Биметаллическая сталеалюминиевая проволока для нагревательных элементов

Биметаллическая сталеалюминиевая проволока по полезной модели может быть использована для изготовления нагревательных элементов. Техническая задача - обеспечение биметаллической сталеалюминиевой проволоке необходимых эксплуатационных характеристик достигается тем, что материал оболочки в такой проволоке - алюминий, представлен в виде химических соединений типа интерметаллидов Fe_n Al_m, обладающих аномально высокими значением электрического сопротивления и коррозионной стойкости.

Полезная модель относится к метизному производству и может быть использована для изготовления электронагревательных элементов.

Известна нихромовая (из сплавов X20H80-Cr 20%, Ni: 80% и Х15Н60-Cr: 15%, Ni: 60%) проволока для нагревательных элементов (см. Политехнический словарь. М. «Советская энциклопедия», 1987. ст. НИХРОМ, с.334; ГОСТ 12766.1-90 Проволока из прецизионных сплавов с высоким электрическим сопротивлением. Технические условия; ГОСТ 10994-74 Сплавы прецизионные. Марки). Нихром является жаростойким сплавом, имеет малый температурный коэффициент электросопротивления, высокое электрическое сопротивление и высокое сопротивление коррозии под воздействием воздуха при высокой температуре. Также он обладает удовлетворительной технологичностью (пластичностью в холодном состоянии, свариваемостью) - из нихрома можно получать проволоку, ленту, прутки и другие полуфабрикаты; достаточной жаропрочностью - способностью выдерживать механические нагрузки без существенных деформаций, не разрушаясь при высоких температурах.

Недостатком нихромовой проволоки является высокая стоимость содержащихся в сплаве металлов, особенно никеля, составляющего его значительную часть.

Известна так же проволока из фехрали (см. Политехнический словарь. М. «Советская энциклопедия», 1987. ст. ФЕХРАЛЬ, с.566; ГОСТ 12766.1-90. Проволока из прецизионных сплавов с высоким электрическим сопротивлением. Технические условия; ГОСТ 10994-74 Сплавы прецизионные. Марки). Сплав фехраль Х23Ю5Т (Cr: 12-15%; Al: 3,5-5,5%; Si: 1 %; Mn: 0,7%; Fe: остальное) также используется для изготовления нагревательных элементов. Фехраль дешевле нихрома и обладает повышенной жаростойкостью, однако она более твердая и хрупкая, чем нихром, а, следовательно, и менее технологична: не могут быть изготовлены лента и тонкая проволока, что значительно ограничивает ее массовое использование в бытовой технике малой мощности.

Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является биметаллическая сталеалюминиевая проволока (см. ТУ 14.4-679-76. Проволока биметаллическая сталеалюминиевая. Технические условия). Такая проволока характеризуется достаточно высокой технологичностью и сравнительно низкой стоимостью, поскольку в ее составе не содержатся дорогие компоненты: никель и хром. Особенностью такой проволока является наличие явно выраженной границы раздела компонентов, которые не образуют химических соединений типа интерметаллидов. Состав и физические свойства такой композиции обеспечивают ее высокую электропроводность и эффективное использование в качестве электрических проводов и кабелей, и полностью исключают ее использование в качестве нагревательных элементов.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в обеспечении биметаллической сталеалюминиевой проволоке эксплуатационных характеристик: высокого удельного электрического сопротивления и высокой коррозионной стойкости в атмосферных условиях при высокой температуре, необходимых для использования такой проволоки в качестве электронагревательных элементов, при сохранении ее технологичности и невысокой стоимости.

Поставленная задача достигается тем, что в известной сталеалюминиевой проволоке алюминий в оболочке представляют в виде химических соединений типа интерметаллидов Fe_n Al_m, тем самым обеспечивают высокое удельное электрическое сопротивление и высокую коррозионную стойкость в атмосферных условиях при высокой температуре. Причем материал оболочки представляют в виде интерметаллида Fe₂Al₅.

Сущность заявляемой полезной модели поясняется следующим.

Для интерметаллидов системы Fe-Al, особенно Fe ₂Al₅, наряду с высокой коррозионной стойкостью под воздействием воздуха при высокой температуре характерно аномально высокое значение удельного электрического сопротивления, т.е.:

_и>>>_ст

где _и - удельное электрическое сопротивление интерметаллидов, являющихся материалом оболочки;

_ст - удельное электрическое сопротивление стали.

Следовательно, в первом приближении можно принять допущение: эффективное электрическое сопротивление биметаллической сталеалюминиевой проволоки по заявляемой модели равно электрическому сопротивлению стального сердечника, входящего в состав композиции:

R_п=R_ст,

где R_п - активное электрическое сопротивление проволоки, Ом;

R_ст - активное электрическое сопротивление стального сердечника, Ом.

Тогда ее условное удельное электрическое сопротивление составит:

_ук=S_п·R_ст/l

где _ук - условное удельное электрическое сопротивление биметаллической сталеалюминиевой проволоки по заявляемой полезной модели;

S_п - площадь поперечного сечения биметаллической сталеалюминиевой проволоки по заявляемой полезной модели;

l - длина биметаллической сталеалюминиевой проволоки по заявляемой полезной модели.

Приведенное выражение является основой при конструировании нагревательных элементов с использованием биметаллической сталеалюминиевой проволоки по заявляемой модели.

Основным источником выделения тепла в такой композиции является стальной сердечник. Однако, полагая рассматриваемую биметаллическую сталеалюминиевую проволоку термически прозрачным в радиальном направлении материалом, распределение температуры по ее сечению будет равномерным.

Таким образом, наноструктура, в которой представлен материал оболочки биметаллической сталеалюминиевой проволоки по заявляемой модели, является существенным отличительным признаком, обеспечивающим получение технического результата: высокого удельного электрического сопротивления и высокой коррозионной стойкости в атмосферных условиях при высокой температуре, необходимых для использования такой проволоки в качестве электронагревательных элементов. Состав композиции обеспечивает невысокую стоимость проволоки, а наличие стального сердечника - прочность и пластичность, достаточные для волочения.

При осуществлении полезной модели, в качестве проволоки, подлежащей замене биметаллической сталеалюминиевой проволокой по заявляемой полезной модели, принята проволока из нихрома.

Электрическое сопротивление проволоки из нихрома:

R_п=_н·l/S_п,

где R _п - активное электрическое сопротивление нихромовой проволоки, Ом;

_н - удельное электрическое сопротивление нихрома, Ом·м;

l - длина отрезка проводника, м;

S_п - площадь поперечного сечения нихромовой проволоки, м².

Тогда, исходя из равного сопротивления аналогичного отрезка биметаллической сталеалюминиевой проволоки по заявляемой модели, можно определить площадь поперечного сечения ее стального сердечника.

S_уст. =_ст·l/R_н

и его условный диаметр:

D_сту=10³ ·(S_уст/),

где S_уст - условная площадь сечения стального сердечника, м²;

_ст - удельное электрическое сопротивление стали;

D_сту - условный диаметр стального сердечника, мм.

Рассматриваемый отрезок биметаллической сталеалюминиевой проволоки при условии, если материал алюминиевой оболочки находится в состоянии химических соединений вида интерметаллидов Fe _nAl_m и условный диаметр ее стального сердечника соответствует значению D_сту, имеет равное электрическому сопротивлению аналогичного отрезка проволоки из нихрома. Исходя из равенства электрических сопротивлений, на сравниваемых отрезках в равных условиях (при равных напряжениях, поданных на концы отрезков) выделится равное количество тепла:

QN=U²/R=I²·R,

где Q - количество тепла, выделяемого на отрезке проволоки (проводнике);

N - мощность, выделяемая на отрезке проволоки (проводнике);

U - электрическое напряжение;

I - электрический ток;

R - электрическое сопротивление:

R=R_п=R_ку;

R _ку - эффективное электрическое сопротивление предлагаемой композиционной проволоки.

Параметры эквивалента из биметаллической сталеалюминиевой проволоки по заявляемой полезной модели 0,6 мм для проволоки равного диаметра из сплавов с высоким удельным электрическим сопротивлением приведены в таблице.

Условный диаметр стального сердечника сталеалюминиевой проволоки по заявляемой полезной модели меньше его фактического диаметра. Разница обусловлена тем, что на границе раздела оболочки и сердечника формируется переходная зона с проникновением алюминия из оболочки в сердечник. Глубина этого проникновения в стабилизированном состоянии составляет 0,15-0,20 мм.

Таким образом, биметаллическая сталеалюминевая проволока по заявляемой модели обладает высоким электрическим сопротивлением и высоким сопротивлением коррозии в атмосферных условиях при высокой температуре и может быть эффективно использована в нагревательных элементах вместо дорогостоящего нихрома или других аналогичных материалов с регламентированным высоким электрическим сопротивлением.

1. Биметаллическая сталеалюминиевая проволока электротехнического назначения, включающая стальной сердечник и алюминиевую оболочку, отличающаяся тем, что алюминий в оболочке представляют в виде химических соединений типа интерметаллидов Fe_nAl _m, тем самым обеспечивают высокое удельное электрическое сопротивление и высокую коррозионную стойкость в атмосферных условиях при высокой температуре.

2. Биметаллическая сталеалюминевая проволока по п.1, отличающаяся тем, что материал алюминиевой оболочки представляют в виде интерметаллида Fe₂Al ₅.