常用电热元件选型及使用温度

2023-10-11 理论教育版权反馈

【摘要】：电热元件的最高使用温度应比炉膛温度高出50℃～100℃。图6-1硅碳棒电热元件4.二硅化钼电热元件二硅化钼熔点为2030℃，硅钼棒的最高工作温度为1700℃。这样既可以迅速达到所需的炉温，又能避免电热元件过热。图6-2硅钼棒电热元件

电热元件（又称电热体）是电热窑炉的关键组成部分，了解和掌握电热元件材料的性能、结构对正确操作和使用电热窑炉有重要的作用。

（一）对电热元件材料的要求

电热元件材料有金属质和非金属质两类，电热元件材料根据其使用环境应满足下列要求：

1.发热温度要满足工作要求

电热元件的发热温度指在干燥空气中其本身的表面温度。电热元件的最高使用温度应比炉膛温度高出50℃～100℃。

2.优良的高温性能

电热元件应能在高温下长期稳定地工作，因此必须具有优良的耐热性，足够的高温强度，不易弯曲变形，不断裂，抗腐蚀，抗氧化，并与耐火材料不发生化学反应等。

3.较高的电阻率

电阻率又叫比电阻，为单位长度、单位横截面积的材料所具有的电阻，用ρ表示，其单位为Ω·mm2/m或Ω·m。电阻率高，电热元件短，便于布置安装；电阻率太小，则电热元件细而长，不利于安装，还可能造成温度场不均匀；电阻率过大，会造成电热元件过粗过短，也会对制造和安装带来不便。

4.较小的电阻温度系数

电热元件在使用过程中电阻率随温度的升高而变化，电热元件温度升高1℃时，电阻率的相对变化率称为电阻温度系数，用α表示，单位为1/℃。电阻温度系数越小，电热元件在温度变化时功率波动越小，不至于影响炉膛温度变化；如果电阻温度系数大，当温度升高时，其电阻大大增加，导致功率降低，必须安装调压设备，否则不易升温。

5.较低的热膨胀系数

6.良好的机械性能

7.成本低，来源充足

（二）常用电热元件材料

陶瓷工业电阻炉常用的电热元件材料有铬镍合金、铁铬铝合金、碳化硅和二硅化钼等。

1.铬镍合金

铬镍合金的熔点约1400℃，可用于1100℃以下的电阻炉，铬镍合金具有如下特点：

（1）抗氧化能力强，主要是加热时其表面能生成一层Cr2O3薄膜，它可以保护内部的铬镍合金不受氧化。所以不需要任何保护气氛。

（2）电阻率约为1.11Ω·mm2/m，电阻温度系数为8.5×10-5℃-1～14×10-5℃-1。

（3）高温强度较高，1000℃时抗拉强度为58.8MPa。具有良好的加工性能，易于拉拔成丝和绕制。高温使用后不脆化，便于修复和焊接。

（4）有良好的抗氮气能力，使用寿命长。

（5）抗渗碳能力较差。

由于含镍，镍是比较稀少的金属，成本较高，一般应尽量少用。

2.铁铬铝合金

铁铬铝合金的熔点为1500℃左右，最高使用温度为1300℃～1400℃。铁铬铝合金具如下特点：

（1）加热后表面生成一层Al2O3保护膜，其熔点高，化学性质稳定。具有较强的抗渗碳性，耐硫及耐各种碳氢气体的侵蚀。(www.chuimin.cn)

（2）电阻率大，电阻温度系数小。

（3）高温下与酸性耐火材料及氧化铁反应强烈，故宜采用中性或碱性耐火材料，如氧化铝或高铝质耐火材料做支撑件。

（4）铁铬铝合金强度不大，1000℃时抗拉强度为19.6MPa。加工性能差，质地硬脆，可焊接性差，高温加热后变得更脆，不便修复。

（5）价格便宜，成本低。

3.碳化硅电热元件（又称：硅碳棒）

碳化硅是最常用的非金属电热材料，熔点为2227℃，硅碳棒长期使用温度约1350℃±50℃，它有如下特点：

（1）坚硬而脆，热稳定性好，高温下不易变形。

（2）化学性质稳定，各种酸蒸气不对硅碳棒起化学作用，碱、碱土、重金属氧化物、低熔点硅酸盐、硼酸盐等在高温时均会对硅碳棒起破坏作用。

（3）空气中的O2、CO2和水蒸气在高温时使硅碳棒氧化，表面生成一层SiO2薄膜。由于膜的电阻率比碳化硅大，硅碳棒在使用60～80h后，其电阻增加15%～20%，以后逐渐缓慢（这一现象称为老化）。若是间歇窑炉使用，由于SiO2薄膜和碳化硅的热膨胀系数不同，冷却时这层薄膜发生破裂而露出新的SiC表面，继续加热，新露出的SiC表面又被氧化。经多次使用，硅碳棒的电阻越来越大，最后不能使用。

（4）硅碳棒的物理性能见表6-1。

表6-1　硅碳棒的物理性能

硅碳棒的使用寿命在正常气氛下，炉温1400℃时，连续使用可达2000h，间歇使用为1000h左右。

硅碳棒常见形状一般制成如图6-1的形状。最常见是两端加粗的，如图（1）。加粗端称为冷端，用来穿过炉墙和连接电源。为了缩小炉墙引出孔直径，减少热损失，制造出了冷端和热端等直径的硅碳棒，如图（2）。为了克服在电炉上两端引出的困难，又出现了两根棒或三根棒连在一起的元件，如图（3）。

为了减小连接电阻，元件冷端外侧喷铝，通过卡箍与电源连接，有的硅碳棒为了增加电阻而制造成螺旋形，还有制成管形的。

图6-1　硅碳棒电热元件

4.二硅化钼电热元件（又称硅钼棒）

二硅化钼（MoSi2）熔点为2030℃，硅钼棒的最高工作温度为1700℃。它具有如下特点：

（1）具有很强的抗氧化能力，加热时，其表面生成一层气密性的SiO2玻璃膜，保护内部的MoSi2不被氧化，薄膜一旦损坏，会自动重新密封。

（2）电阻率随温度的升高几乎以直线关系迅速上升，这使加热功率有一定的自然控制，所以在一定的电压下，功率在低温时是高的，而随着温度的升高功率减小。这样既可以迅速达到所需的炉温，又能避免电热元件过热。

（3）硅钼棒在室温时既硬又脆，抗冲击强度低，抗弯和抗拉强度好。在高于1350℃时发生软化变形，并有延展性，伸长率为5%，冷却后又恢复脆性。所以，在安装硅钼棒时，必须使其与炉膛底砖、炉壁各留25～30mm的距离。

（4）硅钼棒特别适于空气和中性气氛（如惰性气体）中使用，它在各种气氛中最高使用温度见表6-2，在还原气氛中只能在1350℃以下使用。