Сплав Канталь (Kanthal) и Никроталь (Nikrothal) для индустриальных печей

Сплав Канталь (Kanthal) и Никроталь (Nikrothal) для индустриальных печей

Технология нагрева сопротивлением активно используется в конструкциях индустриальных печей, посредством которых осуществляется, к примеру, плавка металлов. В этом плане интерес представляет техническая информация на жаропрочный сплав Канталь (Kanthal) и Никроталь (Nikrothal). Современные производственные мастерские обладают большим накопленным опытом изготовления нагревательных систем и зачастую способны изготовить таковые по любым спецификациям. Рассмотрим продвинутые решения в этой области, благодаря которым открываются широкие индустриальные возможности.

Жаропрочный сплав Канталь и Никроталь

Существует два основных типа сплавов, на основе которых допустимо создание эффективного элемента электрического сопротивления.

  1. Никроталь (Nikrothal).
  2. Канталь (Kanthal).

Никель-хромовый сплав (80 Ni + 20 Cr), получивший название – «Никроталь» (Nikrothal), разработали вначале 20-го века. Вскоре после испытательных процедур, эта разработка стала активно применяться в качестве материала нагревателей, применяемых в составе промышленных печей, а также в конструкциях бытовых электроприборов.

КАНТАЛЬ А1

Сплав Канталь в конструкции горизонтального нагревателя
Один из множественного разнообразия конструктивных вариантов производства нагревателей, основу которых составляет Канталь. Здесь представлен вариант под горизонтальный монтаж компонента

Период 30-х годов отметился очередным событием — презентацией нового жаропрочного сплава Канталь, полученного на основе связки:

Этот новый продукт отличался более продолжительным периодом работы в условиях максимально допустимой рабочей температуры, чем показывал никель-хромовый компонент (Никроталь). Одноимённая фирма «Kanthal» поставляет на коммерческий рынок оба типа продуктов под коммерческими наименованиями Никроталь (состав: никель-хром) и Канталь (состав: железо-хром-алюминий), соответственно.

Особенности и специфические свойства сплавов

Оба упомянутых типа сплавов демонстрируют специфические свойства, выраженные преимущества, но также имеют недостатки. На современный рынок поставляются широким ассортиментом сортов и форм.

В целом, сплав типа Канталь (Kanthal) превосходит продукт другого типа — Никроталь (Nikrothal), в плане производительности и продолжительной работоспособности. Поэтому в настоящее время именно первый тип компонента рассматривается стандартным материалом, если на повестке дня выбор металлических нагревателей промышленных печей.

ПРОВОЛОКА

Сплав Канталь - вариант трубчатой конструкции нагревателей
Пример исполнения нагревательных компонентов проводом на основе материала Канталь намоткой на керамической основе. Используется керамический материал трубчатой формы

Для  сплава Никроталь особые преимущества выражаются привлекательными механическими свойствами в состоянии нагрева. Однако сплав Канталь обладает улучшенным сопротивлением ползучести при тех же высоких температурах, что показывает Никроталь.

Для конечного пользователя (обслуживающего печи) использование именно сплава Канталь сопровождается уменьшением количества материала компонента, а также увеличением срока службы системы в целом. В таблице ниже приведён пример экономии веса при использовании Канталь вместо никель-хромовых аналогов. Уменьшенный вес компонента, в свою очередь, позволяет экономить значительные средства на организацию системы обслуживания.

Таблица сравнения двух разных материалов

Данные компонента: Никроталь: Канталь:
Температура работы, ºC 1000 1000
Температура нагрева, ºC 1068 1106
Сопротивление, R (нагр) 3.61 3.61
Фактор температуры, C 1.05 1.06
Сопротивление, R (холод) 3.44 3.41
Диаметр проводника, мм 5.5 5.5
Поверхностная нагрузка, W/см2 3.09 3.98
Длина провода (3 компонента), м 224.9 174.6
Вес провода (3 компонента), кг 44.4 29.6

Явные преимущества сплава Канталь против Никроталь следующие:

  • более высокая максимальная температура (1425°C),
  • вчетверо увеличенная долговечность,
  • увеличенная поверхностная нагрузка,
  • повышенное удельное сопротивление,
  • уменьшенная плотность
  • исключено образование и отслаивание оксида с поверхности.

Последнее преимущество в списке особенно важно для промышленного производства, так как позволяет сохранять продукт и плавильную печь в чистом состоянии. Более совершенная структура слоя оксида исключает короткое электрическое замыкание, вывод из строя деталей газовых горелок.

Физико-механические свойства описываемых сплавов

Как правило, индустриальные нагреватели выпускаются в форме проволоки, ленты или полосы. Дизайн элементов имеет большое значение. Чем более свободно происходит  излучение тепла формой нагревателя, тем выше допускается максимальная поверхностная нагрузка.

Так, например, компонент ROB (Rod Over Bend) – петлевой компенсатор, допускает максимальную нагрузку. Следующим по нагрузочным способностям выступает гофрированный полосовой нагреватель. Изделия катушечного типа на керамических трубках выдерживают большую нагрузку, чем такие же катушечного типа, но с канавками.

НАГРЕВАТЕЛЬ

Сплав Канталь - другие варианты исполнения нагревателей
Ещё один пример вариаций исполнения нагревательных компонентов, которые применимы под использование в составе термической системы нагрева

По типу нагреватели условно разделяются на четыре категории:

  1. Тип «А» — провод большого сечения.
  2. Тип «В» — полоса.
  3. Тип «C» — провод на керамике.
  4. Тип «D» — гибрид (провод + полоса).

Диаметр провода составляет минимум 5 мм. Размер толщины полосы составляет минимум 2,5 мм. Шаг не менее 50 мм при максимальной длине петли и максимальной нагрузке на поверхность. Для 3 и 4 типов минимальный диаметр провода и минимальная толщина полосы – 3 мм и 2,0 мм, соответственно. Рекомендуемая длина петли в зависимости от температуры нагрева:

  • 900°C — 300 мм,
  • 1000°C — 250 мм,
  • 1100°C — 200 мм,
  • 1200°C — 150 мм,
  • 1300°C — 100 мм.

Для более тонких диаметров проволоки и меньшей толщины полосы необходимо выбирать более низкие поверхностные нагрузки и более короткую длину петли. Такой подход позволит избежать деформации элемента и сокращения срока службы элемента.

Максимально допустимая рабочая температура

При нагревании жаропрочные сплавы образуют оксидный слой на рабочей поверхности, что предотвращает дальнейшее окисление материала. Для выполнения этой функции требуется высокая плотность оксидного слоя, способного противостоять диффузии газов.

Оксидный слой при этом должен иметь токую структуру и не откладываться в металл в условиях колебания температуры. В этом отношении оксид алюминия, образованный на сплавах Канталь, выглядит лучше, чем образующийся оксид Никроталь.

ИНДУКЦИОННЫЙ

Сплав Канталь - ленточное исполнение нагревателей
Примеры изготовления нагревающих компонентов, где используется форма полосы сплава — без основы как таковой, и на керамической основе с проходными канавками

Срок службы нагревательных элементов сокращается из-за резких колебаний температуры. Поэтому целесообразно выбрать электрическое контрольное оборудование, которое даёт стабильную максимально возможную температуру, например, регуляторы на тиристорах.

Толщина материала оказывает прямое влияние срок службы элемента. Очевидно — увеличение диаметра провода на единицу поверхности – это больше легирующего элемента для образования нового оксида. Таким образом, при заданной температуре более толстые провода обеспечивают продолжительный срок службы, чем более тонкие провода.

Соответственно, для ленточных элементов увеличение размера толщины также сопровождается увеличением срока службы. Основываясь на этих факторах, производитель рекомендует минимальный диаметр провода 3 мм и размер толщины полосы 2 мм.

Факторы температурной атмосферы плавильной печи

Как правило, сплав Никроталь не следует использовать в конструкциях плавильных печей, содержащих газ, предварительно окисленный на воздухе, насыщенный углеродом, по причине риска образования «зелёной гнили» при температурах 800-950°C.

Для таких случаев рекомендуются сплавы Канталь, при условии, что нагревательные элементы предварительно окислены на воздухе при температуре 1050°С в течение 7–10 часов. Повторное окисление нагревательных элементов необходимо проводить через равные промежутки времени.

Загрязнения атмосферы печи, например:

  • масло,
  • пыль,
  • летучие вещества,
  • углеродные отложения,

способны повредить компоненты нагрева. Сера вредна для всех никелевых сплавов. Хлор в различных формах оказывает воздействие как на сплав Канталь, так и на сплав Никроталь. Остатки расплавленного металла или соли также способны привести к повреждению нагревателей.


При помощи информации: Kanthal