Какие материалы обладают необходимыми для нагревательного элемента свойствами
электропечей сопротивления
Нагревательные элементы имеют самую высокую температуру в печи и, как правило, предопределяют работоспособность установки в целом.
К этим материалам предъявляются следующие требования:
1. Достаточная жаростойкость (окалиностойкость).
2. Достаточная жаропрочность – механическая прочность при высоких температурах, необходимая для того, чтобы нагреватели могли поддерживать сами себя.
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.
6. Обрабатываемость. Металлические материалы должны обладать пластичностью и свариваемостью, чтобы из них можно было изготовить проволоку, ленту, а из последних – сложные по конфигурации нагревательные элементы. Неметаллические нагреватели прессуются или формуются, с тем чтобы нагреватель представлял собой готовое изделие.
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].
Двойные сплавы состоят из никеля и хрома (хромоникелевые сплавы), тройные – из никеля, хрома и железа (железохромоникелевые сплавы). Тройные сплавы – дальнейшее развитие хромоникелевых сталей, так как Х23Н18, Х15Н60-Н применяются примерно до 1000°С.
Двойные сплавы – это, например, Х20Н80-Н. Они образуют на поверхности защитную пленку из окиси хрома. Температура плавления этой пленки выше, чем самого сплава; пленка не растрескивается при нагреве и охлаждении. Эти сплавы имеют хорошие механические свойства как при низких, так и при высоких температурах, они крипоустойчивы, пластичны, хорошо обрабатываются, свариваются.
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.
Представителями этих сплавов являются Х15Ю5 (температура применения – около 800°С); Х23Ю5 (1200°С); Х27Ю5Т (1300°С) и Х23Ю5Т (1400°С).
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. |
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.
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
Электронагреватели используют для высокотемпературного воздействия на следующие узлы и элементы оборудования: сопла, пресс-формы, горячеканальные системы, цилиндрические поверхности, локальные отделы и мн. др. Зависимо от вида нагревателя, его назначения, параметров, формы, метода подключения и термической выработки в его конструкцию могут входить различные материалы. В основном в нагревательные приборы закрытого типа входят следующие элементы: резистивная проволока, электроизоляционный слой, корпусная оболочка, элементы подключения к сети.
Электропроводники для промышленных нагревателей
Электропроводник является основой любого резистивного элемента нагрева. Пропуская электрическую энергию, проводник нагревается до высоких термических значений, поэтому в его характеристики должна входить стойкость к чрезмерным температурам. Электропроводник не должен разрушаться в процессе работы. Обычно в качестве элемента для промышленных нагревателей, который преобразовывает ток в тепло, применяется резистивная нихромовая проволока.
Электроизоляционный слой
Функции электрического изолятора в промышленных нагревателях обычно выполняют слюда или керамика. Слюдопласт (миканит) — изоляционный материал многослойного состава, который производится методом поочередной смоляной склейки листов слюды. Проклеенный миканит подвергают сушке под воздействием высокого давления. На выходе изделие получается прочным, стойким к сгибаниям, не расслаивается, не крошится и обладает определенной твердостью. Такой изолятор не втягивает в себя влагу из окружающей среды. Зачастую миканит используют в качестве прокладочного материала способного выдерживать температуру до 180 градусов Цельсия. Но, существуют и способы его производства, благодаря которым такой материал может спокойно переносить температуры до 750 градусов Цельсия, именно его и используют в качестве изолятора для промышленных нагревателей. Изготавливаются термостойкие слюдопласти из разных составов, например: флогопитовый миканит способен выдержать нагрузку до 750 градусов, а материал другого состава, вроде мусковита — 500 градусов Цельсия.
Некоторые типы пластинчатых нагревателей от «ТЭН24» могут иметь в своей конструкции только резистивную проволоку и миканит, который выполняет не только функцию изолятора, но и является корпусом нагревателя. Такие элементы нагрева дешевле, чем устройства с металлической оболочкой, но и прочность их значительно ниже.
Керамическая изоляция — это один из самых надежных и качественных видов изоляции, которые используются в промышленности. Керамику изготавливают способом высокотемпературного нагрева и формуют из уплотненного порошка. Для традиционных материалов используют традиционный глиняный порошок, и другие встречающиеся в природе минералы. Независимо от вида керамики процессы производства всегда одни и те же.
Преимуществами изоляции из керамики являются:
Устойчивость к чрезвычайно высоким температурам;
Износоустойчивость высокого уровня;
Отличные диэлектрические характеристики;
Длительный срок службы;
Стабильные физические показатели в экстремальных рабочих условиях и мн. др.
Керамическая изоляция обычно используется в корпусах низковольтных предохранителей, в трубках и корпусах плавких предохранителей, в промышленных нагревателях, в патронах и цоколях ламп и мн. др.
Материал корпуса электронагревателя
Пластинчатые нагреватели могут иметь керамический и металлический корпуса или состоять из миканитовой оболочки. У хомутовых элементов нагрева обычно в качестве корпуса используют керамику либо металл. Существует и множество других типов нагревателей, в которых применены аналогичные виды корпусов, имеющие самые разные вариации конструкции. Внешняя оболочка промышленного нагревателя во многом определяет его эксплуатационные возможности.
Корпус из нержавеющей стали является самым популярным видом материала для нагревательных устройств. Он отлично выдерживает механические нагрузки, обладает высокой устойчивостью к коррозии, и характеризуется неплохой теплопроводностью. Такие нагреватели служат длительное время, их удобно и просто монтировать, а крепления к объекту нагрева выделяется отличной надежностью.
Керамические корпуса могут выполнять одновременно функции электроизолятора и оболочки промышленного нагревателя. Керамика очень термостойкая и достаточно прочная. Такой материал имеет массу преимуществ в виде того, что не проводит электрический ток, не поддается коррозии, не вредит окружающей среде, обладает хорошей прочностью. Корпуса из керамики способны без физических и химических изменений переносить температуры до 1000 градусов Цельсия.
Заказать любой тип промышленного нагревателя высокого качества от сертифицированного производителя «ТЭН24» можно прямо сейчас заказав звонок от наших менеджеров. Если у вас возникли проблемы с выбором нагревателя, вы можете от наших специалистов получить бесплатную профессиональную консультацию. Мы всегда рады новым сотрудничествам и дорожим каждым клиентом.
Источник
Íàãðåâàòåëüíûå ýëåìåíòû (íàãðåâàòåëè)
Ïðîâîëî÷íûå çèãçàãîîáðàçíûå íàãðåâàòåëè íàâåøèâàþò íà ñòåíêàõ è ñâîäå ïå÷è íà æàðîïðî÷íûõ êðþ÷êàõ, ïîäîâûå íàãðåâàòåëè óêëàäûâàþò ñâîáîäíî íà ôàñîííûå êèðïè÷è.
Ñïèðàëüíûå íàãðåâàòåëè â íèçêîòåìïåðàòóðíûõ ïå÷àõ ïîäâåøèâàþò íà ôàñîííûõ êåðàìè÷åñêèõ âòóëêàõ íà êåðàìè÷åñêèõ òðóáêàõ 2 èëè íà ïîëî÷êàõ ôóòåðîâêè.  ñðåäíåòåìïåðàòóðíûõ ïå÷àõ ñïèðàëüíûå íàãðåâàòåëè óêëàäûâàþò òàêæå â ïàçàõ 3 ôóòåðîâêè.
Ëåíòî÷íûå íàãðåâàòåëè (èçãîòîâëåííûå èç ëåíòû èëè ëèòûå) êðåïÿò íà ñòåíêàõ è ñâîäå îáû÷íî íà ñïåöèàëüíûõ êåðàìè÷åñêèõ êðþ÷êàõ; íà ïîäó èõ óêëàäûâàþò íà êåðàìè÷åñêèõ îïîðàõ.
Ìàòåðèàëû äëÿ íàãðåâàòåëüíûõ ýëåìåíòîâ
Íàãðåâàòåëüíûå ýëåìåíòû, êàê è æàðîóïîðíûå, ðàáîòàþò â çîíå ïîâûøåííûõ òåìïåðàòóð.  ýëåêòðîïå÷åñòðîåíèè êðîìå âûøåïåðå÷èñëåííûõ, ïðåäúÿâëÿþò ê íèì åùå ðÿä òðåáîâàíèé, ñâÿçàííûõ èõ ýëåêòðè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè. Òàêèì îáðàçîì, äàííûå ìàòåðèàëû äîëæíû îáëàäàòü:
1. Æàðîñòîéêîñòü, ò.å. îíè íå äîëæíû îêèñëÿòüñÿ ïîä äåéñòâèåì êèñëîðîäíîãî âîçäóõà, âûñîêèõ òåìïåðàòóð.
2. Äîñòàòî÷íàÿ æàðîïðî÷íîñòü ìîæåò áûòü íåâåëèêà, äîñòàòî÷íî, ÷òîáû íàãðåâàòåëè ïîääåðæèâàëè ñàìè ñåáÿ.
3. Áîëüøîå óäåëüíîå ñîïðîòèâëåíèå. Ýòî îáúÿñíÿåòñÿ òåì, ÷òî òîíêèå è äëèííûå íàãðåâàòåëè íå ïðî÷íû, íå óäîáíû êîíñòðóêòèâíî, èìåþò ìàëûé ñðîê ñëóæáû.
4. Ìàëûé òåìïåðàòóðíûé êîýôôèöèåíò ñîïðîòèâëåíèÿ (ÒÊÑ). Ýòî íåîáõîäèìî äëÿ òîãî, ÷òîáû ñîêðàòèòü ïóñêîâûå òîë÷êè
òîêà. Òîë÷êè ìîãóò äîñòèãàòü 4-5 êðàòíîãî çíà÷åíèÿ è äëèòüñÿ äëèòåëüíîå âðåìÿ
èç-çà áîëüøîé èíåðöèîííîñòè ïå÷è.
5. Ýëåêòðè÷åñêèå ñâîéñòâà íàãðåâàòåëåé äîëæíû áûòü ïîñòîÿííû. 6. Íàãðåâàòåëè
äîëæíû èìåòü ïîñòîÿííûé ðàçìåð. 7. Ìàòåðèàëû äîëæíû õîðîøî îáðàáàòûâàòüñÿ.
Îñíîâíûìè ìàòåðèàëàìè äëÿ íàãðåâàòåëüíûõ ýëåìåíòîâ ÿâëÿþòñÿ ñïëàâû íèêåëÿ, õðîìà, æåëåçà (íèõðîìû). Îíè ìîãóò èñïîëüçîâàòüñÿ äî 1100 °Ñ. Ïðè t° äî 600 °Ñ èñïîëüçóþòñÿ ôåõðàëü è êîíñòàíòàí. Äëÿ ïå÷åé ñ ðàáî÷èìè òåìïåðàòóðàìè âûøå 1100
– 1150° Ñ ïðèìåíÿþò íåìåòàëëè÷åñêèå íàãðåâàòåëè â âèäå ñòåðæíåé: êàðáîðóíäîâûå, îñíîâó êîòîðûõ ñîñòàâëÿåò êàðáèä êðåìíèÿ (äî 13001400 °Ñ), è èç äèñèëèöèäà ìîëèáäåíà
(äî 14001500 °Ñ).  âûñîêîòåìïåðàòóðíûõ âàêóóìíûõ ïå÷àõ ïðè t° îò 2200 äî 3000 °Ñ ïðèìåíÿþòñÿ íàãðåâàòåëè èç òàíòàëà, ìîëèáäåíà, âîëüôðàìà, óãîëüíûå èëè ãðàôèòîâûå íàãðåâàòåëè.
Íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåíû â âûñîêîòåìïåðàòóðíûõ ïå÷àõ íàãðåâàòåëè èç ìîëèáäåíà (äî 2000 °Ñ â çàùèòíîé ñðåäå) è âîëüôðàìà (äî 2500 °Ñ â çàùèòíîé ñðåäå).
Ýëåêòðè÷åñêàÿ ìîùíîñòü, ïîòðåáëÿåìàÿ íàãðåâàòåëÿìè, ñîñòàâëÿåò äëÿ íåáîëüøèõ ìîùíîñòåé åäèíèöû êèëîâàòò, à äëÿ êðóïíûõ ïå÷åé ìîæåò äîñòèãàòü òûñÿ÷è êèëîâàòò è áîëåå.
Òðóá÷àòûå ýëåêòðîíàãðåâàòåëè (ÒÝÍû)
 ïå÷àõ ñ ýëåêòðîêàëîðèôåðàìè è ñîëÿíûõ âàííàõ (ïðè òåìïåðàòóðàõ äî 600 °Ñ) ÷àñòî ïðèìåíÿþò òðóá÷àòûå ýëåêòðîíàãðåâàòåëè (ÒÝÍ).
Íàãðåâàòåëü ñîñòîèò èç ìåòàëëè÷åñêîé òðóáêè , ïî îñè êîòîðîé ðàñïîëîæåíà íèõðîìîâàÿ ñïèðàëü 2, ïðèâàðåííàÿ ê âûâîäíûì êîíöàì 5 íàãðåâàòåëÿ. Òðóáêà çàïîëíåíà êðèñòàëëè÷åñêîé îêèñüþ ìàãíèÿ (ïåðèêëàçîì).  êîíöàõ òðóáêè çàêðåïëåíû âûâîäíûå èçîëÿòîðû.
Òðóáêà ëåãêî èçãèáàåòñÿ, ïîýòîìó ÒÝÍ âûïóñêàþòñÿ ðàçëè÷íîé ôîðìû (â òîì ÷èñëå ðåáðèñòûìè äëÿ ýëåêòðîêàëîðèôåðîâ).
Источник