工業(yè)電阻爐設(shè)計(jì)原理

    電阻爐是一個(gè)將電能轉(zhuǎn)換成熱能的設(shè)備及綜合裝置，依據(jù)焦耳定律，當(dāng)電流I流過(guò)電阻R的導(dǎo)體時(shí)，經(jīng)過(guò)時(shí)間t便可產(chǎn)生熱量Q：Q=0.24I²Rt    (cal)      (1-1)

    通過(guò)以上公式可見(jiàn)：我們控制I、R、t三個(gè)參數(shù)就等于控制了Q值。即可達(dá)到控制發(fā)熱體的目的。

在設(shè)計(jì)技術(shù)前，一定要牢記：為了達(dá)到增加熱量值并不是意味著無(wú)限度地增加發(fā)熱元件的電阻值，這往往會(huì)增加爐子的制造成本。如適當(dāng)增大發(fā)熱元件的電流，發(fā)熱量將會(huì)成倍增加。這便是電阻爐設(shè)計(jì)原理上需要掌握的精髓。

    因此合理地選用電熱元件更為重要，依據(jù)設(shè)計(jì)原理首先要計(jì)算出必須的、合理的R值和足夠的I值，確保在工藝及使用需要時(shí)，在規(guī)定的時(shí)間t內(nèi)產(chǎn)生足夠的熱量Q，達(dá)到設(shè)備所要求的溫度。這里需要強(qiáng)調(diào)的是：選擇R值固然重要，但更為重要的是選擇I值。

    另一方面，即使電熱元件能夠發(fā)出足夠的熱量，設(shè)備不一定能夠達(dá)到我們所需要使用的溫度，之所以電爐未能達(dá)到所要求的高溫，乃是因?yàn)樵诤艽蟪潭壬先�決于電爐的隔熱保溫狀況。爐子少散熱或極少散熱才是更為至關(guān)重要的事情。實(shí)際上所有經(jīng)驗(yàn)的工程師都知道：設(shè)計(jì)電爐的正確使用溫度，除了取決于爐子的供熱量以外，更重要的是取決于爐子的散熱量。因此設(shè)計(jì)爐子的保溫能力，如何合理選擇保溫材料的厚度，最大限量地減少熱量損失是工業(yè)爐設(shè)計(jì)工程師首選的、必要的措施之一。

    電熱元件一般分為金屬和非金屬兩大類。在金屬電熱元件中常用的有鐵鉻鋁合金和鎳鉻合金、鉑-銠、鉬、鎢、鉭電熱體等等，非金屬的有石墨電熱體、碳化硅電熱體等等。

   （1）鐵鉻鋁合金電熱元件

    目前國(guó)產(chǎn)的、常見(jiàn)的有三種牌號(hào)：Cr25Al5、Cr17Al5、Cr13Al4等,其合金性能見(jiàn)表1-1，隨著技術(shù)進(jìn)步，含Mo等其它鐵鉻鋁合金電熱元件牌號(hào)越來(lái)越多，它們適用于1000-1300℃的溫度范圍內(nèi)工作，甚至更高，有些新材料可達(dá)1400℃以上。它們抗氧化性好、易加工、電阻大，電阻溫度系數(shù)小，價(jià)格低廉。在高溫下能生成Cr₂O₃的致密的氧化膜，阻止空氣對(duì)合金的進(jìn)一步氧化，但不宜在還原氣氛中使用，另外還應(yīng)盡量避免與碳、酸性介質(zhì)、水玻璃、石棉及有色金屬等接觸，以免破壞保護(hù)膜。這種電熱體的主要缺點(diǎn)是高溫強(qiáng)度低，經(jīng)常時(shí)間在高溫工作后，加熱元件由于晶粒長(zhǎng)大而變脆。

    （2）鎳鉻合金電熱體

     這類合金電熱體適用于1000℃以下的溫度，其型號(hào)為Cr20Ni80 、Cr15Ni60等，其性能見(jiàn)表1-1。此種材料易加工、有較高的電阻率和抗氧化性，在高溫下能生成Cr₂O₃或NiCr₄氧化膜，但不宜再還原氣氛中使用。Ni-Cr合金經(jīng)高溫使用后，只要沒(méi)有過(guò)燒仍然很柔軟。

非金屬電熱元件有碳化硅制品、硅鉬制品和石墨

注：以上3種電熱元件在今后講解中再詳細(xì)論述。

    （3）耐火材料和保溫材料

    為了獲得穩(wěn)定的高溫必須具備兩個(gè)條件，一是要有電熱體即熱源，二是包圍電熱體以防熱量向外散失的絕緣體。

    耐火材料：在高溫電阻爐中，發(fā)熱元件本身溫度較高，一般可達(dá)1400℃以上，爐膛結(jié)構(gòu)需要布置合適的耐火材料。勝任耐火材料必須具備以下條件：高的耐火度、結(jié)構(gòu)致密、高溫條件下強(qiáng)度好、無(wú)明顯揮發(fā)、不與爐內(nèi)工作氣體發(fā)生反應(yīng)。

    表1-2列出了常用的耐火材料主要物理性能。主要有高鋁磚、剛玉管、1600℃硅酸鋁纖維板等等。

保溫材料：為了減少熱損失和增加爐溫的穩(wěn)定性，常常在爐殼內(nèi)填入保溫材料，他們必須是具有導(dǎo)溫系數(shù)小、氣孔率大、具有一定的耐火度。

按溫度使用可分為：A高溫保溫材料大于1200℃，B900-1000℃，C低于900℃三大類，有關(guān)材料見(jiàn)表1-3。

     高溫保溫材料常用的有輕質(zhì)粘土磚（1150-1400℃），輕質(zhì)硅磚不大于（1500℃），輕質(zhì)高鋁轉(zhuǎn)不大于（1350℃），硅酸鋁纖維板（1200-1400℃）等等。

中溫的保溫材料常用的有：輕質(zhì)珍珠巖和蛭石。

    低溫保溫材料有石棉、礦渣棉等，石棉是很普通的隔熱材料，其化學(xué)成分為含水硅酸鎂，礦渣棉是將冶金熔渣用高壓蒸汽吹成纖維狀在空氣中迅速冷卻而得到的人造礦物纖維。

    現(xiàn)在隨著技術(shù)進(jìn)步，目前已開(kāi)發(fā)出最好的保溫材料是一種高鋁纖維棉，它質(zhì)輕柔軟似棉花，保溫性能很好，使用溫度最高可達(dá)1600℃

    當(dāng)然，硅酸鋁纖維氈也以較佳保溫性能被大量使用。

    因此目前可供我們選擇的新型保溫材料大量出現(xiàn)，使我們開(kāi)拓了設(shè)計(jì)視野，摒棄過(guò)去使用耐火磚和珍珠巖的概念，盡可能的選擇最新材料，隔熱保溫性能會(huì)大大提高，這樣我們工業(yè)爐制造除了將會(huì)變得越來(lái)越輕外，而且越來(lái)越節(jié)約能源。