真空爐電熱元件常用資料的功能比照剖析
真空爐電熱元件的資料分為金屬資料和非金屬資料。金屬資料包含鉬、鎢、鉭、鎳鉻合金等，非金屬資料包含石墨、碳化硅、二氧化鉬等，本文將對金屬資料的鉬、鎢、鉭和非金屬資料的石墨進(jìn)行比照剖析。
2.1、電阻率
資料不同，電阻率不同，跟著溫度的改變，電阻率將會發(fā)生改變。電阻與資料的電阻率、長度、截面積的聯(lián)系如下：
式中，R 為電熱元件的電阻，Ω；ρ 為資料的電阻率，Ω·mm2/m；L 為電熱元件長度，m；F 為電熱元件截面積，mm2。
在規(guī)劃真空爐電熱元件的時(shí)候，為了確保真空爐電熱元件的額功率，使其能快速升溫，便于規(guī)劃裝置和使其作業(yè)安穩(wěn)，咱們要求電熱元件電阻隨溫度改變較小，即要求電阻率安穩(wěn)。
鉬、鎢和鉭隨溫度的升高，電阻率急劇升高，改變較大，而石墨隨溫度的升高改變較小，改變量只要10 % ~ 20 %。由此可見，石墨與其他三種資料比較，具備明顯的優(yōu)勢，電阻率安穩(wěn)。
2.2、電阻溫度系數(shù)
電阻溫度系數(shù)是影響資料電阻隨溫度改變的另一個(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，電阻的改變就越大，從而嚴(yán)重影響功率的安穩(wěn)性，從而使得電熱元件的作業(yè)變得極不安穩(wěn)。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 ℃，由此能夠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)分別到達(dá)了石墨的3 ~ 4 倍，由此可見，用石墨制作的電熱元件能夠獲得安穩(wěn)的作業(yè)功能。
2.3、熱脹大系數(shù)
在真空熱處理爐電熱元件規(guī)劃時(shí)，熱脹冷縮是一個(gè)重要因素，由于它直接影響了電熱元件的壽命和運(yùn)用功能，例如，在規(guī)劃電熱元件時(shí)，沒有為熱脹冷縮規(guī)劃預(yù)留空間或許預(yù)留空間過小，就會導(dǎo)致電熱元件受熱后承受較大的熱應(yīng)力，或許電熱元件直接受力斷裂，損壞電熱元件；相反預(yù)留空間過大，就會導(dǎo)致電熱元件難以固定裝置，裝配替換困難，因而要求電熱元件熱脹大系數(shù)盡可能的小，而且能夠安穩(wěn)。為了得到四種資料的熱脹大程度，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)，而且僅對發(fā)熱部進(jìn)行了建模，采用ANSYS 有限元剖析的方法對其分別在1 000 ℃和2 000 ℃的溫度下進(jìn)行了仿真。
由剖析成果咱們能夠看到，石墨在高溫時(shí)的熱脹大量最少，在1 000 ℃時(shí)只要不到1.1 mm，2 000 ℃時(shí)也只要不到2.3 mm，而1 000 ℃時(shí)鉭棒的脹大量為5.2 mm，2 000 ℃時(shí)到達(dá)了10.4 mm，幾乎為石墨的5 倍。因而，單從熱脹大的角度來看，石墨的確具有非常大的優(yōu)勢，是一種很好的電熱元件資料
2.4、可加工性和高溫機(jī)械強(qiáng)度
鉬、鎢、鉭均為金屬電熱資料，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，鉭的硬度到達(dá)了6 ~ 6.5 HB，可見，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資料，質(zhì)軟，硬度只要1 ~ 2 HB，非常簡單加工成型，而且2 500 ℃以下跟著溫度的升高機(jī)械強(qiáng)度不斷提高，在1 700 ~ 1 800 ℃到達(dá)最佳?？梢?，石墨的可加工性和高溫機(jī)械強(qiáng)度均比別的三種好，這也是石墨成為電熱元件首選資料的原因之一。
2.5、其他因素
真空熱處理爐是一種經(jīng)過輻射加熱的設(shè)備，因而電熱元件的輻射功能直接決定了電熱元件的功率和功能，而輻射才能取決于物質(zhì)的黑度，黑度越高，輻射才能越強(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。
別的，真空環(huán)境下各種資料都會加快蒸發(fā)，而且跟著真空度提高，蒸發(fā)程度相應(yīng)地提高，構(gòu)成各自物質(zhì)的氣氛環(huán)境，限制了電熱元件的運(yùn)用范圍，例如石墨電熱元件在真空環(huán)境中蒸發(fā)會構(gòu)成碳環(huán)境，要求不能滲碳或許不能和碳反響的熱處理就不能在這樣的加熱爐中進(jìn)行。
資料的價(jià)格和是否豐富也常常是電熱元件資料選擇要考慮的因素，石墨是一種儲量豐富，價(jià)格低廉的資料，相比之下，鉬、鎢和鉭都顯得較為貴重。
本文經(jīng)過理論剖析和ANSYS 的仿真剖析，具體真實(shí)地反映出了常用電熱元件資料的各種功能，而且經(jīng)過辨證的觀點(diǎn)進(jìn)行了比較，比較后發(fā)現(xiàn)，石墨的確具有其他電熱元件不能比較的優(yōu)勢，安穩(wěn)的電阻率、較低的電阻溫度系數(shù)、較小的熱脹大系數(shù)以及較大的黑度等優(yōu)點(diǎn)都使得它成為了電熱元件資料的首選，可是由于石墨在常溫下硬度較低，因而常溫時(shí)石墨電熱元件簡單斷裂損壞，在不易替換電熱元件的加熱爐中不宜運(yùn)用。別的，石墨在真空環(huán)境下易蒸發(fā)構(gòu)成碳環(huán)境，因而某些資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)，要防止其與石墨反響。
