Электрические печи сопротивления, их область применения и принцип действия

Электрическими печами сопротивления называют многочисленный класс электротермических приборов, используемых для нагревания ряда изделий в результате прохождения тока сквозь материал изделия (в печах прямого действия) или сквозь проводниковую систему (печи косвенного действия).

ЭПС нашли широкое применение на промышленных предприятиях, в лабораториях в ходе научных исследований для выплавки, сушки, подготовительного нагрева, обжига, закалки и прочих типов термической обработки различных видов материала благодаря нижеследующим преимуществам:

• достижение равномерного нагревания изделий при температурах не превышающих 2500° С;
• компактная конструкция, развивающая высокую мощность нагревания;
• автоматическое управление дает возможность интегрировать в технологические цепочки на производстве;
• несложная система регулирования режимов работы, вне зависимости от сложности графиков температурного воздействия;
• применение средств герметизации высокой эффективности, таких как вакуумная среда, газовая среда, хорошая совместимость с различными режимами в ходе химико-термического воздействия.

Печи прямого действия с электроприводом производят нагревание металлического предмета при помощи воздействия электрического тока, пропущенного через сам объект, что обеспечивает стремительное нагревание детали до требуемых температур в течении нескольких секунд. Но применение данных установок  ограничено их большими размерами, конструктивными сложностями и затруднениями, связанными с оперативной регулировкой режимов. Большинство ЭПС производят работу по косвенной схеме, используя нагревательные элементы из жаропрочных материалов. Из нихрома или фехраля изготавливают проволочные или ленточные нагреватели, которые обладают продолжительным сроком службы, высокой надежностью и отличаются точностью соблюдения задаваемых температурных параметров. В настоящее время изготавливаются печи косвенного действия в которых теплопередача осуществляется за счет конвекции, излучения, теплопроводности а также комбинации данных факторов.

Основная классификация ЭПС

На сегодняшний день печи классифицируются по следующим параметрам:

1. По рабочему режиму — постоянного и интермиттирующего действия
2. По методу использования — лабораторные, промышленные, для разовых исследований или высокообъемной постоянной термообработки
3. По типу атмосферы в печной камере — контролируемая среда, окислительная, вакуумная
4. По типу обрабатываемой продукции — аппараты для термической обработки металла, стекла, керамики или фарфора
5. По ввиду конструкции — шахтные, камерные, колпаковые, плавильные или конвейерные ЭПС. Также разработаны установки с выдвигающимся и пульсирующим подом, печи карусельного, барабанного или толкательного типа
6. По диапазону рабочих температур

• низкотемпературные печи с нагревом до 400° С
• высокотемпературные — до 1600° С
• особо высоких рабочих температур — до 1800° С
• сверхвысокого температурного режима — до 2500° С

Материалы используемые в конструкции ЭПС и их характеристики

Ни для кого не секрет, что нагревательные элементы в ЭПС должны обладать высокими показателями жаропрочности, удельного сопротивления, стабильностью электрических свойств и быть легкими в обработке. Также большое значение имеет финансовая доступность материалов, применяемых при изготовлении нагревательных элементов. Сплавы на базе Fe, Ni, Cr и Al  соответствуют комплексу данных требований.

Прецизионные сплавы из хромникеля имеют высокую стойкость к механическим воздействиям, легко свариваются, незначительно намагничиваются и весьма долговечны. Помимо всего прочего, при обработке на их поверхности формируется пленка из тугоплавкого окисла хрома, которая не дает материалу трескаться при неоднократном  нагревании и охлаждении. Их применение ограничено финансовой составляющей вопроса, так как этот материал весьма дорогостоящий а рекомендуемые рабочие температуры не превышают 1000° С. В некоторых случаях рационально использовать более дешевый сплав фехраль.

Но стоит помнить о том, что фехралевые сплавы по сравнению с нихромными имеют ряд недостатков, связанных с эксплуатационными характеристиками: хрупкость, низкая устойчивость к коррозии и электромагнитному воздействию. В процессе проектировки ЭПС необходимо учитывать термическое удлинение нагревательных элементов из фехраля. Футеровку же в подобном типе печей требуется производить из кирпича (обмазки) с высоким процентным содержанием глинозема. Наибольшими перспективами в сфере изготовления нагревателей для ЭПС обладают сплавы Х27Н70ЮЗ и Х15Н60ЮЗ с высокой жаростойкостью, инертностью по отношению к окислам железа и отличным сочетанием механической прочности с пластичностью.

Большая часть современных моделей оснащена нагревательными элементами из проволоки или лент. На промышленных предприятиях широкое применение нашла проволока из нихрома с диаметром сечения 3-7 миллиметров, печи с большим диаметром нагревателя встречаются не так часто. Прецинзионная проволока для формирования спиралевидных нагревателей должна обладать достаточной жесткостью, высокой плотностью намотки и корректным соотношением диаметра к шагу с наилучшей теплопередачей. Весь секрет в том, что плотная намотка и немалый диаметр содействуют повышению мощности только до конкретных величин. При дальнейшем росте густоты укладки резко падает эффективность из-за экранирующего воздействия витков друг на друга.

Широкое распространение также получили современные конструкции на трубках из керамики. Трубка излучает мощность значительно превышающую современные аналоги, с универсальным внутрикамерным расположением.

Ленточные нагреватели представляют из себя зигзаги с размером зависящим от требуемой мощности печи. Крепятся ленты на стойках из керамики или жаропрочного сплава. Соотношение толщины ленты к ширине должно находиться в пределах 1:10, чтобы обеспечить достаточную прочность излучателей и минимальное экранирование соседних полос.