Иногда детали, находящиеся в зоне высоких температур, делают из обычной стали, но насыщают их поверхностный слой алюминием на глубину в несколько десятых долей миллиметру. Алюминий весьма интенсивно увеличивается сопротивляемость стали окислению, и поэтому такие детали - контейнеры, пирометрические трубки и т.п., не несущие нагрузок, могут успешно работать до 800 °С.
В высокотемпературных печах (1000 – 1350 °С) для подовых перекрытий применяют карборундовые подовые жароупорные плиты. Обладая достаточно большой теплопроводностью, не намного меньшей, чем у стальных плит, они обладают значительно меньшей прочностью и поэтому требуют осторожного обращения.
Нагревательные элементы, так же как и жароупорные материалы, работают в зоне высоких температур, но, кроме того, к ним предъявляются электропечестроением особые требования к электрическим свойствам. Вкратце требования к ним могут быть сформулированы следующим образом:
Жаростойкость, неокисляемость под действием кислорода воздуха в условиях высоких температур.
Достаточная жаропрочность – механическая прочность при высоких температурах. Материалы для нагревательных элементов не являются конструкционными материалами, поэтому их механическая прочность может быть сравнительно невелика; достаточно, чтобы изготовленные из них нагреватели были в состоянии поддерживать сами себя, давая при этом малые деформации.
Большое удельное электрическое сопротивление. Нагревательные элементы в печах сопротивления в большинстве случаев включаются непосредственно в питающую сеть без: промежуточного трансформатора, и поэтому при данной мощности нагревателя его сопротивление при рабочей температуре также должно быть вполне определенным. Чем меньше удельное электрическое сопротивление материала нагревателя, тем больше длина выполненного из него нагревателя и тем меньше должно быть его поперечное сечение.
Малый температурный коэффициент сопротивления. Чем больше этот коэффициент, тем больше разница в электрическом сопротивлении горячего и холодного нагревателя. Почти все материалы имеют положительный температурный коэффициент сопротивления, и с увеличением температуры их удельное сопротивление возрастает.
Постоянство электрических свойств. Некоторые материалы с течением времени в работе меняют свои электрические свойства, они стареют, их удельное сопротивление увеличивается, а следовательно, мощность печи, забираемая ею из сети, падает.
Постоянство размеров. Некоторые материалы подвержены ползучести и с течением времени сильно растут, т.е. выполненные из них нагреватели удлиняются.
Обрабатываемость. Металлические материалы для нагревателей должны давать возможность изготовить из них ленту и проволоку различных сечений, навивать из них спирали, сваривать нагреватели между собой и приваривать к ним выводы.
Неметаллические нагреватели желательно прессовать или формовать для придания им необходимой конфигурации. Все это накладывает известные требования на материалы для нагревателей.
Материалы для нагревательных элементов выполняются в виде лен ты, проволоки и стержней. Кроме того, нагреватели выполняются иногда литыми или штампованными.
Основными материалами для нагревательных элементов специально разработанными для этой цели и поэтому в максимальной степени удовлетворяющими вышеуказанным требованиям, являются сплавы никеля, хрома и железа, которые называются "нихромы". Эти сплавы можно подразделить на две основные труппы - двойные сплавы и тройные сплавы.
Первая-группа объединяет сплавы, состоящие, по существу, из никеля и хрома, содержание железа в них невелико (0,5-3,0%), чём и объясняется их название. Вторая группа охватывает собой сплавы, содержащие, помимо никеля и хрома, также и железо.
Безусловно, самым дешевым и доступным материалом была бы обыкновенная сталь. И, действительно, неоднократно пытались применять ее для изготовления нагревателей как для низкотемпературных, например сушильных, так и для высокотемпературных печей. Однако широкого и длительного применения сталь не нашла из-за несоответствия основным требованиям, предъявляемым к материалам для нагревателей. Основным недостатком стали является ее большой температурный коэффициент сопротивления, достигающий 10·10-3, вследствие чего при включении печи на нормальное напряжение наблюдается в первый же момент четырех - пятикратный толчок тока. Больший температурный коэффициент сопротивления стали приводит также к тому, что при перегреве какого-либо ее участка (например, в месте с затрудненной теплоотдачей) сопротивление его резко увеличивается, что вызывает еще больший перегрев его и в конечном счете перегорание.
Все это исключает применение стали для нагревателей в обычных условиях. Дефицитностью дороговизна нихрома заставили, работать над созданием каких-либо новых сплавов, обладающих удовлетворительными электрическими свойствами, достаточно жаростойкими и в то же время не содержащими дефицитного никеля. Такого рода сплавы были уже давно известны, это железохромоалюминиевые сплавы, однако они получались настолько хрупкими, что их невозможно было обработать, получить из них ленту и проволоку. Благодаря высокому содержанию хрома и алюминия они могут быть даже более жаростойкими по сравнению с нихромами и могут работать до 1300 и даже до 1350°С. Эти сплавы все же остаются чрезвычайно хрупкими и непрочными, особенно после нескольких нагревов в печи, так как при нагреве в них наблюдается очень сильный рост зерна. Поэтому уже работавшие в печи нагреватели переложить или сварить в случае поломки или перегорания нелегко.
Помимо своей хрупкости, железохромоалюминиевые сплавы менее прочны при высоких температурах по сравнению с нихромами, поэтому выполненные из них нагреватели приходится конструировать таким образом, чтобы они были максимально разгружены от всякого рода механических напряжений, в том числе и от собственного веса. Большим недостатком этих сплавов является их чувствительность при высоких температурах к окислам железа и кремнезему, которые разрушают образующуюся на них защитную пленку из окислов алюминия и хрома. Футеровка печей в местах соприкосновения с нагревателями должна быть выполнена из чистых высокоглиноземистых материалов.
Другими недостатками железохромоалюминиевых сплавов является их значительный рост в эксплуатации, увеличение длины нагревателя, которое может достигать 30 - 40%. Поэтому при конструировании нагревателей из этих сплавов необходимо предусматривать возможность их свободного удлинения, с одной стороны, и надежного крепления, отдельных витков или зигзагов, во избежание их замыкания при короблении – с другой.
Старение, т.е. увеличение электрического сопротивления в эксплуатации у железохромоалюминиевых сплавов умеренное (15-25%). Свариваются они удовлетворительно как при помощи дуговой сварки (на постоянном токе), так и автогенном. В отличие от хромоникелевых сталей они магнитны.
Из неметаллических нагревателей наибольшее распространение получили силит и глобар.
Силитовые и глобаровые нагреватели представляют собой карборундовые стержни, отличающиеся друг от друга как конструктивным исполнением, так и технологией изготовления. Карборунд хорошо выдерживает 1400 – 1450 °С и, следовательно, может обеспечить работу электрических печей до 1350-1400°С. Так как его удельное сопротивление изменяется в больших пределах и достигает у разных типов нагревателей 4·10-4 – 4· 10-3 Ом·м, то его применяют лишь в сравнительно больших сечениях, диаметром от 8 до 30мм и длиной активной части до 560мм.
Силитовые и глобаровые стержни в нагретом состоянии хрупкие и малопрочные и требуют осторожного обращения. Они чувствительны к быстрому нагреву, вследствие чего разогрев печи следует производить постепенно.
Конструктивно карборундовые нагреватели выполняются различно. Так, силитовые нагреватели выполняются в виде трубчатых нагревателей, на концы которых надеваются трубки большего диаметра (диаметр отверстия этих трубок должен соответствовать наружному диаметру нагревателя). Для скрепления трубок с нагревателями применяется специальная замазка, из карборундового порошка, нефтяного кокса и смолопека. Для получения достаточной прочности закрепления на нагревателе трубок их дополнительно обжигают.
Благодаря таким насадкам силитовые нагреватели имеют по краям 6 – 3-кратное сечение, вследствие чего их концы разогреваются не так сильно. Это дает возможность обойтись без водяного охлаждения контактов, концы оконцовочных трубок покрывают серебром или алюминием и на них густо, виток к витку, наматывают никелевую проволоку. Концы проволоки служат для подвода тока к нагревателям.
Глобаровые нагреватели выполняются в виде полых стержней равномерного сечения с металлизированными, закругленными концами. В глобаровых стержнях, таким образом, концы не имеют большего сечения и разогреваются так же, как и нецентральная часть стержня; поэтом эти стержни могут работать без водяного охлаждения подводящих ток контактов лишь до 1000 – 1100°С, для более же высокой температуры охлаждение водой обязательно.
В последнее время разработана новая конструкция глобаровых нагревательных стержней, не требующая водяного охлаждения контактов. Концы каждого стержня выполнены из материала меньшего удельною сопротивления и, кроме того, заострены. Каждый такой стержень зажимается между двумя также глобаровыми выводами, того же сечения с пониженным удельным сопротивлением и, кроме того, металлизированными концами.