Nikelio lydinių kaitinimo elementų elektrinė varža ir varžos laidai

Įvadas

Kiekvienas metalas tam tikru laipsniu priešinasi elektros srovės srautui,{0}}kuris varža, išmatuota tūrio vienetui, vadinama elektrine varža. Inžinieriams, projektuojantiems šildymo elementus, rezistorius ir srovę ribojančius

Nikelis ir nikelio{0}}lydiniaiužima unikalią poziciją šioje srityje. Gryno nikelio varža kambario temperatūroje yra maždaug 6,99 μΩ·cm (mikroohm{2}}centimetrai) -maždaug šešis kartus didesnė nei vario (1,68 μΩ·cm). Dėl šio vidutinio atsparumo, kartu su puikiu nikelio -atsparumu oksidacijai, nikelis yra plačiausiai naudojamų kaitinimo elementų lydinių šeimos – nichromų – ​​pagrindas. Nikelio lydiniai, tokie kaip Inconel 600, Incoloy 800 ir Hastelloy C276, praplečia šį pagrindą, kurio savitoji varža yra 100–130 μΩ·cm, todėl jie idealiai tinka tiksliam atsparumui, kai temperatūra gerokai viršija vario ar aliuminio atsparumą.

Šis vadovas atsako į klausimus, kuriuos dažniausiai užduoda inžinieriai, pirkimų specialistai ir studentai: kokia yra mano nikelio lydinio varža? Kaip tai keičia temperatūra? Kurį lydinį turėčiau naudoti kaitinimo elementui, o kokį – tiksliam rezistoriui? Kaip nustatyti varžos laido dydį? Visi atsakymai atitinka išvadų{0}}pirmąjį formatą, kad būtų lengvas AI citavimas ir „Google“ siūlomi fragmentai.

Pagrindinis elementas: kaitinimo elementams, kurių temperatūra viršija 500 °C, nurodykite „Nichrome“ (NiCr) arba „Inconel 601“ (varža 103-108 uOhm-cm, maks. 1150-1200 °C). Tiksliems rezistoriams esant vidutinei temperatūrai nurodykite Inconel 600, Incoloy 800 arba Hastelloy C276 (varža 98-130 uOhm-cm, TCR 0,0001–0,0002). Kriogeniniams arba stabilaus tikslumo rezistoriams nurodykite Manganin arba Constantan (varža 440–490 uOhm-cm, TCR artimas nuliui).

Kas yra elektrinė varža ir kodėl temperatūra yra svarbi?

Elektrinė varža (ρ, rho) yra matas, nurodantis, kaip stipriai medžiaga priešinasi elektros srovės srautui, išreikšta om-metrais (Ω·m) arba mikroohm-centimetrais (μΩ·cm). Didesnė varža reiškia, kad medžiaga labiau atspari srovei, paverčiant daugiau elektros energijos į šilumą vienam ilgio vienetui. Pagalvokite apie tai kaip apie trintį vandens vamzdyje: didelės-trinties vamzdžiams reikalingas didesnis siurblio slėgis (įtampa), kad būtų išstumtas toks pat vandens (srovės) kiekis, ir jie daugiau energijos paverčia šiluma.

Ryšys tarp varžos (R), varžos (ρ), ilgio (L) ir skerspjūvio ploto (A) yra:

R = ρ × (L / A)

Tai reiškia, kad esant nurodytai varžos vertei, didelės savitosios varžos medžiagai reikia mažiau ilgio nei mažos varžos medžiagai,{0}}todėl kaitinimo elementuose naudojami nikelio lydiniai, o ne varis. Tą pačią šildymo galią galima pasiekti naudojant trumpesnį, kompaktiškesnį laidą.

Kaip temperatūra veikia nikelio lydinių varžą?

Daugumos metalų savitoji varža didėja tiesiškai didėjant temperatūrai{0}}savybė, vadinama temperatūros atsparumo koeficientu (TCR, alfa). Nikelio lydinių TCR vertės svyruoja nuo beveik -nulio (manganinas: 0,00001/K) iki vidutinės (grynas nikelis: 0,0067/K). Tai reiškia, kad kaitinimo elementas, pagamintas iš Inconel 600, padidins savo elektrinę varžą maždaug 0,02 % kiekvieną kartą kylant temperatūrai Celsijaus laipsniu,{8}}o tai turi didelės įtakos galios stabilumui elementui įkaistant. Lydiniai su mažu TCR (Inconel 625: 0,000129/K) užtikrina stabilesnį atsparumą temperatūros svyravimams, o tai labai svarbu tiksliam rezistorių atžvilgiu.

Kodėl atsparumas didėja didėjant temperatūrai?

Metaluose elektros srovė teka per medžiagos kristalinę gardelę, nes laisvieji elektronai dreifuoja tarp atomų. Kylant temperatūrai, atomai vibruoja energingiau{1}}šios vibracijos dažniau išsklaido elektronus, sumažindamos vidutinį laisvą kelią tarp susidūrimų ir padidindamos efektyvų pasipriešinimą srovės srautui. Štai kodėl visų grynų metalų savitoji varža didėja didėjant temperatūrai. Nikelio lydiniai iš dalies tai kompensuoja dėl jų legiravimo: tyčia chromo, molibdeno ir kitų elementų įterpimas į kietą tirpalą sukuria sklaidos centrus, kurie jau yra kambario temperatūroje, todėl pridėjus kelis šimtus laipsnių proporcinis pokytis sumažėja-, todėl Inconel 600 TCR yra mažesnis, palyginti su grynu nikeliu.

✔ Grynas nikelis (TCR 0,0067/K): 67 % atsparumo padidėjimas 100 laipsnių C. Nenaudojamas tiksliam arba stabiliam šildymui.

✔ Nichromas (TCR 0,0001/K): tik 1 % padidėjimas 100 laipsnių C. Dėl šio beveik -stabilumo tai yra pasaulinis šildymo elementų standartas.

✔ Manganinas (TCR 0,000001/K): 0,01% 100 laipsnių C. Naudojamas standartiniuose rezistoriuose ir kalibravimo įrangoje. Netinka šildymui.

✔ „Inconel 625“ laido savitoji varža 800 °C temperatūroje: maždaug 129 x (1 + 0.000129 x 800)=142.3 uOhm-cm, 10,3 % didesnė nei kambario temperatūra.

Kaip šaltasis darbas (šalta deformacija) veikia varžą?

Išvada: Šaltasis apdirbimas (lenkimas, tempimas, valcavimas) padidina dislokacijos tankį nikelio lydinių kristalinėje gardelėje, o tai padidina varžą maždaug 2-5 % esant stipriai šaltai apdirbtam{4}}. Tai turi praktinių pasekmių: varžos viela, kuri buvo stipriai ištempta siekiant sumažinti jo skersmenį, turės šiek tiek didesnę varžą nei tos pačios vielos atkaitintos būklės. Jei naudojate tikslius rezistorius, visada nurodykite atkaitinimo (apdoroto tirpalu) būklę ir išmatuokite varžą po galutinio terminio apdorojimo, kad užtikrintumėte nuoseklumą.

Nikelio lydinių elektrinė varža: visa duomenų lentelė

Nikelio lydinių varža didėja apytiksliai proporcingai legiruojamųjų elementų kiekiui kietame tirpale. Incoloy 800 (38 % Fe, 32 % Ni, 21 % Cr) turi mažiausią varžą tarp didelio -nikelio lydinių (~98 μΩ·cm), nes jame yra daugiausia geležies,{7}}kurios varža mažesnė nei nikelio. Hastelloy C276 (balansas Ni, 16% Mo, 15% Cr, 4% W) turi didžiausią ~130 μΩ·cm, nes jo labai didelis molibdeno ir volframo kiekis prideda reikšmingų sklaidos centrų. Nichromo šeima (NiCr 80/20) yra ~108 μΩ·cm-gera vieta kaitinimo elementams, kur dera vidutinė varža ir puikus atsparumas oksidacijai.

Kodėl Hastelloy C276 varža didesnė nei Inconel 625?

Šildymo elementų taikymas: kuris nikelio lydinys kokiai temperatūrai?

Penki reikalavimai, keliami kaitinimo elementų lydiniui pagal svarbą: (1) didelė varža (siekiant sumažinti vielos ilgį), (2) puikus atsparumas oksidacijai darbinėje temperatūroje (siekiant išvengti skilimo), (3) pakankamas atsparumas aukštai -temperatūrai (atsparus slinkimui ir šliaužimui), (4) stabilus atsparumas temperatūrai (kad būtų pastovios galios sąnaudos) ir (5) pagrįstos audinio savybės. Nė vienas lydinys neoptimizuoja visų penkių,{7}}todėl skirtingi lydiniai dominuoja skirtinguose temperatūrų diapazonuose.

Kurį nikelio lydinio kaitinimo elementą turėčiau nurodyti kiekvienam temperatūros diapazonui?

Optimalus kaitinimo elementų lydinys priklauso nuo darbinės temperatūros: žemiau 600 laipsnių, nichromas (NiCr 80/20) yra pasaulinis standartas; Pageidautina 600-1000 laipsnių , Inconel 601 arba Inconel 625; virš 1000 laipsnių, naudojami Kanthal A/APM arba Inconel 601 su aliuminio oksido formavimo technologija. Hastelloy lydiniai nenaudojami kaitinimo elementams, nepaisant jų didelės varžos, nes jų mechaninis stiprumas virš 540 laipsnių yra nepakankamas pakabinamos vielos įtempimui.

Kodėl Nichromas yra šildymo elementų standartas ir kokios jo ribos?

Nichromas (NiCr 80/20, UNS N06003) yra pasaulinis elektrinių kaitinimo elementų standartas, nes jame unikaliai derinamos keturios svarbios savybės: (1) 108 μΩ·cm{5}} varža yra pakankamai didelė kompaktiškam vielos dizainui; (2) tik 0,0001/K- išėjimo galios TCR pasikeičia tik 1 % per 100 laipsnių temperatūros pakilimą; (3) maksimali eksploatacinė temperatūra 1150 laipsnių ore; ir (4) gebėjimas suformuoti apsauginę Cr2O3/NiO skalę, kuri atsinaujina po terminio ciklo. Jo ribos: mechaninis stiprumas nukrenta žymiai virš 900 laipsnių ir negali būti naudojamas redukuojančiose atmosferose (vandenilis, disocijuotas amoniakas), nes nesusidarys apsauginis oksido apnašas.

✔ Nichromas 80/20: 80 % Ni + 20 % Cr. Atsparumas 108 uOhm{6}}cm. TCR 0,0001/K. Maksimali oro temperatūra 1150°C. Buitinių ir pramoninių kaitinimo elementų (skrudintuvai, krosnys, krosnys) darbinis arkliukas.

✔ Nichromas 70/30: 70 % Ni + 30 % Cr. Atsparumas 107 uOhm{6}}cm. TCR 0,00006/K. Maksimali oro temperatūra 1200°C. Geresnis nuosėdų sukibimas aukštoje temperatūroje; naudojamas sunkiosiose pramoninėse krosnyse ir keraminėse krosnyse.

✔ Inconel 601 prieš nichromą: Inconel 601 turi 23 % Cr (palyginti su 20 % NiCr 80/20) ir 1,4 % Al, todėl atsparumas ciklinei oksidacijai yra geresnis. Inconel 601 yra pageidautinas terminio ciklo kaitinimo elementams (krosnyms, kuriose dažnai kaitinama / vėsinama).

✔ Kanthal A prieš nichromą: Kanthal (FeCrAl lydinio) savitoji varža yra 139 uOhm-cm, o maksimali temperatūra 1350 °C, palyginti su nichromu 1150 °C. Kantalas sudaro Al2O3 skalę (lyginant su Cr2O3 NiCr), todėl oksidacija yra 1200+ geresnė. geležies{11}}pagrindo ir trapesnis.

⚠ Kritinis įspėjimas: Hastelloy lydiniai (C276, C22, B2) pasižymi puikiu atsparumu korozijai, bet NĖRA rekomenduojami naudoti kaitinimo elementuose, nes: (1) jie praranda mechaninį stiprumą aukštesnėje nei 540 °C temperatūroje, (2) juose esantis molibdenas apsauginės oksido nuosėdos išgaruoja aukštesnėje nei 800 °C temperatūroje ir (3) neoksiduoja. atmosfera virš 900°C.

Kaip kaitinimo elemento aplinka veikia lydinio pasirinkimą?

Atsparios vielos ir tiksliųjų rezistorių programos

Tikslaus atsparumo vielai keliami iš esmės skirtingi reikalavimai nei kaitinimo elementams: pagrindinis tikslas yra stabilus atsparumas temperatūrai ir laikui, o ne aukštai temperatūrai. Keturi pagrindiniai reikalavimai yra šie: (1) stabili varža virš temperatūros (TCR kuo arčiau nulio), (2) mažas šiluminis EMF prieš varį (svarbiausia norint tiksliai išmatuoti), (3) pastovi varža laikui bėgant (jokio poslinkio ar senėjimo) ir (4) didelė savitoji varža, leidžianti sukonstruoti kompaktišką ritę. Nikelio lydiniai, kurių TCR vertės yra 0,0001–0,0002/K (Inconel 600/625, Hastelloy C276), yra tinkamiausias pasirinkimas tiksliųjų rezistorių ir reostatų pramoniniuose prietaisuose.

Kuris nikelio lydinys geriausiai tinka{0}}srovę ribojantiems rezistoriams ir saugikliams?

Srovės-ribojimo rezistoriams ir saugiklių elementams reikalingi lydiniai, kurie gali atlaikyti gedimo srovių šiluminį įtempį, neištirpdami ir neprarasdami atsparumo stabilumo. „Inconel 625“ ir „Hastelloy C276“ pirmenybė teikiama didelės-srovės preciziniams rezistoriams, nes jų didelė savitoji varža (129-130 μΩ·cm) leidžia naudoti trumpesnius, kompaktiškesnius elementus, o jų aukšta lydymosi temperatūra (Inconel 625: 1290{12}}viršija maksimalią šiluminę temperatūrą) 1350 laipsnių. Standartinėms srovės ribojimo programoms žemiau 500 laipsnių, Inconel 600 yra ekonomiškas pasirinkimas.

Kaip „Inconel 600“ veikia kaip atsparumo viela, palyginti su „Manganin“ ir „Constantan“?

Išvada: „Inconel 600“ (UNS N06600) yra geriausias bendrosios paskirties nikelio lydinys, skirtas pramoninės varžos laidams ir reostatams, kurio savitoji varža yra 103 μΩ·cm, TCR – 0,00013/K, o maksimali darbo temperatūra – 1095 laipsnių. Manganino (Cu84Mn12Ni4) ir Constantan (Cu55Ni45) TCR našumas yra geresnis (beveik{12}}nulis), tačiau jų temperatūra ribojama atitinkamai žemesnėje nei 80 laipsnių ir 200 laipsnių temperatūroje-, todėl jie netinka jokiam naudojimui, susijusiam su dideliu kaitinimu. Inconel 600 yra nikelio lydinio pasirinkimas, kai rezistorius veiks aukštesnėje temperatūroje arba korozinėje aplinkoje.

Nikelio lydinio šildymo elementų laidų dydžio ir galios skaičiavimai

Esant nurodytai šildymo galiai (P, vatais) ir įtampai (V, voltais), reikalinga varža yra R=V² / P. Kai R yra žinoma, reikiamas laido ilgis yra L=R × A / ρ, kur A yra laido skersinis -pjūvio plotas, o ρ yra lydinio savitoji varža. Pavyzdžiui, 1000 W šildymo elementui, veikiančiam esant 240 V įtampai, reikia R=240²/1000=57.6 Ω. Naudojant nichromą (NiCr 80/20) su ρ=108 μΩ·cm ir 0,5 mm skersmens viela (A=0.196 mm²=0.00196 cm²): L=57.6 × 0,00196 / (108 × 10⁻⁶}) metrai {{20}.

Kas yra vatų tankis ir kodėl jis svarbus šildymo elemento konstrukcijai?

Vatų tankis (W/cm²) yra šildymo laido paviršiaus ploto vieneto išėjimo galia, apskaičiuojama P padalijus iš viso laido paviršiaus ploto (ne tik skerspjūvio). Didelis vatų tankis reiškia, kad vielos paviršius yra labai karštas dėl savo dydžio, -o tai pagreitina oksidaciją, sumažina elemento tarnavimo laiką ir gali sukelti ankstyvą gedimą. Kiekvienas lydinys turi rekomenduojamą maksimalų vatų tankį, kuris priklauso nuo darbinės temperatūros ir aplinkos sunkumo.

⚠ Įspėjimas apie dizainą: „Nichrome 80/20“ viela, kurios vatų tankis didesnis nei 15 W/cm2, esant 800 °C temperatūrai, suges per 1000 valandų. Prieš baigdami pasirinkdami vielos matuoklį, visada peržiūrėkite lydinio -konkretaus vatų tankio lenteles iš lydinio gamintojo.

Dažnai užduodami klausimai

Esant 20 °C temperatūrai, Inconel 625 (129 uOhm{3}}cm) varža yra 19 % didesnė nei Nichrome 80/20 (108 uOhm{8}}cm). Esant 800 laipsnių C, Inconel 625 pakyla iki maždaug 142 uOhm{13}}cm (palyginti su Nichrome 80/20 esant 116 uOhm-cm, skirtumas 22 %), nes Inconel 625 TCR yra didesnis (0,000120 K0. varža. Tai reiškia, kad esant tam pačiam vielos matuokliui, Inconel 625 elementas turės maždaug 19-22 % didesnį atsparumą nei Nichromo elementas esant darbinei temperatūrai. Tačiau „Inconel 625“ gali veikti esant 980 laipsnių C ore, palyginti su „Nichrome 80/20“, esant 1150 ° C, todėl „Nichrome“ yra geresnis pasirinkimas labai aukštai temperatūrai, kai atsparumas korozijai yra pakankamas.

Ar Hastelloy lydiniai gali būti naudojami kaip kaitinimo elementai?

Hastelloy lydiniai (C276, C22, B2) paprastai nerekomenduojami naudoti kaitinimo elementuose, nepaisant jų didelės varžos (130 uOhm -cm C276), visų pirma dėl dviejų priežasčių: (1) mechaninis stiprumas smarkiai nukrenta virš 540 laipsnių C, todėl jie linkę nusmigti ir šliaužti pakabinamose laidose. (2) Hastelloy C276/C22 esantis molibdenas ir volframas ore sudaro lakiuosius oksidus, kurių temperatūra viršija 800 °C, palaipsniui blogindami vielos paviršių ir sumažindami elemento tarnavimo laiką. Vienintelė išimtis: Hastelloy C276 gali būti naudojamas kaitinimo elementams korozinėje aplinkoje, žemesnėje nei 540 °C temperatūroje, kur 316L arba 304L sugestų ir kur aukščiausios išlaidos pateisinamos dėl korozijos savybių. Standartiniam aukštos temperatūros šildymui nurodykite Nichrome arba Inconel 601.

Kaip šaltas apdirbimas veikia nikelio lydinio atsparumo vielos varžą?

Šaltasis apdirbimas padidina nikelio lydinių varžą maždaug 2-5 % esant stipriai šaltai-dirbimui dėl padidėjusio dislokacijos tankio, sklaidos laidžių elektronų. „Inconel 625“ varža padidėja nuo 129 uOhm{7}}cm (atkaitinta) iki maždaug 133 uOhm{10}}cm (50 % šaltai apdorota). Jei naudojate tiksliuosius rezistorius, nurodykite nikelio lydinio varžos laidą atkaitintą tirpalą ir iš naujo atkaitinkite po bet kokios formavimo operacijos, kuri padidina dislokacijos tankį. Šildymo elementų, kurių varža nustatoma pagal laido ilgį (ne varžą), šaltas apdirbimas praktiškai neturi įtakos veikimui, nes projektuotojas tiesiogiai nurodo bendrą grandinės varžą.

Kokia yra didžiausia įtampa, kuria gali saugiai veikti nikelio lydinio kaitinimo elementas?

Nėra universalios maksimalios nikelio lydinio kaitinimo elementų įtampos-, ribojantis veiksnys yra elektrinio lauko stipris (voltais metre, V/m) laido paviršiuje, kuris lemia, ar aplinkinėje terpėje susidaro lankas ar paviršiaus gedimas. Atmosferos slėgio ore saugus elektrinis laukas lygiam NiCr laidui yra maždaug 2000-3000 V/m. Vakuume jis gali būti 10 kartų didesnis. MgO{12}}izoliuotuose kasetiniuose šildytuvuose sutankinto MgO gedimo įtampa (apie 10–15 kV/mm, kai sausa) nustato ribą. Pramoninių procesų šildytuvų maksimali apvalkalo įtampa paprastai yra 480 V arba 600 V kintamosios srovės pagal IEEE/NEC standartus proceso šildymo įrangai. Visada nurodykite keraminės izoliacijos gnybtus ir įžemintus metalinius apvalkalus šildytuvams, dirbantiems virš 50 V pramoninėse patalpose.

Kodėl manganino TCR beveik{0}}nulinis ir kodėl jis nenaudojamas kaitinimo elementams?

Manganino (Cu84Mn12Ni4) TCR beveik -nulinis, nes nuo temperatūros- priklausomą varžos padidėjimą dėl vario ir nikelio komponentų beveik tiksliai panaikina nuo temperatūros priklausomas varžos sumažėjimas dėl mangano komponento - kvantinis mechaninis efektas, vadinamas „manganino kompensavimu“. Atominiu lygmeniu dėl mangano -sd-elektronų juostos struktūros jo varža šiek tiek mažėja didėjant temperatūrai (skirtingai nei daugumos metalų), kompensuodama įprastą Cu ir Ni padidėjimą. Manganinas nenaudojamas kaitinimo elementams, nes: (1) jo maksimali eksploatavimo temperatūra yra tik 80°C (200°C pikas trumpam laikui), (2) virš 200°C, manganas katastrofiškai oksiduojasi ir (3) aukštesnėje temperatūroje TCR kompensavimo efektas sugenda ir varža tampa nenuspėjama. Manganinas išskirtinai naudojamas tiksliųjų matavimų šuntams, standartiniams rezistoriams ir kalibravimo įrangai, kur temperatūros stabilumas aplinkos sąlygomis yra labai svarbus.

Kuo „Inconel 600“ skiriasi nuo „Incoloy 800“ atsparumo laidams pramoniniuose reostatuose?

„Inconel 600“ (varža 103 uOhm-cm, TCR 0,00013/K, maks. 1095 °C) yra teikiama pirmenybė, o ne „Incoloy 800“ (varža 98 uOhm-cm, TCR 0,00023/K, maks. 815 rrezistoriuose ir pramoniniuose degikliuose). „Inconel 600“ pasižymi: didesne varža (103 prieš 98 uOhm-cm, 5 % pranašumas), mažesnę TCR (0,00013 ir 0,00023, o tai reiškia 43 % mažesnį pasipriešinimo poslinkį vienam laipsniui C) ir aukštesnę maksimalią temperatūrą (1095 ir 815 laipsnių C, todėl skirtumas yra 280 °C). „Incoloy 800“ teikiama pirmenybė tik viename scenarijuje: kai reostatas veikia esant 400-800 °C temperatūrai ir esant didesniam geležies kiekiui 800 (46 % Fe, palyginti su 8 % Fe Inconel 600), yra išlaidų pranašumas. Jei reostatai veikia žemesnėje nei 400 laipsnių C temperatūroje, manganinas arba konstantanas yra ekonomiškesnis pasirinkimas, jei TCR yra pagrindinis rūpestis.