Нихром широко используется в производстве электронагревательных печей, во всех отраслях производства, в основном в печах обжига и сушки. Для проволочных нагревателей используется в основном – нихромовая проволока, а для ленточных нагревателей – нихромовая лента. Для металлургической и химической просмышленности из нихрома изготавливают детали, которые могут долгосрочно работать в агрессивных средах при высоких температурвах. Нихром широко применяется в автомобилестроении и электротехнической промышленности. Во всех приборах, которые обеспечивают комфортную жизнедеятельность человечества, присутствуют элементы нихрома.

Это и радиоаппаратура и всевозможные приборы, кондиционеры, прикуриватели в автомобиле, водонагревательные приборы. Наука пришла к выводу, что дальнейший научно – технический прогресс зависит от тех или иных возможностей сплавов нихрома.

Проволока их нихрома применяется еще и как режущий элемент, так как долгое время сохраняет идеальную форму, и отличается высочайшей прочностью. Нет смысла определять границы областей применения нихрома, намного правильнее и проще сказать, что нихром применяется везде, где длительное время поддерживается высокая температура.

Инструменты:

Нихром,Фехраль

Сплавы нихром Х20Н80 и Х15Н60 относятся к сплавам с высоким электрическим сопротивлением. Х20Н80 и Х15Н60 получили широкое распространение и применяются для изготовления электронагревательных элементов, длительно работающих на воздухе при температурах 1000-1300 °С, проволочных и ленточных резисторов, элементов реостатов.Нихром является жаростойким сплавом, имеет малый температурный коэффициент электросопротивления, высокое электрическое сопротивление и высокое сопротивление коррозии под воздействием воздуха или иных газообразных сред при высокой температуре. Оксидная пленка имеет большую плотность. Эти два фактора обеспечивают высокую жаростойкость нихрома Х20Н80 и Х15Н60.

Сплав фехраль Х23Ю5Т также относится к сплавам с высоким электрическим сопротивлением и для него также характерны вышеперечисленные свойства и применение. Но фехраль - железохромоалюминиевый сплав, нихром - хромоникелевый.
Х20Н80 и Х15Н60 сочетают высокую жаростойкость с хорошей технологичностью (могут быть изготовлены лента, полоса и тонкая нихромовая проволока). Эти сплавы более жаропрочны, чем ферхраль, но в отличие от последней содержат дефицитный и дорогостоящий никель. Фехраль дешевле нихрома и отличаются повышенной жаростойкостью, однако она более твердая и хрупкая, чем нихром, а следовательно, и менее технологична (не могут быть изготовлены лента и тонкая фехралевая проволока).

Среди различной продукции наибольшее распространение получили нихромовая проволока, лента, нихромовая полоса Х20Н80 и Х15Н60 и фехраль проволока Х23Ю5Т.
Проволока - полуфабрикат с поперечным сечением постоянных размеров, свернутый в бухту или намотанный на катушку, изготовляемый прокаткой, прессованием или волочением (по ГОСТ 25501-82).
Лента - полуфабрикат прямоугольного сечения толщиной свыше 0,1 мм в рулонах, изготовляемый прокаткой или электролитическим способом (по ГОСТ 25501-82).
Полоса - плоский полуфабрикат прямоугольного сечения с отношением длины к ширине не менее 5, толщиной свыше 0,1 мм, изготовляемый прокаткой или разрезкой листов и лент (по ГОСТ 25501-82).

Сплав Х20Н80

Нихром Х20Н80 - сплав нихрома следующего состава: Ni (73-78 %); Cr (19-21 %); Si (1 %); Mn (0,7 %); остальное Fe. Иногда сплав легируют редкоземельными металлами для достижения более высокой продолжительности работы.

Нихром Х20Н80, особенно проволока являются самым ликвидным сортаментом нихрома. Нихромовая лента и полоса остаются менее продаваемыми, по сравнению с проволокой, но более востребованы нежели прутки и листы. Принято считать, что в марке Х20Н80 около 20 % хрома и 80 % никеля, но это не совсем соответствует ГОСТ, допускающим микролегирование прецизионных сплавов для улучшения их потребительских характеристик.

Название такого материала как нихром создано из двух его основных компонентов - никеля и хрома. В нем существует еще много других добавок - железо, титан, фосфор, марганец, углерод.

Высокая электросопротивляемость и большая температура плавления - до 1200 градусов, позволяют применять его в производстве высокотемпературных элементов нагревания, которые отлично даже на предельных нагрузках.

Нихром существует в нескольких основных видах. Сплав Н - для элементов нагрева, С - для узлов сопротивления, сплав ТЭН - для различных трубчатых электронагревателей.

Пластичность сплава никеля с хромом настолько высока, что позволяет изготавливать из него какие угодно изделия, характеризующиеся высокой прочностью. Его можно штамповать, точить, варить и т. п.

Нихром - свойства, применение и особенности

Нихро́м - общее название группы сплавов, состоящих, в зависимости от марки сплава, из 55-78 % никеля, 15-23 % хрома, с добавками марганца, кремния, железа, алюминия.

Первый нихромовый сплав разработан в США в 1905 году А. Маршем из Driver-Harris Company.

Физические свойства

удельное электрическое сопротивление - 1,05÷1,3 Ом·мм²/м (в зависимости от марки сплава)
плотность - 8200-8500 кг/м³
температура плавления - 1100-1400 °C
рабочая температура - 800-1100 °C
удельная теплоемкость - 0,45 кДж/(кг·К) при 25 °C
предел прочности при растяжении - 0,65-0,70 ГПа

Применение

Нихром обладает высокой жаростойкостью в окислительной атмосфере (до 1250 °C), высоким удельным электрическим сопротивлением (1,05-1,4 Ом·мм²/м), имеет минимальный температурный коэффициент электрического сопротивления. Он имеет повышенную жаропрочность, крипоустойчивость, пластичность, хорошо держит форму. Нихром - дорогостоящий сплав, но, учитывая его долговечность и надёжность, цена не представляется чрезмерной.

Нихром широко используется:

для изготовления нагревательных элементов в высокотемпературных электропечах, печах обжига и сушки, различных электрических аппаратах теплового действия;
в качестве жаропрочного (жаростойкого) сплава и химически стойкого сплава в определенных агрессивных средах;
в деталях, работающих при высокой температуре, резисторных элементах, реостатах;
в качестве подслоя и жаростойкого покрытия при газотермическом напылении.

Высокая пластичность нихрома позволяет подвергать его сварке, точению, волочению, штамповке и другим видам механической обработки.

Проволока из нихрома

От того, сколько содержится хрома в сплаве, зависит его окисляемость и тугоплавкость. Чем его содержание выше – тем больше в защитной пленке данного сплава содержится Сr2О3, что, в свою очередь, обуславливает более высокую тугоплавкость и большую способность противостоять окислению. Но увеличение содержания хрома приводит еще и к тому, что ухудшается обрабатываемость материала и, при достижении 30-ти процентов содержания хрома, такие операции, как волочение и холодная прокатка, становятся уже невозможными. В связи с чем содержание хрома в сплавах, как правило, ограничивают 20-ю процентами.

При добавлении железа в сплав улучшается его обрабатываемость и увеличивается его удельное сопротивление, но ухудшаются такие его характеристики, как температурный коэффициент сопротивления и жаростойкость. Если же рабочая температура не превышает 1000°С допускается использование тройного сплава благодаря тому, что он не такой дорогой и в нем содержится меньше дефицитного никеля.

Железо богатый нихром (термин заграничный, там этот сплав очень широко применяется, у нас – это сплав Х25Н20) более дешевый, для изготовления требует меньше никеля, но, при этом, характеризуется высокими механическими свойствами. Минус его – низкая жаростойкость, поэтому применяется в печах с температурой не выше 900 °С. Нихромы – это немагнитные сплавы, выпускающиеся в виде проволоки и ленты.

Нихром ведет свою историю с 1906 г., когда он и был предложен Маршем. Сейчас его выпуск производится многими заграничными фирмами, и он имеет различные названия. Нихром выпускают в виде двойных и тройных сплавов. Есть марки, в которые добавлен молибден. Двойной сплав у нас в стране (Х20Н80) содержит хрома 20-23% и никеля 75-78%. Так же выпускается сплав под маркой Х20Н80Т, содержащий титан, но из-за меньшей жаростойкости применение его ограничено. Тройные сплавы (Х15Н60) содержат: хром (15-18%), никель (55-61%). Благодаря дороговизне и дефициту нихрома ведутся интенсивные поиски более дешевых и доступных сплавов, которые могут полноценно его заменить в тех или иных условиях.

Физические свойства

• удельное электрическое сопротивление - 1,05÷1,3 Ом·мм²/м (в зависимости от марки сплава)
• плотность - 8200-8500 кг/м³
• температура плавления - 1100-1400 °C
• рабочая температура - 800-1100 °C
• удельная теплоемкость - 0,45 кДж/(кг·К) при 25 °C
• предел прочности при растяжении - 0,65-0,70 ГПа

Применение

Нихром обладает высокой жаростойкостью в окислительной атмосфере (до 1250 °C), высоким удельным электрическим сопротивлением (1,05-1,4 Ом·мм²/м), имеют минимальный температурный коэффициент электрического сопротивления . Он имеет повышенную жаропрочность , крипоустойчивость, пластичность , хорошо держит форму. Нихром - дорогостоящий сплав, но, учитывая его долговечность и надёжность, цена не представляется чрезмерной.

Нихром широко используется:

• для изготовления нагревательных элементов в высокотемпературных электропечах, печах обжига и сушки, различных электрических аппаратах теплового действия;
• в качестве жаропрочного (жаростойкого) сплава и химически стойкого сплава в определенных агрессивных средах;
• в деталях, работающих при высокой температуре, резисторных элементах, реостатах ;
• в качестве подслоя и жаростойкого покрытия при газотермическом напылении .

Высокая пластичность нихрома позволяет подвергать его сварке, точению, волочению, штамповке и другим видам механической обработки.

Международные названия нихромов

Нихром Х20Н80 - Cr 20 %, Ni 80 %. Удельное сопротивление - 650 Ohms/cmf , температура плавления - 1200 °C.

Аналоги: NiCr80/20, Ni80Cr20, Chromel A, N8, Nikrothal 8, Resistohm 80, Cronix 80, Nichrome V, HAI-NiCr 80, евронихром.

Нихром Х15Н60 - Ni 60 %, Cr 16 %, Fe 24 %. Удельное сопротивление - 675 Ohms/cmf, температура плавления - 1390 °C.

Аналоги: NiCr60/15, Ni60Cr15, Chromel C, N6, Nikrothal 6, Nikrothal 60, Cronifer II, Alloy C.

Сплав Х20Н80

Нихром Х20Н80 - сплав нихрома следующего состава: (73-78 %); (19-21 %); (1 %); (0,7 %); остальное . Иногда сплав легируют редкоземельными металлами для достижения более высокой продолжительности работы.

Нихром Х20Н80, особенно проволока являются самым ликвидным сортаментом нихрома. Нихромовая лента и полоса остаются менее продаваемыми, по сравнению с проволокой, но более востребованы нежели прутки и листы. Принято считать, что в марке Х20Н80 около 20 % хрома и 80 % никеля, но это не совсем соответствует ГОСТ, допускающим микролегирование прецизионных сплавов для улучшения их потребительских характеристик.

Примечания

Ссылки

• Нихром - статья из Большой советской энциклопедии (3-е издание)
• ГОСТ 10994-74. Сплавы прецизионные. Марки . Архивировано из первоисточника 23 августа 2011. Проверено 7 сентября 2009. . (см. также ГОСТ)
• Мальцев И. М. Технология триботехнических ленточных электроспеченных порошковых материалов // Международный научно-технический журнал . - 2003. - № 1. - С. 60-66.
• Пятин Ю. М. и др. Материалы в приборостроении и автоматике. - 2-е изд. - "Машиностроение", 1982. - 528 с.
• Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии . - 2-е изд. - М .: Редакция химической литературы, 1938. - С. 170-171.
• Кудрявцев И. В. Материалы в машиностроении. Выбор и применение / Химушкин Ф.Ф., Жуков Л.Л. и др.. - М .: "Машиностроение", 1968. - Т. 3 (Специальные стали и сплавы). - С. 304-319. - 448 с. - 30 000 экз.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Синонимы :

Смотреть что такое "Нихром" в других словарях:

Нихром … Орфографический словарь-справочник

- (от никель и хром) сплавы Ni (основа) с Cr (15 30%), легируемые Si (до 1,5%), Al (до 3,5%), микродобавками редкоземельных элементов. В ферронихромах часть Ni заменена Fe (св. 20%). Высокие жаростойкость и удельное электрическое сопротивление.… … Большой Энциклопедический словарь

Сущ., кол во синонимов: 2 сплав (252) ферронихром (2) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

нихром - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999] Тематики электротехника, основные понятия EN nichrome … Справочник технического переводчика

нихром - сплав никеля с хромом … Словарь сокращений и аббревиатур

Нихром - – общее название группы жаростойких сплавов никеля (65 80%) с хромом (кроме того в состав нихрома могут входить кремний, алюминий, микродобавки редкоземельных металлов).Благодаря сочетанию высоких жаростойкости и электрического… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

НИХРОМ - хромоникелевый сплав, содержащий 65 80% никеля, 15 30% хрома, иногда с добавками кремния, алюминия; обладает высокими жаростойкостью и удельным электрическим сопротивлением. Применяется для изготовления реостатов и различных нагревательных… … Большая политехническая энциклопедия

Нихром - хромоникелевый сплав (65 80% Ni, 15 30% Cr, иногда с добавками Si, Al и других элементов), характеризующийся высокими жаростойкостью и удельным электрическим сопротивлением. Применяют для изготовления нагревательных элементов в… … Энциклопедический словарь по металлургии

Общее название группы жаростойких сплавов никеля (65 80%) с хромом (15 30%). Впервые Н. запатентован в 1905 А. Маршем в США. В разных странах выпускается большое число разновидностей Н., легируемых, как правило, Si (до 1,5%), Al (до 3,5%) … Большая советская энциклопедия

А; м. Сплав никеля и хрома, обладающий высокой жаростойкостью и удельным электрическим сопротивлением (применяется для изготовления нагревательных элементов). ◁ Нихромовый, ая, ое. * * * нихром (от никель и хром), сплавы Ni (основа) с Cr (15 30%) … Энциклопедический словарь электронная книга

Очень часто при желании сделать или отремонтировать нагреватель электропечи своими руками у человека появляется много вопросов. Например, какого диаметра взять проволоку, какова должна быть ее длина или какую мощность можно получить, используя проволоку или ленту с заданными параметрами и т.д. При правильном подходе к решению данного вопроса необходимо учитывать достаточно много параметров, например, силу тока, проходящего через нагреватель , рабочую температуру, тип электрической сети и другие.

В данной статье приводятся справочные данные о материалах, наиболее распространенных при изготовлении нагревателей электрических печей , а также методика и примеры их расчета (расчета нагревателей электрических печей).

Нагреватели. Материалы для изготовления нагревателей

Непосредственно нагреватель – один из самых важных элементов печи, именно он осуществляет нагрев, имеет наибольшую температуру и определяет работоспособность нагревательной установки в целом. Поэтому нагреватели должны соответствовать ряду требований, которые приведены ниже.

Требования к нагревателям

Основные требования к нагревателям (материалам нагревателей):

• Нагреватели должны обладать достаточной жаростойкостью (окалиностойкостью) и жаропрочностью. Жаропрочность - механическая прочность при высоких температурах. Жаростойкость - сопротивление металлов и сплавов газовой коррозии при высоких температурах (более подробно свойства жаростойкости и жаропорочности описаны на странице ).
• Нагреватель в электропечи должен быть сделан из материала, обладающего высоким удельным электрическим сопротивлением. Говоря простым языком, чем выше электрическое сопротивление материала, тем сильнее он нагревается. Следовательно, если взять материал с меньшим сопротивлением, то потребуется нагреватель большей длины и с меньшей площадью поперечного сечения. Не всегда в печи может быть размещен достаточно длинный нагреватель. Также стоит учитывать, что, чем больше диаметр проволоки, из которой сделан нагреватель, тем дольше срок его службы . Примерами материалов, обладающих высоким электрическим сопротивлением являются хромоникелевый сплав , , железохромоалюминиевый сплав , которые относятся к прецизионным сплавам с высоким электрическим сопротивлением.
• Малый температурный коэффициент сопротивления является существенным фактором при выборе материала для нагревателя. Это означает, что при изменении температуры электрическое сопротивление материала нагревателя меняется не сильно. Если температурный коэффициент электросопротивления велик, для включения печи в холодном состоянии приходится использовать трансформаторы, дающие в начальный момент пониженное напряжение.
• Физические свойства материалов нагревателей должны быть постоянными. Некоторые материалы, например карборунд, который является неметаллическим нагревателем, с течением времени могут изменять свои физические свойства, в частности электрическое сопротивление, что усложняет условия их эксплуатации. Для стабилизации электрического сопротивления используют трансформаторы с большим количеством ступеней и диапазоном напряжений.
• Металлические материалы должны обладать хорошими технологическими свойствами, а именно: пластичностью и свариваемостью, - чтобы из них можно было изготовить проволоку , ленту , а из ленты - сложные по конфигурации нагревательные элементы. Также нагреватели могут быть изготовлены из неметаллов. Неметаллические нагреватели прессуются или формуются, превращаясь в готовое изделие.

Материалы для изготовления нагревателей

Наиболее подходящими и самыми используемыми в производстве нагревателей для электропечей являются прецизионные сплавы с высоким электрическим сопротивлением . К ним относятся сплавы на основе хрома и никеля (хромоникелевые ), железа, хрома и алюминия (железохромоалюминиевые ). Марки и свойства данных сплавов рассмотрены в «Сплавы прецизионные. Марки» . Представителями хромоникелевых сплавов является марок Х20Н80, Х20Н80-Н (950-1200 °С), Х15Н60, Х15Н60-Н (900-1125 °С), железохромоалюминиевых – марок Х23Ю5Т (950-1400 °С), Х27Ю5Т (950-1350 °С), Х23Ю5 (950-1200 °С), Х15Ю5 (750-1000 °С). Также существуют железохромоникелевые сплавы - Х15Н60Ю3, Х27Н70ЮЗ.

Перечисленные выше сплавы обладают хорошими свойствами жаропрочности и жаростойкости, поэтому они могут работать при высоких температурах. Хорошую жаростойкость обеспечивает защитная пленка из окиси хрома, которая образуется на поверхности материала. Температура плавления пленки выше температуры плавления непосредственно сплава, она не растрескивается при нагреве и охлаждении.

Приведем сравнительную характеристику нихрома и фехрали.
Достоинства нихрома:

• хорошие механические свойства как при низких, так и при высоких температурах;
• сплав крипоустойчив;
• имеет хорошие технологические свойства – пластичность и свариваемость;
• хорошо обрабатывается;
• не стареет, немагнитен.

Недостатки нихрома:

• высокая стоимость никеля - одного из основных компонентов сплава;
• более низкие рабочие температуры по сравнению с фехралью.

Достоинства фехрали:

• более дешевый сплав по сравнению с нихромом, т.к. не содержит ;
• обладает лучшей по сравнению с нихромом жаростойкостью, напрмер, фехраль Х23Ю5Т может работать при температуре до 1400 °С (1400 °С - максимальная рабочая температура для нагревателя из проволоки Ø 6,0 мм и более; Ø 3,0 - 1350 °С; Ø 1,0 - 1225 °С; Ø 0,2 - 950 °С).

Недостатки фехрали:

• хрупкий и непрочный сплав, данные негативные свойства особенно сильно проявляются после пребывания сплава при температуре большей 1000 °С;
• т.к. фехраль имеет в своем составе железо, то данный сплав является магнитным и может ржаветь во влажной атмосфере при нормальной температуре;
• имеет низкое сопротивление ползучести;
• взаимодействует с шамотной футеровкой и окислами железа;
• во время эксплуатации нагреватели из фехрали существенно удлиняются.

Также сравнение сплавов фехраль и нихром производится в статье .

В последнее время разработаны сплавы типа Х15Н60Ю3 и Х27Н70ЮЗ, т.е. с добавлением 3% алюминия, что значительно улучшило жаростойкость сплавов, а наличие никеля практически исключило имеющиеся у железохромоалюминиевых сплавов недостатки. Сплавы Х15Н60ЮЗ, Х27Н60ЮЗ не взаимодействуют с шамотом и окислами железа, достаточно хорошо обрабатываются, механически прочны, нехрупки. Максимальная рабочая температура сплава Х15Н60ЮЗ составляет 1200 °С.

Помимо перечисленных выше сплавов на основе никеля, хрома, железа, алюминия для изготовления нагревателей применяют и другие материалы: тугоплавкие металлы, а также неметаллы.

Среди неметаллов для изготовления нагревателей используют карборунд, дисилицид молибдена, уголь, графит. Нагреватели из карборунда и дисилицида молибдена используют в высокотемпературных печах. В печах с защитной атмосферой применяют угольные и графитовые нагреватели.

Среди тугоплавких материалов в качестве нагревателей могут использоваться , , тантал и ниобий. В высокотемпературных вакуумных печах и печах с защитной атмосферой применяются нагреватели из молибдена и вольфрама . Молибденовые нагреватели могут работать до температуры 1700 °С в вакууме и до 2200 °С – в защитной атмосфере. Такая разница температур обусловлена испарением молибдена при температурах выше 1700 °С в вакууме. Вольфрамовые нагреватели могут работать до 3000 °С. В особых случаях применяют нагреватели из тантала и ниобия.

Расчет нагревателей электрических печей

Обычно в качестве исходных данных для выступают мощность, которую должны обеспечивать нагреватели, максимальная температура, которая требуется для осуществления соответствующего технологического процесса (отпуска, закалки, спекания и т.д.) и размеры рабочего пространства электрической печи. Если мощность печи не задана, то ее можно определить по эмпирическому правилу. В ходе расчета нагревателей требуется получить диаметр и длину (для проволоки) или площадь сечения и длину (для ленты), которые необходимы для изготовления нагревателей .

Также необходимо определить материал, из которого следует делать нагреватели (данный пункт в статье не рассматривается). В данной статье в качестве материала для нагревателей рассматривается хромоникелевый прецизионный сплав с высоким электрическим сопротивлением , который является одним из самых популярных при изготовлении нагревательных элементов.

Определение диаметра и длины нагревателя (нихромовой проволоки) для заданной мощности печи (простой расчет)

Пожалуй, наиболее простым вариантом расчета нагревателей из нихрома является выбор диаметра и длины при заданной мощности нагревателя, питающего напряжения сети, а также температуры, которую будет иметь нагреватель. Несмотря на простоту расчета, в нем имеется одна особенность, на которую мы обратим внимание ниже.

Пример расчета диаметра и длины нагревательного элемента

Исходные данные:
Устройство мощностью P = 800 Вт; напряжение сети U = 220 В; температура нагревателя 800 °C. В качестве нагревательного элемента используется нихромовая проволока Х20Н80.

1. Сначала необходимо определить силу тока, которая будет проходить через нагревательный элемент:
I = P / U = 800 / 220 = 3,63 А.

2. Теперь нужно найти сопротивление нагревателя:
R = U / I = 220 / 3,63 = 61 Ом;

3. Исходя из значения полученной в п. 1 силы тока, проходящего через нихромовый нагреватель , нужно выбрать диаметр проволоки. И этот момент является важным. Если, например, при силе тока в 6 А использовать нихромовую проволоку диаметром 0,4 мм, то она сгорит. Поэтому, рассчитав силу тока, необходимо выбрать из таблицы соответствующее значение диаметра проволоки. В нашем случае для силы тока 3,63 А и температуры нагревателя 800 °C выбираем нихромовую проволоку с диаметром d = 0,35 мм и площадью поперечного сечения S = 0,096 мм 2 .

Общее правило выбора диаметра проволоки можно сформулировать следующим образом: необходимо выбрать проволоку, у которой допустимая сила тока не меньше, чем расчетная сила тока, проходящего через нагреватель. С целью экономии материала нагревателя следует выбирать проволоку с ближайшей большей (чем расчетная) допустимой силой тока .

Таблица 1

Допустимая сила тока, проходящего через нагреватель из нихромовой проволоки, соответствующая определенным температурам нагрева проволоки, подвешенной горизонтально в спокойном воздухе нормальной температуры

Диаметр , мм	Площадь поперечного сечения нихромовой проволоки, мм 2	Температура нагрева нихромовой проволоки, °C
		200	400	600	700	800	900	1000
		Максимальная допустимая сила тока, А
5	19,6	52	83	105	124	146	173	206
4	12,6	37,0	60,0	80,0	93,0	110,0	129,0	151,0
3	7,07	22,3	37,5	54,5	64,0	77,0	88,0	102,0
2,5	4,91	16,6	27,5	40,0	46,6	57,5	66,5	73,0
2	3,14	11,7	19,6	28,7	33,8	39,5	47,0	51,0
1,8	2,54	10,0	16,9	24,9	29,0	33,1	39,0	43,2
1,6	2,01	8,6	14,4	21,0	24,5	28,0	32,9	36,0
1,5	1,77	7,9	13,2	19,2	22,4	25,7	30,0	33,0
1,4	1,54	7,25	12,0	17,4	20,0	23,3	27,0	30,0
1,3	1,33	6,6	10,9	15,6	17,8	21,0	24,4	27,0
1,2	1,13	6,0	9,8	14,0	15,8	18,7	21,6	24,3
1,1	0,95	5,4	8,7	12,4	13,9	16,5	19,1	21,5
1,0	0,785	4,85	7,7	10,8	12,1	14,3	16,8	19,2
0,9	0,636	4,25	6,7	9,35	10,45	12,3	14,5	16,5
0,8	0,503	3,7	5,7	8,15	9,15	10,8	12,3	14,0
0,75	0,442	3,4	5,3	7,55	8,4	9,95	11,25	12,85
0,7	0,385	3,1	4,8	6,95	7,8	9,1	10,3	11,8
0,65	0,342	2,82	4,4	6,3	7,15	8,25	9,3	10,75
0,6	0,283	2,52	4	5,7	6,5	7,5	8,5	9,7
0,55	0,238	2,25	3,55	5,1	5,8	6,75	7,6	8,7
0,5	0,196	2	3,15	4,5	5,2	5,9	6,75	7,7
0,45	0,159	1,74	2,75	3,9	4,45	5,2	5,85	6,75
0,4	0,126	1,5	2,34	3,3	3,85	4,4	5,0	5,7
0,35	0,096	1,27	1,95	2,76	3,3	3,75	4,15	4,75
0,3	0,085	1,05	1,63	2,27	2,7	3,05	3,4	3,85
0,25	0,049	0,84	1,33	1,83	2,15	2,4	2,7	3,1
0,2	0,0314	0,65	1,03	1,4	1,65	1,82	2,0	2,3
0,15	0,0177	0,46	0,74	0,99	1,15	1,28	1,4	1,62
0,1	0,00785	0,1	0,47	0,63	0,72	0,8	0,9	1,0

Примечание :

• если нагреватели находятся внутри нагреваемой жидкости, то нагрузку (допустимую силу тока) можно увеличить в 1,1 - 1,5 раза;
• при закрытом расположении нагревателей (например, в камерных электропечах) необходимо уменьшить нагрузки в 1,2 - 1,5 раза (меньший коэффициент берется для более толстой проволоки, больший - для тонкой).

4. Далее определим длину нихромовой проволоки.
R = ρ · l / S ,
где R - электрическое сопротивление проводника (нагревателя) [Ом], ρ - удельное электрическое сопротивление материала нагревателя [Ом · мм 2 / м], l - длина проводника (нагревателя) [мм], S - площадь поперечного сечения проводника (нагревателя) [мм 2 ].

Таким образом, получим длину нагревателя:
l = R · S / ρ = 61 · 0,096 / 1,11 = 5,3 м.

В данном примере в качестве нагревателя используется нихромовая проволока Ø 0,35 мм. В соответствии с "Проволока из прецизионных сплавов с высоким электрическим сопротивлением. Технические условия" номинальное значение удельного электрического сопротивления нихромовой проволоки марки Х20Н80 составляет 1,1 Ом · мм 2 / м (ρ = 1,1 Ом · мм 2 / м), см. табл. 2.

Итогом расчетов является необходимая длина нихромовой проволоки, которая составляет 5,3 м, диаметр - 0,35 мм.

Таблица 2

Определение диаметра и длины нагревателя (нихромовой проволоки) для заданной печи (подробный расчет)

Расчет, представленный в данном пункте, является более сложным, чем выше. Здесь мы учтем дополнительные параметры нагревателей, попытаемся разобраться с вариантами подключения нагревателей к сети трехфазного тока. Расчет нагревателя будем проводить на примере электрической печи. Пусть исходными данными являются внутренние размеры печи.

1. Первое, что необходимо сделать - посчитать объем камеры внутри печи. В данном случае возьмем h = 490 мм, d = 350 мм и l = 350 мм (высота, ширина и глубина соответственно). Таким образом, получаем объем V = h · d · l = 490· 350 · 350 = 60 · 10 6 мм 3 = 60 л (мера объема).

2. Далее необходимо определить мощность, которую должна выдавать печь. Мощность измеряется в Ваттах (Вт) и определяется по эмпирическому правилу : для электрической печи объемом 10 - 50 литров удельная мощность составляет 100 Вт/л (Ватт на литр объема), объемом 100 - 500 литров - 50 - 70 Вт/л. Возьмем для рассматриваемой печи удельную мощность 100 Вт/л. Таким образом мощность нагревателя электрической печи должна составлять P = 100 · 60 = 6000 Вт = 6 КВт.

Стоит отметить, что при мощности 5-10 кВт нагреватели изготовляют, обычно, однофазными. При больших мощностях для равномерной загрузки сети нагреватели делают трехфазными.

3. Затем нужно найти силу тока, проходящего через нагреватель I = P / U , где P - мощность нагревателя, U - напряжение на нагревателе (между его концами), и сопротивление нагревателя R = U / I .

Здесь может быть два варианта подключения к электрической сети :

• к бытовой сети однофазного тока - тогда U = 220 В;
• к промышленной сети трехфазного тока - U = 220 В (между нулевым проводом и фазой) или U = 380 В (между двумя любыми фазами).

Далее расчет будет проведен отдельно для однофазного и трехфазного подключения.

I = P / U = 6000 / 220 = 27,3 А - ток проходящий через нагреватель.
Затем необходимо определить сопротивление нагревателя печи.
R = U / I = 220 / 27,3 = 8,06 Ом.

Рисунок 1 Проволочный нагреватель в сети однофазного тока

Искомые значения диаметра проволоки и ее длины будут определены в п. 5 данного параграфа.

При данном типе подключения нагрузка распределяется равномерно на три фазы, т.е. по 6 / 3 = 2 КВт на фазу. Таким образом, нам требуется 3 нагревателя. Далее необходимо выбрать способ подключения непосредственно нагревателей (нагрузки). Способов может быть 2: “ЗВЕЗДА” или “ТРЕУГОЛЬНИК”.

Стоит заметить, что в данной статье формулы для расчета силы тока (I ) и сопротивления (R ) для трехфазной сети записаны не в классическом виде. Это сделано для того, чтобы не усложнять изложение материала по расчету нагревателей электротехническими терминами и определениями (например, не упоминаются фазные и линейные напряжения и токи и соотношения между ними). С классическим подходом и формулами расчета трехфазных цепей можно ознакомиться в специализированной литературе. В данной статье некоторые математические преобразования, проведенные над классическими формулами, скрыты от читателя, и на конечный результат это не оказывает никакого влияния.

При подключении типа “ЗВЕЗДА” нагреватель подключается между фазой и нулем (см. рис. 2). Соответственно, напряжение на концах нагревателя будет U = 220 В.
I = P / U = 2000 / 220 = 9,10 А.
R = U / I = 220 / 9,10 = 24,2 Ом.

Рисунок 2 Проволочный нагреватель в сети трехфазного тока. Подключение по схеме "ЗВЕЗДА"

При подключении типа “ТРЕУГОЛЬНИК” нагреватель подключается между двумя фазами (см. рис. 3). Соответственно, напряжение на концах нагревателя будет U = 380 В.
Ток, проходящий через нагреватель -
I = P / U = 2000 / 380 = 5,26 А.
Сопротивление одного нагревателя -
R = U / I = 380/ 5,26 = 72,2 Ом.

Рисунок 3 Проволочный нагреватель в сети трехфазного тока. Подключение по схеме "ТРЕУГОЛЬНИК"

4. После определения сопротивления нагревателя при соответствующем подключении к электрической сети необходимо подобрать диаметр и длину проволоки .

При определении указанных выше параметров необходимо анализировать удельную поверхностную мощность нагревателя , т.е. мощность, которая выделяется с единицы площади. Поверхностная мощность нагревателя зависит от температуры нагреваемого материала и от конструктивного выполнения нагревателей.

Пример
Из предыдущих пунктов расчета (см. п. 3 данного параграфа) нам известно сопротивление нагревателя. Для 60 литровой печи при однофазном подключении оно составляет R = 8,06 Ом. В качестве примера возьмем диаметром 1 мм. Тогда, чтобы получить требуемое сопротивление, необходимо l = R / ρ = 8,06 / 1,4 = 5,7 м нихромовой проволоки, где ρ - номинальное значение электрического сопротивления 1 м проволоки по , [Ом/м]. Масса данного отрезка проволоки из нихрома составит m = l · μ = 5,7 · 0,007 = 0,0399 кг = 40 г, где μ - масса 1 м проволоки. Теперь необходимо определить площадь поверхности отрезка проволоки длиной 5,7 м. S = l · π · d = 570 · 3,14 · 0,1 = 179 см 2 , где l – длина проволоки [см], d – диаметр проволоки [см]. Таким образом, с площади 179 см 2 должно выделяться 6 кВт. Решая простую пропорцию, получаем, что с 1 см 2 выделяется мощность β = P / S = 6000 / 179 = 33,5 Вт, где β - поверхностная мощность нагревателя.

Полученная поверхностная мощность слишком велика. Нагреватель расплавится, если нагреть его до температуры, которая обеспечила бы полученное значение поверхностной мощности. Данная температура будет выше температуры плавления материала нагревателя.

Приведенный пример является демонстрацией неправильного выбора диаметра проволоки, которая будет использоваться для изготовления нагревателя. В п. 5 данного параграфа будет приведен пример с правильным подбором диаметра.

Для каждого материала в зависимости от требуемой температуры нагрева определено допустимое значение поверхностной мощности. Оно может определяться с помощью специальных таблиц или графиков. В данных расчетах используются таблицы.

Для высокотемпературных печей (при температуре более 700 – 800 °С) допустимая поверхностная мощность, Вт/м 2 , равна β доп = β эф · α , где β эф – поверхностная мощность нагревателей в зависимости от температуры тепловоспринимающей среды [Вт / м 2 ], α – коэффициент эффективности излучения. β эф выбирается по таблице 3, α - по таблице 4.

Если печь низкотемпературная (температура менее 200 – 300 °С), то допустимую поверхностную мощность можно считать равной (4 - 6) · 10 4 Вт/м 2 .

Таблица 3

Эффективная удельная поверхностная мощность нагревателей в зависимости от температуры тепловоспринимающей среды

Температура тепловоспринимающей поверхности, °С	β эф, Вт/cм 2 при температуре нагревателя, °С
	800	850	900	950	1000	1050	1100	1150	1200	1250	1300	1350
100	6,1	7,3	8,7	10,3	12,5	14,15	16,4	19,0	21,8	24,9	28,4	36,3
200	5,9	7,15	8,55	10,15	12,0	14,0	16,25	18,85	21,65	24,75	28,2	36,1
300	5,65	6,85	8,3	9,9	11,7	13,75	16,0	18,6	21,35	24,5	27,9	35,8
400	5,2	6,45	7,85	9,45	11,25	13,3	15,55	18,1	20,9	24,0	27,45	35,4
500	4,5	5,7	7,15	8,8	10,55	12,6	14,85	17,4	20,2	23,3	26,8	34,6
600	3,5	4,7	6,1	7,7	9,5	11,5	13,8	16,4	19,3	22,3	25,7	33,7
700	2	3,2	4,6	6,25	8,05	10,0	12,4	14,9	17,7	20,8	24,3	32,2
800	-	1,25	2,65	4,2	6,05	8,1	10,4	12,9	15,7	18,8	22,3	30,2
850	-	-	1,4	3,0	4,8	6,85	9,1	11,7	14,5	17,6	21,0	29,0
900	-	-	-	1,55	3,4	5,45	7,75	10,3	13	16,2	19,6	27,6
950	-	-	-	-	1,8	3,85	6,15	8,65	11,5	14,5	18,1	26,0
1000	-	-	-	-	-	2,05	4,3	6,85	9,7	12,75	16,25	24,2
1050	-	-	-	-	-	-	2,3	4,8	7,65	10,75	14,25	22,2
1100	-	-	-	-	-	-	-	2,55	5,35	8,5	12,0	19,8
1150	-	-	-	-	-	-	-	-	2,85	5,95	9,4	17,55
1200	-	-	-	-	-	-	-	-	-	3,15	6,55	14,55
1300	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	7,95

Таблица 4

Проволочные спирали, полузакрытые в пазах футеровки

Проволочные спирали на полочках в трубках

Проволочные зигзагообразные (стержневые) нагреватели

Предположим, что температура нагревателя 1000 °С, и хотим нагреть заготовку до температуры 700 °С. Тогда по таблице 3 подбираем β эф = 8,05 Вт/см 2 , α = 0,2, β доп = β эф · α = 8,05 · 0,2 = 1,61 Вт/см 2 = 1,61 · 10 4 Вт/м 2 .

5. После определения допустимой поверхностной мощности нагревателя необходимо найти его диаметр (для проволочных нагревателей) или ширину и толщину (для ленточных нагревателей), а также длину .

Диаметр проволоки можно определить по следующей формуле: d - диаметр проволоки, [м]; P - мощность нагревателя, [Вт]; U - напряжение на концах нагревателя, [В]; β доп - допустимая поверхностная мощность нагревателя, [Вт/м 2 ]; ρ t - удельное сопротивление материала нагревателя при заданной температуре, [Ом·м].
ρ t = ρ 20 · k , где ρ 20 - удельное электрическое сопротивление материала нагревателя при 20 °С, [Ом·м] k - поправочный коэффициент для расчета изменения электрического сопротивления в зависимости от температуры (по ).

Длину проволоки можно определить по следующей формуле:
l - длина проволоки, [м].

Подберем диаметр и длину проволоки из нихрома Х20Н80 . Удельное электрическое сопротивление материала нагревателя составляет
ρ t = ρ 20 · k = 1,13 · 10 -6 · 1,025 = 1,15 · 10 -6 Ом·м.

Бытовая сеть однофазного тока
Для 60 литровой печи, подключенной к бытовой сети однофазного тока, из предыдущих этапов расчета известно, что мощность печи составляет P = 6000 Вт, напряжение на концах нагревателя - U = 220 В, допустимая поверхностная мощность нагревателя β доп = 1,6 · 10 4 Вт/м 2 . Тогда получаем

Полученный размер необходимо округлить до ближайшего большего стандартного. Стандартные размеры для проволоки из нихрома и фехрали можно найти в , Приложение 2, Таблица 8 . В данном случае, ближайшим большим стандартным размером является Ø 2,8 мм. Диаметр нагревателя d = 2,8 мм.

Длина нагревателя l = 43 м.

Также иногда требуется определить массу необходимого количества проволоки.
m = l · μ , где m - масса отрезка проволоки, [кг]; l - длина проволоки, [м]; μ - удельная масса (масса 1 метра проволоки), [кг/м].

В нашем случае масса нагревателя m = l · μ = 43 · 0,052 = 2,3 кг.

Данный расчет дает минимальный диаметр проволоки, при котором она может быть использована в качестве нагревателя при заданных условиях . С точки зрения экономии материала такой расчет является оптимальным. При этом также может быть использована проволока большего диаметра, но тогда ее количество возрастет.

Проверка
Результаты расчета могут быть проверены следующим способом. Был получен диаметр проволоки 2,8 мм. Тогда нужная нам длина составит
l = R / (ρ · k) = 8,06 / (0,179 · 1,025) = 43 м, где l - длина проволоки, [м]; R - сопротивление нагревателя, [Ом]; ρ - номинальное значение электрического сопротивления 1 м проволоки, [Ом/м]; k - поправочный коэффициент для расчета изменения электрического сопротивления в зависимости от температуры.
Данное значение совпадает со значением, полученным в результате другого расчета.

Теперь необходимо проверить, не превысит ли поверхностная мощность выбранного нами нагревателя допустимую поверхностную мощность, которая была найдена в п. 4. β = P / S = 6000 / (3,14 · 4300 · 0,28) = 1,59 Вт/см 2 . Полученное значение β = 1,59 Вт/см 2 не превышает β доп = 1,6 Вт/см 2 .

Итоги
Таким образом, для нагревателя потребуется 43 метра нихромовой проволоки Х20Н80 диаметром 2,8 мм, это составляет 2,3 кг.

Промышленная сеть трехфазного тока
Также можно найти диаметр и длину проволоки, необходимой для изготовления нагревателей печи, подключенной к сети трехфазного тока.

Как описано в п. 3, на каждый из трех нагревателей приходится по 2 КВт мощности. Найдем диаметр, длину и массу одного нагревателя.

Подключение типа “ЗВЕЗДА” (см. рис. 2)

В данном случае, ближайшим большим стандартным размером является Ø 1,4 мм. Диаметр нагревателя d = 1,4 мм.

Длина одного нагревателя l = 30 м.
Масса одного нагревателя m = l · μ = 30 · 0,013 = 0,39 кг.

Проверка
Был получен диаметр проволоки 1,4 мм. Тогда нужная нам длина составит
l = R / (ρ · k) = 24,2 / (0,714 · 1,025) = 33 м.

β = P / S = 2000 / (3,14 · 3000 · 0,14) = 1,52 Вт/см 2 , она не превышает допустимую.

Итоги
Для трех нагревателей, подключенных по схеме “ЗВЕЗДА”, потребуется
l = 3 · 30 = 90 м проволоки, что составляет
m = 3 · 0,39 = 1,2 кг.

Подключение типа “ТРЕУГОЛЬНИК” (см. рис. 3)

В данном случае, ближайшим большим стандартным размером является Ø 0,95 мм. Диаметр нагревателя d = 0,95 мм.

Длина одного нагревателя l = 43 м.
Масса одного нагревателя m = l · μ = 43 · 0,006 = 0,258 кг.

Проверка
Был получен диаметр проволоки 0,95 мм. Тогда нужная нам длина составит
l = R / (ρ · k) = 72,2 / (1,55 · 1,025) = 45 м.

Данное значение практически совпадает со значением, полученным в результате другого расчета.

Поверхностная мощность составит β = P / S = 2000 / (3,14 · 4300 · 0,095) = 1,56 Вт/см 2 , она не превышает допустимую.

Итоги
Для трех нагревателей, подключенных по схеме “ТРЕУГОЛЬНИК”, потребуется
l = 3 · 43 = 129 м проволоки, что составляет
m = 3 · 0,258 = 0,8 кг.

Если сравнить 2 рассмотренных выше варианта подключения нагревателей к сети трехфазного тока, то можно заметить, что для “ЗВЕЗДЫ” требуется проволока большего диаметра, чем для “ТРЕУГОЛЬНИКА” (1,4 мм против 0,95 мм), чтобы обеспечить заданную мощность печи 6 кВт. При этом требуемая длина нихромовой проволоки при подключении по схеме “ЗВЕЗДА” меньше длины проволоки при подключении типа “ТРЕУГОЛЬНИК” (90 м против 129 м), а требуемая масса, наоборот, больше (1,2 кг против 0,8 кг).

Расчет спирали

При эксплуатации основная задача - это разместить нагреватель расчетной длины в ограниченном пространстве печи. Нихромовая и фехралевая проволока подвергаются навивке в виде спиралей или сгибанию в форме зигзагов, лента сгибается в форме зигзагов, что позволяет вместить большее количество материала (по длине) в рабочую камеру. Наиболее распространенным вариантом является спираль .

Соотношения между шагом спирали и ее диаметром и диаметром проволоки выбирают таким образом, чтобы облегчить размещение нагревателей в печи, обеспечить достаточную их жесткость, в максимально возможной степени исключить локальный перегрев витков самой спирали и в то же время не затруднить теплоотдачу от них к изделиям.

Чем больше диаметр спирали и чем меньше ее шаг, тем легче разместить в печи нагреватели, но с увеличением диаметра уменьшается прочность спирали, увеличивается склонность ее витков лечь друг на друга. С другой стороны, с увеличением частоты намотки увеличивается экранирующее действие обращенной к изделиям части ее витков на остальные и, следовательно, ухудшается использование ее поверхности, а также могут возникнуть местные перегревы.

Практика установила вполне определенные, рекомендуемые соотношения между диаметром проволоки (d ), шагом (t ) и диаметром спирали (D ) для проволоки Ø от 3 до 7 мм. Эти соотношения следующие: t ≥ 2d и D = (7÷10)·d для нихрома и D = (4÷6)·d - для менее прочных железохромоалюминиевых сплавов, таких как фехраль и т.п. Для более тонких проволок отношение D и d , а также t обычно берутся больше.

Заключение

В статье были рассмотрены различные аспекты, касающиеся расчета нагревателей электрических печей - материалы, примеры расчета с необходимыми справочными данными, ссылками на стандарты, иллюстрациями.

В примерах были рассмотрены методики расчета только проволочных нагревателей . Помимо проволоки из прецизионных сплавов для изготовления нагревателей может применяться и лента.

Расчет нагревателей не ограничивается выбором их размеров. Также необходимо определить материал, из которого должен быть сделан нагреватель, тип нагревателя (проволочный или ленточный), тип расположения нагревателей и другие особенности. Если нагреватель изготавливается в виде спирали, то необходимо определить количество витков и шаг между ними.

Надеемся, что статья оказалась Вам полезной. Мы допускаем её свободное распространение при условии сохранения ссылки на наш сайт http://www.сайт

В случае обнаружения неточностей, просим сообщить нам на адрес электронной почты info@сайт или с помощью системы "Орфус", выделив текст с ошибкой и нажав Ctrl+Enter.

Список литературы

• Дьяков В.И. "Типовые расчеты по электрооборудованию" .
• Жуков Л.Л., Племянникова И.М., Миронова М.Н., Баркая Д.С., Шумков Ю.В. "Сплавы для нагревателей" .
• Сокунов Б.А., Гробова Л.С. "Электротермические установки (электрические печи сопротивления)" .
• Фельдман И.А., Гутман М.Б., Рубин Г.К., Шадрич Н.И. "Расчет и конструирование нагревателей электропечей сопротивления" .
• http://www.horss.ru/h6.php?p=45
• http://www.electromonter.info/advice/nichrom.html