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SiC电热元件的原料选择及发热原理

作者:浇注料 日期:2020/6/2 浏览次数:426

  金刚砂又名碳化硅(SiC)是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生产绿色碳化硅时需要加食盐)等原料通过电阻炉高温冶炼而成。碳化硅在大自然也存在罕见的矿物,莫桑石。 碳化硅又称碳硅石。在当代C、N、B等非氧化物高技术耐火原料中,碳化硅为应用最广泛、最经济的一种,可以称为金钢砂或耐火砂。 目前中国工业生产的碳化硅分为黑色碳化硅和绿色碳化硅两种,均为六方晶体,比重为3.20~3.25,显微硬度为2840~3320kg/mm2。

  1 实验

  1.1原料的选择

  试验所用的耐火原料既有低温和高温氧化能生成玻璃质防护层的原料,又有耐火度高、化学惰性低与SiC反应性能差的原料。主要有:金属铝粉、金属硅粉、二氧化硅细粉、氧化铬细粉、氮化硅细粉、碳化硼细粉、钛酸盐细粉、氧化锆细粉、碳化硅细粉等,以上细粉的纯度都在99%以上,粒度均小于325目。

  1.2试验方法

  为了比较不同抗氧化剂的综合使用效果,分SIj用以上一种或几种细粉混合后,再加入10%的糊精溶液和蒸馏水,充分搅拌均匀,调配成稠度为1.2左右的涂料,然后用喷涂或涂刷的方法,要求均匀、致密地分别涂在新的20/300/250型等直径且表面洁净的SiC发热元件的表面约lmm厚,再在110ºC烘干后即可形成lmm左右的涂料层,即可直接将用不同配方涂刷的SiC元件,5根一组先并后串联安装在1650ºC电炉内按相同的升温程序升温、保温3h进行试验比较。

  2 结果与分析

  按以上试验方法经30多种配方,反复试验使用筛选,结果表明,几种配方综合使用效果最好,因它们都在使用过程中与MoSi2相同,能在SiC发热元件表面自愈生成一层光亮致密的石英Si02保护膜,该膜具有独特的高温抗氧化性,在高温氧化气氛下可有效保护SiC电热元件不再被氧化。

  2.1涂层对SiC发热元件性能的影响

  2.1.1对SiC电热元件电阻特性的影响

  通过涂刷前后的试验对比发现,涂刷的涂层及通过自身氧化形成新的防护层,经在不同温度下的仪表测量的电流和电压换算的电阻值与未涂用前比较基本一致,表明涂层及其形成的玻化物没有对SiC电热元件的电阻率产生大的影响。

  2.1.2对SiC电热元件发热部表面热负荷的影响

  根据在相同炉况、相同升温程序(电流电压相同)条件下炉温的升温时间表明,涂层没有对其表面负荷产生大的影响。

  2.1.3对SiC发热元件使用寿命的影响

  使用涂刷涂层的SiC发热元件比不采用涂层的SiC发热元件相比,使用寿命提高了100倍以上。

  2.2涂料抗氧化机理的分析

  一般来说,在空气中形成保护层是期望得到长期使用寿命的条件。SiC发热元件在没有涂用防氧化涂料前,元件的气孔率较高,外界氧不但与表面的SiC反应而且还通过开口气孔直接进入内部与内部的SiC反应。虽然SiC发热元件在没有涂刷防氧化涂层时,在使用过程中也能生成一层Si02保护膜,

  SIC+202一Si02+C02,但是SiC发热元件与MoSi2电热元件相比,

  2MoSi2+702-"2M003+4Si02,生成的Si02保护膜少不连续、不致密、牢固,在使用过程中受温度变化或机械冲击易产生微小裂纹和剥落,且自愈合能力差,仍为氧的迅速扩散提供了通道,防氧化能力差。

  当SiC发热元件涂用抗氧化剂后,由于配制的涂料用的细粉粒度极小,且涂料的稠度小,因此在涂刷时易形成玻璃相的溶胶颗粒能渗透充填到SiC发热元件的开口气孔中,经逐渐升温先在表层自愈氧化,逐渐形成一定数量的富含Si02的致密玻璃相保护膜,Si02玻璃相保护膜粘度大、附着性好且均匀不流淌、挥发性低、透氧性差,能均匀地铺展SiC发热元件表面,且与棒体表面结合牢固;同时渗入到气孔中的涂料也能随着使用时间的延长逐渐氧化熔融充填满整个气孔,隔绝外界氧化气体进入,阻止了SiC发热元件进一步氧化。在温度和氧分压较高时,即使保护层受温度变化和机械冲击出现微小裂纹和剥落时,在小裂纹处裸露出的新涂层会立即被氧化而自愈合形成新的保护层。这个过程反复发生,长期地缓慢氧化进行下去,使再生的保护层逐渐变的更厚、更坚固,最后形成一层光亮致密的玻化层,因此有效屏蔽隔绝了外界氧的进入,使得内层的SiC发热元件氧化作用被充分抑制,保护了SiC发热元件,提高了其使用寿命。

  硼化物经氧化后也可生成以B203为主的玻化层,也可阻碍其进一步氧化,但当温度超过1100ºC时,由于B203的大量挥发而失去抗氧化能力,所以综合使用效果不如以形成Si02玻化层为主的性能优越。

  3 结语

  配制的防氧化涂料与SiC发热元件棒体表面结合牢固,抗氧化和化学侵蚀性能强,可有效保护SiC电热元件1650℃温度以下安全使用,有效阻止抑制了SiC电热元件的氧化烧毁现象,扩展了SiC发热元件使用温度范围,大大提高了其使用寿命,由于SiC发热元件比Mo乩电热元件生产成本低,安装使用时可采用竖式或横式安装,可并联可串联或串并联混用,尺寸型号多,炉子尺寸设计应用更加灵活方便,更加降低使用成本,具有极高的推广应用价值。

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