高溫真空爐中石墨加熱元件的應(yīng)用研究

高溫真空爐中石墨加熱元件的應(yīng)用研究

基于石墨材料的諸多優(yōu)良特性，真空爐中常使用石墨加熱元件，本文詳細(xì)將真空熱處理爐內(nèi)石墨加熱元件的各種結(jié)構(gòu)形式，以及設(shè)計(jì)、使用中的一些注意事項(xiàng)，為石墨加熱元件在真空爐行業(yè)的推廣使用提供參考。
　　常溫下，石墨的強(qiáng)度比金屬差，但是其機(jī)械強(qiáng)度在２５００。Ｃ以下隨溫度的上升而提高，在１７００～１８００。Ｃ時***佳，竟然超過所有的氧化物和金屬。石墨材料熔點(diǎn)高，蒸氣壓低，真空爐內(nèi)的氣氛會含有低濃度的碳，將與殘存氣體中的Ｏ：和Ｈ２０蒸氣分子產(chǎn)生反應(yīng)，產(chǎn)生凈化效果，即使在低真空度下，也能使被處理工件獲得光亮的表面狀態(tài)，大大簡化了真空系統(tǒng)，降低了成本，這是任何金屬電熱體所無法比擬的。由于石墨具有上述一系列的優(yōu)良特性，做為真空電阻爐的加熱元件，越來越受到熱處理行業(yè)的歡迎，在高溫電阻爐方面日益得到廣泛的應(yīng)用。

電流從兩端直接導(dǎo)入石墨棒，Ｌｌ為發(fā)熱部分，Ｌ２為接頭部分。為了增大發(fā)熱量，可以將石墨棒制成空心，由于不需要對中心部分加熱，因此可有效地利用電能?！畧D１***簡單的單相電熱體示意圖十：司班｝，”ｎｏｔ３ｃｔｒ如。ｒ－弋圖２單相加長結(jié)構(gòu)電熱體示意圖由于受到石墨坯料的***，不可能將接頭部分與工作部分做成整體，可按如圖２所示，分成幾部分制作，再用螺母把這幾部分聯(lián)接起來。設(shè)計(jì)時應(yīng)注意，由于石墨材料中有孔隙、雜質(zhì)、晶粒等缺陷，聯(lián)接應(yīng)選用粗牙螺紋，螺絲的內(nèi)徑應(yīng)大于加熱體工作部分．１９４．的直徑，刻螺紋的長度為螺絲直徑的１．５倍，保證連接處有足夠的導(dǎo)電面積，特別在使用大電流時，為改善螺紋聯(lián)接與電極接頭間的接觸，先用石墨膏涂在施緊的零件上，增大導(dǎo)電面積。

為廣泛應(yīng)用的單相管式加熱體，從管子的一端將它切開為兩個相等的部分，另一端不切開，這樣加熱長度等于增加了一倍，因而增大了電阻，同時為了增加加熱體的強(qiáng)度，加厚了加熱體切開一端的厚度。Ｌ－為發(fā)熱部分，Ｌ：為加厚部分，電熱體電阻等于上、下兩部分電阻之和。圖３單相管式加熱體示意圖圖４所示為三相管式加熱體，結(jié)構(gòu)與單相的相似，從管子的一端將它切開為三個相等的部分，另一端不切開，由三道間隙把它分為在端部按星形相連的電阻相同的三部分，Ａ、Ｂ、Ｃ為三相引出端。必要時，可根據(jù)阻值的需要，在每相上開一條或多條長槽形長縫，增大電阻值。圖４組合式棒狀加熱體示意圖



　?。保辰M合式棒狀加熱體管式加熱體多用在工作室為圓柱形的電阻爐上，由于材料尺寸的***，僅適用于小型高溫真空爐上。由于受到原材料尺寸的***，管式加熱體無法滿足大型熱處理爐的需求，而且整體加工不僅制造成本大，使用過程中局部出現(xiàn)損壞即整體報(bào)廢，使用成本大。圖５所示為新研制的組合式棒狀加熱體，適用于使用溫度１５００。Ｃ以下的真空爐。該結(jié)構(gòu)采用石組合式加熱器.jpg墨棒為加熱元件，由多個組件組裝而成，因而不受原材料尺寸的制約，加工容易，大大節(jié)約了制造成本。如果在使用過程中，由于碰撞、氧化、老化等原因出現(xiàn)零部件損壞時，可進(jìn)行局部零件的更換，維修方便，大大降低了使用成本。整個結(jié)構(gòu)主要由石墨加熱棒、石墨錐形卡套、石墨導(dǎo)電環(huán)、９９瓷絕緣連接環(huán)、石墨螺栓等組裝而成。石墨加熱棒為發(fā)熱元件，通過石墨錐形卡套，固定于上下兩端的石墨導(dǎo)電環(huán)上。石墨導(dǎo)電環(huán)、９９瓷絕緣連接環(huán)通過石墨螺栓連接，形成上下兩個完整的圓環(huán)，通過合理布置石墨加熱棒、石墨導(dǎo)電環(huán)、９９瓷連接環(huán)的數(shù)量及位置，使石墨加熱棒形成所需的串并聯(lián)回路，***后由電極引出棒連接，與外部電源相通，實(shí)現(xiàn)加熱的目的。ｃ△圖５三相管式加熱體示意圖



　?。保雌桨迨郊訜狍w圖６所示為平板式加熱體，是近幾年新采用的一種加熱元件。它具有制造方便，輻射面積大，可以承受較大的熱應(yīng)力等優(yōu)點(diǎn)。圖６平板式加熱體示意圖喂平板式加熱體主要使用在方形工作室內(nèi)，根據(jù)有效加熱區(qū)的尺寸可由一塊或幾塊組成串并聯(lián)形式。制作時將石墨坯料加工成板狀，再在上面開槽若干，形成回路，電極引出端Ａ、Ｂ處應(yīng)加厚處理。根據(jù)爐溫均勻性的要求，將平板式加熱體布置在爐內(nèi)的兩側(cè)面、項(xiàng)部及底部，形成方形工作室，可實(shí)現(xiàn)多面加熱的目的。



　　１．５石墨布及石墨帶加熱體石壤螺釘壓板石墨加熱帶連接柱圖７石墨帶固定方式示意圖近年來，用石墨纖維編織成石墨布或石墨帶來制作加熱元件，可采用多條帶并聯(lián)成單相、三相供電。與石墨相比，石墨布具有熱慣性小、不變形，柔性好等特點(diǎn)，不斷得到推廣使用。圖７所示為***簡單的一種石墨帶固定方式，元件更換方便。石墨纖維編織的尺寸，可根據(jù)電阻率的要求和爐膛空間布置的需要，進(jìn)行專門編織。



　　２．石墨加熱體的使用條件石墨加熱體的材料一般選用優(yōu)質(zhì)石墨或三高石墨，由于不同廠家生產(chǎn)的石墨坯料，其電阻率的差別很大，通常為８～１３ｆｌ·刪：ｎ可ｍ，設(shè)計(jì)時可暫時?。欤希欤臁椋碛?jì)算，待確定生產(chǎn)廠家后，通過適當(dāng)修正變壓器的電參數(shù)，使加熱系統(tǒng)的功率滿足設(shè)計(jì)要求。用石墨纖維編織制作加熱元件，電阻率為４．７ｆｌ·刪ｎ＿ｚ／ｍ。



　?。ǎ保┦訜狍w在電阻爐中的使用壽命取決于其氧化和揮發(fā)速度、表面功率、***高工作溫度等。當(dāng)真空度為１０。～１０．３Ｐａ時，工作溫度應(yīng)在２２００”Ｃ以下，如果加熱體需要在２２００℃以上工作時，爐內(nèi)必須保持低真空或向爐內(nèi)通入保護(hù)氣體，如Ｈ２、Ｎ２、Ｃ０２、ｍ等氣體，造成一定壓力以減小揮發(fā)，這樣使用溫度可達(dá)３０００”Ｃ左右…。



　　（２）石墨加熱元件的允許表面負(fù)荷值很大，約在４０～６０Ｗ／ｃｍ３，一般采用的石墨棒、管、板等元件的輻射面積都很大，其表面負(fù)荷值均很低，因此在設(shè)計(jì)石墨電熱元件時，可不考慮負(fù)荷的***。



　　（３）石墨在低溫時導(dǎo)熱性好，高溫時就下降為低溫的幾分之一，因此在加熱體中心與外表面間造成溫度差，溫度差引起加熱體內(nèi)部產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力…，故石墨加熱體的壁厚通常為８～１６ｍｍ，加厚部分壁厚為１６～３０ｍｍ。對于實(shí)心棒，當(dāng)石墨加熱棒的直徑超過日ｐ１２ｍｍ時，***好用石墨管代替，這樣不僅可以增加電阻值，增大輻射面積，提高熱效率，而且克服了實(shí)心棒在高溫時心部與外部溫度差過大易于損壞電熱元件的缺陷。



　?。ǎ矗┦訜嵩鳛檎婵諣t用電熱元件，電壓選擇不宜過高，否則會導(dǎo)致爐內(nèi)的真空放電或輝光放電，致使電熱元件受到損壞；如果電壓選擇的太低，就會增大電熱元件的電流，致使電熱元件的連接結(jié)構(gòu)困難且復(fù)雜，并且增大了電損耗。因此，元件的電壓應(yīng)在２００Ｖ以下，根據(jù)使用溫度及爐內(nèi)氣氛，電壓選擇在１７０～３０Ｖ之間較好幢１。



　　（５）石墨電熱元件電阻率隨溫度的變化不大，故一般不考慮電阻溫度系數(shù)，設(shè)計(jì)時根據(jù)電壓及功率的大小，選擇固定值的變壓器即可滿足使用。３．結(jié)論就石墨的某些性能來看，它既像金屬又像陶瓷，說它像金屬，是因?yàn)榫哂懈叩膶?dǎo)熱性和導(dǎo)電性，加工性能非常好；說它像陶瓷，則是因?yàn)榫哂卸嗫仔院托〉臒崤蛎浵禂?shù)，膨脹系數(shù)很小，近似為零。石墨有較高的電阻，因此可以在加熱體截面積較大的情況下采用低電壓大電流的電源，容易得到高溫，與真空爐常用純金屬材料鎢、鉬、鉭相比，價格便宜很多。