CN104302021B - 一种用于电加热的发热体及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于电加热的发热体及其制备工艺，由两个冷段和一个连接在冷段之间的热段构成，所述热段采用比表面积为2-7㎡/g、真密度为1.8-2.67？g/cm3、碳含量为60-96％的石墨制成，冷段采用二硼化锆、碳化硅和烧结助剂烧结成型，所述二硼化锆、碳化硅和烧结助剂的加入量按重量百分比是：二硼化锆50-99%、碳化硅0-44%、烧结助剂1-6%？；本发明的发热体由于硼化锆复合陶瓷的电阻较小，在通过大电流时不易发热，这样不仅可以省去冷却装置，而且还可以显著减少能量消耗，同时避免了单纯由石墨材质做成电极带来的体积较大及易发热等问题，还克服了二硼化锆复合陶瓷单独作为发热体带来的制作和加工难度大的问题,在真空条件下提供2000℃以上的高温，在还原气氛下提供2500℃的高温。
Description
技术领域
本发明涉及电加热材料技术领域，具体涉及一种用于电加热的发热体及其制备工艺。
背景技术
石墨，黑灰色，质软，有油腻感。在空气或氧气中，450℃开始氧化。作为高温及超高温材料领域常被用作高温发热元件、耐高温隔热屏、熔炼电极及坩埚等。
石墨发热体的主要特点：（1）高温强度好，在常温下石墨的强度远比金属的差，但随温度的升高，其强度逐渐提高，当升至1700~2000℃时，其强度超过了所有的氧化物和金属；（2）石墨具有金属及陶瓷的某些特性，具有良好的导热、导电性；又具有多孔性和小的热膨胀系数；由于其导热性好和热膨胀系数小，这就使石墨成为最耐热震的材料之一；（3）石墨的取材容易，尤其是我国的石墨资源丰富，相对价格便宜，不论是发热体或是保温屏（碳毡或石墨毡），其材料费和加工费约是钼发热体和隔热屏的1/4~1/5；与钨和钽铌相比更为廉价；（4）石墨的电阻系数小，热惯性小，可以快速加热和冷却。在被处理工件没有特殊要求的情况下作为真空炉发热体是很合适的。另外，灼热的碳发热体会与残余气体中氧、水蒸气反应生成CO和CO2，随时被真空泵抽走，残余的气体是还原性气氛，如在石墨发热体的真空淬火炉中，其真空度只有65Pa左右，而被处理的工件仍可获得光亮的表面状态。这样简化了真空***的配置，可大大降低炉子的成本，这是其他任何金属发热体所不能比拟的；（5）由于石墨纤维编织物（如石墨、石墨带等）出现，作为真空炉发热体更理想，其具有耐高温、不变形、耐冲击性好、辐射面积大、柔性好、便于加工和安装等优点。
二硼化锆（ZrB2）具有较高的强度，良好的导电性、导热性及化学稳定性，可以做高温热电偶套管、火箭喷管及冶炼各种金属的铸模、坩埚等。为了提高其抗氧化能力和易于烧结，往往将其制成ZrB2/SiC复合陶瓷。目前，ZrB2基陶瓷材料的热导率在30-140W·(m·K)-1之间，并受到颗粒尺寸和组分的影响。ZrB2基陶瓷材料的电导率在1×104(Ω·cm)-1到12×104(Ω·cm)-1范围内，随材料组分的不同而改变。在室温到1657K的温度范围内ZrB2材料的热导率从56W·(m·K)-1变化到67W·(m·K)-1，而ZrB2-30vol.%SiC在相同的温度范围内从62变化到56W·(m·K)-1。
现有的石墨发热体，其电极材料和发热端均为石墨，在保证发热效率的情况下为了减少电极发热，往往采取增大电极尺寸的方法，然而电极尺寸增大的倍数是有限的，在大电流通过电极过程中，电极仍会发热，为了降低电极温度，需要增加冷却装置对石墨电极进行冷却，导致电炉结构复杂；由于发热体的热端与冷端（即电极）材料相同，热端发热的能量主要来源于大电流所产生的能量转化，能耗增加。硼化锆复合陶瓷作为发热体时，因其制作和加工难度较大，特别是制作大尺寸发热体难度更大，成本也更高，使其应用受到严重制约。
由表1可知：
石墨的电阻率约为二硼化锆的100倍左右，热膨胀系数约为二硼化锆的1/3。因此，由石墨作为热端和二硼化锆复合陶瓷作为冷端组成发热体，由于硼化锆复合陶瓷的电阻较小，在通过大电流时不易发热，这样不仅可以省去冷却装置，而且还可以显著减少能量消耗，同时避免了单纯由石墨材质做成电极带来的体积较大及易发热等问题，还克服了二硼化锆复合陶瓷单独作为发热体带来的制作和加工难度大的问题。
发明内容
本发明的目的是为解决上述技术问题的不足，提供一种用于电加热的发热体及其制备工艺，由于石墨和二硼化锆的物理性质可知石墨的电阻率约为二硼化锆的100倍，是热膨胀系数约为二硼化锆的1/3，由石墨作为热段和二硼化锆作为冷段组成发热体，不仅可以解决单纯由石墨做成发热体带来的体积较大的问题，还可克服二硼化锆作为发热体热段制作和加工难度大的问题。
本发明为解决上述技术问题，所提供的技术方案是：一种用于电加热的发热体，由两个冷段和一个连接在冷段之间的热段构成，所述热段采用比表面积为2-7㎡/g、真密度为1.8-2.67g/cm3、碳含量为60-96％的石墨制成，冷段采用二硼化锆、碳化硅和烧结助剂烧结成型，所述二硼化锆、碳化硅和烧结助剂的加入量按重量百分比是：二硼化锆50-99%、碳化硅0-44%、烧结助剂1-6%；以便在真空条件下提供2000℃以上的高温，在还原气氛下提供2500℃的高温。
所述冷段和热段连接后呈直线形或U形。
所述冷段和热段的截面积相同。
所述冷段和热段通过螺纹连接在一起。
所述冷段和热段同轴连接或者轴向垂直连接。
所述的热段为圆柱形或方柱形，冷段为圆柱形、方柱形或棱柱形。
所述烧结助剂为碳粉、锆粉、硼粉或碳化硼粉中的一种或者任意混合物。
一种用于电加热的发热体，包括以下步骤：
（1）、取石墨材料作为热段材料，按照实际需求加工成圆柱形或方柱形，得到热段组件，备用；取硼化锆复合陶瓷作为冷段材料按照实际需求加工成圆柱形、方柱形或棱柱形，得到冷段组件，备用；
（2）、在热段组件的两个端面上开孔并加工内螺纹，在冷段组件的一端端面开孔并加工与热段组件相互配合的外螺纹，然后将热段组件和冷段组件洗净、晾干，最后组装得到发热体。
有益效果
本发明利用石墨的电阻率约为二硼化锆的100倍左右，热膨胀系数约为二硼化锆的1/3。因此，由石墨作为热端和二硼化锆复合陶瓷作为冷端组成发热体，由于硼化锆复合陶瓷的电阻较小，在通过大电流时不易发热，这样不仅可以省去冷却装置，而且还可以显著减少能量消耗，同时避免了单纯由石墨材质做成电极带来的体积较大及易发热等问题，还克服了二硼化锆复合陶瓷单独作为发热体带来的制作和加工难度大的问题,本发明的发热体在真空条件下提供2000℃以上的高温，在还原气氛下提供2500℃的高温。
附图说明
图1为本发明直形不等径发热体的结构示意图；
图2为本发明直形等径发热体的结构示意图；
图3为本发明U形不等径发热体的结构示意图；
图4为本发明U形等径发热体的结构示意图；
图5为本发明U形发热体的结构示意图a；
图6为本发明U形发热体的结构示意图b；
图7为本发明U形发热体的结构示意图c；
图中：1、冷段，2、热段。
具体实施方式
实施例1
一种用于电加热的发热体，包括以下步骤：
（1）、取石墨作为热段材料，所述热段采用比表面积为2-7㎡/g、真密度为1.8-2.67g/cm3、碳含量为60-96％的石墨制成；按照实际需求加工成圆柱形或方柱形，得到热段组件，备用；冷段采用二硼化锆、碳化硅和碳粉烧结成型，具体为：(a)、按重量百分比取二硼化锆粉末70%、碳化硅粉末24%以及碳粉6%以及无水乙醇，置入球磨机中进行球磨，然后将球磨后的混合料在旋转蒸发器中烘干；（b）、将步骤（a）烘干后的混合料放入模具中通过热压烧结制成二硼化锆复合陶瓷块；按照实际需求加工成圆柱形、方柱形或棱柱形，得到冷段组件，备用；
（2）、在热段组件的两个端面上开孔并加工内螺纹，在冷段组件的一端端面开孔并加工与热段组件相互配合的外螺纹，然后将热段组件和冷段组件洗净、晾干，最后组装得到发热体。
实施例2
一种用于电加热的发热体，包括以下步骤：
（1）、取石墨作为热段材料，所述热段采用比表面积为2-7㎡/g、真密度为1.8-2.67g/cm3、碳含量为60-96％的石墨制成；按照实际需求加工成圆柱形或方柱形，得到热段组件，备用；冷段采用二硼化锆、碳化硅和硼粉烧结成型，具体为：(a)、按重量百分比取二硼化锆粉末75%、碳化硅粉末20%以及硼粉5%以及无水乙醇，置入球磨机中进行球磨，然后将球磨后的混合料在旋转蒸发器中烘干；（b）、将步骤（a）烘干后的混合料放入模具中通过热压烧结制成二硼化锆复合陶瓷块；按照实际需求加工成圆柱形、方柱形或棱柱形，得到冷段组件，备用；
（2）、在热段组件的两个端面上开孔并加工内螺纹，在冷段组件的一端端面开孔并加工与热段组件相互配合的外螺纹，然后将热段组件和冷段组件洗净、晾干，最后组装得到发热体。
实施例3
一种用于电加热的发热体，包括以下步骤：
（1）、取石墨作为热段材料，所述热段采用比表面积为2-7㎡/g、真密度为1.8-2.67g/cm3、碳含量为60-96％的石墨制成；按照实际需求加工成圆柱形或方柱形，得到热段组件，备用；冷段采用二硼化锆、碳化硅和碳化硼烧结成型，具体为：(a)、按重量百分比取二硼化锆粉末99%以及碳化硼1%以及无水乙醇，置入球磨机中进行球磨，然后将球磨后的混合料在旋转蒸发器中烘干；（b）、将步骤（a）烘干后的混合料放入模具中通过热压烧结制成二硼化锆复合陶瓷块；按照实际需求加工成圆柱形、方柱形或棱柱形，得到冷段组件，备用；
（2）、在热段组件的两个端面上开孔并加工内螺纹，在冷段组件的一端端面开孔并加工与热段组件相互配合的外螺纹，然后将热段组件和冷段组件洗净、晾干，最后组装得到发热体。
Claims (10)
1.一种用于电加热的发热体，由两个冷段（1）和一个连接在冷段之间的热段（2）构成，其特征在于：所述热段（2）采用比表面积为2-7㎡/g、真密度为1.8-2.67g/cm3、碳含量为60-96％的石墨制成，冷段（1）采用二硼化锆、碳化硅和烧结助剂烧结成型，所述二硼化锆、碳化硅和烧结助剂的加入量按重量百分比是：二硼化锆50-99%、碳化硅0-44%、烧结助剂1-6%；以便在真空条件下提供2000℃以上的高温，在还原气氛下提供2500℃的高温。
2.如权利要求1所述的一种用于电加热的发热体，其特征在于：所述冷段和热段连接后呈直线形。
3.如权利要求1所述的一种用于电加热的发热体，其特征在于：所述冷段和热段连接后呈U形。
4.如权利要求1所述的一种用于电加热的发热体，其特征在于：所述冷段的截面积大于热段的截面积。
5.如权利要求1所述的一种用于电加热的发热体，其特征在于：所述冷段和热段通过螺纹连接成一体结构。
6.如权利要求1所述的一种用于电加热的发热体，其特征在于：所述冷段和热段同径连接。
7.如权利要求1所述的一种用于电加热的发热体，其特征在于：所述冷段和热段轴向垂直连接。
8.如权利要求1-7任一权利要求所述的一种用于电加热的发热体，其特征在于：所述的热段为圆柱形或方柱形，冷段为圆柱形、方柱形或棱柱形。
9.如权利要求1所述的一种用于电加热的发热体，其特征在于：所述烧结助剂为碳粉、锆粉、硼粉或碳化硼粉中的一种或者任意几种混合物。
10.如权利要求1所述的一种用于电加热的发热体的制备工艺，其特征在于：包括以下步骤：
（1）、取石墨材料作为热段材料，按照实际需求加工成圆柱形或方柱形，得到热段组件，备用；取硼化锆复合陶瓷作为冷段材料按照实际需求加工成圆柱形、方柱形或棱柱形，得到冷段组件，备用；
（2）、在热段组件的两个端面上开孔并加工内螺纹，在冷段组件的一端端面开孔并加工与热段组件相互配合的外螺纹，然后将热段组件和冷段组件洗净、晾干，最后组装得到发热体。
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