コンテンツ：
寿命と最高許容温度
炉内雰囲気
セラミックサポート材
埋込化合物
動作寿命と最大許容温度
抵抗加熱合金は、加熱されると表面に酸化膜が形成され、材料のさらなる酸化を防ぐのに役立ちます。 この保護機能が有効であるためには、酸化被膜は気体の拡散に抵抗するために緻密であると同時に、バルクの増加を避けるために薄く、温度変化があっても金属に強固に付着していなければなりません。
Kanthal® 合金上に形成される酸化アルミニウム層は、Nikrothal® 合金上に形成される酸化物と比較して、これらの特性に優れており、Kanthal® 発熱体の稼働寿命が大幅に長くなる結果をもたらします。
発熱体寿命の比較を下図に示します。
この章では、加熱要素の動作寿命を最大限に延ばすための一般的なガイダンスを提供します。
Kanthal®合金を使用する
Kanthal® 合金製の発熱体は、ニッケルクロム材料製の発熱体よりも最大4倍長持ちします。 この利点は、動作温度が高くなるとさらに顕著になります。
温度変化を避ける
急激な温度変動は、ヒーティングエレメントの動作寿命を短くする可能性があります。 この影響を最小限に抑えるには、サイリスタのように滑らかで連続的な制御が可能な安定した温度を維持する電気制御機器を使用することが推奨されます。
厚い発熱体素材を選択する
素子材料の厚さは、その寿命に直接影響します。 ワイヤーの直径が大きくなると、単位表面あたりにより多くの合金材料が利用可能となり、保護酸化物層を形成しやすくなるため、所定の温度での発熱体の寿命が長くなります。 その結果、太いワイヤーは細いワイヤーよりも寿命が長くなります。 同様に、帯状の発熱体の場合、厚みを増すことで耐久性が向上します。 一般的なガイドラインとして、発熱体の寿命を最大限に延ばすには、ワイヤーの直径は 3mm 以上、ストリップの厚さは 2mm 以上を推奨します。
発熱体温度を炉の雰囲気に合わせる
以下の表は、一般的な炉内の雰囲気とそれが加熱要素の最大動作温度に与える影響を示しています。 Nikrothal® は、COを含む保護ガス雰囲気の炉では使用しないでください。800～950°C (1,472～1,652°F) の温度で「グリーンロット」が発生する可能性があります。 このような状況では、発熱体が空気中で 1,050°C (1,922°F) で7～10時間予備酸化されることを条件として、Kanthal® 合金が推奨されます。 加熱要素の再酸化も定期的に実行する必要があります。
固体、液体、ガスによる腐食を避ける
炉内の雰囲気に含まれる不純物、たとえば油分、埃、揮発性化合物、または炭素堆積物は、発熱体に損傷を与える可能性があります。 硫黄はすべてのニッケルベースの合金に有害ですが、塩素はどのような形態でもKanthal® 合金とNikrothal® 合金の両方を攻撃します。 さらに、溶融金属や塩の飛沫が発熱体に損傷を与えることもあります。
また、数多くの実用例から、Kanthal® 発熱体ははるかに長寿命であることが分かっています。
炉内の雰囲気
抵抗加熱エレメントの寿命は、素子の表面を完全に覆う高密度の酸化物層が継続的に存在するかどうかに依存します。 腐食は、炉内の雰囲気中の特定の化合物がこの酸化物層の形成または補充を妨げるときに発生します。 干渉が大きいほど、その発熱体の寿命は短くなり、腐食性化合物の影響は温度に依存することが多い。
空気
耐性合金が高温の空気中で機能する能力は、その表面に形成される保護酸化皮膜に完全に依存します。 ただし、煙、ガス、ほこり、炉のバッチまたは断熱材からのその他の汚染物質など、空気中の不純物が酸化物の形成を妨げる可能性があります。 換気が不十分だと、端子に沿ってガスが漏れ、過度の腐食や早期故障につながる可能性があります。
通常の動作条件下では、Nikrothal® 合金はKanthal® 合金よりも酸化物剥離の傾向が高く、白磁などの敏感な表面を持つ材料を加熱するときに問題となる可能性があります。 さらに、セラミック サポートが汚染され、クリープ電流が発生して要素の早期故障につながる可能性があります。
制御雰囲気
炭素質雰囲気では、吸熱性または発熱性を問わず、Kanthal® 合金のアルミナ層がこれらのガス混合物の活性成分に対して効果的な保護を提供します。 大気雰囲気にて 1,050℃ (1,920°F) で 7 ～ 10 時間予備酸化することで、これらの「保護」雰囲気下での寿命を大幅に延ばすことができます。 最大限の寿命を確保するには、運転状況に応じて定期的に再酸化を行う必要があります。
これに対し、Nikrothal® 80 Plus の保護層は、発熱性および吸熱性の環境下では効果を発揮しません。その代わり、特に酸素ポテンシャルが低く、発熱体温度が 500 ～ 950℃ (932 ～ 1,742°F) の場合に、結晶粒界に沿った選択的なクロム酸化 (「緑青」) が発生します。 このような場合には、Kanthal® 合金が推奨されます。
水素と窒素の雰囲気
純粋な水素は Kanthal® や Nikrothal® の合金を傷めることはありませんが、ガス混合物が未分解のアンモニアを含む場合、耐用年数が短くなる可能性があります。
酸素が不足した非常に乾燥した窒素は、窒化アルミニウムの形成につながる可能性があり、Kanthal® A-1の場合は最大許容温度が1,050°C (1,920°F)、Kanthal® AFの場合は1,100°C (2,012°F) に制限されます。 逆に、これらの合金の酸素に対する強い親和性により、技術的に純粋な窒素（通常はいくらかの酸素を含む）の雰囲気中での窒化物の形成が抑制される可能性があります。
Kanthal® AFは、使用温度で制御された事前酸化が実行されていれば、最高1,250°C (2,280°F) の温度の純窒素雰囲気でも比較的安定した状態を保ちます。
真空
高真空下では、Nikrothal® 合金の酸化物層は1,000°C (1,830°F) を超える温度で分解し、圧力と温度に応じて合金成分が気化する可能性があります。
これに対して、Kanthal® 合金の保護酸化皮膜はより安定しており、予備酸化された元素はより低い圧力とより高い温度で操作することができます。 5 × 10-4 torrおよび1,100°C (2,010°F) では、Kanthal® 発熱体は優れた寿命を備えています。 しかし、発熱体温度が 1,150℃ (2,100°F) に達した場合は 250 時間運転後に再酸化処理を行い、1,250℃ (2,200°F) の場合は 100 時間運転後に再酸化処理を行います (または 1,050℃ (1,920°F) の場合は 5 時間運転後に再酸化処理を行います)。
| 雰囲気 |
KANTHAL® A-1 AND |
Kanthal® AF °C (°F) |
Kanthal® D °C (°F) |
NIKROTHAL® 80 °C (°F) |
ニクロタール® 70 °C (°F) |
ニクロタール® 60 °C (°F) |
ニクロタール® 40 °C (°F) |
| 酸化 | |||||||
| 空気、乾燥 | 1,400* (2,550) | 1,300 (2,370) | 1,300 (2,370) | 1,200 (2,190) | 1,250 (2,280) | 1,150 (2,100) | 1,100 (2,010) |
| 空気、湿気** (3% H2O) | 1,200 (2,190) | 1,200 (2,190) | 1,200 (2,190) | 1,150 (2,100) | 1,150 (2,100) | 1,100 (2,010) | 1,050 (1,920) |
| N₂、窒素*** | 1,200/1,050 (2,190/1,920) | 1,250/1,100 (2,280/2,010) | 1,150/1,000 (2,100/1,830) | 1,250 (2,280) | 1,250 (2,280) | 1,200 (2,190) | 1,150 (2,100) |
| 空気、アルゴン | 1,400 (2,550) | 1,400 (2,550) | 1,300 (2,370) | 1,250 (2,280) | 1,250 (2,280) | 1,200 (2,190) | 1,150 (2,100) |
| 発熱: 10% CO、15% H₂、5% CO2、70% N2**** |
1,150 (2,100) | 1,150 (2,100) | 1,100 (2,010) | 1,100 (2,010) | 1,100 (2,010) | 1,100 (2,010) | 1,100 (2,010) |
| 削減: | |||||||
| 吸熱性: 20% CO、40% H₂、40% N2**** |
1,050 (1,920) | 1,050 (1,920) | 1,000 (1,830) | 1,100 (2,010) | 1,100 (2,010) | 1,100 (2,010) | 1,100 (2,010) |
| H₂、水素 | 1,400 (2,550) | 1,400 (2,550) | 1,300 (2,370) | 1,250 (2,280) | 1,250 (2,280) | 1,200 (2,190) | 1,150 (2,100) |
| 75%H2、25%N2***** | 1,200 (2,190) | 1,200 (2,190) | 1,100 (2,010) | 1,100 (2,010) | 1,100 (2,010) | 1,100 (2,010) | 1,100 (2,010) |
| 真空 | |||||||
| 10-3 トル | 1,150 (2,100) | 1,200 (2,190) | 1,100 (2,010) | 1,100 (2,010) | 1,100 (2,010) | 1,000 (1,830) | 900 (1,650) |
** Nikrothal® 合金の最高温度は、水分含有量とガスの流量が増加するにつれて低下します。
***事前酸化された材料にはより高い値が適用されます。
****浸炭雰囲気における Nikrothal® 合金の「緑色腐食」のリスクにご注意ください。 Kanthal® 合金の使用が推奨されます。
*****アンモニアまたはアンモニアを含む雰囲気では、最大許容温度が低くなります。
セラミックサポート材
電気炉の場合、発熱体に直接接触するセラミックサポート材には特別な配慮が必要です。 発熱体に使用する耐火煉瓦は、アルミナ含有量が少なくとも 45% 以上である必要があります。 高温炉では、多くの場合シリマナイトまたは高アルミナ耐火煉瓦が推奨されます。 シリカは高温で表面酸化物と反応する可能性があるため、遊離シリカ（未結合石英）含有量を最小限に抑える必要があります。 酸化鉄（Fe2O3）含有量は可能な限り低く、できれば1% 未満に抑え、アルカリ酸化物（Na2O、K2Oなど）は0.1% 未満に抑える必要があります。
セメントの結合材としてよく使用される水ガラスは、抵抗加熱材料に悪影響を及ぼす可能性があるため、使用を避けるべきです。
高温での漏れ電流やクリープ電流は、セラミックサポート材と発熱体の接触部分を攻撃し、早期断線につながる可能性があります。 したがって、サポート材は使用温度において高い絶縁抵抗を有していなければなりません。
埋込化合物
セラミック繊維を含むほとんどの埋め込み化合物は、アルミナ、アルミナケイ酸塩、マグネシア、またはジルコニアで構成され、「セラミック サポート材料」のガイドラインに従っている場合、Kanthal® およびNikrothal® に適しています。 一般的に、市販の製品はこれらの基準を満たしています。 加熱パネルなどで湿らせたセメントをKanthal® 合金と併用する場合は、硫黄不純物による腐食を防ぐためにすぐに乾燥させることが重要です。 フッ素化または塩素化された水道水は腐食を引き起こす可能性があるため、湿潤剤としては蒸留水が好まれます。 同様に、エレメントコイルを洗浄した後は、塩素を含む脱脂溶剤を完全に除去する必要があります。
一部のセメントは抵抗加熱材料を侵食することがあります。 密閉された環境では、硫黄を含む汚染物質が微量でも存在すると、高温時にNikrothal® ワイヤーに深刻な損傷を与える可能性があります。 ホウ素化合物は、900°C (1,650°F) を超える温度でKanthal® 合金とNikrothal® 合金の両方を攻撃する可能性があります。
埋め込み化合物の使用が指定される前に、必ず腐食テストを実施する必要があります。