Материалы для нагревательных элементов электропечей сопротивления

Нагревательные элементы электрических печей сопротивления рабо­тают в очень тяжелых условиях и поэтому они прежде всего должны быть жаростойкими с тем, чтобы не окисляться при высокой темпера­туре, и достаточно жаропрочными с тем, чтобы не деформироваться при высокой температуре под действием, по крайней мере, собственно­го веса.

Нагреватели не должны расти со временем, так как это приводит к необходимости предусматривать конструктивные меры для предотвра­щения их удлинения. Из металлических материалов для нагревателей обычно изготовляют ленту и проволоку различных сечений, навивают спирали и т. д. Отсюда следует, что материалы для нагревателей долж­ны быть механически обрабатываемыми к хорошо соединяться посред­ством сварки.

Определенным требованиям должны отвечать и электрические свой­ства материалов для нагревательных элементов: они должны обладать большим электрическим сопротивлением, чтобы обеспечить небольшие размеры нагревателей и их удобное размещение в печи; малым темпе­ратурным коэффициентом увеличения электрического сопротивления. Поэтому большинство материалов для нагревателей представляет собой сплавы, так как их электрическое сопротивление увеличивается с ростом температуры гораздо меньше, чем сопротивление чистых металлов.

Металлические материалы

Основными металлическими материалами для нагревательных эле­ментов, специально разработанными для этой цели и поэтому в макси­мальной степени удовлетворяющими предъявляемым к ним требовани­ям, являются хромоникелевые сплавы, известные под названием двой­ные и тройные нихромы. В состав двойных сплавов входят в основном никель и хром, содержание железа в них очень мало (до 3 %).

Добавление железа в сплав несколько улучшает его обрабатывае­мость и существенно снижает стоимость, но повышает температурный коэффициент увеличения электрического сопротивления и значительно снижает жаростойкость. Двойные сплавы могут работать при темпера­турах до 1150—1200°С, тройные до 1000 °С. Нихром обладает хороши­ми механическими свойствами и довольно легко обрабатывается. Элек­трические свойства нихрома вполне удовлетворительные: его удельное сопротивление велико, температурный коэффициент увеличения электри­ческого сопротивления мал, ему не присущи явления старения и роста. Так,, электрическое сопротивление различных нихромов возрастает на 3—10 % при нагреве до максимальной рабочей температуры.

Железохромоалюминиевые сплавы, не содержащие дорогого и дефи­цитного никеля, обладают достаточно высокой жаропрочностью и их удельное сопротивление почти не зависит от температуры. Сплав Х23Ю5 имеет максимальную рабочую температуру 1200 °С, а сплав Х27Ю5Т 1300 °С. Но железохромоалюминиевые сплавы очень непрочны и хрупки, особенно после нескольких нагревов, а в процессе службы они удлиняются (иногда на 30—40 %) и деформируются. При температурах свыше 1100 °С эти сплавы чувствительны к оксидам железа и кремнезему, разрушающим защитную пленку из оксидов алюминия и хрома. Поэтому футеровка печей в местах соприкосновения с нагревателями из этих материалов должна быть выполнена из чистых высокоглиноземистых материалов.

Хромоникелевые и железохромоалюминиевые сплавы для изготовле­ния нагревательных элементов выпускают в виде холоднотянутой и горячекатаной проволоки диаметром 0, 5—14 мм, а также в виде ленты с размерами поперечного сечения от 1´ 10 до 4´ 40 мм.

Металлические нагревательные элементы для высокотемпературных Промышленных печей выполняют из чистого молибдена (до 1700 °С) и вольфрама (до 2500°С). Эти материалы могут работать только в ва­кууме или в аргоне и водороде. Нагревательные элементы из молиб­дена допускают контакт только с чистыми высокоглиноземистыми огне­упорами, а элементы из вольфрама используются исключительно в ва­куумных печах с экранной теплоизоляцией.

Молибден и вольфрам для электронагревателей выпускают в виде проволоки, листов и сетки. Электрическое сопротивление вольфрама и молибдена возрастает почти в 10 раз при нагреве до максимальной ра­бочей температуры. Основной трудностью в связи с применением этих металлов является их плохая обрабатываемость и свариваемость.

Неметаллические материалы

К неметаллическим нагревателям относят карборундовые стержня и трубки диаметром б—30 мм, известные под названием силит и глобар. Они отличаются друг от друга конструктивным исполнением и тех­нологией изготовления. Карборундовые нагреватели выдерживают тем­пературу до 1500 °С в окислительной среде.

Силитовые и глобаровые стержни в нагретом состоянии очень хруп­ки и малопрочны. Они чувствительны к быстрому нагреву, с изменени­ем температуры заметно уменьшают удельное сопротивление (практи­чески в два раза при нагреве до 1400°С). Эти нагреватели стареют в процессе работы, причем их сопротивление при этом увеличивается на 20—25%. Поэтому печи с карборундовыми нагревателями должны обязательно снабжаться ступенчатыми трансформаторами, позволяю­щими регулировать подводимое к ним напряжение. Срок службы кар­борундовых нагревателей составляет 1000—1200 ч при 1400°С и воз­растает в 2—3 раза при снижении рабочей температуры до 1300—1350 °С.

Неметаллическим материалом для нагревателей является также ди-силицид молибдена МоБіг, нагреватели из которого могут работать до 1680 °С в окислительной среде или атмосфере углекислого газа. При­менять эти нагреватели для работы в вакууме или атмосфере водорода не рекомендуется. Нагревательные элементы из дисилицида молибдена выпускают в виде стержней и U-образных элементов с диаметром ра­бочей части 6 мм. Удельное электрическое сопротивление этих нагрева­телей также сильно зависит от температуры и возрастает примерно в 12 раз при нагреве до 1600 °С. Поэтому питание печей с такими нагре­вателями осуществляют только через ступенчатые трансформаторы, до­пускающие регулирование вторичного напряжения в очень широких пределах.

Графит широко применяется для изготовления нагревательных эле­ментов, особенно для работы в вакууме или аргоне. Из графита выпол­няют нагреватели в форме стержней диаметром 5, 20 и 40 мм, пластин и трубок. Этот материал сравнительно дешев, хорошо обрабатывается и.надежно и долго служит при температуре до 2100°С в вакууме. Его удельное сопротивление сравнительно мало изменяется с температурой, возрастая на 10—12 % при нагреве до 2100°С.