Нагревательные элементы

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.

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 железохромоалюминиевых 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.	Рис. 2.13. Эскизы проволочных и ленточных нагревателей с обозначением основных геометрических размеров: а – проволочный зигзагообразный; б – то же ленточный; в – спиральный
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. 2.13. – 2.15.). Обычно для изготовления нагревателей промышленных печей применяется проволока диаметром от 3 до 7 мм. Однако для печей с рабочей температурой С и выше следует брать проволоку диаметром менее 5 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	Рис. 2.14. 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. Рис. 2.15. 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

остальные и, следовательно, ухудшается использование ее поверхности.

Практика установила вполне определенные, рекомендуемые соотношения между диаметром проволоки, шагом и диаметром спирали

для проволоки от 3 до 7 мм диаметром. Эти соотношения следующие: h≥2d и D = (6÷8)d для нихрома и D = (4÷6)d – для менее прочных железохромоалюминиевых сплавов. Здесь t – шаг спирали, D – диаметр спирали, d – 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 1,1−1,2, расстояние между осями трубок 1,5 − 2 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 1000° 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), а в ЭПС с номинальной температурой

1700°С – нагреватели, изготовленные из дисилицида молибдена (MoSi2) и хромит лантана.