нагреватель для микроволновой печи и способ его изготовления

Формула изобретения

1. Нагреватель для микроволновой печи, включающий рабочее тело, выполненное из материала, содержащего карбид кремния и соединение на основе оксидов, отличающийся тем, что используют в качестве соединения на основе оксидов лейкоксеновый концентрат - продукт переработки титаноносной нефтесодержащей руды и карбид кремния, включающий 12 - 16% модификатора, состоящего из силицида железа, оксидов алюминия и кремния, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Лейкоксеновый концентрат - 10,0 - 60,0

Карбид кремния модифицированный - 40,0 - 90,0

2. Способ изготовления нагревателя для микроволновой печи, включающий смещение карбида и соединения на основе оксидов со связующим, прессование и последующую термообработку, отличающийся тем, что в качестве связующего используют органическую связку в количестве 3 - 5% и термообработку проводят в две стадии: при 100 - 200 и при 1250 - 1400^oC в окислительной атмосфере соответственно.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области микроволновой техники и может быть использовано в качестве конструктивного элемента микроволновых муфельных печей, используемых для сушки, спекания и плавления различных керамических материалов и металлов, а также синтеза неорганических соединений.

Известен нагревательный элемент для микроволновых печей, состоящий из пористого рабочего тела, выполненного из карбида кремния с неорганической связкой, и нанесенного на одну из его сторон слоя кремния (заявка Японии N 05330939, кл. C 04 B 38/00, 1993 г.). Нагревательный элемент характеризуется пористостью 30-80%, высоким термосопротивлением и обладает хорошей нагревательной способностью.

Тем не менее скорость разогрева недостаточно высока и составляет порядка 10 мин до умеренных температур (до 500^oC) и порядка 20-25 мин до высоких температур (до 800^oC и выше).

Известен нагревательный элемент для микроволновых, в частности промышленных, печей, рабочее тело которого выполнено из материала, состоящего из карбида и керамической связки (патент США N 5194408, кл. C 04 B 35/52, 1993 г.). В качестве керамической связки могут быть использованы вермикулит, хекторит или их смесь. Состав, например, вермикулита (Mg⁺², Fe⁺², Fe⁺³) [(Si Al)₄O₁₀] (OH)₂ nH₂O. Соотношение между карбидом кремния и керамической связкой составляет (мас. %): карбид кремния - 20-80; керамическая связка - остальное.

Известный нагреватель может быть получен следующим образом. К смеси исходных компонентов добавляют связующее - воду в количестве, необходимом для получения рабочей массы, из которой может быть сформовано изделие определенной формы, размера и толщины. Как правило, количество воды составляет от 0,1 до 50% от общего веса исходных компонентов. Затем полученную массу прессуют и изделие выдерживают приблизительно при -23^oC для удаления физической влаги. Затем проводят термообработку либо при 252^oC, либо при 725 - 1225^oC для увеличения плотности готового изделия до 50-80% от теоретической (патент США N 5194408, кл. C 04 B 35/52, 1993 г.).

Готовый нагреватель работает в микроволновой печи на частоте 2450 МГц, при этом рабочая температура 525^oC достигается в течение 5 мин, что является недостаточно быстрым.

Таким образом, перед авторами стояла задача получить нагреватель для микроволновой печи, который бы обеспечивал достижение необходимой рабочей температуры в течение более короткого времени.

Поставленная задача решена в предлагаемом нагревателе, включающем рабочее тело, которое выполнено из материала, содержащего карбид кремния и керамическую связку, при этом используют в качестве керамической связки лейкоксеновый концентрат - продукт переработки титаноносной нефтесодержащей руды, и карбид кремния, включающий 12-16% модификатора, состоящего из силицида железа, оксидов алюминия и кремния, при следующем соотношении компонентов (мас.%):

Лейкоксеновый концентрат - 10,0 - 60,0

Карбид кремния (модифицированный) - 40,0 - 90,0

Поставленная задача решена также и в предлагаемом способе получения нагревателя, включающем смешение исходных компонентов со связующим, прессование и последующую термообработку, в котором в качестве связующего используют органическую связку в количестве 3-5%, и термообработку проводят в две стадии: при 100-200^oC и при 1250-1400^oC в окислительной атмосфере соответственно.

В настоящее время из научно-технической и патентной литературы неизвестен нагреватель для микроволновой печи, рабочее тело которого выполнено из материала, включающего лейкоксеновый концентрат и модифицированный карбид кремния в указанных пределах соотношения компонентов. Tакже не известен способ получения такого нагревателя, в котором органическую связку вводят в количестве 3-5 мас.%, и термообработку проводят в две стадии: при температуре 100-200^oC и при температуре 1250-1400^oC в окислительной атмосфере соответственно.

На чертеже изображен нагреватель, рабочее тело (поз. 1) которого выполнено из материала, состоящего из лейкоксенового концентрата - продукта переработки титаноносной нефтесодержащей руды, и карбида кремния, включающего 12-16% модификатора, состоящего из силицида железа, оксидов алюминия и кремния, при следующем соотношении компонентов (мас.%):

Лейкоксеновый концентрат - 10,0 - 60,0

Карбид кремния (модифицированный) - 40,0 - 90,0

Для изготовления предлагаемого нагревателя берут исходную порошковую смесь лейкоксенового концентрата и модифицированного карбида кремния при содержании модификатора, включающего силицид железа, оксиды алюминия и кремния, в количестве 12-16%. Лейкоксеновый концентрат получают после отжига и химической обработки титаноносной нефтесодержащей руды, которые проводят при удалении нефти и концентрирования полезных компонентов. Лейкоксеновый концентрат имеет состав (мас.%): TiO₂ - 48,0-50,0; SiO₂ - 33,0-35,0; Fe₂O₃ - 5,5-7,8; Al₂O₃ - 4,5-7,0, остальное - примеси. Содержание компонентов в исходной смеси составляет (мас.%): лейкоксеновый концентрат - 10,0-60,0; карбид кремния (модифицированный) - 40,0-90,0. К смеси добавляют органическую связку в количестве 3-5%. Затем прессуют стержни путем холодного прессования. Далее проводят термообработку сначала при температуре 100-200^oC в течение 14-16 ч, а затем спекание при температуре 1250-1400^oC в течение 2-3 ч в окислительной атмосфере. Получают нагреватель, обладающий следующими характеристиками:

Шероховатость - 1,6 RA

Плотность - 2,1-2,2 г/см³

Пористость открытая - 23,0-23,15%

Интервал рабочих температур - 20-1200^oC

Диэлектрическая проницаемость при частоте 2450 Гц:

действительная часть - 17,2

мнимая часть - 1,25

Время достижения рабочей температуры 650^oC - 3-4"

Время достижения рабочей температуры 800^oC - 7-8"

Время достижения рабочей температуры 1200^oC - 10-15"

Исходное соотношение компонентов обусловлено тем, что при содержании лейкоксенового концентрата менее 10 мас.%, а карбида кремния более 90 мас.% увеличивается время достижения рабочей температуры, которое составляет в этом случае 35-40" до температуры 1100^oC. Кроме того, снижается и предел достигаемых рабочих температур до 1100^oC. То же самое наблюдается и при увеличении содержания лейкоксенового концентрата более 60 мас.% и соответственно уменьшении содержания карбида кремния менее 40 мас.%. Время достижения рабочей температуры в этом случае составляет 40-50" до 400^oC.

Предлагаемый нагреватель может быть получен только в заявляемых условиях.

Так, при содержании органической связки менее 3% материал не компактируется, а при содержании - более 5% происходит неравномерное прессование массы.

При температуре сушки ниже 100^oC происходит неполное удаление физической влаги, а при температуре более 200^oC происходит интенсивное удаление физической влаги, которое приводит к разрушению материала.

Длительность срока службы нагревателя находится в прямой зависимости от механической прочности. При температуре спекания 1250^oC изделие имеет механическую прочность 49,7 н/мм² (см. таблицу), а при температуре более 1400^oC происходит уменьшение механической прочности до 28,5 н/мм².

Предлагаемый способ изготовления нагревателя иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Берут 0,8 кг лейкоксенового концентрата (10,0 мас.%) и 7,2 кг (90,0 мас. %) карбида кремния, включающего 12% модификатора, состоящего из силицида железа Fe₃Si - 6% (0,43 кг), оксид алюминия Al₂O₃ - 4% (0,288 кг) и оксид кремния SiO₂ - 2% (0,144 кг). К смеси добавляют 0,24 кг (3%) органической связки - лигносульфоната (ЛСТ) плотностью 1,21 кг/см³. Путем холодного прессования прессуют стержни размером 10х10х90 мм при удельном давлении 80 н/мм². Далее проводят термообработку. Сначала изделия сушат при температуре 100^oC в течение 16 ч, а затем спекают при температуре 1250^oC в течение 3 ч в атмосфере воздуха. Получают нагреватель обладающий следующими характеристиками:

Шероховатость - 1,6 RA

Плотность - 2,1 г/см³

Пористость открытая - 23,0%

Интервал рабочих температур - 20-1200^oC

Диэлектрическая проницаемость при частоте 2450 Гц:

действительная часть - 17,2

мнимая часть - 1,25

Bремя достижения рабочей температуры 550^oC - 3"

Bремя достижения рабочей температуры 800^oC - 7"

Bремя достижения рабочей температуры 1200^oC - 10"

Пример 2. Берут 4,8 кг лейкоксенового концентрата (60,0 мас.%) и 3,2 кг (40,0 мас. %) карбида кремния, включающего 16% модификатора, состоящего из силицида железа Fe₃Si - 8% (0,256 кг), оксид алюминия Al₂O₃ - 5% (0,160 кг) и оксид кремния SiO₂ - 3% (0,069 кг). К смеси добавляют 0,4 кг (5%) органической связки лигносульфоната (ЛСТ) плотностью 1,21 кг/см³. Путем холодного прессования прессуют стержни размером 10х10х90 мм при удельном давлении 80 н/мм². Далее проводят термообработку. Сначала изделия сушат при температуре 200^oC в течение 14 ч, а затем спекают при температуре 1400^oC в течение 2 ч в атмосфере воздуха. Получают нагреватель, обладающий следующими характеристиками:

Шероховатость - 1,6 RA

Плотность - 2,2 г/см³

Пористость открытая - 23,15%

Интервал рабочих температур - 20-1200^oC

Диэлектрическая проницаемость при частоте 2450 Гц:

действительная часть - 17,2

мнимая часть - 1,25

Bремя достижения рабочей температуры 550^oC - 4"

Bремя достижения рабочей температуры 800^oC - 8"

Bремя достижения рабочей температуры 1200^oC - 15"

Предлагаемый нагреватель работает следующим образом.

Нагреватели, рабочее тело которых выполнено из материала, включающего лейкоксеновый концентрат и модифицированный карбид кремния в заявленных пределах соотношения компонентов размером, например, 10х10х90 мм в количестве 30 штук помещают в муфель микроволновой печи (например, СВЧ печь "ТИТАН"), располагая их на поду без специального закрепления. Изделия из металла, например, палец из стали 40Х размером 020х100 мм в количестве 10 штук располагают на подовом пространстве муфеля поверх нагревателей. Рабочее пространство муфелей печи заполнено воздухом. Включают источник микроволнового излучения (мощность 700 Вт, частота 2450 МГц). Нагревательные элементы поглощают излучение и, трансформируя его в тепловую энергию, нагревают окружающее пространство до температуры 800 10^oC в течение 7 мин. Контроль температуры осуществляют термопарой и электронным милливольтметром. Изделия выдерживают при этой температуре в течение 7 мин, а затем охлаждают в закалочную жидкость - через воду в масло. Твердость после закалки 55...56 HRC.

Таким образом, использование прелагаемых нагревателей в микроволновой печи позволяет сократить время достижения рабочей температуры по сравнению с нагревателями, используемыми в настоящее время (например, селитовые печи).