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真空电阻炉加热元件的研究与应用进展
发布日期： 08:25:52&&&来源：&&& 点击：
　本文综述电阻式加热真空热处理炉中常用的金属和非金属加热元件所用的材料特性，以及各种材料的优缺点、适用场合、常用加热元件的结构形式等。分析了金属及非金属加热元件损耗、损坏的主要原因，给出延长加热元件的使用寿命、减小加热元件损耗的措施。最后为真空电阻式热处理炉用加热元件设计提出若干参考建议。　　真空热处理技术的崛起和迅猛发展，一方面源于工业技术发展的需要，另一方面是由于真空热处理具有其他热处理不可比拟的一系列突出优点：防止被处理的工件表面氧化、脱碳并有还原除锈作用，省去表面磨削加工工序，从而节约原材料的消耗，节省加工时间；真空脱气作用，使材料表面纯度提高，提高材料的疲劳强度、塑性和韧性，提高耐腐蚀性；脱脂作用，除去残留油脂，提高产品质量；处理工件无氢脆危险，防止钛和难熔金属表面脆化；淬火变形小；与可控相比，不需优质可燃气体气源，蓄热损失小，热效率高，节省能源，可实现快速升温和快速降温；真空热处理工艺的稳定性和重复性好；操作安全，自动化程度高，工作环境好，无污染无公害。真空技术网(/)认为缺点和不足在于：某些合金和元素在真空中蒸发较大，需充入惰性气体加热保护。1、真空热处理炉加热元件材料　　由于真空热处理炉内处于真空状态，因此，加热元件以热辐射形式向工件传递热量，此外，加热元件的挥发速度高于普通电炉。在设计真空热处理炉中加热元件的材料时需要考虑：选用电阻率较高的材料；较小的电阻温度系数；足够的高温机械强度；较小的热膨胀系数；不与炉内保护气氛及炉衬等发生化学反应；耐热性；易加工性等。此外，还需根据真空热处理炉的温度、结构、工艺要求、经济性等具体因素综合考量后选择加热元件材料。　　真空热处理炉中的加热元件根据材料不同可分为金属和非金属两种。金属加热元件所用材料有：镍铬合金、铁铬铝合金、铂、钼、钨、钽等；非金属加热元件有：碳化硅、二氧化钼、石墨等。1.1、金属材料加热元件　　镍铬、镍铬铁合金具有较高而稳定的电阻率，耐腐蚀及表面抗氧化性能好，在高温下有较好的强度，抗振动、变形性能好，有良好的加工性能和可焊性，广泛用于工业电炉，冶金、家用电器，机械制造，发热元件和电阻变阻器等材料。铁铬铝合金是一种高电阻合金材料，具有电阻率高、电阻温度系数小、耐高温寿命长、重量轻、价格便宜、表面热负荷较镍铬合金高等优点，在大气条件下比镍铬合金使用寿命长，尤其适合在含有硫和硫化合物气氛中使用，是工业电炉，家用电器、红外线加热装置中理想的发热材料。以上两种合金在空气中的最高使用温度在℃，考虑到金属蒸发影响，在真空中的最高使用温度应略有降低。　　为了延长铁铬铝合金在真空中的使用寿命，可先将由铁铬铝合金制成的加热元件在空气中加热到℃，保持7~8 h，使其表面产生一层氧化膜。对用镍铬合金制成的加热器虽然没有保护的氧化薄膜，但在真空中仍然可以使用到℃，而且具有良好的耐热性与耐腐蚀性。　　以上两类合金材料一般适用于真空热处理炉额定温度低于1000℃的情况下。对于额定温度高于1000℃甚至更高的真空热处理炉，加热元件则应选取难熔金属或非金属材料。难熔金属材料包括钨、钼、钽、铌、铂等，其中前三种材料较为常见。　　额定温度在1000℃ ~1600℃( 少数可达1700℃)的，加热元件材料可选择钼丝或钼片作为发热体；温度低于2200℃情况下，可选用难熔金属钽作为加热元件材料，钽的加工性能优于钼，可以焊接，加工时边角料可以回收，但是不可在氢气气氛下使用，但是钽金属很昂贵，一般只在特殊情况下用作加热元件材料；钨是使用温度最高的难熔金属，最高温度可达2 400～2500 ℃，但由于钨片耐冲击力差，质地很脆，加工时易产生裂纹，因而成品率很低。　　1.2、非金属材料加热元件　　碳化硅材料的使用温度高，能够在空气中使用， 材料价格低， 在空气中的使用温度可达1400℃，但在真空中元件间的电阻一致性差，易老化，新老元件不易匹配，需配调压器，并且，材料质脆，易断裂，且存在连接麻烦等问题，所以中很少使用。　　二硅化钼材料的使用温度高，能够在空气中使用，在空气中最高使用温度可达1700℃，并且价格低廉，使用时需要配变压器，但考虑到材料在室温下脆，在1300℃变软，并且随着真空度的提高，元件的最高使用温度会随之下降，故在中也很少采用。　　石墨是最常见的真空热处理炉的非金属加热元件材料，具有耐高温、热膨胀小、抗热冲击、高温机械强度好、加工性能好、价格低廉、线膨胀系数接近零、电阻温度系数小、容易得到高温、熔点高等优点，在真空热处理炉中得到广泛应用。　　此外，使用石墨加热元件，可以使炉内气氛中含有低浓度的碳与残余气体中的氧气和水蒸气分子发生反应，产生净化效果，并能与已氧化的金属发生还原反应，起到一定的除锈作用。2、真空热处理炉加热元件结构形式　　加热元件的结构形式直接影响真空热处理炉的效率及使用寿命，因此，昆山艾科迅认为合理选择加热体的结构形式也是真空热处理炉设计的关键问题之一。根据结构形式不同可分为片状、板状、带状、丝状、鼠笼棒状、网状、棒状等。　为了避免镍铬合金加热元件在真空中放电，一般采用低电压，同时不能用螺旋状电热丝结构，因为螺旋结构间距较小，容易产生放电和热变形引起短路。高熔点金属钼、钽、钨以线、带、板状做加热器，它的结构形式很多，但总的一般希望尽量减少与耐火材料、绝缘材料的接触，以免发生化学反应，降低加热器的寿命。常用钨丝制成鼠笼(三相或单相)状发热体，为了提高钨丝的辐射面，充分发挥钨丝材料的特性，可将单根钨丝绕制成钨丝网，再组成筒状的加热器，近年来，一些生产厂家研制出钨丝筐发热体，昆山艾科迅认为它具有耐高温、抗变性、使用寿命长等优点。石墨由于加工性能良好，它可以制成板、管、棒、筒、布、带等形状，因此石墨加热器的结构型式更是多种多样的。对于用石墨管、棒、筒制成的加热器大部分用石墨联接块联接，在结构上应考虑安装、维修方便，目前大部分采用研配的方式。对用石墨布或石墨带制成的加热器可以用石墨夹板或石墨楔块加以固定。对于用石墨板制成的加热器的联接方式更加简单，可将石墨板通过钼螺杆与水冷电极直接联接起来。3、真空热处理炉加热元件损耗、损坏分析　　由高熔点金属制成的加热元件会随着真空度和温度的升高而蒸发加剧，如钼在1800℃、钽在2200℃、钨在2400℃以上使用时，蒸发更为剧烈。石墨的熔点很高为3700℃，但其在真空中使用温度超过2400℃时也会迅速蒸发，为了抑制加热元件在真空中的蒸发，可在炉内通入一定压力的惰性气体或高纯氮气。用高熔点金属钼、钨、钽制成的加热元件，在氧化和渗碳气氛中都会发生反应，因此不能在上述气氛中使用。钼在氧化性气氛中会生成极易升华的氧化钼，在渗碳性气氛中会生成高电阻率的碳化物，甚至造成电热元件断裂。　　石墨材料作为加热元件在较低温度使用时，其蒸发损失很小，损坏多由于材料性能、应力损坏、氧化速度、机械电气故障引起的损坏。石墨材料的材质对加热元件有较大影响，如果选择颗粒过粗，材质不均匀的石墨材料做加热元件，局部缺陷会导致局部电阻过大，产生局部过热，导致使用寿命下降，甚至会烧断加热器；石墨加热器工作时产生的热应力会对其产生损坏。石墨在低温时导热性能良好，在高温时就下降为低温时的几分之一，造成石墨加热元件表面和心部的温度差，使断面伸长不一，产生热应力，损坏加热元件；石墨加热器的氧化生成物容易散逸，不会形成致密氧化膜保护层，从而使氧化连续进行，如果炉内密封不好或惰性气体纯度不够会加剧石墨加热元件的氧化；炉内工件材料挥发凝结使石墨加热元件与绝缘件连电短路也会损坏石墨加热元件；当石墨加热元件与其它金属零件相互连接时，由于线膨胀系数差别大造成应力，使石墨件受挤压或拉伸，加快石墨加热元件断裂；此外石墨件加工、安装质量对石墨加热元件的使用寿命也有十分显著的影响，石墨件接触面光滑程度不够会使接触电阻过大，烧坏石墨加热元件，安装时过松会出现由于接触不良而产生的拉弧，从而烧坏加热器和接头，过紧则会由于石墨材料的塑性差而使其受力损坏。4、结论　　在设计加热元件时，要综合考量加热元件材料特性以及工艺过程中材料受到的影响：　　①的工作温度是否会使加热元件材料产生剧烈蒸发，是否会使其产生强度上的变化，这种变化对加热元件的影响是有利的还是不利的；　　②工作气氛是否在温度变化范围内与加热元件产生反应，如果发生反应，反应生成物对整个工艺过程及设备各部件有哪些影响；　　③加热材料的结构和安装形式是否会加剧加热元件的损耗；　　④加热元件的材料是否是难以得到的稀有资源，是否容易加工成理想的结构形式等。　　最后，选择性价比最优的材料，以最合适的结构形式，安装到特定工艺过程的真空热处理设备上，以延长加热元件的使用寿命，既满足工艺要求，又达到节约资源的目的。
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发布时间： 18:49
真空热处理炉由炉体、加热室、真空系统、充放气系统、风冷循环系统、电控系统、气动系统，水冷系统及料车组成。
工作时将装配好的工件通过料车将工件送入炉膛，然后关闭炉门，自动锁紧，通过预设程序控制抽真空、加热、冷却等整个热处理过
& 炉体采用卧式双层圆筒水冷壁结构，炉体上设置测温接口、真空接口、充放气接口、电极接口、风冷接口等，通过各不同规格的真空接管及法兰与真空系统、充放气系统、水冷电极等连接。炉体内安装加热室，测温热偶等。
门为双层水冷壁结构，炉门的开启采用手动推拉方式。炉门上设观察窗，可实时观察炉内加热状况。
炉体与炉门之间采用梯形槽密封结构，密封圈容易更换，可保证真空炉的密封性能。
& 加热室整体为圆筒型结构，框架为不锈钢材质。底部设有两组滑轮，用于进出炉体，使炉胆便于维护和更换。
& 保温层采用内层高温钼片结构，提高保温效果，同时也能减小高压冷却气体对加热室的损坏，延长加热室的使用寿命。
& 加热元件采用高温钼材质加热元件，圆周分布，此布置使加热室具有温升速度快，温度均匀性好，并且加热元件使用寿命长。
&绝缘件采用特殊设计的95陶瓷材质。
&引入电极为专门设计的紫铜水冷电极。
&配有高温钼料盘。
真空系统：
&真空机组为国产旋片泵(2X-30)-罗茨泵（ZJP300）。
配有高真空挡板阀门、波纹管、电磁放气阀、管路等。
真空阀门均采用气动高真空挡板阀。该阀门的开启与闭合均由PLC控制，且联动互锁，断电时阀门自动关闭以保证炉内真空度，避免工件氧化。
真空测量采用数显真空计及配套规管，该真空计可以实现测量过程中的量程自动转换和超程保护，并具有数据输出、故障报警等多种功能。
充放气系统：
包括各个充气阀门（自动、手动）、管路附件等，并且充气压力可调，可实现快充及分压调节。
& 在加热过程中可以用此装置对炉内真空度进行调节和控制，将真空度调节在设定范围内，以满足特殊材料工艺需要，防止因炉内真空度过高而造成某些低蒸汽压元素的挥发。
需要强制快速冷却时打开自动阀门，即可向炉内充入冷却气体。并且可实现缓冲功能。
风冷循环系统：
&& 为鼓风机装置配以高效翅片紫铜管及高真空阀门、管路组成的热交换器形成内循环冷却系统。其中翅片紫铜管为整体型挤压结构，其换热效果更佳。
气冷压力根据工艺需要在允许范围内调节，当炉内压力达到气冷压力的某一设定值时充气阀门将自动关闭，系统配备压力装置用以对气冷压力进行设定。在抽空和炉室升温时充气阀门无法打开。
其结构具有气流风速大，气流面积大等特点，提高工件的冷却效果，缩短工件出炉时间，且鼓风机具有耐温耐压功能。
电控系统：
& 电控系统由可编程控制器PLC、温控仪、触摸屏、晶闸管调压器、真空计、电压电流表、直流稳压电源、空开、接触器、继电器、按钮、指示灯等组成，以实现供电、控制、记录、监视、报警保护功能。
系以PLC为运算控制核心，对设备的实时状态进行监测，操作人员通过触摸屏的输入以及当前状态的判断来产生输出控制，直接控制由大量的继电器执行，通过系统配备完善的安全保护功能，当设备出现异常状况如水压、温度、真空、充气压力等出现异常，系统会发出报警。设备在使用过程中有完善可靠的自锁互锁保护功能，保证设备不会因操作人员误操作而发生事故，具体设定要求有：
对于温度控制、冷却水、工艺过程等均配有可靠的安全及报警装置。
如电源突然非正常断电，系统应保证水循环继续以小流量进行。
如电源突然非正常断电，系统应自动关闭真空阀等以保护炉腔环境。
当炉温达到超温控制点时系统自动切断炉子电源并报警。
炉体加热过程中真空度不足时炉子自动报警。
炉内气压超过设定值时，系统能够自动卸压保护。
罗茨泵设起动压强联锁。
各真空阀门系统等设相关安全联锁。
设总电源缺相的报警与安全联锁。
设总进水缺水的报警与安全联锁。
低压电器元件选用法国施耐德产品，性能可靠，使用寿命长。
控制系统采用德国西门子可编程控制器。可编程序控制器(PLC)具有工作可靠、操作、维护简单、扩展性强、集成度高等优点，本系统采用了可编程序控制器可以使电气系统的可靠性、过程自动化、设备集成化程度提高，减少了控制线路的连线，简化了电气原理图，使设备的调试、检修、维护变得更加简单方便，并且通过预先编制的程序，能够实现设备工作过程中的手动、自动控制的切换，提高了设备运行过程中的安全性、可靠性。
配有德国西门子触摸屏，采用高灵敏度液晶触摸屏，使用寿命长，安全可靠。触摸屏能实时显示设备的运行状态并进行控制，人性化界面设计，直观简洁，方便操作。
温控仪表为日本山武DCP型号仪表。山武温控仪仪表精度等级0.1级，控温精度±1℃，带有数字显示及升温PID控制及PID参数自动整定等功能，能同时设定存储多条工艺曲线，温控仪表对加热室的温区进行控温，并保证了在加温、保温过程中炉室内温度的均匀性，提高了产品的加工质量。
配有浙大中控无纸记录仪，能同时记录炉膛温度、真空度等。操作方便、记录曲线清晰、鲜明、可靠性高、维护方便等特点，并且配置USB接口可用于数据的备份及转存。
热电偶为东北大学生产的S型热电偶。设备上使用了热电偶，热电偶对应设备的温区进行温度测量，实现工作过程的实时监控，并保证了在加温、保温过程中炉室内温度的均匀性。
晶闸管调压器选用张家港四通或中亚调压器，具有可靠性高，操作简单、维护方便等特点，本系统通过晶闸管调压器输出低电压、大电流的加热电源，提高设备运行效率，保证了操作人员的人身安全。
控制柜内有冷却系统，且具有防震功能，保证设备能够长期稳定运行。
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