真空熱處理爐的石墨電熱元件性能分析
通過理論分析和ANSYS 仿真對常用電熱元件材料進行分析，從而獲得真空熱處理爐電熱元件的熱膨脹、熱電阻、輻射能力等方面的性能，分析比較石墨作為電熱元件的優(yōu)缺點，為設計真空熱處理爐是否選用石墨作為電熱元件材料提供理論依據(jù)。
隨著真空熱處理爐制造水平的提升，真空熱處理逐漸顯示出了不可比擬的優(yōu)越性，真空熱處理憑借自身的脫氣、脫脂、無氧化以及自動化等一系列優(yōu)點獲得了人們的青睞。但是真空熱處理爐的電熱元件還存在許多問題，例如高溫變形、斷裂、揮發(fā)等，這些成為限制真空爐發(fā)展的障礙。
為了解決這些問題，石墨以其獨特的優(yōu)勢脫穎而出。目前，用石墨制作的電熱元件幾乎在所有類型的真空熱處理爐中都有應用。本文將應用理論分析和仿真分析相結合的方法科學的評價石墨作為電熱元件的優(yōu)缺點，為真空電熱元件的設計提供依據(jù)。
1、電熱元件性能因素分析
真空熱處理和普通電熱處理不同，它是通過輻射進行傳熱，在真空環(huán)境下電熱元件所表現(xiàn)出來的現(xiàn)象和普通電熱爐也不一樣，這就對真空電熱元件提出了更高的要求。真空電熱元件材料的性能要求可總結如下：
(1)較高的電阻率，真空熱處理爐一旦安裝好，電熱元件的端電壓一般不變，高電阻率能獲得穩(wěn)定的功率和升溫速度；
(2)較小的電阻溫度系數(shù)，真空熱處理爐是一種自動可控的設備，較小的電阻溫度系數(shù)能降低設計難度，節(jié)省成本；
(3)為了延長電熱元件的使用壽命，減少維修和更換次數(shù)，降低成本，要求電熱元件具備較小的熱膨脹系數(shù)；
(4)較好的機械加工性能和高溫機械強度；
(5)高溫下保證電熱元件不與爐內保護氣氛、爐襯和支撐件等發(fā)生化學反應。
2、常用材料的性能對比分析
電熱元件的材料分為金屬材料和非金屬材料。金屬材料包括鉬、鎢、鉭、鎳鉻合金等，非金屬材料包括石墨、碳化硅、二氧化鉬等，本文將對金屬材料的鉬、鎢、鉭和非金屬材料的石墨進行對比分析。
2.1、電阻率
材料不同，電阻率不同，隨著溫度的變化，電阻率將會發(fā)生變化。電阻與材料的電阻率、長度、截面積的關系如下：
式中，R 為電熱元件的電阻，Ω；ρ 為材料的電阻率，Ω·mm²/m；L 為電熱元件長度，m；F 為電熱元件截面積，mm²。
在設計真空爐電熱元件的時候，為了保證真空爐電熱元件的額功率，使其能快速升溫，便于設計安裝和使其工作穩(wěn)定，我們要求電熱元件電阻隨溫度變化較小，即要求電阻率穩(wěn)定。
鉬、鎢和鉭隨溫度的升高，電阻率急劇升高，變化較大，而石墨隨溫度的升高變化較小，變化量只有10 % ~ 20 %。由此可見，石墨與其他三種材料比較，具備明顯的優(yōu)勢，電阻率穩(wěn)定。
2.2、電阻溫度系數(shù)
電阻溫度系數(shù)是影響材料電阻隨溫度變化的另一個重要參數(shù)，其值的大小直接影響電熱元件在不同溫度下的電阻值，電阻溫度系數(shù)越大，隨溫度升高，電阻的變化就越大，從而嚴重影響功率的穩(wěn)定性，從而使得電熱元件的工作變得極不穩(wěn)定。石墨、鉬、鎢、鉭的電阻溫度系數(shù)分別為：126×10^-5 ℃、471×10^-5 ℃、482×10^-5 ℃、399×10^-5 ℃，由此可以看出石墨的電阻溫度系數(shù)z*小，而鉬、鎢、鉭的電阻溫度系數(shù)分別達到了石墨的3 ~ 4 倍，由此可見，用石墨制作的電熱元件能夠獲得穩(wěn)定的工作性能。
2.3、熱膨脹系數(shù)
在真空熱處理爐電熱元件設計時，熱脹冷縮是一個重要因素，因為它直接影響了電熱元件的壽命和使用性能，例如，在設計電熱元件時，沒有為熱脹冷縮設計預留空間或者預留空間過小，就會導致電熱元件受熱后承受較大的熱應力，或者電熱元件直接受力斷裂，損壞電熱元件；相反預留空間過大，就會導致電熱元件難以固定安裝，裝配更換困難，因此要求電熱元件熱膨脹系數(shù)盡可能的小，而且能夠穩(wěn)定。為了得到四種材料的熱膨脹程度，選用了GD型系列電熱元件中外徑為20 mm 的電熱元件作為模型(GD 型電熱元件數(shù)據(jù)參數(shù)如表2 所示)，并且僅對發(fā)熱部進行了建模，采用ANSYS 有限元分析的方法對其分別在1000 ℃和2000 ℃的溫度下進行了仿真。
由分析結果我們可以看到，石墨在高溫時的熱膨脹量z*少，在1 000 ℃時只有不到1.1 mm，2 000 ℃時也只有不到2.3 mm，而1 000 ℃時鉭棒的膨脹量為5.2 mm，2 000 ℃時達到了10.4 mm，幾乎為石墨的5 倍。因此，單從熱膨脹的角度來看，石墨確實具有非常大的優(yōu)勢，是一種很好的電熱元件材料。
2.4、可加工性和高溫機械強度
鉬、鎢、鉭均為金屬電熱材料，他們都有堅硬的質地，鉬的硬度為5.5 HB，鎢為5 ~ 5.5 HB，鉭的硬度達到了6 ~ 6.5 HB，可見，加工難度都很大；而且隨溫度的升高，硬度下降，高溫機械強度逐漸變差。而石墨是一種非金屬電熱材料，質軟，硬度只有1 ~ 2 HB，非常容易加工成型，而且2 500 ℃以下隨著溫度的升高機械強度不斷提高，在1 700 ~ 1 800 ℃達到z*佳。可見，石墨的可加工性和高溫機械強度均比另外三種好，這也是石墨成為電熱元件s*選材料的原因之一。
2.5、其他因素
真空熱處理爐是一種通過輻射加熱的設備，因此電熱元件的輻射性能直接決定了電熱元件的效率和性能，而輻射能力取決于物質的黑度，黑度越高，輻射能力越強，反之越弱，石墨的黑度為0.95、鉬為0.1 ~ 0.3、鎢為0.03 ~ 0.3、鉭為0.2 ~ 0.3，石墨z*大。
另外，真空環(huán)境下各種材料都會加速揮發(fā)，而且隨著真空度提高，揮發(fā)程度相應地提高，形成各自物質的氣氛環(huán)境，限制了電熱元件的使用范圍，例如石墨電熱元件在真空環(huán)境中揮發(fā)會形成碳環(huán)境，要求不能滲碳或者不能和碳反應的熱處理就不能在這樣的加熱爐中進行。
材料的價格和是否豐富也常常是電熱元件材料選擇要考慮的因素，石墨是一種儲量豐富，價格低廉的材料，相比之下，鉬、鎢和鉭都顯得較為昂貴。
4、結束語
本文通過理論分析和ANSYS 的仿真分析，詳細真實地反映出了常用電熱元件材料的各種性能，并且通過辨證的觀點進行了比較，比較后發(fā)現(xiàn)，石墨確實具有其他電熱元件不能比擬的優(yōu)勢，穩(wěn)定的電阻率、較低的電阻溫度系數(shù)、較小的熱膨脹系數(shù)以及較大的黑度等優(yōu)點都使得它成為了電熱元件材料的s*選，但是由于石墨在常溫下硬度較低，因此常溫時石墨電熱元件容易斷裂損壞，在不易更換電熱元件的加熱爐中不宜使用。另外，石墨在真空環(huán)境下易揮發(fā)形成碳環(huán)境，因此某些材料不能在這樣的真空爐中加工處理，同時要特別注意在選用支撐件和連接件時，要防止其與石墨反應。
隨著真空熱處理爐制造水平的提升，真空熱處理逐漸顯示出了不可比擬的優(yōu)越性，真空熱處理憑借自身的脫氣、脫脂、無氧化以及自動化等一系列優(yōu)點獲得了人們的青睞。但是真空熱處理爐的電熱元件還存在許多問題，例如高溫變形、斷裂、揮發(fā)等，這些成為限制真空爐發(fā)展的障礙。
為了解決這些問題，石墨以其獨特的優(yōu)勢脫穎而出。目前，用石墨制作的電熱元件幾乎在所有類型的真空熱處理爐中都有應用。本文將應用理論分析和仿真分析相結合的方法科學的評價石墨作為電熱元件的優(yōu)缺點，為真空電熱元件的設計提供依據(jù)。
1、電熱元件性能因素分析
真空熱處理和普通電熱處理不同，它是通過輻射進行傳熱，在真空環(huán)境下電熱元件所表現(xiàn)出來的現(xiàn)象和普通電熱爐也不一樣，這就對真空電熱元件提出了更高的要求。真空電熱元件材料的性能要求可總結如下：
(1)較高的電阻率，真空熱處理爐一旦安裝好，電熱元件的端電壓一般不變，高電阻率能獲得穩(wěn)定的功率和升溫速度；
(2)較小的電阻溫度系數(shù)，真空熱處理爐是一種自動可控的設備，較小的電阻溫度系數(shù)能降低設計難度，節(jié)省成本；
(3)為了延長電熱元件的使用壽命，減少維修和更換次數(shù)，降低成本，要求電熱元件具備較小的熱膨脹系數(shù)；
(4)較好的機械加工性能和高溫機械強度；
(5)高溫下保證電熱元件不與爐內保護氣氛、爐襯和支撐件等發(fā)生化學反應。
2、常用材料的性能對比分析
電熱元件的材料分為金屬材料和非金屬材料。金屬材料包括鉬、鎢、鉭、鎳鉻合金等，非金屬材料包括石墨、碳化硅、二氧化鉬等，本文將對金屬材料的鉬、鎢、鉭和非金屬材料的石墨進行對比分析。
2.1、電阻率
材料不同，電阻率不同，隨著溫度的變化，電阻率將會發(fā)生變化。電阻與材料的電阻率、長度、截面積的關系如下：
式中，R 為電熱元件的電阻，Ω；ρ 為材料的電阻率，Ω·mm²/m；L 為電熱元件長度，m；F 為電熱元件截面積，mm²。
在設計真空爐電熱元件的時候，為了保證真空爐電熱元件的額功率，使其能快速升溫，便于設計安裝和使其工作穩(wěn)定，我們要求電熱元件電阻隨溫度變化較小，即要求電阻率穩(wěn)定。
鉬、鎢和鉭隨溫度的升高，電阻率急劇升高，變化較大，而石墨隨溫度的升高變化較小，變化量只有10 % ~ 20 %。由此可見，石墨與其他三種材料比較，具備明顯的優(yōu)勢，電阻率穩(wěn)定。
2.2、電阻溫度系數(shù)
電阻溫度系數(shù)是影響材料電阻隨溫度變化的另一個重要參數(shù)，其值的大小直接影響電熱元件在不同溫度下的電阻值，電阻溫度系數(shù)越大，隨溫度升高，電阻的變化就越大，從而嚴重影響功率的穩(wěn)定性，從而使得電熱元件的工作變得極不穩(wěn)定。石墨、鉬、鎢、鉭的電阻溫度系數(shù)分別為：126×10^-5 ℃、471×10^-5 ℃、482×10^-5 ℃、399×10^-5 ℃，由此可以看出石墨的電阻溫度系數(shù)z*小，而鉬、鎢、鉭的電阻溫度系數(shù)分別達到了石墨的3 ~ 4 倍，由此可見，用石墨制作的電熱元件能夠獲得穩(wěn)定的工作性能。
2.3、熱膨脹系數(shù)
在真空熱處理爐電熱元件設計時，熱脹冷縮是一個重要因素，因為它直接影響了電熱元件的壽命和使用性能，例如，在設計電熱元件時，沒有為熱脹冷縮設計預留空間或者預留空間過小，就會導致電熱元件受熱后承受較大的熱應力，或者電熱元件直接受力斷裂，損壞電熱元件；相反預留空間過大，就會導致電熱元件難以固定安裝，裝配更換困難，因此要求電熱元件熱膨脹系數(shù)盡可能的小，而且能夠穩(wěn)定。為了得到四種材料的熱膨脹程度，選用了GD型系列電熱元件中外徑為20 mm 的電熱元件作為模型(GD 型電熱元件數(shù)據(jù)參數(shù)如表2 所示)，并且僅對發(fā)熱部進行了建模，采用ANSYS 有限元分析的方法對其分別在1000 ℃和2000 ℃的溫度下進行了仿真。
表2 GD 型電熱元件參數(shù)
由分析結果我們可以看到，石墨在高溫時的熱膨脹量z*少，在1 000 ℃時只有不到1.1 mm，2 000 ℃時也只有不到2.3 mm，而1 000 ℃時鉭棒的膨脹量為5.2 mm，2 000 ℃時達到了10.4 mm，幾乎為石墨的5 倍。因此，單從熱膨脹的角度來看，石墨確實具有非常大的優(yōu)勢，是一種很好的電熱元件材料。
2.4、可加工性和高溫機械強度
鉬、鎢、鉭均為金屬電熱材料，他們都有堅硬的質地，鉬的硬度為5.5 HB，鎢為5 ~ 5.5 HB，鉭的硬度達到了6 ~ 6.5 HB，可見，加工難度都很大；而且隨溫度的升高，硬度下降，高溫機械強度逐漸變差。而石墨是一種非金屬電熱材料，質軟，硬度只有1 ~ 2 HB，非常容易加工成型，而且2 500 ℃以下隨著溫度的升高機械強度不斷提高，在1 700 ~ 1 800 ℃達到z*佳。可見，石墨的可加工性和高溫機械強度均比另外三種好，這也是石墨成為電熱元件s*選材料的原因之一。
2.5、其他因素
真空熱處理爐是一種通過輻射加熱的設備，因此電熱元件的輻射性能直接決定了電熱元件的效率和性能，而輻射能力取決于物質的黑度，黑度越高，輻射能力越強，反之越弱，石墨的黑度為0.95、鉬為0.1 ~ 0.3、鎢為0.03 ~ 0.3、鉭為0.2 ~ 0.3，石墨z*大。
另外，真空環(huán)境下各種材料都會加速揮發(fā)，而且隨著真空度提高，揮發(fā)程度相應地提高，形成各自物質的氣氛環(huán)境，限制了電熱元件的使用范圍，例如石墨電熱元件在真空環(huán)境中揮發(fā)會形成碳環(huán)境，要求不能滲碳或者不能和碳反應的熱處理就不能在這樣的加熱爐中進行。
材料的價格和是否豐富也常常是電熱元件材料選擇要考慮的因素，石墨是一種儲量豐富，價格低廉的材料，相比之下，鉬、鎢和鉭都顯得較為昂貴。
4、結束語
本文通過理論分析和ANSYS 的仿真分析，詳細真實地反映出了常用電熱元件材料的各種性能，并且通過辨證的觀點進行了比較，比較后發(fā)現(xiàn)，石墨確實具有其他電熱元件不能比擬的優(yōu)勢，穩(wěn)定的電阻率、較低的電阻溫度系數(shù)、較小的熱膨脹系數(shù)以及較大的黑度等優(yōu)點都使得它成為了電熱元件材料的s*選，但是由于石墨在常溫下硬度較低，因此常溫時石墨電熱元件容易斷裂損壞，在不易更換電熱元件的加熱爐中不宜使用。另外，石墨在真空環(huán)境下易揮發(fā)形成碳環(huán)境，因此某些材料不能在這樣的真空爐中加工處理，同時要特別注意在選用支撐件和連接件時，要防止其與石墨反應。
