Какими свойствами должен обладать металл из которого изготавливают нагревательные элементы

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.

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

Подробности

Категория: Сплавы для электронагревателей

Сплавы для электронагревателей.

Материалы для электронагревателей делятся на металлические и неметаллические (MoSi2, SiC). Здесь рассматриваются только металлические деформируемые материалы.

Требования к сплавам этой группы:

1. Высокая жаростойкость.

2. Высокое электрическое сопротивление, позволяющее сосредоточить требуемую тепловую мощность в малом объеме.

3. Достаточная крипоустойчивость, обусловливающая сохранение геометрии нагревателей в процессе эксплуатации.

4. Удовлетворительная пластичность в холодном состоянии, обеспечивающая возможность изготовления нагревательных элементов нужной геометрии.

Общая характеристика и применение сплавов. Наибольшее распространение получили две группы сплавов — железохромалюминиевые и нихромы (табл. 161).

Сплавы с индексами А и Н — наиболее высокого качества, которое обеспечивается прецизионной технологией их изготовления. Их легируют микродобавками редкоземельных и некоторых других металлов, оказывающими существенное влияние на процессы окисления при высоких температурах. Назначение сплавов и рабочие температуры нагревательных элементов приведены в табл. 162, 163.

Сплавы для нагревателей производят преимущественно в виде проволоки и ленты, реже в виде горячекатаных прутков (табл. 164).

В табл. 165 приведены размеры и допускаемые отклонения холоднокатаной ленты.

Диаметры и соответствующие отклонения холоднотянутой проволоки, мм (ГОСТ 12766—67; 2771—57):

Допускаемые отклонения размеров горячекатаной проволоки, мм (ГОСТ 12766—67; 2590—57):

Нормируемые свойства. Допустимые пределы удельного электрического сопротивления сплавов при комнатной температуре в зависимости от диаметра проволоки или толщины ленты приведены в табл. 166.

С повышением температуры электросопротивление сплавов меняется (рис. 295).

Поэтому при расчете электрического сопротивления нагревателей необходимо пользоваться поправочными коэффициентами табл. 167.

Жаростойкость сплавов контролируется путем испытания проволочных образцов на живучесть. Под живучестью понимается срок службы образцов из проволоки диаметром 0,8 мм при циклическом (2-мин нагрев, 2-мин охлаждение) режиме нагрева током (ГОСТ 2419—58). Температуры испытаний и нормы по живучести в соответствии с ГОСТ 12766—67 см. в табл. 166.

Оценка пластичности проволоки диаметром 0,2—6,0 мм производится методом навивки в соответствии с ГОСТ 10447—63 и 12766—67. При навивке на стержень определенного диаметра не должно появляться трещин. Относительное удлинение холоднокатаной ленты в состоянии поставки должно отвечать нормам, приведенным в табл. 166.

Физические и механические свойства (табл. 168, 169). При выдержках в интервале 450—500°С сплавов Fe—Сr и Fe—Cr—Аl повышаются твердость, прочность, уменьшается пластичность, ударная вязкость, удельное электрическое сопротивление и коррозионная стойкость.

Изменения наиболее четко проявляются после выдержки при 475°С, вследствие чего это явление принято называть 475-град хрупкостью. В сплавах Fe—Сr с 15—85% Сr происходит расслоение твердого раствора с образованием когерентных и изоморфных выделений, концентрация хрома в которых достигает 75—85%. Скорость процесса расслоения максимальна в первые моменты старения и постепенно уменьшается. Алюминий оказывает ускоряющее влияние на процесс старения в сплавах на железохромовой основе.

Охрупчивание сплавов наблюдается уже при медленном охлаждении металла ниже 500°С. Однако процесс охрупчивания является легко обратимым. Для устранения хрупкости применяют обычно закалку металла в воду с 750—860°С. Нагрев до более высокой температуры нецелесообразен, так как выше 900—950°С происходит довольно быстрый рост зерна, часто приводящий к снижению пластичности, не устраняемый последующей термической обработкой.

Наличие 475-град хрупкости приводит к тому, что нагреватели уже после первого нагрева до рабочих температур и медленного охлаждения становятся хрупкими и не выдерживают в холодном состоянии изгиба, резких динамических нагрузок, встрясок и т. д.

При высоких температурах сплавы Fe—Сr—Аl, как и другие сплавы ферритного класса, имеют низкую крипоустойчивость, что при температурах выше 1100—1200°С приводит к провисанию нагревателей под действием собственного веса. Поэтому для предотвращения значительного провисания рекомендуется располагать нагреватели на опорах по всей длине.

При комнатной температуре сплавы 0Х23Ю5, 0Х23Ю5А и особенно 0Х27Ю5А обладают пониженной пластичностью. Поэтому из ленты толщиной более 2 мм и проволоки диаметром свыше 5 мм нагреватели рекомендуется изготовлять после предварительного подогрева металла до 200—350°С.

Нихромы достаточно пластичны как в исходном состоянии, так и в процессе эксплуатации. Обычный режим умягчающей термической обработки для них: нагрев до 1000—1050°С, охлаждение в воде или на воздухе.

Некоторые физические свойства сплавов приведены в табл. 168, а в табл. 169 указаны механические свойства при различных температурах.

Эксплуатационные особенности сплавов. Сплавы Fe—Сr—Аl склонны к химическому взаимодействию с рядом окислов и металлов. Для них в отличие от нихромов не пригодна любая керамика, выпускаемая промышленностью для высокотемпературных печей. Для температур 1100—1400°C огнеупорная масса должна содержать не менее 75% глинозема и минимальное количество окислов железа (менее 1%). Для температур 900—1100°С пригодна огнеупорная масса, содержащая не менее 60% глинозема и менее 1% окислов железа. Этим требованиям отвечает шамот класса А.

В практике хорошо зарекомендовал себя способ обмазывания керамики в местах контакта с нагревательными элементами высокоглиноземистой массой [смесь 30% корунда крупной фракции (~25 мкм), 45% корунда мелкой фракции (~5 мкм), 25% каолина и воды].

Разрушающе действуют на окалину сплавов Fe—Сr—Аl пары и брызги некоторых металлов — меди, цинка, алюминия, свинца. Недопустим контакт поверхности нагревателя с кремнеземом, поваренной солью, шлаками, эмалями, асбестом и железной окалиной. Недопустимо также изготовлять нагреватели из поржавевшей проволоки и ленты. Следует учитывать, что сплавы Fe—Сr—Аl имеют длительный срок службы лишь при условии высокой культуры их эксплуатации.

Нихромы проявляют значительно меньшую склонность к взаимодействию с керамикой, однако такие случаи возможны. Например, на них разрушающе действует контакт с асбестом при температуре выше 400°С.

Атмосфера печи. В углеродсодержащих средах (СО—СO2—СН4—Н2—Н2O—N2) может происходить науглероживание сплавов, особенно в средах с высоким углеродным потенциалом.

Сплавы Fe—Сr—Аl (0Х23Ю5А и 0Х27Ю5А) в этих средах более стойки, чем Ni—Сr, так как окисная пленка, содержащая окислы алюминия, препятствует науглероживанию. Окись хрома, образующаяся на нихромах, проницаема для углерода, в результате чего в металле образуется значительное количество карбида хрома. В атмосферах, содержащих серу и сернистые соединения, сплавы Fe—Сr—Аl также более устойчивы, чем нихромы.

В вакууме при высоких температурах одновременно происходит процесс окисления и испарения (возгонки), причем окисление протекает значительно слабее, чем при атмосферном давлении. Чем выше температура и ниже давление, тем интенсивнее испарение. При давлении 10–4 мм рт. ст. интенсивное испарение начинается с температуры 1100°С (табл. 170). Предварительное окисление нагревателей на воздухе замедляет испарение, однако временно, поскольку образовавшиеся окислы постепенно диссоциируют. Наиболее интенсивно испаряются компоненты, обладающие более высокой упругостью пара. У железохромалюминиевых сплавов такими компонентами являются алюминий и хром, у нихромов — хром и кремний.

Данные табл. 170 показывают, что сплавы Fe—Сr—Аl испаряются более интенсивно, чем нихромы.

При конструировании вакуумных печей следует учитывать возможность металлизации электроизоляционных материалов, что может привести к пробою через них. Может также происходить загрязнение нагреваемых в печи материалов, которые при необходимости следует защищать экранами.

В восстановительной атмосфере нихромы более устойчивы. В атмосфере с высоким содержанием окиси углерода, светильном газе сплавы Fe—Сr—Аl применять не рекомендуется. Возможно их применение в атмосфере очищенного сухого водорода.

Рекомендации по применению сплавов в различных средах см. в табл. 163.

Сварка. При изготовлении нагревателей желательно обходиться без сварки. При необходимости рекомендуется применять аргонодуговую сварку, при которой состав свариваемых сплавов в месте шва практически не меняется.

В порядке исключения можно использовать ручную электродуговую сварку со следующими электродами из нихрома: ЦЧМ-3, ИМЕТ-4-П, ИМЕТ-4, ЦТ-28, ИМЕТ-10, а также сплавов Fe—Сr—Аl (стержень из свариваемого материала с защитным покрытием основного типа).

Сварка выполняется при постоянном токе обратной полярности (положительный заряд на электроде). Сварное соединение следует конструктивно разгружать от возможных механических и термических напряжений с помощью муфт, втулок и т. п. Газовую сварку применять не следует.

Помимо сплавов, поставляемых по ГОСТ 12766—67 для высокотемпературных печей с окислительной атмосферой, имеется ряд сплавов, которые выпускаются по техническим условиям. Эти сплавы изучены в меньшей степени, чем сплавы, рассмотренные выше. Основные характеристики и сортамент сплавов представлены в табл. 171.

Принятые обозначения и пересчетные значения для ряда единиц измерения

Источник