石墨加热元件在真空炉中的应用研究

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石墨加热元件在真空炉中的应用研究

基于石墨材料的诸多优良特性，详细分析了真空热处理炉内石墨加热 元件的各种结构形式，以及设计、使用中的一些注意事项，为石墨加热元件 在真空炉行业的推广使用提供参考。 关键词：石墨加热元件结构形式使用条件 石墨具有耐高温、热膨胀小、抗热冲击能力强等特性。常温下，石墨的强度比金属 差，但是其机械强度在２５００。Ｃ以下随温度的上升而提高，在１７００～１８００。Ｃ时最佳，竟然 超过所有的氧化物和金属。石墨材料熔点高，蒸气压低，真空炉内的气氛会含有低浓度 的碳，将与残存气体中的Ｏ：和Ｈ２０蒸气分子产生反应，产生净化效果，即使在低真空度 下，也能使被处理工件获得光亮的表面状态，大大简化了真空系统，降低了成本，这是 任何金属电热体所无法比拟的。 由于石墨具有上述一系列的优良特性，做为真空电阻炉的加热元件，越来越受到热 处理行业的欢迎，在高温电阻炉方面日益得到广泛的应用。

１．各种石墨加热元件的结构形式
１．１单根棒状 最简单的单相电热体如图１所示，电流从两端直接导入石墨棒，Ｌｌ为发热部分，Ｌ２ 为接头部分。为了增大发热量，可以将石墨棒制成空心，由于不需要对中心部分加热， 因此可有效地利用电能。 ‘ 图１ 最简单的单相电热体示意图 十：司班｝ ， ” ｎｏｔ３ｃｔｒ如 。ｒ－弋 图２单相加长结构电热体示意图 由于受到石墨坯料的限制，不可能将接头部分与工作部分做成整体，可按如图２所 示，分成几部分制作，再用螺母把这几部分联接起来。设计时应注意，由于石墨材料中 有孔隙、杂质、晶粒等缺陷，联接应选用粗牙螺纹，螺丝的内径应大于加热体工作部分 ．１９４． 的直径，刻螺纹的长度为螺丝直径的１．５倍，保证连接处有足够的导电面积，特别在使用 大电流时，为改善螺纹联接与电极接头间的接触，先用石墨膏涂在施紧的零件上，增大 导电面积。

１．２管式加热体 管式加热体有单相和三相之分， 图３所示为广泛应用的单相管式加热体，从管子的 一端将它切开为两个相等的部分，另一端不切开，这样加热长度等于增加了一倍，因而 增大了电阻，同时为了增加加热体的强度，加厚了加热体切开一端的厚度。Ｌ－为发热部 分，Ｌ：为加厚部分，电热体电阻等于上、下两部分电阻之和。 图３单相管式加热体示意图 图４所示为三相管式加热体，结构与单相的相似，从管子的一端将它切开为三个相 等的部分，另一端不切开，由三道间隙把它分为在端部按星形相连的电阻相同的三部分， Ａ、Ｂ、Ｃ为三相引出端。必要时，可根据阻值的需要，在每相上开一条或多条长槽形 长缝，增大电阻值。 图４组合式棒状加热体示意图

１．３组合式棒状加热体 管式加热体多用在工作室为圆柱形的电阻炉上，由于材料尺寸的限制，仅适用于小 型高温真空炉上。由于受到原材料尺寸的限制，管式加热体无法满足大型热处理炉的需 求，而且整体加工不仅制造成本大，使用过程中局部出现损坏即整体报废，使用成本大。 图５所示为新研制的组合式棒状加热体，适用于使用温度１５００。Ｃ以下的真空炉。该 结构采用石墨棒为加热元件，由多个组件组装而成，因而不受原材料尺寸的制约，加工 容易，大大节约了制造成本。如果在使用过程中，由于碰撞、氧化、老化等原因出现零 部件损坏时，可进行局部零件的更换，维修方便，大大降低了使用成本。 整个结构主要由石墨加热棒、石墨锥形卡套、石墨导电环、９９瓷绝缘连接环、石墨 螺栓等组装而成。石墨加热棒为发热元件，通过石墨锥形卡套，固定于上下两端的石墨 导电环上。石墨导电环、９９瓷绝缘连接环通过石墨螺栓连接，形成上下两个完整的圆环， 通过合理布置石墨加热棒、石墨导电环、９９瓷连接环的数量及位置，使石墨加热棒形成 所需的串并联回路，最后由电极引出棒连接，与外部电源相通，实现加热的目的。 ｃ△ 图５三相管式加热体示意图

１．４平板式加热体 图６所示为平板式加热体，是近几年新采用的一种加热元件。它具有制造方便，辐 射面积大，可以承受较大的热应力等优点。 图６平板式加热体示意图 喂 平板式加热体主要使用在方形工作室内，根据有效加热区的尺寸可由一块或几块组 成串并联形式。制作时将石墨坯料加工成板状，再在上面开槽若干，形成回路，电极引 出端Ａ、Ｂ处应加厚处理。根据炉温均匀性的要求，将平板式加热体布置在炉内的两侧 面、项部及底部，形成方形工作室，可实现多面加热的目的。

１．５石墨布及石墨带加热体 石壤螺钉压板石墨加热带连接柱 图７ 石墨带固定方式示意图 近年来，用石墨纤维编织成石墨布或石墨带来制作加热元件，可采用多条带并联成 单相、三相供电。与石墨相比，石墨布具有热惯性小、不变形，柔性好等特点，不断得 到推广使用。图７所示为最简单的一种石墨带固定方式，元件更换方便。石墨纤维编织 的尺寸，可根据电阻率的要求和炉膛空间布置的需要，进行专门编织。


２．石墨加热体的使用条件 石墨加热体的材料一般选用优质石墨或三高石墨，由于不同厂家生产的石墨坯料， 其电阻率的差别很大，通常为８～１３ｆｌ·删：ｎ可ｍ，设计时可暂时取ｌＯｌｌ·衄砰／ｍ计算，待确 定生产厂家后，通过适当修正变压器的电参数，使加热系统的功率满足设计要求。用石 墨纤维编织制作加热元件，电阻率为４．７ｆｌ·删ｎ＿ｚ／ｍ。
（１）石墨加热体在电阻炉中的使用寿命取决于其氧化和挥发速度、表面功率、最高 工作温度等。当真空度为１０。～１０．３Ｐａ时，工作温度应在２２００”Ｃ以下，如果加热体需要 在２２００℃以上工作时，炉内必须保持低真空或向炉内通入保护气体，如Ｈ２、Ｎ２、Ｃ０２、 ｍ等气体，造成一定压力以减小挥发，这样使用温度可达３０００”Ｃ左右…。
（２）石墨加热元件的允许表面负荷值很大，约在４０～６０Ｗ／ｃｍ３，一般采用的石墨棒、 管、板等元件的辐射面积都很大，其表面负荷值均很低，因此在设计石墨电热元件时， 可不考虑负荷的限制。
（３）石墨在低温时导热性好，高温时就下降为低温的几分之一，因此在加热体中心 与外表面间造成温度差，温度差引起加热体内部产生机械应力…，故石墨加热体的壁 厚通常为８～１６ｍｍ，加厚部分壁厚为１６～３０ｍｍ。对于实心棒，当石墨加热棒的直径超 过日ｐ１２ｍｍ时，最好用石墨管代替，这样不仅可以增加电阻值，增大辐射面积，提高热效 率，而且克服了实心棒在高温时心部与外部温度差过大易于损坏电热元件的缺陷。
（４）石墨加热元件作为真空炉用电热元件，电压选择不宜过高，否则会导致炉内的 真空放电或辉光放电，致使电热元件受到损坏；如果电压选择的太低，就会增大电热元 件的电流，致使电热元件的连接结构困难且复杂，并且增大了电损耗。因此，元件的电 压应在２００Ｖ以下，根据使用温度及炉内气氛，电压选择在１７０～３０Ｖ之间较好幢１。
（５）石墨电热元件电阻率随温度的变化不大，故一般不考虑电阻温度系数，设计时 根据电压及功率的大小，选择固定值的变压器即可满足使用。

３．结论 就石墨的某些性能来看，它既像金属又像陶瓷，说它像金属，是因为具有高的导热 性和导电性，加工性能非常好；说它像陶瓷，则是因为具有多孔性和小的热膨胀系数， 膨胀系数很小，近似为零。石墨有较高的电阻，因此可以在加热体截面积较大的情况下 采用低电压大电流的电源，容易得到高温，与真空炉常用纯金属材料钨、钼、钽相比， 价格便宜很多。基于以上优点，做为真空电阻炉、保护气氛炉的加热元件，越来越受到 热处理行业的追捧。

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