石墨加熱元件在真空爐中的應用研究（jiū）

石墨加熱元件在真空爐中的（de）應用研究
基於石墨材料的諸多優良特（tè）性，詳細分析了真空熱處理爐內石墨（mò）加熱元（yuán）件（jiàn）的（de）各種結構（gòu）形（xíng）式，以及設計、使用中的一些注意事項，為（wéi）石墨加熱元件在（zài）真空爐行業的推廣使用提供參考。關鍵詞：石墨加熱元件結構形式使用條（tiáo）件石墨具有耐高溫、熱膨脹小、抗熱衝擊能力（lì）強等特性。常溫下，石墨的強度比金屬（shǔ）差，但是其機械（xiè）強（qiáng）度在２５００。Ｃ以下隨溫度的上升而提高，在１７００～１８００。Ｃ時最佳，竟（jìng）然超過（guò）所有（yǒu）的氧化物和金屬材料。

石墨加熱元件在真空爐中的應（yīng）用研究

摘要（yào）：基於石墨材料的（de）諸多優良特（tè）性，詳細（xì）分析了真空熱處理爐內石（shí）墨加熱（rè） 元件（jiàn）的（de）各種結構形式，以及設計、使用中的一些注意事項，為（wéi）石墨加熱元件 在真空爐行業的推廣使用提供參考。

關鍵詞：石墨加熱（rè）元（yuán）件結構形式（shì）使用條件 石墨具有耐高溫（wēn）、熱膨（péng）脹小（xiǎo）、抗熱衝擊能力強等特性。常溫下，石墨的強度比金屬 差，但是其機（jī）械強度在２５００。Ｃ以下隨溫度的上升而提高，在１７００～１８００。Ｃ時最佳，竟然 超過所有的氧化（huà）物和金屬。石墨材料熔點（diǎn）高，蒸氣（qì）壓低，真空（kōng）爐內的（de）氣氛會（huì）含有低濃度 的碳，將與殘存氣體中的Ｏ：和Ｈ２０蒸氣分子產生反應，產生淨化效果，即使（shǐ）在低真空度 下（xià），也（yě）能（néng）使被處理工件（jiàn）獲得光亮的表（biǎo）麵狀態，大大簡化了真空（kōng）係統，降低了成（chéng）本，這是 任何金屬電熱體所無法比（bǐ）擬的。

由於石墨具有（yǒu）上述一係列的優良（liáng）特性，做為真空電阻爐的加熱元件，越來越（yuè）受到熱 處理行業的歡迎，在高溫電阻爐方麵日益得到（dào）廣泛的應用。

１．各種（zhǒng）石（shí）墨加熱元件的結構形式 １．１單（dān）根棒狀（zhuàng） 最簡（jiǎn）單的單相電熱體如圖１所示，電（diàn）流（liú）從兩端直接導入石墨棒，Ｌｌ為發熱部分，Ｌ２ 為接頭部分。為了增大發熱量，可以將石墨棒製成空心，由於不需要對中心部分加熱， 因此可有效地利用電能（néng）。 ‘ 圖１ 最簡（jiǎn）單的單相電熱體示意（yì）圖 十：司班｝ ， ” ｎｏｔ３ｃｔｒ如 。ｒ－弋 圖（tú）２單相加長結構電熱體示（shì）意圖 由於受到石墨坯料的限製，不可能將接頭部分與工作部分做成整體，可按如圖２所 示（shì），分成幾（jǐ）部分製作，再用螺母把這幾部分聯接起（qǐ）來。設計時應注意，由於石（shí）墨材料（liào）中 有孔隙、雜質、晶粒等缺（quē）陷，聯接應選用粗牙螺紋（wén），螺（luó）絲的內徑應大於加熱（rè）體工作部分 ．１９４． 的直（zhí）徑，刻螺紋（wén）的長度為螺絲直徑的１．５倍，保證（zhèng）連接處（chù）有足夠的導電麵積，特別在使用 大電流時，為改善螺紋聯接與電極接頭間的接觸，先用石墨膏塗在施緊的零件上（shàng），增大 導電麵（miàn）積。

１．２管式加熱體 管式加熱體有（yǒu）單相和三相之分， 圖３所（suǒ）示為廣泛應用的單相管式加熱體（tǐ），從管子的 一端將它切開為兩個相等的部分，另（lìng）一端不切（qiē）開，這樣加熱長度等於增加了一倍，因而 增大了電阻，同時為了增加加熱體的強度，加厚了加熱體切開一（yī）端（duān）的厚度。Ｌ－為發熱部（bù） 分，Ｌ：為加厚（hòu）部分，電熱體電阻等於上、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，結構（gòu）與單相的相似（sì），從管子（zǐ）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（duān）部按星形相連（lián）的電阻相同的三部分， Ａ、Ｂ、Ｃ為三相引出端。必（bì）要時，可根據阻值的需要，在每相上開一條或（huò）多條長槽形 長縫，增大（dà）電阻（zǔ）值。 圖４組合式棒狀加熱體（tǐ）示意圖 超（chāo）精石墨（mò） 13546972862 王永超

１．３組合式（shì）棒狀加（jiā）熱體 管式加熱體多用在工作室為圓柱形的電阻爐上，由於材料（liào）尺寸（cùn）的限製，僅適用於小 型高溫真空爐（lú）上。由於受到原材料尺寸的限製，管式加熱體無法滿足大型熱處理爐的需 求，而且（qiě）整體加工不僅製造成本大，使用過程中局（jú）部出現損壞即整體報廢，使用（yòng）成本大。 圖５所示為新研製的組合式棒狀加熱體，適用於使用溫度１５００。Ｃ以下的真空爐。該 結（jié）構采用石墨棒為加熱元件，由多（duō）個組件組裝而（ér）成，因而不受原材料尺寸的製（zhì）約，加工 容易，大大節約了製造成（chéng）本。如（rú）果在（zài）使用過程中，由於碰撞、氧化、老化等原因出現零 部件（jiàn）損壞時，可進行局（jú）部零（líng）件的更換，維修方便，大大降低（dī）了使用成本。 整個結構主要由石墨加熱棒、石墨錐形卡套、石墨導電環、９９瓷絕緣連接環（huán）、石墨 螺栓等（děng）組裝而成。石墨加熱（rè）棒為發熱元件，通過石墨錐形（xíng）卡（kǎ）套，固定於上下（xià）兩端的石墨 導電（diàn）環上。石墨導電環、９９瓷絕緣連（lián）接環（huán）通（tōng）過石墨螺栓連接，形成上下兩個完整的圓環， 通過合理布置石墨加熱棒、石墨導電（diàn）環、９９瓷連（lián）接環的（de）數量（liàng）及位置，使石墨加熱棒形成 所需的串並聯回路（lù），最後由電極（jí）引出棒連（lián）接，與外部電源相通，實現加熱的（de）目的。 ｃ△ 圖５三相管式加熱體示意圖

１．４平板式加熱體 圖６所示為平板式加（jiā）熱體，是近幾年新采用的一種加熱元（yuán）件。它具有製造方便，輻 射麵積大，可以承（chéng）受較大的熱應力等優點。 圖６平板式加熱體（tǐ）示意圖 喂 平板式加熱體（tǐ）主要使用在方形工作室內（nèi），根據有效加熱區的尺寸可由一塊或幾塊組 成（chéng）串並聯形式。製作時將石墨坯料加工成板狀，再在（zài）上麵開槽若幹，形成回路，電極引 出端Ａ、Ｂ處應加厚處理。根（gēn）據爐溫均勻性的要求，將平板式加（jiā）熱體布置在爐內的兩側 麵、項部及底部（bù），形成方形工（gōng）作室，可實現多麵加熱的目的。

１．５石墨布及（jí）石墨帶加熱體 石壤螺釘壓（yā）板石墨加熱帶連接柱 圖７ 石墨（mò）帶固定方式示（shì）意圖 近年來，用石墨纖維編（biān）織成石墨布或石墨帶來製（zhì）作加熱元件，可采用多條帶並聯成 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，不斷得 到（dào）推廣使用。圖７所示為最簡單的（de）一種石墨帶固定方式，元件更換方便。石墨纖（xiān）維編織 的尺寸，可根（gēn）據（jù）電阻率（lǜ）的要求和爐膛空間布置的需（xū）要，進行專門編織。

２．石墨加熱體的使用條件 石墨加熱體的材料一（yī）般選用（yòng）優質石墨或三高石墨，由於不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（shān）：ｎ可ｍ，設（shè）計時可（kě）暫時（shí）取ｌＯｌｌ·衄砰／ｍ計算，待確 定生產（chǎn）廠家後，通過（guò）適當修正變壓器（qì）的電參（cān）數，使加熱係統的功率滿（mǎn）足設計要求。用石 墨纖維編織製作（zuò）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（shǐ）用壽命取決於其氧化和揮（huī）發速度、表麵（miàn）功率、最高（gāo） 工作溫度等。當真空（kōng）度為１０。～１０．３Ｐａ時，工作溫度應（yīng）在２２００”Ｃ以下（xià），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（huò）向（xiàng）爐內通入保護氣體，如Ｈ２、Ｎ２、Ｃ０２、 ｍ等（děng）氣體，造成一定壓力（lì）以減小揮發，這（zhè）樣使用溫度可（kě）達３０００”Ｃ左右…。 （２）石墨加熱元件（jiàn）的允許表麵負荷值很大（dà），約在４０～６０Ｗ／ｃｍ３，一（yī）般（bān）采用的石墨棒、 管、板等元件的輻射麵積都很大，其表（biǎo）麵負荷值均很（hěn）低，因此在設計石墨電熱（rè）元件時， 可不考慮負荷的限製。 （３）石墨在低溫時導（dǎo）熱性好，高溫時就下降為（wéi）低溫的幾分之一，因此在加熱體（tǐ）中心 與外表麵間（jiān）造成溫度差，溫度（dù）差引起加熱體內部產生機械應（yīng）力（lì）…，故石墨加熱體（tǐ）的壁 厚通常為８～１６ｍｍ，加厚部分壁厚為１６～３０ｍｍ。對於實心棒，當石墨加熱棒的直徑（jìng）超 過日ｐ１２ｍｍ時，最好用石墨管代替，這樣不僅（jǐn）可以增加電阻值，增大（dà）輻射麵積，提高熱效 率，而且克服了（le）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（mò）加熱元件作為真空爐（lú）用電熱元（yuán）件，電壓選擇不（bú）宜過高，否（fǒu）則會導致爐內的 真空放（fàng）電或輝光放電（diàn），致使電熱元件受到損壞；如果電壓選擇的太低，就會增（zēng）大電（diàn）熱元 件的電流，致使電熱元件的連接結構困難且複雜，並且增大（dà）了電損耗。因此，元件的電 壓應在２００Ｖ以下，根據使用溫（wēn）度及爐內氣（qì）氛，電壓選擇在１７０～３０Ｖ之間較好幢１。 （５）石（shí）墨電（diàn）熱元件電（diàn）阻（zǔ）率隨溫度的變化不大，故一般不（bú）考慮電阻溫度（dù）係數，設計時 根據電（diàn）壓及功率的大小，選擇固定值的變壓器即可（kě）滿（mǎn）足使用（yòng）。

３．結論 就石墨的某些性能來看（kàn），它既像金屬又像陶瓷（cí），說它像金屬，是（shì）因為具有高（gāo）的導熱 性和導（dǎo）電性，加工性能非常好（hǎo）；說它像陶瓷，則是因（yīn）為（wéi）具有多孔性和小（xiǎo）的熱膨脹係數， 膨脹係數很小，近似為零。石墨有較高的電阻，因此（cǐ）可（kě）以在加熱體截麵積較大的（de）情況下 采用低電壓大電流（liú）的電源，容易得到高（gāo）溫，與真空爐常用純金（jīn）屬材料鎢、鉬、鉭相比（bǐ）， 價格便宜很多（duō）。基於以上優點，做為真空電阻爐、保護氣氛爐的加熱元件（jiàn），越來越受到 熱處理行業的（de）追捧。