石墨加熱元件在真空爐中的應用研究

基于石墨材料的諸多優(yōu)良特性，詳細分析了真空熱處理爐內石墨加熱 元件的各種結構形式，以及設計、使用中的一些注意事項，為石墨加熱元件 在真空爐行業(yè)的推廣使用提供參考。

石墨加熱元件結構形式使用條件 石墨具有耐高溫、熱膨脹小、抗熱沖擊能力強等特性

石墨加熱元件在真空爐中的應用研究

 

摘要：基于石墨材料的諸多優(yōu)良特性，詳細分析了真空熱處理爐內石墨加熱 元件的各種結構形式，以及設計、使用中的一些注意事項，為石墨加熱元件 在真空爐行業(yè)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件 石墨具有耐高溫、熱膨脹小、抗熱沖擊能力強等特性。

 

 

常溫下，石墨的強度比金屬 差，但是其機械強度在２５００。Ｃ以下隨溫度的上升而提高，在１７００～１８００。Ｃ時最佳，竟然 超過所有的氧化物和金屬。石墨材料熔點高，蒸氣壓低，真空爐內的氣氛會含有低濃度 的碳，將與殘存氣體中的Ｏ：和Ｈ２０蒸氣分子產(chǎn)生反應，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)，大大簡化了真空系統(tǒng)，降低了成本，這是 任何金屬電熱體所無法比擬的。 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用。

１．各種石墨加熱元件的結構形式

 

 

１．１單根棒狀 最簡單的單相電熱體

 

如圖１所示，

 

 

電流從兩端直接導入石墨棒，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，由于不需要對中心部分加熱， 因此可有效地利用電能。 ‘ 圖１ 最簡單的單相電熱體示意圖 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。設計時應注意，由于石墨材料中 有孔隙、雜質、晶粒等缺陷，聯(lián)接應選用粗牙螺紋，螺絲的內徑應大于加熱體工作部分 ．１９４． 的直徑，刻螺紋的長度為螺絲直徑的１．５倍，保證連接處有足夠的導電面積，特別在使用 大電流時，為改善螺紋聯(lián)接與電極接頭間的接觸，先用石墨膏涂在施緊的零件上，增大 導電面積。

 

１．２管式加熱體 管式加熱體有單相和三相之分， 圖３所示

為廣泛應用的單相管式加熱體，從管子的 一端將它切開為兩個相等的部分，另一端不切開，這樣加熱長度等于增加了一倍，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，結構與單相的相似，從管子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，可根據(jù)阻值的需要，在每相上開一條或多條長槽形 長縫，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，管式加熱體無法滿足大型熱處理爐的需 求，而且整體加工不僅制造成本大，使用過程中局部出現(xiàn)損壞即整體報廢，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 結構采用石墨棒為加熱元件，由多個組件組裝而成，因而不受原材料尺寸的制約，加工 容易，大大節(jié)約了制造成本。如果在使用過程中，由于碰撞、氧化、老化等原因出現(xiàn)零 部件損壞時，可進行局部零件的更換，維修方便，大大降低了使用成本。 整個結構主要由石墨加熱棒、石墨錐形卡套、石墨導電環(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，通過石墨錐形卡套，固定于上下兩端的石墨 導電環(huán)上。石墨導電環(huán)、９９瓷絕緣連接環(huán)通過石墨螺栓連接，形成上下兩個完整的圓環(huán)， 通過合理布置石墨加熱棒、石墨導電環(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力等優(yōu)點。 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，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。制作時將石墨坯料加工成板狀，再在上面開槽若干，形成回路，電極引 出端Ａ、Ｂ處應加厚處理。根據(jù)爐溫均勻性的要求，將平板式加熱體布置在爐內的兩側 面、項部及底部，形成方形工作室，可實現(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，用石墨纖維編織成石墨布或石墨帶來制作加熱元件，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，不斷得 到推廣使用。圖７所示為最簡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般選用優(yōu)質石墨或三高石墨，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，設計時可暫時取ｌＯｌｌ·衄砰／ｍ計算，待確 定生產(chǎn)廠家后，通過適當修正變壓器的電參數(shù)，使加熱系統(tǒng)的功率滿足設計要求。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。當真空度為１０。～１０．３Ｐａ時，工作溫度應在２２００”Ｃ以下，如果加熱體需要 在２２００℃以上工作時，爐內必須保持低真空或向爐內通入保護氣體，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３０００”Ｃ左右…。

（２）石墨加熱元件的允許表面負荷值很大，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，其表面負荷值均很低，因此在設計石墨電熱元件時， 可不考慮負荷的限制。

（３）石墨在低溫時導熱性好，高溫時就下降為低溫的幾分之一，因此在加熱體中心 與外表面間造成溫度差，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，加厚部分壁厚為１６～３０ｍｍ。對于實心棒，當石墨加熱棒的直徑超 過日ｐ１２ｍｍ時，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，而且克服了實心棒在高溫時心部與外部溫度差過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，電壓選擇不宜過高，否則會導致爐內的 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，就會增大電熱元 件的電流，致使電熱元件的連接結構困難且復雜，并且增大了電損耗。因此，元件的電 壓應在２００Ｖ以下，根據(jù)使用溫度及爐內氣氛，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)，設計時 根據(jù)電壓及功率的大小，選擇固定值的變壓器即可滿足使用。 ３．結論 就石墨的某些性能來看，它既像金屬又像陶瓷，說它像金屬，是因為具有高的導熱 性和導電性，加工性能非常好；說它像陶瓷，則是因為具有多孔性和小的熱膨脹系數(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， 價格便宜很多。基于以上優(yōu)點，做為真空電阻爐、保護氣氛爐的加熱元件，越來越受到 熱處理行業(yè)的追捧。