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高溫真空爐常用的電熱元件主要是難熔金屬電熱元件和石墨質電熱元件。
a.難熔金屬電熱元件
難熔金屬電熱元件的形狀有三種:
(1)線材制成的線圈或“之”字形電熱元件。這種電熱元件與非真空爐所用的電熱元件沒有什么不同之處,主要是由鉬絲制成,線圈一般由直徑為2一2.5mm的線材制成,鉬絲電熱體的工作溫度不超過1700℃。“之”字形電熱元件是由截面比線圈電熱體更大的線材制成的,它們要求更高的強度,在設計時要求爐內真空度不低于0.1一100Pa。
(2)纖狀或棒狀電熱元件。這種電熱元件用于2300℃以下溫度,電熱體材料主要是鎢,有時也用鉬(工作溫度低于1700℃)。棒的兩端鑄入銅中,做成凸起部分,借此可使棒固定。每根棒的上端用水冷卻的管子通過爐蓋引出,頭部引出部分用金屬彈簧管保持真空密封;棒的下端固定在水冷扇形底盤上,一般鎢棒制造的電加熱器,沿圓周排列9根棒而組成。
釬狀電熱元件的導線是水冷銅管,釬是由直徑為5mm的線材制造的,纖狀電加熱器用12根鎢釬組成,沿圓周排列形成圓筒形加熱空間。
釬狀和棒狀電熱元件的主要缺點是:爐內大量水冷導線造成了較大的熱損失;不能分成幾個加熱區按高度調節爐溫;一般只有一個加熱區的爐子才能用這種電熱元件。
(3)金屬薄片狀電熱元件。電熱體材料用鉬板或鉭板。由于機械加工和焊接方面有困難,一般不用鎢板。電加熱器呈圓筒形,用3張厚度為0.2mm卷邊的薄板組成,下部固定在厚度為2mm的環圓上,每一塊金屬板上部都焊有(或鉚有)薄帶,電流由薄帶導入電加熱器,這些薄帶同時把電加熱器固定在銅制的水冷導線上。這種電熱元件的導熱條件最好,因為整個表面都參與了被加熱物件的熱交換。這種電熱元件的缺點與釬狀或棒狀電熱元件基本相同。
b.石墨電熱元件
除了難熔金屬外,石墨是可以和難熔金屬相媲美的真空爐電加熱器的電熱體材料。石墨與難熔金屬相比,一個好的性能就是它的電阻隨溫度變化不大。石墨具有較高的電阻,可以在電熱體斷面較大的情況下,采用幾十伏的電源。一般石墨制的電熱元件用于真空度為0.1一100Pa的條件下,其使用極限溫度為2200℃。在上述真空條件下,石墨的工作壽命在2300℃時只有幾十小時,而在2400一2500℃時只有幾個小時。值得指出的是,石墨在低溫時導熱性良好,而在高溫時就下降為低溫時的幾分之一,所以會造成電熱元件中心與外表面間的溫度差,從而產生機械應力,導致電熱元件損壞。在設計石墨電熱元件時應計算其所產生的應力。
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