电阻炉发热丝的设计与计算（注明本人已经在另一个论坛发表过）

车刀板起家

大家好，我已经在本论坛注册4年，但是发帖很少，在这里也学到了很多东西。作为答谢各位刀友，今天我要给各位刀友们提供一些实质性的具有操作意义东西。

电阻炉，各位刀友们一定都熟悉吧，它相比炭火炉、气炉等有着温度控制精确、清洁、节省能源等天生的优点。网上乃至本论坛有很多人都讲了怎么做电阻炉，不过我觉的他们讲的不够详细，也没有实际操作的可行性。
由于时间有限我今天就讲一讲电阻炉发热丝的设计与计算。

有的人要说了，不就电炉丝嘛，有什么好设计计算的。这里我要说那你就是外行了。首先我们的电阻炉是用来热处理的，要处理合金工具钢、不锈钢等材料温度必须要到1100度左右。这是普通电炉丝不能承受的，还有，你如何确定功率、如何让电阻丝长寿命的工作，如何在有限的炉膛里面布置下电阻丝这些都是问题。

大多数电阻丝都是预制好的（标定功率），但预制电阻丝并不总合适你的炉子尺寸。


我接着分为如下几个部分来讲解电阻丝的设计
1。电炉内部尺寸的确定和电阻丝功率的确定
2.电阻丝线径的确定
3.电阻丝表面负载
4.线圈直径和拉伸参数
5.综合考虑
免责声明：需要有基本电学知识。如果你没有基本电学知识，请不要尝试或者向精通者学习后再尝试。电是危险的，如果你因此受伤或者死亡本人概不负责。
你的首要考虑应该是：
1.1功率：
有什么样的电压可用（220V，380V等）和你的插座、电线、电表、空开允许多少安培的电流（别告诉我你不知道，铭牌上有的）。
例如：你有220V和允许最大电流16A。
U（伏）I（安培）= P（瓦特）
220伏 x 16安培= 3520瓦
所以我设计的电炉最大功率必须小于3520w。
最好是有10%的安全余量3168w，避免空气开关跳闸。

1.2尺寸：
这取决于几个因素，设计最高温度、升温速度。
如果你是个热力学工程师，可以计算出尺寸和功耗的要求，准确的热损失率，对流，辐射和传导，绝热材料吸热量、热损失率等等。
我们不需要这样做，我查阅了国外商业电窑的一些设计参数。
奥尔森窑（给爱好烧陶瓷的人用的）设计参数是这样的：0.92瓦/平方厘米2- 1.3w /厘米2的功率密度。我也计算过一些美国专业给刀匠设计的热处理炉，大多数功率密度是0.6瓦特/厘米2- 0.7瓦/厘米2，我估计是他们的保温材料保温性能比较好，结合我们国家的实际，我觉得保险起见还是参照奥尔森窑的设计参数。那么我就取一个方便计算的值 1瓦/平方厘米2
举个例子：
我炉建成后将有一个12,4cm×12cm×50cm内部尺寸。
内部表面积= 2737.6cm2等于2737瓦的总表面面积。
当电阻丝的寿命随着时间的推移，其直径是由于氧化减少，炉子的功率下降。为了弥补这个和加快加热速度，我倾向于略微增加功率。所以我会提高到3000W，并且这也在安全功率范围内小雨3168w。

2.电阻丝的选择和电阻丝直径的确定

我从万能的TB那里查到了一些电阻丝的资料

牌号		1Cr13A14	1Cr21A14	0Cr21A16	0Cr23A15	0Cr25A15	0Cr21A16Nb	0Cr27A17Mo2
性能
主要化学成分%	Cr	12.0-15.0	17.0-21.0	19.0-22.0	20.0-23.5	23.0-26.0	21.0～23.0	26.5～27.8
	AI	4.0～6.0	2.0～4.0	5.0～7.0	4.2～5.3	4.5～6.5	5.0～7.0	6.0～7.0
	Fe	余量	余量	余量	余量	余量	余量	余量
	Re	适量	适量	适量	适量	适量	适量	适量
							加入量Nb:0.5	加入量Nb:0.5
元件最高使用温度℃		950	1100	1250	1250	1250	1350	1400
熔点℃		1450	1500	1500	1500	1500	1510	1520
密度g/cm3		7.40	7.35	7.16	7.25	7.10	7.10	7.10
电阻率μΩ·m，20℃		1.25±0.08	1.23±0.06	1.42±0.07	1.35±0.06	1.42±0.07	1.45±0.07	1.53±0.07
抗拉强度 Mpa		588～735	637～784	637～784	637～784	637～784	637～784	686～784
延伸率%		≥16	≥12	≥12	≥12	≥12	≥12	≥10
反复弯曲次数		≥5	≥5	≥5	≥5	≥5	≥5	≥5
快速寿命h/℃		——	≥80/1250	≥80/1300	≥80/1300	≥80/1300	≥80/1350	≥80/1350
比热J/g.℃		0.490	0.490	0.520	0.460	0.494	0.494	0.494
导热系数KJ/m.h℃		52.7	46.9	63.2	60.2	46.1	46.1	45.2
线胀系数   a×10-6/℃   （20～1000℃		15.4	13.5	14.7	15.0	16.0	16.0	16.0
硬度HB		200～260	200～260	200～260	200～260	200～260	200～260	200～260
显微组织		铁素体	铁素体	铁素体	铁素体	铁素体	铁素体	铁素体
磁性		磁性	磁性	磁性	磁性	磁性	磁性	磁性

一般电阻丝的温度都要比炉子温度高170度以上，因为我们的电阻炉设计额定最高温度为1100度，所以电阻丝必须耐温1270度以上。
从表里面看只有0Cr21A16Nb        0Cr27A17Mo2两种电阻丝能够满足需求。但是我查阅相关资料发现工业淬火炉一般都是用的0Cr27A17Mo2这种电阻材料。我考虑可能是因为0Cr21A16Nb的最高耐温温度为1350度，之比炉子最高温度时的露丝温度高80度，寿命不长。所以我建议选用0Cr27A17Mo2这种材料。


2.2电阻丝的长度

现在你已经算好了你的电炉需要多少瓦，下一步计算电阻丝长度。
我们现在所知道的是：
- 3000W的功率需要
- 220伏伏供电
我们想知道的是：
多少欧姆的电阻
如果你还记得你的初中生活也许对一些基本的电公式将浮现在你的脑海中，如果想不起来了，照片可以提供帮助：

因为U2/ P = R
所以2202 / 3000 =16.1333欧姆
举个例子：
我们有一个直径1mm的0Cr27A17Mo2。这是不正确的直径，这将有一个很短的寿命。所以，我将在下一节中解释。这里我们先计算完。
查表得到了1mm 0Cr27A17Mo的电阻丝的电阻是1.948欧姆每米了。
所以现在只计算你需要多少米达到到16.1333欧姆
16.1333 / 1.948 =8.282米
得到一个有3000瓦功率的电阻丝，你需要8.282米直径为1mm的0Cr27A17Mo2电阻丝。
这很容易不是吗？


3。表面负荷
注意了，这一部分非常重要，也是很多DIY电阻炉容易犯错误的地方
表面负荷的意思就是电阻丝总功率与电阻丝的表面积的比值。单位是W/cm2(瓦/平方厘米)
表面负荷是一个影响电阻丝的寿命的非常重要的因素。
如果你把过多的功率加载在太细的电阻丝上，电阻丝会过热、氧化快，如果严重过热会导致电阻丝融化、电阻丝破坏，炉就坏了。
为了避免这个，我们必须保持在一个安全的表面负荷。表面负荷里的面积是整个电阻丝的表面面积。
好了，这个表面负荷确实挺难找到数据的，哈哈、让我给找到了。康泰尔炉设计手册第7页（http://heatingelements.hitemppro ... Metric-version-.pdf）告诉我们，在温度为1100°C在槽的螺旋电阻丝，其表面负荷不应超过3瓦/厘米2。但是注意在该页（第7页）最下方说，如果你使用ON/off开关来控制温度那么电阻的表面负荷还要降低20%。我们一般使用的PID控制固态继电器来实现电炉的温控，这种方式就是ON/off开关方式。所以我们的电阻丝表面负荷最大只能是3*（1-20%）=2.4w/cm2

还记得前面我说过1mm的电阻丝太细了不能使用吗？现在我们来算算为什么不能用。
前面我们计算了1mm的电阻丝要达到3000w的功率需要长度为8.282米，其表面积就是 0.1*3.1415*828.2=260.179cm2（别告诉我你看不懂这个表面积计算公式，就是一个圆柱体侧面积=截面直径*π*高度）
那么其表面负荷就是3000/260.179=11.53瓦/厘米2。看到没有用1mm的电阻丝其表面负荷超出了最高允许值的4倍多。如果你不考虑表面负荷安装上电阻丝加热运气好的话，炉子能正常加热，但是电阻丝会很快烧坏。最有可能的情况是一加电电阻丝很快就烧毁。
在这里可能有的DIYer又会说了，那还不简单，直接用粗的电阻丝，表面负载肯定够了。我要说的是你没有考虑到电阻丝越粗那么要使其功率为3000瓦，那么它的长度也就越长。那么你炉子里面可能就没有足够的空间来布置电阻丝。



4.绕组直径，拉伸比例
既然是自己设计选型电阻丝那么就要涉及到缠绕电阻丝，除非花高价让厂家定做。这也是一个非常重要的因素，但没有表面负荷的的重要性大。
康泰尔手册（http://heatingelements.hitemppro ... Metric-version-.pdf）再次排上用场（祖国让我们学英语干什么来着？让我们学习国外先进技术的。纯属娱乐，勿怪）见7页和10。
螺旋电阻原件（绕好的电阻丝）的直径至少要是电阻丝直径5-7倍。再大也没问题，只要炉子有位置安装。
另外的元素是伸展后电阻丝之间的最小距离。单绕组之间的距离应该是2-3倍的电阻丝直径。
这可以防止元件过热、绕组短路等。也可以提高电阻丝的使用寿命。电阻丝如果短路不仅会降低其自身寿命，关键电阻丝的功率会增加，没有及时发现可能会烧坏动力线路。

车刀板起家

5综合考虑
前面我们计算过了这些内容：
1.根据你的线路电压和允许电流确定最大负荷、从而计算出电阻丝的最大功率；
2.根据你的电炉内部尺寸和功率密度计算出所需功率，并且比对是否小于线路最大负载（计算了是小于线路最大负载的）；
3.选一种电阻丝计算表面负载，看其是否在规定范围内（1mm的不能满足要求）;
4.介绍了绕组的缠绕直径和拉伸比例参数。
现在我们就要综合考虑这些因素了。我还没有发现能用一个数学公式能一下就计算出来需要那种直径的电阻丝呢。
就以我们前面的例子来计算
炉子内部尺寸：12,4cm×12cm×50cm
炉子内部面积：2737.6cm2
确定的电阻丝功率：3000w
电阻丝电阻值为：16.1333
查资料得表面负荷小于2.4w/cm2
1mm的电阻丝表面负载太大，那么我反过来计算满足最大表面负荷的最小电阻直径是多少。
设电阻直径为：r
设电阻长度为：L
设电阻丝表面积为：S
查表得0Cr27A17Mo2的电阻率ρ=0.00000153Ω.m=1.52Ω.cm
则：2.4w/cm2=3000/S         
S=1250cm2
因为S=L*π*r=3.1415Lr      
所以1250cm2=3.1415Lr
L*r=1250/3.14159=397.8877
因为ρ=R*3.14159*r/L=1.53
则r^2/L=162.3392
计算的r=0.2541cm
根据选型电阻丝要2.8mm的，根据每米电阻计算的电阻丝长度为64.9228米。
根据电阻丝缠绕和拉伸规范，我们缠绕直径选择7倍直径，缠绕后直径为19.6mm
计算缠绕后长度为3.444米，选择3倍直径间隙拉伸，则拉伸后长度为13.776米。
由于我们炉子内部尺寸为12,4cm×12cm×50cm，电阻丝一般固定在侧壁。则我们要来回绕12遍才能布置下电阻丝。显然无法布置。
说明那里没有计算对，这里我再换一种方式来计算。


前面我不知道是哪里计算错了。我估计是单位换算除了问题。下面我直接选型来进行甄别淘汰法选取和计算最合适的电阻丝。

按照国外电阻炉的参数我直接选取1.8mm的电阻丝来计算看是否合适。
查表得1.8mm电阻丝每米电阻为0.6013Ω。则需要长度为16.1333/0.6013=26.83米
其表面负荷为3000/3.14159*0.18*2683=1.97瓦/平方厘米＜2.4瓦/平方厘米，（满足要求啊，说明前面计算除了问题）
我们再选择再细一个型号的看看行不行。
我们选择1.6mm的试试看，查表得其每米电阻为0.7610Ω。则需要长度为16.1333/0.7610=21.200米
它的表面负荷就是3000/3.14159*0.16*2120=2.815瓦/平方厘米＞2.4瓦/平方厘米。这个是不行的。
那么也就是最细要用1.8mm的0Cr27A17Mo2电阻丝了。
我们接着验证下是否能安装的下
选择绕组直径为电阻丝直径的7倍
则绕组直径为12.6mm
计算得绕组未拉伸长度为1.423米，选择拉伸后间隙为电阻丝直径的2倍，则拉伸后长度为3.796米。
这个有点长了，因为缠绕直径只有下限。我们选择一个绕组直径为电阻丝直径10倍的方法来缠绕。
则绕组直径为18mm
计算绕组未拉伸长度为0.949米，选择拉伸后间隙为电阻丝直径的2倍，拉伸后长度为2.542米。这个长度，略微长了一点，想做电炉的朋友可以在增加绕组直径来减小长度，使得绕组拉伸后刚好在炉子里面走一个来回。前面我给了一个推导出的公式，可以计算出来绕组的长度。


整理一下计算结果，给需要做电阻炉的刀友一个参考

使用电压：220v
允许最大电流：16A
电炉允许最大功率220伏 x 16安培= 3520瓦
电炉内部尺寸：12.4cm×12cm×50cm
电炉设计功率：3000瓦
电炉功率密度：1.0959瓦/平方厘米厘米
电炉丝选型：0Cr27A17Mo2
电阻丝规格：1.8mm
电阻丝长度：26.83米（买的话可以买28米或者30米，以防止标称每米电阻偏大需要更长）
电阻缠绕成绕组后绕组的外径：18毫米（选择10倍直径缠绕，还可以绕更大直径的）
缠绕后绕组未拉伸长度：0.949米（绕组绕的越粗长度就越小）
拉伸后长度：2.847米（绕组绕的越粗长度就越小）

我给大家一个公式来计算缠绕后绕组的长度

L=l*r/(R-r)（绕组长度为L，电阻丝长度为l，电阻丝直径为r，绕组外径为R）

CX77

专业性较强的论述，谢谢分享！

小刀小

你换算“查表得0Cr27A17Mo2的电阻率ρ=0.00000153Ω.m=1.52Ω.cm”这里时有问题，
0.00000153uΩ.m = 0.000153uΩ.cm

mdj0427

貌似很专业的样子，电阻炉不是我们能用的了的

cityvan

很专业的帖子，不错

DOCK

谢谢分享!专业级别的!{:5_163:}

我叫小抠门

看完头大了  中学的时候看见这个头就大   

syqm4m4

{:5_175:}{:5_175:}{:5_175:}{:5_175:}{:5_175:}{:5_175:}，只能偷偷看看吧，

山城重工

{:5_154:}学习中。值得收藏。感谢分享。

西来东往

可不可以让我们没专业的也跟你的图片教程也做一个?

影孒

姿势贴，但如果能在配一些图片就更好了！

goligoli

首先衷心感谢你的分享。拜读后有一些很自然的思考想请教，譬如， 3000W功率使用时让家里其他电器包括台式电脑都要关掉才好，是否还有降低的可能？  然后是电阻炉的内空尺寸， 正方形截面是否是最符合热处理刀条的选型？内部设计如何可以让刀条受热最均匀合理无死角？然后是保温，温控设计，炉子的密闭与开合方式？可以的话，都想一并请教，再次感谢。

〓闲人野客〓

这是要超神的节奏，膜拜大神了

fyj2005

学习了，多谢分享。

彻底

强烈要求配图

机械刀具

专业，讲解很详细。