2.2　電熱材料

2.2.1　電熱轉換方式

電熱轉換技術是一種利用電熱材料實現電能向熱能轉化的技術，電能轉換為熱能的方式主要有電阻加熱、電弧加熱、感應加熱和介質加熱四種方式。

1.電阻加熱

電阻加熱是一種利用電流流經高電阻導體時產生的焦耳熱對物體進行加熱的技術，根據發熱材料，電阻加熱可以分直接電阻加熱和間接電阻加熱兩類。

（1）直接電阻加熱。通過被加熱物體本身的電阻發熱，被加熱物體要有合適的電阻值，水是最常用的直接加熱材料。

（2）間接電阻加熱。利用由特殊材料制成的電熱元件進行發熱，再利用不同的傳熱方式（輻射、對流及傳導）將熱量傳送到被加熱物體。這種加熱方式對被加熱物體的要求較低，因而使用更廣泛。

2.電弧加熱

電弧加熱是指利用電弧產生的高溫加熱物體。在高電壓下，加熱電極之間會發生擊穿并形成高溫電弧，其溫度可達3000～6000K，適用于金屬的高溫熔煉。電弧加熱同電阻加熱一樣，也有直接和間接電弧加熱兩種方式。電弧加熱的特點是電弧溫度高、能量集中，但電弧的噪聲大，其伏安特性為負阻特性（下降特性）。

3.感應加熱

感應加熱是利用感應線圈在交流電下產生的交變磁場使被加熱物體產生渦流，利用渦流損耗和磁化損耗加熱。感應加熱具有加熱溫度高、熱效率高的優點。但由于線圈的電抗與漏磁通量的影響，感應線圈負載的功率因數非常低，常需將大容量的電容器與負載并聯。感應加熱按電源的頻率可分為低頻感應加熱、高頻感應加熱兩類。

4.介質加熱

介質加熱是在高頻交變電場中利用被加熱物體產生的介質損耗進行加熱，具有加熱速度快、節能高效、加熱均勻的特點，在工業上用來加熱和干燥電介類和半導體類材料。

2.2.2　常用的電熱材料

常用電熱材料按化學成分可分為鐵鉻鋁合金和鎳鉻合金兩大類。按最高使用溫度可分為四個等級：超高溫級電熱合金（最高使用溫度為1400℃）、高溫級電熱合金（最高使用溫度為1300℃）、中溫級電熱合金（最高使用溫度為1100℃）和低溫級電熱合金（使用溫度為950℃以下）。

2.2.2.1　鐵鉻鋁合金性能

鐵鉻鋁合金具有優良的高溫耐熱性能，其使用溫度可以達到1400℃，遠高于鎳鉻合金材料，而且鐵鉻鋁合金中具有很高含量的鋁，增加了合金的電阻率，能有效地將電能轉化為熱能，節省材料。同時，合金中的鋁能生成結構致密的Al2O3氧化膜，使合金具有優良的抗氧化性。但其缺點為鐵鉻鋁合金存在常溫脆性、475℃脆性和1000℃以上的高溫脆性，加熱時電阻率不穩定，冷熱態電阻變化較大。鐵鉻鋁合金在加熱和冷卻過程中電阻隨溫度的變化如圖2-9所示。

2.2.2.2　鎳鉻合金性能

鎳鉻、鎳鉻鐵合金具有高溫強度高、無高溫脆性的優點。與鐵鉻鋁合金相比，鎳鉻合金冷熱加工性能良好，方便加工成絲狀或帶狀。此外，鎳鉻合金良好的高溫強度也利于焊接，維護方便，但缺點是電阻率稍低，工作溫度僅為1000～1100℃，合金中含有大量的鎳、鉻，成本較高，化學穩定性差，易被硫腐蝕。對高溫強度有要求的電熱元件必須選用鎳鉻和鎳鉻鐵合金。

2.2.2.3　鐵鉻鋁合金與鎳鉻合金性能對比

目前常用的電熱材料主要有鐵鉻鋁合金與鎳鉻合金。這兩種電熱材料的金相組織分別為鐵素體和奧氏體，具有不同的特性。

1.電熱材料的物理特性比較

電熱材料通過焦耳熱對被加熱物體進行加熱，因此，必須有足夠的電阻率，且電熱材料還需有良好的熱性能，在高溫下對材料電阻、結構影響較小。兩種電熱材料物理特性對比如下：

（1）鐵鉻鋁合金的電阻率高于鎳鉻合金。

（2）鎳鉻合金在高溫下金相組織比較穩定，使用中電阻率也比較穩定，相反，鐵鉻鋁合金電阻率則不穩定。

（3）鎳鉻合金的電阻率比鐵鉻鋁合金更均一。

（4）鎳鉻合金的線膨脹系數大于鐵鉻鋁合金。

2.電熱材料的力學性能

電熱材料的力學性能主要與合金的成分相關。碳、硅、鉻等元素含量的增加能提高合金的抗拉強度，鎳含量的增加能提高合金的塑性。

（1）鐵鉻鋁合金的塑性低于鎳鉻合金而強度高于鎳鉻合金。

（2）鎳鉻合金的高溫持久強度高于鐵鉻鋁合金。

（3）鎳鉻合金的高溫蠕變強度高于鐵鉻鋁合金。

3.電熱材料的抗氧化性能

抗氧化性能表示合金在高溫時抵抗氧化氣氛腐蝕的能力，是表征電熱材料最高使用溫度和電熱元件使用壽命的重要指標之一。合金的抗氧化性能越好，電熱元件的使用壽命越長。鐵鉻鋁合金會在其表面形成一層致密的氧化鋁薄膜，阻止合金進一步氧化，因而具備更好的抗氧化性能。

2.2.3　表面負荷與壽命

表面負荷是指電熱絲、鎳鉻絲等電熱合金元件表面上單位面積所負荷的功率數，用符號ω表示，單位為W/cm2，它是影響電熱體使用壽命的關鍵指標，是衡量電熱材料耐熱性的一個重要指標。

利用表面負荷可以衡量電熱元件的壽命，同樣條件下，表面負荷越大，電熱元件的表面溫度就越高，其使用壽命也就越短。利用電熱元件的輸入功率可以直接控制其表面負荷，此外，電熱元件可以承受的表面負荷值還與元件的材料、規格、形狀、安裝等有關。

常見加熱元件基本形狀及安裝方式如圖2-10所示，一般線材可承受表面負荷高于帶材，波形元件可承受的表面負荷高于螺旋形元件，瓷管安裝的電熱元件高于槽狀安裝的電熱元件。

表面負荷是電熱元件的單位表面積上所擔負的電功率值，其計算公式為

式中　ω——電熱元件的表面負荷，W/cm2；

P——加熱電功率，W；

F0——電熱元件總表面積，cm2。

式（2-7）計算所得表面負荷值為電熱元件實際值，與元件設計表面負荷ω0比較，若ω＞ω0，則電熱元件無法負擔該功率，溫升過高，加熱元件的壽命縮短。元件設計表面負荷可由廠家提供，各類型加熱元件設計表面負荷如圖2-11所示。

2.2.4　加熱元件形狀

電熱元件由電熱材料加工制成，制造電熱元件一般采用線材和帶材，特種電熱元件使用直條。線材與帶材相比，同體積下表面積更大，耐熱能力更高，但帶材比線材容易加工成其他形狀，且韌性更好。

電熱合金線材、帶材在使用時必須加工成各種形狀的電熱元件。螺旋形和波形是常用電熱元件的基本形狀。特殊形狀的電熱元件大多用于家用電器。

帶材的最高使用溫度同其形狀的關系十分密切。使用溫度越高，帶狀元件的波形高度就越低，帶材厚度隨之增大。這樣可以減少元件的高溫蠕變變形量，保持較長的壽命。

因同質量的線材的表面積更大，所以線材波形元件在同溫度下也具備更高的表面負荷，壽命更長。

線材又可加工成螺旋形電熱元件。為了避免元件在高溫下因自重而發生大的變形，在加工纏繞螺旋形元件時，應合理選擇元件的尺寸。

為了防止線材繞制成的螺旋形電熱元件在高溫工作過程中變形或倒塌，要求螺旋的直徑D和線材的直徑d有一定的配合比例。不同工作溫度應有合理的D/d值。圖2-12表示螺旋形的電熱元件在空氣中的最高使用溫度與D/d值的關系。

由圖2-12可以看出，螺旋形電熱元件的最高使用溫度同D/d值成反比例，即隨D/d值增大，最高使用溫度下降。如果螺旋直徑太大，電熱元件在高溫下容易發生變形或倒塌現象；如果螺旋直徑太小，有可能在纏繞過程中線材表面產生裂紋，從而縮短使用壽命。因此，在設計螺旋形元件時要根據最高使用溫度來選擇合理的D/d值。不同條件使用時螺旋元件的D/d值見表2-6。