Материалы для электротермических установок. Справочное пособие

ред. М.Б. Гутмана

Энергоатомиздат, 1987 г.

1.1. СПЛАВЫ С ВЫСОКИМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ

1.1.1. Общая характеристика

В ряде электротермических установок для нагревательных элементов применяют сплавы с высоким удельным электрическим сопротивлением, которые условно называют сплавами сопротивления.

К этим сплавам предъявляется ряд требований. Прежде всего они должны обладать высокой жаростойкостью, т. е. взаимодействие их с компонентами атмосфер, в которых они работают, при высоких температурах должно быть как можно меньшим. Для снижения материалоемкости электрических печей сплавы должны обладать высоким удельным электрическим сопротивлением и высокими излучательными свойствами. Стабильность электрического сопротивления нагревательного элемента в процессе эксплуатации, а также небольшое и постоянное значение температурного коэффициента сопротивления позволяют использовать сплавы сопротивления в целом ряде случаев без регулирующих трансформаторов. Благодаря небольшому температурному коэффициенту линейного расширения упрощается размещение и крепление нагревательных элементов. Для сохранения формы нагревательного элемента в процессе работы материал должен быть достаточно жаропрочным. Поскольку нагревательный элемент работает в контакте с огнеупорными материалами, он не должен взаимодействовать с ними. Материал для нагревательных элементов должен обладать удовлетворительными технологическими характеристиками (пластичностью, свариваемостью и т. п.) и иметь невысокую стоимость.

Перечисленным требованиям наиболее полно удовлетворяют специально разработанные для нагревательных элементов сплавы сопротивления, которые можно разделить на две группы: никельхромовые и железохромоалюминиевые сплавы.

Основой никельхромовых сплавов служит никель или никель и железо, основными легирующими элементами являются хром, алюминий и кремний. Основой железохромоалюмиииевых сплавов является железо, основными легирующими элементами — хром и алюминий. Как в никельхромовые, так и в железохромоалюминиевые сплавы вводят микродобавки редкоземельных и щелочноземельных металлов, существенно повышающих жаростойкость сплавов, а следовательно, и срок службы нагревательных элементов. Наряду с легирующими элементами, обеспечивающими высокую жаростойкость сплавов, в них содержатся также и примесные элементы, попадающие в сплав с шихтовым материалом и в процессе плавки. К ним относятся сера и фосфор, оказывающие отрицательное воздействие па механические свойства металлов и снижающие жаростойкость материала.

Очень сильно снижает жаростойкость сплавов углерод. Повышение содержания углерода с 0,04—0,05% до 0,08—0,09% в Х23Ю5Т и Х27Ю5Т может снизить срок службы нагревательных элементов в 4— 5 раз.

Примесными элементами для железохромоалюминиевых сплавов являются также кремний и марганец, а для никельхромовых сплавов титан и марганец. Однако последние в пределах, допускаемых ГОСТ 10994-74, не вызывают значительного снижения жаростойкости.

Отечественная промышленность выпускает никельхромовые сплавы марок ХН20ЮС, Х15Н60, Х15Н60-Н, Х20Н80-Н, ХН60ЮЗ, ХН70Ю и Х15Н60ЮЗА и железохромоалюминиевые сплавы марок Х15Ю5, X23Ю5, Х23Ю5Т и Х27Ю5Т. Сортамент, ГОСТ и ТУ для них приведены в табл. 1.1. Сплав Х15Н60 в связи с низкой жаростойкостью рекомендуется применять лишь в качестве реостатного материала (ГОСТ 10994-74).

В табл. 1.2—1.5 приведен химический состав сплавов и характеристики, которые нормируются соответствующими ГОСТ и ТУ, указанными в табл. 1.1. В табл. 1.6—1.9 представлены справочные данные, содержащиеся в ГОСТ и ТУ, но нерегламентируемые.

Никельхромовые сплавы могут работать в контакте с шамотом любой марки, не взаимодействуя с ним [2]. При температуре выше 1000 °С железохромалюминиевые сплавы могут работать в контакте лишь с высокоглиноземистыми огнеупорными материалами (с содержанием оксида алюминия не менее 60—70%). При меньшем содержании оксида алюминия и наличии оксидов железа в огнеупорном материале наблюдается химическое взаимодействие между нагревательным элементом и футеровкой в месте их контакта, в результате чего на поверхности нагревателя возникают легкоплавкие эвтектики, что приводит к образованию язв (кратеров) и перегоранию элемента [2]. Нагреватели из любых сплавов разрушаются в печах с атмосферой, содержащей водород, при использовании футеровочных материалов или мертелей на фосфатных связках. Не рекомендуется применять нагреватели из сплавов сопротивления также в окислительной атмосфере в печах с футеровкой из огнеупорных бетонов на фосфатных связках.

Пластичность железохромоалюминисвых сплавов возрастает с увеличением температуры, и при температуре 800—1000 °С сплавы легко поддаются деформации. Однако при температуре 400—500 °С наблюдается зона хрупкости. При медленном охлаждении до комнатной температуры хрупкость сохраняется. Для се устранения следует выдерживать металл при температуре 750-850 °С, а затем проводить закалку металла в воде. При нагреве до температуры 900—950 °С и выше происходит быстрый рост зерна, приводящий к необратимому охрупчиванию металла. Железохромоалюминиевые сплавы не рекомендуется эксплуатировать в среде азота, так как алюминий с азотом легко образует нитриды, обедняя твердый раствор легирующим веществом, обеспечивающим жаростойкость сплава.

В вакууме при давлении до 10^-2 Па для нагревательных элементов при температуре до 1150°С рекомендуется применять сплавы ХН70Ю, Х15Н60ЮЗА, Х20Н80-Н, при этом предпочтение следует отдавать сплавам, дополнительно легированным алюминием (Х15Н60ЮЗА, ХН70Ю), поскольку скорость их испарения в вакууме ниже, чем у никельхромовых сплавов.

Проволока, лента, сортовой прокат (исключая прутки) из сплавов сопротивления поставляются в термообработанном состоянии. Для проведения смягчающего отжига рекомендуется режим термообработки, представленный в табл. 1.10.

Гибку нагревательных элементов из проволоки никельхромовых сплавов диаметром до 8,0 мм можно проводить без подогрева. Для проволоки диаметром более 8,0 мм рекомендуется подогрев мест гиба до 950—1100 °С для сплавов марок ХН70Ю, ХН60ЮЗ, ХН20ЮС; до 700— 1000°С для сплава Х15Н60-Н; до 700—800 °С для сплава Х20Н80-Н. Гибку нагревательных элементов из проволоки и ленты железохромоалюминиевых сплавов (исключая сплав Х15Ю5) ввиду их малой пластичности следует вести с подогревом мест гиба до 700—950 °С, особенно в больших сечениях. Гибку нагревателей из проволоки сплава Х15Ю5 диаметром до 7,0 мм включительно можно вести без подогрева, места гиба проволоки большего диаметра следует греть до 650—800 °С. Минимальный радиус гиба для всех сплавов равен 0,9 диаметра проволоки. Гибку следует вести плавно, без рывков. При гибке с подогревом температура места нагрева в конце процесса гибки для железохромоалюминиевых сплавов должна быть не ниже 600 °С.

Изготовление спиральных нагревателей из никельхромовых сплавов и сплава Х15Ю5 можно вести без подогрева, для остальных железохромоалюминиевых сплавов рекомендуется подогрев до 200—300 °С. Обычно при навивке спиралей на токарно-винторезном станке подогрев проволоки осуществляют прямым пропусканием электрического тока, для этого подключают один из выводов низковольтной обмотки трансформатора (5—12 В) к укладчику проволоки. В этом случае нагревается участок проволоки между укладчиком и оправкой, на которую навивается спираль. Оправку и второй вывод трансформатора заземляют. Регулирование температуры подогрева осуществляют изменением подаваемого напряжения, а также скорости навивки спирали. Необходимо избегать нагрева выше 400 °С, так как при 400—500 °С, как уже отмечалось выше, имеется зона хрупкости, где пластичность железохромоалюминиевых сплавов резко падает.

При гибке зигзагообразных нагревателей температура может быть с достаточной точностью оценена визуально или с помощью оптического пирометра. При навивке спиральных нагревателей температура измеряется с помощью инфракрасного оптического пирометра или термокарандашей в  процессе подготовки к навивке, в дальнейшем выдерживают избранные скорость навивки и напряжение тока, чем и обеспечивается постоянство температуры подогрева.

Так как нагреватели из железохромоалюминиевых сплавов в процессе работы охрупчиваются, ремонт их, связанный с правкой и гибкой, следует вести только при температуре 800—1000 °С. Никельхромовые сплавы сохраняют пластичность до конца эксплуатации нагревателей.

При выборе конструкции нагревателей следует учитывать, что места сварки обладают меньшей жаростойкостью, чем основной металл. Для железохромоалюминиевых сплавов сварные швы и околошовная зона обладают, кроме того, повышенной хрупкостью. При необходимости сварку следует вести аргонодуговым методом с нерасходуемым вольфрамовым электродом и присадочной проволокой из той же марки, что и свариваемый материал. Для нагревателей из никельхромовых сплавов, работающих при температуре ниже 1100°С, допускается ручная электродуговая сварка электродами марки ОЗЛ25 или ОЗЛ25Б. Приварку тонкой проволоки к выводам осуществляют контактно-конденсаторной сваркой. Токарную обработку сплавов рекомендуется вести резцами с пластинами из твердых сплавов.