Карбидкремниевые нагреватели

Карбидкремниевые материалы

Карбидкремниевые нагревательные элементы (КЭН) — неметаллические нагревательные элементы, изготовленные из карбида кремния. В основном используются в печах при температуре от 600 °С до 1600 °С. Могут быть использованы непосредственно в воздушной атмосфере без какой-либо защитной оболочки. КЭНы широко используются в металлургической (химический анализ руд и минералов, термообработка, закалка, горячая штамповка, отжиг и др.), керамической (стеатитовая керамика, электротехнический фарфор, огнеупорные строительные материалы, фарфорофаянсовые изделия, керамическая изделия и др.), стекольной (плавка, выдержка, осветление, рафинирование), машиностроительной промышленности, а также в научных исследованиях.
Карбидкремневые нагреватели могут быть установлены как в вертикальном, так и в горизонтальном положении. Преимущество карбидкремниевых элементов в том, что они являются свободнолежащими на больших расстояниях без дополнительных промежуточных опор.

Характеристики карбидкремниевых нагревательных элементов:

• высокая температура
• низкий коэффициент распространения
• стабильный химический состав
• длительный срок службы
• малая деформируемость
• легкая установка и обслуживание

Типичные физические характеристики КЭНов:

• особая гравитация: 3,0 – 3,1 г/см3
• специфический нагрев: 0,7 * 0,14 KДж/Кг
• коэффициент излучения: ~0,80
• прочность при растяжении: ~15 * 106 Н/м2
• коэффициент распространения: 4,8 * 10-6

Сопротивление карбидкремниевых нагревательных элементов изменяется при повышающейся температуре. От комнатной температуры до 800°С кривая сопротивление-температура имеет отрицательное значение и становится положительной при температуре выше 800°С. Когда зона нагрева достигает температуры 1050°С + 50°С, сопротивление будет варьироваться в пределах 600-1400 Ом*мм2/м.
На срок службы карбидкремниевых нагревательных элементов влияет:
Нагрузка на поверхность. Перегрузка не разрешается, поэтому необходимо строго контролировать нагрузку на поверхность в рамках заданного интервала. Если данная температура поверхности горячей зоны соответствует температуре печи, то дозволенный уровень нагрузки должен соответствовать показанному справа графику.

Атмосфера внутри печи. В ходе работы карбидокремниевые нагревательные элементы постепенно окисляются и выделяют оксид кремния, который отделяет кристаллы карбида кремния. Поэтому увеличивается сопротивление локальной зоны, увеличивается объем до тех пор, пока карбидокремниевый элемент не выйдет из строя.

Виды карбидкремниевых нагревателей:

Стержневые (трубчатые, трубообразные) карбидокремниевые нагреватели (аналог КЭН ВП, КЭНБ) выполнены в виде стержня или трубки в зависимости от диаметра. Стержневой КЭН состоит из зоны нагрева, расположенной посередине и двух холодных зон, расположенных на концах.
Зона нагрева элемента — самосклеивающийся карбидкремний.
Существует 2 типа стержневых нагревателей:

1. Цельный стержневой нагреватель. Холодные зоны наполнены металлическим кремнием.
2. Трехсоставной стержневой нагреватель. Холодные зоны — низкого сопротивления, припаянные к зоне нагрева. В этом случае нагреватель используется при более низкой температуре. Концы элементов металлизируются алюминием, устанавливая контактную область более низкого сопротивления, к которой подводятся электрические соединения, выполненные в косичковой алюминиевой обмотке. 
   Стержневые нагреватели могут производиться длиной до 3300мм. Максимальная длина зоны обогрева — 2500мм.

В воздушной или инертной аргоновой или гелиевой атмосфере "цельный" элемент работает при температуре до 1700°C; трехсоставной элемент — до 1425°C.
В восстановительной среде максимальная рабочая температура — 1370°C. Защитное покрытие на карбиде кремния, изготовленное из диоксида кремния истончается под действием водорода.
Применение в азотной среде ограничено температурой 1370°C и 3,1 – 4,6 ваттами на см2 поверхности. Высокая температура на поверхности нагревателя вызовет реакцию нитрида кремния.

Гантелеобразные (гантелевидные) карбидкремниевые элементы (аналог КЭН АП) состоят из средней зоны нагрева и двух холодных концов с различными диаметрами.
Устанавливать карбидкремниевые нагревательные элементы можно как в горизонтальном, так и вертикальном положении. Гантелеобразные нагреватели, обычно устанавливаемые горизонтально, могут служить для нагрева стенок, крышек или дна.
Спиральные карбидкремниевые элементы с двумя выводами сделаны из высокоплотного реакционносвязанного карбидкремния. Спиральная часть зоны нагрева уменьшает область поперечного сечения, что обеспечивает баланс электрического сопротивления, позволяющий держать концы холодными, а зону нагрева — горячей. Для обеспечения контакта с поверхностью низкого сопротивления концы металлизируются алюминием. Электрические соединения делаются с плоскими алюминиевыми косичками и зажимов с пружинками.

Тип 1. Для более высоких температур
Тип 2. Для ограниченных космических сред

Тип 2 имеет тонкостенную конструкцию и сквозной внутренний диаметр. Тонкая стенка делает этот тип элементов пригодным для использования в трубчатых печах.
Данный элемент пригоден для использования в тяжелых внешних условиях, поскольку высокая плотность не позволяет внутренней решетчатой конструкции окисляться
В воздушной или инертной аргоновой или гелиевой атмосфере Тип 1 и Тип 2 могут работать при температуре печи до 1650°C.
В восстановительной среде максимальная рабочая температура этих КЭНов — 1371°C.
Спиральные карбидкремниевые элементы с двумя выводами можно использовать прямо на линии (постоянное напряжение) при температурах до 1370°C.

Спиральные карбидокремниевые элементы с односторонним выводом сделаны из высокоплотного реакционно-связанного карбидкремния. Электрические соединения в таком элементе расположены на одном конце. Зона нагрева образована разрезом двойной спиральной области, что уменьшает область сечения, через которую идет поток, и создает большую сопротивляемость по сравнению с холодным концом. Холодный конец образуется разрезом двух продольных частей по длине трубки.
U- и W-образные карбидкремниевые нагревательные элементы могут работать при температурах печи до 1425°C. Ограничения по температуре связаны с холодной зоной элемента. Если необходимо использовать температуры выше 1425°C, холодные концы нужно защитить от полных температур печи.
Максимальную рабочую температуру нужно снижать и в условиях невоздушных применений. Только аргон и гелий можно использовать без снижения максимальных рабочих температур. Восстанавливающие среды — водород или разложившийся аммиак особенно с низкой точкой росы удаляют защитный оксид кремния, который естественным образом образуется на карбидкремнии. В таких средах контрольная температуры не может превышать 1370°C.