式气体渗碳炉工件在升温加热阶段需要功率很大，而在保温或渗碳阶段所需功率甚小，旧系列热处理电阻炉可控硅采用PID连续调节或计算机控制温度，在升温段提供较大功率，在保温段提供较小功率，这样不仅提高了控温精度，也大大提高了电热元件的使用寿命。
§5-4 常用电热元件材料及其选择
电热元件是热处理电阻炉的关键部件，电阻炉性能得好坏和使用寿命的长短与所选用得电热元件材料密切相关。 一、 电热元件材料和性能要求 1. 具有良好得耐热性及高温强度
电热元件的工作温度一般比炉温高100~200℃，所用材料必须具有良好得耐热性和一定的高温强度，以保证电热元件在高温下不熔化，不氧化，不挥发和不发生明显的蠕变变形和坍塌。 2. 具有较大的电阻率ρ
在电热元件端电压一定的条件下，电热元件发出得功率与其电阻成反比，而电热元件的电阻与其材料的电阻率ρ(Ω·mm2/m)成正比，即
R=ρL f (Ω) （5-15）
式中：f─电热元件截面积(mm2)； L─长度(m).
当R、f不变时，ρ越大，则L越短，节省材料，便于安装；当R、L不变时，ρ越大，则f越大，提高强度，延长寿命。 3. 具有较小的电阻温度系数α
电热元件材料的电阻温度系数α(1/℃)越大，则电热元件在不同温度下发出功率的变化也越大，电阻炉功率就不稳。如果使用电阻温度系数大的材料做电热元件，则应配备调压器，保证炉子功率的稳定。 4. 具有较小的热膨胀系数
电热元件受热伸长，可用下式计算
Lt=Lo(1+βt) (m) （5-16）
式中：Lo 、Lt─电热元件在0℃和t℃得长度(m)； t─电热元件得工作温度(℃)；
β─电热元件得热膨胀系数(1/℃)。对热膨胀系数较大得元件，应留有充分的膨胀余地。
5. 具有良好的加工性
电热元件材料应便于加工成各种形状并具备良好的焊接性。
二、常用电热元件材料及特点
电热元件材料可分为金属材料和非金属材料两大类。 1. 金属电热元件材料
金属电热元件材料包括合金和纯金属两种，而合金材料中又分为铁铬铝系和镍铬系。
（1） 铁铬铝系：这类材料电阻率（ρ）大，电阻温度系数（α）小，功率稳定，
耐热性好，抗渗碳，耐硫蚀，价格便宜，应用广泛。其缺点是塑性强，高温加热后晶粒粗大，脆性大。常用牌号有0Cr25Al5、0Cr27Al7Mo2、1Cr23Al6Mo2、0Cr13Al4、0Cr25Al6RE等。
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（2） 镍铬系：这类材料高温加热不脆化，具有良好的塑性和焊接性，便于加工
和维修，抗渗氮。其缺点是电阻率（ρ）小，电阻温度系数（α）大，不抗硫蚀，价格昂贵。常用牌号有Cr20Ni80、Cr15Ni60、Cr20Ni80Ti3和Cr23Ni18等。
（3） 纯金属。钼、钨和钽熔点很高，塑性很好，可作为线状，带状和筒状的电
热元件，其中钼应用最广。这类材料高温易氧化，常需在氢气、氨气解气氛或真空中使用。其缺点是电阻温度系数（α）很大，常应附加调压器调节功率；价格昂贵，热处理炉中使用较少。常用金属电热元件材料及性能见附表12。
2. 非金属电热元件材料主要有硅碳系、碳系和硅钼系三种，对用于高温热处理炉或真空炉。
（1） 硅碳系：这类电热元件材料电阻率（ρ）大，通常制成带状、棒状，可在
氧化性介质1350℃下长期工作。其缺点是易老化、脆性大、强度低、安装使用中需避免碰撞，并需配调压器。成分主要是SiC。
（2） 碳系：石墨、碳粒和各种碳质制品都属于碳系电热元件。常用于1400℃
~2500℃中性气氛或真空中，最高可达3600℃。其热膨胀系数（β）小，电阻率（ρ）大，易加工，耐极冷极热性好，价格低廉。
（3） 硅钼系：这类电热元件材料耐高温，不易老化，最高使用温度可达
1700~1800℃，其电阻温度系数（α）大，便于在低温输入较大功率而缩短炉子升温时间，在1350℃以上会软化，不便水平安装。其主要成分为MoSi2。
常用非金属电热元件材料性能见附表13。 三、电热元件的表面负荷
电热元件的表面负荷W指元件单位表面积所发出的功率，单位为W/cm2。元件表面负荷越高，发出的热量就越多，元件温度就越高，所用元件材料也越少，但是，如果表面负荷过高，元件寿命会缩短。因此，表面负荷应有一个允许的数，成为允许表面负荷W允，其大小取决于元件材料和工作温度。
实际选用允许表面负荷时，应考虑到电热元件的工作环境，环境好可取大些，环境差可取小些。如有腐蚀气体和保护气体时可取低些；电热元件装在辐射管中或炉底之下应取低些；若敞开在炉膛中可取高些；强制对流时可取更高值；工件黑度小时应取低值；带状应比丝状电热元件的值高；电热元件不易更换时应取低值，已更换时取高值。图5-3为合金电热元件的允许表面负荷曲线。图中上线为敞漏型电热元件的最低允许表面负荷；一般取上下限之间。电热元件温度一般比炉温度高100~200℃。
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表5-3为电阻丝在不同温度下常用的允许表面负荷，表5-4为硅碳棒在不同温度下的允许表面负荷，可供设计时选用。
表5-3 电阻丝的允许表面负荷W允 （W/cm2） 材料 炉膛温度/℃ 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 0Cr25Al5 - 3.0-3.7 2.6-3.2 2.1-2.6 1.6-2.0 1.2-1.5 0.8-1.0 0.5-0.7 Cr20Ni80 3.0 2.5 2.0 1.5 1.1 0.5 - - Cr15Ni60 2.5 2.0 1.5 0.8 - - - - 表5-4 硅碳棒的允许表面负荷W允 （W/cm2） 炉膛温度/℃ 1000 1100 1200 1250 1300 1350 1400 W允 35 26 21 18 14 10 5 §5-5电热元件的计算
电热元件的计算，主要包括元件的截面积尺寸、长度和质量以及一些结构尺寸的计算，以满足功率、使用寿命和安装要求。 一、 金属电热元件的计算 1. 电热元件的尺寸和质量
设炉子共有n个电热元件，炉子的安装功率P安，则每个电热元件的功率为
P安P?n(kw) （1）
在炉子工作温度为t时，每个电热元件的电阻R t应为：
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U2?3?10 Rt?PL Rt又可表示为：Rt??t?f(? ) （2）
(?) （3）
式中： ρt─元件在工作温度下得电阻率（Ω·mm2/m）；
L─每个元件得长度（m）； f─元件的截面积(mm2).
由（2）和（3）式可得：
fU2L??10?3P??t
电热元件的功率与单位面积负荷的关系为：
(m) （4）
P?W允?F?10?3?W允?S?L?10?3(kw)
P?102L?W允?S(m) （5）
式中：F─电热元件表面积(cm2);
S─电热元件横截面积的周长(mm). 将（5）代入（4）得：
105?P2??t （6） Sf?W允?U2
由于丝状电热元件和带状电热元件的截面和周长计算方法不同要分别讨论。
1) 直径为d得丝状电热元件
?因 S??d (mm) , f?d2(mm), 故：
4Sf??24d3
（7）
将（7）代入（6）经整理得到：
24?105P2?tP??34.332t （mm） d?3 （8） 22?UW允UW允则每个电热元件的长度可按（3）式求得
U2?d2 L??0.785?0.785?10??t?tP?tRtfRt?3 (m) （9）
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每个元件的质量为
4式子：ρM─元件材料密度（g/cm3）。 所需电热元件总长度和总质量为
G???d2?L??M?10?3(kg) （10）
L总?nL G总?nG(m) （11） (kg) （12）
2）带状电热元件
设带状电热元件宽b，厚为a，则b/a = m，一般地，m=8~12。 电热元件的横截面
f = ab = ma2 （13）
电热元件截面周长
S = k(a+b) = k(m+1)a (mm) （14）
式中：k─周长减少系数，有扎制圆角时k取1.88，无轧制图圆角k取值2。 将f和S值代入( 6 )式得
a =
3P2·ρt?105 （m） （15）
k(m?1)mU2W允则每段电热元件长度
L?abRt?t (m) （16）
每段电热元件的质量为
G = abLρM × 10-3 （kg） （17）
所需电热元件的总长度和总质量可用式（11）和（12）求得。
2. 电热元件的形状及结构尺寸 计算出电热元件截面及长度之后，还要将它制成适当形状，然后才能布置在炉内。 1) 电阻丝的绕制尺寸
电阻丝一般绕成螺旋管状，如图5-4。 丝的直径较大，绕制困难时，也可绕成 波纹状。绕制节径D和螺距h应保证不 坍塌，同时又要热屏蔽小，D和h小，虽 然不易坍塌，但是热屏蔽大。所以不能过 大或过小，一般可按表5-5的所列公式计 算。
表5-5 螺旋电热元件绕制尺寸 项目 Fe-Cr-Al合金 Cr-Ni合金 ＞1000 ℃ ＜1000℃ 950℃ 950℃＜750℃ ~750℃ 74