Нагреватели для печей
Высокотемпературные печи практически незаменимы на любом производстве. При помощи высокотемпературного нагрева производится обжиг, расплавка, закалка и прочая термообработка.
Основным узлом конструкции электропечи являются нагревательные элементы, которые могут быть металлическими с температурой нагрева до 1300 градусов или неметаллическими на основе карбида кремния или дисилицида молибдена с температурой нагрева до 1700 градусов.
Рассмотрим основные типы нагревателей для печей, их характеристики и особенности применения.
Разновидности печей и особенности высокотемпературного нагрева
Электрические печи сопротивления по технологическому назначению можно разделить на такие группы:
- Термические печи. Применяются для термообработки стекла, керамики, металлов, металлопластиковых изделий, металлокерамики и прочих материалов
- Сушильные печи. Используются для сушки покрытий, форм, эмалей, металлокерамических изделий, электродов и т.п.
- Плавильные печи. Для плавления хим. активных металлических сплавов, легкоплавких цветных металлов.
По температурной выработке печи разделяют на:
- Низкотемпературные печи. Температура работы до 650⁰С. Преимущественно используется конвекция, т.е циркуляция нагретого воздуха. Часто низкотемпературные печи снабжаются вентиляторами.
- Среднетемпературные печи. Температура работы от 650 до 1250⁰С. Значительная часть теплообмена осуществляется излучением, конвекции меньше. В среднетемпературных печах применяются металлические электронагреватели, такие как нихромовые и фехралевые спирали, керамические канальные ТЭНы.
- Высокотемпературные печи. Температура работы от 1250⁰С. Преимущественно теплообмен осуществляется от излучения, поэтому необходимости в вентиляции нет, зато необходимо размещать нагреватели в одной камере с изделиями. В данном типе печей используются в основном неметаллические нагревательные элементы из кремний-молибдена или карбида кремния, эти электронагреватели способны существенно менять свое сопротивление при нагревании в процессе работы печи.
Карбидокремниевые нагреватели для печей
Нагревательные элементы карбидкремниевые изготавливаются из гранул альфа-карбида кремния высокой чистоты, которые экструдируются в виде стержней или трубок, а затем соединяются друг с другом в процессе перекристаллизации, при температуре более 2500°C. Элементы карбидкремниевые (КЭНы) имеют центральную горячую зону и два холодных конца с низким удельным сопротивлением.
Процесс обжига обеспечивает создание стержней с сильными однородными связями между соседними молекулами, а распределение частиц по размерам строго контролируется, чтобы обеспечить оптимальную плотность и устойчивость к технологической атмосфере.
Температура работы: до 1620°С.
Нагревательные элементы из карбида кремния могут устанавливаться в печи либо вертикально, либо горизонтально, а так как материал остается жестким, даже на максимуме рабочей температуры, никаких специальных опор не требуется.
Карбидокремниевые нагреватели способны принимать значительно более высокие электрические нагрузки, чем металлические элементы, при этом их преимущество в производительности сохраняется как в непрерывных, так и в периодических нагревательных процессах.
Эти факторы могут привести к значительной экономии затрат на строительство печи, а также техническое обслуживание печей значительно упрощается. Элементы обычно могут быть заменены быстро, даже когда печь горячая, чтобы свести к минимуму время простоя.
Применение карбидкремниевых нагревателей
КЭНы используются в самых разнообразных печах, от небольших лабораторных печей до крупных промышленных нагревательных устройств, в различных атмосферах и температурных диапазонах.
Высокотемпературные нагреватели обеспечивают большую свободу при проектировании печи, что в сочетании с простой установкой и длительным сроком службы делает их предпочтительным выбором во многих областях применения, включая стекло, керамику, электронику и металлообрабатывающую промышленность, а также для исследований и разработок.
Ниже приведены примеры некоторых типичных печей, в которых карбидокремниевые нагреватели являются естественным выбором.
Дисилицид- молибденовые нагреватели
Высокотемпературные нагреватели дисилицид-молибденовые состоят из дисилицида молибдена (MoSi2) и оксидного компонента, в основном стеклянной фазы.
Это уникальный материал, сочетающий в себе лучшие свойства металлических и керамических материалов. Подобно металлическим материалам, он обладает хорошей теплопроводностью и электрической проводимостью, а также как керамика, он выдерживает коррозию и окисление и имеет низкое тепловое расширение. Он не подвержен тепловому удару и достаточно прочен, чтобы выдержать многолетнюю работу в качестве нагревательного элемента.
Максимальная температура 1700 ° C.
Нагревательные элементы данного типа способны противостоять окислению при высоких температурах. Это связано с образованием на поверхности тонкого и клейкого защитного слоя из кварцевого стекла. Когда MoSi2 реагирует с кислородом в атмосфере, образуется слой кварцевого стекла, и при этом тонкий слой силицида молибдена с более низким содержанием кремния Mo5Si3. Когда нагревательные элементы из дисилицида молибдена эксплуатируются при температуре около 1200 ° C, материал становится пластичным, в то время как при более низких температурах он становится более хрупким.
Удельное сопротивление дисилицид молибденовых нагревателей резко увеличивается с температурой. Это означает, что когда элементы подключены к постоянному напряжению, мощность будет выше при более низких температурах и будет постепенно уменьшаться с ростом температуры, таким образом сокращая время для достижения печи рабочей температуры. Кроме того, при уменьшении мощности элементов уменьшается опасность перегрева.
Сопротивление нагревательных элементов не изменяется из-за старения даже после длительной эксплуатации при высоких температурах. В течение первого периода времени наблюдается лишь небольшое снижение (≈ 5%).
Благодаря этим свойствам неисправный элемент может быть легко заменен без влияния на производительность других элементов, соединенных последовательно.
Применение дисилицид-молибденовых нагревателей
Характерным свойством печей, оборудованных кремний-молибденовыми нагревателями, является то, что поверхностная нагрузка на стенки печи может быть значительно выше, чем у металлических нагревателей.
Это связано с высокой максимальной рабочей температурой элементов из дисилицид-молибдена. Следовательно, время нагрева может быть значительно сокращено. Нагрузка на стену также зависит от того, как элементы установлены: вдоль стен или перпендикулярно.
Примеры размещения нагревательных элементов в печах можно посмотреть на иллюстрациях.
Металлические нагреватели для печей
Вполне естественно и очевидно, что нагревательные элементы для электропечей должны иметь высокие показатели жаропрочности, высокое удельное сопротивление, постоянство электрических характеристик и хорошую обрабатываемость.
Также очень важным фактором является доступная стоимость нагревателей.
Всеми описанными качествами обладают нагревательные элементы на основе железа, никеля, хрома и алюминия – нихромовые и фехралевые нагреватели.
Максимальная температура 1400 ° C
Нихромовые сплавы имеют высокую механическую устойчивость и длительный срок службы. Однако нихромовые нагреватели менее распространены в связи с высокой стоимостью материала и небольшим температурным диапазонам – нагреватели на основе нихромовых спиралей нагреваются не больше 1000 градусов.
Чаще всего оптимальным выбором нагревательного элемента для печи является фехралевая спираль, которая намного дешевле нихромовой. Фехралевые спирали, в зависимости от марки сплава и диаметра поперечного сечения проволоки, способны поддерживать максимальную температуру нагрева до 1400 °С. Рекомендуемая температура работы нагревательных фехралевых спиралей от 500 до 1300°С.
Однако же, у фехраля имеется и ряд недостатков. Спирали из этого материала являются более хрупкими, чем нихромовые. Также стоит учитывать при проектировании печи тот факт, что при нагреве происходит термическое удлинение спирали.
Футеровка электропечей с нагревательными элементами из фехраля должна исполняться из кирпича или обмазки содержащей глинозем, стандартная шамотная футеровка не подойдет.
Нагревательные элементы из фехраля имеют обычно спиральную, реже – ленточную конструкцию.
Диаметр сечения проволоки фехралевой нагревательной спирали для печей обычно составляет 2-6 мм, но бывают также и печи со спиралями из проволоки большего сечения.
Современные конструкции проволочных фехралевых нагревателей предполагают намотанные спирали на керамических трубках и стержнях.
Использование керамических трубок не только делает установку нагревательных спиралей более легкой задачей, но и продлевает срок службы нагревателей.
Для среднетемпературных печей с температурой до 1000 градусов также используются канальные керамические ТЭНы.
Эти электронагреватели представляют собой керамический литой корпус с открытой нагревательной спиралью из проволоки нихромового сплава.
Канальные ТЭНы очень удобны в установке, они могут изготавливаться как в стандартных размерах, так и под заказ с необходимыми вам параметрами под определенную печь.
Теплоизоляционные и комплектующие материалы для печей
Из-за присутствия в электропечах высокотемпературных зон, помимо стандартных материалов в конструкции используются специальные, обладающие высоким уровнем термоустойчивости. Комплектующие и расходные материалы для печей должны обладать уровнем термостойкости, соответствующим температурным зонам, в которых они будут применяться. К таким материалам относятся материалы для теплоизоляции, а также комплектующие для нагревателей.
Керамические одеяла для теплоизоляции печи
Керамические одеяла применяются в электропечах для понижения теплопотерь через наружные стенки.
Из-за этого материал для теплоизоляции должен иметь высокую огнеупорность и малый коэффициент теплопроводности.
Керамические одеяла представляют собой легкий рыхлый материал с максимальной температурой использования до 1400°С.
Дополнительные расходные материалы для нагревателей печей
Для подключения канальных ТЭНов и других элементов печи нужно использовать провода с высоким уровнем температуроустойчивости. Термостойкие провода в силиконовой оболочке из никеля могут выдержать температуры до 450 градусов.
Дополнительно улучшить температуростойкость и механическую прочность проводов можно за счет использования керамических изоляционных бусин из стеатита.
Для соединения термостойких проводов рекомендуем использовать термостойкие клеммные колодки, которые в широком ассортименте можно найти на нашем сайте в соответствующем разделе.