Анализ причин преждевременного выхода из строя нагревателей в промышленных электропечах

            Обследование работы промышленных электропечей показало, что, выход их из строя связан главным образом с тем, что эксплуатационный срок службы металлических нагревательных элементов, значительно меньше, чем он мог бы быть. Так на многих электропечах, работающих при температурах 900-1000° срок службы нагревателей должен был быть не меньше года, однако на заводах нагреватели работают в среднем от 2 до 4 месяцев.

            Ниже дан анализ причин, приводящих к преждевременному выходу из строя нагревателей.

            Одним из основных недостатков многих конструкций нагревателей, созданных на заводах или в других неспециализированных организациях является неоправданное применение мелких сечений проволоки и ленты. Например, применяется лента сечением 1,0х10 мм² и 1,5х15 мм², а проволока диаметром 2,5 и 3,0 мм или лента 1,2х12 мм² и 1,0х10 мм², и даже 0,8х8,0 мм² и 0,6х6,0 мм². Иногда применяют мелкие сечения без учета влияния величины сечения на срок службы нагревателя. Использование более крупных сечений может вызвать необходимость установки понизительных трансформаторов, нов большинстве случаев это экономически целесообразно, так как значительно увеличит срок службы нагревателей и избавит от потерь во время частых, довольно продолжительных простоев. Если же трансформаторы по каким-либо причинам установить невозможно, то следует подбирать такую схему включения, которая позволила бы использовать нагреватели максимального сечения.

            Еще одним распространенным недостатком при конструировании нагревателей является применение спирали с недопустимо большим отношением ее диаметра (D) к диаметру проволоки (a) и недопустимо малым отношением шага спирали (l) к диаметру проволоки (d). Первое приводит к тому, что витки спирали ложатся друг на друга и происходит или перегрев нагревателя, или короткое замыкание. На одном из заводов отношение D/d было принято равным 20, так как заранее задавшись величиной ваттной нагрузки при меньшем значении D/d, невозможно было разместить необходимую длину нагревателя. В этом случае целесообразнее иметь несколько большую удельную поверхностную мощность нагревателя, что повысит его температуру, но уменьшит отношение диаметров, ликвидировав возможность замыкания, а следовательно, и повысит срок службы нагревателя.

            В большинстве случаев спирали нагревателей навиваются вплотную без заранее определенного шага, а затем растягиваются. Это приводит к неравномерному шагу по длине спирали, т.е. к местным перегревам, которые тем больше, чем меньше шаг витков. Поэтому необходимо применять спирали с отношением  , 

несмотря на то, что при этом повышается удельная поверхностная мощность. Увеличение этого отношения до 2,5-3,0 при той же мощности на 1 м² стенки печи увеличит температуру нагревателя не более чем на 10°, но значительно увеличит надежность работы нагревателя, а длина и вес его уменьшатся в 1,5 раза.

            На ряде заводов не делается различия между сплавами Х15Н60 и Х20Н80 (любой материал нагревателя называют «нихром»). В результате нагреватели из сплава марки Х15Н60, попадая в печи с рабочей температурой 1000-1100°, выходят из строя.

            Часто небрежно относятся к сварке нагревателей. Известны случаи (причем на разных заводах), когда нагреватели из сплава марки Х27Ю5Т (ЭИ-626) сваривались электродами марок 1Х18Н9Т для температур до 1200°, вывода из сплава марки Х25 приваривались к нагревателям из сплава марки Х20Н80 медными электродами.

            Расположенные на поду нагреватели значительно чаще выходят из строя, чем боковые и сводовые. Причиной этого является окалина, попадающая на нагреватели. Кроме того, подовые нагреватели более заэкранированы, чем остальные. На некоторых заводах вместо жароупорных подовых плит применяют довольно массивный шамотный кирпич (65 мм). Удельную поверхностную мощность подовых нагревателей применяют такую же, как для боковых и сводовых нагревателей.

            Чтобы увеличить срок службы подовых нагревателей рекомендуется:

• Несколько снижать удельную поверхностную мощность подовых нагревателей в сравнении с удельной поверхностной мощностью боковых нагревателей (при металлических жароупорных плитах на 20-30%, при карборундовых на 30-40%, при плитах из шамотных кирпичей на 40-50% -- в зависимости от толщины плиты).
• Обязательно следует оставлять каналы, соединяющие подподовое пространство с рабочей камерой для некоторого выравнивания температур за счет конвекции.
• Чтобы попадающая в подовое пространство окалина не попадала на нагреватели, последние должны быть обязательно приподняты над подом.

Иногда нагреватели выходят из строя из-за плохой керамики. Например, на одном из заводов сводовые нагреватели перегорали из-за порчи подвесных сводовых керамических балок.

            Заводы-потребители отмечают, что качество получаемых сплавов сопротивления нестабильно. Например, окалиностойкость сплава марки Х20Н80 разных плавок различна. Исследование работы нагревателей, изготовленных из нихрома различных плавок, так же показали, что качество его нестабильно. В одной из опытных печей при одинаковых условиях некоторые нагреватели за 4500 ч работы изменили свое сопротивление на ~20%, другие вышли из строя через 3700 ч, изменив сопротивление на ~80%.

            Особое внимание следует обратить на эксплуатацию нагревателей, изготовленных из железохромалюминиевых сплавов марок Х23Ю5Т (ЭИ-595) и Х27Ю5Т (ЭИ-626). До сих пор нагреватели из этих сплавов применяются в условиях при которых они соприкасаются с простым шамотом, что при температурах выше 1000° совершенно недопустимо.

            Сварка нагревателей между собой или же приварка к нагревателю вывода осуществляется внахлестку или при помощи хомута, в то время как эти сплавы рекомендуется сваривать так, чтобы возможное место изгиба спирали было на расстоянии 20-25 мм от места сварки (от места с повышенной хрупкостью).

            Иногда нагреватель делается без специального вывода, т.е. из печи выводится прямо проволока нагревателя. Особенно это опасно для нагревателей из сплавов ЭИ-595 и ЭИ-626, так как температура на некоторой части проволоки вывода не ниже чем в печи, а в огнеупорной части футеровки проволока соприкасается с шамотом, даже если он в рабочей камере обмазан раствором технического глинозема (обмазать отверстие, через которое делается вывод забывают). Это приводит к выходу из строя нагревателя внутри футеровки печи.

            Кроме того имеется еще одна довольно распространенная причина выхода из строя нагревателей – перегрев печи. Происходит это при отказе терморегулятора, залипании контактов промежуточного реле или контактов и т.д.

            К сожалению, большинство электропечей, выпускаемых в настоящее время специализированными организациями, не имеют никакой защиты от перегрева, однако во всех случаях она необходима. Иногда это может быть дополнительное промежуточное реле, которое срабатывает при залипании контактов контактора, включая звуковой сигнал, извещающий о перегреве печи; в более ответственных случаях это может быть полное резервирование регулирования: аварийная термопара или аварийный прибор с установкой температуры несколько большей (на 15-20°) установки основного регулирующего прибора. Аварийный прибор отключает резервным контактором нагреватели при достижении температуры печи определенного значения.

В тех электропечах, где устранены вышеперечисленные причины, приводящие к преждевременному выходу нагревателей из строя, срок службы их с достаточной степенью точности соответствует сроку службы, определенному по существующей методике расчета с учетом окисления нагревателя.