Нагревательные элементы, так же как и жароупорные материалы, работают в зоне высоких температур, но, кроме того, к ним предъявляются электропечестроением особые требования к электрическим свойствам. Вкратце требования к ним могут быть сформулированы следующим образом:
Жаростойкость, неокисляемость под действием кислорода воздуха в условиях высоких температур.
Достаточная жаропрочность – механическая прочность при высоких температурах. Материалы для нагревательных элементов не являются конструкционными материалами, поэтому их механическая прочность может быть сравнительно невелика; достаточно, чтобы изготовленные из них нагреватели были в состоянии поддерживать сами себя, давая при этом малые деформации.
Большое удельное электрическое сопротивление. Нагревательные элементы в печах сопротивления в большинстве случаев включаются непосредственно в питающую сеть без: промежуточного трансформатора, и поэтому при данной мощности нагревателя его сопротивление при рабочей температуре также должно быть вполне определенным. Чем меньше удельное электрическое сопротивление материала нагревателя, тем больше длина выполненного из него нагревателя и тем меньше должно быть его поперечное сечение.
Малый температурный коэффициент сопротивления. Чем больше этот коэффициент, тем больше разница в электрическом сопротивлении горячего и холодного нагревателя. Почти все материалы имеют положительный температурный коэффициент сопротивления, и с увеличением температуры их удельное сопротивление возрастает.
Постоянство электрических свойств. Некоторые материалы с течением времени в работе меняют свои электрические свойства, они стареют, их удельное сопротивление увеличивается, а следовательно, мощность печи, забираемая ею из сети, падает.
Постоянство размеров. Некоторые материалы подвержены ползучести и с течением времени сильно растут, т.е. выполненные из них нагреватели удлиняются.
Обрабатываемость. Металлические материалы для нагревателей должны давать возможность изготовить из них ленту и проволоку различных сечений, навивать из них спирали, сваривать нагреватели между собой и приваривать к ним выводы.
Неметаллические нагреватели желательно прессовать или формовать для придания им необходимой конфигурации. Все это накладывает известные требования на материалы для нагревателей.
Материалы для нагревательных элементов выполняются в виде лен ты, проволоки и стержней. Кроме того, нагреватели выполняются иногда литыми или штампованными.
Основными материалами для нагревательных элементов специально разработанными для этой цели и поэтому в максимальной степени удовлетворяющими вышеуказанным требованиям, являются сплавы никеля, хрома и железа, которые называются "нихромы". Эти сплавы можно подразделить на две основные труппы - двойные сплавы и тройные сплавы.
Первая-группа объединяет сплавы, состоящие, по существу, из никеля и хрома, содержание железа в них невелико (0,5-3,0%), чём и объясняется их название. Вторая группа охватывает собой сплавы, содержащие, помимо никеля и хрома, также и железо.
Безусловно, самым дешевым и доступным материалом была бы обыкновенная сталь. И, действительно, неоднократно пытались применять ее для изготовления нагревателей как для низкотемпературных, например сушильных, так и для высокотемпературных печей. Однако широкого и длительного применения сталь не нашла из-за несоответствия основным требованиям, предъявляемым к материалам для нагревателей. Основным недостатком стали является ее большой температурный коэффициент сопротивления, достигающий 10·10-3, вследствие чего при включении печи на нормальное напряжение наблюдается в первый же момент четырех - пятикратный толчок тока. Больший температурный коэффициент сопротивления стали приводит также к тому, что при перегреве какого-либо ее участка (например, в месте с затрудненной теплоотдачей) сопротивление его резко увеличивается, что вызывает еще больший перегрев его и в конечном счете перегорание.
Все это исключает применение стали для нагревателей в обычных условиях. Дефицитностью дороговизна нихрома заставили, работать над созданием каких-либо новых сплавов, обладающих удовлетворительными электрическими свойствами, достаточно жаростойкими и в то же время не содержащими дефицитного никеля. Такого рода сплавы были уже давно известны, это железохромоалюминиевые сплавы, однако они получались настолько хрупкими, что их невозможно было обработать, получить из них ленту и проволоку. Благодаря высокому содержанию хрома и алюминия они могут быть даже более жаростойкими по сравнению с нихромами и могут работать до 1300 и даже до 1350°С. Эти сплавы все же остаются чрезвычайно хрупкими и непрочными, особенно после нескольких нагревов в печи, так как при нагреве в них наблюдается очень сильный рост зерна. Поэтому уже работавшие в печи нагреватели переложить или сварить в случае поломки или перегорания нелегко.
Помимо своей хрупкости, железохромоалюминиевые сплавы менее прочны при высоких температурах по сравнению с нихромами, поэтому выполненные из них нагреватели приходится конструировать таким образом, чтобы они были максимально разгружены от всякого рода механических напряжений, в том числе и от собственного веса. Большим недостатком этих сплавов является их чувствительность при высоких температурах к окислам железа и кремнезему, которые разрушают образующуюся на них защитную пленку из окислов алюминия и хрома. Футеровка печей в местах соприкосновения с нагревателями должна быть выполнена из чистых высокоглиноземистых материалов.
Другими недостатками железохромоалюминиевых сплавов является их значительный рост в эксплуатации, увеличение длины нагревателя, которое может достигать 30 - 40%. Поэтому при конструировании нагревателей из этих сплавов необходимо предусматривать возможность их свободного удлинения, с одной стороны, и надежного крепления, отдельных витков или зигзагов, во избежание их замыкания при короблении – с другой.
Старение, т.е. увеличение электрического сопротивления в эксплуатации у железохромоалюминиевых сплавов умеренное (15-25%). Свариваются они удовлетворительно как при помощи дуговой сварки (на постоянном токе), так и автогенном. В отличие от хромоникелевых сталей они магнитны.
Из неметаллических нагревателей наибольшее распространение получили силит и глобар.
Силитовые и глобаровые нагреватели представляют собой карборундовые стержни, отличающиеся друг от друга как конструктивным исполнением, так и технологией изготовления. Карборунд хорошо выдерживает 1400 – 1450 °С и, следовательно, может обеспечить работу электрических печей до 1350-1400°С. Так как его удельное сопротивление изменяется в больших пределах и достигает у разных типов нагревателей 4·10-4 – 4· 10-3 Ом·м, то его применяют лишь в сравнительно больших сечениях, диаметром от 8 до 30мм и длиной активной части до 560мм.
Силитовые и глобаровые стержни в нагретом состоянии хрупкие и малопрочные и требуют осторожного обращения. Они чувствительны к быстрому нагреву, вследствие чего разогрев печи следует производить постепенно.
Конструктивно карборундовые нагреватели выполняются различно. Так, силитовые нагреватели выполняются в виде трубчатых нагревателей, на концы которых надеваются трубки большего диаметра (диаметр отверстия этих трубок должен соответствовать наружному диаметру нагревателя). Для скрепления трубок с нагревателями применяется специальная замазка, из карборундового порошка, нефтяного кокса и смолопека. Для получения достаточной прочности закрепления на нагревателе трубок их дополнительно обжигают.
Благодаря таким насадкам силитовые нагреватели имеют по краям 6 – 3-кратное сечение, вследствие чего их концы разогреваются не так сильно. Это дает возможность обойтись без водяного охлаждения контактов, концы оконцовочных трубок покрывают серебром или алюминием и на них густо, виток к витку, наматывают никелевую проволоку. Концы проволоки служат для подвода тока к нагревателям.
Глобаровые нагреватели выполняются в виде полых стержней равномерного сечения с металлизированными, закругленными концами. В глобаровых стержнях, таким образом, концы не имеют большего сечения и разогреваются так же, как и нецентральная часть стержня; поэтом эти стержни могут работать без водяного охлаждения подводящих ток контактов лишь до 1000 – 1100°С, для более же высокой температуры охлаждение водой обязательно.
В последнее время разработана новая конструкция глобаровых нагревательных стержней, не требующая водяного охлаждения контактов. Концы каждого стержня выполнены из материала меньшего удельною сопротивления и, кроме того, заострены. Каждый такой стержень зажимается между двумя также глобаровыми выводами, того же сечения с пониженным удельным сопротивлением и, кроме того, металлизированными концами.
Благодаря такому пониженному сопротивлению выводов, количество выделяющегося в них тепла невелико, тепло от самих стержней благодаря большому тепловому сопротивлению заостренного контакта также передается выводам лишь в незначительной степени. Поэтому выводы остаются в работе сравнительно холодными и не требуют водяного-охлаждения контактов.
В последнее время появились также карборундовые нагреватели выполненные в виде труб со спиральной прорезью.
Сопротивление карборундовых нагревателей варьирует для одного и того же типоразмера в 2-3 раза, поэтому на заводе-изготовителе подбирают партии нагревателей в 6 – 12 шт. примерно одного сопротивления. В холодном состоянии их сопротивление в 4-5 раз больше минимального. В эксплуатации сопротивление стержней увеличивается в несколько раз, обычно допускают четырехкратный рост и это приводит к необходимости иметь регулировочные трансформаторы с пределом регулирования от 0,3Uном до 2Uном. Карборундовые нагреватели крайне чувствительны к окружающей их атмосфере.
Все вышеуказанное, включая и хрупкость нагревателей, как в холодном, так и особенно в горячем состоянии, делает их весьма неудобными в эксплуатации и обусловливает их ограниченное применение. Основным недостатком нагревателей из дисилицида молибдена, является их малая механическая прочности в нагретом и холодном состоянии, малое удельное электрическое сопротивление и дороговизна.
Нагреватели из дисилицида молибдена были разработаны впервые в Швеции фирмой "Кантал". В настоящее время аналогичные нагреватели выпускаются нашей промышленностью под маркой ДМ. Фирме "Кантал" удалось существенно улучшить пластические свойства дисилицида молибдена и изготовить нагреватели диаметром до 0,4мм. Кроме того, они создали новый сплав, выдерживающий кратковременно температуру в 1800 °С.
Угольные и графитовые нагреватели выполняются в виде стержней, труб, тиглей и пластин. В большинстве случаев берется, возможно 6олее чистый материал (электродный уголь - электрографит), выдерживающий более высокую температуру, но иногда к графиту примешивается шамот (тигля) для повышения прочности изделия и в этом случае увеличивается его удельное сопротивление и уменьшается рабочая температура.
И уголь, и графит интенсивно окисляются при нагреве на воздухе, поэтому с ними можно работать либо в защитной атмосфере, либо в расчете на весьма краткий срок их службы. Удельное сопротивление угля слегка снижается при его нагреве, а затем остается почти без изменения. Удельное сопротивление графита является переменным, оно сначала падает с увеличением температуры, а затем начинает слегка расти.
В высокотемпературных печах за последние годы начали широко применяться жаростойкие металлы, такие как молибден, вольфрам, ниобий, тантал. Все эти материалы высокореактивные, они интенсивно окисляются в воздушной атмосфере, поэтому их можно применять лишь в высоковакуумных печах или печах с чистой, например водородной, защитной атмосферой.
Наибольшее распространение получили молибденовые нагреватели, выполняемые в виде проволоки, намотанной на огнеупорную керамическую трубку, либо в виде прутков или листов.
За последние годы печи с молибденовыми нагревателями получили широкое распространение, как в лабораторной практике, так и в промышленности.
Заключение
Как мы видим, электропечестроение включает в себя достаточно емкое производство, это и производство материалов способных обеспечить нормальную работу функционирование, а также саму составляющую этих материалов их физико-химические свойства, которые определяют пригодность их применения. Одни материалы неудобны, другие дороги, третьи же вовсе дефицитны. В данной работе подробным образом изложены основные понятия, а также дана более глубокая характеристика некоторым из применяемых в электропечестроении материалов.
Список использованной литературы
1. "Электрические промышленные печи", Свенчанский, 1981г.
2. "Электрические печи сопротивления и дуговые печи", Гутман, 1983г.