用于真空熱處理爐的石墨電熱元件性能分析
通過(guò)理論分析和ANSYS 仿真對(duì)常用電熱元件材料進(jìn)行分析，從而獲得真空熱處理爐電熱元件的熱膨脹、熱電阻、輻射能力等方面的性能，分析比較石墨作為電熱元件的優(yōu)缺點(diǎn)，為設(shè)計(jì)真空熱處理爐是否選用石墨作為電熱元件材料提供理論依據(jù)。
隨著真空熱處理爐制造水平的提升，真空熱處理逐漸顯示出了不可比擬的優(yōu)越性，真空熱處理憑借自身的脫氣、脫脂、無(wú)氧化以及自動(dòng)化等一系列優(yōu)點(diǎn)獲得了人們的青睞。但是真空熱處理爐的電熱元件還存在許多問(wèn)題，例如高溫變形、斷裂、揮發(fā)等，這些成為限制真空爐發(fā)展的障礙。
為了解決這些問(wèn)題，石墨以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)脫穎而出。目前，用石墨制作的電熱元件幾乎在所有類型的真空熱處理爐中都有應(yīng)用。本文將應(yīng)用理論分析和仿真分析相結(jié)合的方法科學(xué)的評(píng)價(jià)石墨作為電熱元件的優(yōu)缺點(diǎn)，為真空電熱元件的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
1、電熱元件性能因素分析
真空熱處理和普通電熱處理不同，它是通過(guò)輻射進(jìn)行傳熱，在真空環(huán)境下電熱元件所表現(xiàn)出來(lái)的現(xiàn)象和普通電熱爐也不一樣，這就對(duì)真空電熱元件提出了更高的要求。真空電熱元件材料的性能要求可總結(jié)如下：
(1)較高的電阻率，真空熱處理爐一旦安裝好，電熱元件的端電壓一般不變，高電阻率能獲得穩(wěn)定的功率和升溫速度；
(2)較小的電阻溫度系數(shù)，真空熱處理爐是一種自動(dòng)可控的設(shè)備，較小的電阻溫度系數(shù)能降低設(shè)計(jì)難度，節(jié)省成本；
(3)為了延長(zhǎng)電熱元件的使用壽命，減少維修和更換次數(shù)，降低成本，要求電熱元件具備較小的熱膨脹系數(shù)；
(4)較好的機(jī)械加工性能和高溫機(jī)械強(qiáng)度；
(5)高溫下保證電熱元件不與爐內(nèi)保護(hù)氣氛、爐襯和支撐件等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。
2、常用材料的性能對(duì)比分析
電熱元件的材料分為金屬材料和非金屬材料。金屬材料包括鉬、鎢、鉭、鎳鉻合金等，非金屬材料包括石墨、碳化硅、二氧化鉬等，本文將對(duì)金屬材料的鉬、鎢、鉭和非金屬材料的石墨進(jìn)行對(duì)比分析。
2.1、電阻率
材料不同，電阻率不同，隨著溫度的變化，電阻率將會(huì)發(fā)生變化。電阻與材料的電阻率、長(zhǎng)度、截面積的關(guān)系如下：
式中，
R 為電熱元件的電阻，Ω；ρ 為材料的電阻率，Ω·mm2/m；L 為電熱元件長(zhǎng)度，m；F 為電熱元件截面積，mm2。
在設(shè)計(jì)真空爐電熱元件的時(shí)候，為了保證真空爐電熱元件的額功率，使其能快速升溫，便于設(shè)計(jì)安裝和使其工作穩(wěn)定，我們要求電熱元件電阻隨溫度變化較小，即要求電阻率穩(wěn)定。石墨、鉬、鎢、鉭的電阻率變化情況如圖1 所示。
圖1 電阻率變化圖
從圖1 我們可以發(fā)現(xiàn)，鉬、鎢和鉭隨溫度的升高，電阻率急劇升高，變化較大，而石墨隨溫度的升高變化較小，變化量只有10 % ~ 20 %。由此可見(jiàn)，石墨與其他三種材料比較，具備明顯的優(yōu)勢(shì)，電阻率穩(wěn)定。
2.2、電阻溫度系數(shù)
電阻溫度系數(shù)是影響材料電阻隨溫度變化的另一個(gè)重要參數(shù)，其值的大小直接影響電熱元件在不同溫度下的電阻值，電阻溫度系數(shù)越大，隨溫度升高，電阻的變化就越大，從而嚴(yán)重影響功率的穩(wěn)定性，從而使得電熱元件的工作變得極不穩(wěn)定。石墨、鉬、鎢、鉭的電阻溫度系數(shù)分別為：126×10-5 ℃、471×10-5 ℃、482×10-5 ℃、399×10-5 ℃，由此可以看出石墨的電阻溫度系數(shù)最小，而鉬、鎢、鉭的電阻溫度系數(shù)分別達(dá)到了石墨的3 ~ 4 倍，由此可見(jiàn)，用石墨制作的電熱元件能夠獲得穩(wěn)定的工作性能。
2.3、熱膨脹系數(shù)
在真空熱處理爐電熱元件設(shè)計(jì)時(shí)，熱脹冷縮是一個(gè)重要因素，因?yàn)樗苯佑绊懥穗姛嵩膲勖褪褂眯阅�，例如，在設(shè)計(jì)電熱元件時(shí)，沒(méi)有為熱脹冷縮設(shè)計(jì)預(yù)留空間或者預(yù)留空間過(guò)小，就會(huì)導(dǎo)致電熱元件受熱后承受較大的熱應(yīng)力，或者電熱元件直接受力斷裂，損壞電熱元件；相反預(yù)留空間過(guò)大，就會(huì)導(dǎo)致電熱元件難以固定安裝，裝配更換困難，因此要求電熱元件熱膨脹系數(shù)盡可能的小，而且能夠穩(wěn)定。為了得到四種材料的熱膨脹程度，我選用了GD型系列電熱元件中外徑為20 mm 的電熱元件作為模型(GD 型電熱元件和數(shù)據(jù)參數(shù)如圖2 和表2 所示)，并且僅對(duì)發(fā)熱部進(jìn)行了建模，采用ANSYS 有限元分析的方法對(duì)其分別在1 000 ℃和2 000 ℃的溫度下進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖3 和圖4 所示。
圖2 GD 型電熱元件
表2 GD 型電熱元件參數(shù)
圖3 1 000℃時(shí)的仿真結(jié)果 圖4 2 000℃時(shí)的仿真結(jié)果
由分析結(jié)果我們可以看到，石墨在高溫時(shí)的熱膨脹量最少，在1 000 ℃時(shí)只有不到1.1 mm，2 000 ℃時(shí)也只有不到2.3 mm，而1 000 ℃時(shí)鉭棒的膨脹量為5.2 mm，2 000 ℃時(shí)達(dá)到了10.4 mm，幾乎為石墨的5 倍。因此，單從熱膨脹的角度來(lái)看，石墨確實(shí)具有非常大的優(yōu)勢(shì)，是一種很好的電熱元件材料
2.4、可加工性和高溫機(jī)械強(qiáng)度
鉬、鎢、鉭均為金屬電熱材料，他們都有堅(jiān)硬的質(zhì)地，鉬的硬度為5.5 HB，鎢為5 ~ 5.5 HB，鉭的硬度達(dá)到了6 ~ 6.5 HB，可見(jiàn)，加工難度都很大；而且隨溫度的升高，硬度下降，高溫機(jī)械強(qiáng)度逐漸變差。而石墨是一種非金屬電熱材料，質(zhì)軟，硬度只有1 ~ 2 HB，非常容易加工成型，而且2 500 ℃以下隨著溫度的升高機(jī)械強(qiáng)度不斷提高，在1 700 ~ 1 800 ℃達(dá)到最佳�？梢�(jiàn)，石墨的可加工性和高溫機(jī)械強(qiáng)度均比另外三種好，這也是石墨成為電熱元件首選材料的原因之一。
2.5、其他因素
真空熱處理爐是一種通過(guò)輻射加熱的設(shè)備，因此電熱元件的輻射性能直接決定了電熱元件的效率和性能，而輻射能力取決于物質(zhì)的黑度，黑度越高，輻射能力越強(qiáng)，反之越弱，石墨的黑度為0.95、鉬為0.1 ~ 0.3、鎢為0.03 ~ 0.3、鉭為0.2 ~ 0.3，石墨最大。
另外，真空環(huán)境下各種材料都會(huì)加速揮發(fā)，而且隨著真空度提高，揮發(fā)程度相應(yīng)地提高，形成各自物質(zhì)的氣氛環(huán)境，限制了電熱元件的使用范圍，例如石墨電熱元件在真空環(huán)境中揮發(fā)會(huì)形成碳環(huán)境，要求不能滲碳或者不能和碳反應(yīng)的熱處理就不能在這樣的加熱爐中進(jìn)行。
材料的價(jià)格和是否豐富也常常是電熱元件材料選擇要考慮的因素，石墨是一種儲(chǔ)量豐富，價(jià)格低廉的材料，相比之下，鉬、鎢和鉭都顯得較為昂貴。
4、結(jié)束語(yǔ)
本文通過(guò)理論分析和ANSYS 的仿真分析，詳細(xì)真實(shí)地反映出了常用電熱元件材料的各種性能，并且通過(guò)辨證的觀點(diǎn)進(jìn)行了比較，比較后發(fā)現(xiàn)，石墨確實(shí)具有其他電熱元件不能比擬的優(yōu)勢(shì)，穩(wěn)定的電阻率、較低的電阻溫度系數(shù)、較小的熱膨脹系數(shù)以及較大的黑度等優(yōu)點(diǎn)都使得它成為了電熱元件材料的首選，但是由于石墨在常溫下硬度較低，因此常溫時(shí)石墨電熱元件容易斷裂損壞，在不易更換電熱元件的加熱爐中不宜使用。另外，石墨在真空環(huán)境下易揮發(fā)形成碳環(huán)境，因此某些材料不能在這樣的真空爐中加工處理，同時(shí)要特別注意在選用支撐件和連接件時(shí)，要防止其與石墨反應(yīng)。
