石墨制品真空爐電熱元件常用材料的性能對比分析

石墨制品真空爐電熱元件常用材料的功用對比分析
　　石墨制品真空爐電熱元件的材料分為金屬材料和非金屬材料。金屬材料包括鉬、鎢、鉭、鎳鉻合金等，非金屬材料包括石墨、碳化硅、二氧化鉬等，本文將對金屬材料的鉬、鎢、鉭和非金屬材料的石墨進行對比分析。
　　2.1、電阻率
　　材料不同，電阻率不同，跟著溫度的改動，電阻率將會產(chǎn)生改動。電阻與材料的電阻率、長度、截面積的聯(lián)系如下：
　　式中，R 為電熱元件的電阻，Ω；ρ 為材料的電阻率，Ω·mm2/m；L 為電熱元件長度，m；F 為電熱元件截面積，mm2。
　　在規(guī)劃石墨制品真空爐電熱元件的時分，為了確保真空爐電熱元件的額功率，使其能快速升溫，便于規(guī)劃設備和使其作業(yè)安穩(wěn)，咱們要求電熱元件電阻隨溫度改動較小，即要求電阻率安穩(wěn)。
    鉬、鎢和鉭隨溫度的升高，電阻率急劇升高，改動較大，而石墨隨溫度的升高改動較小，改動量只需10 % ~ 20 %。由此可見，石墨與其他三種材料比較，具有顯著的優(yōu)勢，電阻率安穩(wěn)。
　　2.2、電阻溫度系數(shù)
　　電阻溫度系數(shù)是影響材料電阻隨溫度改動的另一個重要參數(shù)，其值的大小直接影響電熱元件在不同溫度下的電阻值，電阻溫度系數(shù)越大，隨溫度升高，電阻的改動就越大，然后嚴重影響功率的安穩(wěn)性，然后使得電熱元件的作業(yè)變得極不安穩(wěn)。石墨、鉬、鎢、鉭的電阻溫度系數(shù)分別為：126×10-5 ℃、471×10-5 ℃、482×10-5 ℃、399×10-5 ℃，由此可以看出石墨的電阻溫度系數(shù)最小，而鉬、鎢、鉭的電阻溫度系數(shù)分別抵達了石墨的3 ~ 4 倍，由此可見，用石墨制作的電熱元件可以獲得安穩(wěn)的作業(yè)功用。
　　2.3、熱脹大系數(shù)
　　在真空熱處理爐電熱元件規(guī)劃時，熱脹冷縮是一個重要要素，因為它直接影響了電熱元件的壽數(shù)和運用功用，例如，在規(guī)劃電熱元件時，沒有為熱脹冷縮規(guī)劃預留空間或許預留空間過小，就會導致電熱元件受熱后接受較大的熱應力，或許電熱元件直接受力開裂，損壞電熱元件；相反預留空間過大，就會導致電熱元件難以固定設備，設備替換困難，因此要求電熱元件熱脹大系數(shù)盡可能的小，而且可以安穩(wěn)。為了得到四種材料的熱脹大程度，我選用了GD型系列電熱元件中外徑為20 mm 的電熱元件作為模型(GD 型電熱元件和數(shù)據(jù)參數(shù)如圖2 和表2 所示)，而且僅對發(fā)熱部進行了建模，選用ANSYS 有限元分析的方法對其分別在1 000 ℃和2 000 ℃的溫度下進行了仿真。
　　由分析效果咱們可以看到，石墨在高溫時的熱脹很多最少，在1 000 ℃時只需不到1.1 mm，2 000 ℃時也只需不到2.3 mm，而1 000 ℃時鉭棒的脹很多為5.2 mm，2 000 ℃時抵達了10.4 mm，簡直為石墨的5 倍。因此，單從熱脹大的視點來看，石墨確實具有非常大的優(yōu)勢，是一種很好的電熱元件材料
　　2.4、可加工性和高溫機械強度
　　鉬、鎢、鉭均為金屬電熱材料，他們都有堅固的質(zhì)地，鉬的硬度為5.5 HB，鎢為5 ~ 5.5 HB，鉭的硬度抵達了6 ~ 6.5 HB，可見，加工難度都很大；而且隨溫度的升高，硬度下降，高溫機械強度逐漸變差。而石墨是一種非金屬電熱材料，質(zhì)軟，硬度只需1 ~ 2 HB，非常簡略加工成型，而且2 500 ℃以下跟著溫度的升高機械強度不斷行進，在1 700 ~ 1 800 ℃抵達最佳。可見，石墨的可加工性和高溫機械強度均比其他三種好，這也是石墨成為電熱元件首選材料的原因之一。
　　2.5、其他要素
　　真空熱處理爐是一種通過輻射加熱的設備，因此電熱元件的輻射功用直接抉擇了電熱元件的功率和功用，而輻射才華取決于物質(zhì)的黑度，黑度越高，輻射才華越強，反之越弱，石墨的黑度為0.95、鉬為0.1 ~ 0.3、鎢為0.03 ~ 0.3、鉭為0.2 ~ 0.3，石墨最大。
　　其他，真空環(huán)境下各種材料都會加快蒸騰，而且跟著真空度行進，蒸騰程度相應地行進，構(gòu)成各自物質(zhì)的氣氛環(huán)境，約束了電熱元件的運用規(guī)模，例如石墨電熱元件在真空環(huán)境中蒸騰會構(gòu)成碳環(huán)境，要求不能滲碳或許不能和碳反應的熱處理就不能在這樣的加熱爐中進行。
　　材料的價格和是否豐富也常常是電熱元件材料選擇要考慮的要素，石墨是一種儲量豐富，價格低廉的材料，相比之下，鉬、鎢和鉭都顯得較為名貴。
　　本文通過理論分析和ANSYS 的仿真分析，具體真實地反映出了常用電熱元件材料的各種功用，而且通過辨證的觀念進行了比較，比較后發(fā)現(xiàn)，石墨確實具有其他電熱元件不能比較的優(yōu)勢，安穩(wěn)的電阻率、較低的電阻溫度系數(shù)、較小的熱脹大系數(shù)以及較大的黑度等利益都使得它成為了電熱元件材料的首選，但是因為石墨在常溫下硬度較低，因此常溫時石墨電熱元件簡略開裂損壞，在不易替換電熱元件的加熱爐中不宜運用。其他，石墨在真空環(huán)境下易蒸騰構(gòu)成碳環(huán)境，因此某些材料不能在這樣的真空爐中加工處理，一同要特別注意在選用支撐件和連接件時，要避免其與石墨反應。