ПРОМЫШЛЕННЫЕ ЭЛЕКТРОПЕЧИ

  • Изготовление промышленного термического оборудования
  • Собственные проектные и производственные мощности
  • Современное оборудование и станки
СКАЧАТЬ ОПРОСНЫЙ ЛИСТ
НА ЭЛЕКТРОПЕЧИ

Выбор оптимального нагревателя

Цель статьи. Рассмотреть особенности, достоинства и недостатки металлических электронагревателей из сплавов с высоким омическим сопротивлением для промышленных электропечей. В статье рассматриваются варианты применения различных сплавов для металлических нагревателей: достоинство и недостатки, а также какая форма металлического нагревателя самая эффективная.

Данная статья поможет потенциальным заказчикам электропечей определить оптимальный сплав и форму нагревателей для решения своих термических задач. 

В данной статье не рассматриваются специфические и специальные нагреватели, в вариантах применения которых нет альтернатив. Например, закрытые электронагреватели (ТЭНы), карбидкремниевые нагреватели или иные нагреватели для решения узких задач. 

Выбор материала металлического нагревателя 

Одним из наиболее значимых элементов в электропечи являются непосредственно источники выделения тепла, это электрические нагреватели. Нагреватель является наиболее важным элементом печи, его надежность напрямую влияет на работоспособность конструкции в целом. Материалы электронагревателей должны обладать  высокой жаростойкостью, не менять характеристики со временем, иметь высокое удельное сопротивление. Лучше всего для изготовления нагревателей для печей с нагревом в диапазонах 400-1300°С подходят прецизионные сплавы: никель хромовые сплавы, железохромоалюминиевые сплавы, никельхромоалюминиевые сплавы. Все эти сплавы имеют высокое электрическое сопротивление. Химический состав механические свойства и остальную информацию о характеристиках сплавов сопротивления можно уточнить в «ГОСТ 10994-74 Сплавы прецизионные». 

Жаростойкость и жаропрочность 

Нагреватели из проволоки, прежде всего, должны иметь высокую жаростойкость (способность сплава не менять своих при высоких температурах), а также не менять свою геометрию.  В зависимости от рабочей температуры, в печах рекомендуется применять различные материалы. В случае рабочей температуры до 1000°С, можно применять любые сплавы. В случае нагрева на более высокие температуры, применяют, преимущественно, фехраль. На практике, как правило, чем выше допустимая температура применения сплава, тем дороже материал. 

Таблица 1. Рекомендуемые марки сплавов для применения на необходимые температуры
Наименование (марка) сплава Температура плавления, °С Макс. температура применения, °С Предел текучести, МПа
Нихром GS-40(Х20Н30СЮ-Н-ВИ) 1390 1000 250-350
Нихром Х20Н80-Н 1400 1080 650-760
Нихром Х27Н70ЮЗ 1400 1150 645-755
Фехраль, «Еврофехраль. GS-23-5» 1500 1280 510-610
Фехраль Х23Ю5Т 1500 1300 530-640
Фехраль «Суперфехраль GS-SY 1500 1300 470-572
Фехраль «Kanthal A1» 1500 1350 445
Фехраль «Kanthal APM» 1500 1400 455

Сопротивление нагревателя

Нагреватель должен обладать высоким электрическим сопротивлением. Чем выше значение сопротивления проводника, тем больше сплав может сопротивляться прохождению тока и, тем меньшей длины его необходимо что бы нагреться на одинаковую температуру. Чем больше сечение проводника тем больший ток способен проводить материал до достижения необходимого нагрева. На практике, материалы с очень высоким электрическим сопротивлением применяют двух типов: железохромоалюминиевые и никель-хромовые сплавы. Если в печи необходимо разместить максимально возможную мощность при остальных равных условиях, тогда выбирают фехраль. 

Таблица 2. Электрическое сопротивление в зависимости от марки сплава
Наименование (марка) сплава Эл. Сопротивление, Ом/мм2 при 20°С
Нихром GS-40(Х20Н30СЮ-Н-ВИ) 1,02-1,06
Нихром Х20Н80-Н 1,06-1,12
Нихром Х27Н70ЮЗ 1,06-1,12
Фехраль Х23Ю5Т 1,39-1,41
Фехраль Х23Ю5Т 1,39-1,41
Фехраль «Еврофехраль GS-23-5», «Суперфехраль GS-SY» 1,39-1,44
Фехраль «Kanthal A1, AF 1,41-1,45
Фехраль «Kanthal APM» 1,39-1,40

Технические характеристики  

Материалы должны иметь хорошую пластичность, свариваемость, так как из них изготавливаются: проволоки, ленты, сложной формы нагревательные элементы. В момент навивки спиралей или гибки зигзагов материал необходимо подогревать в диапазоне 400-600°С для минимизации поверхностных микротрещин. Сплавы сопротивления не значительно изменяют свои физические свойства. 

Марки сплавов рекомендуемые для изготовления нагревателей 

Таблица 3. Живучесть некоторых марок сплавов спиральных проволочных нагревателей. Шаг нагревателей составлял два диаметра.
Наименование и марка сплава Диаметр проволоки, мм Температура Срок службы, ч не менее
Х20Н80, Х20Н80-Н 6,0 и более 1200 4000
3,0-6,0 1150 2000
1,5-3,0 1100 2000
1,0-1,5 1000 800
Х15Н60, Х15Н60-Н 6,0 и более 1125 4000
3,0-6,0 1075 2000
1,5-3,0 1000 2000
1,0-1,5 1000 800
«Еврофехраль GS-23-5» «Суперфехраль GS-SY» 6,0 и более 1200 4000
3,0-6,0 1150 2000
1,5-3,0 1100 2000
1,0-1,5 1100 800
«Kanthal AF» «Kanthal A1», 6,0 и более 1300 3000
3,0-6,0 1200 3500
1,5-3,0 1150 2000
1,0-1,5 1100 1500

Все эти сплавы обладают теми характеристиками, о которых писалось выше. Например, высокая жаростойкость обеспечивается благодаря образовывавшейся пленке на поверхности из окиси хрома. 


Таблица 4. Достоинства и недостатки инихромов
Достоинства нихрома Недостатки нихрома
Высокие механические свойства при любых температурах имеет прекрасную свариваемость, не стареет, немагнитный, криптоустойчив   Дороже чем фехраль
Гибкий, пластичный и хорошо обрабатывается, позволяет многократно свариваться Рабочая температура ниже, чем у фехрали

Таблица 5 Достоинства и недостатки фехралей.
Достоинства фехрали Недостатки фехрали
Имеет более низкую цену чем нихром, так как нет в его составе дорогого никеля Сплав более хрупкий, особенно при температурах около 1000 °С и больше. Практически не деформируется в холодном состоянии.
Фехрали имеет лучшую жаростойкость чем нихромы Низкое сопротивление ползучести. При нагреве фехралевая проволока больше удлиняется. 
Большее удельное сопротивление позволяет увеличить сечение нагревателя относительно фехрали Сплав является магнитный, так как имеет в составе железо. Фехраль также ржавеет во влажной среде. Взаимодействует с некоторыми видами футеровок 

Существуют материалы сочетающие свойства нихромов и фехралей, например сплав Х27Н70ЮЗ и Х15Н60ЮЗ. Основой для этих сплавов являются нихром, жаростойкость которого повысили добавлением алюминия. Железохромоникелевые сплавы содержат 3% алюминия. Этот элемент повышает жаростойкость материала. Железохромоникелевые сплавы не хрупкие, прочны и превосходно обрабатываются. Рабочая температура может составлять 1200 °С. 

Нагреватели из тугоплавких металлов и материалов 

Нагреватели из тугоплавких металлов и неметаллов  Нагреватели на высокие температуры изготавливают из тугоплавких металлов, или из специфических материалов: уголь, дисилицид молибдена, графит, карборунд). Дисилицид молибдена и карборунд устанавливают на высокотемпературные печи. Графитовые и угольные нагреватели применяют в печах с защитной атмосферой. 

В качестве тугоплавких металлов применяют тантал, молибден, ниобий, вольфрам. Нагреватели из молибдена устанавливают в вакууме  до 1600°С или в защитной атмосфере до температуры 2200°С. Ограничения по молибдену связаны с испарением в вакууме при температуре 1700 °С и выше. Нагреватели из вольфрама способны работать при тем. до 3000 °С. Весьма редко для производства нагревателей используют ниобий и тантал.

Выбор нагревателя оптимальной формы 

Срок эксплуатации нагревателя зависит от факторов его окисления и угара, которые напрямую завися от его температуры. Чем выше удельная мощность тем быстрее поверхность нагревателя окислится и прогорит. При проектировании электропечей конструктивно задаются удельной мощностью в пределах 3-6 Вт на см2 поверхности нагревателя. 

Оптимальным, с точки зрения эксплуатационного расхода материала, являются следующие соотношения. 

Рекомендуемые соотношения диаметра (ширины) и шага нагревателя.


Таблица 6 Предпочтительные размеры нагревателя.
Форма нагревателя Эскиз нагревателя Рекомендуемый диапазон соотношений диаметра (сечения) и шага
Спираль проволока Нагреватель спраль t/d=1,4÷2,6
Зигзаг проволока Нагреватель зигзаг e/d=2,5÷4,5
Зигзаг лента Нагреватель зигзаг из ленты t/B=3,2÷4,8 e/B=1,4÷2,6

Если предположить что некий идеальный нагреватель имеет форму в виде двух сплошных бесконечных прямых, тепловые потери которого равны нулю, теплоизоляция на него не влияет, то его допустимую мощность можно выразить как Wид. Нагреватель, установленный в печи, будет иметь ряд ограничений и отличаться от идеального (Wид) на величину поправочных (ограничивающих) коэффициентов, которые напрямую влияют на его жизнестойкость и зависят от формы и размещения. 

W= Wид*αэф*αг*αс*αр          (1)

Для определения наиболее приближенной формы и варианта размещения (крепления) нагревателя рассчитаем различные показатели.

      Где: W – реальный нагреватель,
      Wид: – идеальный нагреватель. (на который не влияют ограничения конструкции печи).
      αэф- коэффициент эффективности излучения нагревателя (способность излучать, направлять тепло).
      αс – коэффициент, учитывающий величину приведенного излучения нагреваемого изделия.
      αр – коэффициент учитывающий влияние размеров садки. В нашем сравнении αс и αр одинаковые для обоих нагревателей, поэтому из расчетов их исключаем.
      αэф- коэффициент эффективности излучения нагревателя (способность излучать, направлять тепло).
Таблица 7. Коэффициент излучения нагревателя αэф.
Форма нагревателя αэф Минимальные относительные межвитковые расстояния (t/d, e/d,)
Проволочный зигзаг 0,68 2,75
Ленточный зигзаг 0,4 0,9
Проволочная спираль висит на керамической трубке 0,32 2,0

Графики значения коэффициента шага нагревателя αг для различных вариантов нагревателей.


Коэффициент зависящий от межвиткового расстояния

Коэффициент αг определим для минимально допустимого межвиткового расстояния (рекомендуемого в табл. 7) по соответствующему графику.

Таблица 8 Значение коэффициента αг для минимально рекомендуемого соотношения
Форма нагревателя и вариант крепления Значение коэффициента αг
Спираль на керамической трубке, при отношении шага к диаметру: t/d= 2,0 1,05
Проволочный зигзагобразный нагреватель на крючке при отношении шага к диаметру: e/d= 2,75 1,0
Ленточный зигзагобразный нагреватель на крючке при отношении шага к ширине ленты: e/в= 0,9 0,95

Вариант проволочной спирали на полочке не рассматриваем из за самого низкого коэффициента излучения и соответственно редко применяемой схемы размещения нагревателя.

Если в качестве примера возьмем за образец допустимую удельную мощность идеального нагревателя с величиной, Wид=10Вт/см2. По формуле (1) рассчитаем допустимую удельную мощность различных схем нагревателей. 

Таблица 9 Расчет допустимой удельной мощности
Вариант нагревателя и его тип Значение допустимой удельной мощности W, Вт/См2
Нагреватель из проволоки в виде спирали на керамической трубке W= 10*0,32*1,05=3,36
Нагреватель из проволоки в виде проволочного зигзага W= 10*0,68*1,0=6,8
Нагреватель из ленты в виде зигзага W= 10*0,4*0,95=3,8

Удельную допустимую мощность нагревателя, в виде проволочного зигзага, можно устанавливать практически в два раза больше чем для вариантов нагревателей в виде спирали или ленточного зигзага. 

ВЫВОД

Наиболее приближенной формой нагревателя к максимально допустимому по удельной мощности нагревателя является проволочный зигзаг. Самым эффективным материалом для нагревателей, в диапазоне температур до 1050°С, являются сплав нихром и фехраль в равных значениях, для температур выше 1050°С фехраль являются более предпочтительными.

Компания Станкоматика изготавливает термическое оборудование в широком ассортименте, по назначению и типоразмерм. Для комплектации мы предлагаем широкие вариации различных нагревателей и теплоизоляции. Заказчику традиционно предлагаются нагреватели в форме зигзагов, футеровка на основе волокнистой теплоизоляции, высокий уровень механизации и автоматизации. Современные материалы, проверенные практикой решения и качественные комплектующие гарантирует высокие характеристики термообработки, повторяемость результатов и надежность в эксплуатации. Предлагаемое оборудование предназначено для термообработки металлов, керамики, стекла и остальных материалов.
Ответим на Ваши вопросы Оставьте сообщение
Адрес
Адрес
620085, Екатеринбург, ул. Монтерская, 3, цех 11
(территория ОАО "Уральский завод РТИ")
Телефон
Телефон
+7 (343) 221-53-39 – Консультант
+7 (343) 221-53-55 – бухгалтерия
Время работы
Время работы
Пн.-Пт. с 8.00-17.00