способ изготовления нагревателя с электроизоляционным основанием

Формула изобретения

Способ изготовления нагревателя с электроизоляционным основанием, включающий приготовление шихтовой массы, прессование первого слоя толщины брикета нагревателя с укладкой посредством шаблона металлического нагревательного элемента в керамическую массу, засыпку шихтовой массы и сушку, отличающийся тем, что в качестве шихтовой массы используют керамическую композицию следующего химического состава, мас.

Вермикулит 65 68

Жидкое стекло 25 31

Кремнефтористый натрий 3 8

прессуют в пресс-форме с коэффициентом сжатия 2 5 для получения первого слоя не менее 10 мм, составляющего половину толщины брикета, укладывают металлический нагревательный элемент при помощи шаблона с профильным сечением, позволяющим обеспечить его изъятие после засыпки вторым слоем, не нарушая конфигурации сформированной основы нагревателя, засыпают металлический нагревательный элемент всей массой второго слоя таким образом, что выводы нагревательного элемента остаются внутри керамической массы, шаблон извлекают и проводят прессование второго слоя при тех же условиях, что и первого.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, а более конкретно, к способам изготовления нагревателей с электроизоляционным основанием. Нагреватели такого типа широко используются для обогрева жилых, производственных, животноводческих и других помещений.

Известен способ холодного прессования при изготовлении резистивного нагревателя (а. с. СССР N 1554146, М. Кл. Н 05 В 3/28, от 8.06.84 г. опубл. 30.03.90 г.). Способ включает изготовление нагревателя с изоляцией на основе натуральной слюды и легкоплавкого стекла посредством засыпки шихты в пресс-форму, предварительного холодного прессования нижнего слоя, укладки металлического нагревательного элемента, засыпки верхнего слоя и холодного прессования с последующим нагревом полученного брикета, горячим прессованием, отжигом и механической обработкой. Однако себестоимость технологического процесса, определяемая наличием вышеперечисленных операций и выбором исходного сырья, достаточно высока.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению, т.е. прототипом, является способ изготовления монолитного нагревателя с керамической изоляцией, включающий приготовление керамической шихтовой массы, прессование первого слоя толщины брикета нагревателя с укладкой посредством шаблона металлического нагревательного элемента в керамическую массу, подсыпку шихтовой массы, прессование второго слоя и сушку (а.с. СССР N 1584131, кл. Н 05 В 3/28 от 21.06.84 г. опублик. 07.08.90 г.). Несмотря на видимую простоту технологического процесса, его реализация на практике сопряжена с необходимостью использования высокоточных, механически связанных между собой нижнего и верхнего шаблонов, и выполнения жестких требований по их фиксации и юстировке в условиях массового производства. Незначительное от фиксированного положения, по крайней мере одного из штырьков, ведет к заклиниванию шаблонов и необходимости замены одного или обоих шаблонов. Эта опасность значительно возрастает по мере увеличения числа штырьков или уменьшения их диаметра, что в конечном счете ведет к снижению производительности и увеличению себестоимости процесса. С другой стороны, состав керамической массы, приведенный авторами решения-прототипа в примере конкретного выполнения изобретения (глинозем, тальк, каолин, АКФС, вода), по своим температурным характеристиками соответствует керамическим составам, используемым в бытовых нагревателях с электроизоляционным основанием (температура менее 200^oС), однако он не принадлежит к материалам с малой себестоимостью, не только в силу себестоимости перечисленных компонентов, но и из-за наличия талька, в качестве основного компонента смеси, предусматривающего введение дополнительных мер предосторожности по проведению технологического процесса и создающего опасность для здоровья работающего персонала, и в экологическом отношении.

В данном техническом решении ставится задача повышения производительности при одновременном понижении себестоимости технологического процесса и получаемых изделий.

В настоящее время развитие технологии создания керамических нагревателей, в том числе нагревателей с электроизоляционным основанием, ведется по двум основным направлениям: оптимальный выбор керамических материалов и создание технологических и конструктивных условий, предопределяющих благоприятный режим эксплуатации нагревателя. Применительно к нагревателям с электроизоляционным основанием, используемым для отопления помещений, выбор шихтовой керамической массы связан с необходимостью создания электроизоляционного, теплоаккумулирующего материала, обладающего таким удельным сопротивлением, что возникающие в нем токи утечки не должны превышать 0,7 мА (т.е. материал должен быть электробезопасным для здоровья человека и животных), а также обладать электропроводностью, при которой обеспечивается безопасный контакт человека и животных с поверхностью нагревателя без получения ожогов (т. е. температура на поверхности не должна превышать 100^oС). Кроме того, материал должен обладать плотностью, обеспечивающей минимальный вес конструкции, механической прочности, достаточной для его крепления и безопасного функционирования, а также быть экологически чистым и безопасным для здоровья человека и животных. Наконец, материал основания нагревателя должен обладать термостойкостью, позволяющей выдерживать перепад температуры порядка несколько сотен градусов (обычно 300-450^oС) в течение по меньшей мере одного отопительного сезона (7-8 месяцев) непрерывной работы нагревателя и, будучи стойким к окислению, надежно предохранять от окисления металлический нагревательный элемент, не допуская ухудшения его электрических характеристик, в первую очередь его электрического сопротивления. Второе направление развития технологии создания нагревателей с электроизоляционным основанием связано с выделением конструктивных особенностей самого нагревателя и создание периферийных технологий для их осуществления. В качестве примера можно привести создание электроизоляционных элементов различной конфигурации, изменение площади и характера расположения нагревательных элементов в керамической массе и т.д. что в свою очередь ведет к необходимости использования в технологических процессах оснастки, пресс-форм, шаблонов узкоцелевого назначения или появления новых технологических операций. Как правило, технологические усовершенствования такого рода обусловлены стремлением их авторов к достижению оптимальных значений одного или нескольких эксплуатационных показателей нагревателя. Поэтому производительность и эффективность любого технологического процесса изготовления нагревателей можно оценивать лишь в тесной взаимосвязи с обеспечением показателей, характеризующих современный уровень развития техники.

Поставленная задача решается за счет создания нового керамического материала электроизоляционного основания нагревателя и упрощения технологического процесса изготовления нагревателя.

Для ее решения предложен способ изготовления нагревателя с электроизоляционным основанием, включающий приготовление шихтовой массы, прессование первого слоя толщины брикета нагревателя с укладкой посредством шаблона металлического нагревательного элемента в керамическую массу, засыпку шихтовой массы и сушку, при этом в качестве шихтовой массы используют керамическую композицию следующего химического состава, мас. вермикулит - 65-68, жидкое стекло 25-31, кремнефтористый натрий 3-8 прессуют в пресс-форме с коэффициентом сжатия 2-5 для получения первого слоя не менее 10 мм, составляющего половину толщины брикета, укладывают металлический нагревательный элемент при помощи шаблона с профильным сечением, позволяющим обеспечит его изъятие после засыпки вторым слоем, не нарушая конфигурации сформованной основы нагревателя, засыпают металлический нагревательный элемент всей массой второго слоя таким образом, что выводы нагревательного элемента остаются внутри керамической массы, шаблон извлекают и проводят прессование второго слоя при тех же условиях, что и первого.

Выбор керамической шихты указанного состава обеспечивает низкую себестоимость технологического процесса, а следовательно, и самого нагревателя. Основу шихты составляет вермикулит, хорошо известный в качестве теплоизоляционного материала. Однако в его сочетании с остальными компонентами керамическая масса, наряду с электроизоляционными свойствами приобретает теплоаккумулирующие свойства, надежно защищает от окисления металлический нагревательный элемент и сама практически не подвержена окислению. Нагреватель с таким электроизоляционным основанием легко "переносит" разницу температур между нагревательным элементом и поверхностью керамического основания, составляющую свыше 400^oС. Количественное содержание вермикулита в шихте выбрано из следующих соображений:

При содержании вермикулита менее 65 мас. происходит увеличение плотности и понижение теплоизоляционных свойств керамического основания нагревателя, а токи утечки превышают предельно допустимое значение 0,75 мА. При повышении содержания вертикулита в смеси свыше 68 мас. происходит значительное ухудшение прочностных свойств нагревателя, и он легко разрушается. Экспериментальным путем обнаружено, что при использовании вермикулита со средним размером частиц 2-5 мм достигается максимальная прочность, теплопроводность и минимальная электропроводность нагревателя. Жидкое стекло является необходимым компонентом, придающим электроизоляционному основанию теплоаккумулирующие свойства. При содержании жидкого стекла менее 25 мас. происходит ухудшение прочностных свойств нагревателя, а при повышении его содержания свыше 31 мас. происходит увеличение электропроводности (токи утечки превышают 0,75 мА) и увеличение веса нагревателя. Химический состав жидкого стекла может быть различным. Применяли различные токопроводящие жидкие стекла и получали удовлетворительные результаты. Кремнефтористый натрий используется в качестве ускорителя отверждения и его количественное содержание зависит от содержания жидкого стекла. Использование шихты вышеуказанного состава позволяет получить новый качественный эффект: перераспределение градиента температур по толщине и поверхности нагревателя за счет низкой теплопроводности керамического основания (0,12-0,18 ккал/чм^oC) и установлению равномерной температуры на его поверхности. Выбор коэффициента сжатия в пределах 2-5 обусловлен необходимостью получения прочных изделий (нагревателей), сохраняющих свои электропроводные и теплоизоляционные свойства. При выборе коэффициента сжатия менее 2, механическая прочность нагревателя ухудшается и составляет величину порядка 1,5 кг/см², что приводит к легкому разрушению керамической основы, а также к уменьшению теплопроводности (0,12 ккал/чм^oC). Этот фактор оказывает влияние на ухудшение эксплуатационных свойств, что в конечном счете, может привести к внутреннему перегреву нагревателя. При увеличении коэффициента сжатия свыше 5, теплопроводность нагревателя значительно возрастает и температура на поверхности нагревателя превышает 100^oС; кроме того, неоправданно увеличиваются вес конструкции и токи утечки; возникающие в керамическом основании, превышают 0,75 мА и становятся опасными для жизни человека и животного. Прессование ведется в пресс-форме заданной конфигурации и размеров для получения первого слоя толщиной не менее 10 мм, составляющей половину толщины брикета нагревателя. При получении слоя менее 10 мм токи утечки превышают значение 0,75 мА. Необходимость размещения металлического нагревательного элемента в центре между двумя слоями обусловлена тем, что при таком положении нагревательного элемента обеспечивается равномерное распределение температуры по поверхности нагревателя и это способствует стабильной его работе и повышению срока службы. Кроме того, прессование двух слоев керамического основания одинаковой толщины при одинаковых условиях упрощает процесс изготовления нагревателя и наряду с другими существенными признаками данного технического решения приводит к снижению себестоимости процесса изготовления нагревателей в условиях массового производства и себестоимости самих нагревателей.

На фиг. 1 изображен шаблон для укладки металлического нагревательного элемента, вид сверху; на фиг.2 устройство для прессования, поперечное сечение.

Шаблон представляет собой каркасную конструкцию со стенками 1 на прочном основании заданной формы, на котором крепятся штырьки 2, расположенные в заданном порядке и обеспечивающие фиксацию нагревательного элемента 3 определенной конфигурации. Основным функциональным признаком этого конструктивного элемента является форма его выполнения. Шаблон имеет тонкое по профилю сечение, позволяющее свободно изымать его после засыпки вторым слоем, не вызывая при этом нарушений конфигурации сформованной керамической изоляционной основы, видимых невооруженным глазом, а также нарушений расположения самого металлического нагревательного элемента. После извлечения шаблона выводы у металлического нагревательного элемента 3 оказываются внутри керамической массы, что благоприятно влияет на долговечность нагревателя (выводы не окисляются и не обгорают), и полностью исключает возможность поражения электрическим током при эксплуатации изделия.

Способ реализуется в устройстве представленном на фиг.2. В пресс-форму 5 засыпали приготовленную шихту и прессовали первый слой 6, затем посредством шаблона на его поверхность укладывали металлический нагревательный элемент 3 и проводили его засыпку всей массой шихты второго слоя 7, причем выводы 4 металлического нагревательного элемента оказывались внутри керамической массы. Усилие прессования создавали пуансоном 8. Брикет нагревателя извлекали из пресс-формы и проводили его сушку.

Пример. Для приготовления шихтовой смеси использовали: вермикулит вспученный (ГОСТ 12865-67), стекло натриевое жидкое (ГОСТ 13078-81) и натрий кремнефтористый (ТУ 6-09-1461-85). Исходные материалы перемешивали в смесителе лопастного типа со скоростью порядка 60 об/мин около 5 мин для получения однородной керамической смеси. Затем смесь помещали в пресс-форму, выполненную из нержавеющей стали с внутренним размером 60060080 мм и толщиной стенок 5 мм. Шаблон имел размеры 600600 мм, в виде проволочного каркаса из нержавеющей стали диаметром 5 мм, к которому крепились штырьки из нержавеющей стали диаметром 1 мм. Высота штырьков составляла 2 мм. В качестве металлического нагревательного элемента использовали проволоку из нихрома диаметром 0,4 мм. Прессование первого и второго слоев нагревателя проводили на прессе Д2430П с усилием порядка 10 т/сила, а сушку брикетов нагревателей осуществляли в сушильном шкафу опытного производства с размерами 600650650 мм и максимальной температурой около 400^oС.

Компоненты смешивали в количествах, указанных в таблице, для получения нагревателей размером 60060020 мм и проводили исследование их механических, теплофизических и электрических свойств.

Образец нагревателя состава, соответствующего строке 3 таблицы, включали в сеть переменного тока напряжением 220 В промышленной частоты. Нагрев поверхности керамического основания до температуры 80^oС проходил менее чем за 0,5 ч. Температура нагревательного элемента составляла порядка 300^oС. Проводились ресурсные испытания в течение 2 месяцев. Результаты испытаний, проведенные расчеты показали и подтвердили, что нагреватель обладает ресурсом непрерывной работы свыше 7,5 лет без ухудшения основных показателей, указанных в таблице, что значительно превышает ресурс существующих на сегодняшний день нагревателей данного типа.

Удалось повысить производительность, а также себестоимость изделий, что позволяет предположить широкое промышленное внедрение данного изобретения и, несомненно, получение значительного экономического эффекта.