Электронагревательные элементы в виде спиралей, лент, пластин или стержней из сплавов типа нихром (никель-хром), фехраль (железо-хром-алюминий) и тугоплавких металлов широко применяются во всей термической промышленности. Они используются как в низкотемпературных, так и в высокотемпературных печах и хорошо работают в циклическом режиме. Давайте узнаем о них больше.
Нагревательные элементы для промышленных печей
Температура нагревательного элемента и его окружения в первую очередь зависит от скорости подачи энергии и скорости, с которой он способен передавать эту энергию в виде тепла окружающей среде. Существует критическая скорость теплообмена, отраженная в расчетном значении, называемом удельной мощностью, измеряемой в ваттах на квадратный сантиметр. В идеале генерируемая мощность должна лишь немного превышать скорость теплопередачи. Хорошее соответствие означает, что элементы не будут перегреваться, будут нагревать материал за разумное время и не выйдут из строя преждевременно. Результатом правильного расчета удельной мощности нагревателя является хороший срок службы нагревательного элемента и хорошая однородность температуры в зоне рабочей нагрузки. Сами электрические нагревательные элементы в печах могут опираться на боковые стенки печи, подвешиваться к своду или укладываться на пол печи.
Рекомендуемый тип используемого сплава для нагревательного элемента промышленной печи зависит от номинальной температуры и типа используемой атмосферы. Факторы, влияющие на срок службы металлического нагревательного элемента, включают тип атмосферы печи, удельную мощность, рабочую температуру, режим работы (непрерывный или периодический) и качество технического обслуживания. Тип самой печи, её конструкция и загрузка также играют немаловажную роль.
Использование ТЭНов в промышленных печах
Во многих печах используются не открытые спирали, а нагреватели с оболочками, в которых нагревательная спираль заключена в металлическую трубку, заполненную изоляционным материалом из оксида магния (MgO). Эти трубчатые нагреватели, или попросту ТЭНы, могут изготавливаться с различными материалами оболочки для различных температур и сред, включая углеродистую сталь, сталь с медным покрытием, Incoloy®, и нержавеющую сталь.
Советы по продлению срока службы нагревателя
Чтобы максимально увеличить срок службы нагревательного элемента, обязательно выполните следующие действия:
-
Поймите, что увеличение напряжения на каждый 1 % приводит к увеличению мощности на 2 %. Если вы покупаете новую электрическую печь, обязательно точно измерьте напряжение на вашей установке и передайте это производителю, чтобы они разработали систему контроля нагрева соответствующим образом.
-
Узнайте конструктивное ограничение (плотность мощности) нагревательных элементов. Если важна точная мощность, проверьте конструкцию готового элемента, чтобы определить надлежащий допуск на повышение сопротивления с температурой.
-
Если требуется большая мощность, увеличьте диаметр проволоки нагревательного элемента или уменьшите ее длину.
-
Оставьте достаточно места для расширения и сжатия. Если нагревательный элемент необходимо закрепить между клеммами, следите за ним, чтобы убедиться, что чрезмерная деформация или ползучесть (движение под собственным весом с течением времени) не повлияют неблагоприятно на работу нагревателя или оборудования.
-
Определите циклический характер вашего нагревательного процесса. Нагревательные элементы нуждаются в достаточном пространстве для перемещения на подвесах или опорах. Не размещайте электронгареватели слишком близко к дну печи или к огнеупорной полке, чтобы расширение не привело к тому, что нагреватели окажутся на огнеупоре. Это потенциально может создать зону, в которой тепло не будет рассеиваться от нагревательного элемента, что в свою очередь приведет к образованию горячей точки.
-
Производите установку нагревателей с максимальной аккуратностью. Убедитесь, что отверстия клемм через изоляцию совмещены, чтобы элементы скользили, не ударяя противоположную сторону, или подвергались натяжению из-за принудительного их установки на место. Обязательно отцентрируйте элементы в топочной камере так, чтобы ни одна часть нагревательного элемента не находилась в кирпичной кладке.
-
Произведите расчет на оптимальное напряжение нагревательного элемента. Не запускайте нагревательный элемент, рассчитанный на 230 вольт, от источника питания 400 вольт.
-
Не допускайте попадания на нагревательные элементы всех видов загрязнений и посторонних веществ, в том числе соединений на основе серы (они образуют легкоплавкую эвтектику с никелем в нагревательном элементе и приводят к преждевременному выходу нагревательного элемента из строя), фосфора или масла. Избегайте загрязняющих веществ, таких как избыток чистящих составов, которые со временем могут накапливаться на поверхности нагревателя, создавая изолирующий слой. Если расплавление произошло внутри керамической опорной пластины или плитки формы, замените ее.
-
Лучше всего делать сварные соединения между секциями элемента. Можно использовать прессованные или компрессионные соединения, но они должны быть тщательно проверены.
-
Убедитесь, что нагревательные элементы надежно закреплены на клеммах, и периодически проверяйте герметичность соединений (это необходимо делать при выключенном питании).
Общие проблемы
-
«Зеленая гниль» — разновидность коррозии, возникающая в нагревательных элементах из сплава нихром 80-20, возникает в диапазоне температур 870–1040°C (1600–1900°F). Эта проблема является результатом преимущественного окисления хрома атмосферой печи, когда он окисляется до хрома и восстанавливается до никеля. Атмосферы, которые окисляют или восстанавливают как хром, так и никель, не проявляют этого типа воздействия.
-
Другая распространенная проблема с электрическими нагревательными элементами 80-20 и 35-19 возникает, если они подвергаются воздействию атмосферы с высоким углеродным потенциалом (> 0,50% ° C). Могут произойти изменения их электрических характеристик и/или выход из строя из-за механического разрушения (размягчения) или плавления, особенно при температурах выше 1100°C.
-
Эвтектическое плавление, особенно в сплавах на основе никеля в присутствии серы (> 25 гран на 100 кубических футов атмосферы), может быть катастрофическим для электрических нагревательных элементов. Эвтектика Ni-S имеет температуру 635°C (1175°F).
Вывод
Металлические нагревательные элементы используются во всей термообрабатывающей промышленности, включая стержневые, ленточные и проволочные конструкции с открытыми спиралями, керамические ТЭНы, ленточные нагреватели, нагреватели с керамическими сегментами, литые алюминиевые нагреватели, ТЭНы и патронные нагреватели. Секрет успешного применения каждого типа нагревателей заключается в понимании его ограничений и того, как нагреватель применяется в данном случае. При правильном использовании каждый тип металлического нагревательного элемента обеспечивает исключительную производительность и высокий срок службы.
