какие сплавы используют для изготовления нагревательных элементов

Материалы для электронагревателей

Общие требования к сплавам для электронагревательных элементов: высокая жаростойкость, высокое электрическое сопротивление в сочетании с низким температурным коэффициентом сопротивления, пластичность, необходимая для промышленного получения изделий различного сортамента (проката, проволоки, ленты) и нагревателей.

Количество выделенной теплоты прямо пропорционально квадрату силы тока, времени прохождения тока и величине сопротивления проводника. Следовательно, для изготовления электронагревателей должны использоваться материалы с высоким электрическим сопротивлением. Среди большого количества материалов для указанных целей наиболее распространенными в практике являются сплавы на медной основе − манганин и константан. К таким материалам, кроме того, обеспечивающими высокотемпературный нагрев до 500 ч 800 °С, относятся хромоникелевые и железохромоалюминиевые сплавы.

Хромоникелевые сплавы (нихромы) обладают высоким удельным сопротивлением, теплостойкостью, пластичностью, хорошей механической прочностью и низкой окисляемостью, выдерживают большой перепад температур, а поэтому являются лучшими для этих целей материалами. Хромоникелевые сплавы используют для изготовления нагревательных элементов электрических печей, плиток, паяльников и т. д.

Из этих сплавов изготавливают проволоку диаметром 0,02 мм и более и ленту сечением 0,1-1,0 мм и более. Высокую жаростойкость нихрома можно объяснить значительной стойкостью этого сплава к прогрессирующему окислению на воздухе при высоких температурах.

Срок службы нагревательных элементов можно увеличить, если поместить спирали в твёрдую инертную среду типа глины-шамота, предохраняющую от механических воздействий и затрудняющую доступ кислорода.

Железохромоалюминиевые сплавы.

Существует целый класс сплавов, называемых фехралями или ферохромалями, не содержащих ни одного процента никеля, их основа − железо. Так как удельное сопротивление железа выше, чем никеля, то и удельное сопротивление сплава, где никель заменяется железом, будет выше.

Поверхностный окисел, образующийся у сплавов с железом, имеет гораздо более высокое удельное сопротивление по сравнению с нихромом.

Фехраль незаменим для достижения температур до 1400°C, хромоникелевый сплав Х20Н80 применяется вплоть до 1200°C и имеет температуру плавления 1400°C. Фехраль более устойчива в серосодержащей атмосфере, чем нихромовая проволока и лента. Замена никеля на железо означает сокращение возможных циклов включений-выключений при преодолении барьера в 600°C.

Материалы для термопар

Термопара –два различных проводника, один конец которых спаян и помещен в место измерения температуры (горячий контакт), а свободные концы помещены в термостат (холодный контакт). Термопары служат датчиками для измерения температуры.

Компенсационные провода –термопарная проволока, которая служит для передачи термо-эдс от свободных концов термопары к измерительным устройствам. В качестве компенсационных проводов используется более дешевая термопарная проволока с не столь строго контролируемыми параметрами.

Подавляющее большинство термопар изготавливают из следующих сплавов: копель, алюмель, хромель, константан, платинородий (90% Pt и 10% Rh).

Константан (40% Ni, 1,5% Mn, остальное – Cu) имеет высокое удельное электрическое сопротивление (около 0,5·10-6 Ом·м), низкое значение термического коэффициента электрического сопротивления, температурный коэффициент линейного расширения 14,4·10-6 °К1, плотность константана 8,8 ч 8,9 г/см3, температура плавления около 1260 °C. Для константана характерна высокая термо-ЭДС в паре с медью, железом, хромелем и низкая термо-ЭДС по отношению к меди.

Термопары можно применять для измерения следующих температур: платинародий – платина до 1600oС; медь – константан и медь – копель до 350°С; железо – константан, железо – копель и хромель – копель до 600°С; хромель – алюмель до 900 – 1000°С. Из применяемых в практике термопар наибольшую термо-эдс при данной разности температур имеет термопара хромель – копель.

Причины нестабильной работы:

— загрязнения примесями из атмосферы;

-резкие перегибы и деформации, которые вносят внутренние напряжения и создают физическую неоднородность.

Источник

Материалы для нагревательного элемента

Примерно в 1900 году немецкая фирма WC Heraeus разработала первую коммерческую платиновую печь. В 1902 году компания выпустила на рынок печь с платиновой лентой, которая могла достигать температуры 1500ºC за 5 минут, работать при 1500ºC в течение нескольких часов и могла достигать температуры 1700ºC в течение коротких периодов времени. За последние почти 200 лет, с тех пор как эта печь была впервые разработана, резистивные электрические печи претерпели многочисленные улучшения в области изоляции, управления и применения нагревательных материалов.

Что такое нагревательные элементы?

Нагреватели для промышленного оборудования обычно питаются от источника электричества. Типичные нагревательные элементы изготавливаются из углеродистой стали или нержавеющей стали. Они используются в отопительной воде или аналогичных жидких средах общего назначения и обычно не подвержены коррозии. Другие используемые коррозионно-стойкие материалы представляют собой сплавы, такие как медь или титан. Они наиболее устойчивы к высоким температурам и выдерживают очень агрессивную среду. Недавно для более продвинутого применения были представлены специально изготовленные сплавы, такие как никель-хромовые суперсплавы.

Выбор нагревательных элементов во многом зависит от типа и характера среды, для которой он используется. Помимо среды, тип нагревателя, который будет установлен, также влияет на то, из какого сплава он должен быть изготовлен. Промышленные нагревательные элементы имеют заводскую конфигурацию любой формы и размера. Они могут работать и при довольно высокой температуре, так как некоторое оборудование должно работать с температурами выше 500 С.

Материал для нагревательных элементов варьируется в зависимости от области применения. Для погружных нагревателей часто требуется материал, обладающий высокой устойчивостью к разрушению при экстремальных температурах и позволяющий оставаться в погруженном состоянии без воздействия фактора эрозии. Учитывая эти условия, нержавеющая сталь является идеальным выбором для нагрева воды и различных химикатов. Нержавеющая сталь изготовлена ​​из легированной стали с содержанием не менее 10,5%,FeCrAl сплава. Самым большим преимуществом нержавеющей стали по сравнению с обычной углеродистой сталью, очевидно, является стойкость к окислению. Однако нержавеющая сталь никоим образом не является полностью устойчивой к коррозии. Существуют определенные внешние среды, такие как низкий уровень кислорода, высокая соленость или плохая циркуляция, при которых нержавеющая сталь становится уязвимой для пассивной пленки оксидов хрома.

Использование экзотических сплавов для нагревательных элементов дополнительно увеличивает способность нагревателей противостоять присущей им коррозионной природе. Медь, например, не реагирует с водой, чтобы избежать нормального окисления. Однако он в конечном итоге реагирует на кислород воздуха при длительном использовании и образует слой оксида меди, а не оксида железа. Использование титана снижает опасность коррозии, так как одним из его свойств является высокая коррозионная стойкость. Дополнительным преимуществом титана является его легкий вес по сравнению с другими металлами.

Обзор материалов для нагревательного элемента

На мировом рынке комплектующих для нагревателей предлагается широкий спектр различных материалов, которые могут использоваться для изготовления нагревательных элементов для промоборудования. Эти расходные комплектующие включают изоляторы из керамических материалов на основе металлов, металлические сплавы и углеродные или графитовые материалы для греющих спиралей. В этой статье основное внимание уделяется традиционным металлическим сплавам для нагревательной спирали, такие как железо-хром-алюминий и никель-хром. Эти сплавы можно разделить на два класса: один пригоден для обработки в присутствии кислорода, а другой должен быть обеспечен адекватной защитой от кислорода. Класс сплавов, которые необходимо защищать от кислорода, включает тантал, вольфрам и молибден.

Когда температура повышается, атмосфера играет важную роль, поскольку материалы по-разному реагируют на различные соединения. Вполне возможно, что система, которая идеально работает при определенной температуре воздуха, может быстро выйти из строя, если используется при такой же температуре, но в другой атмосфере. Срок службы нагревательного элемента также является важным параметром эксплуатации. Важно выяснить, нужно ли вам, чтобы элемент проработал несколько недель, нескольких месяцев или лет. Для любого конкретного элемента, чем выше рабочая температура, тем короче срок его службы.

Типы материалов, используемых в качестве нагревательных элементов

К различным материалам, обсуждаемым ниже, относятся следующие:

Никель-хромовые сплавы

Никель-хромовые сплавы, или нихром, вероятно, являются старейшими электронагревательными материалами и широко используются даже сейчас. Они проявляют свойства пластичности, прочности в горячем состоянии и стабильности формы. Три наиболее часто используемых состава, используемых при нагревании, включают следующее:

NiCr 80:20 (80% никеля, 20% хрома)

NiCr 60:15 (60% никеля, 26% хрома, остаточное железо)

NiCr 30:20 (35% никеля, 20% хрома, остаточное железо)

Железо-хром-алюминиевые сплавы

Сплавы железо-хром-алюминий, или фехраль, стандартно состоят из 72,5% железа, 22% хрома и 5,5% алюминия. Более высокие сорта, полученные с помощью традиционных технологий плавления, имеют ограничения по температуре до 1300 ° C. Также предлагается несколько других марок, в которых количество алюминия уменьшено, а остальное составляет железо. Рабочая температура и сопротивление высокие, а плотность низкая по сравнению с никель-хромовыми сплавами. Это обеспечивает рентабельный и долговечный нагревательный элемент. Некоторые недостатки включают низкую термостойкость, низкую пластичность и охрупчивание при использовании.

Мы в компании Хитл обычно при производстве нагревательных элементов используем нихромовую проволоку и ленту, но для некоторых типов нагревателей или для снижения стоимости нагревательных элементов по запросу заказчика иногда могут использоваться сплавы фехраль.

Источник

Материалы для нагревательных элементов

элек­тропечей сопротивления

Нагревательные элементы имеют самую высокую температуру в печи и, как правило, пред­определяют работоспособность установки в целом.

К этим материалам предъявляются следующие требо­вания:

3. Большое удельное электрическое сопротивление. Чем меньше удельное электрическое сопротивление, тем больше длина нагревателя и меньше его поперечное сечение. Се­чение нагревателя должно быть достаточно большим для обеспечения необходимого срока службы. Длинный нагре­ватель не всегда возможно разместить в печи. Таким об­разом, желательно, чтобы материалы нагревательных элементов имели высокое значение удельного электриче­ского сопротивления.

4. Малый температурный коэффициент сопротивления. Данное требование должно выполняться для того, чтобы мощность, выделяемая нагревателями в горячем и холод­ном состояниях, была одинаковой или отличалась незначи­тельно. Если температурный коэффициент сопротивления велик, для включения печи в холодном состоянии прихо­дится использовать трансформаторы, дающие в начальный момент пониженное напряжение.

5. Постоянство электрических свойств. Некоторые ма­териалы, например карборунд, с течением времени ста­реют, т. е. увеличивают электрическое сопротивление, что усложняет условия их эксплуатации. Требуются трансфор­маторы с большим количеством ступеней и диапазоном напряжений.

Основными материалами для нагревательных элемен­тов являются сплавы на основе железа, никеля, хрома и алюминия.

Это, в первую очередь, — хромоникелевые, а также железохромоалюминиевые сплавы. Свойства и характеристики этих сплавов представлены в [22].

Хромоникелевые сплавы имеют удовлетворительные электротехнические свойства, не стареют, немагнитны. Основной их недостаток — высокая стоимость и дефицит­ность, в первую очередь никеля. Поэтому были созданы железохромоалюминиевые сплавы, содержащие железо, хром и до 5 % алюминия. Эти сплавы могут быть более жаростойкими, чем хромоникелевые, т. е. могут работать до 1400°С (например, сплав Х23Ю5Т). Однако эти сплавы достаточно хрупки и непрочны, особенно после пребыва­ния при температуре, большей 1000°С. Поэтому после работы нагревателя в печи его нельзя вынуть и отремон­тировать. Данные сплавы магнитны, могут ржаветь во влажной атмосфере при нормальной температуре. Они имеют низкое сопротивление ползучести, что должно быть учтено при конструировании из них нагревателей. Недо­статком этих сплавов является также их взаимодействие с шамотной футеровкой и окислами железа. В местах со­прикосновения этих сплавов с футеровкой при температуре эксплуатации выше 1000°С футеровка должна быть вы­полнена из высокоглиноземистого кирпича или покрыта’ специальной высокоглиноземистой обмазкой. Во время эксплуатации эти нагреватели существенно удлиняются, что также должно быть учтено при конструировании, т. е. необходимо предусматривать возможность их удлинения.

В последнее время разработаны сплавы типа Х15Н60Ю3 и Х27Н70ЮЗ, т. е. с добавлением 3 % алюминия, что зна­чительно улучшило жаростойкость сплава, а наличие ни­келя практически исключило имеющиеся у железохромо-алюминиевых сплавов недостатки.

Сплавы Х15Н60ЮЗ, Х27Н60ЮЗ не взаимодействуют с шамотом и окислами железа, достаточно хорошо обраба­тываются, механически прочны, нехрупки.

В высокотемпературных печах используются неметаллические нагреватели: карборундовые и из дисилицида молибдена.

Для печей с защитной атмосферой и вакуумных ис­пользуются угольные и графитовые нагреватели. Нагрева­тели в этом случае выполняются в виде стержней, труб и пластин.

В высокотемпературных вакуумных печах и печах с за­щитной атмосферой применяются нагреватели из молиб­дена и вольфрама. Нагреватели из молибдена в вакууме могут работать до 1700°С, а в защитной атмосфере – до 2200°С. Температура применения в вакууме ниже, что объясняется испарением молибдена. Нагреватели из вольф­рама могут работать до 3000°С.

В отдельных случаях применяются нагреватели из ниобия и тантала.

Нагревательные элементы большинства промышленных печей выполняются либо из ленты, либо из проволоки (рис. 3.4 – 3.7). Обычно для изготовления нагревателей промышленных печей применяется проволока диаметром от до мм. Однако для печей с рабочей температурой С и выше следует брать проволоку диаметром менее мм. Соотношения между шагом спирали и ее диаметром и диаметром проволоки выбирают таким образом, чтобы облегчить размещение нагревателей в печи, обеспечить достаточную их жесткость и в то же время не затруднить чересчур теплоотдачу от них к изделиям.

Чем больше диаметр спирали и чем гуще ее шаг, тем легче разместить в печи нагреватели, но с увеличением диаметра уменьшается прочность спирали, увеличивается склонность ее витков лечь друг на друга. С другой стороны, с увеличением густоты намотки увеличивается экранирующее действие обращенной к изделиям части ее витков на остальные и, следовательно, ухудшается использование ее поверхности. Практика установила вполне определенные, рекомендуемые соотношения между диаметром проволоки, шагом и диаметром спирали для проволоки от до мм диаметром. Эти соотношения следующие: и для нихрома и – для менее прочных железохромоалюминиевых сплавов. Здесь – шаг спирали, – диаметр спирали, – диаметр проволоки.

а б в

Рис. 3.4. Эскизы проволочных и ленточных нагревателей с обозначением основных геометрических размеров: а – проволочный зигзагообразный; б – то же ленточный; в – спиральный

Для более тонких проволок отношение диаметров спирали и проволоки, а также шаг спирали обычно берутся больше. Значительно распространены спиральные нагреватели на керамических трубках. Такие нагреватели с точки зрения излучения и размещения мощности на стенках печи практически почти эквивалентны свободно излучающим спиралям и, наоборот, они существенно эффективнее, чем спирали в пазах и полочках. Конструкция проволочных спиральных нагревателей на керамических трубках является универсальной и с точки зрения применения материалов, и по расположению нагревателей в камере печи. Отношение внутреннего диаметра спирали к наружному диаметру трубки у таких нагревателей может быть принято равным примерно , расстояние между осями трубок диаметра спирали. Обычно для изготовления нагревателей промышленных печей применяется проволока диаметром от до мм. Однако для печей с рабочей температурой С и выше следует брать проволоку диаметром менее мм.

Соотношения между шагом спирали и ее диаметром и диаметром проволоки выбирают таким образом, чтобы облегчить размещение нагревателей в печи, обеспечить достаточную их жесткость и в то же время не затруднить чересчур теплоотдачу от них к изделиям. Чем больше диаметр спирали и чем гуще ее шаг, тем легче разместить в печи нагреватели, но с увеличением диаметра уменьшается прочность спирали, увеличивается склонность ее витков лечь друг на друга. С другой стороны, с увеличением густоты намотки увеличивается экранирующее действие обращенной к изделиям части ее витков на остальные и, следовательно, ухудшается использование ее поверхности.

Рис. 3.5. Конструкции ленточных нагревателей: а – ленточные зигзагообразные нагреватели на боковой стенке на металлических крючках; б – ленточный зигзагообразный нагреватель в поду; в – то же в своде; г – то же на керамических полочках; д – выемной высокотемпературный рамочный элемент; е – низкотемпературный рамочный элемент; ж – нагреватель «плоская волна» на керамических трубках; з – ленточный зигзагообразный нагреватель на выемных крючках; и – условное обозначение размеров ленточного зигзагообразного нагревателя

Практика установила вполне определенные, рекомендуемые соотношения между диаметром проволоки, шагом и диаметром спирали для проволоки от до мм диаметром. Эти соотношения следующие: и для нихрома и — для менее прочных железохромоалюминиевых сплавов. Здесь – шаг спирали, – диаметр спирали, – диаметр проволоки.

Для более тонких проволок отношение диаметров спирали и проволоки, а также шаг спирали обычно берутся больше. Значительно распространены спиральные нагреватели на керамических трубках. Такие нагреватели с точки зрения излучения и размещения мощности на стенках печи практически почти эквивалентны свободно излучающим спиралям и, наоборот, они существенно эффективнее, чем спирали в пазах и полочках.

Рис. 3.6. Конструкции проволочных спиральных нагревателей на керамических трубках: а – сводовые нагреватели; б – трубки на боковых стенках, крепление на жароупорных подвесках; в – то же в пазах керамических столбиков; г – трубки в поду

Рис. 3.7. Проволочные нагреватели: а – проволочный зигзагообразный нагреватель на боковой стенке на металлических крючках; б – проволочный зигзагообразный нагреватель в поду; в – то же в своде; г – то же на керамических полочках; д – проволочная спираль на выступающих кирпичах боковой стены с привязкой к крючкам; е – проволочная спираль в сводовых камнях и в пазах пода; ж – проволочная спираль на керамических полочках; з – проволочная спираль на керамической трубке; и – вывод проволочного нагревателя; к – условное обозначение размеров проволочного нагревателя

Конструкция проволочных спиральных нагревателей на керамических трубках является универсальной и с точки зрения применения материалов, и по расположению нагревателей в камере печи. Отношение внутреннего диаметра спирали к наружному диаметру трубки у таких нагревателей может быть принято равным примерно , расстояние между осями трубок диаметра спирали.

Ленточные нагреватели выполняются в виде зигзагов различных размеров и крепятся на металлических (из жароупорной стали или нихрома) или керамических крючках. Чем гуще ленточные зигзагообразные нагреватели, тем более длинный нагреватель можно разместить в печи, но тем больше взаимоэкранирование витков, тем хуже используется поверхность ленты. Поэтому установились принятые размеры ленточных зигзагообразных нагревателей, обеспечивающие достаточную их прочность и малое взаимоэкранирование. Наиболее употребительное отношение ширины ленты к ее толщине равно 10.

Для температур на нагревателе до С в промышленных печах применяют ленту размером не менее 1 х 10 мм, при более высоких температурах – не менее 2 х 20 мм.

В ЭПС с номинальной температурой 1350°С применяются карборундовые нагреватели (SiC) (рис. 3.8), а в ЭПС с номинальной температурой 1700°С – нагреватели, изготовленные из дисилицида молибдена (MoSi₂) (рис. 3.9) и хромит лантана (рис. 3.10).

Источник