В промышленности и наукоемких отраслях широко используются электрические печи сопротивления (ЭПС). Нагрев камеры в них производится на основе закона Джоуля-Ленца за счет пропускания электрического тока по нагревателю (проводнику) с высоким удельным (активным) сопротивлением, в результате чего электроэнергия трансформируется в тепловую, проводник нагревается и выделяет тепло в печную камеру. Печи имеют разное назначение и разные рабочие температуры, которые могут достигать 3000°C. Наибольшее распространение получили низко- и среднетемпературные печи косвенного нагрева с рабочими температурами до 600–650°C и до 1200–1260°C соответственно.
Материалы нагревателей для ЭПС
Материалами для нагревателей ЭПС чаще всего выступают прецизионные сплавы нихром и фехраль в виде нити, ленты, проволоки. Данный выбор обусловлен рядом требований к материалам, среди которых: жаростойкость и жаропрочность, высокое удельное сопротивление и малый температурный эффект сопротивления, постоянство физических и электрических свойств, хорошая обрабатываемость. Не последнюю роль играет и цена. Несмотря на то, что при равных параметрах нихромовая спираль из-за наличия в составе никеля стоит дороже, чем фехралевая спираль, стоимость готовых нагревателей из обоих материалов оптимальна с точки зрения их производительности, затрат на изготовление и монтаж.
Нихромовая проволока
Нихромовая лента
Рабочая температура нагревателей для низко- и среднетемпературных ЭПС
Нагреватели из нихромовой проволоки или ленты обычно используют для оснащения низкотемпературных печей. Чем выше в сплаве содержание никеля, больше диаметр проволоки и сечение ленты, тем выше рабочая температура нагревателя. Например, нагреватель из нихромовой нити марки Х15Н60 диаметром 0,2 мм может работать при температурах до 900°С, а из проволоки диаметром от 6 мм – до 1125°С. Нагреватели из сплава Х20Н80 при идентичных физических параметрах имеют значение рабочей температуры 950°С и 1200°С соответственно.
Железохромоалюминиевый сплав фехраль чаще применяют для нагревателей среднетемпературных печей. Так фехралевая нить марки Х23Ю5Т с диаметром от 0,2 мм способна нагревать воздушную среду в камере печи до 950°С, а проволока толщиной от 6 мм – до 1400°С и более. В схожих температурных пределах работает фехралевая проволока марки Х27Ю5Т. Рабочая температура в ЭПС регулируется изменением подводимой мощности к нагревателю. Регулировка выполняется плавно или дискретно в автоматическом режиме с помощью специальных контрольно-регулировочных приборов.
Классификация нагревателей ЭПС
Нагреватели ЭПС классифицируют по конструктивным признакам, которые определяются материалом, особенностями технологического процесса и способом установки в печи. Чтобы нагреватель обладал максимально возможным электрическим сопротивлением, он должен иметь большую длину, для чего производится навивка проволоки в спираль или изгибание зигзагом, а лента также укладывается в зигзагообразные пазы. Например, готовая нихромовая спираль во много раз короче проволоки из которой она изготовлена. Это не только обеспечивает нагревателю необходимое для эффективной работы удельное сопротивление, но и упрощает его размещение в своде печи.
Виды нагревателей
Выделяют три основных вида нагревателей открытого типа ( нагревателей работающих в воздушной среде):
- Проволочные спирали. Главное преимущество спиральных нагревателей – высокая мощность нагрева при компактных размерах. Благодаря своей конструкции нихромовая или фехралевая спираль превосходит другие типы нагревателей по удобству размещения в ограниченном пространстве и эффективности использования внутренней поверхности камеры печи при сохранении максимальной теплоотдачи.
- Проволочные зигзагообразные. Зигзагообразные нагревательные элементы из нихромовой и фехралевой проволоки считаются наиболее рациональными с точки зрения эксплуатационного расхода материала и величины удельной поверхностной мощности нагрева. Эксплуатационный расход обуславливается скоростью окисления (расхода) поверхности нагревателя за 1000 часов работы на 1 кВт установленной мощности. Зигзагообразные проволочные нагреватели превосходят изделия других типов по экономичности производства, и, соответственно, по себестоимости.
- Ленточные зигзагообразные. Зигзагообразные ленточные нагреватели изготавливаются из фехралевой или нихромовой ленты. Благодаря плоскому профилю ленточный нагреватель имеет большую теплоотдающую поверхность, механическую прочность, жёсткость и продолжительный срок службы. Ещё одним преимуществом этого типа нагревателей является простота и удобство монтажа в печах с камерами небольшого поперечного сечения. В числе недостатков – необходимость надежной системы подвешивания.
Производство нагревателей для ЭПС
Для производства спиральных нагревателей применяется нихромовая или фехралевая нить или проволока диаметром 0,2-15 мм в вытянутом виде, которая закручивается на станке в спираль. Витки укладываются вплотную. После снятия с оправки витки спирали немного раскручиваются, увеличиваясь на 1-3 мм до расчётного диаметра, затем их растягивают до нужного шага. При изготовлении проволочного зигзагообразного нагревателя нихромовая нить или проволока укладывается зигзагом с шагом 5-9 диаметров проволоки и высотой до 350-600 мм, в зависимости от ориентации в печи, при помощи несложного рычажного устройства или на специальном станке. Ленточный нагреватель изготавливается из ленты толщиной более 1 мм с высотой зигзага от 100 до 450 мм, по такой же технологии, как и проволочный.
Размещение и крепление спиральных и ленточных нагревателей в ЭПС
Типы креплений нагревателей
Электрические печи сопротивления отличаются большим разнообразием конструкций. Расположение нагревателей в них определяется не только внутренними размерами, но и методом загрузки и расположением объекта нагрева. В промышленных шахтных печах с большой высотой рабочей камеры, предназначенных для термообработки длинных изделий, проволочные и ленточные нагреватели размещают на боковых стенках. В печах с выкатным подом нагреватели размещают по своду камеры, на стенах и под подом. В элеваторных печах с низкой и широкой камерой, используемых для нагрева плоских заготовок, нагреватели устанавливают на своде и по поду печи.
Наиболее популярными способами крепления спиральных нагревателей в ЭПС является их намотка на керамических трубках, встроенных в свод, боковые стенки или в под камеры. Эти способы размещения спиральных нагревателей считаются универсальными, поскольку трубки без особых проблем могут быть установлены в любой части печи. Спиральные нагреватели широко применяют в электрокалориферах и в конвейерных печах с принудительной циркуляцией воздуха. Спираль зажимается между изоляторами или крепится на подвесах из керамики, свободно излучая тепло, при этом производится обдув спирали потоком воздуха от вентилятора.
Проволочные и ленточные зигзагообразные нагреватели при размещении на стенках печи или на арочном своде крепятся на металлические крюки из нихрома или жаропрочной стали, подвешиваются на керамические крюки или укладываются на полочки из керамики. В муфельных и трубчатых печах фехралевая или нихромовая проволока или лента наматываются непосредственно на муфель или трубку. Основание оснащено специальными пазами, предохраняющими нагреватель от ослабления и смещения при нагреве. В поду, а иногда и в своде камеры, нагреватели могут фиксироваться в пазах между кирпичами или на специальных керамических выступах, закладываемых в кладку.
