碳化硅加熱元件的計算和設計及其他加熱元件的計算
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.加熱元件的計算和設計
在電阻爐中，電能轉換為熱量發生在加熱元件（加熱器）中。加熱器的操作通常在苛刻的條件下進行，通常在制造它的材料的極其允許的溫度下進行。通常，加熱器的使用壽命決定了整個爐子在維修之前的運行時間，因此從技術和經濟角度來看，增加EPS加熱器的使用壽命是一項重要任務。
決定加熱器壽命的主要因素之一是它長時間工作的最高溫度。加熱器溫度與負載之間的差異取決于傳熱條件。通過優化的設計選擇和正確執行的加熱器計算，這種差異很小，可以在爐子中實現相同的功率和溫度，在較溫和的模式下操作加熱器。加熱器材料在運行過程中的“老化”是由于其物理化學性質的變化，它可能是由氧化，合金化學成分的變化，真空噴涂等引起的。通常，加熱器在達到極限狀態之前很久就會因局部過熱而失效材料。如果選擇加熱器溫度，
加熱元件的計算允許您：
- 最佳地將加熱器定位在爐子中，從而減小其尺寸并合理地使用工作空間;
- 選擇合理的電路連接加熱器和供電電壓;
- 選擇具有成本效益的加熱器設計及其橫截面，提供最低的資金成本;
- 使用各種材料的加熱器時評估資金和運營成本;
- 確定所選加熱器的使用壽命或選擇具有給定使用壽命的加熱器。
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用于制造加熱元件的材料必須滿足下列要求：
- 具有足夠的耐熱性（抗水垢性） - 材料在熱空氣或其他氣氛的影響下能夠承受表面化學破壞的能力;
- 具有足夠的耐熱性 - 材料在高溫下保持長期強度的能力;
- 具有大的電阻率r。為了將加熱器放置在爐內，更方便的是具有較大橫截面S和較短長度l的元件。此外，具有大橫截面的加熱器具有更長的使用壽命，并且具有給定的加熱器電阻R.其長度越小，橫截面越大，電阻率越高;
- 具有低溫度系數的電阻。否則，需要變壓器將加熱器連接到網絡，這允許在初始時刻加熱器具有低溫，因此具有低得多的特定電阻，以向爐提供降低的電壓;
- 隨著時間的推移具有恒定的電性能。材料隨時間老化會增加其抵抗力。這使爐子的運行復雜化，因為需要具有大量電壓范圍的變壓器。
用于加熱元件爐的制造創造了各種能夠在寬的溫度下操作的材料范圍高達3000 0C.在表中。2.1列出了部分溫度的推薦溫度和最高允許溫度。通常，使用壽命為10,000小時的溫度作為加熱器的推薦工作溫度，使用壽命為2000小時的溫度被認為是最大允許溫度。2.1可以看出，與間歇操作相比，相同材料的加熱器具有更高的工作溫度或更長的使用壽命。
表2.1 ^
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應注意，加熱器的最大允許溫度取決于其直徑（或厚度）。在表中。圖2.1顯示了直徑為3mm的金屬合金絲的溫度值。當使用直徑大于6毫米的加熱器時，最大允許溫度可以增加50度，當加熱器的直徑減小到1毫米時，溫度會降低50度。如果加熱器的直徑為0.2-0.4毫米，則最大允許溫度應在工作臺下方100-200度。
使用加熱器的溫度限制取決于其運行的氣氛。
在設計電阻爐時選擇用于加熱器的材料，除了溫度范圍之外，還必須考慮加熱器的特定操作條件，特別是其環境的化學組成。在表中。2.2顯示了推薦的合金及其在各種氣氛下工作時的極限使用溫度。
表2.2
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鎳鉻合金是鎳和鉻的合金。工業生產含有15％至27％鉻的合金。最普遍的合金含有20％的鉻。鎳鉻合金結合了高的耐熱性（高達1250 0 C）和顯著電阻（1.05-1.40（歐姆毫米2）/ m）的熔化溫度1370至1420年0 ℃，密度8200-8400千克/米3。鎳鉻合金在冷熱方面具有足夠的延展性，非常適合焊接和切割。半成品主要以線材和膠帶的形式制成。由于鎳鉻合金具有小的電阻溫度系數，因此加熱器在加熱爐子時不需要改變供電電壓，因此可以在沒有特殊變壓器的情況下操作。
鎳鉻合金在表面形成氧化鉻保護膜，使其可用于氧化氣氛中。在鹵素氣氛以及堿性環境中，鎳鉻合金效率低下。鎳鉻合金是非磁性的。其主要缺點是成本相對較高。
Ferronihrom - 一種鎳鉻合金，其中大部分鎳被鐵代替，這有助于降低成本并增加合金的技術可塑性。耐熱性ferronihroma至1200 0 C，至1.30電阻（歐姆*毫米2）/ M。
Chromal是鐵與鉻和鋁的合金。生產鉻的含量為23-27％，鋁含量為5％。Hromal具有高耐熱性，高的熔點（到1510 0 C），高比電阻1,3-1,47（歐姆毫米2）/ m和一個小的溫度系數。其密度為7200 kg / m 3。Chromal比鎳鉻合金便宜。
該合金在室溫和高溫下具有令人滿意的技術先進性。它是在空氣中，亞硫酸和滲碳環境中更zharostoek，但變脆和易碎加熱后，尤其是高于1000個0 C.修復加熱器rabotavschih在溫度高于1000 0C，實際上是不可能的。
Hromal磁體生銹，在溫度高于1000 0 C與熟料襯里和鐵的氧化物進行反應。
為了延長加熱器在還原氣氛中的使用壽命，首先必須在1100 ° C下在空氣中工作2-3天來氧化
.Fehral是一種基于鐵 - 鉻 - 鋁系統的合金。熔點14550 ℃，電阻率1.18-1.34（Ohm·mm 2）/ m，密度7300kg / m 3。Fechral在耐熱性方面較差，但它比它便宜得多，并且在熱變形和冷變形期間具有更高的技術延展性。
有關加熱器的結論，根據工作溫度，建議使用以下材料（表2.3）。
表2.3 ^
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您可以使用與加熱器相同的材料作為結論，但這并不總是具有成本效益。
必須選擇輸出直徑，使其橫截面超過加熱器本身的橫截面至少3倍。
加熱器由各自的部分組成，加熱器的結論要素焊接在一起。應該記住，在加熱的地方，鐵 - 鉻 - 鋁合金變脆。在這方面，在運輸或安裝在爐子中時，可能發生故障。
加熱器的彎曲應該是平滑的，沒有抽搐。為了提高脆性合金的延展性，加熱器可以通過燃氣燃燒器加熱彎曲，也可以使用電壓為5-10V的變壓器使電流通過它們。彎曲時的推薦溫度為700-1000 0 C.
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螺旋線加熱器通常位于陶瓷架，帶凹槽的陶瓷板或陶瓷管上。在設計這種加熱器時，應該注意的是，螺旋t的節距與線d的直徑之比必須至少為2.最大比率
在表中給出。2.4。在螺旋加熱器的制造中，必須仔細監測繞組的均勻性，因為在匝變厚的地方，加熱器將顯著過熱，這導致其使用壽命降低。表2.4 ^ 比率 
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圖。2.1。螺旋線加熱器
Zigzag線加熱器建議安裝在特殊的瓷磚（d = 47 mm）或懸掛在金屬耐熱或陶瓷鉤（銷）上，如果d > 7 mm。表中給出了各種加熱器設計
的最大鋸齒形高度H. 2.5。爐膛加熱器的鋸齒形高度比爐壁上加熱器的高度高20-30％。
圖。2.2。鋸齒形電線加熱器
磁帶鋸齒形加熱器可以作為電線之字形安裝或平放在拱形和爐膛上的支撐上。
之字形加熱器e的軸線與帶b的寬度之間的距離之比必須至少為0.9。各種緊固帶的方法的最大Z字形高度N在表中給出。2.6。
圖。2.3。之字形帶狀加熱器
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注。 分子是指由Cr-Ni合金制成的導線; 分母是Fe - Cr - Al合金絲。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表2.6 ^
注。分子指的是Cr - Ni合金帶; 分母是由Fe - Cr - Al合金制成的帶子。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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碳化硅-基于碳化硅能夠作為加熱器在溫度的氧化環境中操作高達1500的材料 0 ℃。在較高溫度下，壽命急劇下降。加熱器的運行模式對使用壽命產生很大影響。溫度的突然波動顯著影響其耐久性。即使窯內加熱器溫度的緩慢變化也會顯著降低其使用壽命。
在還原氣氛中，加熱器的使用壽命低于空氣。甲烷，丁烷和天然氣由碳化硅加熱器滲碳;因此，這些氣體在爐內氣氛中的含量不應超過2％。在氫氣環境中，加熱器的工作溫度不超過1300℃0 C，同時有必要降低其允許的比表面功率。如果大氣中的氫濃度小于20％ - 功率降低40％，如果氫濃度大于20％ - 則功率降低60％。
在750水蒸氣0 C會減少阻力的ENT 2-3。含有氟，氯，溴和硫化合物的氣氛會破壞加熱器。
金剛砂的電阻率為809-1900（Ohm·mm 2）/ m，密度為2200-2300kg / m 3。感冒時，金剛砂是一種非常脆弱的材料。
另一種材料是碳化硅 - 硅質。它與碳化硅的不同之處在于SiC相的更大分散，這就是為什么硅鐵加熱器的推薦和最大允許溫度低于碳化硅加熱器的原因。
金剛砂和硅加熱器以具有恒定或可變橫截面的桿的形式制成，以及以螺旋切割的管的形式制成。在使用這種加熱器的所有爐子中，必須提供加熱時它們自由伸展的可能性。碳化硅的熱膨脹系數為（5-6）·10 -6 K -1。
加熱器的連接圖和變壓器的選擇顯著影響其使用壽命。加熱器的并聯連接是優選的，因為加熱器組的電阻擴散受到的影響較小，并且在其中一個加熱器發生故障的情況下，通常可以使用其他加熱器繼續該過程，而當串聯連接時電路斷開。然而，并聯連接需要較低的電壓，因此必須使用變壓器。此外，當加熱器并聯連接時，供電電纜上的負載由于高電流而增加。通常使用并聯 - 串聯電路。
為了在加熱器老化時最大限度地利用加熱器的資源，與初始加熱器相比，必須能夠將工作電壓增加2-2.5倍，為此變壓器必須具有中間步驟，電壓增加系數為1.1-1.2。
由于其低電阻，碳化硅加熱器在高電流下工作;因此，應對電流供應施加相當嚴格的要求：它必須提供低接觸電阻。
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二硅化鉬加熱器設計用于在最高溫度1700 0的氧化氣氛中操作C.在較高溫度下，DM迅速分解。但是，1450-1680 ℃的溫度范圍應被視為其合理操作的極限。在較低溫度下，使用金剛砂或金屬加熱器在經濟上是有利的。預氧化加熱器可在氫介質中操作，溫度高達1400 ℃ .DM加熱器在一氧化碳，氬氣，氮氣和碳氫化合物的氣氛中工作良好。不允許含有硫化合物和鹵素的氣氛。二硅化鉬在高真空中不起作用。
最佳操作模式是當加熱器的溫度不低于1200 0時C.在周期性操作期間，發生保護性氧化膜的剝離，這導致加熱器的壽命降低。危險的加熱器是在500-1000下長時間曝光 0 ℃和1410至1460年0 C，T。K.字段在沒有膜為SiO 2，則可能發生的MoSi分解2，其中所述加熱器。
第一加熱模式提供了對二硅化鉬加熱器的使用壽命的決定性影響。兩個條件必須滿足：
-快速（內2-3小時）來傳遞的溫度范圍內500-1000 0 ℃;
-在白天維持加熱器在約1300的溫度0 ℃。
每次用新的加熱器更換加熱器時必須滿足這些條件。
DM加熱器大多是U形的。通過在拱形或側壁上的垂直懸掛（如果加熱器引線彎曲90°）確保了這種設計的加熱器的自由擴展。在某些情況下，加熱器的水平安裝更合理和經濟。應該注意，在多于1350的溫度來承擔0 C，它們成為可塑的且易被偏轉。二硅化鉬的溫度時直接與陶瓷載體接觸不應超過1550 0 ℃。在較高的溫度下，一氧化硅的保護膜2覆蓋加熱器可以粘附到陶瓷上。在文獻中，建議將水平加熱器放置在襯墊上，以相同的DM加熱器的小段形式放置在陶瓷架上，間距為70-100mm。
在二硅化鉬加熱器的安裝和操作過程中，應考慮它們在冷態下的極端脆性。
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對于在惰性環境和真空下工作的EPS，使用難熔金屬的加熱元件：鎢，鉬，鉭和鈮。為了在氧化性環境用操作這些加熱器不適合的，它們開始與大氣中的氧氣的氧化已經在200-300 .. 0 ℃，水蒸汽-在250-500 0C.二氧化碳在高于1000-1200的溫度下氧化所述金屬0 C. Nb和Ta的加熱器不是在氫環境中運行，而W和Mo不與氫反應。鉭積極吸收氮。
鎢加熱器在室溫下非常脆弱，因此它們在加熱狀態下加工。在1400-1600的溫度0 ?再結晶鎢結構和變脆。
鉬比鎢更具塑性。厚度不大于0.5mm，可在室溫下彎曲。加工前加熱器較大直徑被加熱到200-700 0 C.鉬再結晶在950-1200 0 C和脆化。
鈮和鉭是最具延展性的金屬，它們可以鍛造，沖壓，彎曲而不需要加熱。重結晶時，它們沒有脆化。
W，Mo，Ta和Nb的電阻率高度依賴于溫度（見表2.7），因此，爐子安裝必須配備電源變壓器，允許在運行期間調節加熱器的電壓。
表2.7 ^
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的單位表面分配的功率決定了它的溫度，因此確定了該加熱器在項目選擇的條件下的可操作性。因此，比表面功率 W是加熱元件設計中最重要的計算值。
通常，將計算的加熱器的表面功率與理想加熱器 W id的表面功率進行比較。理想的是指加熱器形成兩個帶有負載的實心，平行，無限平面，只要襯里不參與傳熱并且傳熱是由于輻射引起的。
對于這種加熱器，傳熱方程式為：，
（2.1）其中c 0是完全黑體的發射率;
ε PR -減少系數加熱器系統黑裝載;
^ n - 加熱器溫度;
T s - 加載溫度。
我們在這種情況下，發射率：
（2.2）其中ε 小號 -發射材料費;
ε ? -加熱器的輻射率的材料。
為了計算^ id在已知的爐子加載溫度下，必須設定加熱器溫度。通常，T n比溫度T c高 50-100度。用于制造加熱器，坩堝，船等的各種材料的黑度在表中給出。2.8。
為了簡化在工程計算[5，6，9]，由諾模圖Wˉˉ 編號 = ?F（? 編，? ?）為ε的情況下，ED =ε ? = 0.8。
與理想的加熱器相比，真正的加熱器不會以整個表面輻射到產品上：一些光線落在相鄰的加熱器和襯里上。可以假設真正的加熱器向產品輻射熱量而不是其全表面F n，而是僅具有一些條件有效表面。然后，實際加熱器W D的允許表面功率將不同于理想加熱器的表面功率：，
（2.3）其中αeff是給定加熱器系統的輻射效率系數;
α - [R -步驟系數;
α 一 -系數考慮到的依賴性Wˉˉ從減少的發射率到pr ;
α p -系數考慮到尺寸籠的影響。
系數εeff表征加熱器系統的輻射效率在最小允許（由于結構原因）相對線圈距離，即對于最密集放置的加熱器。各種加熱器系統的系數αeff的值在表中給出。2.9。
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表2.9 * α EFF 為不同的加熱器系統
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系數α步驟克考慮到了特定表面匝間電力從相對距離的依賴性
，
，
對于給定的加熱器系統。在圖中 2.4-2.6示出了用于找到α的曲線圖- [R為不同的加熱器系統。對于平行桿系統和螺旋加熱器內部的產品，使用圖2.5作為曲折線加熱器。所有其他幾何比率對比表面功率幾乎沒有影響，因此在計算加熱器時不考慮它們。
圖。2.4。值α [R為一金屬絲
螺旋加熱器
圖。2.5。值α [R用于電線
之字形加熱器
圖。2.6。ε的值[R帶
鋸齒加熱器
系數α ，以考慮到降低的功率發射的特定表面的依賴性與PR。對于系統，當負載位于封閉的輻射表面內時，
（1.2.4）其中F s是負載面向加熱器的表面積;
F 物品 - 加熱器占據的爐腔壁的表面積。
依賴性α 與從一個直的圖。2.7。
系數α p考慮到負荷大小的具體的表面的功率值的影響。該系數的值被確定為比率的函數
（圖1.2.8）。當> 0.8，負荷大小的修正沒有貢獻（米。E.Α p = 1）。在<0.3時，比表面功率的確定導致加熱器的溫度升高。在這種情況下，考慮? 小號 “ ? ?和校正α p和α ?不采取。
圖。2.7。依賴性α 與從一個直的
圖。2.8。依賴性α p從
對于加熱器，由二硅化鉬的，存在的依賴性Wˉˉ d由爐溫可以使用的，省略的定義一個直，α EFF，α 克，α ?，α p（圖2.9）。
完成計算后，我們知道最大允許比表面功率^ d，我們選擇的加熱元件的設計可以提供。該功率從加熱器F n的實際表面輻射并且與其幾何和電參數相關聯。
^
當計算加熱元件EPS在溫度高于600操作0 ℃，從若干假設起源：
-整個電爐引起的網絡容量損失^ ?矗立在以熱的形式的加熱元件，和電源電壓?連續：
; （2.5）- 加熱器長度l不變，橫截面S恒定，當爐子在給定溫度模式下運行時，電阻率r 不變，則其電阻為
：（2.6）-專用于加熱器的能量是從所述加熱器的表面傳送的產品和磚石爐輻射?F ?。加熱器的表面功率：
。（2.7）為了確定加熱器的尺寸，有必要找出其幾何和電氣參數之間的關系。對于直徑為d的圓形加熱器（線，桿等），這些關系由等式描述
：（2.8）
; （2.9）
，（2.10）其中M是加熱器的質量;
r n是加熱器材料的密度。
如果加熱器由矩形截面與側面的帶材制成一個和一個，從而使一個 = 一個 · 米，然后
; （2.11）
; （2.12）
（2.13）在方程（2.8），（2.9），（2.11），（2.12）中使用W作為允許的比表面功率，我們找到加熱器質量的極限最小值。
一旦找到方程（2.8）或（2.11）d或井，有必要從材料可用各種各樣拾取導線或帶。為此，請選擇最近的大尺寸。接下來，考慮到加熱器的特定選定幾何參數，有必要重復比表面功率的計算。
加熱元件的幾何尺寸的計算可用于比較使用一個或另一個加熱器系統的經濟可行性。例如，您可以通過計算加熱器系統的幾個選項來比較材料的資本成本; 可以比較用于接通加熱器的各種電路的有效性，改變各相的電壓和電阻; 您可以選擇加熱器在爐子工作區域的最佳位置，找到加熱器長度和橫截面的最佳比例; 可以選擇電參數以達到給定厚度的加熱器（給定壽命）等
。2.9。
DM加熱器的允許比表面功率對爐溫的依賴性：
^ - 持續監管; 2 - 帶繼電器控制。
確定加熱器的大致使用壽命。
在運行過程中，加熱器“老化”，即改變其電氣參數，最終導致需要更換它們。例如，對于由鉻 - 鎳合金制成的加熱器，在它們在氧化氣氛中操作期間，氧化層的厚度增加并且導電部分的面積減小。如果我們在時間上使氧化速率v ok恒定，則對于圓形加熱器
，（2.14）其中n是氧化層的橫截面積與加熱器的初始橫截面積之比;
t - 加熱器運行時間。
矩形橫截面的膠帶：
。（2.15）某些合金的氧化速率v ok如圖2所示。2.10。
加熱器的建議預期壽命接收期間，加熱器部分氧化的原面積的20％，即。E.當等于服務工作時間?在等式（2.14）和（2.15）達到0.2。基于這種條件下，加熱器壽命噸到等于：
-用于圓形加熱器：
; （2.16）-對于帶式加熱器：
。（2.17）
圖。2.10。
各種合金的氧化速度對加熱器溫度的依賴性：
1 - X15H60; 2 - X25H20; 3 - X15H60-H; 4 - X20H80TZA;
5 - X20H80T; 6 - X20H80; 7 - Х20Н80-í
由鐵鋁合金制成的加熱器的使用壽命取決于其組成中鋁濃度的降低。合金的最終狀態是鋁濃度降至1％時。為了確定噸與使用等式這些加熱器
（2.18），其中噸C1 -具有直徑為1毫米的加熱器的使用壽命。
對于矩形加熱器，d表示等效直徑d e等于：，
（2.19）其中
是加熱器的橫截面積; 
- 加熱器橫截面的周長。在圖中 2.11顯示了許多鐵 - 鉻 - 鋁合金的t c1值。
如果已知這些環境中的氧化速率，腐蝕，化學成分的變化和加熱器材料的電特性，則可以通過相同的原理計算在各種環境中操作的加熱器的使用壽命。許多金屬合金在含碳介質中的腐蝕速率在[4]中給出; W，Mo，Nb和Ta在不同溫度下在真空中的蒸發速率也可以在那里找到。
二硅化鉬加熱器的使用壽命通常可達10000小時，可連續控制，定期運行，由于熱應力和SiO 2保護膜部分剝離，使用壽命縮短。金剛砂加熱器的使用壽命為500至2000小時，其使用壽命取決于溫度，操作方式和氣氛。因此，例如，加熱器的溫度越高，其“老化”的速率越大，連續操作時的使用壽命遠高于周期性操作，在還原氣氛中工作會降低加熱器的壽命。
從公式（2.16） - （2.18）可以看出，加熱器的使用壽命越長，其直徑或厚度越大。還應注意，具有大橫截面的加熱器的操作受制造它的合金中的缺陷的影響較小。
圖。2.11。直徑1毫米的線加熱器的使用壽命
，取決于各種鐵 - 鉻 - 鋁合金的溫度：
1 - Х23Ю5; 2 - Х23Ю5Т; 3 - Х27Ю5Т
在選擇加熱器材料及其橫截面時，它們通常面向工作條件，在此條件下其使用壽命約等于10,000小時。
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計算EPS加熱器的程序由任務的性質決定：源數據和計算目的。考慮許多可能的選擇：
1。如果在計算加熱器之前，進行爐子的熱計算，則設計者知道加熱器N的功率和它將位于的表面區域。在這種情況下，通常已知電源電壓，這使得可以選擇用于接通加熱器的電路，因此，加熱器U上的電壓是已知的。
在這種情況下，加熱器的計算從確定可允許的比表面功率W d開始。在該計算期間，選擇加熱器材料及其設計以在爐中提供必要的操作溫度。然后確定加熱器的電氣參數，找到其幾何尺寸，從行業提供的產品范圍中選擇特定尺寸。在計算結束時，檢查將加熱器放入爐中的可能性及其使用壽命。
使用此計算方案，建議計算加熱器材料及其設計的幾種可能選項，并選擇最佳選項（出于經濟或易用性的原因）。
如果比表面功率太高（高于允許值），導致加熱器溫度過高，那么通常它們會切換到工作溫度較高的材料或使用爐內工作空間的自由表面來容納更多F n更大的加熱器。如果作為計算的結果，所選擇的加熱器不能放置在給定表面上或者如果太大，則建議切換到允許增加比表面功率的材料。通常可以通過從線加熱器切換到帶式加熱器來解決這種困難。
2.在某些情況下，計算以相反的順序進行：選擇加熱器的材料和質量，然后最大比功率大致由所選材料和部分推薦的溫度決定。根據已知的爐子功率和計算出的W d確定加熱器放置所需的表面積，然后設計爐子的工作空間及其隔熱。
3.在比功率低的爐子中，加熱器的選擇不受爐子工作空間表面積的顯著影響。在這種情況下，為了計算加熱器，您可以設置加熱器的經濟可行的使用壽命（例如，1年或等于爐子的折舊期）和最有利的電氣參數。
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