石墨加熱元件在真空爐中的應用研（yán）究（jiū）

石墨加熱元件在真空爐中的（de）應用研究
基於石墨材料（liào）的諸多優良特性，詳細分析了真空熱處理（lǐ）爐內石墨加熱元件的各種結構形式（shì），以及設計、使用（yòng）中的一些注意事（shì）項，為石墨加熱（rè）元件在真空爐行業的推廣使用提供參考。關鍵詞：石墨加熱元件結構形式使用條件石墨具（jù）有耐高溫、熱（rè）膨脹小、抗熱衝擊能力強等特性。常溫下，石（shí）墨的強度比金屬差，但是其機械強（qiáng）度在２５００。Ｃ以下隨溫度的上升而提高，在１７００～１８００。Ｃ時（shí）最佳，竟然超過（guò）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（yào）：基於石（shí）墨材料（liào）的諸多優良特性，詳（xiáng）細分析了真空熱處理爐內石墨加熱 元件的各種結構形式，以及設計、使（shǐ）用中的一些注意事項，為石墨加熱元件 在真空爐行業的推廣使用提供參考。

關鍵詞：石（shí）墨加熱元件結構形式使用條件 石墨具有耐高溫、熱膨脹小、抗熱衝擊能力強等特性。常（cháng）溫（wēn）下（xià），石墨的強度比金屬 差，但（dàn）是其機械強（qiáng）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（hé）金屬。石墨材料熔（róng）點高，蒸氣壓低，真空爐內的氣氛會含（hán）有低濃度 的碳，將與（yǔ）殘存氣體中的Ｏ：和Ｈ２０蒸氣分子產生反應，產生淨化效果，即使在（zài）低真空度 下，也能使被處理工件獲得光亮（liàng）的表麵（miàn）狀態，大大簡化了真空係統，降低了（le）成本，這是 任何金屬（shǔ）電熱體所無法比擬的。

由於石墨具有上述一係列（liè）的優良特性，做（zuò）為真空電阻（zǔ）爐的加熱元（yuán）件，越來越受到熱 處理行業的歡迎，在高溫（wēn）電阻爐方麵日益得到廣泛的應用（yòng）。

１．各種石墨加熱元件的結構形式 １．１單根棒狀 最（zuì）簡單的單相電熱體如圖１所示，電（diàn）流從兩端直接導入石墨棒，Ｌｌ為發熱部分，Ｌ２ 為接頭部分。為了增大（dà）發熱量，可以將石墨棒製成空心，由於不需要對中心部分加（jiā）熱， 因此可有效地利（lì）用電能。 ‘ 圖１ 最簡單的單相電熱體示意圖 十：司班｝ ， ” ｎｏｔ３ｃｔｒ如 。ｒ－弋 圖２單相加長結構電熱體示意圖 由於受到石（shí）墨坯料的限（xiàn）製，不可能將接頭部分（fèn）與工作部分做成整體，可按如圖２所 示，分成幾（jǐ）部分製作，再用螺母把這幾部分聯接起來。設計時應注意，由（yóu）於石墨材料中 有孔隙、雜質、晶粒等缺陷（xiàn），聯接（jiē）應選用粗牙螺紋，螺絲的內徑應大於加熱體工作（zuò）部分 ．１９４． 的直徑，刻螺紋的長度為螺絲直徑的（de）１．５倍（bèi），保證連接處有足夠的導電麵積，特別在使（shǐ）用 大電流時，為改善（shàn）螺紋聯接與電（diàn）極接頭間的接（jiē）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（rè）體 管式加熱體有單（dān）相和三相之分， 圖３所示為廣泛應用的單相（xiàng）管式加熱體，從管子的 一端將它切開為兩個相等的部分，另一端不切開，這（zhè）樣加熱（rè）長度等於增（zēng）加了一倍，因而 增大了電阻（zǔ），同時為了增加加熱體的強度，加厚了加熱體切（qiē）開一（yī）端的厚度。Ｌ－為發熱部 分，Ｌ：為（wéi）加厚部（bù）分，電熱體電阻（zǔ）等於上、下兩部（bù）分電阻（zǔ）之和。 圖３單相管式（shì）加（jiā）熱體示意圖 圖（tú）４所示（shì）為三（sān）相管式加熱體（tǐ），結構與單相的相（xiàng）似，從管子的一端將它切開為三（sān）個相 等的（de）部分，另一端不（bú）切開，由三（sān）道間隙把它分為在端部按星形相連的電阻相同的（de）三部分， Ａ、Ｂ、Ｃ為三相引出端。必要時，可根（gēn）據阻值的需要，在每相上開一條或多條長槽形 長縫，增大電（diàn）阻值。 圖４組合式棒狀加熱體示（shì）意圖 超精石墨（mò） 13546972862 王永超

１．３組合式棒狀（zhuàng）加熱體 管（guǎn）式加熱（rè）體多用在（zài）工作室（shì）為圓柱形的電阻爐上，由於材料尺寸的限製，僅適用於小 型高（gāo）溫真空爐上。由於受到原材料尺寸的限製，管式加熱體無法（fǎ）滿足大型熱處理（lǐ）爐的需 求，而且整體加工不僅製造成本大，使用過程中局部出現（xiàn）損壞即整體報廢，使用成本大。 圖５所示為新研製的組合式棒狀加（jiā）熱體，適用於使（shǐ）用（yòng）溫度１５００。Ｃ以下的真空爐。該（gāi） 結構采用（yòng）石墨棒為加熱元件，由多個組件組裝而（ér）成，因而不受原材料尺寸的製約，加工 容易，大大節約了製造（zào）成本。如果在使用過程中，由於碰撞、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（jiàng）低了使用成本（běn）。 整（zhěng）個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（zǔ）裝而成。石墨加熱棒為發熱元件，通（tōng）過石墨錐形卡套，固定於上下兩端的石墨 導電（diàn）環上。石墨導電環、９９瓷絕緣連接環通過石墨螺栓連接，形成（chéng）上下兩個完整的圓環， 通過合理布（bù）置石墨加（jiā）熱棒、石墨導電環、９９瓷連接環的數量及位置，使石（shí）墨（mò）加熱棒形成 所需的串並聯回（huí）路，最後由電極引出棒連接（jiē），與外（wài）部電源相通，實現加熱的（de）目的。 ｃ△ 圖５三相管式加熱體示（shì）意圖

１．４平板式加熱體 圖６所示為平板式加熱體（tǐ），是近幾年新采用的一種加熱（rè）元件。它具有製造方便，輻（fú） 射（shè）麵積大，可以承受較大的熱應力（lì）等優點。 圖６平板式（shì）加（jiā）熱體示（shì）意圖 喂 平板式加熱體（tǐ）主要使（shǐ）用（yòng）在方形工作（zuò）室內，根（gēn）據有效加熱區的尺寸可由一塊或幾（jǐ）塊組 成串並聯（lián）形式。製作時將石墨坯料加工成板狀，再在上麵開槽若（ruò）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（bǎn）式加熱體（tǐ）布置在爐內的兩側 麵、項部及底部，形（xíng）成方形工作室，可實現多麵加熱的目的。

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

２．石墨加熱體的使用條件 石墨加熱體（tǐ）的材料一般選用優（yōu）質石墨或三高石墨，由於不同廠家生產的（de）石墨坯料， 其電阻率的差別很大，通（tōng）常為８～１３ｆｌ·刪：ｎ可ｍ，設計時可暫時取ｌＯｌｌ·衄砰／ｍ計算，待確 定生產（chǎn）廠家（jiā）後，通過適當修正變壓器的電（diàn）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４．７ｆｌ·刪ｎ＿ｚ／ｍ。 （１）石墨加熱體在電阻爐中的使（shǐ）用壽（shòu）命取決於其（qí）氧化和揮發速度、表麵功率、最高 工作溫度等。當真空度為１０。～１０．３Ｐａ時（shí），工作溫度應在２２００”Ｃ以下，如果加熱體需要（yào） 在２２００℃以上工作時，爐內必須保持低真空（kōng）或向爐內通入保護（hù）氣體，如Ｈ２、Ｎ２、Ｃ０２、 ｍ等氣體，造成一定壓力以減小揮發，這樣（yàng）使用溫（wēn）度（dù）可達３０００”Ｃ左右…。 （２）石墨加熱元件的（de）允許表麵（miàn）負荷值很大，約（yuē）在４０～６０Ｗ／ｃｍ３，一般采用的石墨棒、 管、板等元件的輻射麵積（jī）都很大，其表麵負荷值均很低，因此（cǐ）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（xìng）好，高溫時就下降為低（dī）溫的幾分之一，因（yīn）此在加熱體中心 與外表麵間造成溫度差，溫度差引起加熱體內部（bù）產生機械應力…，故石墨加熱（rè）體的壁 厚通常為８～１６ｍｍ，加厚部分壁厚為１６～３０ｍｍ。對（duì）於實心棒，當（dāng）石墨加熱棒的直徑超 過日ｐ１２ｍｍ時，最好用石墨管代替，這（zhè）樣不僅可以增加電阻值，增大輻（fú）射麵積，提高熱效 率，而（ér）且克（kè）服了（le）實（shí）心棒在高溫時心部與外部溫度差過大易（yì）於損壞（huài）電（diàn）熱元件的缺陷。 （４）石墨加熱元件作為真空爐用電熱元件，電壓選擇不宜過高，否則會導致爐內的 真空放電或（huò）輝光（guāng）放（fàng）電，致使電熱元件（jiàn）受到損壞；如果電壓選擇的太低，就會增大電熱元 件的電流（liú），致（zhì）使電（diàn）熱元件的連接結構困難（nán）且複雜，並且增大了電損耗。因此，元件的電（diàn） 壓應在２００Ｖ以下，根據使用溫度及爐內氣氛，電壓選（xuǎn）擇在１７０～３０Ｖ之間較好幢（zhuàng）１。 （５）石墨電熱元件電阻率隨溫度的變化不（bú）大，故一般不考（kǎo）慮電阻溫度係數，設計時 根據電壓及功率的（de）大小，選擇固定值（zhí）的變（biàn）壓器即可滿（mǎn）足使用。

３．結論 就石墨的某些性能來（lái）看，它（tā）既像金屬又像陶瓷，說它（tā）像金屬，是因（yīn）為具有高的導熱 性和（hé）導電性，加工性能非常好；說它像陶瓷，則是因為具有多孔性（xìng）和小的熱膨脹係數（shù）， 膨脹係數很小，近似（sì）為零。石墨有較高的電阻，因（yīn）此可以在加熱體截麵積較大的（de）情況下 采用低電壓大電（diàn）流（liú）的電源，容（róng）易（yì）得到高溫，與真空爐（lú）常用純金屬材料鎢、鉬、鉭相比， 價格便宜（yí）很多。基於以上優點，做（zuò）為真空電阻爐（lú）、保護氣（qì）氛爐的（de）加熱元件，越來越受到 熱處理行（háng）業的追（zhuī）捧。

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