石墨加熱元件在真空爐中的應用研究

石墨加熱元件在真空爐中的應用研究
基於(yu) 石墨材料的諸多優(you) 良特性，詳細分析了真空熱處理爐內(nei) 石墨加熱元件的各種結構形式，以及設計、使用中的一些注意事項，為(wei) 石墨加熱元件在真空爐行業(ye) 的推廣使用提供參考。關(guan) 鍵詞：石墨加熱元件結構形式使用條件石墨具有耐高溫、熱膨脹小、抗熱衝(chong) 擊能力強等特性。常溫下，石墨的強度比金屬差，但是其機械強度在２５００。Ｃ以下隨溫度的上升而提高，在１７００～１８００。Ｃ時最佳，竟然超過所有的氧化物和金屬材料。

石墨加熱元件在真空爐中的應用研究

摘要：基於(yu) 石墨材料的諸多優(you) 良特性，詳細分析了真空熱處理爐內(nei) 石墨加熱 元件的各種結構形式，以及設計、使用中的一些注意事項，為(wei) 石墨加熱元件 在真空爐行業(ye) 的推廣使用提供參考。

關(guan) 鍵詞：石墨加熱元件結構形式使用條件 石墨具有耐高溫、熱膨脹小、抗熱衝(chong) 擊能力強等特性。常溫下，石墨的強度比金屬 差，但是其機械強度在２５００。Ｃ以下隨溫度的上升而提高，在１７００～１８００。Ｃ時最佳，竟然 超過所有的氧化物和金屬。石墨材料熔點高，蒸氣壓低，真空爐內(nei) 的氣氛會(hui) 含有低濃度 的碳，將與(yu) 殘存氣體(ti) 中的Ｏ：和Ｈ２０蒸氣分子產(chan) 生反應，產(chan) 生淨化效果，即使在低真空度 下，也能使被處理工件獲得光亮的表麵狀態，大大簡化了真空係統，降低了成本，這是 任何金屬電熱體(ti) 所無法比擬的。

由於(yu) 石墨具有上述一係列的優(you) 良特性，做為(wei) 真空電阻爐的加熱元件，越來越受到熱 處理行業(ye) 的歡迎，在高溫電阻爐方麵日益得到廣泛的應用。

１．各種石墨加熱元件的結構形式 １．１單根棒狀 最簡單的單相電熱體(ti) 如圖１所示，電流從(cong) 兩(liang) 端直接導入石墨棒，Ｌｌ為(wei) 發熱部分，Ｌ２ 為(wei) 接頭部分。為(wei) 了增大發熱量，可以將石墨棒製成空心，由於(yu) 不需要對中心部分加熱， 因此可有效地利用電能。 ‘ 圖１ 最簡單的單相電熱體(ti) 示意圖 十：司班｝ ， ” ｎｏｔ３ｃｔｒ如 。ｒ－弋 圖２單相加長結構電熱體(ti) 示意圖 由於(yu) 受到石墨坯料的限製，不可能將接頭部分與(yu) 工作部分做成整體(ti) ，可按如圖２所 示，分成幾部分製作，再用螺母把這幾部分聯接起來。設計時應注意，由於(yu) 石墨材料中 有孔隙、雜質、晶粒等缺陷，聯接應選用粗牙螺紋，螺絲(si) 的內(nei) 徑應大於(yu) 加熱體(ti) 工作部分 ．１９４． 的直徑，刻螺紋的長度為(wei) 螺絲(si) 直徑的１．５倍，保證連接處有足夠的導電麵積，特別在使用 大電流時，為(wei) 改善螺紋聯接與(yu) 電極接頭間的接觸，先用石墨膏塗在施緊的零件上，增大 導電麵積。

１．２管式加熱體(ti) 管式加熱體(ti) 有單相和三相之分， 圖３所示為(wei) 廣泛應用的單相管式加熱體(ti) ，從(cong) 管子的 一端將它切開為(wei) 兩(liang) 個(ge) 相等的部分，另一端不切開，這樣加熱長度等於(yu) 增加了一倍，因而 增大了電阻，同時為(wei) 了增加加熱體(ti) 的強度，加厚了加熱體(ti) 切開一端的厚度。Ｌ－為(wei) 發熱部 分，Ｌ：為(wei) 加厚部分，電熱體(ti) 電阻等於(yu) 上、下兩(liang) 部分電阻之和。 圖３單相管式加熱體(ti) 示意圖 圖４所示為(wei) 三相管式加熱體(ti) ，結構與(yu) 單相的相似，從(cong) 管子的一端將它切開為(wei) 三個(ge) 相 等的部分，另一端不切開，由三道間隙把它分為(wei) 在端部按星形相連的電阻相同的三部分， Ａ、Ｂ、Ｃ為(wei) 三相引出端。必要時，可根據阻值的需要，在每相上開一條或多條長槽形 長縫，增大電阻值。 圖４組合式棒狀加熱體(ti) 示意圖 超精石墨 13546972862 王永超

１．３組合式棒狀加熱體(ti) 管式加熱體(ti) 多用在工作室為(wei) 圓柱形的電阻爐上，由於(yu) 材料尺寸的限製，僅(jin) 適用於(yu) 小 型高溫真空爐上。由於(yu) 受到原材料尺寸的限製，管式加熱體(ti) 無法滿足大型熱處理爐的需 求，而且整體(ti) 加工不僅(jin) 製造成本大，使用過程中局部出現損壞即整體(ti) 報廢，使用成本大。 圖５所示為(wei) 新研製的組合式棒狀加熱體(ti) ，適用於(yu) 使用溫度１５００。Ｃ以下的真空爐。該 結構采用石墨棒為(wei) 加熱元件，由多個(ge) 組件組裝而成，因而不受原材料尺寸的製約，加工 容易，大大節約了製造成本。如果在使用過程中，由於(yu) 碰撞、氧化、老化等原因出現零 部件損壞時，可進行局部零件的更換，維修方便，大大降低了使用成本。 整個(ge) 結構主要由石墨加熱棒、石墨錐形卡套、石墨導電環、９９瓷絕緣連接環、石墨 螺栓等組裝而成。石墨加熱棒為(wei) 發熱元件，通過石墨錐形卡套，固定於(yu) 上下兩(liang) 端的石墨 導電環上。石墨導電環、９９瓷絕緣連接環通過石墨螺栓連接，形成上下兩(liang) 個(ge) 完整的圓環， 通過合理布置石墨加熱棒、石墨導電環、９９瓷連接環的數量及位置，使石墨加熱棒形成 所需的串並聯回路，最後由電極引出棒連接，與(yu) 外部電源相通，實現加熱的目的。 ｃ△ 圖５三相管式加熱體(ti) 示意圖

１．４平板式加熱體(ti) 圖６所示為(wei) 平板式加熱體(ti) ，是近幾年新采用的一種加熱元件。它具有製造方便，輻 射麵積大，可以承受較大的熱應力等優(you) 點。 圖６平板式加熱體(ti) 示意圖 喂 平板式加熱體(ti) 主要使用在方形工作室內(nei) ，根據有效加熱區的尺寸可由一塊或幾塊組 成串並聯形式。製作時將石墨坯料加工成板狀，再在上麵開槽若幹，形成回路，電極引 出端Ａ、Ｂ處應加厚處理。根據爐溫均勻性的要求，將平板式加熱體(ti) 布置在爐內(nei) 的兩(liang) 側(ce) 麵、項部及底部，形成方形工作室，可實現多麵加熱的目的。

１．５石墨布及石墨帶加熱體(ti) 石壤螺釘壓板石墨加熱帶連接柱 圖７ 石墨帶固定方式示意圖 近年來，用石墨纖維編織成石墨布或石墨帶來製作加熱元件，可采用多條帶並聯成 單相、三相供電。與(yu) 石墨相比，石墨布具有熱慣性小、不變形，柔性好等特點，不斷得 到推廣使用。圖７所示為(wei) 最簡單的一種石墨帶固定方式，元件更換方便。石墨纖維編織 的尺寸，可根據電阻率的要求和爐膛空間布置的需要，進行專(zhuan) 門編織。

２．石墨加熱體(ti) 的使用條件 石墨加熱體(ti) 的材料一般選用優(you) 質石墨或三高石墨，由於(yu) 不同廠家生產(chan) 的石墨坯料， 其電阻率的差別很大，通常為(wei) ８～１３ｆｌ·刪：ｎ可ｍ，設計時可暫時取ｌＯｌｌ·衄砰／ｍ計算，待確 定生產(chan) 廠家後，通過適當修正變壓器的電參數，使加熱係統的功率滿足設計要求。用石 墨纖維編織製作加熱元件，電阻率為(wei) ４．７ｆｌ·刪ｎ＿ｚ／ｍ。 （１）石墨加熱體(ti) 在電阻爐中的使用壽命取決(jue) 於(yu) 其氧化和揮發速度、表麵功率、最高 工作溫度等。當真空度為(wei) １０。～１０．３Ｐａ時，工作溫度應在２２００”Ｃ以下，如果加熱體(ti) 需要 在２２００℃以上工作時，爐內(nei) 必須保持低真空或向爐內(nei) 通入保護氣體(ti) ，如Ｈ２、Ｎ２、Ｃ０２、 ｍ等氣體(ti) ，造成一定壓力以減小揮發，這樣使用溫度可達３０００”Ｃ左右…。 （２）石墨加熱元件的允許表麵負荷值很大，約在４０～６０Ｗ／ｃｍ３，一般采用的石墨棒、 管、板等元件的輻射麵積都很大，其表麵負荷值均很低，因此在設計石墨電熱元件時， 可不考慮負荷的限製。 （３）石墨在低溫時導熱性好，高溫時就下降為(wei) 低溫的幾分之一，因此在加熱體(ti) 中心 與(yu) 外表麵間造成溫度差，溫度差引起加熱體(ti) 內(nei) 部產(chan) 生機械應力…，故石墨加熱體(ti) 的壁 厚通常為(wei) ８～１６ｍｍ，加厚部分壁厚為(wei) １６～３０ｍｍ。對於(yu) 實心棒，當石墨加熱棒的直徑超 過日ｐ１２ｍｍ時，最好用石墨管代替，這樣不僅(jin) 可以增加電阻值，增大輻射麵積，提高熱效 率，而且克服了實心棒在高溫時心部與(yu) 外部溫度差過大易於(yu) 損壞電熱元件的缺陷。 （４）石墨加熱元件作為(wei) 真空爐用電熱元件，電壓選擇不宜過高，否則會(hui) 導致爐內(nei) 的 真空放電或輝光放電，致使電熱元件受到損壞；如果電壓選擇的太低，就會(hui) 增大電熱元 件的電流，致使電熱元件的連接結構困難且複雜，並且增大了電損耗。因此，元件的電 壓應在２００Ｖ以下，根據使用溫度及爐內(nei) 氣氛，電壓選擇在１７０～３０Ｖ之間較好幢１。 （５）石墨電熱元件電阻率隨溫度的變化不大，故一般不考慮電阻溫度係數，設計時 根據電壓及功率的大小，選擇固定值的變壓器即可滿足使用。

３．結論 就石墨的某些性能來看，它既像金屬又像陶瓷，說它像金屬，是因為(wei) 具有高的導熱 性和導電性，加工性能非常好；說它像陶瓷，則是因為(wei) 具有多孔性和小的熱膨脹係數， 膨脹係數很小，近似為(wei) 零。石墨有較高的電阻，因此可以在加熱體(ti) 截麵積較大的情況下 采用低電壓大電流的電源，容易得到高溫，與(yu) 真空爐常用純金屬材料鎢、鉬、鉭相比， 價(jia) 格便宜很多。基於(yu) 以上優(you) 點，做為(wei) 真空電阻爐、保護氣氛爐的加熱元件，越來越受到 熱處理行業(ye) 的追捧。

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