碳化硅加热元件的计算和设计及其他加热元件的计算
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.加热元件的计算和设计
在电阻炉中,电能转换为热量发生在加热元件(加热器)中。加热器的操作通常在苛刻的条件下进行,通常在制造它的材料的极其允许的温度下进行。通常,加热器的使用寿命决定了整个炉子在维修之前的运行时间,因此从技术和经济角度来看,增加EPS加热器的使用寿命是一项重要任务。
决定加热器寿命的主要因素之一是它长时间工作的最高温度。加热器温度与负载之间的差异取决于传热条件。通过优化的设计选择和正确执行的加热器计算,这种差异很小,可以在炉子中实现相同的功率和温度,在较温和的模式下操作加热器。加热器材料在运行过程中的“老化”是由于其物理化学性质的变化,它可能是由氧化,合金化学成分的变化,真空喷涂等引起的。通常,加热器在达到极限状态之前很久就会因局部过热而失效材料。如果选择加热器温度,
加热元件的计算允许您:
- 最佳地将加热器定位在炉子中,从而减小其尺寸并合理地使用工作空间;
- 选择合理的电路连接加热器和供电电压;
- 选择具有成本效益的加热器设计及其横截面,提供最低的资金成本;
- 使用各种材料的加热器时评估资金和运营成本;
- 确定所选加热器的使用寿命或选择具有给定使用寿命的加热器。
^ 关于材料选择和加热器设计的建议
用于制造加热元件的材料必须满足下列要求:
- 具有足够的耐热性(抗水垢性) - 材料在热空气或其他气氛的影响下能够承受表面化学破坏的能力;
- 具有足够的耐热性 - 材料在高温下保持长期强度的能力;
- 具有大的电阻率r。为了将加热器放置在炉内,更方便的是具有较大横截面S和较短长度l的元件。此外,具有大横截面的加热器具有更长的使用寿命,并且具有给定的加热器电阻R.其长度越小,横截面越大,电阻率越高;
- 具有低温度系数的电阻。否则,需要变压器将加热器连接到网络,这允许在初始时刻加热器具有低温,因此具有低得多的特定电阻,以向炉提供降低的电压;
- 随着时间的推移具有恒定的电性能。材料随时间老化会增加其抵抗力。这使炉子的运行复杂化,因为需要具有大量电压范围的变压器。
用于加热元件炉的制造创造了各种能够在宽的温度下操作的材料范围高达3000 0C.在表中。2.1列出了部分温度的推荐温度和最高允许温度。通常,使用寿命为10,000小时的温度作为加热器的推荐工作温度,使用寿命为2000小时的温度被认为是最大允许温度。2.1可以看出,与间歇操作相比,相同材料的加热器具有更高的工作温度或更长的使用寿命。
表2.1 ^ 各种材料加热器的推荐和最大允许温度 [15]
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应注意,加热器的最大允许温度取决于其直径(或厚度)。在表中。图2.1显示了直径为3mm的金属合金丝的温度值。当使用直径大于6毫米的加热器时,最大允许温度可以增加50度,当加热器的直径减小到1毫米时,温度会降低50度。如果加热器的直径为0.2-0.4毫米,则最大允许温度应在工作台下方100-200度。
使用加热器的温度限制取决于其运行的气氛。
在设计电阻炉时选择用于加热器的材料,除了温度范围之外,还必须考虑加热器的特定操作条件,特别是其环境的化学组成。在表中。2.2显示了推荐的合金及其在各种气氛下工作时的极限使用温度。
表2.2
^ 推荐用于特殊环境的合金[15]
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镍铬合金是镍和铬的合金。工业生产含有15%至27%铬的合金。最普遍的合金含有20%的铬。镍铬合金结合了高的耐热性(高达1250 0 C)和显著电阻(1.05-1.40(欧姆毫米2)/ m)的熔化温度1370至1420年0 ℃,密度8200-8400千克/米3。镍铬合金在冷热方面具有足够的延展性,非常适合焊接和切割。半成品主要以线材和胶带的形式制成。由于镍铬合金具有小的电阻温度系数,因此加热器在加热炉子时不需要改变供电电压,因此可以在没有特殊变压器的情况下操作。
镍铬合金在表面形成氧化铬保护膜,使其可用于氧化气氛中。在卤素气氛以及碱性环境中,镍铬合金效率低下。镍铬合金是非磁性的。其主要缺点是成本相对较高。
Ferronihrom - 一种镍铬合金,其中大部分镍被铁代替,这有助于降低成本并增加合金的技术可塑性。耐热性ferronihroma至1200 0 C,至1.30电阻(欧姆*毫米2)/ M。
Chromal是铁与铬和铝的合金。生产铬的含量为23-27%,铝含量为5%。Hromal具有高耐热性,高的熔点(到1510 0 C),高比电阻1,3-1,47(欧姆毫米2)/ m和一个小的温度系数。其密度为7200 kg / m 3。Chromal比镍铬合金便宜。
该合金在室温和高温下具有令人满意的技术先进性。它是在空气中,亚硫酸和渗碳环境中更zharostoek,但变脆和易碎加热后,尤其是高于1000个0 C.修复加热器rabotavschih在温度高于1000 0C,实际上是不可能的。
Hromal磁体生锈,在温度高于1000 0 C与熟料衬里和铁的氧化物进行反应。
为了延长加热器在还原气氛中的使用寿命,首先必须在1100 ° C下在空气中工作2-3天来氧化
.Fehral是一种基于铁 - 铬 - 铝系统的合金。熔点14550 ℃,电阻率1.18-1.34(Ohm·mm 2)/ m,密度7300kg / m 3。Fechral在耐热性方面较差,但它比它便宜得多,并且在热变形和冷变形期间具有更高的技术延展性。
有关加热器的结论,根据工作温度,建议使用以下材料(表2.3)。
表2.3 ^ 推荐用于制造加热器引线的合金[15]
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您可以使用与加热器相同的材料作为结论,但这并不总是具有成本效益。
必须选择输出直径,使其横截面超过加热器本身的横截面至少3倍。
加热器由各自的部分组成,加热器的结论要素焊接在一起。应该记住,在加热的地方,铁 - 铬 - 铝合金变脆。在这方面,在运输或安装在炉子中时,可能发生故障。
加热器的弯曲应该是平滑的,没有抽搐。为了提高脆性合金的延展性,加热器可以通过燃气燃烧器加热弯曲,也可以使用电压为5-10V的变压器使电流通过它们。弯曲时的推荐温度为700-1000 0 C.
^ 金属加热器设计的建议
螺旋线加热器通常位于陶瓷架,带凹槽的陶瓷板或陶瓷管上。在设计这种加热器时,应该注意的是,螺旋t的节距与线d的直径之比必须至少为2.最大比率在表中给出。2.4。在螺旋加热器的制造中,必须仔细监测绕组的均匀性,因为在匝变厚的地方,加热器将显着过热,这导致其使用寿命降低。
表2.4 ^ 螺旋加热器的比率
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图。2.1。螺旋线加热器
Zigzag线加热器建议安装在特殊的瓷砖(d = 47 mm)或悬挂在金属耐热或陶瓷钩(销)上,如果d > 7 mm。表中给出了各种加热器设计
的最大锯齿形高度H. 2.5。炉膛加热器的锯齿形高度比炉壁上加热器的高度高20-30%。
图。2.2。锯齿形电线加热器
磁带锯齿形加热器可以作为电线之字形安装或平放在拱形和炉膛上的支撑上。
之字形加热器e的轴线与带b的宽度之间的距离之比必须至少为0.9。各种紧固带的方法的最大Z字形高度N在表中给出。2.6。
图。2.3。之字形带状加热器
^ 表2.5 线加热器的锯齿形高度
注。 分子是指由Cr-Ni合金制成的导线; 分母是Fe - Cr - Al合金丝。 |
表2.6 ^ 加热器之字形高度
注。分子指的是Cr - Ni合金带; 分母是由Fe - Cr - Al合金制成的带子。 |
^ 金刚砂加热器(ENT的)
碳化硅-基于碳化硅能够作为加热器在温度的氧化环境中操作高达1500的材料 0 ℃。在较高温度下,寿命急剧下降。加热器的运行模式对使用寿命产生很大影响。温度的突然波动显着影响其耐久性。即使窑内加热器温度的缓慢变化也会显着降低其使用寿命。
在还原气氛中,加热器的使用寿命低于空气。甲烷,丁烷和天然气由碳化硅加热器渗碳;因此,这些气体在炉内气氛中的含量不应超过2%。在氢气环境中,加热器的工作温度不超过1300℃0 C,同时有必要降低其允许的比表面功率。如果大气中的氢浓度小于20% - 功率降低40%,如果氢浓度大于20% - 则功率降低60%。
在750水蒸气0 C会减少阻力的ENT 2-3。含有氟,氯,溴和硫化合物的气氛会破坏加热器。
金刚砂的电阻率为809-1900(Ohm·mm 2)/ m,密度为2200-2300kg / m 3。感冒时,金刚砂是一种非常脆弱的材料。
另一种材料是碳化硅 - 硅质。它与碳化硅的不同之处在于SiC相的更大分散,这就是为什么硅铁加热器的推荐和最大允许温度低于碳化硅加热器的原因。
金刚砂和硅加热器以具有恒定或可变横截面的杆的形式制成,以及以螺旋切割的管的形式制成。在使用这种加热器的所有炉子中,必须提供加热时它们自由伸展的可能性。碳化硅的热膨胀系数为(5-6)·10 -6 K -1。
加热器的连接图和变压器的选择显着影响其使用寿命。加热器的并联连接是优选的,因为加热器组的电阻扩散受到的影响较小,并且在其中一个加热器发生故障的情况下,通常可以使用其他加热器继续该过程,而当串联连接时电路断开。然而,并联连接需要较低的电压,因此必须使用变压器。此外,当加热器并联连接时,供电电缆上的负载由于高电流而增加。通常使用并联 - 串联电路。
为了在加热器老化时最大限度地利用加热器的资源,与初始加热器相比,必须能够将工作电压增加2-2.5倍,为此变压器必须具有中间步骤,电压增加系数为1.1-1.2。
由于其低电阻,碳化硅加热器在高电流下工作;因此,应对电流供应施加相当严格的要求:它必须提供低接触电阻。
^ 二硅化钼(DM)
二硅化钼加热器设计用于在最高温度1700 0的氧化气氛中操作C.在较高温度下,DM迅速分解。但是,1450-1680 ℃的温度范围应被视为其合理操作的极限。在较低温度下,使用金刚砂或金属加热器在经济上是有利的。预氧化加热器可在氢介质中操作,温度高达1400 ℃ .DM加热器在一氧化碳,氩气,氮气和碳氢化合物的气氛中工作良好。不允许含有硫化合物和卤素的气氛。二硅化钼在高真空中不起作用。
最佳操作模式是当加热器的温度不低于1200 0时C.在周期性操作期间,发生保护性氧化膜的剥离,这导致加热器的寿命降低。危险的加热器是在500-1000下长时间曝光 0 ℃和1410至1460年0 C,T。K.字段在没有膜为SiO 2,则可能发生的MoSi分解2,其中所述加热器。
第一加热模式提供了对二硅化钼加热器的使用寿命的决定性影响。两个条件必须满足:
-快速(内2-3小时)来传递的温度范围内500-1000 0 ℃;
-在白天维持加热器在约1300的温度0 ℃。
每次用新的加热器更换加热器时必须满足这些条件。
DM加热器大多是U形的。通过在拱形或侧壁上的垂直悬挂(如果加热器引线弯曲90°)确保了这种设计的加热器的自由扩展。在某些情况下,加热器的水平安装更合理和经济。应该注意,在多于1350的温度来承担0 C,它们成为可塑的且易被偏转。二硅化钼的温度时直接与陶瓷载体接触不应超过1550 0 ℃。在较高的温度下,一氧化硅的保护膜2覆盖加热器可以粘附到陶瓷上。在文献中,建议将水平加热器放置在衬垫上,以相同的DM加热器的小段形式放置在陶瓷架上,间距为70-100mm。
在二硅化钼加热器的安装和操作过程中,应考虑它们在冷态下的极端脆性。
^ 难熔金属加热器
对于在惰性环境和真空下工作的EPS,使用难熔金属的加热元件:钨,钼,钽和铌。为了在氧化性环境用操作这些加热器不适合的,它们开始与大气中的氧气的氧化已经在200-300 .. 0 ℃,水蒸汽-在250-500 0C.二氧化碳在高于1000-1200的温度下氧化所述金属0 C. Nb和Ta的加热器不是在氢环境中运行,而W和Mo不与氢反应。钽积极吸收氮。
钨加热器在室温下非常脆弱,因此它们在加热状态下加工。在1400-1600的温度0 ç再结晶钨结构和变脆。
钼比钨更具塑性。厚度不大于0.5mm,可在室温下弯曲。加工前加热器较大直径被加热到200-700 0 C.钼再结晶在950-1200 0 C和脆化。
铌和钽是最具延展性的金属,它们可以锻造,冲压,弯曲而不需要加热。重结晶时,它们没有脆化。
W,Mo,Ta和Nb的电阻率高度依赖于温度(见表2.7),因此,炉子安装必须配备电源变压器,允许在运行期间调节加热器的电压。
表2.7 ^ 金属的电阻率
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^ 确定加热器的可允许的比表面功率从加热器
的单位表面分配的功率决定了它的温度,因此确定了该加热器在项目选择的条件下的可操作性。因此,比表面功率 W是加热元件设计中最重要的计算值。
通常,将计算的加热器的表面功率与理想加热器 W id的表面功率进行比较。理想的是指加热器形成两个带有负载的实心,平行,无限平面,只要衬里不参与传热并且传热是由于辐射引起的。
对于这种加热器,传热方程式为:,
(2.1)
其中c 0是完全黑体的发射率;
ε PR -减少系数加热器系统黑装载;
^ T n - 加热器温度;
T s - 加载温度。
我们在这种情况下,发射率:
(2.2)
其中ε 小号 -发射材料费;
ε Ñ -加热器的辐射率的材料。
为了计算^ W id在已知的炉子加载温度下,必须设定加热器温度。通常,T n比温度T c高 50-100度。用于制造加热器,坩埚,船等的各种材料的黑度在表中给出。2.8。
为了简化在工程计算[5,6,9],由诺模图W¯¯ 编号 = ˚F(Ť 编,Ť Ñ)为ε的情况下,ED =ε Ñ = 0.8。
与理想的加热器相比,真正的加热器不会以整个表面辐射到产品上:一些光线落在相邻的加热器和衬里上。可以假设真正的加热器向产品辐射热量而不是其全表面F n,而是仅具有一些条件有效表面。然后,实际加热器W D的允许表面功率将不同于理想加热器的表面功率:,
(2.3)
其中αeff是给定加热器系统的辐射效率系数;
α - [R -步骤系数;
α 一 -系数考虑到的依赖性W¯¯从减少的发射率到pr ;
α p -系数考虑到尺寸笼的影响。
系数εeff表征加热器系统的辐射效率在最小允许(由于结构原因)相对线圈距离,即对于最密集放置的加热器。各种加热器系统的系数αeff的值在表中给出。2.9。
^ 表2.8 某些材料的黑色因子
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表2.9 * 系数的值 α EFF 为不同的加热器系统
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系数α步骤克考虑到了特定表面匝间电力从相对距离的依赖性,,对于给定的加热器系统。在图中 2.4-2.6示出了用于找到α的曲线图- [R为不同的加热器系统。对于平行杆系统和螺旋加热器内部的产品,使用图2.5作为曲折线加热器。
所有其他几何比率对比表面功率几乎没有影响,因此在计算加热器时不考虑它们。
图。2.4。值α [R为一金属丝
螺旋加热器
图。2.5。值α [R用于电线
之字形加热器
图。2.6。ε的值[R带
锯齿加热器
系数α ,以考虑到降低的功率发射的特定表面的依赖性与PR。对于系统,当负载位于封闭的辐射表面内时,
(1.2.4)
其中F s是负载面向加热器的表面积;
F 物品 - 加热器占据的炉腔壁的表面积。
依赖性α 与从一个直的图。2.7。
系数α p考虑到负荷大小的具体的表面的功率值的影响。该系数的值被确定为比率的函数(图1.2.8)。当> 0.8,负荷大小的修正没有贡献(米。E.Α p = 1)。在<0.3时,比表面功率的确定导致加热器的温度升高。在这种情况下,考虑Ť 小号 “ Ť Ñ和校正α p和α Ç不采取。
图。2.7。依赖性α 与从一个直的
图。2.8。依赖性α p从
对于加热器,由二硅化钼的,存在的依赖性W¯¯ d由炉温可以使用的,省略的定义一个直,α EFF,α 克,α Ç,α p(图2.9)。
完成计算后,我们知道最大允许比表面功率^ W d,我们选择的加热元件的设计可以提供。该功率从加热器F n的实际表面辐射并且与其几何和电参数相关联。
^ 计算加热器的大小
当计算加热元件EPS在温度高于600操作0 ℃,从若干假设起源:
-整个电炉引起的网络容量损失^ Ñ Ñ矗立在以热的形式的加热元件,和电源电压û连续:
; (2.5)
- 加热器长度l不变,横截面S恒定,当炉子在给定温度模式下运行时,电阻率r 不变,则其电阻为
:(2.6)
-专用于加热器的能量是从所述加热器的表面传送的产品和砖石炉辐射˚F Ñ。加热器的表面功率:
。(2.7)
为了确定加热器的尺寸,有必要找出其几何和电气参数之间的关系。对于直径为d的圆形加热器(线,杆等),这些关系由等式描述
:(2.8)
; (2.9)
,(2.10)
其中M是加热器的质量;
r n是加热器材料的密度。
如果加热器由矩形截面与侧面的带材制成一个和一个,从而使一个 = 一个 · 米,然后
; (2.11)
; (2.12)
(2.13)
在方程(2.8),(2.9),(2.11),(2.12)中使用W作为允许的比表面功率,我们找到加热器质量的极限最小值。
一旦找到方程(2.8)或(2.11)d或井,有必要从材料可用各种各样拾取导线或带。为此,请选择最近的大尺寸。接下来,考虑到加热器的特定选定几何参数,有必要重复比表面功率的计算。
加热元件的几何尺寸的计算可用于比较使用一个或另一个加热器系统的经济可行性。例如,您可以通过计算加热器系统的几个选项来比较材料的资本成本; 可以比较用于接通加热器的各种电路的有效性,改变各相的电压和电阻; 您可以选择加热器在炉子工作区域的最佳位置,找到加热器长度和横截面的最佳比例; 可以选择电参数以达到给定厚度的加热器(给定寿命)等
。2.9。
DM加热器的允许比表面功率对炉温的依赖性:
^ 1 - 持续监管; 2 - 带继电器控制。
确定加热器的大致使用寿命。
在运行过程中,加热器“老化”,即改变其电气参数,最终导致需要更换它们。例如,对于由铬 - 镍合金制成的加热器,在它们在氧化气氛中操作期间,氧化层的厚度增加并且导电部分的面积减小。如果我们在时间上使氧化速率v ok恒定,则对于圆形加热器
,(2.14)
其中n是氧化层的横截面积与加热器的初始横截面积之比;
t - 加热器运行时间。
矩形横截面的胶带:
。(2.15)某些合金
的氧化速率v ok如图2所示。2.10。
加热器的建议预期寿命接收期间,加热器部分氧化的原面积的20%,即。E.当等于服务工作时间Ñ在等式(2.14)和(2.15)达到0.2。基于这种条件下,加热器寿命吨到等于:
-用于圆形加热器:
; (2.16)
-对于带式加热器:
。(2.17)
图。2.10。
各种合金的氧化速度对加热器温度的依赖性:
1 - X15H60; 2 - X25H20; 3 - X15H60-H; 4 - X20H80TZA;
5 - X20H80T; 6 - X20H80; 7 - Х20Н80-Í
由铁铝合金制成的加热器的使用寿命取决于其组成中铝浓度的降低。合金的最终状态是铝浓度降至1%时。为了确定吨与使用等式这些加热器
(2.18),
其中吨C1 -具有直径为1毫米的加热器的使用寿命。
对于矩形加热器,d表示等效直径d e等于:,
(2.19)
其中是加热器的横截面积; - 加热器横截面的周长。
在图中 2.11显示了许多铁 - 铬 - 铝合金的t c1值。
如果已知这些环境中的氧化速率,腐蚀,化学成分的变化和加热器材料的电特性,则可以通过相同的原理计算在各种环境中操作的加热器的使用寿命。许多金属合金在含碳介质中的腐蚀速率在[4]中给出; W,Mo,Nb和Ta在不同温度下在真空中的蒸发速率也可以在那里找到。
二硅化钼加热器的使用寿命通常可达10000小时,可连续控制,定期运行,由于热应力和SiO 2保护膜部分剥离,使用寿命缩短。金刚砂加热器的使用寿命为500至2000小时,其使用寿命取决于温度,操作方式和气氛。因此,例如,加热器的温度越高,其“老化”的速率越大,连续操作时的使用寿命远高于周期性操作,在还原气氛中工作会降低加热器的寿命。
从公式(2.16) - (2.18)可以看出,加热器的使用寿命越长,其直径或厚度越大。还应注意,具有大横截面的加热器的操作受制造它的合金中的缺陷的影响较小。
图。2.11。直径1毫米的线加热器的使用寿命
,取决于各种铁 - 铬 - 铝合金的温度:
1 - Х23Ю5; 2 - Х23Ю5Т; 3 - Х27Ю5Т
在选择加热器材料及其横截面时,它们通常面向工作条件,在此条件下其使用寿命约等于10,000小时。
^ 加热器的计算程序
计算EPS加热器的程序由任务的性质决定:源数据和计算目的。考虑许多可能的选择:
1。如果在计算加热器之前,进行炉子的热计算,则设计者知道加热器N的功率和它将位于的表面区域。在这种情况下,通常已知电源电压,这使得可以选择用于接通加热器的电路,因此,加热器U上的电压是已知的。
在这种情况下,加热器的计算从确定可允许的比表面功率W d开始。在该计算期间,选择加热器材料及其设计以在炉中提供必要的操作温度。然后确定加热器的电气参数,找到其几何尺寸,从行业提供的产品范围中选择特定尺寸。在计算结束时,检查将加热器放入炉中的可能性及其使用寿命。
使用此计算方案,建议计算加热器材料及其设计的几种可能选项,并选择最佳选项(出于经济或易用性的原因)。
如果比表面功率太高(高于允许值),导致加热器温度过高,那么通常它们会切换到工作温度较高的材料或使用炉内工作空间的自由表面来容纳更多F n更大的加热器。如果作为计算的结果,所选择的加热器不能放置在给定表面上或者如果太大,则建议切换到允许增加比表面功率的材料。通常可以通过从线加热器切换到带式加热器来解决这种困难。
2.在某些情况下,计算以相反的顺序进行:选择加热器的材料和质量,然后最大比功率大致由所选材料和部分推荐的温度决定。根据已知的炉子功率和计算出的W d确定加热器放置所需的表面积,然后设计炉子的工作空间及其隔热。
3.在比功率低的炉子中,加热器的选择不受炉子工作空间表面积的显着影响。在这种情况下,为了计算加热器,您可以设置加热器的经济可行的使用寿命(例如,1年或等于炉子的折旧期)和最有利的电气参数。
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