Нихром для нагрева: характеристики, назначение, сопротивление, калькулятор

Cплавы нихрома

были в эксплуатации еще в 1900 году, и они были успешно использованы в нагревательных системах. Следовательно, реальный практический опыт использования оборудования и промышленных печей дает уверенность в использовании этих сплавов в передовых и уже установленных конструктивных решениях.

В данной статье вы найдете справочные данные и таблицы с характеристиками различных сплавов нихрома. Калькулятор расчета параметров нихромового провода или провода из фехрали вы можете найти в нашей прошлой статье «Расчет нихрома и фехрали для нагревателей».

Состав

В составе нихрома содержится около 20% никеля и до 80% хрома.

Кроме того, в сплаве могут присутствовать добавки в виде марганца, алюминия, железа, кремния и пр.

Введение в состав нихрома лигатур повышает эксплуатационные показатели и технические параметры металла:

• никель и железо улучшает обрабатываемость;
• железо, титан, алюминий и марганец снижают сопротивляемость повышенным температурам;
• при наличии в сплаве железа нихром приобретает магнитные свойства.

Повышение добавок может ухудшать характеристики металла.

От количества никеля зависит температура, которую способны выдержать нагревательные элементы.

Содержание хрома в сплаве должно быть не более 20%. Увеличение количества хрома повышает хрупкость и ухудшает обрабатываемость металла. При его содержании в сплаве более 30% становится невозможной холодная прокатка и волочение материала.

От количества хрома зависит прочность защитной пленки и стойкость к окислению.

Свойства нихрома

Сплав отличается хорошей пластичностью и высоким электрическим сопротивлением. Его показатель может составлять от 1100 до 1400 Ом·мм²/м в зависимости от марки металла.

Таблица 1. Технические характеристики нихрома.

Изделия из нихрома легко деформируются, сохраняя заданную форму.

Нихром не обладает магнитными свойствами за исключением сплава, в составе которого имеется лигатура железа.

Рисунок 2. Нагревательный элемент.

Таблица удельного веса нихрома

Так как, нихром является сложным материалом, рассчитать его удельный вес в полевых условиях самостоятельно не представляется возможным. Эти вычисления проводят в специальных химических лабораториях. Однако, при этом средний удельный вес нихрома известен и составляет диапазон от 8,1 до 8.4 г/см3.

Для упрощения подсчетов ниже представлена таблица с значениями удельного веса нихрома, а также такого показателя, как вес нихрома в зависимости от единиц исчисления.
Удельный вес и вес 1 м3 нихрома в зависимости от единиц измерения

Марки нихрома

К наиболее распространенным в промышленности маркам относятся:

• Х20Н80 — классический сплав, содержащий около 20% хрома и 80% никеля;
• Х15Н60 — в сплаве уменьшено содержание хрома и никеля, увеличено содержание железа до 25%;
• Х20Н80-Н (-Н-ВИ) и Х15Н60 (-Н-ВИ) — сплавы, получаемые в вакуумных индукционных печах;
• Н50К10, Х25Н20 — марки нихрома, используемые для работы при температуре до 900°С.

Сплавы, получаемые в вакуумных индукционных печах, отличаются тем, что их электросопротивление мало меняется при изменении температуры.

Расшифровка марок:

• Х – хром(Cr);
• Н – никель(Ni);

Цифрами обозначено процентное содержание состава.

Дополнительные буквы означают:

• ВИ — вакуумно-индукционная плавка;
• Н — категория греющих элементов;
• С — использование в элементах сопротивления;
• ТЭН —предназначено для электронагревателей сухого типа.

Например, марка Х20Н73ЮМ-ВИ обозначает: содержание хрома – 20%, никеля – 73%, алюминия – 3%, молибдена – 1,5%, марганца – до 0,3%, титана – до 0,05%, железа – 2%, углерода – до 0,05%. Сплав выплавлен с помощью вакуумно-индукционного метода.

Назначение и свойства изделий из нихрома определяется химическим составом сплава.

Международные обозначения

В международных наименованиях нихрома можно встретить обозначения:

• Cronix 80;
• NiCr80/20;
• Nichrome V;
• Chromel A;
• HAI-NiCr 80;
• Ni80Cr20;
• Nikrothal 8;
• Resistohm 80;
• евронихром.

Европейские аналоги ферронихрома: NiCr60/15, Ni60Cr15, ChromelCN6, Nikrothal 6, Nikrothal 60, CroniferII, AlloyC.

Достоинства и недостатки

Сплавы нихрома отличаются высоким электрическим сопротивлением.

Показатели удельного сопротивления нихрома в 10 раз выше, чем у оцинкованной стали и в 70 раз превышают показатели меди.

К другим достоинствам относятся:

• высокая механическая прочность и твердость;
• жаростойкость и отсутствие температурных деформаций;
• малый удельный вес и хорошая пластичность;
• устойчивость к коррозии и воздействию агрессивных сред;

Материал легко поддается обработке: заточке, штамповке, сварке и т. д. Не меняет своих характеристик под действием высоких температур.

Благодаря устойчивости к коррозии и агрессивной внешней среде сплав имеет практически неограниченный срок службы.

К недостаткам материала относится высокая стоимость.

Уменьшение процентного содержания хрома в сплаве удешевляет изделия, но и понижает технические свойства материала.

Свойства и характеристики сплава

Металл никель-хром показывает, что хром хорошо растворим в никеле с максимальным показателем – 47% при температуре кристаллизации эвтектики 1145C и падает до 30% при комнатных условиях.

Введение небольших количеств (<7%) хрома в никель повышает чувствительность никелевого хромового сплава к окислению из-за пропорционального увеличения скорости диффузии кислорода. Эта тенденция меняется на противоположную, при добавлении более 7% хрома, падение продолжается вплоть до 30%, после этого процесс окисления стабилизируется.

С увеличением добавок хрома происходит заметное увеличение удельного электрического сопротивления проводника. Уровень добавления 20% хрома считается оптимальным для элементов, работающих в системах нагрева. Эта композиция сочетает в себе не только хорошие электрические свойства, но и прочностные. Такой металл обладает пластичностью, что делает его пригодным для процесса волочения проволоки нихром.

Вот некоторые основные свойства нихрома.

1. Цвет: имеет серебристо-серую окраску.
2. Удельный вес: 8,4 г/см3.
3. Плотность нихрома составляет: 8400 кг/м3.
4. Температура плавления этого вещества составляет: 1400 С.
5. Удельное электрическое сопротивление при комнатной температуре для этого вещества составляет: от 1,0 × 10 -6 до 1,5 × 10 -6 Ом (Ом).
6. Удельная теплоемкость измеряет количество тепла, которое необходимо для изменения температуры вещества на определенную величину, обычно 1 градус. Удельная теплоемкость этого вещества составляет: 450 Дж/(кг*К).
7. Модуль упругости — это математическое представление вещества или склонности объекта к деформации, когда к нему прикладывается определенная сила. Модуль упругости для нихрома составляет: 2,2 × 10 11 Па.
8. Тепловое расширение — это свойство вещества, благодаря которому оно изменяет объемпри воздействии тепла. Коэффициент теплового расширения нихрома составляет: 14 × 10 -6 / C.
9. Рабочая температура определяется как Т, при которой работает механическое или электрическое устройство. Рабочая температура для нихрома составляет: 900 C.
10. Температурный коэффициент математически представляет относительное изменение физических свойств вещества, когда Т изменяется на 1 Кельвин. Температурный коэффициент сопротивления для нихрома составляет 100 ppm / C при температуре в диапазоне от 25 C до 100 C.
11. Вещество обладает высокой устойчивостью к коррозии и устойчиво к окислению при высоких температурах.

Изготовление проволоки и ленты из нихрома

Практически во всех электрических печах и электроприборах в качестве нагревательных элементов используется нихромовая проволока, нить или лента.

Существует несколько способов изготовления изделий из нихрома:

1. Волочение проволоки и нити с промежуточной термообработкой. Непосредственно перед волочением катанку диаметром 6-8 мм нагревают в специальных печах до температуры 1170-1230°С и быстро охлаждают. Температура нагрева заготовки зависит от состава сплава. Следующий этап — травление катанки в смеси соляной и азотной кислоты с водой.

Волочение нихромовой проволоки выполняют с применением высокого давления. Производство изделий методом волочения регламентируется требованиями ГОСТ 8803-89

1. Волочение горячекатаной заготовки для получения ленты из нихрома. Такой способ позволяет на выходе получить высококачественную полосу, точно соответствующую профилю и сечению волочильного канала. Получаемая лента отличается высоким качеством и отсутствием острых кромок.
2. Холоднотянутая протяжка. Способ применяется для изготовления проволоки и нитей из нихрома. Осуществляется без предварительного прогрева заготовки. Регламентируется ГОСТ 12766.1-90
3. Холодная прокатка. Применяется для изготовления ленты из нихрома. Выполняется в соответствии с требованиями ГОСТ 12766.2-90.
4. Плющение — применяется для изготовления ленты из прецизионных сплавов с высоким электрическим сопротивлением. Выполняется по ГОСТ 12766.5-90.

Лента из нихрома.

Размеры, механические свойства и другие параметры проволоки из нихрома регламентируются государственными стандартами или техническими условиями.

Нагревательные элементы из нихромового сплава

Электрический резистивный нагревательный элемент

использовался в течение длительного периода времени. Поэтому многие конструкции усовершенствованы для обеспечения превосходных характеристик. Очень важно проверить все факторы, которые позволят создать нагреватель, который будет предлагать удовлетворительные функциональные возможности по доступной цене. Для выполнения этой задачи необходимо учитывать следующие факторы:

• Механические воздействия

  : если нагретое оборудование должно подвергнуться серьезному механическому удару, метод установки нагревательных элементов должен иметь первостепенное значение.

• Температура

  : это основной фактор при выборе сплава и размера нагревательного материала. Применение нагревательного элемента указывает требуемую температуру. Также важно различать температуру окружающей среды и температуру резистивного провода.

• Требуемое пространство

  : Пространство, вводимое для установки нагревателя, обычно регулируется. Это говорит о том, что достаточное пространство может быть непрактичным. Для равномерного поджаривания хлеба в тостере материал следует держать подальше от поверхности, но для оборудования должно быть достаточно места смещения.

• Атмосфера

  : указывает, что газы или твердые частицы взаимодействуют с нагревателем. Защитный слой в печи или брызги в жаровне обычно определяются.

• Температурный цикл

  : Подходящие условия работы для нагревательного элемента —
  поддержание постоянной температуры
  . Обычно это непрактично. Лабораторные испытания показали, что при повышенной рабочей температуре, такой как 800 ° C и выше, обычный включенный нагреватель имеет длительный общий срок службы. Из-за выдающегося срока службы нецикличного нагревателя многие испытания рассчитаны на высокую скорость цикла. Время цикла определяется продолжительностью, необходимой для переключения устройства между стабилизированной температурой испытания и комнатной температурой.

• Безопасность

  : Необходимо соблюдать меры безопасности при работе с приборами, работающими с высокой температурой или с электрическими проводниками. Установка приборов за ограждениями может вызвать более резкое повышение температуры, чем ожидалось.

• Плотность мощности

  : важным фактором, который следует понимать, является плотность мощности, показывающая число, выражающее мощность, рассеиваемую на единицу площади. Для более высоких нагрузок требуются более высокие температуры. Выбор максимального значения является подходящей концепцией конструкции, поскольку он относится к минимальному количеству материала, обеспечивая рентабельную систему при подходящем сроке службы. Это достигается сочетанием наименьшего поперечного сечения проводника и подходящего удельного сопротивления. В нагревательных спиралях и лентах печи самонагревание между контурами допускается за счет излучения витков катушки.

Области применения

Высокая коррозийная стойкость, способность работы в агрессивных условиях, качественные технические характеристики позволяют использовать материал в различных сферах.

В промышленных установках и электрооборудовании:

• высокотемпературные электрические печи;
• вентиляционные сушки;
• котлы и теплообменники;
• сварочные аппараты;
• одножильные и многожильные электрические провода;
• конструкционные элементы металлоплавильного оборудования;
• камеры полимеризации порошковой краски;
• приборы для резки пенопласта;
• резисторы, реостаты.

Нагревательные элементы из нихрома установлены в автомобильных прикуривателях, системах обогрева стекол и сидений в автомобилях.

Специальные марки сложнолегированного нихрома с небольшим коэффициентом электрического сопротивления используют в качестве жаропрочного покрытия при выполнении газотермического напыления.

В быту

Материал используется практически во всех современных бытовых приборах:

• электрических плитах и духовках;
• обогревателях и бойлерах;
• стиральных машинах и тостерах;
• фенах и утюгах;
• электропаяльниках и приборах для выжигания по дереву;
• электронных атомайзерах и лампочках.

Использование спиралей в бытовых электроплитах.

Нити из нихрома получили широкое распространение в медицине в качестве шовного материала при проведении внутриполостных хирургических и пластических операций.

Для каждой сферы применения производятся определенные марки сплавов с оптимальными техническими характеристиками.

Применение нихрома

Нихром используется в электронагревателях печей для всех отраслей промышленности, бытовых приборов и аппаратов теплового действия. Широко используется в высокотемпературных электропечах, печах обжига и сушки, различных электрических аппаратах теплового действия. Применяется в качестве нагревательных и резисторных элементов. Обладает повышенной жаропрочностью, крипоустойчивостью, пластичностью и стабильностью формы. Также нихром используется в качестве жаропрочного (жаростойкого) сплава и химически стойкого сплава в определенных агрессивных средах. В частности нихром марки Х20Н80 является материалом для нагревательных элементов промышленных электропечей и различных электронагревательных устройств. Рекомендуется применять для нагревателей электротермического оборудования повышенной надежности. Нихром Х15Н60 применяется для изготовления тех же изделий, что и Х20Н80, а также используется в изделиях электронной техники и при создании непрецизионных резисторов.

Что такое сплав для резистивного нагрева

Резистивными называют материалы, которые нагреваются до высоких температур при прохождении по ним тока.

Надежность, качество и технические характеристики нагревательных элементов зависят от состава материала.

К основным видам резистивных сплавов относятся:

1. Нихромы — сплавы никеля и хрома.
2. Ферхали — сплавы железа, хрома и алюминия.
3. Многокомпонентные сплавы, в которые, кроме хрома, алюминия, железа, добавлены легирующие элементы — медь, марганец, кремний, титан.

Температура плавления многокомпонентных сплавов составляет 1500°С, а срок службы нагревательных элементов в 2-3 раза превышает изделия из нихрома.

Характеристики сплавов для контактного нагрева

Чтобы стать электронагревательным элементом, металл или сплавы должны обладать следующими характеристиками:

1. Хорошее высокое электрическое сопротивление для сохранения небольшой площади поперечного сечения
2. Высокая прочность и пластичность при рабочих температурах
3. Низкий температурный коэффициент электрического сопротивления для предотвращения значительных изменений сопротивления при рабочей температуре по сравнению с комнатной температурой.
4. Отличная стойкость к окислению на воздухе при умеренных процедурах
5. Подходящая работа и потенциал для придания необходимой формы.

Материалы, которые обладают этими свойствами, являются 80/20 Нихромом 70/30 Нихрома, 60/15 Нихрома и 35/20 нихрома. Оценка свойств этих сплавов на воздухе производится следующим образом:

• Нихром 80/20.

  Самый популярный сплав сопротивления, состоящий из 80% никеля и 20% хрома, все еще широко используется, однако различные исследования предложили некоторые улучшения в основных химических свойствах. Включены номинальные количества железа, марганца и кремния, а также небольшое содержание редкоземельных металлов и других, что позволяет использовать сплав при температуре до 1200 ° C или 2192 ° F.

• Нихром 70/30

  обеспечивает увеличенный срок службы на воздухе при температуре до 1260 ° C или 2300 ° F. Он обеспечивает выдающуюся стойкость к окислению в условиях низкого содержания кислорода, механизм, известный как зеленая гниль из-за зеленого оттенка оксида.

• Нихром 60/16 железо 24

  . Сплав нихрома, состоящий из 60% никеля и 16% хрома и 24% железа обычно выбираются , когда температура применения не должна быть выше 1100 ° C.

• Нихром 35/20 железо 45

  . Сплав, состоящий из 35% никеля, 20% хрома и железа, используется в печах с промышленным регулированием, работающих при температурах от 800 ° C до 1000 ° C. Он обеспечивает значительный вклад в предотвращение повреждения, которое может иметь место в двух указанных выше сплавах, когда рабочая температура одинакова, но условия различаются между восстановлением и окислением. Нихром А или 80/20 не рекомендуется использовать в условиях, которые восстанавливают никель и окисляют хром.

Все нагревательные сплавы, упомянутые в таблице выше, имеют длительный срок службы

в качестве нагревательного материала, если они спроектированы соответствующим образом с учетом подходящего размера проволоки и спецификации спирали.

Подходящий срок службы нагревательного элемента начинается с производства сплава и последующих результатов в результате надлежащего ухода за сплавом — проволокой, лентой, полосой, когда он формируется в качестве нагревательного элемента и устанавливается в оборудование.

Удельное сопротивление нихрома и других сплавов для нагревателей

Удельное электрическое сопротивление определяет способность металла препятствовать прохождению тока. Рассчитывается как отношение электрического поля к плотности тока и измеряется в Ом·мм²/м.

Таблица 2. Удельное сопротивление основных сплавов, подходящих для нагревательных элементов.

Основными факторами выбора сплава для изготовления нагревателей являются сочетание высокого электрического сопротивления и способности длительное время выдерживать экстремально высокие температуры.

Что такое нихром

Нихромовый сплав обладает хорошей способностью сопротивляться потоку электронов. Эти уникальные свойства делают его пригодными для применений в нагревательных элементах фёнов и тепловых пушек. Он обладает высокой стойкостью к окислению, что также делает его подходящим материалом для нагревательной техники. Нихромовая проволока наматывается в катушки с определенным электрическим сопротивлением нихрома, через который пропускается ток для производства тепла.

Никелево-хромовый сплав в соотношении 90/10 используют в термопарах в сочетании со сплавом Ni / Al 95/5. Эта комбинация называется хромель-алюмель, представляет нагревательные элементы с максимальной рабочей температурой 1100 C и подвержен дрейфу в области 1000 C из-за окисления. Этот эффект устраняют добавлением кремния. Коммерческие сорта включают Nicrosil (содержащий 14% Cr и 1,5% Si) и Nisil (содержащий 4,5% Si и 0,1% Mg).

Как выглядит нихром

Никелево-хромовый металл в соотношении 80/20 относится к высокотемпературному коррозионностойкому сплаву, применяемого для деформируемых и литых деталей, поскольку он имеет лучшую стойкость к окислению и горячей коррозии в сравнении с дешевыми железо-никель-хромовыми сплавами.

Расчёт электрической спирали из нихрома

Параметры спирали можно рассчитать, пользуясь электронными калькуляторами на сайте производителей. Указав мощность нагревателя, напряжение питания и диаметр проволоки, можно рассчитать длину проволоки, необходимую для спирали нагревателя.

Расчет сопротивления

Оно рассчитывается исходя из диаметра используемой проволоки или площади сечения ленты.

Общая длина проволоки умножается на удельное сопротивление одного метра проводника с соответствующим сечением.

Если известна марка сплава, удельное сопротивление проволоки берется из таблиц, размещенных в технических справочниках, ГОСТ или в интернете.

Если марка сплава неизвестна, показатели проволоки или готовой спирали можно измерить мультиметром.

С помощью онлайн-калькулятора можно сделать предварительный расчет спирали, но для точного расчета параметров нагревателя следует учесть еще много факторов.

Спирали из нихрома.

Расчет длины

Длина спирали из нихрома зависит от удельного сопротивления и диаметра проволоки и определяется по формуле: L=(Rπd2)/4ρ.

• R – сопротивление проволоки;
• d – диаметр проволоки;
• ρ – удельное сопротивление нихрома;
• π – константа = 3,14.

ρ нихрома берем из таблицы ГОСТ 12766.1-90:ρ=1.0÷1.2 Ом·мм2/м.

Таблица 3. Соотношение силы тока, диаметра и сечения нихрома.

Пример:

Необходимо рассчитать длину проволоки для спирали электрической плитки.

Мощность плитки Р = 800 Вт.

Напряжение сети U=380 В.

Решение:

• Определяем силу тока: I = P/U = 800/220 = 3,64 A.
• Определяем сопротивление проволоки R = U/I = 220/3,64 = 61 Ом.
• По этим данным (см. таблицу 3) выбираем d=0,55 мм; S=0,238 мм.

Тогда длина проволоки l = SR / ρ = 0,238·61 /1,1 = 13,2 м = 13 200 мм.

• L — длина проволоки (мм);
• S — сечение проволоки (мм);
• R — сопротивление проволоки (Ом);
• ρ — удельное сопротивление (для нихрома ρ=1.0÷1.2 Ом·мм²/м).

Нихром,Фехраль

Сплавы нихром Х20Н80 и Х15Н60 относятся к сплавам с высоким электрическим сопротивлением. Х20Н80 и Х15Н60 получили широкое распространение и применяются для изготовления электронагревательных элементов, длительно работающих на воздухе при температурах 1000-1300 °С, проволочных и ленточных резисторов, элементов реостатов. Нихром является жаростойким сплавом, имеет малый температурный коэффициент электросопротивления, высокое электрическое сопротивление и высокое сопротивление коррозии под воздействием воздуха или иных газообразных сред при высокой температуре. Также он обладает удовлетворительной технологичностью (пластичностью в холодном состоянии, свариваемостью) — из нихрома можно получать проволоку, ленту, полосу, прутки и другие полуфабрикаты; достаточной жаропрочностью — способностью выдерживать механические нагрузки без существенных деформаций, не разрушаясь при высоких температурах. На поверхности данных сплавов образуется оксиды, устойчивые при высоких температурах. Оксидная пленка имеет большую плотность. Эти два фактора обеспечивают высокую жаростойкость нихрома Х20Н80 и Х15Н60. Сплав фехраль Х23Ю5Т также относится к сплавам с высоким электрическим сопротивлением и для него также характерны вышеперечисленные свойства и применение. Но фехраль — железохромоалюминиевый сплав, нихром — хромоникелевый. Х20Н80 и Х15Н60 сочетают высокую жаростойкость с хорошей технологичностью (могут быть изготовлены лента, полоса и тонкая нихромовая проволока). Эти сплавы более жаропрочны, чем ферхраль, но в отличие от последней содержат дефицитный и дорогостоящий никель. Фехраль дешевле нихрома и отличаются повышенной жаростойкостью, однако она более твердая и хрупкая, чем нихром, а следовательно, и менее технологична (не могут быть изготовлены лента и тонкая фехралевая проволока). Среди различной продукции наибольшее распространение получили нихромовая проволока, лента, нихромовая полоса Х20Н80 и Х15Н60 и фехраль проволока Х23Ю5Т. Проволока — полуфабрикат с поперечным сечением постоянных размеров, свернутый в бухту или намотанный на катушку, изготовляемый прокаткой, прессованием или волочением (по ГОСТ 25501-82). Лента — полуфабрикат прямоугольного сечения толщиной свыше 0,1 мм в рулонах, изготовляемый прокаткой или электролитическим способом (по ГОСТ 25501-82). Полоса — плоский полуфабрикат прямоугольного сечения с отношением длины к ширине не менее 5, толщиной свыше 0,1 мм, изготовляемый прокаткой или разрезкой листов и лент (по ГОСТ 25501-82). Фехралевую и нихромовую проволоку подразделяют по назначению (по ГОСТ 12766.1-90) из сплавов марок Х23Ю5Т:

• для нагревательных элементов — Н
• для трубчатых электрических нагревателей — ТЭН
• для элементов сопротивления — С

из сплавов марок Х20Н80-Н, Х15Н60-Н:

• для нагревательных элементов
• для трубчатых электрических нагревателей — ТЭН

из сплавов марки Х15Н60:

• для элементов сопротивления

Удельное электрическое сопротивление нихрома (номинальное значение) — (по ГОСТ 12766.1-90)

Максимальные рекомендуемые рабочие температуры нагревательных элементов, работающих на воздухе(по ГОСТ 12766.1-90)

Электрическое сопротивление нихромовой проволоки и ленты Х20Н80

Электрическое сопротивление — это одна из самых важных характеристик нихрома. Оно определяется многими факторами, в частности электрическое сопротивление нихрома зависит от размеров проволоки или ленты, марки сплава. Общая формула для активного сопротивления имеет вид:

R = ρ · l / S

R — активное электрическое сопротивление (Ом), ρ — удельное электрическое сопротивление (Ом·мм), l — длина проводника (мм), S — площадь сечения (мм2)

Как навить спираль из нихрома

Изготовить спираль из нихромовой проволоки можно в домашних условиях.

Для этого нужно подобрать проволоку подходящей марки и рассчитать:

• длину проволоки;
• шаг навивки спирали;
• количество витков.

Длину одного витка определяем по формуле:

l=π(D+d/2)=3,14(5+0,55/2)=32 мм.

Количество витков:

N=L/l=13 200/32=412 витков.

• d — диаметр проволоки;
• L — длина проволоки;
• I — длина витка;
• D — диаметр стержня для навивки.

Количество витков проволоки при навивке на трубчатый стержень D=10 мм составляет 412 шт.

На практике редко занимаются навивкой спиралей в домашних условиях. Проще купить нагревательный элемент с требуемыми параметрами в специализированном магазине.

Кустарная намотка спирали.

Расчет нихромовой спирали

Методика расчета по сопротивлению

Для начала давайте подробнее рассмотрим расчет длины проволоки из нихрома на основе мощности и электрического сопротивления. Во-первых нужно определиться с тем, какая мощность нагревательной спирали будет нужна. Допустим, нам необходимо изготовить небольшой нагреватель для прибора с мощностью 10Вт с напряжением 12 Вольт. Допустим, у нас имеется в наличии нихромовая проволока с диаметром сечения 0,1 мм.

Самый элементарный расчет без учитывания нагрева производится по формуле, знакомой нам из школьного курса физики:

Р=U∙І → І = Р/ U = 10 / 12 = 0,83 А

По закону Ома:

R= U/ І = 12 / 0,83 = 14,5 Ом.

Знаючи площадь сечения проволоки (S) и удельное сопротивление нихрома (ρ) можно вычислить длину проволоки, которая нам понадобится для изготовления спирали:

І = S∙ R/ ρ

Для того, чтобы узнать удельное сопротивление нихромовой проволоки определенного диаметра можно воспользоваться формулами или готовой таблицей значений. Для нихрома с диаметром 0,1 мм сопротивление будет 14,4 Ом и площадь сечения 0,008 мм2, тогда подставив значения в формулу мы получим длину проволоки равную 10 см.

Для расчета того, сколько витков спирали нужно сделать из проволоки полученной длины, нужно воспользоваться такими формулами:

Вычислим длину одного витка, равную:

Длина витка =π∙( диаметр намотки + 0,5 ∙ диаметр сечения проволоки)

Количество витков = длина проволоки / длина витка

Таким образом, если диаметр навивки нашей проволоки будет 2 мм, то

Количество витков = 100/( 3,14*(2+0,05))=15,5 витков

Теоретические расчеты – это, конечно, хорошо. Но выдержит ли на практике нихром с таким диаметром сечения подобный ток? Таблицы, предоставленные ниже, показывают максимальный ток, который допустим для определенных диаметров нити нихрома при заданной температуре. Говоря проще, нужно определить температуру, до которой должен нагреваться спиральный греющий элемент, и выбрать из таблицы его сечения для расчетного тока.

Если же нагреватель будет использоваться в жидкостной среде, силу тока можно взять больше в 1,2-1,5 раз, а если он будет нагревать замкнутое пространство, то стоит его ток уменьшить.

Методика расчета по температуре

Выше описанный простой расчет недостаточно точен из-за того, что мы берем величину сопротивления спирали в холодном состоянии. Но с изменением температуры изменяется и сопротивление материала. При этом также следует учесть, каковы условия достижения данной температуры. Для небольшой температуры, к примеру в обогревателях, первый способ расчета может применяться свободно, но для высоких температур в печах сопротивления данный способ будет слишком приблизительным.

Давайте рассчитаем спираль для муфельной печи при помощи второго метода. Для начала нужно вычислить объем камеры и на его основе мощность нагрева. Для муфельных печей существует такое правило подбора:

• Для печей с объемом до 50 л мощность берется из расчета 100 Вт на литр
• Для печей с объемом от 100 до 500 л мощность берется из расчета 50-70 Вт на литр

Возьмем для примера небольшую печь с объемом 50 литров, тогда мощность печи должна быть 50*100= 5000 Вт

Посчитаем силу тока (І) и сопротивление (R) для напряжения питания 220В

І = 5000/220 = 22,7 А

R = 220/22,7 = 9,7 Ом

Если подключать спирали при 380 В методом подключения «звезда», нужно мощность поделить на 3 фазы, таким образом у нас будет

Мощность на фазу = 5кВт / 3 = 1,66 кВт

При данном типе подключения к трехфазной сети на каждую фазу будет подаваться 220 В, соответственно ток и сопротивление будут равны:

І = 1660/220 = 7,54 А

R = 220/7,54 = 29,1 Ом

Если же соединение спиралей при напряжении 380 производится методом «треугольник», формулы расчета будут с учетом линейного напряжения в 380 В.

І = 1660/380 = 4,36 А

R = 380/4,36 = 87,1 Ом

Диаметр можно вычислить с учетом удельной поверхностной мощности нагревателя. Произведем расчет длины греющей нити, взяв удельные сопротивления из таблиц.

Поверхностная мощность = βэф*α(коэффициент эффективности)

Таким образом, чтобы нагреть муфельную печь до температуры 1000 градусов, нам нужна спираль с нагревом до 1100 С. По таблицам выберем соответствующие значения и получим:

Поверхностная мощность (Вдоп)=4,3∙0,2=0,86Вт/см2=8600 Вт/м2

Диаметр определяется по формуле d=3√((4*Rt*P2)/(π2*U2*Вдоп))

Удельное сопротивление материала при нужной температуре (Rt) берется из таблицы

Если у нас нихром марки Х80Н20, Rt будет равным 1,025. Тогда Рт=1,13*106*1,025=1,15*106 Ом на мм

Для подключения типа звезда: диаметр равен 1,23 мм, длина = 42 м

Проверим значения по формуле L=R/(p*k)

Получим 29,1/(0,82*1,033)= 34 м

Таким образом видим, что в формуле без учета температуры есть существенное отличие в полученных значениях. Правильно выбрать длину одной спирали для подключения звездой равную 42 м, тогда для 3 спиралей вам понадобится 126 метров проволоки нихрома с диаметром 1,3.

Вывод

На основе формул и калькулятора можно произвести быстрый расчет длины нихромовой или фехралевой проволоки и вычислить ее диаметр исходя из необходимой мощности и температуры нагревательного элемента, однако даже второй более сложный метод расчета не учитывает ряда факторов. На практике после произведенных теоретических расчетов необходимо произвести манипуляции с результатами исходя из особенностей использования нагревателя.

Для точных расчетов длины фехралевых и нихромовых спиралей, а также для получения консультации по нагревательным элементам обращайтесь к нашим специалистам по телефонам или через электронную почту. У нас, кроме готовых промышленных нагревателей, вы также можете приобрести комплектующие для их создания, включая проволоку и ленту фехраль, термостойкие провода, керамические изоляторы, миканит, термостойкие разъемы и прочее.

Температурный коэффициент сопротивления

Удельное сопротивление сплава меняется при нагревании или охлаждении материала.

Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) нихрома определяется как отношение изменения электрического сопротивления к изменению температуры в градусах Кельвина, взятые в минус первой степени (Кˉ¹).

ТКС нихрома определяется по формуле: α= (R1 — R2) / R1 Х (T1 — T2), где:

• R1 — величина сопротивления при начальной температуре;
• R2 — при конечной температуре;
• T1 — температура начальная;
• T2 —температура измененная;
• (R1 — R2) — разница электрических сопротивлений;
• (T1 — T2) — разница температур.

Нагревание на 100°С повышает электрическое сопротивление нихрома на 2%.

Нихром 60 против нихрома 80

Свойства нихрома определяются количественным соотношением никеля и хрома в сплаве.

Чем больше никеля в сплаве, тем выше его максимальная рабочая температура:

• для нихрома Х20Н80 этот показатель равен 1200°С;
• для сплава Х15Н60 — до 1125°С.

Следующим важным показателем является пластичность. Она влияет на обрабатываемость металла.

Сплав нихром 60 был создан за счет уменьшения количества никеля в сплаве и увеличения модифицирующих добавок для снижения стоимости нагревателей.

Использование более дорогого сплава марки Х20Н80 оправдано при эксплуатации приборов в условиях предельно высоких температур.

Стоимость нихрома

Исходя из географии, мировой рынок сплавов нихрома можно классифицировать по Азиатско-Тихоокеанскому региону, Европе, Северной Америке, Латинской Америке, а также на Ближнем Востоке и в Африке. Северная Америка и Европа являются основными рынками для сплавов нихрома, что обусловлено ростом аэрокосмической и электронной промышленности. Производственные компании Nichrome в Азиатско-Тихоокеанском регионе и Латинской Америке вкладывают значительные средства в исследования и разработки нихрома в Азии.

Стоимость продукции нихрома в виде :

• Проволока 0.8 мм Х20Н80 – 1 990 руб./кг;
• Проволока 2.0 мм Х20Н80 -2 050 руб./кг;
• Лента #1,0х15 мм Х20Н80 – 1 990 руб./кг;
• Проволока нихром 1.5 мм Х15Н60 – 1 590 руб./кг.

Нихром Bibus Metals
Основными игроками, работающими на мировом рынке сплавов нихрома, являются American Elements, Bibus Metals, VDM Metals, Crown Alloys, Wickeder Westfalenstahl GmbH, Tri Star Metals и другие. Эти компании составляют значительную долю рынка сплавов и лома нихрома, таким образом, на рынке наблюдается острая конкуренция.

Российские производители нихрома: Волгоградский сталепроволочноканатный завод, ГРЭЙС-1000 (Москва), Западно-Уральское промышленное снабжение (Пермь), Индекс-ВК (Екатеринбург), Каменск-Уральский завод, Металлокомерция (Москва), Проммет(Москва), Промснабметалл АГ (Москва), Уральский Завод Прецизионных Сплавов.

Влияние температуры и обработки на удельное сопротивление

Благодаря сопротивлению металла, противостоящему потоку электричества, нагреватели из нихрома генерируют тепло.

Показатели могут меняться в зависимости от разных факторов:

1. Температуры сплава. При повышении температуры с 20°С до 650°С удельное сопротивление увеличивается примерно на 8%.
2. Методов изготовления и обработки. Сопротивление меняется после отжига и быстрого охлаждения:

• Х20Н80 – увеличение на 6%;
• Х30Н70 – увеличение на 4%;
• Х15Н60 – увеличение на 2%.

Сплав Х20Н35 удельное сопротивление при обработке и изменении температуры практически не меняет.

Способность к изменению удельного сопротивления зависит не только от состава сплава, но и от размера сечения нагревателя. Элементы меньшего сечения сильнее реагируют на изменение температуры сплава, чем массивные части.

Пайка нихрома

При длительном использовании электронагревательных приборов или перегреве спираль из нихрома может перегореть.

Соединить элементы из нихрома между собой, а также со сталью, медью или их сплавами можно пайкой, с помощью олово-свинцового припоя ПОС 50 или ПОС 61.

Кроме того, используют флюс из смеси технического вазелина (100 г), глицерина (5 г) и порошка хлористого цинка(7 г), перемешенного до кашицеобразного состояния.

Пайка выполняется в следующем порядке:

• соединяемые элементы зачищаются абразивной шкуркой;
• выполняется обезжиривание с помощью десятипроцентного спиртового раствора хлористой меди;
• детали обрабатываются флюсом;
• проводится лужение концов проволоки;
• выполняется пайка.

Лужение можно выполнять с помощью обычной лимонной кислоты. Для этого небольшое её количество насыпают на деревянную подставку, на порошок кладут зачищенные концы соединяемых деталей и нагревают паяльником. Кислота плавится, покрывая тонким слоем поверхность металла.

Для удаления остатков лимонной кислоты концы провода еще раз лудят с помощью канифоли.

Пайка выполняется припоями ПОС 40/50/61.

Ремонт перегоревшей нихромовой спирали с помощью припоя не подходит для приборов, нагрев которых превышает 300°С.

Пайка нихрома.

Чем можно заменить нить из нихрома

Современным аналогом нихрома является фехраль (FеСгАl) — сплав железа, хрома и алюминия.

Фехралевые нагреватели используются в машиностроении, литейной промышленности, производстве стекла и керамики, других отраслях.

Материал поставляется в виде проволоки, нити, спиралей различного диаметра или готовых нагревательных элементов.

К преимуществам фехралевых нагревателей, по сравнению с нихромовыми, относятся:

• отсутствие окалины;
• меньшая плотность;
• больший срок эксплуатации (в 2-4 раза);
• стоимость ниже нихрома в 2-3 раза.

Защиту нагревательных элементов из фехраля обеспечивает алюминиевая пленка. При работе в безокислительной среде защитную пленку следует восстанавливать с помощью отжига на воздухе (в окислительной среде).

При температуре свыше 900°С металл становится зернистым и хрупким.

Нагревательные элементы из фехраля необходимо размещать на керамических трубках, так как при температуре свыше 800°С спирали могут деформироваться даже под собственным весом.

Проволока фехраль 0,5 мм Х23Ю5Т.

Химический состав нихрома (Х20Н80, Х15Н60). Прокат нихрома

По ГОСТ 10994-74 химический состав нихрома Х20Н80: содержание хрома Cr 20,0-23,0%, никель Ni — остальное, железо Fe — не более 1,5%, алюминий Al — не более 0,20%, титан Ti — не более 0,30% и.т.д. В сумме эти элементы вместе с хромом по максимуму набирают 27,35%. В нихроме Х15Н60 по ГОСТу содержание никеля 55,0-61,0%. Нихром: проволока, лента, круг, лист. Особое распространение получил нихром в виде проволоки Х20Н80 разных размеров.

Изоляция нихрома силиконовым многожильным кабелем

Термостойкий нагревательный кабель в силиконовой изоляции на основе ленты или проволоки марки Х20Н80 используют в различных нагревательных системах и установках теплового воздействия.

Для изоляции проволоки или ленты из нихрома используют в основном двухслойную силиконовую изоляцию.

Основу изоляционного материала составляет силиконовый каучук, получаемый на базе высокомолекулярных кремнийорганических соединений. По внешнему виду изоляция похожа на обычную резину, но отличается от нее более высокими техническими показателями:

• устойчивостью к высоким напряжениям — напряжение пробоя составляет 5 000 Вольт;
• стойкостью к агрессивным средам и атмосферным воздействиям;
• огнестойкостью — материал не горит и не выделяет токсичного дыма при горении;
• рабочими температурами от -60°С, до +180°С;
• повышенной прочностью и долговечностью.

Силиконовая изоляция выдерживает кратковременное повышение температуры до 220°С без изменения структуры и качества покрытия. Не разрушается под действием ультрафиолета и радиоактивных излучений. Не теряет своих качеств под воздействием ионизирующих излучений до 20 Мрад (20 х 106 кДж/кг).

Для изготовления термостойкого греющего кабеля используется в основном двухслойная силиконовая изоляция.

Нихром в изоляции.

Сфера применения

В зависимости от применения мировой рынок сплавов нихрома можно разделить на архитектурные, автомобильные, электронные, аэрокосмические и другие. Нихромовые сплавы используются для изготовления монеля из железа и стали, для производства нержавеющей стали. Сплавы нихрома используются в архитектурных целях, таких как свинец для водопроводных труб, кровли и окон.

Нихром используется в передачах, карданных валах, специальных транспортных средствах для работы в зоне с низкими температурами или интенсивного износа. Он также используется в специальных инженерных целях. Сплавы нихкрома в основном используются для нагрева электрическим сопротивлением. Они обладают высокой электрической стойкостью, хорошей прочностью и пластичностью при рабочих температурах.

Нихром широко используется в индустрии фейерверков и взрывчатых веществ и для подготовки проводов для систем электрического зажигания, таких как зажигалки, электрические спички и электронные сигареты.

Это вещество используется в керамических работах. Он служит для обеспечения внутренней структуры поддержки и помогает удерживать формы глиняных скульптур мягкими. Из-за его устойчивости к высоким температурам он используется, когда куски глины обжигают в печах. Нихромные проволоки используются для проверки цвета пламени в неосвещенных частях катионного огня от катионов натрия, меди, калия и кальция.

Нихром также используется в микробиологических лабораториях и для создания термопар.

Требования к эксплуатации

Чтобы обеспечить длительный срок службы изделий из нихрома, важно соблюдать определенные правила:

• для предотвращения перегрева не допускается намотка нагревательного кабеля на каркас в несколько слоев;
• изгиб токоведущей жилы в кабеле не должен превышать пяти ее диаметров.

Целостность проводника можно восстановить путем механической скрутки, резьбовых зажимов или муфт, пайки или сварки.

При первом включении прибора с нагревательным кабелем из нихрома может выделяться небольшое количество дыма из-за выгорания остатков масла.

Спираль нихромовая