延长立式电热辐射管使用寿命

于战文 李宝新

（西安法士特汽车传动有限公司，西安 710075）

电热辐射管在现在的热处理设备上应用已经非常普遍，但由于其在多用炉气体渗碳炉上经常出现电热元件与外壳接触，导致接地短路而拉弧，或者拉弧严重击穿辐射管外壳而使炉体漏气无法使用，造成报废。其中有的是由于辐射管电热元件质量问题，热变形严重膨胀与外壳接地；而大部分是氧化皮堆积致使电热元件与外壳接地。许多辐射管使用不到一年就损坏，给用户造成很大损失，在炉内的零件需要拉出来待更换新的辐射管后重新返修，增加了维修人员的工作量。根据实际生产中遇到的问题提出一些改进立式电热辐射管的措施从而延长其使用寿命。

1 目前立式电热辐射管的介绍

图1

设备上现有的电热辐射管如图1所示，电热辐射管是把电热元件放置在辐射管内部，与炉内的气氛隔绝，不受炉内气氛腐蚀，电热辐射管主要用于可控气氛炉及其他有腐蚀性气体的工业炉，通电加热后，由套管间接地把热量辐射给被加热工件。电热辐射管由外壳、外隔离架、内限位板、三孔隔离架、凸台支承架、十字支承架、底托、电热元件组成。但是由于电热元件长期工作会出现变软、膨胀、下坠，先倒伏搭接、后熔断等现象以及氧化皮脱落，造成在支承架和底托位置经常性出现由于氧化皮堆积导致的电热元件与外壳接地（如图1所示），继而拉弧击穿外壳，烧坏电热元件。

图2至图5就是现在所用电热辐射管中间和底部氧化皮堆积短路拉弧损坏的情况。

图2

图3

图4

图5

图6所示是电热元件膨胀损坏的情况。

图6

2 改进立式电热辐射管的具体措施

1）提高立式电热辐射管的电热元件与外壳在高温环境下的绝缘，使用耐高温绝缘涂料刷涂外壳内壁。

2）减少由于氧化皮堆积而造成电热元件与外壳接地拉弧，将支承架和底托的形状改为向上的斜坡。将凸台支承架和十字支承架改为如图7所示，在承力的范围内将支承架周围挖空并做成斜坡形状，氧化皮脱落后直接滑落到底部不会停留在支承架上而堆积，同时又可以起到支撑的作用。底托改为如图8所示，底托中间加高并做成内螺纹，将辐射管中间的连接杆延长并加工外螺纹与底托的内螺纹相配合，增加电热元件在外壳内的稳定，同时增加了底部存放氧化皮的空间，具体的螺纹尺寸要与中间连接杆的尺寸相配合确定。

图7

图 8

3）减少底部氧化皮的吸附，将电热元件的缠绕方式改为双向缠绕方式，如图9所示。在每个支承架上下都采用一正一反的绕线方式，抵消掉一个方向绕制形成的磁性加强，到底部就形成强大的磁场，吸附起氧化皮。

图9

4）对底部的电热元件与中间连接杆的连接方式进行改进，现有的辐射管是用一块平板将两个焊接在一起，如图10所示，离外壳距离太近若堆积氧化皮就会很快接地短路，改为将电热元件缠绕在加长的中间连接杆上并焊接，如图11所示。

图10

图11

5）减少由于冷热升温而造成的电热元件与外壳的变形引起的接地拉弧，使用更好的不易热变形的材料制作电热元件。

（1）首先良好的电热元件材料应具备下列技术性能：①良好的高温力学性能和化学稳定性。电热体的温度比炉膛温度高出100℃～150℃，长期在高温条件下工作，必须具备良好的耐热性和高温强度，即在高温下变形小、不塌陷、不断裂、抗氧化，与耐火材料不发生化学反应；②高的电阻率；③较小的电阻温度系数。电阻温度系数小，炉温变化时炉内功率变化少，炉温波动小；如果电阻温度系数大，炉内温度变化时，炉内功率变化大，温度波动大，就应安装调节变压器；④低的热膨胀系数；⑤良好的机械加工性能。

（2）目前使用的电热元件有两大类：一类是铁铬铝合金系列，另一类是镍铬合金系列，它们作为电热材料分别具有各自的优缺点。

①铁铬铝合金。经常使用的铁铬铝合金有Cr13Al4、Cr17Al5、0Cr25Al5、0Cr24Al6Re、0Cr13Al6Mo2、0Cr27Al7Mo2等。铁铬铝合金的熔点高，最高使用温度可达1400℃，在空气介质中加热后表面形成一层致密的 Al2O3保护膜，其熔点比合金基体高。铁铬铝合金电阻率大，同样功率条件下，用料少；电阻温度系数小，炉子使用过程中，功率波动小；价格低廉。但质脆，加工性能较差，弯曲时需要预热；高温时强度低，元件易于变形倒塌；加热后合金晶粒长大，脆性增加，经不起冲击和弯曲；维修时比较困难；热膨胀系数大，安装时要留有适当膨胀空间。

②镍铬合金。经常使用的镍铬合金有Cr15Ni60、Cr20Ni80、Cr20Ni80Ti3、0Cr23Ni13、0Cr25Ni20等。镍铬合金在空气中加热后，表面形成一层较硬的Cr2O3保护膜并紧附在合金基体上，熔点比合金基体高，能耐受交替性的加热和冷却，抗蚀能力强，高温时力学性能好，常温时易于加工和焊接，但电阻率较铁铬铝合金小，最高使用温度达1100℃。

总的来说，镍铬合金是性能较好的电热元件材料，选用镍铬合金制作电热辐射管使生产更加稳定，提高了生产效率。

6）使用更好的材料和制作工艺制作外壳。

辐射管的外壳应具有抗氧化、耐腐蚀及足够的高温力学性能，热导率大，热膨胀系数小，能抵抗高温下的温度波动。常用的管体材料有 0Cr18Ni13Si4、0Cr18Ni35、Cr18Ni35Si2。目前使用的外管有无缝管、板材圈焊管、离心铸造管等，其中板材焊接管在高温下变形最大，容易导致电热元件与外壳接地，离心铸造管变形量最小，所以最好选用离心铸造管。

7）将中间的连接杆选用更好的不易变形的材料。由于现有电热辐射管若悬吊在外壳里，中间连接杆在高温下长时间工作会出现拉长变形，所以需要选用在高温环境下变形小，不易拉伸的材料并加粗制成中间连接杆。同时中间连接杆与引出端的连接方式需要改变，图 12为原有的钻孔焊的连接方式，图13为改后的搭焊连接方式。由于电热元件的焊接性一般都比较差，对于不同的电热元件，应选择适当的焊接方法，采用成分与电热元件相同或者相近的焊条，并严格按照焊接工艺规程进行焊接，镍铬元件焊接性较好，可采用电弧焊或气焊。铁铬铝元件，一般质量要求的可采用电弧焊，质量要求较高时应采用氩弧焊。铁铬铝元件经高温加热后会因晶粒粗大而变脆，因此应进行快速焊接。此外，为保证焊接区的强度，搭焊时端部应留有5～10mm的不焊接区。

图12

图13

3 结论

通过以上几点的改进之后，电热辐射管总体就如图14所示。

图14

由于对外壳内部刷涂绝缘涂料增加量绝缘性能；对支承架的形状做了改进，减少了电热辐射管内部的电热元件的氧化皮在支承架上停留；对底部电热元件与连接杆的连接方式改进可以减少底部接地；使用更好的材料制作电热元件和外壳；使用更好的材料制作连接杆并加粗减少热态的延伸性；这样就可以延长电热辐射管的寿命，节省成本，减少电热辐射管损坏引起的停机，保证了生产的正常运行提高了效益。

[1]纪嘉明, 苗瑞生. 热处理设备实用技术[M]. 北京:机械工业出版社, 2011.

[2]中国机械工程学会热处理学会. 第 3卷-热处理设备和工辅材料. 热处理手册[M]. 北京: 机械工业出版社, 2008.1.

[3]马伯龙. 热处理设备及其使用与维修[M]. 北京: 机械工业出版社, 2011.

[4]王淑华. 热处理设备[M]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 2010.