В предыдущих статьях Нихром для изготовления нагревателей. Часть 1 и Нихром для изготовления нагревателей. Часть 2 мы подробно объяснили, что сплав электрического сопротивления выделяет тепло, потому что в зависимости от его состава он сопротивляется потоку электричества. Однако сплав должен быть способен проводить электричество в разумной степени, чтобы функционировать в качестве нагревательного элемента.
Температурный коэффициент сопротивления
Сопротивление потоку электричества, выраженное в омах, для конкретного сплава будет изменяться при изменении температуры сплава. Это изменение обычно выражается в процентах от исходного сопротивления комнатной температуре. Как правило, с повышением температуры увеличивается и сопротивление, поэтому сплав, который в качестве проволоки имеет сопротивление 1,00 Ом при комнатной температуре (20°C, 68°F), может иметь сопротивление 1,08 Ом, скажем, при 650°C. (1202°F), или увеличение на 8% из-за нагрева. На рис. 1 показаны типичные значения для четырех основных сплавов.
Рисунок 1 Температурный коэффициент сопротивления для основных хромоникелевых сплавов
Поскольку нагревательные элементы функционируют (очевидно) в горячем состоянии, это изменение сопротивления необходимо учитывать при проектировании нагревателя: проектируйте с учетом нагревателя в горячем состоянии, затем работайте в обратном направлении, чтобы получить сопротивление комнатной температуре, для которого должен быть изготовлен нагревательный элемент. Резистивная проволока, лента и полоски всегда имеют маркировку сопротивления при комнатной температуре, если иное не указано заказчиком.
Образование оксидов и срок службы нагревательного элемента
В качестве нагревательного элемента может выступать любой металлический материал. Однако если он не имеет достаточно высокого удельного сопротивления, его поперечное сечение должно быть слишком маленьким, чтобы это было практично. После выбора сплава для нагревательного элемента он должен иметь доказанную способность образовывать защитный оксидный слой в горячем состоянии. Такой оксидный слой должен быть прочно сцеплен со сплавом даже при многократном циклировании в горячем и холодном состоянии.
Оксид служит для защиты металла под ним от катастрофического окисления вплоть до разрушения. Аналогией является то, как ржавчина фактически защищает нижележащую сталь от быстрого ржавления - когда поверхностная ржавчина удаляется, тогда ржавеет вновь открытая поверхность стали и так далее. Важно, чтобы поверхностный оксид на нагревательном элементе оставался неповрежденным, чтобы защитить нижележащий металл.
Когда производители производят сплавы, перед выпуском расплава в производство изготавливается и тестируется образец проволоки. Это испытание проводят специальным методом, и в результате получают показатель срока службы, выраженный в часах. Эти цифры не следует использовать для целей проектирования, но типичные результаты, как показано на рисунке 2 для трех сплавов, дают представление о влиянии температуры на срок службы.
Рисунок 2. Относительный срок службы в зависимости от температуры, экспериментальные данные
Влияние обработки на удельное сопротивление
Удельное электрическое сопротивление является внутренней характеристикой каждого металла, определяемой не только составом, но и физической структурой материала. На сопротивление могут влиять обычные процедуры изготовления и обработки, такие как холодная обработка и отжиг, до такой степени, что они изменяют физическую структуру посредством реакций порядок-беспорядок. Например, если скорость охлаждения от температуры, используемой для отжига после холодной обработки давлением, довольно низкая, электрическое сопротивление будет близко к максимуму, но если скорость охлаждения высокая, сопротивление будет ниже.
Изменение удельного сопротивления в зависимости от скорости охлаждения особенно заметно для светлого отожженного материала, обработка которого включает отжиг в защитной атмосфере с последующим быстрым охлаждением. Когда такой материал впервые эксплуатируется при температурах выше примерно 300°C (572°F), удельное сопротивление впоследствии может измениться по сравнению с его первоначальным значением, особенно если элементы охлаждаются медленно. Вероятно, произойдут следующие изменения:
-
Нихром 80-20: 6% увеличение
-
Нихром 70-30: 4%"
-
Нихром 60-16: 2%"
-
Нихром 35-20: Незначительное увеличение
Также на тенденцию изменения удельного сопротивления светлоотожженной проволоки или ленты влияет размер сечения. Поскольку легкие секции охлаждаются быстрее, чем более тяжелые секции, легкие секции демонстрируют более выраженное влияние скорости охлаждения на удельное электрическое сопротивление. Эффект наибольший со сплавами 80-20 и 70-30 и промежуточный со сплавом 60-16. Со сплавом 35 Ni-20 Cr не было обнаружено значительного размерного эффекта.
Когда необходима точная калибровка нагревателя перед установкой, для проволоки или ленты может быть указана оксидированная поверхность, так как при получении оксидированной поверхности металл медленно охлаждается в воздушной атмосфере от температуры отжига. Во время эксплуатации не произойдет больших изменений электрического сопротивления, поскольку его начальное сопротивление стабилизируется исходной обработкой отжигом вблизи максимального значения для сплава.
Исходное сопротивление отожженной проволоки можно изменить путем намотки при производстве нагревательного элемента, поскольку намотка включает холодную обработку. Количество холодной обработки должно поддерживаться одинаковым по всему витку, чтобы поддерживать одинаковое сопротивление, а также производить витки с одинаковыми характеристиками растяжения. Натяжение намотки должно поддерживаться как можно более постоянным и равномерным во время операции намотки без резких рывков проволоки. Равномерность растяжения является признаком однородности холодной обработки и постоянства диаметра (округлости) всей намотанной проволоки.
Катушки с очень низким или очень большим отношением диаметра оправки к диаметру проволоки чрезвычайно трудно изготовить с равномерными характеристиками растяжения. Проще всего сделать пропорции от 2:1 до 5:1. Скорость намотки оправки должна быть максимально возможной в рамках ограничений используемого оборудования. Как правило, проволока калибра 16, 6,35 мм, оправки длиной до 91 см, может быть намотана на скорости до 5 000 об/мин. Более длинные катушки, изготовленные из более толстой проволоки или из более тонкой проволоки, такой как проволока калибра 32 и 35 (0,2 мм, до 0,127 мм, диаметр), должны быть намотаны с существенно меньший скоростью.
