О нагревателях и материалах для их производства
Нагреватель – это главный элемент печи, так как на него возложенная основная функция – нагрев. От его исправности и способности выдерживать большую температуру зависит работоспособность всей установки. К нагревателям выдвигается ряд требований. О них подробнее.
Нагревателям должны быть свойственны такие характеристики, как:
- высокая жаростойкость – возможность оказывать сопротивление газовой коррозии в процессе нагрева до высоких температур;
- достаточная жаропрочность – способность материала сохранять свою механическую прочность при нагреве.
Основные свойства материалов нагревателей
Материалы, используемые для производства нагревателей электропечей, должны иметь высокое удельное электрическое сопротивление. Именно от этой величины зависит способность элемента нагреваться. Если для изготовления нагревателя выбрать материал, омическое сопротивление которого меньше, то для достижения аналогичного результата длину его придется увеличить, а поперечное сечение уменьшить. Но, чаще всего, габаритные печи не позволяют установить элемент различных размеров. Также, стоит отметить, что от величины диаметра зависит срок службы нагревателя. Поэтому, в большинстве случаев, элементы нагрева изготавливаются из материалов с высоким электрическим сопротивлением, таких как:
Эти хромоникелевые и железохромоалюминиевый сплавы относятся к прецизионным, которые отличаются высоким омическим сопротивление и другими характеристиками, необходимыми для получения качественных нагревателей.
При выборе материала для изготовления нагревателя учитывается и его температурный коэффициент электрического сопротивления. Лучше всего, если эта малая величина. Так как он является показателем того, насколько будет изменяться электрическое сопротивление материала в процессе нагрева. Если данный коэффициент велик, то включение печи и вывод её из холодного состояния проводится при пониженном напряжении, для чего необходимо использовать специальный понижающий трансформатор.
Очень важно, чтобы физические свойства материала нагревателя были постоянными. Например, если для его производства выбрать карборунд, то он через определенный период времени может изменить электрическое сопротивление, что приведет к усложнению процесса его эксплуатации. Для того чтобы стабилизировать данный параметр, возникнет необходимость в использовании многоступенчатого трансформатора с расширенным диапазоном напряжений.
Металлическим материалам, из которых производятся нагреватели, должны быть свойственны такие технологические параметры как пластичность и свариваемость, так как благодаря ним облегчается процесс изготовления нагревательных элементов сложных конфигураций. Для таких целей могут применяться и неметаллы. Неметаллический нагреватель прессуется или формируется.
Материалы для нагревателей
Наиболее часто для изготовления нагревателей используются прецизионные сплавы, обладающие высоким электрическим сопротивлением. К ним относятся хромоникелевые (нихром марок Х20Н80, Х20Н80-Н, Х15Н60, Х15Н60-Н) и железохромоалюминиевые (фераль марок Х23Ю5Т, Х27Ю5Т, Х23Ю5, Х15Ю5, Х15Н60Ю3, Х27Н70ЮЗ) сплавы.
Вышеперечисленным сплавам свойственны высокая жаропрочность и жаростойкость. Они способны нагреваться и работать при высоких температурах. Свойство жаропрочности обеспечиваются оксидной хромовой пленкой, которая образуется на поверхности материала. Её температура плавления выше, чем у сплава. Оксидная хромовая пленка предотвращает растрескивание элемента в процессе его нагрева и охлаждения.
Сравним основные сплавы для изготовления нагревателей – нихром и фераль, рассмотрев их достоинства и недостатки.
Итак, к достоинствам нихрома можно отнести:
- высокие механические характеристики независимо от температуры;
- крипоустойчивость сплава;
- хорошую пластичность и свариваемость;
- высокая обрабатываемость;
- не приобретает магнитных свойств и не стареет.
Недостатками нихрома можно назвать:
- высокую стоимость основного компонента сплава – никеля;
- рабочую температуру, которая ниже, по сравнению с фехралью.
К достоинствам фехрали можно отнести:
- относительную дешевизну;
- хорошую жаропрочность (выше, чем у нихрома);
Недостатки фехрали:
- хрупкость и непрочность сплава, которые наиболее сильно проявляются при нагреве свыше 1000 °С;
- сплав магнитный (в состав входит железо) и ржавеет под воздействием влаги;
- низкое сопротивление ползучести;
- взаимодействие с шамотной футеровкой и окислами железа;
- существенное удлинение нагревателей в процессе эксплуатации.
Для того чтобы улучшить жаропрочность никеля, были разработаны марки сплава Х15Н60Ю3 и Х27Н70ЮЗ. Они содержат 3% алюминия. При использовании в электропечах нагревателей произведенных из них, не наблюдается взаимодействия с шамотом и окислами железа. Сплавы Х15Н60Ю3 и Х27Н70ЮЗ хорошо поддаются обработке, имеют высокую механическую прочность. Не наблюдается их хрупкость. Сплав Х15Н60Ю3 работает при температурах 1200 °С.
Для изготовления нагревателей также используются тугоплавкие металлы и неметаллы. К последним относится: карборунд, дисилицид молибдена (нашли свое применение в высокотемпературных печах), уголь, графит (устанавливаются в печах с защитной атмосферой).
Изготавливаются нагреватели из таких тугоплавких металлов как вольфрам, молибден (в высокотемпературных печах и печах с защитной атмосферой), тантал и ниобий (применяют в особых случаях).
