材料加热炉基础课件

1、第九讲 加热炉电热元件材料在电阻加热炉中，利用导体自身电阻通电产生的热量加热工件。这个导体可以是工件(如：工件直接通电加热)或加热介质（如：盐浴炉），也可以是用导体材料制作成的加热体或加热元件。电热材料的主要性能指标最高使用温度在干燥空气或加热气氛中材料表面可以承受的最高温度。一般要求电热元件最高使用温度应比炉膛最高使用温度至少高出l00左右电热元件要在高温下长期稳定地工作，必须具有优良的耐热性、足够的高温强度、不发生明显的蠕变和弯曲变形、不塌陷、不断裂、抗气氛腐蚀，并与耐火材料不发生物理熔渗，更不能发生化学反应。电热元件在最高使用温度下的寿命，或者在某一环境下的最高使用温度，与炉膛构造、元件

2、形状、断面大小、表面负荷、周围介质散热状况等有着十分密切的关系电热材料的主要性能指标电阻率及电阻温度系数保证功率输出当R、S不变时, t越大，则L越短，节省材料，便于安装。当R、L不变时, t越大，S越大，则电热元件的强度提高，寿命延长。过低电阻率的电热元件需要降低端电压，来设计截面尺寸和长度。较大电阻温度系数的电热元件在不同温度下发出功率的变化也越大，需要用变压器调节电压来稳定功率输出。电热材料的主要性能指标表面负荷电热材料在通电加热时单位表面所分担的功率电热元件的温度会处于稳定状态电热元件的温度会升高如果表面负荷选择较大时，电热元件的实际温度会较高，甚至超过使用温度，其寿命会缩短甚至熔断在

3、一定温度和加热条件下，电热材料存在一个所能承受的最大表面负荷，称为表面允许负荷或表面允许负荷功率。图1 电热元件发热与散热示意图影响电热元件的散热的因素均是电热元件表面负荷选择应考虑的因素，最高使用温度和表面黑度是电热材料的本征影响因素。在设计电热元件时，实际表面负荷一定要小于表面允许负荷。其数值的选取与电热元件采用的材料、规格、封闭程度、加工形状、支托元件的材料及元件使用气氛等有密切关系电热材料的主要性能指标热膨胀系数为了使电热元件在加热过程不会因为热膨胀而产生大的尺寸变化，要求作为电热材料，热膨胀系数愈小愈好。而对于较大热膨胀系数的电热材料，在设计安装电热元件时应留有充分的膨胀余地。高温强

4、度材料在高温下其结构强度均会大幅度降低，甚至软化而发生蠕变，电热材料也不例外。作为电热材料强度的基本要求是能够在高温下支撑自身重量，使其具有一定的尺寸和结构稳定性抗环境腐蚀性能1、电热元件除在空气中使用外，还有可能接触到以下不同类型的工作介质，如N2、H2、N2+H2、CO、CO2、CH4、SO2、SO3、S以及真空、耐火材料和绝热材料等。2、在高温下，不同的介质与电热合金材料会发生物理和化学作用，产生程度不同的侵蚀作用，缩短电热元件的使用寿命。3、为延长电热元件的使用寿命，必须了解环境介质与电热合金材料的作用机理，应当根据工作介质的特点来选择合适的电热合金材料。加工性能成本低，来源充足、符合

5、国情良好的加工成型性能便于安装及维修电热材料的种类电热合金的种类分类按其化学成分可分为：镍铬合金、镍铬铁合金和铁铬铝合金按照最高使用温度分为四个等级：超高温级电热合金、高温级电热台金、中温级电热合金、低温级电热合金。超高温级电热合金1、牌号有：Cr26Al7.5、Cr27A17Mo2，Cr24A16Re，Cr22A16CoRe和用粉末冶金方法炼制的Cr22A15.8、Cr23A16。2、最高使用温度为1400，它用于制造工作温度在12001300的单晶体扩散炉、粉末冶金制品烧结炉、陶瓷燃烧炉和高温热处理炉等的电热元件。高温级电热合金1、牌号有： Cr25A15、Cr21A16Nb、Cr23A1

6、6等。2、最高使用温度为1300，主要用与制造工作温度在11001200加热炉用电热元件，如：制造淬火、正火、退水、固溶处理等热处理炉以及铜、铝以及其合金熔化炉的电热元件。中温级电热合金1、牌号有： Cr30Ni70、Cr20Ni80，Cr23A15、Cr20A13、Cr19A15，Cr21A16等。2、最高使用温度为1100，主要用于制造工作温度为850950加热炉用电热元件，例如高温回火炉、熔铝炉等。低温级电热合金1、牌号有：Crl5Ni60、Cr20Ni30、Cr20Ni25、Crl3A14，Crl9A13等2、使用温度为950以下，主要用于制造上作温度在800750以下的加热炉用电热元

7、件，例如低温回火炉、烘干炉等。电热合金的性能指标电热合金的抗氧化性能合金氧化速度高低和形成氧化膜的致密性、均匀性高低这两方面镍铬系：NiCr2O4和Cr2O和镍铬铁系合金： (Ni,Fe,Cr)2O4 C和r2O3铁铬铝系：-Al2O3、-Al2O3和FeAl20电热合金氧化膜及其结构同样是随温度而改变。预氧化处理可以提高电热合金抗氧化性环境介质对电热合金的作用含碳还原性气氛含氢气气氛含氮气氛含硫介质卤族元素真空气氛制陶炉气和耐火材料电热合金的性能指标最高使用温度最高使用温度是一个受到多种因素影响，包括：合金的化学成分、电热元件的形状和尺寸、电热合金材料尺寸、使用的环境条件、电热元件的表面功率

8、负荷等。电热合金材料及尺寸,mm0.150.400.410.951.03.03.0 b1.5Cr24Al6ReC27Al7Mo2C13Al6Mo2Cr23Al5.5Cr25Al5ACr25Al5Cr17Al5Cr19Al3Cr13Al410001100110011501000105095010509501050925100090092585090075077511001200115012001050110010501150105011501000107592595090010007507751200130012001250110011501150120011501200107511509509

9、7510001050800825130013501250130011501200120012501200125011501200975100010501100825850Cr30Ni70Cr20Ni80Cr15Ni60Cr20Ni3592597590095090092587590097510259501000925950875900102510751000105095097590092510751125105011009751000925950表6-11 铁铬铝和镍铬电热合金不同尺寸的最高使用温度（在干燥的空气中）, 工作环境工作介质铁铬铝系合金镍铬、镍铬铁系合金超高温级高温级中温级低温级镍铬

10、类镍铬铝类干燥空气潮湿空气氢气氮气氨分解气弱还原气强还原气城市煤气二氧化硫硫化氢烧瓷空气卤素气体真空N2、O2N2、O2、H2OH2:100%N2:100%H2:75%,N2:25%H2:10%15%CO:5%7%CO2:5%6%H2:30%40%CO:20%30%N2:余量SO2：100%H2S:1005CO、SO2、Cl2F、Cl、Br、I1.33Pa1350140011501200135014001000105012501300120012501150120095010501050110010501100130013501200125012501300115012001250130095

11、010001150120011001150105011008509509501000950100012001250110011501000110090095010001100750850850950850950800900800900800900800900900100085095075085085095070080070080070080065075065075065075065075080090010001100100010501000105010501100950100010001050900950850900800850800850450500100011009501000950100

12、095010009501000950100095010009009507508007007507007504004509501000表6-12 电热合金在不同工作环境下的最高使用温度(d3.0mm)，高熔点纯金属材料1、高熔点纯金属材料有贵金属 (如钽、铂等)和重金属 (如钨、钼等)。2、熔点高、蒸汽压低，可加工成丝、带或者筒，作为炉温1000的高温炉电热元件。3、除铂可以在1500空气中作为电热材料使用外，其它金属必须在保护气氛（如：氢气、氨分解气、惰性气体）或真空气氛中使用。钼1、在真空条件下，最高使用温度为1650，保护气氛中可达2000；2、在高温下与耐火材料接触时会起化学作用。在12

13、00以上与石墨反应强烈，生成碳化钼。1900时钼与Al2O3起作用，也与ZrO2、BeO及MgO等起作用。所以为了避免钼与耐火材料接触，最好设置支撑或钩子来支持电热体；3、钼的电阻温度系数较大，t=5.510-3，必须配备电压调节范围很宽的调压装置。钼1、在真空条件下，最高使用温度为1650，保护气氛中可达2000；2、在高温下，钨要避免与耐火材料相接触。虽然在真空度为1.3310-2Pa的情况下，钨在1600时也会与ZrO2发生作用。钨在1900以上与Al2O3起作用。在2000与MgO和BeO起作用；3、钨的电阻温度系数也较大，t=5.510-3，使用时也要用变压器来调节。4、钨是贵重金属

14、，可用钨作电热体，一般只用于小型的实验炉子。铂1、在高温空气中不氧化，可制作12001600高温电热元件。 ；2、由于铂铑合金稀缺，这样的电炉多用于实验室，少数在小规模的生产中使用；3、钨的电阻温度系数也较大，使用时也要用变压器来调节。4、使用铂及铂铑合金作为电热元件是高温氧化性气氛中使用的理想电热材料。非金属电热材料碳化硅目前商用的碳化硅电热材料主要成分为碳化硅：94.4%，SiO2：3.6%，其余为少量的铝、铁、氧化钙等。熔点2227，使用温度为140050,最高使用温度为1500。图6-4 硅碳棒电阻随其表面温度的变化图6-5 碳硅棒电阻随使用时间的变化电阻变化直径变化老化与更换非金属电

15、热材料二硅化钼二硅化钼(MoSi2)电热体是用粉末冶金法经挤压，烧结而成，称为硅钼棒。它具有耐氧化性高温，且不明显老化。最高使用温度可达17001800，在高温下允许较高的表面负荷。图6-6二硅化钼电热体的电阻特性1、硅钼棒特别适用于空气和中性气氛(如惰性气体)中使用，MoSi2电热体也可在非氧化气氛中使用。2、硅钼棒适宜于氧化气氛中使用。在炉温1500时，电热体表面最大允许功率负荷不超过15W/cm2。2、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。元件在高于1350时发生软化变形，并有延展性，伸长率5%，冷却后又恢复脆性。所以，必须注意使电炉体与炉膛底砖、炉壁各留2530mm的

16、距离。炉内气氛元件最高温度,炉内气氛元件最高温度,惰性气体(He、Ne、Ar)氧气氮气二氧化碳一氧化碳16501700150017001500二氧化氮湿氢,露点10干氢二氧化硫1700140013501600表6-18 硅钼棒在各种气氛中的最高使用温度非金属电热材料石墨1、使用温度可达20002500，最高3000。加工容易，价格便宜。由于石墨有较高的电阻，可以在增加截面尺寸的情况下，采用低电压大电流的变压器供电，此时电热体导电截面面积较大。2、石墨电热体适于在中性和还原性气氛中使用。3、石墨电热体的寿命取决于炉内氧浓度，炉内气氛及挥发条件、表面功率、最高工作温度等因素。在真空使用时，一般最高

17、温度在2200以下。如果加热体需要在2200以上工作时，最好用低真空或在炉中加入中性气体，造成一定压力以减少挥发。铬酸镧1、可在高温氧化性气氛中稳定工作。电率较大，电阻温度系数较小，元件表面温度可达到1900，适于炉温15001800氧化气氛电阻炉作电热体。2、该电热体的电阻系数和硅碳棒的电阻系数非常相似。在16001800使用表面功率宜选择在1310W/cm2，短期使用可选择在2016W/cm2 。3、在高温使用过程中，随着LaCrO3晶粒逐渐长大而老化。在17001800的电炉内，使用寿命为20003000h。此时，在LaCrO3的晶界中可看到生成的La2O3。氧化锆1、氧化锆具有负的电阻

18、温度系数，在低温下为绝缘体，随温度升高电阻率逐渐减少，1100后成为电阻较大的导体，1500变为良导体。2、氧化锆电热体在2000长期连续保温后电阻基本保持稳定。实际使用中，用控制电流密度的方法控制电热体的表面温度。材料名称密度g/cm3 20时的电阻mm2/m电阻温度系数1/平均线膨胀系数1/平均比热容(kJ/(kg)热导率W/(m)熔点最高使用温度Cr20Ni808.41.118.810-51.410-50.44016.7514001100Cr15Ni808.151.101410-51.310-50.46112.56139010001Cr13Al47.41.261510-51.5410-50.49014.6514509500Cr25Al57.11.40510-51.610-50.49512.7915001250Cr25Al57.191.42510-513000Cr13Al6Mo27.21.407.2510-51.5610-50.49413.61150013000Cr27Al7Mo27.11.5-0.6510-51.6610-50.49412.56152014000Cr25Al6Re7.1