Нагрівачі. Методика та приклади розрахунку

На сторінці представлена ​​лише витримка зі статті"Нагрівачі. Методика та приклади розрахунку".

Калькулятор нагрівачів електричних печей

Результати розрахунку

Дуже часто за бажання зробити або відремонтуватинагрівач електропечі своїми руками у людини виникає багато питань. Наприклад, якого діаметра взяти дріт, яка має бути її довжина або яку потужність можна отримати, використовуючи дріт або стрічку із заданими параметрами і т.д. При правильному підході до вирішення цього питання необхідно враховувати досить багато параметрів, наприклад силу струму, що проходить черезнагрівач, робочу температуру, тип електричної мережі та інші.

У цій статті наводяться довідкові дані про матеріали, найбільш поширені при виготовленні нагрівачівелектричних печей, а також методика та приклади їх розрахунку (розрахунки нагрівачів електричних печей).

Нагрівачі. Матеріали для виготовлення нагрівачів

Вимоги до нагрівачів

Матеріали для виготовлення нагрівачів

Найбільш підходящими і найбільш використовуваними у виробництві нагрівачів для електропеч єпрецизійні сплави з високим електричним опором. До них відносяться сплави на основі хрому і нікелю (хромонікелеві ), заліза, хрому та алюмінію (залізохромоалюмінієві ). Марки та властивості даних сплавів розглянуті в ГОСТ 10994-74 «Сплави прецизійні. Марки» . Представниками хромонікелевих сплавів єніхром марок Х20Н80, Х20Н80-Н (950-1200 °С), Х15Н60, Х15Н60-Н (900-1125 °С), залізохромоалюмінієвих -феокра2 950-1400 ° С), Х27Ю5Т (950-1350 ° С), Х23Ю5 (950-1200 ° С), Х15Ю5 (750-1000 ° С). Також існуютьзалізохромонікелеві сплави - Х15Н60Ю3, Х27Н70ЮЗ.

Перераховані вище сплави мають хороші властивості жароміцності та жаростійкості, тому вони можуть працювати при високих температурах. Хорошужаростійкість забезпечує захисна плівка з окису хрому, що утворюється на поверхні матеріалу. Температура плавлення плівки вище температури плавлення безпосередньо сплаву, вона не розтріскується при нагріванні та охолодженні.

Наведемо порівняльну характеристику ніхрому та фехралі.Достоїнства ніхрому:

  • хороші механічні властивості як за низьких, і при високих температурах;
  • сплав крипостійкий;
  • має хороші технологічні властивості – пластичність та зварюваність;
  • добре обробляється;
  • не старіє, немагнітний.
Недоліки ніхрому:
  • висока вартість нікелю – одного з основних компонентів сплаву;
  • нижчі робочі температури порівняно з фехраллю.
Достоїнства фехралі:
  • більш дешевий метал проти ніхромом, т.к. не міститьнікель ;
  • володіє кращою в порівнянні з ніхромом жаростійкістю, наприклад, фехраль Х23Ю5Т може працювати при температурі до 1400 ° С (1400 ° С - максимальна робоча температура для нагрівача з дроту Ø 6,0 мм і більше; Ø 3,0 - 1350 ° С; Ø 1,0 - 1225 ° С; Ø 0,2 - 950 ° С).
Недоліки фехралі:
  • тендітний і неміцний сплав, дані негативні властивості особливо сильно виявляються після перебування сплаву при температурі понад 1000 °С;
  • т.к. фехраль має у своєму складі залізо, то даний сплав є магнітним і може іржавіти у вологій атмосфері за нормальної температури;
  • має низький опір повзучості;
  • взаємодієз шамотним футеруванням та оксидами заліза;
  • під час експлуатації нагрівачі із фехралі суттєво подовжуються.
Також порівняння сплавівфехраль ініхром проводиться у статтіПорівняння сплавів фехраль та ніхром.

Останнім часом розроблені сплави типу Х15Н60Ю3 та Х27Н70ЮЗ, тобто. з додаванням 3% алюмінію, що значно покращило жаростійкість сплавів, а наявність нікелю практично виключило недоліки, що є у залізохромоалюмінієвих сплавів. Сплави Х15Н60ЮЗ, Х27Н60ЮЗ не взаємодіють з шамотом і окислами заліза, досить добре обробляються, механічно міцні, некрихкі. Максимальна робоча температура сплаву Х15Н60ПЗ становить 1200 °С.

Крім перерахованих вище сплавів на основі нікелю, хрому, заліза, алюмінію для виготовлення нагрівачів застосовують інші матеріали: тугоплавкі метали, а також неметали.

Серед неметалів виготовлення нагрівачів використовують карборунд, дисиліцид молібдену, вугілля, графіт. Нагрівачі з карборунду та дисіліциду молібдену використовують у високотемпературних печах. У печах із захисною атмосферою застосовують вугільні та графітові нагрівачі.

Серед тугоплавких матеріалів як нагрівачі можуть використовуватисявольфрам,молібден, тантал і ніобій. У високотемпературних вакуумних печах та печах із захисною атмосферою застосовуютьсянагрівачі з молібдену тавольфраму. Молібденові нагрівачі можуть працювати до температури 1700 ° С у вакуумі та до 2200 ° С – у захисній атмосфері. Така різниця температур обумовлена ​​випаровуванням молібдену при температурах вище 1700 ° С у вакуумі. Вольфрамові нагрівачі можуть працювати до 3000 °С. В особливих випадках застосовують нагрівачі з танталу та ніобію.

Розрахунок нагрівачів електричних печей

Зазвичай як вихідні дані длярозрахунку нагрівачів електричних печей виступають потужність, яку повинні забезпечувати нагрівачі, максимальна температура, яка потрібна для здійснення відповідного технологічного процесу (відпустки, загартування, спікання і т.д.) і розміри робочого простору електричні печі. Якщо потужність печі не задана, її можна визначити за емпіричним правилом . В ході розрахунку нагрівачів потрібно отримати діаметр і довжину (для дроту) або площу перерізу і довжину (для стрічки), які необхідні для виготовлення нагрівачів.

Також необхідно визначити матеріал, з якого слід робитинагрівачі (цей пункт у статті не розглядається). У цій статті як матеріал для нагрівачів розглядається хромонікелевий прецизійний сплав з високим електричним опороміхром Х20Н80, який є одним з найпопулярніших при виготовленні нагрівальних елементів.

Визначення діаметра та довжини нагрівача (ніхромового дроту) для заданої потужності печі (простий розрахунок)

Мабуть, найбільш простим варіантомрозрахунку нагрівачів з ніхрому є вибір діаметра і довжининіхромового дроту при заданій потужності нагрівача, напруги живлення, а також температури, яку буде мати нагрівач. Незважаючи на простоту розрахунку, у ньому є одна особливість, на яку ми звернемо увагу нижче.

Приклад розрахунку діаметра та довжини нагрівального елемента

Вихідні дані:Пристрій потужністюP= 800 Вт; напруга мережіU= 220 В; температура нагрівача 800 °C. Як нагрівальний елемент використовується ніхромовий дріт Х20Н80.

1. Спочаткунеобхідно визначити силу струму, яка проходитиме через нагрівальний елемент:I = P / U= 800 / 220 = 3,63 А.

2. Тепер потрібно знайти опір нагрівача:R = U/I= 220/3,63 = 61 Ом;

3. Виходячи зі значення отриманої в п. 1 сили струму, що проходить через хромовий нагрівач, потрібно вибрати діаметр дроту. І цей момент є важливим. Якщо, наприклад, при силі струму 6 А використовувати ніхромовий дріт діаметром 0,4 мм, то він згорить. Тому, розрахувавши силу струму, необхідно вибрати з таблиці відповідне значення діаметра дроту. У нашому випадку для сили струму 3,63 А та температури нагрівача 800 °C вибираємо ніхромовий дріт з діаметромd= 0,35 мм і площею поперечного перерізуS= 0,096 мм2.

Загальне правило вибору діаметра дроту можна сформулювати наступним чином: необхідно вибрати дріт, у якого допустима сила струму не менша, ніж розрахункова сила струму, що проходить через нагрівач.З метою економії матеріалу нагрівача слід вибирати дріт з найближчою більшою (ніж розрахункова) допустимою силою струму.