нагреватель высокотемпературной печи

Формула изобретения

Нагреватель высокотемпературной печи, включающий цилиндрический нагревательный элемент, изготовленный в виде цилиндра из материала, химически совместимого с азотом, и расположенный вокруг него экран, отличающийся тем, что нагревательный элемент изготовлен из металлической ленты Ti или Zr, предпочтительно толщиной до 0.2 мм и шириной до 20 мм, а экран изготовлен из титановой или циркониевой жести.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к волоконной оптике, в частности, к технологическому печному оборудованию для вытягивания волоконных световодов на основе кварцевого стекла.

В мировой практике для вытягивания из заготовок таких оптических волокон широко используются электрические печи с цилиндрическим нагревательным элементом из графита с продувкой высокотемпературной зоны нагрева заготовки аргоном (Патент US № 4407666, 04.10.1983, МПК C03B 37/07, «Метод увеличения срока службы графического элемента печи для вытягивания оптического волокна»).

Недостатком этого устройства является коррозия графитового нагревательного элемента при высоких температурах, что приводит к образованию дефектов на поверхности волокна и, как следствие, к уменьшению длины отрезков световодов, отвечающих требованиям по механической прочности. Продувка аргоном не обеспечивает полного устранения этого явления, а его высокая стоимость увеличивает затраты на производство световодов.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению и принятому нами за прототип является цилиндрический нагревательный элемент печи для нагрева заготовок кварцевых световодов, материал которого химически совместим с азотом, используемым для продувки зоны нагрева заготовки (заявка Японии 59-39747). В такой печи коррозия материала нагревателя не происходит, что благоприятно сказывается на прочности световодов. Низкая стоимость и доступность азота по сравнению с аргоном определяет преимущества этого технического решения в сравнении с предыдущим.

Недостаток этого нагревательного элемента заключается в сложности его изготовления. Он представляет собой графитовый цилиндр, внутренняя поверхность которого покрыта слоем нитрида циркония методом высокотемпературного газофазного осаждения. Другой его недостаток заключается в большом поперечном сечении, что определяет необходимость использования массивного силового электрического кабеля, выдерживающего большие токовые нагрузки.

Задача настоящего изобретения состоит в упрощении конструкции нагревателя высокотемпературной печи и снижении его токовой нагрузки.

Поставленная задача решается в конструкции нагревателя высокотемпературной печи, включающего цилиндрический нагревательный элемент, изготовленный в виде цилиндра из материала, химически совместимого с азотом, и расположенный вокруг него экран, в котором, в отличие от прототипа, нагревательный элемент изготовлен из металлической ленты Ti или Zr, предпочтительно толщиной до 0.2 мм и шириной до 20 мм, а экран изготовлен из титановой или циркониевой жести. Оптимальные размеры металлической ленты (Zr или Ti) толщиной 0,1-0,2 мм и шириной 10-20 мм подобраны опытным путем.

Выбор материала металлической ленты Ti или Zr обусловлен возможностью существенного упрощения способа изготовления нагревателя с обеспечением необходимой токовой нагрузки.

Из металлической ленты, обладающей пластической деформацией, изготовление цилиндрического нагревательного элемента осуществляется простой операцией, заключающейся в изгибе ленты с приданием ей заданной формы. Предварительный нагрев в среде азота приводит к образованию тугоплавких нитридов (TiN, ZrN). Такой простой способ изготовления высокотемпературного нагревательного элемента является наиболее прогрессивным, а его малое поперечное сечение обеспечивает существенное снижение токовой нагрузки по сравнению с прототипом (более чем в 10 раз). Температура плавления этих материалов существенно превышает необходимый уровень нагрева заготовок, равный 2000-2200°C. Так, при атмосферном давлении азота нитрид титана плавится при 3080°C (Ероньян М.А., Аварбэ Р.Г., Данисина И.Н. Влияние равновесного давления азота на температуру плавления TiN_n и HfN_n. - Теплофизика высоких температур, 1976, т.14, № 2, с.398-399), а нитрид циркония плавится при 3280°C (Ероньян М.А, Аварбэ Р.Г., Никольская Т.А. Влияние давления азота на температуру плавления ZrN_x.- Изв. АН СССР, Неорганические материалы, 1976, т.12, № 2, с.247-249). Собственная упругость пара этих материалов и давление продуктов их взаимодействия с газовыми компонентами диссоциации SiO₂ меньше, чем для графита, широко используемого для промышленных печей вытягивания волокна.

На Фиг.1 представлено схематическое изображение конструкции нагревателя высокотемпературной печи, нагревательный элемент которого выполнен из металлической ленты, вид сверху, где 1 - токоподводящая часть нагревательного элемента в виде расположенных параллельно друг другу отводов, 2 - электроизоляционная прокладка, расположенная между отводами токоподводящей части 1, 3 - высокотемпературная часть нагревательного элемента, цилиндрическая, 4 - тепловой экран, цилиндрический, изготовленный из металлической жести.

На Фиг.2 представлено схематическое изображение нагревателя, вид спереди, где 5 - отверстие в экране для измерения температуры нагревателя.

Пример 1. Нагревательный элемент (Фиг.1, поз.1 и 3) изготавливали из циркониевой ленты толщиной 0.1 мм и шириной 10 мм. Электроизоляционная прокладка (Фиг.1, поз.2) выполнена из нитрида бора. Отводы токоподводящей части 1 нагревателя, изолированные друг от друга пластиной из нитрида бора, зажимали в токовводах, а вокруг нагревателя устанавливали цилиндрический экран 4 из титановой жести толщиной 0.2 мм. Для измерения температуры нагревателя в экране вырезали отверстие 5 диаметром 6 мм (Фиг.2, поз.5). Водоохлаждаемый корпус печи изготавливали из нержавеющей стали с патрубками ввода азота, окном из кварцевого стекла для оптического пирометра и диафрагмами для ввода заготовки и вывода волокна.

Нагреватель предварительно разогревали пропусканием тока в атмосфере азота со скоростью 300°C в минуту до 2500°C и выдерживали при этой температуре в течение десяти минут для превращения циркония в стехиометрический нитрид ZrN. Затем силу тока плавно уменьшали до полного отключения электроэнергии. В зону нагрева вводили заготовку из кварцевого стекла и производили плавный подъем температуры до 2100°C, после чего производили вытягивание волокна. При повторных циклах нагрева целостность нагревателя не нарушалась. Сила тока в этих процессах не превышала 200 ампер, в то время как для печей с графитовым нагревателем в режиме вытягивания волокна токовая нагрузка нагревателя находится на уровне 2000 А. Увеличение толщины более 0.2 мм и ширины более 20 мм ленты нагревательного элемента нежелательно, так как приводит к пропорциональному увеличению силы тока. Уменьшение толщины ленты приводит к сокращению срока службы нагревателя из-за химической коррозии при взаимодействии нитрида с примесным кислородом, содержащимся в особо чистом азоте. Наличие экрана из титановой жести способствует снижению содержания примесного кислорода, увеличивая тем самым срок службы нагревателя.

Пример 2. Нагревательный элемент изготовлен из титановой ленты толщиной 0.2 мм и шириной 20 мм. Экран изготовлен из титановой жести.

Режим работы аналогичен примеру 1, за исключением операции азотирования титана, которое производили при температуре 2000°C в течение 20 минут.

Изготовление нагревателя с использованием титана имеет преимущество по себестоимости, т.к. по сравнению с цирконием этот материал существенно дешевле и доступнее.

Изложенные сведения подтверждают очевидную промышленную применимость способа изготовления заготовок при производстве анизотропных одномодовых кварцевых световодов, сохраняющих поляризацию изучения.