電阻爐用電熱元件設(shè)計(jì)(design of electrical heating elements for resistance furnace)

利用導(dǎo)體的電阻產(chǎn)生熱量為電阻爐供熱的部件的設(shè)計(jì)。有時(shí)電熱元件僅指制成成品出售的電阻發(fā)熱元件，如管狀電熱元件、碳化硅元件。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括電熱元件材料、結(jié)構(gòu)尺寸和表面負(fù)荷率的選定以及電熱元件計(jì)算。

材料選擇 爐溫低于1350℃的工業(yè)電阻爐使用的高電阻電熱合金有鎳鉻合金和鐵鉻鋁合金兩類(lèi)(表1)。非金屬電熱元件主要是碳化硅和二硅化鉬元件。碳化硅元件有多種形狀：棒狀端部加粗型(CG型)、棒狀等直徑型(DG型)、兩根棒或三根棒的一端連在一起的槽型(DGC型)或三相型(DGS型)，還有單螺旋槽和雙螺旋槽的硅碳管。按制造質(zhì)量不同，使用溫度為1350～1500℃。二硅化鉬元件做成u形和w形，在氧化性氣氛中用到1700℃。有一種改性的硅化鉬元件，用鎢代替一部分鉬，元件溫度可達(dá)1900℃，用在爐溫1820℃的特種電爐上。管狀電熱元件是在低碳鋼管或鎳鉻鋼管內(nèi)裝入電阻絲再將其中的空隙用結(jié)晶氧化鎂顆?；蚴⑸疤顚?shí)。它有多種形狀，用于水、油、空氣、鹽浴、堿浴和易熔合金的加熱，使用溫度低于550℃。有的在管內(nèi)裝上碳化硅元件，供內(nèi)熱式輕金屬熔煉和保溫爐使用。

鐵鉻鋁合金是應(yīng)用廣的電熱合金，只是它的加工性能較差，使用后因晶粒長(zhǎng)大而變脆，不易返修。鎳鉻合金加工性能好，使用后不變脆，易于返修和焊接，但價(jià)格貴得多。爐內(nèi)氣氛對(duì)電熱元件的使用年限有影響，例如鎳鉻合金在含硫氣氛中不穩(wěn)定，會(huì)形成熔點(diǎn)僅797℃的硫化鎳；鐵鉻鋁合金在含硫氣氛中卻比較穩(wěn)定，但它對(duì)于純氮和氨又比較敏感。在濕氫中這兩類(lèi)合金都不宜使用。碳化硅元件用于濕氫、分解氨氣氛中時(shí)，使用溫度是1200～1300℃。

電阻絲、帶的加工尺寸與安裝   有四種情況：(1)直徑為d的電阻絲彎成“弓”字形，掛在爐頂?shù)蹉^或側(cè)墻的銷(xiāo)釘上、或支在爐底兩支點(diǎn)上，彎折半徑r=(1．35～2．2)d，通常d≥6mm。(2)寬度為b、厚度為n的電阻帶彎成“弓”字形，掛起來(lái)或放在爐內(nèi)異型磚上，彎折半徑r=(5～8)b，間距e=(1～2)b，元件寬度B≤10b或≤80a，通常a≥1．50mm、寬厚比m=b/a=8～12。(3)電阻絲繞成螺旋管后放在爐內(nèi)異形磚上，間距e=(2～3)d，螺旋管外徑D=(6～7)d(<1000℃)或(5～6)d(>1000℃)。(4)電阻絲繞成螺旋管后套在瓷管上，瓷管再支承在爐內(nèi)異型磚上，間距e=(3～6)d，螺旋管外徑D=(10～14)d。

表面負(fù)荷率   電熱元件單位表面積上所發(fā)出的功率數(shù)，又稱(chēng)單位表面功率(w／cm2)。影響表面負(fù)荷率的因素有：爐子的型式、連續(xù)使用或間歇使用、可控硅控制或通一斷控制，以及電熱元件形狀和在爐內(nèi)的安裝方式等。一般說(shuō)來(lái)，表面負(fù)荷率選取得高，元件表面溫度就高，有利于加快傳熱。但過(guò)高會(huì)顯著降低電熱元件的使用年限。表面負(fù)荷率選取得低，則元件表面溫度和爐溫間的溫差小，元件的使用年限長(zhǎng)，但過(guò)低會(huì)增大電熱材料的用量。在功率和元件電阻相同的條件下，電阻絲的表面負(fù)荷率高于截面積相同的電阻帶。電阻帶越薄表面負(fù)荷率越低，但表面積增大后元件與爐內(nèi)氣氛的接觸面積同步增大，合金元素(鉻、鋁)形成的表面保護(hù)膜不易持久，使元件的使用年限縮短。就電熱元件在爐內(nèi)的安裝方式而言，易于散熱的元件，其表面負(fù)荷率可取得高些，例如，彎成“弓”字形的電阻絲的表面負(fù)荷率>彎成“弓”字形的電阻帶的表面負(fù)荷率>套在瓷管上的螺旋管的表面負(fù)荷率>放在爐內(nèi)異形磚上的螺旋管的表面負(fù)荷率。用可控硅控制時(shí)其表面負(fù)荷率可以比通一斷控制時(shí)高些。估算時(shí)可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選定表面負(fù)荷率(表2)。

電熱元件計(jì)算   計(jì)算時(shí)不僅要根據(jù)歐姆定律，還要考慮表面負(fù)荷率。先根據(jù)爐子的額定功率(按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，允許有10％偏差)、供電線路電壓、金屬電熱元件在使用溫度下的電阻率ρt和電熱元件的連接方式(相數(shù)和每相組數(shù))算出每相或每組的功率P(kw)、電壓U(V)、電流I(A)和電阻R(Ω)。選定表面負(fù)荷率ω (w／cm2)后計(jì)算電阻絲的直徑d(mm)或電阻帶的厚度a(mm)，圓整成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格后計(jì)算電熱元件的外形尺寸，據(jù)此再和配置電熱元件的爐襯內(nèi)表面積核對(duì)，考慮配置是否合適。必要時(shí)還需根據(jù)電熱元件的加工尺寸和實(shí)際表面負(fù)荷率核算元件表面溫度。計(jì)算電阻絲的直徑d或電阻帶的厚度a的公式是：

電熱元件展開(kāi)長(zhǎng)度L的計(jì)算公式是：

式中S是金屬電熱元件的截面積，mm2。

每kW額定功率電熱合金的材料用量G(kg／kW)是：電阻絲 G=0．025γd／ω     電阻帶G=0．05γam／[ω (m+1)]式中γ是電熱合金的密度，g／cm3；m是電阻帶的寬厚比。

按金屬電熱元件在使用溫度下的電阻率ρt，將電壓U(V)、功率P(kw)、電熱元件的截面尺寸、展開(kāi)長(zhǎng)度L、表面負(fù)荷率ω等參數(shù)綜合繪制成列線圖，可以圖解求出電熱元件的截面尺寸和展開(kāi)長(zhǎng)度L。如圖為ρt=1．50的鐵鉻鋁電阻絲的列線圖。由圖可見(jiàn)，當(dāng)在220V和12．5kw時(shí)，如果選用φ6mm的鐵鉻鋁電阻絲，其展開(kāi)長(zhǎng)度約為72m，其表面負(fù)荷率約為0．95W／cm2；如果選用φ6．50mm的鐵鉻鋁電阻絲，其展開(kāi)長(zhǎng)度約為84m，其表面負(fù)荷率約為0．74W／cm2。

碳化硅元件和二硅化鉬元件的計(jì)算方法比較簡(jiǎn)單，先根據(jù)爐瞠形狀、尺寸和元件連接方式(串聯(lián)或并聯(lián))，確定元件根數(shù)和工作段長(zhǎng)度；再根據(jù)爐溫和爐子額定功率從產(chǎn)品目錄上選擇合適的規(guī)格并查出端電壓，后選配一臺(tái)調(diào)壓變壓器。必要時(shí)核算表面負(fù)荷率。