石墨發熱體（graphite heater）是指用石墨材料製成的電爐加熱發熱體部件。石墨具有優良的導電、導熱性能，在特種工業爐為電爐中常用石墨作為發熱體。工業電爐中早期選用石墨電極做發熱體，後選用密度高的高功率電極作發熱體。半導體工業發展，提煉單晶矽、單晶鍺，砷化鎵、磷話銦等材料的加熱爐選擇高純細結構石墨和各向同性石墨作發熱體。一些特殊的工業路和試驗爐用炭布或石墨布作發熱體。
基本介紹
- 中文名：石墨發熱體
- 外文名：graphite heater
- 學科：冶金工程
- 領域：能源
- 範圍：冶煉
- 釋義：石墨材料製成的電爐加熱發熱部件
簡介,採用石墨作為發熱體的原因,石墨發熱體主要性能,石墨發熱體的最佳化設計,
簡介
石墨發熱體（graphite heater）是指用石墨材料製成的電爐加熱發熱體部件。石墨具有優良的導電、導熱性能，在特種工業爐為電爐中常用石墨作為發熱體。工業電爐中早期選用石墨電極做發熱體，後選用密度高的高功率電極作發熱體。半導體工業發展，提煉單晶矽、單晶鍺，砷化鎵、磷話銦等材料的加熱爐選擇高純細結構石墨和各向同性石墨作發熱體。一些特殊的工業路和試驗爐用炭布或石墨布作發熱體。
採用石墨作為發熱體的原因
高溫爐常用發熱體材料有金屬鉬、鎢、鉭；非金屬二矽化鉬棒、矽碳棒、氧化錯和石墨等。鉬、鎢、鉭可用於高溫真空爐或保護氣體高溫爐中作發熱體，鉬是高熔點稀有金屬，性質很脆。鎢屬於難熔稀有金屬，硬度大，加工困難，價格很貴。二矽化鉬棒最高使用溫度1700℃，氧化鋯為1800℃，二者均在空氣中使用。氮化矽、氮化硼在高溫下壓力燒結，某些高溫耐熱材料在壓力氣氛中燒結，宜採用石墨作為發熱體。
發熱體應有合理的結構，有適宜的高度才能產生足夠的高溫區長度, 以滿足燒成製品的需要。
發熱體電阻的確定是很重要的。它影響發熱體的厚薄，發熱體每相導帶的多少，加工的難易，配用變壓器的額定容量、額定電壓、額定電流和控制調節範圍等。在適宜的電阻值時，可得到較理想的發熱體，並節約投資。
合理選擇發熱體的表面功率。發熱體單位表面積所負擔功率的選用與發熱體的材料、規格、構造、敞露與封閉程度、爐膛溫度及散熱情況等有關。
合理選擇表面功率就是既能夠節約發熱體材料又保證發熱體的使用壽命。表面功率太小，要浪費材料，表面功率過大，則降低發熱體的使用時間。
石墨發熱體主要性能
石墨的氧化速度和揮發速度影響發熱體的使用壽命, 當真空度為10-3~10-4毫米汞柱時, 使用溫度應在2300℃ 以下。在保護氣氛(通H2、N2、Ar等) 時, 使用溫度可達3000℃ 。石墨不能在空氣中使用，否則要發生氧化而消耗。在1400℃ 以上與W強烈反應生成碳化物。
石墨的熱膨脹係數小，溫度升高時尺寸穩定，這在發熱體結構設計中是重要的特性之一。
石墨的機械強度在2500℃ 以下，隨溫度升高而加大。超過2500℃時，強度下降很快。
石墨導熱性能隨溫度升高而降低。當爐子處於高溫運行，發熱體壁厚又大時，發熱體表面與中心溫差大，導致產生較大的熱應力。
石墨的電阻率雖然較大，但為了提高發熱體強度，其側壁應有一定厚度。所以，發熱體總電阻卻很低，並隨不同批材質而變化。需配低電壓、大電流的變壓器。石墨機械強度大，導熱係數高，熱膨脹係數小。因此, 抗熱震性好，能減少高溫下裂縫的出現。
石墨發熱體的最佳化設計
研究人員通過對石墨發熱體結構改進前後進行的仿真計算結果進行對比分析，得出以下結論：
(1)石墨發熱體結構改進後，石墨筒內溫度場均勻性得到較明顯的改善。
(2)石墨發熱體結構改進後，靠近石墨筒門區域的燒結製品溫度偏低的情況得到較大的改善。
改進後靠近石墨筒門區域的燒結製品與其它位置溫差較小，改善了整爐燒結製品表面溫度的均勻性，這對於保障整爐燒結製品的質量有很重要的作用。
(3)石墨發熱體結構改進後，燒結製品表面溫度雖仍呈現出外高內低的分布，但溫度最高區域已不再是頂部中間的燒結製品了，這對於提高靠近爐門區域的燒結製品表面溫度有重要的作用，大大減少了由於爐門處未布置發熱體所帶來的影響，提高了整爐燒結製品表面溫度的均勻性。
