Функциональные особенности электрических печей сопротивления, разновидности нагревательных элементов. Спирали из нихрома
Конструкция, разновидности и функциональные особенности электропечей сопротивления ЭПС
Электропечи сопротивления (далее ЭПС) - промышленные, или лабораторные электроустановки, предназначенные для нагрева изделий, или заготовок различного физико-химического состава при помощи электротока. По принципу работы они разделяются на следующие типы:
-
С прямым воздействием тока на нагреваемый объект, который греется за счёт собственного сопротивления.
-
С косвенным воздействием, когда нагрев предмета достигается за счёт электронагревательных элементов.
Печи первого типа могут обеспечить температурное воздействие только в отношении токопроводящих веществ – металлов. Они позволяют нагревать изделия с высокой скоростью, но отличаются сложностью регулировок и настроек температурных режимов. По этим причинам электрические печи сопротивления косвенного действия получили большее распространение в современной промышленности. Они проще по конструкции и могут оснащаться простой и надёжной системой тонких настроек. Косвенная передача тепла выполняется по следующим схемам:
-
Теплопроводность.
-
Конвекция.
-
Излучение.
-
Комбинированный способ.
Преимущества электрических печей сопротивления
Электропечи обладают следующими возможностями:
-
Небольшие габариты.
-
Высокая мощность и энергоёмкость.
-
Широкий диапазон настроек.
-
Многовариантные режимы температурного воздействия с применением средств автоматизации регулировки.
-
Возможность проводить нагрев в изолированных химических и физических средах (вакуум, инертные газы).
-
Диапазон рабочих температур – до 2,5 тыс. °С
Сфера применения электропечей сопротивления
Нагревательные электроустановки используются для следующих операций:
-
Плавление.
-
Обжиг.
-
Предварительный технологический нагрев.
-
Сушка.
-
Закаливание.
Устройства используются как в промышленных целях, так и для научных исследований и лабораторных анализов.
Критерии классификации электропечей сопротивления
Печи с электрическим способом нагрева различаются по следующим признакам:
-
Целевое назначение: промышленное применение, или лабораторное тестирование свойств различных материалов.
-
Режим работы: разовые задачи, требующие индивидуальных настроек, либо работа в постоянных режимах, используемых в объёмном и серийном производстве.
-
Продолжительность воздействия – периодическая, или непрерывная.
-
Среда в нагревательной камере: воздух, специальные газы, или нулевое давление.
-
Специализация относительно рабочего объекта: металл, фарфор, керамика, стекло и друг.
-
Конструкция места для размещения нагреваемых объектов: шахта, колпак, сейф, плавильная камера, участок на конвейере.
-
Способ подачи заготовок в камеры нагрева: толкатель, пульсирующее, или выдвижное дно, карусель, барабан, конвейер и проч.
По рабочему температурному режиму электрические печи сопротивления разделяются на 5 категорий (в тысячах °С):
-
Сверхвысокий – до 2,5
-
Особо высокий нагрев – до 1,8
-
Высокотемпературный – до 1,6
-
Среднетемпературный – до 1
-
Низкотемпературный – 0,4
Характеристики и химический состав нагревательных элементов
Нагреватели электропечей обладают следующими характеристиками:
-
Жаропрочность, окалиностойкость, сопротивляемость газовой коррозии и жаростойкость - зависят от химического состава.
-
Неизменяемость электрических свойств под воздействием различных температур (температурный коэффициент сопротивления).
-
Удельное сопротивление. Чем оно выше, тем компактнее можно сделать нагреватель.
-
Механическая стойкость.
-
Намагничиваемость.
-
Свариваемость.
-
Коэффициент теплового расширения.
-
Обрабатываемость.
-
Себестоимость.
Оптимальным соотношением качеств обладают сплавы на основе никеля, хрома, железа и алюминия.
Хромоникелевые ТЭНы, нихромовые спирали
Поверхность нихрома покрыта оксидной плёнкой, защищающей элементы от коррозии и разрушения. Достоинства – прочность, крипоустойчивость, долговечность, сохранение свойств при длительной работе в различных температурных диапазонах (до 1000 °С). Недостаток – высокая себестоимость. Наиболее популярными сплавами с высоким электрическим сопротивлением для электрических нихромовых спиралей являются следующие сплавы нихрома:
-
Нихромовая проволока, лента - марок Х20Н80, Х20Н80Н, Х15Н60, Х15Н60Н
Фехраль
Соединения на основе алюминия, железа и хрома используются для производства недорогих нагревателей, обеспечивающих рабочий режим до 1,4 тыс. °С. Недостатки фехралевых сплавов – более слабая, по сравнению с нихромом, сопротивляемость коррозии и окислению, высокая степень температурного расширения, хрупкость, подверженность намагничиванию и изменяемость электрических качеств после многочисленных циклов использования в качестве ТЭНов. Теплоизоляция камер, оборудованных хромоникелевыми элементами, должна выполняться с применением глинозёмной обмазки, или огнеупорных кирпичей. Часто используемые марки:
-
Х23Ю5Т
-
Х27Ю5Т
-
Х23Ю5
-
Х15Ю5
Фехраль обеспечивает более высокий нагрев, если её сравнивать с нихромовыми вариантами нагревателей, но она более требовательна к химическому составу теплоизоляционных материалов и отличается меньшим сроком эксплуатации.
Сплавы, сочетающие положительные свойства фехраля и нихрома
Добавление в нихромовые соединения до 3% алюминия позволяет получить сплавы, сочетающие достоинства фехраля и нихрома:
-
Увеличивается жаростойкость и пластичность.
-
Снижается хрупкость и тепловое расширение.
-
Повышается прочность и устойчивость к окислению, в особенности к окислам железа.
-
Расширяется диапазон рабочей температуры до 1,2 тыс. градусов.
Неметаллические нагреватели
Нагревательные элементы из неметаллов требуют применения сложных стабилизаторов электрического сопротивления, поскольку их электрохимические свойства быстро изменяются при постоянной, или цикличной работе. Примером является карборунд.
Форма нагревательных элементов
По форме электронагреватели разделяются на:
-
Ленточные.
-
Проволочные.
Широкое применение в промышленности имеют проволочные нагреватели - нихромовые спирали, сделанные из нихрома и фехраля. Стандартный диаметр проволоки – от 3 до 7 мм. Эффективность проволочных электрических спиралей из нихрома зависит от оптимального соотношения диаметра нити накаливания, шага и плотности намотки. Если намотка будет чрезмерно плотной, а калибр проволоки слишком большим, то из-за экранирующего эффекта коэффициент полезного действия нагревателя будет падать. Проволочные нагреватели изготавливаются по следующим схемам:
-
Намотки на трубках из керамики, отличаются высокой мощностью излучения, удобством монтажа и позиционирования в печах различной конструкции и назначения, а также допускают применение проволоки, изготовленной из большого спектра сплавов.
-
Укладка в пазах и полочках сужает сектор эффективного излучения.
Нагревательные элементы в виде ленты делаются из зигзагообразных полос нихромовой ленты и крепятся на жаропрочные керамические, или металлические стойки. Оптимальное соотношение толщины к ширине – 1 к 10. Оно обеспечивает минимальный экранирующий эффект при сохранении характеристик прочности и жёсткости.
Использование электрических печей сопротивления
Технологичность, компактность, приемлемая себестоимость и простота управления делают электропечи незаменимым инструментом в самых разных областях промышленности:
-
Крупносерийное производство стеклянной тары.
-
Изготовление сложных изделий в стеклодувном производстве.
-
Обжиг гончарных изделий.
-
Производство литых деталей из металлов.
-
Крупное металлургическое производство.
-
Кузнечные цеха.
-
Прокатные станы.
-
Научные лаборатории, в которых исследуются свойства различных материалов.
Печи с электрическим способом нагрева используются в промышленности гораздо шире агрегатов, работающих на химическом топливе, поскольку превосходят их по экономичности и удобству.
