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限制电热合金最高使用温度的因素

2021-3-23 14:51:55      点击:

电热合金的最高使用温度是一个受到多种因素限制的参素.这些因素包括:合金的化学成份,电热元件的形状和尺寸,电热合金材料尺寸.使用的环境条件,电热元件的表面功率负荷等.因此,在确定电热元件的最高使用温度时必须兼顾这些因素,综合分析平衡之后加以确定.

<一>电热合金化学成份的影响

合金成份对最高使用温度的影响是间接的,它主要表现在对合金的高温强度,抗氧化性能和腐蚀性能等三方面的影响,这些因素对最高使用温度产生直接影响.

合金的高温强度越高,抗氧化性能和抗腐蚀性能愈好,则合金可以在更高的温度下使用.

在电热合金中.除主要的合金元素镍,铬,铝.硅外,钴,钇,镧.铈等元素对最高使用温度具有显著的作用,它们主要用于超高温级的铁铬铝系合金.钴是可提高合金的高温持久强度和高温蠕变强度.钇,镧.铈是可提高抗氧化性能,这些特殊元素的加入量在0.5%~2.5%,其中钇,镧.铈加入量一般不超过1.0%.

(二)电热合金材料规格尺寸的影响

电热元件是由不同尺寸的线材和带材加工制造的,所用材料的尺寸同最高使用温度有密切的关系.

首先.电热元件在高温工作时,必须具备能承受自身重量所引起的变形.不同规格尺寸的材料其单位长度的重量差别很大,电热元件单位的横断面面积上承受的应力是与材料的规格尺寸有直接的关系.因此,相同成份的合金带材可以承受更高的工作温度.

其次,不同尺寸的材料的相对氧化速率不同,单位重量材料的比表面积值越大,其氧化速率就越高,因此,材料规格尺寸越小其氧化速率就越高,承受的最高使用温度相应低一些.

综合上述俩种原因,电热元件的最高使用温度与合金材料的尺寸成正比例,.即线材的直径越大,其最高使用温度就越高,带材异同.

(三)电热元件的几何尺寸的影响

制造电热元件一般采用线材和带材,特种电热元件使用直条.

线材可绕制成螺旋形的电热元件.为了防止电热元件在高温工作过程变形或倒塌,要求螺旋形的直径(D)和线材的直径(d)有一般的配合比例..不同工作温度应有合理的D/d值.

螺旋形电热元件的最高使用温度同D/d值成反比例,即随D/d值增大最高使用温度下降.否则,由于螺旋直径太小.有可能在缠绕过程中线材表面产生裂纹,从而缩短了使用寿命.因此,在设计螺旋形元件时要根据最高使用温度来选择合理的D/d值.这是一项重要工作.

带材和扁丝多用于制造电炉和家用电器的电热元件.带材的最高使用温度同其形状的关系甚为密切.附图(波形元件的波形高(H)和带厚度(b)同最高使用温度的关系

                        带材元件几何尺寸同最高使用温度

最高使用温度/0c 波形高度/mm 带材厚度/mm
1000 250以下 2.0以上
1100 200以下 2.3以上
1200 150以下 2.6以上
1300 120以下 2.9以上

从上图可以看出,(适用用于设计工业电炉的电热元件)使用温度越高,带状元件的波形高度就越低,带材厚度随之增大.这样可以减少元件的高温蠕变变形量.保持较长的寿命,

小规格带材(又称扁丝)大量用于家用电器的的电热元件.这部分元件的使用温度比较低,一般在850摄氏度以下,小规格带材都是缠绕在耐热绝缘支架上,因此,都具有较长的使用寿命.其几何尺寸同最高使用温度间关系并不十分密切,而且,实际使用温度远低于合金材料的最高使用温度.

(四)电热元件工作环境的影响

电热元件在高温下同环境介质的组元会发生物理化学反映,元件表面受到侵蚀,从而降低其使用寿命.这些侵蚀作用随温度的升高而加快.由于不同环境介质对电热元件的侵蚀作用各异.应针对电热元件的工作介质提出相应的使用温度.

(五)电热元件表面负荷的影响

表面负荷是指电热元件的单位表面积所担负的电功率值(W.cm-2).电热元件的最高使用温度同表面负荷成反比例.

(六)合金制炼方法的影响

在现有铁铬铝合金的基础上,用熔化法冶炼含AL>7.5%,Cr>27%(0Cr27Al7M02)是极其困难的

用粉末冶金方法获得的合金坯料,再加工生产铁铬铝线材,带材工艺,可以制得含铝.铬较低而使用温度更高的合金,相同成份的合金,采用这种工艺生产的电热合金具有更高的使用温度.它的显著特点是:具有优异的高温蠕变强度和高温抗弯曲变形性能.电热元件在高温下保持原有的形状,延长了使用寿命,提高了使用温度.

                                 

 


合金制炼方法及其性能
合金性能 不同制炼方法生产合金的性能   说明
  粉末冶金 熔化冶金  
化学成份/%

Cr  23.0

Al  6.0

Fe余量

Cr  23.0

Al  6.0

Fe余量

粉末法合金中加入少量的稀土元素

高温弯曲挠度/mm

1200摄氏度

1300摄氏度

1400摄氏度

 

1.5

1.5

2.5

 

6.0

22.0

>40.0

试样:直径6.2mm水平支点距离200mm保持时间50h

蠕变强度/N.mm-2

800摄氏度

1000摄氏度

1100摄氏度

 

 

13.0

1.8

0.8

 

 

8.0

1.5

-----

1000h.伸长1%时的应力
高温脆性&/% 4.9 1.5 1300摄氏度,5h加热后的室温延伸率
熔点/oC 1500 1500  
最高使用温度/0C 1420 1350  
密度/g.cm-3 7.1 7.1  
电阻率/u殴姆.m 1.45 1.40  

电阻温度800摄氏度

修正系数1000摄氏度

1200摄氏度

1.03

1.04

1.04

1.05

1.06

1.06