способ изготовления нагревателя для микроволновой печи

Формула изобретения

Способ изготовления нагревателя для микроволновой печи, включающий смешение карбида кремния или модифицированного карбида кремния и лейкоксенового концентрата - продукта переработки титаноносной нефтесодержащей руды с органической связкой, прессование и двухстадийную термообработку в окислительной атмосфере, отличающийся тем, что используют карбид кремния или модифицированный карбид кремния с крупностью фракции 200-500 мкм или 80-200 мкм соответственно и лейкоксеновый концентрат с крупностью фракции 80-250 мкм при соотношении карбида кремния и лейкоксенового концентрата, равном 14-19:1-6.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области к микроволновой техники, конкретно, к изготовлению конструктивного элемента микроволновой муфельной печи, выполненного из радиопоглощающей керамики, которая обеспечивает достижение высоких температур за короткий период времени, является экологически чистой, не выделяет вредных газообразных соединений при нагреве.

Известен способ изготовления нагревателя для микроволновой печи, включающий смешение карбида кремния или модифицированного карбида кремния и лейкоксенового концентрата - продукта переработки титаноносной нефтесодержащей руды с органической связкой, прессование и двухстадийную обработку в окислительной атмосфере (Патент РФ на изобретение №2124489, МКл. С 04 В 35/565, 35/46, 1999 год).

Нагреватель, полученный известным способом, работает в микроволновой печи на частоте 2450 МГц, при этом максимально достигаемая рабочая температура составляет 1200°С.

Таким образом, перед авторами стояла задача усовершенствовать способ изготовления нагревательного элемента для микроволновой печи, который бы обеспечивал достижение более высокой рабочей температуры за короткий период времени.

Поставленная задача решена в предлагаемом способе изготовления нагревателя для микроволновой печи, включающем смешение карбида кремния и лейкоксенового концентрата - продукта переработки титаноносной нефтесодержащей руды с органической связкой, прессование и двухстадийную термообработку в окислительной атмосфере, в котором используют производственный черный карбид кремния или модифицированный карбид кремния с крупностью фракции 200-500 мкм или 80-200 мкм соответственно и лейкоксеновый концентрат с крупностью фракции 80-250 мкм при соотношении карбида кремния и лейкоксенового концентрата, равном 14-19:1-6.

В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен способ изготовления нагревателя для микроволновой печи, в котором при смешении исходных компонентов используют их фракции определенной крупности.

Проведенные авторами исследования показывают, что при изготовлении нагревателя для микроволновой печи на качество радиопоглощающей керамики большое влияние оказывает размер зерна исходных компонентов.

На фиг.1 и 2 представлены зависимости роста температуры от размера зерна. Для получения температурных кривых при поглощении электромагнитного поля порошок исходных компонентов различной крупности зерна загружают в лодочку из радиопрозрачного материала (кварца), которую помещают в муфель микроволновой печи (мощность 600 Вт, частота 2450 МГц). Температуру измеряют при помощи хромель-алюмелевой термопары, введенной в порошок и защищенной от микроволнового излучения.

Наилучшие результаты достигнуты на образцах с крупньм размером зерна: у лейкоксенового концентрата с крупностью фракций 80-250 мкм, у модифицированного карбида кремния с крупностью фракций 80-200 мкм и у карбида кремния с крупностью фракций 200-500 мкм. Использование при изготовлении нагревателя при смешении исходных компонентов, именно, фракций с крупностью в предлагаемых пределах позволяет повысить максимальную рабочую температуру нагревателя за счет увеличения поглощения электромагнитной энергии материалом.

Важную роль в поглощении электромагнитной энергии, а, следовательно, в количестве выделяемого тепла, играет форма зерна. Пористые и пластинчатые зерна карбида кремния в предлагаемом интервале крупности являются зернами с нарушенной структурой, а значит, предполагается нарушение межатомных расстояний, которое обусловлено наличием примесей. Примесные фазы препятствуют свободному переносу электрических зарядов, в результате чего возникает макроскопическая поляризация, которая предполагает скопление электрических зарядов на границах включений с отличающимися значениями проводимости от основного вещества, что способствует выделению большого количества тепла.

Исходный фракционный состав компонентов обусловлен тем, что при использовании модифицированного карбида кремния с крупностью зерна >200 мкм или производственного черного карбида кремния с крупностью зерна >500 мкм и лейкоксенового концентрата с крупностью зерна >250 мкм снижается скорость достижения рабочей температуры из-за присутствующих в крупных фракциях примесных фаз (например, оксида алюминия, оксида кремния и др.), которые являются диэлектриками с малыми потерями и не способствуют быстрому разогреву рабочего тела нагревателя.

Использование исходных материалов мелких фракций с крупностью зерна менее 80 мкм ведет к образованию поглотителей фракционного состава с близким размером зерна и с большой плотностью. Это способствует уменьшению глубины проникновения электромагнитной энергии, что, в свою очередь, обусловливает снижение максимальной температуры разогрева материала нагревателя и скорости достижения рабочих температур.

Для изготовления предлагаемого нагревателя берут исходную порошковую смесь лейкоксенового концентрата с крупностью фракции 80-250 мкм и производственного черного карбида кремния с крупностью фракции 200-500 мкм или модифицированного карбида кремния с крупностью фракции 80-200 мкм. Содержание модификатора в модифицированном карбиде кремния, включающего силицид железа, оксиды алюминия и кремния, составляет 12-16%. Лейкоксеновый концентрат получают после обжига и химической обработки титаноносной нефтесодержащей руды, которые проводят для удаления нефти и концентрирования полезных компонентов. Обогащенный лейкоксеновый концентрат содержит, мас.%: ТiO₂ - 45-50; SiO₂ - 35-40; Аl ₂О₃ - 4,5-7,0; Fе₂O₃ - 5,5-7,8; остальное примеси. По фазовому составу лейкоксеновый концентрат представляет смесь ТiO₂ (рутила и небольшое количество анатаза) и SiO₂ (преимущественно кварц с небольшим количеством тридимита).

Модифицированный карбид кремния содержит, мас.%: SiC - 85,45; Fе₃Si - 6,44; Ti - 2,0; Al - 2,42.

Производственный карбид кремния (черный, марки 53 С) первой категории качества содержит SiC не менее 97%, Fe не более 0,4%, С не более 0,4%. Массовая доля магнитного материала не более 0,3%.

Исходные компоненты берут при соотношении карбида кремния и лейкоксенового концентрата равном 14-19:1-6. Затем к смеси добавляют органическую связку в количестве 3-5% и прессуют стержни путем холодного прессования. Далее проводят термообработку сначала для сушки стержней при температуре 100-200°С в течение 14-16 часов и спекание при температуре 1400°С в течение 2-3 часов на воздухе.

Получают нагреватель, который в микроволновом поле на частоте 2450 МГц достигает максимальную рабочую температуру 1400°С за ~ 20 минут.

Предлагаемый способ изготовления нагревателя для микроволновой печи иллюстрируется следующими примерами.

ПРИМЕР 1.

Берут 950 г карбида кремния, включающего 15% модификатора, с размером частиц 200-100 мкм состава, мас.%: SiC - 85,45; Fе₃Si - 6,50; Аl ₂O₃ - 4,00; SiO₂ - 4,08 и добавляют к нему 50 г лейкоксенового концентрата с размером частиц 250-125 мкм состава, мас.%: TiO₂ - 49,58; SiO₂ - 35,71; Аl₂O₃ - 4,23; Fе₂O ₃ - 5,57; остальное примеси (соотношение карбид кремния _мод.: лейкоксеновый концентрат = 19:1). По данньм химического и рентгенофазового анализов материал состоит, мас.%: SiC - 81,20; TiO₂ - 2,50; SiO₂ - 5,70; Аl₂O₃ - 4,10; Fе₃Si - 6,20. К смеси добавляют 50 г. органической связки - лигносульфоната (ЛСТ) плотностью 1,21 кг/см³. Исходные компоненты помещают в мельницу и перемешивают в течение 3 мин при комнатной температуре. Полученный порошковый материал выгружают. Путем холодного прессования прессуют стержни размером 10×20×90 при удельном давлении 100 Н/мм². Далее проводят термообработку. Сначала изделия сушат при температуре 100°С в течение 16 ч, а затем спекают при температуре 1400°С в течение 2 ч в атмосфере воздуха. Получают нагреватель, который в микроволновом поле на частоте 2450 МГц достигает рабочую температуру 1400°С за 18-20 минут.

ПРИМЕР 2.

Берут 700 г производственного карбида кремния, с размером частиц 500-300 мкм состава, мас.%: SiC - 97,05; Fe - 0,50; С_своб.=1,2 и добавляют к нему 300 г лейкоксенового концентрата с размером частиц 125-80 мкм состава, мас.%: ТiO₂ - 49,58; SiO₂ - 35,71; Аl₂O₃ - 4,23; Fе₂O₃ - 5,57; остальное примеси (соотношение карбид кремния_пр. : лейкоксеновый концентрат = 14:6). По данным химического и рентгенофазового анализов материал состоит, мас.%: SiC - 68,50; TiO₂ - 14,90; SiO₂ - 10,70; Аl₂ O₃ - 1,504; Fе₂O₃ - 1,70, С _своб.=0,9. К смеси добавляют 50 г органической связки - лигносульфоната (ЛСТ) плотностью 1,21 кг/см³. Исходные компоненты помещают в мельницу и перемешивают в течение 3 мин при комнатной температуре. Полученный порошковый материал выгружают. Путем холодного прессования прессуют стержни размером 10×20×90 при удельном давлении 100 Н/мм². Далее проводят термообработку. Сначала изделия сушат при температуре 100°С в течение 16 ч, а затем спекают при температуре 1400°С в течение 2 ч в атмосфере воздуха. Получают нагреватель, который в микроволновом поле на частоте 2450 МГц достигает рабочую температуру 1400°С за 20-25 минут.

Таким образом, предлагаемый способ изготовления нагревателя для микроволновой печи с использованием исходной шихты с определенной крупностью зернового состава, взятой в предлагаемом соотношении, позволяет повысить максимальную рабочую температуру, обеспечивая ее быстрое достижение.