой до 3000^оС.

В современных печах с резистивным нагревательным элементом, работающих при температурах выше 2000^оС, наиболее сложной проблемой является подвод электроэнергии к нагревателю в условиях подвижности его концов в результате термического расширения, которое может достигать значительных величин.

Для решения этой задачи требуются устройства, обеспечивающие подключение электрического напряжения к нагревательным элементам в процессе их движения, и узлы крепления, обеспечивающие сохранение конструкции при ее термическом расширении. Известные технические решения существенно ограничивают возможности печей. Не представляется возможным без существенного увеличения их объема и размеров (в 2 - 3 раза) поднять температуру выше 1000^оС.

Известно устройство токоподвода высокотемпературной печи, принятое за аналог (Электротермическое оборудование. Справочник. М.: Энергия, 1980, с. 158), где токоподвод к графитовому нагревателю осуществляется вольфрамовым стержнем, консольно закрепленным в стенке печи и соединенным с медным водоохлажденным токовводом.

Известен способ-аналог получения детали из пиролитического графита (патент США N 3935354, кл. В 32 В 5/12), включающий намотку непрерывных отдельных огнеупорных волокон или прядей на фасонную форму и одновременный пиролиз газовой смеси и углеводорода на волокно или прядь возле точки контакта при намотке.

Известно устройство-аналог - установка для газофазного насыщения пироуглеродом изделий (АГАТ 3,2 14/400. Тех. описание МР. 3215ТО), представляющая собой герметичную водоохлаждаемую камеру с нижним и верхним токоподводами, нагревателем, имеющую систему подачи газа, систему контроля и регулирования процесса. В камере печи между нагревателем и водоохлаждаемыми стенками печи размещены теплоизолирующие экраны.

Известно принятое за прототип и базовый объект устройство токоподвода установки для газофазного насыщения пироуглеродом изделий из углерод-углеродных материалов (Тех.описание 923,38.011.00.00.000ТО, 1982, с. 7, 12, 13, 35), которое представляет собой пакет, набранный из листов меди, образующих гибкий элемент, снабженный жесткими крепежными обоймами и графитовой пятой, контактирующей с оправкой-нагревателем. Нижний токоподвод установки выполнен в виде опорной плиты, жестко соединенной с охлаждаемым токовводом.

Недостатком пакета медных пластин является то, что он позволяет только частично компенсировать термические деформации нагревателя. Кроме того, при нагреве до 600^оС и более медные листы начинают терять механическую прочность. В описанном устройстве стыкуются разнородные материалы - медь и графит, что создает технологические трудности вследствие неодинаковых теплофизических свойств материалов.

Известен способ-прототип изготовления изделий из углерод-углеродных материалов (Тех. описание 923.38.011.00.00.000ТО), по которому насыщение углеродных каркасов пироуглеродом осуществляется путем разложения природного газа при температуре 1000-1050^оС и направленного осаждения пиролитического углерода в зоне пиролиза, движущейся от внутренней поверхности каркаса к наружной за счет градиента температур, создаваемого нагревателем-оправкой и охлаждаемой стенкой камеры.

Способ не пригоден для изготовления гибких углеродных элементов, так как не позволяет получить изделие с неравномерным осаждением пироуглерода, которое позволяет добиться в материале перехода от абсолютно жестких характеристик к гибким.

Известно устройство для изготовления углеродных изделий, принятое за прототип (Тех. описание 923.38.011.00.00.000ТО), представляющее собой установку для газофазного насыщения пироуглеродом изделий, содержащее камеру, нижний и верхний токоподводы, нагреватель, экраны, систему подачи газа, гидравлический поджимной механизм, датчики температуры зоны пиролиза, причем оно снабжено механизмом программного перемещения датчика температуры зоны пиролиза, а нагреватель выполнен в виде набора оправок.

Устройство не позволяет осуществлять целенаправленную подачу газа для неравномерного по длине насыщения деталей пироуглеродом.

Лучшим решением проблемы следует считать подключение нагревателя при помощи гибких токоподводов с концами, жестко закрепленными на нагревателе, обладающих качествами, не уступающими материалу нагревателя (температура плавления, прочность, электропроводность, плотность), имеющих абсолютную гибкость и не ограничивающих перемещения нагревателя по всем возможным степеням свободы.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей токоподвода.

Цель достигается тем, что гибкий токоподвод, включающий жесткие крепежные обоймы и гибкие элементы, содержит крепежные обоймы из углерод-углеродного материала, выполненные в форме каркаса из углеродных стержней и нитей, заполненного аморфным и пиролитическим углеродом, распределенным по обойме с разной степенью плотности в направлении по длине токоподвода с образованием двух участков обоймы разной жесткости, причем участок с большей жесткостью расположен с торцовой стороны обоймы, а гибкие элементы выполнены из низкомодульных нитей, сплетенных между собой и заглубленных концами на всю толщину и ширину обойм.

Цель достигается также тем, что в способе изготовления гибкого токоподвода, включающем сборку элементов каркаса крепежных обойм, пропитку их связующим, термообработку и насыщение пироуглеродом, каркасы двух крепежных обойм собирают одновременно на расстоянии друг от друга, равном длине гибкого элемента токоподвода, по схеме 4 d путем установки в первом направлении углеродных стержней в оснастке, прокладки между ними во втором и третьем направлениях таких же стержней и протяжки в четвертом направлении одновременно через обе обоймы углеродных нитей, образующих гибкие элементы, которые переплетают между собой, а насыщение пироуглеродом выполняют при разогреве обоймы с торцовой стороны до 1000-1100^оС, подачей природного газа плоской струей под острым углом к поверхности каркаса со стороны гибких элементов токоподвода.

Цель достигается также тем, что устройство для насыщения пироуглеродом гибкого токоподвода, содержащее камеру, в которой установлены верхний и нижний токоподводящие элементы, и систему подачи газа в камеру, имеет в токоподводящих элементах на обращенных друг к другу поверхностях пазы для фиксации в них посредством введенных графитовых клиньев и изолирующих прокладок обойм гибкого токоподвода, а система подачи газа снабжена двумя установленными в камере щелевыми соплами, выполненными длиной и шириной, обеспечивающими охват обойм, выходы этих сопл направлены под острым углом к стенкам токоподводящих элементов с пазами, а на боковой поверхности камеры на уровне между токоподводящими элементами укреплен кронштейн для подвески гибкого элемента токоподвода. Описанный токоподвод позволит повысить рабочие параметры и расширить функциональные возможности печи по следующим причинам.

В предлагаемом техническом решении используют композиционный материал на основе углерода, который при нормальном давлении является неплавящимся и способен работать при температурах до 3000^оС, кроме того, токоподвод представляет собой две обоймы, соединенные между собой гибкими жгутами и обладающие полным набором степеней свободы.

При ограничениях линейных продольных, боковых или угловых перемещений при температурах выше 2000^оС необходимо компенсировать термические деформации в зависимости от материала нагревателя до 20-30 мм. Так как прочности нагревателя не хватает, если он жестко закреплен, при нагреве происходит потеря формы и целостности. При жестком закреплении одного конца нагревателя второй конец наиболее рационально оставить свободным, незафиксированным, для чего нужны токоподводы, которые могут перемещаться при любых нагрузках, как в предлагаемом техническом решении. В этом случае при любых температурах нагреватель будет нагружен только собственным весом и сохранит работоспособность и функциональные возможности до предельно высоких температур.

Конструктивное решение построено на том, что в способе изготовления токоподвода собирают каркас жесткой обоймы из высокомодульных углеродных стержней и низкомодульных нитей, которые идут через ряд стержней во всем объеме каркаса обоймы. Собранный каркас каждой обоймы имеет вид стержневого блока, из которого выходят концы нитей, между собой каркасы обойм соединены низкомодульными углеродными нитями, переплетенными между собой, и образуют каркас гибкого токоподвода.

Предложенный способ органичного введения гибкого элемента в жесткие обоймы позволяет создать надежную систему подвода электрического тока к нагревателю.

Применение жгутов без обойм невозможно, так как создает ряд сложностей при нагрузках до 7000-8000 А при их креплении на нагревателе, так как отдельные жгуты часто разрушаются полностью, а все жгуты разрушаются частично. Снижается интервал работоспособности, при прямом подключении жгутов к нагревателю не гарантирован надежный электрический контакт, выдерживающий высокие токовые нагрузки. В процессе сборки каркаса обоймы периодически с расстоянием, равным ширине обоймы, оставляют отверстия с диаметром, равным их глубине. Это исключает последующее сверление, нарушение исходной структуры и перерезание элементов, что повышает качество изделия.

Особенность технического решения заключается в том, что каркасы обойм, пропитанные связующим, отвержденные и карбонизованные, насыщают пироуглеродом не по всему объему, а по частям. Вся обойма делится по ширине на две равные части. Со стороны свободного конца, противоположного концу, из которого выходят жгуты, часть обоймы разогревается до температуры 1000-1100^оС. Происходит осаждение пироуглерода, начиная от центра (между двумя обоймами) и свободного конца. Фронт осаждения последовательно движется навстречу струе газа под острым углом к плоскости граней обоймы. Содержание пироуглерода в этой части максимально возможное, что в заявляемом токоподводе обеспечивает жесткое закрепление концов гибких элементов. Уменьшение содержания пироуглерода может привести к неплотной структуре обоймы.

Температура в процессе насыщения от середины обоймы в направлении от свободного конца к месту выхода из обоймы гибких элементов падает от 1100 до 800^оС, поэтому процесс осаждения пироуглерода при достижении фронтом осаждения середины обоймы резко снижает активность и на четверти ширины обоймы, где температура порядка 700^оС, почти затухает.

Таким образом, нити, вплетенные в обойму и насыщенные до высоких плотностей, находятся в жесткой неподвижной зоне, т.е. неподвижны. Далее, где количество пироуглерода существенно меньше, у жгутов появляется ограниченная подвижность и сохраняется определенная жесткость. В зоне выхода жгутов из обоймы они имеют полную свободу и исходную гибкость.

Увеличение количества осажденного пироуглерода может привести к насыщению нитей. Насыщенные нити хрупки, не обладают гибкостью и легко разрушаются при изгибе.

Предложенное техническое решение обеспечивает идеальный переход от абсолютно жесткой части обоймы, которая должна крепиться к нагревателю, до совершенно гибкой части в области выхода жгутов из обоймы без нарушения их целостности как при изготовлении, так и при эксплуатации, когда жгуты претерпевают значительные перемещения и перегибы.

Определенный вклад в работоспособность вносит переплетение углеродных жгутов, соединяющих обоймы. Более компактная упаковка не ограничивает перемещение и в то же время сохраняет более длительное время работоспособность, создает удобство в обращении, несколько повышает надежность, так как среднее число элементов, несущих ток, когда часть из них разрушена, выше, чем если бы элементы не были связаны (упакованы).

В предлагаемом устройстве для реализации способа верхний и нижний токоподводы имеют пазы, изолирующие прокладки и уплотняющие графитовые клинья для обеспечения электрического контакта между изделием и токоподводами печи. Одновременное насыщение двух обойм позволяет получить токоподвод со стабильными электрическими характеристиками.

По всей длине и ширине изделия установлены два щелевых сопла, подсоединенных к системе подачи газа, обеспечивающих подачу газа под острым углом к плоскостям граней обоймы.

На боковой поверхности камеры размещен кронштейн для подвески гибкого элемента токоподвода во избежание попадания его при насыщении в высокотемпературную зону.

Описанное устройство позволяет насытить обоймы токоподводов с заданным содержанием пироуглерода по ширине обоймы, что невозможно осуществить в прототипе.

П р и м е р. Необходимо изготовить гибкий токоподвод с длиной гибкой части 350 мм и следующими размерами обойм: длина 220 мм; ширина 55 мм; толщина 30 мм. Сборку каркасов двух обойм ведут одновременно. Углеродные стержни, изготовленные из высокомодульной нити типа УКН-5000 (ТУ 6-06-И 106-83) длиной 25 мм, устанавливают вертикально в оснастке типа 79М67К320512, образуя прямоугольник 55х220 мм. Параллельно длинной стороне прямоугольника на расстоянии 350 мм от нее строят второй такой же прямоугольник.

Между вертикальными стержнями прокладывают слой горизонтальных стержней в каждом каркасе. Следующий горизонтальный слой прокладывают по отношению к первому под углом 60^о путем протягивания низкомодульных нитей типа УРАЛ-НШ-24 (ТУ6-06-31-512-85), прошедших термообработку при температуре 2400^оС. Нити протягивают через оба каркаса, соединяя их между собой. В свободном пространстве между каркасами нити переплетают в косы. Еще через 60^о в каждом каркасе снова укладывают слой стержней, и так далее. Ряд стержней чередуется с рядом нитей до заполнения пространства между вертикальными стержнями.

Собранный каркас токоподвода имеет вид двух стержневых блоков, соединенных между собой гибким элементом. Каркасы обойм пропитывают связующими ЛБС-4, вязкостью 30 сПз, отверждают в термошкафу в течение 7 ч по следующему режиму: 2 ч при температуре 60^оС; 1 ч - при 80^оС; 1 ч - при 100^оС. 1 ч - при 120^оС; 2 ч - при 140^оС, затем карбонизуют в установке газофазного насыщения АГАТ-3,2. 14/400 (МР.3215) в течение 14 ч, скорость подъема температуры 50^о/ч до 850^оС, выдержка при температуре 850^оС - 2 ч.

На фиг. 1, 2 показан гибкий токоподвод, состоящий из жестких крепежных обойм 1, гибких элементов низкомодульных нитей 2. Крепежные обоймы 1 включают в себя каркас из углеродных стержней 3, каркас заполнен аморфным углеродом 4 и пиролитическим углеродом 5.

На фиг.3 - 5 изображено устройство для насыщения.

Устройство включает камеру 6, верхний и нижний токоподводы 7, систему 8 подачи газа, пазы 9, графитовые клинья 10, изолирующие прокладки 11, щелевые сопла 12, кронштейн 13 для подвески гибкого элемента 2.

Между двумя обоймами 1 кладут прокладку 11 из асбестовой ткани толщиной 3 мм. В пазы 9 верхнего и нижнего токоподводов 7 вставляют обоймы 1 на половину их ширины и закрепляют графитовыми клиньями 10 вверху и внизу. Гибкие элементы 2 подвешивают на кронштейне 13. Камеру 6 закрывают, откачивают, заполняют природным газом, затем подают напряжение, разогревая обоймы на половину до 1000 - 1100^оС. Газ подают через систему 8 подачи газа и щелевые сопла 12 под углом 45^о к плоскостям граней обоймы.

Таким образом, получен токоподвод, обладающий гибкостью, позволяющий компенсировать любые термические деформации нагревателя, работоспособный при температурах до 3500^оС, при насыщении и высокотемпературной обработке сложных изделий. Кроме того, способ изготовления технологичен и позволяет получать гибкие токоподводы для печей всех размеров.