用于真空热处理炉的石墨电热元件性能分析
通过理论分析和ANSYS 仿真对常用电热元件材料进行分析，从而获得真空热处理炉电热元件的热膨胀、热电阻、辐射能力等方面的性能，分析比较石墨作为电热元件的优缺点，为设计真空热处理炉是否选用石墨作为电热元件材料提供理论依据。
随着真空热处理炉制造水平的提升，真空热处理逐渐显示出了不可比拟的优越性，真空热处理凭借自身的脱气、脱脂、无氧化以及自动化等一系列优点获得了人们的青睐。但是真空热处理炉的电热元件还存在许多问题，例如高温变形、断裂、挥发等，这些成为限制真空炉发展的障碍。
为了解决这些问题，石墨以其独特的优势脱颖而出。目前，用石墨制作的电热元件几乎在所有类型的真空热处理炉中都有应用。本文将应用理论分析和仿真分析相结合的方法科学的评价石墨作为电热元件的优缺点，为真空电热元件的设计提供依据。
1、电热元件性能因素分析
真空热处理和普通电热处理不同，它是通过辐射进行传热，在真空环境下电热元件所表现出来的现象和普通电热炉也不一样，这就对真空电热元件提出了更高的要求。真空电热元件材料的性能要求可总结如下：
(1)较高的电阻率，真空热处理炉一旦安装好，电热元件的端电压一般不变，高电阻率能获得稳定的功率和升温速度；
(2)较小的电阻温度系数，真空热处理炉是一种自动可控的设备，较小的电阻温度系数能降低设计难度，节省成本；
(3)为了延长电热元件的使用寿命，减少维修和更换次数，降低成本，要求电热元件具备较小的热膨胀系数；
(4)较好的机械加工性能和高温机械强度；
(5)高温下保证电热元件不与炉内保护气氛、炉衬和支撑件等发生化学反应。
2、常用材料的性能对比分析
电热元件的材料分为金属材料和非金属材料。金属材料包括钼、钨、钽、镍铬合金等，非金属材料包括石墨、碳化硅、二氧化钼等，本文将对金属材料的钼、钨、钽和非金属材料的石墨进行对比分析。
2.1、电阻率
材料不同，电阻率不同，随着温度的变化，电阻率将会发生变化。电阻与材料的电阻率、长度、截面积的关系如下：
式中，
R 为电热元件的电阻，Ω；ρ 为材料的电阻率，Ω·mm2/m；L 为电热元件长度，m；F 为电热元件截面积，mm2。
在设计真空炉电热元件的时候，为了保证真空炉电热元件的额功率，使其能快速升温，便于设计安装和使其工作稳定，我们要求电热元件电阻随温度变化较小，即要求电阻率稳定。石墨、钼、钨、钽的电阻率变化情况如图1 所示。
图1 电阻率变化图
从图1 我们可以发现，钼、钨和钽随温度的升高，电阻率急剧升高，变化较大，而石墨随温度的升高变化较小，变化量只有10 % ~ 20 %。由此可见，石墨与其他三种材料比较，具备明显的优势，电阻率稳定。
2.2、电阻温度系数
电阻温度系数是影响材料电阻随温度变化的另一个重要参数，其值的大小直接影响电热元件在不同温度下的电阻值，电阻温度系数越大，随温度升高，电阻的变化就越大，从而严重影响功率的稳定性，从而使得电热元件的工作变得极不稳定。石墨、钼、钨、钽的电阻温度系数分别为：126×10-5 ℃、471×10-5 ℃、482×10-5 ℃、399×10-5 ℃，由此可以看出石墨的电阻温度系数最小，而钼、钨、钽的电阻温度系数分别达到了石墨的3 ~ 4 倍，由此可见，用石墨制作的电热元件能够获得稳定的工作性能。
2.3、热膨胀系数
在真空热处理炉电热元件设计时，热胀冷缩是一个重要因素，因为它直接影响了电热元件的寿命和使用性能，例如，在设计电热元件时，没有为热胀冷缩设计预留空间或者预留空间过小，就会导致电热元件受热后承受较大的热应力，或者电热元件直接受力断裂，损坏电热元件；相反预留空间过大，就会导致电热元件难以固定安装，装配更换困难，因此要求电热元件热膨胀系数尽可能的小，而且能够稳定。为了得到四种材料的热膨胀程度，我选用了GD型系列电热元件中外径为20 mm 的电热元件作为模型(GD 型电热元件和数据参数如图2 和表2 所示)，并且仅对发热部进行了建模，采用ANSYS 有限元分析的方法对其分别在1 000 ℃和2 000 ℃的温度下进行了仿真，仿真结果如图3 和图4 所示。
图2 GD 型电热元件
表2 GD 型电热元件参数
图3 1 000℃时的仿真结果 图4 2 000℃时的仿真结果
由分析结果我们可以看到，石墨在高温时的热膨胀量最少，在1 000 ℃时只有不到1.1 mm，2 000 ℃时也只有不到2.3 mm，而1 000 ℃时钽棒的膨胀量为5.2 mm，2 000 ℃时达到了10.4 mm，几乎为石墨的5 倍。因此，单从热膨胀的角度来看，石墨确实具有非常大的优势，是一种很好的电热元件材料
2.4、可加工性和高温机械强度
钼、钨、钽均为金属电热材料，他们都有坚硬的质地，钼的硬度为5.5 HB，钨为5 ~ 5.5 HB，钽的硬度达到了6 ~ 6.5 HB，可见，加工难度都很大；而且随温度的升高，硬度下降，高温机械强度逐渐变差。而石墨是一种非金属电热材料，质软，硬度只有1 ~ 2 HB，非常容易加工成型，而且2 500 ℃以下随着温度的升高机械强度不断提高，在1 700 ~ 1 800 ℃达到最佳。可见，石墨的可加工性和高温机械强度均比另外三种好，这也是石墨成为电热元件首选材料的原因之一。
2.5、其他因素
真空热处理炉是一种通过辐射加热的设备，因此电热元件的辐射性能直接决定了电热元件的效率和性能，而辐射能力取决于物质的黑度，黑度越高，辐射能力越强，反之越弱，石墨的黑度为0.95、钼为0.1 ~ 0.3、钨为0.03 ~ 0.3、钽为0.2 ~ 0.3，石墨最大。
另外，真空环境下各种材料都会加速挥发，而且随着真空度提高，挥发程度相应地提高，形成各自物质的气氛环境，限制了电热元件的使用范围，例如石墨电热元件在真空环境中挥发会形成碳环境，要求不能渗碳或者不能和碳反应的热处理就不能在这样的加热炉中进行。
材料的价格和是否丰富也常常是电热元件材料选择要考虑的因素，石墨是一种储量丰富，价格低廉的材料，相比之下，钼、钨和钽都显得较为昂贵。
4、结束语
本文通过理论分析和ANSYS 的仿真分析，详细真实地反映出了常用电热元件材料的各种性能，并且通过辨证的观点进行了比较，比较后发现，石墨确实具有其他电热元件不能比拟的优势，稳定的电阻率、较低的电阻温度系数、较小的热膨胀系数以及较大的黑度等优点都使得它成为了电热元件材料的首选，但是由于石墨在常温下硬度较低，因此常温时石墨电热元件容易断裂损坏，在不易更换电热元件的加热炉中不宜使用。另外，石墨在真空环境下易挥发形成碳环境，因此某些材料不能在这样的真空炉中加工处理，同时要特别注意在选用支撑件和连接件时，要防止其与石墨反应。
