高溫真（zhēn）空爐中石墨（mò）加熱元件的應（yīng）用研究

高溫真（zhēn）空爐中石墨加熱元件的應用研究

基於石墨材料的諸多優良特性，真（zhēn）空爐中常使用石墨加熱元件，本文詳細將真（zhēn）空熱處理（lǐ）爐內（nèi）石墨加熱元件（jiàn）的各種結構形式（shì），以及設計、使用中的（de）一些注意事項（xiàng），為（wéi）石墨加熱元（yuán）件在真空爐行業的推廣使用提供參考。
　　常溫下，石墨的強度比金屬差（chà），但是（shì）其機械強度在２５００。Ｃ以（yǐ）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（liào）熔點高，蒸氣壓低，真空爐內的氣氛會含有低濃度的碳（tàn），將與殘（cán）存氣體中的Ｏ：和Ｈ２０蒸氣分子產生反（fǎn）應（yīng），產生淨化效果，即（jí）使在低（dī）真空度下，也能使被處理工件獲得（dé）光亮（liàng）的表麵狀態，大大簡化了真空係統，降低了成本（běn），這是任何金屬電（diàn）熱體所無法比擬的。由於石墨具有上（shàng）述一係列的優良特性，做為真空電阻爐的加熱元件，越來越受到（dào）熱處理行（háng）業的歡迎，在高溫電阻（zǔ）爐方麵日益得到廣泛的應用。

電（diàn）流從兩端直接導入石墨棒，Ｌｌ為發熱部分，Ｌ２為接頭（tóu）部分。為了增大發熱量，可以將石墨棒製成空心，由於不需要對（duì）中心部分加熱，因此可有效地（dì）利用（yòng）電能。‘圖１***簡（jiǎn）單的單相電熱體（tǐ）示意圖十：司班｝，”ｎｏｔ３ｃｔｒ如。ｒ－弋圖２單相加長結構電熱體示意圖由（yóu）於受到（dào）石墨坯料的（de）***，不可能將接（jiē）頭部分與工作部分做成整體（tǐ），可按如圖２所示，分成幾部分製作，再用螺母把這（zhè）幾部分聯接起來。設計時應注意（yì），由於（yú）石墨材料（liào）中有孔隙、雜質、晶粒等缺陷，聯接應選用粗牙螺紋，螺絲的內徑（jìng）應大於加熱體工作部分．１９４．的直徑，刻螺（luó）紋的（de）長度為螺絲（sī）直（zhí）徑（jìng）的（de）１．５倍，保證連接處有足夠的導電麵積，特別在使用大電流時，為改善螺紋聯（lián）接與電極接頭間的（de）接觸，先用石墨膏塗在施緊的零件上，增大導電麵積。

為廣泛應用的單相管式加熱體，從管子的一端將（jiāng）它切開為兩個相等的部分，另一端不切開，這樣加（jiā）熱（rè）長度等於增加了一倍，因（yīn）而增大了電（diàn）阻，同時（shí）為了增加（jiā）加熱體的強度，加厚了（le）加熱體切開一端的厚度。Ｌ－為發熱部分，Ｌ：為加厚部分，電熱體電阻等於上（shàng）、下兩部分電阻之和。圖３單（dān）相管式加熱體示意圖圖（tú）４所示為三相管式加熱（rè）體，結構與單相的（de）相似，從管子的一（yī）端將它切開為三個相等的部分，另一端不切（qiē）開（kāi），由三道間隙把它分為在端部按星形相連的電阻相同（tóng）的三（sān）部（bù）分，Ａ、Ｂ、Ｃ為三相引出端。必要時，可根據阻值的需要，在每相上開一條或多條（tiáo）長槽形（xíng）長縫，增大電阻值。圖４組合式棒狀加熱體（tǐ）示意圖



　　１．３組合式棒狀加熱體管式加熱體多（duō）用在工作室（shì）為圓柱（zhù）形的電阻爐上（shàng），由於材料尺寸的***，僅適用於小型高溫真空爐上。由於受到原材料（liào）尺寸的***，管式加熱體無法滿足大型（xíng）熱處理爐的需求，而且整體加工不僅製造成本大，使用過程中局部出現損壞即整體報廢，使用（yòng）成本大。圖５所示（shì）為新研製的組合式棒狀加熱體，適用於使用（yòng）溫度１５００。Ｃ以下的真空爐（lú）。該結構采用石組（zǔ）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製約，加工容易，大大（dà）節約了製造成本。如果（guǒ）在（zài）使（shǐ）用過程中，由於碰撞、氧化、老化等原因（yīn）出（chū）現零部件（jiàn）損壞（huài）時，可進行局部零件的更換，維修方便，大大降低了使（shǐ）用成本。整個結構主要由（yóu）石墨（mò）加熱棒、石墨錐形卡套、石墨導電環、９９瓷（cí）絕緣連接環（huán）、石（shí）墨螺栓等組裝而成。石墨加熱棒為發熱元件，通過石墨錐形卡套，固定於上下兩端（duān）的石墨導電環上。石墨導（dǎo）電環、９９瓷絕緣連接環通過石（shí）墨螺栓連接，形成（chéng）上下兩個完整的圓環，通過合理布置石墨加熱（rè）棒、石墨導電環、９９瓷連接環的數量（liàng）及位置，使石墨加熱棒形成所需的串（chuàn）並聯回路，***後由電極引（yǐn）出棒連接，與外部電源相通，實現加熱的目的（de）。ｃ△圖５三相管式加熱體（tǐ）示意圖



　　１．４平板式加（jiā）熱體圖６所示為平板式加熱體，是近幾年新（xīn）采用的一（yī）種加熱（rè）元件。它具（jù）有製造方便，輻射麵積大，可以承受較大（dà）的熱應力等優點。圖６平板式加熱體示意圖喂平板式加熱（rè）體主（zhǔ）要使用在方形工作室內，根據有效加熱區的尺寸可由一塊或幾塊組成串並聯形式。製作時將石墨坯料加工成板狀，再在上麵（miàn）開槽若幹，形成回路，電極引出（chū）端Ａ、Ｂ處應加厚處理。根（gēn）據（jù）爐溫（wēn）均勻性的要求，將平板式加熱體布置在爐內的兩側麵、項部及底部（bù），形成方形工作室，可實現多麵加熱的目的。



　　１．５石墨布及石墨帶加熱體石壤螺釘壓板石墨加（jiā）熱帶連（lián）接（jiē）柱圖７石墨帶固定方式示意（yì）圖近年來（lái），用石墨纖維編織（zhī）成石墨布或石墨帶（dài）來製作加熱元件，可采用多條帶並聯成單（dān）相、三相供電。與石墨相比（bǐ），石墨布具有熱慣性小、不變形，柔性好等特點，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（biàn）。石墨（mò）纖維編織的尺寸，可根據電（diàn）阻率的要求和爐（lú）膛空（kōng）間布（bù）置的需（xū）要，進行專門編織。



　　２．石墨（mò）加熱體的使用（yòng）條件石墨加熱體的材料（liào）一般選（xuǎn）用優質石墨（mò）或三高石墨，由於不（bú）同廠家生產的石墨坯料，其電阻率的差別很大，通常為８～１３ｆｌ·刪：ｎ可ｍ，設（shè）計時可（kě）暫時取（qǔ）ｌＯｌｌ·衄（nǜ）砰／ｍ計算，待確定生產廠家後，通過適當修正變壓器的（de）電參數，使加熱係統的功率滿足設計要求。用石墨（mò）纖維（wéi）編織製作加熱元件，電阻率為４．７ｆｌ·刪ｎ＿ｚ／ｍ。



　　（１）石墨加熱（rè）體在（zài）電阻爐中的使用壽命取決於其氧化和揮發速（sù）度、表麵（miàn）功率、***高工作溫度等。當真空（kōng）度為１０。～１０．３Ｐａ時，工（gōng）作（zuò）溫度應在２２００”Ｃ以下，如果加熱體需要在２２００℃以上工作時，爐內必須保持（chí）低真空或向爐內通入保（bǎo）護氣體，如Ｈ２、Ｎ２、Ｃ０２、ｍ等氣體，造成（chéng）一定壓力以減小揮（huī）發，這樣使用溫度可達３０００”Ｃ左右…。



　　（２）石（shí）墨加熱元件（jiàn）的允許（xǔ）表麵（miàn）負荷值很大，約在４０～６０Ｗ／ｃｍ３，一般采用的（de）石墨棒、管、板等元件的輻射麵積都很大，其表麵負荷值均很低，因此在設計石墨電熱元件時，可不考（kǎo）慮負荷的***。



　　（３）石墨在低（dī）溫時導熱性好，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麵（miàn）間造成溫度差，溫度差引起加熱體內部產（chǎn）生機械應力…，故石墨加熱體的壁厚通常為８～１６ｍｍ，加厚部（bù）分壁厚為１６～３０ｍｍ。對於（yú）實心棒，當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（kě）以（yǐ）增加電阻值，增大輻（fú）射麵積，提高熱效率，而且（qiě）克服了實心棒在高溫時心部與外部溫（wēn）度差過大易於損壞電熱元件的缺陷。



　　（４）石墨加熱元件作為真空爐用（yòng）電熱元件，電壓選擇不宜過高，否則會導致爐內的真（zhēn）空放電或輝光（guāng）放電，致使電熱元件受到損壞；如果電壓選擇的太（tài）低，就會（huì）增大電熱元件的電流，致使電（diàn）熱元件（jiàn）的（de）連接結構困難且複雜，並（bìng）且（qiě）增大了電損耗。因（yīn）此，元件的電壓應在２００Ｖ以下，根據使用溫（wēn）度及爐內氣氛，電壓選（xuǎn）擇在１７０～３０Ｖ之（zhī）間較好幢（zhuàng）１。



　　（５）石墨（mò）電熱元件電阻率（lǜ）隨溫度的變化不大，故一般不考慮電阻溫（wēn）度係數，設計時根據電壓及功率的大小，選擇固（gù）定值的變壓器即可滿足使用。３．結論就石墨的某些性（xìng）能來（lái）看，它既像金屬又（yòu）像陶瓷，說（shuō）它像金屬，是因為具有高（gāo）的導熱性和導（dǎo）電性，加工性能非常好；說它像陶瓷，則是因為具有（yǒu）多孔性和小的（de）熱膨（péng）脹係數，膨脹係數很小，近似為零。石墨有較高的電阻，因此可（kě）以（yǐ）在加熱（rè）體截麵積較大的情況下采用低電壓大電流的電源，容（róng）易得到（dào）高溫，與真空爐常用純金屬材（cái）料鎢、鉬、鉭相比，價格便宜很多。