电阻炉用电热元件设计(design of electrical heating elements for resistance furnace)
利用导体的电阻产生热量为电阻炉供热的部件的设计。有时电热元件仅指制成成品出售的电阻发热元件，如管状电热元件、碳化硅元件。设计内容包括电热元件材料、结构尺寸和表面负荷率的选定以及电热元件计算。
材料选择 炉温低于1350℃的工业电阻炉使用的高电阻电热合金有镍铬合金和铁铬铝合金两类(表1)。非金属电热元件主要是碳化硅和二硅化钼元件。碳化硅元件有多种形状：棒状端部加粗型(CG型)、棒状等直径型(DG型)、两根棒或三根棒的一端连在一起的槽型(DGC型)或三相型(DGS型)，还有单螺旋槽和双螺旋槽的硅碳管。按制造质量不同，使用温度为1350～1500℃。二硅化钼元件做成u形和w形，在氧化性气氛中用到1700℃。有一种改性的硅化钼元件，用钨代替一部分钼，元件温度可达1900℃，用在炉温1820℃的特种电炉上。管状电热元件是在低碳钢管或镍铬钢管内装入电阻丝再将其中的空隙用结晶氧化镁颗粒或石英砂填实。它有多种形状，用于水、油、空气、盐浴、碱浴和易熔合金的加热，使用温度低于550℃。有的在管内装上碳化硅元件，供内热式轻金属熔炼和保温炉使用。
铁铬铝合金是应用广的电热合金，只是它的加工性能较差，使用后因晶粒长大而变脆，不易返修。镍铬合金加工性能好，使用后不变脆，易于返修和焊接，但价格贵得多。炉内气氛对电热元件的使用年限有影响，例如镍铬合金在含硫气氛中不稳定，会形成熔点仅797℃的硫化镍；铁铬铝合金在含硫气氛中却比较稳定，但它对于纯氮和氨又比较敏感。在湿氢中这两类合金都不宜使用。碳化硅元件用于湿氢、分解氨气氛中时，使用温度是1200～1300℃。
电阻丝、带的加工尺寸与安装 有四种情况：(1)直径为d的电阻丝弯成“弓”字形，挂在炉顶吊钩或侧墙的销钉上、或支在炉底两支点上，弯折半径r=(1．35～2．2)d，通常d≥6mm。(2)宽度为b、厚度为n的电阻带弯成“弓”字形，挂起来或放在炉内异型砖上，弯折半径r=(5～8)b，间距e=(1～2)b，元件宽度B≤10b或≤80a，通常a≥1．50mm、宽厚比m=b/a=8～12。(3)电阻丝绕成螺旋管后放在炉内异形砖上，间距e=(2～3)d，螺旋管外径D=(6～7)d(<1000℃)或(5～6)d(>1000℃)。(4)电阻丝绕成螺旋管后套在瓷管上，瓷管再支承在炉内异型砖上，间距e=(3～6)d，螺旋管外径D=(10～14)d。
表面负荷率 电热元件单位表面积上所发出的功率数，又称单位表面功率(w／cm2)。影响表面负荷率的因素有：炉子的型式、连续使用或间歇使用、可控硅控制或通一断控制，以及电热元件形状和在炉内的安装方式等。一般说来，表面负荷率选取得高，元件表面温度就高，有利于加快传热。但过高会显著降低电热元件的使用年限。表面负荷率选取得低，则元件表面温度和炉温间的温差小，元件的使用年限长，但过低会增大电热材料的用量。在功率和元件电阻相同的条件下，电阻丝的表面负荷率高于截面积相同的电阻带。电阻带越薄表面负荷率越低，但表面积增大后元件与炉内气氛的接触面积同步增大，合金元素(铬、铝)形成的表面保护膜不易持久，使元件的使用年限缩短。就电热元件在炉内的安装方式而言，易于散热的元件，其表面负荷率可取得高些，例如，弯成“弓”字形的电阻丝的表面负荷率>弯成“弓”字形的电阻带的表面负荷率>套在瓷管上的螺旋管的表面负荷率>放在炉内异形砖上的螺旋管的表面负荷率。用可控硅控制时其表面负荷率可以比通一断控制时高些。估算时可根据经验选定表面负荷率(表2)。
电热元件计算 计算时不仅要根据欧姆定律，还要考虑表面负荷率。先根据炉子的额定功率(按有关标准规定，允许有10％偏差)、供电线路电压、金属电热元件在使用温度下的电阻率ρt和电热元件的连接方式(相数和每相组数)算出每相或每组的功率P(kw)、电压U(V)、电流I(A)和电阻R(Ω)。选定表面负荷率ω (w／cm2)后计算电阻丝的直径d(mm)或电阻带的厚度a(mm)，圆整成标准规格后计算电热元件的外形尺寸，据此再和配置电热元件的炉衬内表面积核对，考虑配置是否合适。必要时还需根据电热元件的加工尺寸和实际表面负荷率核算元件表面温度。计算电阻丝的直径d或电阻带的厚度a的公式是：
电热元件展开长度L的计算公式是：
式中S是金属电热元件的截面积，mm2。
每kW额定功率电热合金的材料用量G(kg／kW)是：电阻丝 G=0．025γd／ω 电阻带G=0．05γam／[ω (m+1)]式中γ是电热合金的密度，g／cm3；m是电阻带的宽厚比。
按金属电热元件在使用温度下的电阻率ρt，将电压U(V)、功率P(kw)、电热元件的截面尺寸、展开长度L、表面负荷率ω等参数综合绘制成列线图，可以图解求出电热元件的截面尺寸和展开长度L。如图为ρt=1．50的铁铬铝电阻丝的列线图。由图可见，当在220V和12．5kw时，如果选用φ6mm的铁铬铝电阻丝，其展开长度约为72m，其表面负荷率约为0．95W／cm2；如果选用φ6．50mm的铁铬铝电阻丝，其展开长度约为84m，其表面负荷率约为0．74W／cm2。
碳化硅元件和二硅化钼元件的计算方法比较简单，先根据炉瞠形状、尺寸和元件连接方式(串联或并联)，确定元件根数和工作段长度；再根据炉温和炉子额定功率从产品目录上选择合适的规格并查出端电压，后选配一台调压变压器。必要时核算表面负荷率。
