При проектировании тепловых узлов высокотемпературных установок широко применяются графитовые и углерод-углеродные композиционные материалы.  Такие материалы прекрасно работают в защитных средах и вакууме при температурах до 3000? С.  Однако, на практике зачастую происходи взаимодействие графитовых материалов с продуктами реакций, с остаточным кислородом и т.д., что приводит к их выгоранию. Среди всей оснастки теплового узла наиболее подвержены выгоранию нагреватели.

Обычно, выгорание нагревателя происходит в два этапа. На первом этапе происходит обьемное выгорание приповерхностных слоев нагревателя, что проявляется в их разрыхлении, увеличении пористости, потере плотности  и как следствие — повышению электросопротивления в этих зонах.  На этой стадии видимых изменений в геометрии нагревателей еще не происходит, однако, появляются зоны с локальным перегревом.  После этого, обычно, начинается второй этап выгорания, связанный уже с изменением геометрических размеров нагревателя, образованием прогаров и т.д., а процесс выгорания нагревателя, обычно, стремительно ускоряется.

Чаще всего нагреватель заменяют уже на первой стадии выгорания, поскольку он не способен обеспечить равномерное температурное поле в реакционном обьеме.  Для решения этой проблемы нами была разработана методика восстановления таких нагревателей.  Суть методики состоит в избирательном осаждении пироуглерода в обьеме и на поверхности нагревателя, причем, скорость осаждения прямо пропорциональна степени выгорания.  Таким образом нам не только удается восстановить работоспособность нагревателей из графитовых и углерод-углердных композиционных материалов, но и дополнительно выровнять электрическое сопротивление нагревателя. Кроме того, происходит замена выгоревшего графита на пироуглерод, который значительно более стоек.

Этапы восстановления графитовых нагревателей

Этапы восстановления графитовых нагревателей

Разработанная методика  позволяет также восстанавливать и нагреватели с заметным изменением геометрических размеров (вплоть до сквозных прогаров), как показано на рисунке.  Слева показано типовое выгорание нагревателя. На первой стадии происходит восстановление плотности материала и выравнивание сопротивления нагревателя (б). В случае необходимости — процесс продолжают и осаждают пироуглерод уже на всей поверхности (в), что приводит к восстановлению  геометрической формы нагревателя.  На практике чаще всего применяются процессы, которые позволяют восстановить работоспособность нагревателя, выровнять его сопротивление и нанести на его поверхность защитную пленку пироуглерода. 

 

Графитовые концентраторы. Восстановленный и новый.

Графитовые концентраторы. Восстановленный и новый.

Срок службы нагревателей после восстановления, обычно, как минимум не меньше срока службы исходного изделия, причем, с увеличением количества циклов выгорание-восстановление срок службы между циклами возрастает. Разработанная методика апробирована на графитовых нагревателях и концентраторах, применяемых в производственных и научных установках в различных организациях Украины. Результаты экспериментов по восстановлению графитовых концентраторов для «Института монокристаллов»  (г. Харьков) опубликованы в работе «Графит с пироуглеродной пропиткой в тепловой зоне выращивания профилированного сапфира«.

Более того, разработанная методика широко используется и для повышения работоспособности новых, еще не бывших в работе, графитовых нагревателей.  Помимо заметного увеличения срока службы нагревателей, такой подход позволяет применять более дешевые сорта графита (например, электродный графит вместо графита МПГ, МГ)  для изготовления нагревателей. 

 

 

 

 

 

 

Comments are closed.