7.2 Матеріали для нагрівальних печей опору.

1. Вимоги, що пред'являються до матеріалів нагрівальних елементів.

2. Види матеріалів для нагрівальних елементів.

1. До сплавів для електронагрівальних елементів пред'являються такі вимоги:

• високий коефіцієнт питомого електричного опору;

• малий температурний коефіцієнт питомого електричного опору ;

• тривала робота на повітрі при високих температурах (іноді до 1000^оС і навіть вище);

• технологічність;

• невисока вартість;

• доступність компонентів.

До нагрівостійких сплавів відносять сплави на основі заліза, нікелю, хрому і алюмінію. Висока нагрівостійкість цих сплавів досягається завдяки введенню в їх склад достатньо великої кількості металів, які утворюють при нагріванні на повітрі суцільну оксидну плівку.

2. Ніхроми є тверді розчини нікель-хром (Ni-Cr) або потрійні сплави никель-хром-залізо (Ni-Cr-Fе).

Залізо вводиться до сплаву для забезпечення кращої оброблюваності і зниження вартості, але на відміну від нікелю і хрому залізо легко окислюється, що приводить до зниження нагрівостійкості сплаву; вміст хрому додає високу тугоплавкість оксидам. Близькість значень температурних коефіцієнтів лінійного розширення ТКl цих сплавів і їх оксидних плівок підвищує стійкість хромонікелевих сплавів при високій температурі повітря. Розтріскування оксидних плівок відбувається при різких змінах температури. В результаті кисень повітря проникає у тріщини, що утворилися, і продовжує процес окислення. Тому при багатократному короткочасному включенні електронагрівального елемента з ніхрому він перегорає значно швидше, ніж у разі безперервної роботи при тій же температурі.

Для збільшення терміну служби трубчастих нагрівальних елементів ніхромовий дріт поміщають у трубки із стійкого до окислення металу і заповнюють їх діелектричним порошком з високою теплопровідністю (магнезії Mg). Такі нагрівальні елементи застосовують, наприклад, в електричних кип'ятильниках, які можуть працювати тривалий час.

Ніхромовий дріт застосовується для виготовлення дротяних резисторів, потенціометрів, паяльників, електропечей і нічних резисторів інтегральних схем.

Плавка ніхромових сплавів здійснюється у високочастотних вакуумних печах. Отримані після плавки відливання обтискаються до 12 мм, а потім на волочильних верстатах виготовляють дріт діаметром до 0,12 мм.

Ніхроми містять велику кількість дорогого дефіцитного нікелю.

Хромоалюмінієві сплави фехраль і хромалъ набагато дешевше ніхромів, оскільки хром і алюміній порівняно дешевші і менш дефіцитні. Проте вони менш технологічні, більш тверді і крихкі. З них одержують дріт більшого діаметра і стрічки з великим поперечним перетином, тому їх використовують в електронагрівальних пристроях більшої потужності і промислових електричних печах.

3 . Нагрівальні елементи (нагрівачі). Для електропечей опору нагрівачі виготовляються з жароміцних матеріалів, стійких до окислювання киснем повітря при високих температурах, з високим питомим електроопором і малим температурним коефіцієнтом електроопору. Вони не повинні мати помітне старіння, тобто зміну електричних властивостей у часі.

Н

1 – керамічна втулка; 2 – керамічна трубка; 3 – паз футерівки

Рисунок 2.5 – Дротові та стрічкові нагрівачі

айбільше поширення одержали дротові та стрічкові нагрівачі із хромонікелевих і хромоалюмінієвих сплавів, які виготовлені у вигляді секцій. Дротяні нагрівачі виконують зиґзаґоподібними (рис. 7.1, а) і спіральними (рис. 7.1, в – д), стрічкові – зиґзаґоподібними (рис. 7.1, б). Дротяні зиґзаґоподібні нагрівачі навішують на стінках і склепінні печі на жароміцних гачках, подові нагрівачі укладають вільно на фасонні цегли. Спіральні нагрівачі в низькотемпературних печах підвішують на фасонних керамічних втулках 1 (рис. 7.1, в), на керамічних трубках 2 (рис. 7.1, г) або на поличках футеровки. В середньотемпературних печах спіральні нагрівачі укладають також у пазах 3 футеровки (рис. 7.1, д). Стрічкові нагрівачі (виготовлені зі стрічки або литі) кріплять на стінках і склепінні на спеціальних керамічних гачках; на поді їх укладають на керамічних опорах.

1 – металева трубка; 2 – ніхромова спіраль; 3 – ізоляційний шар;

4 – вивідний ізолятор; 5 – вивідні кінці

Рисунок 7.2 – Трубчастий електронагрівач (ТЕН)

Звичайно застосовують такі сплави для дротяних і стрічкових нагрівачів: залізохромоалюмінієві Х13Ю4 – для низькотемпературних печей, ОХ23Ю5А та ОХ27Ю5А – для печей з температурами до 1000°С; залізохромонікелеві (ніхроми): Х23Н18, Х25Н20 – для печей з температурами до 1050°С, Х15Н60 і Х15Н80Т – для печей з температурами до 1150°С. У таблиці 7.1 наведені рекомендовані температури нагрівачів із цих сплавів. В зоні, обмеженій рекомендованими температурами, термін служби нагрівачів становить не менше 10 000 год. Під безперервним режимом у таблиці 2.1 мається на увазі цілодобова безперервна робота (методичні печі), під переривчастим режимом – робота із вмиканням і вимиканням печі кілька разів на добу з істотним остиганням її у відключеному стані.

Таблиця 7.1 – Рекомендовані температури нагрівачів

Матеріал нагрівача	Рекомендована температура, °С, для режиму
	безперервного	переривчастого
Х20Н80 та Х20Н80Т	1050	1060
Х15Н60	950	900
Х25Н20, Х23Н18	850	800
Х13Ю4	750	650
ОХ23Ю5А	1050	1000
ОХ27Ю5А	1150	1100
Карборунд	1350	1300
Дисиліцид молібдену	1550	1500

Примітка – Для металевих нагрівачів дані стосуються нагрівачів з діаметром дроту d = 4 мм або товщиною стрічки а = 2 мм при d = 7...10 мм та а = 3 мм величини температур можуть бути збільшені на 50° С.

У печах з електрокалориферами та соляних ваннах (при температурах до 600 °С) часто застосовують трубчасті електронагрівачі (ТЕН). Нагрівач (рис. 7.2) складається з металевої трубки 1, по осі якої розташована ніхромова спіраль 2, яка приварена до вивідних кінців 5 нагрівача. Трубка заповнена кристалічним оксидом магнію (периклазом) 3. У кінцях трубки закріплені вивідні ізолятори 4. Трубка легко згинається, тому ТЕН випускаються різної форми (у тому числі ребристими – для електрокалориферів).

Для печей з робочими температурами вище 1100 … 1150°C застосовують неметалеві нагрівачі у вигляді стрижнів: карборундові, основу яких складає карбід кремнію (до 1300…1400°С), та з дисиліциду молібдену (до 1400 … 1500°С). Рекомендовані температури таких нагрівачів наведені у таблиці 2.1. Застосовуються також графітові та вугільні нагрівачі (до 2000 … 2500°С). Найпоширеніші у високотемпературних печах нагрівачі з молібдену (до 2000°C у захисному середовищі) та вольфраму (до 2500 °C у захисному середовищі).

Е лектрична потужність, споживана нагрівачами, становить для невеликих потужностей одиниці кіловатів, а для великих печей може сягати тисячі кіловатів і більше. Наприклад, встановлені (номінальні) потужності деяких видів печей опору: від 8 до 160 кВт – камерні печі загального призначення; від 25 до 160 кВт – шахтні печі; від 20 до 1000 кВт – камерні печі для сушіння електротехнічних виробів; від 10 до 150 кВт – барабанні печі; від 90 до 270 кВт – штовхальні печі (від 750 до 1100 кВт – з камерами охолодження); від 6 до 800 кВт – конвеєрні печі (до 1400 кВт – з камерами охолодження).

Контрольні питання.

1. Які матеріали відносять до теплоізоляційних? Які властивості вони повинні мати?

2. Назвіть основні параметри, що характеризують роботу теплоізоляційних матеріалів.

3. За якими ознаками прийнято класифікувати теплоізоляційні матеріали?

4. Приведіть галузі застосування основних видів теплоізоляційних матеріалів.

5. Які матеріали називають жароміцними матеріалами?

6. Приведіть основні властивості жароміцних матеріалів і способи їх покращення.

7. Які матеріали називають жаростійкими?

8. Приведіть основні властивості жаростійких матеріалів і способи їх покращення.

9. Яким вимогам повинні відповідати матеріали для нагрівальних печей опору?

10. Назвіть основні матеріали для нагрівальних печей опору і які властивості вони мають.