Материалы для электротермических установок

В ряде электротермических установок для нагревательных элементов применяют сплавы с высоким удельным электрическим сопротивлением, которые условно называют сплавами сопротивления.

К этим сплавам предъявляется ряд требований. Прежде всего, они должны обладать высокой жаростойкостью, т. е. взаимодействие их с компонентами атмосфер, в которых они работают, при высоких температурах должно быть как можно меньшим. Для снижения материалоемкости электрических печей сплавы должны обладать высоким удельным электрическим сопротивлением и высокими излучательными свойствами. Стабильность электрического сопротивления нагревательного элемента в процессе эксплуатации, а также небольшое и постоянное значение температурного коэффициента сопротивления позволяют использовать сплавы сопротивления в целом ряде случаев без регулирующих трансформаторов. Благодаря небольшому температурному коэффициенту линейного расширения упрощается размещение и крепление нагревательных элементов. Для сохранения формы нагревательного элемента в процессе работы материал должен быть достаточно жаропрочным. Поскольку нагревательный элемент работает в контакте с огнеупорными материалами, он не должен взаимодействовать с ними. Материал для нагревательных элементов должен обладать удовлетворительными технологическими характеристиками (пластичностью, свариваемостью и т. п.) и иметь невысокую стоимость.

Перечисленным требованиям наиболее полно удовлетворяют специально разработанные для нагревательных элементов сплавы сопротивления, которые можно разделить на две группы: никельхромовые и железохромоалюминиевые сплавы.

Основой никельхромовых сплавов служит никель или никель и железо, основными легирующими элементами являются хром, алюминий и кремний. Основой железохромоалюмиииевых сплавов является железо, основными легирующими элементами — хром и алюминий. Как в никельхромовые, так и в железохромоалюминиевые сплавы вводят микродобавки редкоземельных и щелочноземельных металлов, существенно повышающих жаростойкость сплавов, а следовательно, и срок службы нагревательных элементов. Наряду с легирующими элементами, обеспечивающими высокую жаростойкость сплавов, в них содержатся также и примесные элементы, попадающие в сплав с шихтовым материалом и в процессе плавки. К ним относятся сера и фосфор, оказывающие отрицательное воздействие па механические свойства металлов и снижающие жаростойкость материала.

Очень сильно снижает жаростойкость сплавов углерод. Повышение содержания углерода с 0,04—0,05% до 0,08—0,09% в Х23Ю5Т и Х27Ю5Т может снизить срок службы нагревательных элементов в 4— 5 раз.

Примесными элементами для железохромоалюминиевых сплавов являются также кремний и марганец, а для никельхромовых сплавов титан и марганец. Однако последние в пределах, допускаемых ГОСТ 10994-74, не вызывают значительного снижения жаростойкости.

Отечественная промышленность выпускает никельхромовые сплавы марок ХН20ЮС, Х15Н60, Х15Н60-Н, Х20Н80-Н, ХН60ЮЗ, ХН70Ю и Х15Н60ЮЗА и железохромоалюминиевые сплавы марок Х15Ю5, X23Ю5, Х23Ю5Т и Х27Ю5Т. Сплав Х15Н60 в связи с низкой жаростойкостью рекомендуется применять лишь в качестве реостатного материала (ГОСТ 10994-74).

Никельхромовые сплавы могут работать в контакте с шамотом любой марки, не взаимодействуя с ним. При температуре выше 1000 °С железохромалюминиевые сплавы могут работать в контакте лишь с высокоглиноземистыми огнеупорными материалами (с содержанием оксида алюминия не менее 60—70%). При меньшем содержании оксида алюминия и наличии оксидов железа в огнеупорном материале наблюдается химическое взаимодействие между нагревательным элементом и футеровкой в месте их контакта, в результате чего на поверхности нагревате­ля возникают легкоплавкие эвтектики, что приводит к образованию язв (кратеров) и перегоранию элемента. Нагреватели из любых сплавов разрушаются в печах с атмосферой, содержащей водород, при использовании футеровочных материалов или мертелей на фосфатных связках. Не рекомендуется применять нагреватели из сплавов сопротивления так­же в окислительной атмосфере в печах с футеровкой из огнеупорных бетонов на фосфатных связках.

Пластичность железохромоалюминисвых сплавов возрастает с увеличением температуры, и при температуре 800—1000 °С сплавы легко поддаются деформации. Однако при температуре 400—500 °С наблюдается зона хрупкости. При медленном охлаждении до комнатной температуры хрупкость сохраняется. Для ее устранения следует выдерживать металл при температуре 750-850 °С, а затем проводить закалку металла в воде. При нагреве до температуры 900—950 °С и выше проис­ходит быстрый рост зерна, приводящий к необратимому охрупчиванию металла. Железохромоалюминиевые сплавы не рекомендуется эксплуатировать в среде азота, так как алюминий с азотом легко образует нитриды, обедняя твердый раствор легирующим веществом, обеспечивающим жаростойкость сплава.

В вакууме при давлении до 10-2 Па для нагревательных элементов при температуре до 1150°С рекомендуется применять сплавы ХН70Ю, Х15Н60ЮЗА, Х20Н80-Н, при этом предпочтение следует отдавать спла­вам, дополнительно легированным алюминием (Х15Н60ЮЗА, ХН70Ю), поскольку скорость их испарения в вакууме ниже, чем у никельхромовых сплавов.

При выборе конструкции нагревателей следует учитывать, что места сварки обладают меньшей жаростойкостью, чем основной металл. Для железохромоалюминиевых сплавов сварные швы и околошовная зона обладают, кроме того, повышенной хрупкостью. При необходимости сварку следует вести аргонодуговым методом с нерасходуемым вольфрамовым электродом и присадочной проволокой из той же марки, что и свариваемый материал. Для нагревателей из никельхромовых сплавов, работающих при температуре ниже 1100°С, допускается ручная электро­дуговая сварка электродами марки ОЗЛ25 или ОЗЛ25Б. Приварку тонкой проволоки к выводам осуществляют контактно-конденсаторной сваркой. Токарную обработку сплавов рекомендуется вести резцами с пластинами из твердых сплавов.

Заключение

Применение электрической энергии для генерации тепла способно обеспечить следующие особенности и характеристики:

· Благодаря электротермии возможно сконцентрировать относительно большую энергию в относительно малых объемах, в результате чего можно добиться высоких температур, достижение которых невыполнимо или трудновыполнимо при других способах генерации тепла.

· Электротермия позволяет достичь больших скоростей нагрева и компактности электротермических установок.

· Присутствует возможность регулировать величину и распределение температуры в рабочем пространстве электропечи, благодаря чему возможно осуществить равномерный или избирательный нагрев и создать необходимые условия для эффективной автоматизации теплового и технологического процессов.

· В рабочем пространстве электротермических установок можно создать вакуум, благодаря чему можно использовать давление как фактор регулирования технологического процесса для вакуумных или компрессионных электрических печей. Также благодаря этому можно применять контролируемые атмосферы для защиты нагреваемых материалов и изделий от вредных воздействий воздуха.

· В электротермических установках отсутствуют дымовые газы, которые возникают вследствие сгорания топлива. Отсутствие дыма позволяет увеличить коэффициент использования тепла, то есть увеличить коэффициент полезного действия электротермических установок. Также этот фактор обеспечивает чистоту рабочего пространства электропечей от выхлопных газов нагара.

Электротермические установки имеют относительно высокую транспортабельность и простоту подачи электрической энергии.

Литература

1.Электрические печи сопротивления. Конструкции и эксплуатация электропечей сопротивления: В. С. Чередниченко, А. С. Бородачев, В. Д. Артемьев; под ред В. С. Чередниченко. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. - 572 с. +44 илл.-(Серия монографий "Современные электротехнологии". Т. 2.).

2. Электрические промышленные печи. Учебник для вызов. В 2-х ч.Ч.1.А.Д.Свенчанский, Электрические печи сопротивления. Изд.2-е, перераб. М., "Энергия", 1975.

3.Электрооборудование и автоматизация сельскохозяйственных агрегатов и установок. Учебник для вузов. Л.С. Герасимович, Л.А.Калинин, А.В.Корсаков, В.К.Сериков.- Москва. Изд-во «Колос», 1980.-390с.

Дата добавления: 2015-10-16