石墨加熱元件在真空爐中的應(yīng)用研究
基于石墨材料的諸多優(yōu)良特性，詳細(xì)分析了真空熱處理爐內(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。關(guān)鍵詞：石墨加熱元件結(jié)構(gòu)形式使用條件石墨具有耐高溫、熱膨脹小、抗熱沖擊能力強(qiáng)等特性。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(shí)最佳，竟然超過(guò)所有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：基于石墨材料的諸多優(yōu)良特性，詳細(xì)分析了真空熱處理爐內(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。
關(guān)鍵詞：石墨加熱元件結(jié)構(gòu)形式使用條件 石墨具有耐高溫、熱膨脹小、抗熱沖擊能力強(qiáng)等特性。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(shí)最佳，竟然 超過(guò)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(huì)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(jiǎn)化了真空系統(tǒng)，降低了成本，這是 任何金屬電熱體所無(wú)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(lái)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。
１．各種石墨加熱元件的結(jié)構(gòu)形式 １．１單根棒狀 最簡(jiǎn)單的單相電熱體如圖１所示，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(duì)中心部分加熱， 因此可有效地利用電能。 ‘ 圖１ 最簡(jiǎn)單的單相電熱體示意圖 十：司班｝ ， ” ｎｏｔ３ｃｔｒ如 。ｒ－弋 圖２單相加長(zhǎng)結(jié)構(gòu)電熱體示意圖 由于受到石墨坯料的限制，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(lái)。設(shè)計(jì)時(shí)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(zhǎng)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(shí)，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。
１．２管式加熱體 管式加熱體有單相和三相之分， 圖３所示為廣泛應(yīng)用的單相管式加熱體，從管子的 一端將它切開(kāi)為兩個(gè)相等的部分，另一端不切開(kāi)，這樣加熱長(zhǎng)度等于增加了一倍，因而 增大了電阻，同時(shí)為了增加加熱體的強(qiáng)度，加厚了加熱體切開(kāi)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(kāi)為三個(gè)相 等的部分，另一端不切開(kāi)，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(shí)，可根據(jù)阻值的需要，在每相上開(kāi)一條或多條長(zhǎng)槽形 長(zhǎng)縫，增大電阻值。 圖４組合式棒狀加熱體示意圖
１．３組合式棒狀加熱體 管式加熱體多用在工作室為圓柱形的電阻爐上，由于材料尺寸的限制，僅適用于小 型高溫真空爐上。由于受到原材料尺寸的限制，管式加熱體無(wú)法滿(mǎn)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(guò)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)采用石墨棒為加熱元件，由多個(gè)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(guò)程中，由于碰撞、氧化、老化等原因出現(xiàn)零 部件損壞時(shí)，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(gè)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(guò)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(guò)石墨螺栓連接，形成上下兩個(gè)完整的圓環(huán)， 通過(guò)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，最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
１．４平板式加熱體 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(shí)將石墨坯料加工成板狀，再在上面開(kāi)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(lái)，用石墨纖維編織成石墨布或石墨帶來(lái)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所示為最簡(jiǎn)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(zhuān)門(mén)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(shí)可暫時(shí)?。欤希欤?middot;衄砰／ｍ計(jì)算，待確 定生產(chǎn)廠家后，通過(guò)適當(dāng)修正變壓器的電參數(shù)，使加熱系統(tǒng)的功率滿(mǎn)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。 （１）石墨加熱體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、最高 工作溫度等。當(dāng)真空度為１０。～１０．３Ｐａ時(shí)，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(shí)，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(shí)， 可不考慮負(fù)荷的限制。 （３）石墨在低溫時(shí)導(dǎo)熱性好，高溫時(shí)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(duì)于實(shí)心棒，當(dāng)石墨加熱棒的直徑超 過(guò)日ｐ１２ｍｍ時(shí)，最好用石墨管代替，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(shí)心部與外部溫度差過(guò)大易于損壞電熱元件的缺陷。 （４）石墨加熱元件作為真空爐用電熱元件，電壓選擇不宜過(guò)高，否則會(huì)導(dǎo)致?tīng)t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(huì)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(shí) 根據(jù)電壓及功率的大小，選擇固定值的變壓器即可滿(mǎn)足使用。
３．結(jié)論 就石墨的某些性能來(lái)看，它既像金屬又像陶瓷，說(shuō)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(shuō)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(jià)格便宜很多。基于以上優(yōu)點(diǎn)，做為真空電阻爐、保護(hù)氣氛爐的加熱元件，越來(lái)越受到 熱處理行業(yè)的追捧。