Нагрівальні елементи мають найвищу температуру в печі і, як правило, перед-визначають працездатність установки в цілому.
До цих матеріалів ставляться такі требо-вання:
1. Достатня жаростійкість (окалиностойкость).
2. Достатня жароміцність - механічна ін-ність при високих температурах, необхідна для того, щоб нагрівачі могли підтримувати самі себе.
3. Велике питомий електричний опір. Чим менше питомий електричний опір, тим більше довжина нагрівача і менше його поперечний переріз. Се-чення нагрівача має бути досить великим для забезпечення необхідного терміну служби. Довгий нагре-ватель не завжди можливо розмістити в печі. Таким об-разом, бажано, щоб матеріали нагрівальних елементів мали високе значення питомої електричні-ського опору.
4. Малий температурний коефіцієнт опору. Дана вимога має виконуватися для того, щоб потужність, що виділяється нагрівальними елементами в гарячому і холод-ном станах, була однаковою або відрізнялася незначи-кові. Якщо температурний коефіцієнт опору великий, для включення печі в холодному стані прихо-диться використовувати трансформатори, що дають в початковий момент знижена напруга.
5. Постійність електричних властивостей. Деякі ма-теріали, наприклад карборунд, з плином часу ста-майорять, т. Е. Збільшують електричний опір, що ускладнює умови їх експлуатації. Потрібні трансфор-матора з великою кількістю ступенів і діапазоном напруг.
6. Оброблюваність. Металеві матеріали долж-ни володіти пластичністю і зварюваністю, щоб з них можна було виготовити дріт, стрічку, а з послід-них - складні по конфігурації нагрівальні еле-менти. Неметалеві нагрівачі пресуються або фор-муются, з тим щоб нагрівач був гото-ше виріб.
Основними матеріалами для нагрівальних елементів-тов є сплави на основі заліза, нікелю, хрому та алюмінію.
Це, в першу чергу, - хромонікелеві, а також железохромоалюмініевие сплави. Властивості і характеристики цих сплавів представлені в [22].
Подвійні сплави складаються з нікелю і хрому (хромонем-келевие сплави), потрійні - з нікелю, хрому та заліза (железохромонікелевие сплави). Потрійні сплави - даль-нейшее розвиток хромонікелевих сталей, так як Х23Н18, Х15Н60-Н застосовуються приблизно до 1000 ° С.
Подвійні сплави - це, наприклад, Х20Н80-Н. Вони про-роззують на поверхні захисну плівку з окису хрому. Температура плавлення цієї плівки вище, ніж самого сплаву; плівка не розтріскується при нагріванні і охоло-ження. Ці сплави мають хороші механічні властивості як при низьких, так і при високих температурах, вони кріпоустойчіви, пластичні, добре обробляються, сва-риваются.
Хромонікелеві сплави мають задовільні електротехнічні властивості, не старіють, немагнітні. Основний їх недолік - висока вартість і дефіцит-ність, в першу чергу нікелю. Тому були створені железохромоалюмініевие сплави, що містять залізо, хром і до 5% алюмінію. Ці сплави можуть бути більш жаростійкими, ніж хромонікелеєві, т. Е. Можуть працювати до 1400 ° С (наприклад, сплав Х23Ю5Т). Однак ці сплави досить крихкі і неміцні, особливо після перебуван-ня при температурі більшій 1000 ° С. Тому після роботи нагрівача в печі його не можна вийняти і отремон-тировать. Дані сплави магнітні, можуть іржавіти у вологому атмосфері при нормальній температурі. Вони мають низький опір повзучості, що має бути враховано при конструюванні з них нагрівачів. Недо-статки цих сплавів є також їх взаємодію з шамотної футеровкою і оксидами заліза. У місцях зі-дотику цих сплавів з футеровкою при температурі експлуатації вище 1000 ° С футерування повинна бути ви-повнісінько з високоглиноземисті цегли або покрита 'спеціальної високоглиноземисті обмазкой. Під час експлуатації ці нагрівачі істотно подовжуються, що також має бути враховано при конструюванні, т. Е. Необхідно передбачати можливість їх подовження.
Представниками цих сплавів є Х15Ю5 (тим-пература застосування - близько 800 ° С); Х23Ю5 (1200 ° С); Х27Ю5Т (1300 ° С) і Х23Ю5Т (1400 ° С).
Останнім часом розроблені сплави типу Х15Н60Ю3 і Х27Н70ЮЗ, т. Е. З додаванням 3% алюмінію, що зна-ве поліпшило жаростійкість сплаву, а наявність ні-Келя практично виключило наявні у железохромо-алюмінієвих сплавів недоліки.
Сплави Х15Н60ЮЗ, Х27Н60ЮЗ не взаємодіють з шамотом і оксидами заліза, досить добре обро-ються, механічно міцні, нехрупкій.
У високотемпературних печах використовуються неметалеві нагрівачі: карборундові і з дисилицида молібдену.
Для печей із захисною атмосферою і вакуумних ис-користуються вугільні і графітові нагрівачі. Нагріву-ки в цьому випадку виконуються у вигляді стрижнів, труб і пластин.
У високотемпературних вакуумних печах і печах з за-захисної атмосферою застосовуються нагрівачі з моліб-дена і вольфраму. Нагрівачі з молібдену в вакуумі можуть працювати до 1700 ° С, а в захисній атмосфері - до 2200 ° С. Температура застосування в вакуумі нижче, що пояснюється випаровуванням молібдену. Нагрівачі з вольф-рама можуть працювати до 3000 ° С.
В окремих випадках застосовуються нагрівачі з ніобію і танталу.
Нагрівальні елементи більшості промислових печей виконуються або з стрічки, або з дроту (рис. 3.4 - 3.7). Зазвичай для виготовлення нагрівачів промислових печей застосовується дріт діаметром від до мм. Однак для печей з робочою температурою С і вище слід брати дріт діаметром менше мм. Співвідношення між кроком спіралі і її діаметром і діаметром дроту вибирають таким чином, щоб полегшити розміщення нагрівачів в печі, забезпечити достатню їх жорсткість і в той же час не утруднити надто тепловіддачу від них до виробів.
Мал. 3.4. Ескізи дротяних і стрічкових нагрівачів з позначенням основних геометричних розмірів: а - дротяний зигзагоподібний; б - те ж стрічковий; в - спіральний
Для більш тонких дротів відношення діаметрів спіралі і дроту, а також крок спіралі зазвичай беруться більше. Значно поширені спіральні нагрівачі на керамічних трубках. Такі нагрівачі з точки зору випромінювання і розміщення потужності на стінках печі практично майже еквівалентні вільно випромінюють спіралям і, навпаки, вони істотно ефективніше, ніж спіралі в пазах і поличках. Конструкція дротяних спіральних нагрівачів на керамічних трубках є універсальною і з точки зору застосування матеріалів, і по розташуванню нагрівачів в камері печі. Ставлення внутрішнього діаметра спіралі до зовнішньому діаметру трубки у таких нагрівачів може бути прийнято рівним приблизно. відстань між осями трубок діаметра спіралі. Зазвичай для виготовлення нагрівачів промислових печей застосовується дріт діаметром від до мм. Однак для печей з робочою температурою С і вище слід брати дріт діаметром менше мм.
Співвідношення між кроком спіралі і її діаметром і діаметром дроту вибирають таким чином, щоб полегшити розміщення нагрівачів в печі, забезпечити достатню їх жорсткість і в той же час не утруднити надто тепловіддачу від них до виробів. Чим більше діаметр спіралі і чим густіше її крок, тим легше розмістити в печі нагрівачі, але зі збільшенням діаметра зменшується міцність спіралі, збільшується схильність її витоків лягти один на одного. З іншого боку, зі збільшенням густоти намотування збільшується екранує, зверненої до виробів частини її витоків на інші і, отже, погіршується використання її поверхні.
Мал. 3.5. Конструкції стрічкових нагрівачів: а - стрічкові зиґзаґоподібні нагрівачі на боковій стінці на металевих гачках; б - стрічковий зигзагоподібний нагрівач в поду; в - те ж в зведенні; г - то ж на керамічних поличках; д - виймальної високотемпературний рамковий елемент; е - низькотемпературний рамковий елемент; ж - нагрівач «плоска хвиля» на керамічних трубках; з - стрічковий зигзагоподібний нагрівач на виймальних гачках; і - умовне позначення розмірів стрічкового зиґзаґоподібного нагрівача
Для більш тонких дротів відношення діаметрів спіралі і дроту, а також крок спіралі зазвичай беруться більше. Значно поширені спіральні нагрівачі на керамічних трубках. Такі нагрівачі з точки зору випромінювання і розміщення потужності на стінках печі практично майже еквівалентні вільно випромінюють спіралям і, навпаки, вони істотно ефективніше, ніж спіралі в пазах і поличках.
Мал. 3.6. Конструкції дротяних спіральних нагрівачів на керамічних трубках: а - склепінні нагрівачі; б - трубки на бічних стінках, кріплення на жаротривких підвісках; в - те ж в пазах керамічних стовпчиків; г - трубки в поду
Мал. 3.7. Дротові нагрівачі: а - дротяний зигзагоподібний нагрівач на боковій стінці на металевих гачках; б - дротяний зигзагоподібний нагрівач в поду; в - те ж в зведенні; г - то ж на керамічних поличках; д - дротова спіраль на виступаючих цеглинах бічної стіни з прив'язкою до гачків; е - дротова спіраль в сводових каменях і в пазах пода; ж - дротова спіраль на керамічних поличках; з - дротова спіраль на керамічній трубці; і - висновок дротяного нагрівача; до - умовне позначення розмірів дротяного нагрівача
Конструкція дротяних спіральних нагрівачів на керамічних трубках є універсальною і з точки зору застосування матеріалів, і по розташуванню нагрівачів в камері печі. Ставлення внутрішнього діаметра спіралі до зовнішньому діаметру трубки у таких нагрівачів може бути прийнято рівним приблизно. відстань між осями трубок діаметра спіралі.
Стрічкові нагрівачі виконуються у вигляді зигзагів різних розмірів і кріпляться на металевих (з жаротривкої стали або ніхрому) або керамічних гачках. Чим густіше стрічкові зиґзаґоподібні нагрівачі, тим довший нагрівач можна розмістити в печі, але тим більше взаімоекранірованіе витків, тим гірше використовується поверхню стрічки. Тому встановилися прийняті розміри стрічкових зиґзаґоподібних нагрівачів, що забезпечують достатню їх міцність і мале взаімоекранірованіе. Найбільш уживане відношення ширини стрічки до її товщині дорівнює 10.
Для температур на нагрівачі до С в промислових печах застосовують стрічку розміром не менше 1 х 10 мм, при більш високих температурах - не менше 2 х 20 мм.
В ЕРС з номінальною температурою 1350 ° С застосовуються карборундові нагрівачі (SiC) (рис. 3.8), а в ЕРС з номінальною температурою 1700 ° С - нагрівачі, виготовлені з дисилицида молібдену (MoSi2) (рис. 3.9) і хромит лантану (рис. 3.10).
Мал. 3.8 Ескізи карборундових нагрівачів: а - цілісний нагрівач; б - складовою нагрівач
Мал. 3.9. Ескізи нагрівачів з дисилицида молібдену а - з прямими виводами; б - з висновками, відігнутими під кутом 90º