RU97285U1 - Биметаллическая сталеалюминиевая проволока для нагревательных элементов - Google Patents

Abstract

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 FenAlm, 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 Fe2Al5.

Description

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_nAl_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 Fe₂Al₅, наряду с высокой коррозионной стойкостью под воздействием воздуха при высокой температуре характерно аномально высокое значение удельного электрического сопротивления, т.е.:

ρ_и>>>ρ_ст

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

ρ_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:

ρ_ук=S_п·R_ст/l

где ρ_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=ρ_н·l/S_п,

где R_п - активное электрическое сопротивление нихромовой проволоки, Ом;

ρ_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.=ρ_ст·l/R_н

и его условный диаметр:

D_сту=10³·√(S_уст/π),

где S_уст - условная площадь сечения стального сердечника, м²;

ρ_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:

Q≡N=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.

Таблица
Известные материалы		Эквивалент из биметаллической сталеалюминиевой проволоки по заявляемой полезной модели
Название сплава	Уд. электрическое сопротивление, мкОм·м	Условное уд. электрическое сопротивление, мкОм·м	Условная площадь поперечного сечения стального сердечника, мм2	Условный диаметр стального сердечника, мм
Нихром	1,08-1,13	1,08-1,13	0,037-0,035	0,216-0,210
Фехраль	1,10-1,50	1,10-1,50	0,036-0,026	0,214-0,182

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.

Claims (2)

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 Fe₂Al₅.