Металл для нагревательных элементов

Обновлено: 07.07.2024

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

К этим материалам предъявляются следующие требования:

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.

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.

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).

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.

Анализ материалов нагревательного элемента

Многие нагревательные устройства или приборы, такие как электрические печи, электрические духовки, электрические обогреватели и т. д., используют электрическую энергию для производства тепла. В этом оборудовании или приборах нагревательные элементы используются для преобразования электрической энергии в тепловую. Работа нагревательных элементов основана на тепловом воздействии электрического тока. Когда ток проходит через сопротивление, он выделяет тепло. Для производства тепла электрическая энергия, потребляемая сопротивлением, определяется выражением

I - ток через сопротивление (в А)

R - сопротивление элемента (в Ом)

t - время (в секундах).

Производительность и срок службы нагревательного элемента зависит от свойств материала, используемого для его производства. Требуемые свойства материала, используемого для нагревательных элементов:

Высокая температура плавления.
Не подвержен окислению в открытой атмосфере.
Высокая прочность на разрыв.
Достаточная пластичность для вытяжки металла или сплава в виде проволоки.
Высокое сопротивление.
Низкий температурный коэффициент сопротивления.

Для изготовления нагревательного элемента используются следующие материалы:

Нихром

Состав нихрома

Свойства никеля и хрома

Удельное сопротивление: 40 мкОм-см

Температурный коэффициент сопротивления: 0,0004 / ° C

Температура плавления: 1400 ° C

Удельный вес: 8,4 г / см³

Высокая стойкость к окислению

Использование нихрома

Используется при изготовлении нагревательных элементов для электронагревателей и печей.

Примечание

Нихром - лучший подходящий и идеальный материал для изготовления нагревательного элемента. Имеет сравнительно высокую стойкость. Когда нагревательный элемент нагревается впервые, хром сплава реагирует с кислородом атмосферы и образует слой оксида хрома на внешней поверхности нагревательного элемента. Этот слой оксида хрома работает как защитный слой для элемента и защищает материал под этими слоями от окисления, предотвращая разрыв и выгорание провода элемента. Нагревательные элементы из нихрома можно использовать для непрерывной работы при температуре до 1200 °C.

Фехраль

«Kantahl» - это коммерческое название для сплавов фехраль, изготовленных путем соединения железо-хром-алюминий (Fe-Cr-Al) . Эти сплавы используются в широком диапазоне сопротивлений и нагрева.

Состав фехраля

Свойства Fecral

Удельное сопротивление при 20 ° C: 145 мкОм-см

Температурный коэффициент сопротивления при 20 ° C: 0,000001 / ° C

Точка плавления: 1500 ° C

Удельный вес: 7,10 г / см³

Высокая стойкость к окислению

Использование фехраля

Используется при изготовлении нагревательных элементов для электронагревателей и печей

Когда элемент из FeCrAl нагревается в первый раз, алюминий из сплава вступает в реакцию с кислородом атмосферы и образует слой оксидов алюминия над нагревательным элементом. Этот слой оксидов алюминия является электрическим изолятором, но имеет хорошую теплопроводность. Этот электроизоляционный слой алюминия делает нагревательный элемент устойчивым к ударам. Нагревательные элементы из Kanthal могут использоваться для непрерывной работы при температуре до 1400 ° C. Следовательно, он очень подходит для изготовления нагревательных элементов для электропечей, используемых для термообработки в керамической, сталелитейной, стекольной и электронной промышленности.

Компания Термоэлемент для своих нагревателей предлагает греющие спирали из нихрома или фехраля в зависимости от требований заказчика, среды использования нагревателей, максимальной температуры нагрева и прочих параметров. Также мы предлагаем продажу фехраля в виде лент и проволоки в катушках на продажу.

Нихром для нагрева: характеристики, назначение, сопротивление, калькулятор

Cплавы нихрома были в эксплуатации еще в 1900 году, и они были успешно использованы в нагревательных системах. Следовательно, реальный практический опыт использования оборудования и промышленных печей дает уверенность в использовании этих сплавов в передовых и уже установленных конструктивных решениях.

В данной статье вы найдете справочные данные и таблицы с характеристиками различных сплавов нихрома. Калькулятор расчета параметров нихромового провода или провода из фехрали вы можете найти в нашей прошлой статье «Расчет нихрома и фехрали для нагревателей».

Что такое сплав для резистивного нагрева?

Выбор электронагревательных материалов зависит от внутреннего сопротивления току, протекающему с выделением тепла. Медная проволока не выделяет достаточно тепла, когда проводит электричество. Следовательно, чтобы сплав, такой как проволока, пруток, полоса или лента, можно было рассматривать как электрический нагревательный элемент, он должен противодействовать потоку электричества.

Удельное сопротивления нихрома и других сплавов для нагревателей

Обычно распространенные стали и сплавы, такие как нержавеющая сталь, препятствуют прохождению электричества. Этот термин свойства известен как удельное сопротивление. У нас в России, как и везде в Европе для описания удельного сопротивления принято использовать Омы на мм2 на м, в других странах еще может использоваться Ом см / фут или Ом, умноженное на круговые мили на фут Ohms /cmf .

Если бы только удельное сопротивление рассматривалось как основной фактор для электрического нагревательного элемента, выбор мог бы быть из нескольких материалов сплава с широким диапазоном стоимости. По своей экстремальной природе электрический нагревательный элемент часто нагревается докрасна, и обычные сплавы не могут выдерживать такое количество тепла в течение длительного периода.

Семейства сплавов для нагревателей обладают сочетанием двух определенных свойств:

Высокое электрическое сопротивление
Длительный срок службы, потенциал выносливости в качестве нагревательного материала

Эти группы сплавов можно разделить на шесть основных классов. В данной статье мы рассмотрим такие сплавы, как нихром. Основные марки этих сплавов показаны с указанием их состава и удельного сопротивления нихрома.

80 никель 20 хром

1.0803 Ом · мм2 / м

70 никель 30 хром

1.18002 Ом · мм2 / м

60 Никель 16 Хром 24 Железо

1.12185 Ом · мм2 / м

35 Никель 20 Хром 45 Железо

1.01382 Ом · мм2 / м

22 Хром 5 Алюминий 73 Железо

1.45425 Ом · мм2 / м

22 Хром 4 Алюминий 74 Железо

1.35453 Ом · мм2 / м

15 Хром 4 Алюминий 81 Железо

1.2465 Ом · мм2 / м

Медно-никелевые сплавы
для низкотемпературных применений

45 Никель 55 Медь

0.4986 Ом · мм2 / м

22 Никель 78 Медь

0.2991 Ом · мм2 / м

11 Никель 89 Медь

0.1495 Ом · мм2 / м

6 Никель 94 Медь

0.0997 Ом · мм2 / м

2 никель 98 Медь

0.0498 Ом · мм2 / м

Нержавеющая сталь и различные сплавы
для низкотемпературных применений

Никель Марганец 94 Никель 5 Марганец

0.1695 Ом · мм2 / м

0.0748 Ом · мм2 / м

Монель 67 Никель 30 Медь

0.48198 Ом · мм2 / м

Никель Кремний 3 Кремниевые весы Никель

0.31578 Ом · мм2 / м

UNS S30400 18 Хром 8 Никель 74 Железо

0.71965 Ом · мм2 / м

Характеристики сплавов для контактного нагрева

Чтобы стать электронагревательным элементом, металл или сплавы должны обладать следующими характеристиками:

Хорошее высокое электрическое сопротивление для сохранения небольшой площади поперечного сечения
Высокая прочность и пластичность при рабочих температурах
Низкий температурный коэффициент электрического сопротивления для предотвращения значительных изменений сопротивления при рабочей температуре по сравнению с комнатной температурой.
Отличная стойкость к окислению на воздухе при умеренных процедурах
Подходящая работа и потенциал для придания необходимой формы.

Материалы, которые обладают этими свойствами, являются 80/20 Нихромом 70/30 Нихрома, 60/15 Нихрома и 35/20 нихрома. Оценка свойств этих сплавов на воздухе производится следующим образом:

NiCr марки 80/20

C Класс 60/15 NiCr

D Класс 35/20 NiCr

Самая высокая рабочая температура в воздухе

1200 ° C или 2200 ° F

1260 ° C или 2300 ° F

1150 ° C или 2100 ° F

1100 ° C или 2000 ° F

1400 ° C или 2550 ° F

1380 ° C или 2520 ° F

1390 ° C или 2530 ° F

Предел текучести, 0,2%

Нихром 80/20. Самый популярный сплав сопротивления, состоящий из 80% никеля и 20% хрома, все еще широко используется, однако различные исследования предложили некоторые улучшения в основных химических свойствах. Включены номинальные количества железа, марганца и кремния, а также небольшое содержание редкоземельных металлов и других, что позволяет использовать сплав при температуре до 1200 ° C или 2192 ° F.

Нихром 70/30 обеспечивает увеличенный срок службы на воздухе при температуре до 1260 ° C или 2300 ° F. Он обеспечивает выдающуюся стойкость к окислению в условиях низкого содержания кислорода, механизм, известный как зеленая гниль из-за зеленого оттенка оксида.

Нихром 60/16 железо 24. Сплав нихрома, состоящий из 60% никеля и 16% хрома и 24% железа обычно выбираются , когда температура применения не должна быть выше 1100 ° C.

Нихром 35/20 железо 45. Сплав, состоящий из 35% никеля, 20% хрома и железа, используется в печах с промышленным регулированием, работающих при температурах от 800 ° C до 1000 ° C. Он обеспечивает значительный вклад в предотвращение повреждения, которое может иметь место в двух указанных выше сплавах, когда рабочая температура одинакова, но условия различаются между восстановлением и окислением. Нихром А или 80/20 не рекомендуется использовать в условиях, которые восстанавливают никель и окисляют хром.

Все нагревательные сплавы, упомянутые в таблице выше, имеют длительный срок службы в качестве нагревательного материала, если они спроектированы соответствующим образом с учетом подходящего размера проволоки и спецификации спирали.

Подходящий срок службы нагревательного элемента начинается с производства сплава и последующих результатов в результате надлежащего ухода за сплавом - проволокой, лентой, полосой, когда он формируется в качестве нагревательного элемента и устанавливается в оборудование.

Как работают сплавы электрического сопротивления

Электрическое сопротивление сплава генерирует тепло, в зависимости от его состава, он противостоит потоку электричества. Сплав должен иметь возможность проводить электричество до соответствующей температуры, чтобы работать в качестве нагревательного материала.

Температурный коэффициент сопротивления

Сопротивление току, выраженное в омах для конкретного сплава, зависит от температуры сплава. Это отклонение указывается в процентах от фактического сопротивления комнатной температуре. Обычно с повышением температуры сопротивление увеличивается, поэтому нагревательный элемент в виде проволоки имеет сопротивление 1 Ом при комнатной температуре (20 ° C или 68 ° F), может достигать сопротивления до 1,08 Ом при 650 ° C или 1202 ° F. , следовательно, сопротивление увеличивается на 8% из-за нагрева.

Влияние обработки на удельное сопротивление

Электрическое сопротивление - это внутреннее свойство каждого металла, в зависимости от его состава и конфигурации. На сопротивление могут влиять методы изготовления и обработки, такие как холодная обработка и обработка отжигом, до такой степени, что они изменяют физическую структуру материала.

Изменение удельного сопротивления со скоростью охлаждения особенно важно для материала после яркого отжига, обработка которого включает отжиг в защищенной среде, а затем быструю закалку. Когда материал функционирует при температурах выше 300 ° C, удельное сопротивление может быть изменено по сравнению с его первоначальным значением, особенно если элементы немного охлаждаются. Возможны следующие варианты:

Нихром 80/20 : увеличение на 6%
Нихром 70/30 : увеличение на 4%
Нихром 60/15 : увеличение на 2%
Нихром 35/20 : номинальное увеличение

Однако способность к изменению удельного сопротивления зависит от размера сечения. Поскольку легкие части охлаждаются быстрее, чем массивные части, легкие части описывают более конкретное влияние скорости охлаждения на электрическое сопротивление. Влияние максимальное для нихрома 80/20 и нихрома 70/30 и умеренное для сплава 60/15 . Для сплава 35Ni20Cr значительного размерного эффекта не наблюдалось.

Нагревательные элементы из нихромового сплава

Электрический резистивный нагревательный элемент использовался в течение длительного периода времени. Поэтому многие конструкции усовершенствованы для обеспечения превосходных характеристик. Очень важно проверить все факторы, которые позволят создать нагреватель, который будет предлагать удовлетворительные функциональные возможности по доступной цене. Для выполнения этой задачи необходимо учитывать следующие факторы:

Механические воздействия: если нагретое оборудование должно подвергнуться серьезному механическому удару, метод установки нагревательных элементов должен иметь первостепенное значение.

Температура: это основной фактор при выборе сплава и размера нагревательного материала. Применение нагревательного элемента указывает требуемую температуру. Также важно различать температуру окружающей среды и температуру резистивного провода.

Требуемое пространство: Пространство, вводимое для установки нагревателя, обычно регулируется. Это говорит о том, что достаточное пространство может быть непрактичным. Для равномерного поджаривания хлеба в тостере материал следует держать подальше от поверхности, но для оборудования должно быть достаточно места смещения.

Атмосфера: указывает, что газы или твердые частицы взаимодействуют с нагревателем. Защитный слой в печи или брызги в жаровне обычно определяются.

Температурный цикл: Подходящие условия работы для нагревательного элемента - поддержание постоянной температуры. Обычно это непрактично. Лабораторные испытания показали, что при повышенной рабочей температуре, такой как 800 ° C и выше, обычный включенный нагреватель имеет длительный общий срок службы. Из-за выдающегося срока службы нецикличного нагревателя многие испытания рассчитаны на высокую скорость цикла. Время цикла определяется продолжительностью, необходимой для переключения устройства между стабилизированной температурой испытания и комнатной температурой.

Безопасность: Необходимо соблюдать меры безопасности при работе с приборами, работающими с высокой температурой или с электрическими проводниками. Установка приборов за ограждениями может вызвать более резкое повышение температуры, чем ожидалось.

Плотность мощности: важным фактором, который следует понимать, является плотность мощности, показывающая число, выражающее мощность, рассеиваемую на единицу площади. Для более высоких нагрузок требуются более высокие температуры. Выбор максимального значения является подходящей концепцией конструкции, поскольку он относится к минимальному количеству материала, обеспечивая рентабельную систему при подходящем сроке службы. Это достигается сочетанием наименьшего поперечного сечения проводника и подходящего удельного сопротивления. В нагревательных спиралях и лентах печи самонагревание между контурами допускается за счет излучения витков катушки.

Нихром 60 против нихрома 80

Когда был открыт нихром 80 , были предприняты усилия по снижению стоимости материала за счет уменьшения содержания никеля и хрома . Были испытаны несколько сплавов, и многие из них не прошли испытания. В последние годы усовершенствования в процессе плавления сплавов и более чистое сырье стимулировали производство материала нихрома 60 с долговечными свойствами, аналогичными или даже лучшими, чем у нихрома 80 для нескольких температурных пределов. Нихром 80 предпочтителен, когда материал должен подвергаться воздействию предельной температуры. Хотя в различных приложениях, нихром С можно успешно использовать, так как он дает возможность снизить стоимость.

Поскольку сплавы для нагревателей вытягиваются, прокатываются до сопротивления, пользователи обычно просят вытягивать сплав для получения такого же сопротивления в Ом на м, как у нихрома 80 . Поскольку у нихрома 60 более высокое удельное сопротивление, диаметр проволоки будет номинально больше, чтобы соответствовать этому. Это относится к температуре приложения, которая определяется удельной мощностью, которая будет уменьшена. Это снижение температуры небольшое, но правильное, так как срок службы обратно пропорционален температуре.

Нихром 60 не используется в промышленных печах из-за того, что себестоимость всей установки печи превышает стоимость нагревательных элементов, поэтому в печах используются нихром марок 80, 70/30 или 35/20 .

Материалы для нагревателей

Свойства, упомянутые в предыдущей статье «Свойства нагревателей», сужают выбор до нескольких материалов. Наиболее распространенными материалами для нагревателей являются нихром, фехраль, дисилицид молибдена и карбид кремния. Эти материалы могут работать при высоких температурах из-за их устойчивости к высокотемпературному окислению. Другая группа состоит из графита, молибдена, вольфрама и тантала. Эти материалы окисляются при высоких температурах и используются только в вакууме или в печах, где атмосфера лишена кислорода.

Нихром. Никель-хромовый (Ni-Cr) сплав

Нихром является одним из наиболее широко используемых материалов для нагревательных элементов благодаря своей пластичности, высокому удельному сопротивлению и стойкости к окислению даже при высоких температурах. Наиболее распространенный состав никель-хромовых сплавов - 80/20 или 80% никеля, 20% хрома. Другие составы доступны в зависимости от производителя. Из-за своей высокой пластичности он обычно втягивается в проволоку при использовании в качестве нагревательного элемента. Обычное применение, которое демонстрирует это свойство, - это резаки для пенопласта с термоэлектрической проволокой. Максимальные температуры нагрева, достигаемые с помощью никель-хромовой проволоки, составляют от 1100 до 1200 ° C.

Фехраль. Сплав железо-хром-алюминий (Fe-Cr-Al)

Этот тип широко известен под торговой маркой Kanthal. Ферритные железо-хром-алюминиевые сплавы Kanthal обычно имеют химический состав от 20 до 24% хрома, 4-6% алюминия и остальное железо. Нагреватели железо-хром-алюминий используются из-за их гибкости и меньшей плотности по сравнению с Ni-Cr. Они также могут генерировать более высокие температуры, чем нихромовая проволока, которая составляет от 1300 до 1400 ° C. Поскольку в качестве основного металла используется железо, этот сплав имеет меньшую цену, чем Ni-Cr, который состоит в основном из никеля. Обратной стороной использования сплавов фехраля является снижение прочности нагревателей при более высоких температурах.

Сплавы железо-хром-алюминий можно улучшить с помощью процесса, известного как порошковая металлургия. В этом процессе слиток сплава превращается в порошок и прессуется в матрицу. Затем его спекают или подвергают горячему прессованию (горячее изостатическое прессование) в атмосфере с регулируемой температурой для создания металлургической связи без полного плавления металлического порошка. Дисперсоиды добавляются в смесь сплава для усиления механических свойств материала с целью придания дополнительной прочности и ударной вязкости при более высоких температурах.

Дисилицид молибдена (MoSi2)

Дисилицид молибдена представляет собой тугоплавкий кермет (металлокерамический композит), который в основном используется в качестве материала нагревательного элемента. Это предпочтительный материал для высокотемпературных печей из-за его высокой температуры плавления и хорошей коррозионной стойкости. Нагревательные элементы из дисилицида молибдена производятся с помощью различных энергоемких процессов, таких как механическое легирование, синтез сгорания, ударный синтез и горячее изостатическое прессование.

Нагреватели типа MoSi₂ могут достигать температуры нагрева до 1750 ° C. Недостатками использования силицида молибдена являются его низкая ударная вязкость в условиях окружающей среды и ползучесть при высоких температурах. Его хрупкость при комнатной температуре требует очень осторожного обращения. Повышенная вязкость достигается при температуре перехода от хрупкого к пластичному состоянию около 1000 ° C. С другой стороны, более высокая скорость ползучести вызывает легкую деформацию нагревательного элемента при высоких температурах. Наиболее распространенным типом элемента MoSi2 является конструкция U-образного стержня с двумя стойками, которая обычно подвешивается через свод печи и располагается вокруг стенок печи. Доступны другие формы, часто в сочетании с керамическими изоляторами, которые обеспечивают как механическую поддержку, так и теплоизоляцию в виде единого пакета.

Карбид кремния (SiC)

Карбид кремния обладает множеством свойств, которые делают его пригодным для изготовления нагревательных элементов для очень высоких рабочих температур. Эта керамика не имеет жидкой фазы. Это означает, что элементы не будут провисать или деформироваться из-за ползучести при любой температуре, а внутри печи не требуются опоры. Кроме того, КЭН химически инертен по отношению к большинству технологических жидкостей, имеет высокую жесткость и низкий коэффициент теплового расширения. Нагреватели из карбида кремния могут достигать температуры нагрева от 1400 до 1500 ° C.

Графитовый нагреватель

Графит - это минерал, состоящий из углерода, в котором атомы расположены в гексагональной структуре. Этот минерал, также его синтетическая форма, является хорошим проводником тепла и электричества. Графит может выделять тепло при температурах выше 2000 ° C. При высоких температурах его электрическое сопротивление значительно увеличивается. Более того, он выдерживает термические удары и не становится хрупким даже после быстрых циклов нагрева и охлаждения. Основным недостатком использования графита является его склонность к окислению при температуре около 500 ° C. Продолжение использования в этом диапазоне в конечном итоге приводит к расходу материала. Графитовые нагревательные элементы обычно используются в вакуумных печах, где кислород и другие газы удаляются из камеры нагрева. Отсутствие кислорода предотвращает не только окисление расплавленных металлов, но и самого нагревательного элемента.

Молибден, вольфрам и тантал

Это тугоплавкие металлы со свойствами, аналогичными графиту при использовании в качестве нагревательных элементов. Среди этих металлов вольфрам имеет самую высокую рабочую температуру, но при этом он более дорогой. С точки зрения жизнеспособности молибден более популярен, поскольку он наименее дорог, но все же дороже графита. Как и графит, их можно использовать только в условиях вакуума, поскольку они обладают сильным сродством связывания с кислородом и даже с водородом и азотом. Они начинают окисляться при температуре от 300 до 500 ° C.

Материалы с положительным термическим коэффициентом (PTC)

Типичным материалом PTC является резина, но также может быть и керамика. Каучук PTC изготовлен из полидиметилсилоксана (PDMS) с наночастицами углерода. Нагреватели PTC обладают уникальным свойством, в котором нагреватель поддерживает или ограничивает ток, увеличивая электрическое сопротивление при повышении температуры. Это делает материал безопасным и пригодным для использования в одежде. Первоначально нагреватель потребляет полную мощность и нагревается из-за своего удельного сопротивления. Сопротивление материала увеличивается с ростом тепла и затем действует как изолятор. Это достигается без необходимости в каком-либо цикле обратной связи.

Читайте также: