在綜述電加熱管技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，通過分析歸納電加熱管的技術(shù)挑戰(zhàn)與技術(shù)發(fā)展趨勢，給出電加熱管在選材、結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)裝備、產(chǎn)品性能以及工程應(yīng)用等方面的技術(shù)進(jìn)步方向。并且通過部分實(shí)際案例，對電加熱管技術(shù)進(jìn)步的方向和實(shí)現(xiàn)途徑進(jìn)行深入解讀，以期為高質(zhì)量、高性能、新用途及特殊環(huán)境下使用的電加熱管的研發(fā)與生產(chǎn)，為我國電加熱管技術(shù)的進(jìn)步和提升，給出自己的理念和見解。

1.電加熱管又稱電加熱棒

作為一種通用的電加熱元件，不僅可以直接用于各種介質(zhì)、物料的加熱，而且可以通過不同的技術(shù)手段，形成板狀、筒狀、集束狀等形狀的加熱裝置，甚至可以直接成為其他設(shè)備的功能部件；不僅用于各種日用電器、設(shè)備，而且也廣泛用于石油、化工、冶金、建材、輕工、食品、暖通等行業(yè)的相關(guān)設(shè)備與設(shè)施，甚至可以在光伏、核電、實(shí)驗(yàn)室、航空、航天、船舶等高科技領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。電加熱管的生產(chǎn)制造，已經(jīng)成為一個門類齊全、技術(shù)比較成熟、技術(shù)地位比較重要、經(jīng)濟(jì)規(guī)模比較大、對社會能源利用效率影響重大的特殊產(chǎn)業(yè)門類。

正是由于電加熱管應(yīng)用廣泛，工藝地位比較關(guān)鍵，電加熱管的可控性、可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性相應(yīng)受到廣泛關(guān)注，技術(shù)要求也越來越嚴(yán)。此外，其他相關(guān)技術(shù)的進(jìn)展又會對電加熱管不斷提出新的技術(shù)要求，尤其是高新技術(shù)領(lǐng)域提出的要求又往往具有很強(qiáng)的挑戰(zhàn)性。另一方面，相關(guān)技術(shù)的積累，例如新型的電熱材料、絕緣材料、耐熱材料、保溫材料、防腐材料等，新的傳熱、成型、密封、保溫等理論性研究成果，新的電加熱管應(yīng)用場合、技術(shù)條件和技術(shù)需求，在近年都有了比較大的進(jìn)展。

鑒于此，對于電加熱管技術(shù)的現(xiàn)狀進(jìn)行回顧和總結(jié)，對于電加熱管面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)進(jìn)行歸納和分析，對于電加熱管技術(shù)的進(jìn)步方向進(jìn)行推測和展望，就顯得很有必要。

值得指出的是，近年出現(xiàn)的多孔玻璃態(tài)碳電熱元件、聚合物石墨電熱元件、石英管紅外電熱元件、陶瓷包埋電熱元件等新型電熱元件[1]，雖然在外形上與電加熱管相似，但是原理、結(jié)構(gòu)、用材和適用條件均有很大不同，因此不在本文的討論范圍之內(nèi)。

2.電加熱管的發(fā)展簡史

1859年，英國人Simpson提出了將螺旋狀金屬絲，用陶瓷絕緣材料鎧裝在金屬管內(nèi)的電加熱管發(fā)明，但在電熱絲材料及性能，電加熱管的穩(wěn)定性、可靠性、傳熱效果、使用壽命等方面還存在很大問題。1917年，美國人Wiegand針對Simpson電加熱管存在的問題，提出了具有金屬外殼、礦物粉末填料、合金電熱絲和經(jīng)過減徑壓實(shí)的電加熱管發(fā)明[2]。

在此基礎(chǔ)上，為適應(yīng)不同的工作條件、改善技術(shù)性能、延長使用壽命，各種有關(guān)電加熱管的新理論、新材料、新工藝不斷涌現(xiàn)，品類細(xì)化也一直在進(jìn)行，目前電加熱管的產(chǎn)品品種可能數(shù)以千計。

3.電加熱管的大致分類

按照應(yīng)用領(lǐng)域，電加熱管可以分為日用電加熱管、暖通電加熱管、交通工具用電加熱管、工業(yè)電加熱管等類型。由于各領(lǐng)域用電加熱管的應(yīng)用條件與技術(shù)要求千差萬別，又可做更細(xì)的劃分。例如，日用電加熱管就又可細(xì)分為電熱水壺、電飯鍋、電餅鐺、電熱豆?jié){機(jī)、電熱 水器、咖啡機(jī)、電蒸箱、電烤箱、電取暖器、空調(diào)器等專用電加熱管。

按照接觸物料或者氣氛類型，電加熱管可以分為氣體電加熱器、液體電加熱器、固體電加熱器等類型。其中，氣體又可細(xì)分為氧化性氣體、還原性氣體、腐蝕性氣體、易燃易爆氣體等，液體又可細(xì)分為酸性液體、堿性液體、溶劑、糊狀物、油類、熔鹽、熔融金屬等，固體則可細(xì)分為金屬、礦物、有機(jī)物、食物等。

按照物料加熱溫度的范圍，電加熱管可以考慮表1所示的分類方法。按照電熱絲的材質(zhì)，電加熱管可以有康銅、鎳鐵、鐵鉻鋁、鎳鉻、PTC（Positive Temperature Coefficient正溫度系數(shù)）合金等電熱絲材質(zhì)類型。按照防護(hù)套管的材質(zhì)，電加熱管可以有銅、黃銅、白銅、鋁、碳鋼、不銹鋼、耐熱鋼、剛玉、碳化硅等 防護(hù)套管材質(zhì)類型。

按照導(dǎo)電棒的材質(zhì)，電加熱管可以有銅、低碳鋼、不銹鋼、不銹鐵等導(dǎo)電棒材質(zhì)類型。

按照絕緣填料的材質(zhì)，電加熱管可以有石英砂、氧化鋁、氧化鎂、氮化鋁等絕緣填料材質(zhì)類型。

按照產(chǎn)品形狀，電加熱管可以分為雙頭直管、單頭直管、L 形彎管、U形彎管、二次U 形彎管、蛇形彎管、二次蛇形彎管、圓形彎管、螺旋形彎管、盤型彎管等外觀類型。

按照電氣特性，電加熱管可以有雙端單相（220V）、雙端二相（380V，管外組合成Δ連接）、三端三相（380V，管內(nèi)無零線 Y 連接）、四端三相（380V，管內(nèi)有零線Y連接）四種電路接線方式，但后三種主要用于大功率、高溫加熱的場合，比較少見。此外，電加熱管還可以通過選用具有PTC效應(yīng)的電熱絲，使之具有一定的輔助溫控效果。

按照換熱面型式，電加熱管可以分為光管、螺旋翅片管、釬焊翅片管等類型，如果再按照翅片材質(zhì)還可再細(xì)分為鋁翅片、銅翅片、碳鋼翅片、不銹鋼翅片等。

按照安裝方式，電加熱管可以分為螺紋緊固、法蘭緊固、卡箍緊固等類型。此外，還可按照電氣保護(hù)方式、封口方式、接線方式、有無溫度檢測、表面處理方式等，進(jìn)行更多的分類。

4.電加熱管的總體特點(diǎn)

從機(jī)械專業(yè)的角度看，電加熱管是一種制造精度不高、專用性很強(qiáng)、工作溫度范圍很寬，制造工藝和選材獨(dú)特的靜態(tài)功能部件。從電氣專業(yè)的角度看，電加熱管是一種略呈感性的電阻元件，功率因數(shù)很高，工作中特性參數(shù)會有很大的變化幅度，啟動有沖擊性，發(fā)生短路、斷路、漏電的風(fēng)險都比較高。從控制專業(yè)的角度看，電加熱管是一種工藝地位重要、溫控慣性很大、個體差異和性能衰減明顯、精細(xì)控制難度很高的控制對象。

從應(yīng)用角度看，電加熱管的電熱轉(zhuǎn)換效率很高，但其經(jīng)濟(jì)性在常溫范圍內(nèi)通常遠(yuǎn)低于熱泵技術(shù)，在高溫范圍內(nèi)通常遠(yuǎn)低于火焰加熱技術(shù)，主要適用于容量不太大，空間、重量、結(jié)構(gòu)受限，追求便利、可靠、易控、速效的場合。總體來說，電加熱管在日用電器、交通工具中屬于首選技術(shù)，在暖通領(lǐng)域通常不具備經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢，在高溫加熱領(lǐng)域需要針對性論證[6]。

從制造角度看，電加熱管是一種結(jié)構(gòu)不算復(fù)雜、工藝難度較高、技術(shù)進(jìn)步較慢、難以全自動生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量控制難度較高的產(chǎn)品。

從經(jīng)營角度看，電加熱管是一種入門簡單、市場巨大、競爭激烈、細(xì)分復(fù)雜、涉及專業(yè)知識多，不容易做大做強(qiáng)，但充滿挑戰(zhàn)魅力的產(chǎn)業(yè)。

5.電加熱管的技術(shù)挑戰(zhàn)

電加熱管的內(nèi)部應(yīng)力機(jī)制通過對保護(hù)管的減徑，電加熱管實(shí)現(xiàn)對其中絕緣填料的壓實(shí)。在該過程中，保護(hù)管的直徑減小、壁厚增大、長度變大，絕緣填料被彈塑性壓實(shí)，電熱絲的螺旋 直徑減小、絲徑變大，都會形成復(fù)雜的內(nèi)應(yīng)力，在保護(hù) 管與電熱絲中還可能形成冷作硬化效應(yīng)。當(dāng)減徑壓力卸載后，電加熱管仍會存在各種形式的殘余應(yīng)力。

例如，由于絕緣填料顆粒的彈性作用，迫使保護(hù)管的管徑和周長會有所回彈，在保護(hù)管壁之內(nèi)會殘留很大的周向拉應(yīng)力。

理論上說，由于材料內(nèi)部的元素擴(kuò)散、組織恢復(fù)效應(yīng)天然存在，所以當(dāng)電加熱管從減徑輥壓機(jī)上落下 時，電熱絲、保護(hù)管、絕緣填料等材料的蠕變松弛過 程就開始進(jìn)行，使材料的殘余應(yīng)力不斷釋放，而且這 種應(yīng)力釋放會隨溫度的升高而明顯加快，如圖3所示。

對電加熱管來說，溫度升高時保護(hù)管的熱應(yīng)力與殘余應(yīng)力正向疊加，會進(jìn)一步加速蠕變松弛過程的進(jìn)行，絕緣填料的內(nèi)應(yīng)力部分釋放，金屬材料的冷作硬化得到緩解，使性能參數(shù)趨于穩(wěn)定；但這也會使保護(hù)管的直徑變大、對絕緣填料的約束力下降，從而導(dǎo)致絕緣填料的密實(shí)度和導(dǎo)熱系數(shù)降低。如果溫度繼續(xù)升高，使保護(hù)管材料的屈服強(qiáng)度低于殘余應(yīng)力與溫度應(yīng)力之和，還會形成屈服塑性變形，保護(hù)管的直徑變大速度更快，通常應(yīng)該避免。當(dāng)電加熱管反復(fù)投入和退出運(yùn)行時，其內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變的量值和方向不斷變化，還會導(dǎo)致材料的熱疲勞和脆化，從而危及電加熱管的可靠性、安全性和使用壽命。上述討論，盡管可以概略性地描述電加熱管內(nèi)部的應(yīng)力機(jī)制，但由于應(yīng)力檢測困難、應(yīng)變發(fā)生條件復(fù)雜、材料物性參數(shù)難以確定，目前仍只能借助實(shí)驗(yàn)和產(chǎn)品回溯來大致應(yīng)對，科學(xué)性、反應(yīng)速度和實(shí)施成效都難以保證。

電熱絲的破斷機(jī)制 電熱絲的破斷，通常是電加熱管損毀的主要原因。

電熱絲的加工制造過程可能存在組織缺陷、機(jī)械缺陷，搬運(yùn)、開卷、繞制、裝粉、壓實(shí)等操作也可能形成機(jī)械缺陷，電加熱管工作過程的應(yīng)力及蠕變作用、交變熱應(yīng)力及熱疲勞作用，絕緣填料密封不嚴(yán)可能導(dǎo)致的氧化、燒蝕，也都是導(dǎo)致電熱絲的破斷的重要原因。

電熱絲與絕緣填料膨脹系數(shù)的不一致，是電熱絲缺陷 形成與積累，長度方向上的形成薄弱點(diǎn)，最終在電流沖擊、 熱沖擊、機(jī)械沖擊等疊加作用下發(fā)生破斷，成為電熱絲最 常見的損壞方式。圖 4 給出了電熱絲膨脹系數(shù)小于絕緣填 料膨脹系數(shù)的條件下，升溫時電熱絲的應(yīng)力變化過程，顯然不僅存在蠕變松弛而且可能存在屈服變形。此外，電熱絲與接線棒之間的焊接點(diǎn)，既可能在操作中存在虛焊、脫焊缺陷，也可能因?yàn)楦邷?、大電流下焊點(diǎn) 的晶間腐蝕而形成斷路。

電熱絲破斷的另一個機(jī)制可能是，工作電流在缺陷點(diǎn) 形成局部高溫，加速缺陷點(diǎn)的氧化、燒蝕作用，使缺陷進(jìn)一步加深和擴(kuò)大，如此惡性循環(huán)最終導(dǎo)致破斷。如果再考慮電熱絲通常具有一定的正溫度系數(shù)，也可以推斷電熱絲在啟動時會形成一定倍數(shù)的沖擊電流，缺陷點(diǎn)在此時破斷的可能性也最大。

雖然電熱絲是電加熱管的關(guān)鍵部件，但是對于其破斷機(jī)制的研究，還局限于產(chǎn)品出廠檢 測、破斷事后分析，尚缺乏足夠的技術(shù)理論和設(shè)計方法。

保護(hù)管表面蝕損機(jī)制保護(hù)管的表面蝕損，是電加熱管損毀失效的另一主要原因。

電加熱管的保護(hù)管表面直接接觸工作氣氛，甚至?xí)苯咏佑|被加熱物料，可能會因?yàn)榛?/span> 學(xué)腐蝕、金屬熔蝕、物料磨蝕等原因，使電加熱管的密封破壞、有害物質(zhì)侵入、電氣斷路、電氣短路而最終損壞。例如，用于電鍍液槽加熱保溫的電加熱管，會在酸性物質(zhì)的離子化作用下發(fā)生溶解腐蝕；用于液態(tài)金屬加熱保溫的電加熱管表面，會因?yàn)橐簯B(tài)金屬的合金化作用形成熔解腐蝕；用于流動粒子爐的電加熱管表面，則會在流動粒子的撞擊、摩擦作用下發(fā)生磨蝕。

盡管上述蝕損機(jī)制可以提供一個理論框架，相關(guān)領(lǐng)域也會有新的研究成果也可以提供借 鑒。但是電加熱管的使用條件、交互作用和蝕損機(jī)制十分復(fù)雜，必須進(jìn)行深入的研究。例如，在含有氫氣的氣氛條件下，可能會因?yàn)闅錃鉂B入電加熱管的金屬表面，而形成脆裂性的組織弱化；沿海地區(qū)用于加熱空氣的電加熱管，可能會因?yàn)榭諝庵宣}分黏附在外表面上而發(fā)生腐蝕；空調(diào)輔助加熱用電加熱管，可能因?yàn)橄募敬党龅睦滹L(fēng)含水，凝結(jié)在外表面而發(fā)生腐蝕；都有大量尚待解決的理論和技術(shù)問題。

此外，如何針對性地采用新材料，如何對保護(hù)管表面進(jìn)行涂層、鍍層、強(qiáng)化處理，以解決保護(hù)管表面的蝕損問題，也都有大量的研究工作需要去做。

電加熱管性能衰減機(jī)制根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知，隨著使用時間的延長，電加熱管的電氣性能、熱性能、機(jī)械強(qiáng)度都會不斷衰減，發(fā)展到一定程度便會影響到電加熱管的可靠性和安全性，盡管仍能通電發(fā)熱。已有的研究表明，影響電加熱管性能衰減過程的因素很多，但大致可以概括為化學(xué)因素、材料因素、機(jī)械因素和電氣因素。對合格電加熱管部分性能衰減機(jī)制的分如表2所示。

表2. 合格電加熱管性能衰減機(jī)制分析表

對于電加熱管這些衰減機(jī)制的認(rèn)識，雖然可以為電加熱管的可靠性和壽命管理提供知識框架，但是因?yàn)楦鞣N因素交互作用、使用條件千差萬別，相對于航空、航天、船舶、核動力 等領(lǐng)域的苛刻要求，仍顯得粗糙和不足，必須進(jìn)行更深入的研究。

6.電加熱管制造技術(shù)的進(jìn)步方向

電加熱管的材料優(yōu)化電熱絲的技術(shù)進(jìn)步可能在于，添加微量稀土元素、電渣重熔、預(yù)氧化處理等新技術(shù)可能

得到越來越多的應(yīng)用，以提升電熱絲表面的抗氧化能力，減緩電熱絲的性能衰減效應(yīng)，提高 電加熱管的可靠性和使用壽命；新型的、含有特殊合金元素的電熱絲材料可能會用于電加熱 管，以提升電熱絲的表面功率密度及耐高溫能力；粉末冶金燒結(jié)成坯的高溫鐵鉻鋁合金電熱 絲，可能用于航空、航天、艦船、核工業(yè)等要求高可靠性的電加熱管[3]，以提升電熱絲在高 溫下的抗蠕變、抗脆化能力；具有一定正溫度系數(shù)的電熱絲材料，將會用于要求較高安全性 的電加熱管，以改善電加熱管的溫控特性，提高電加熱管的安全性。

絕緣填料的技術(shù)進(jìn)步可能在于，在氧化鋁、氧化鎂、氧化硅主料基礎(chǔ)上，通過化學(xué)及電熔提純改善其基礎(chǔ)物性參數(shù)，通過顆粒級配提高松裝和壓實(shí)密度，通過添加助劑改善流動性、提高松裝密度、降低透氣率、改善彎曲加工效果。此外，引入新材料，例如氮化鋁、氮化硅、氮化硼等，也有望形成具有特殊性質(zhì)、適用特殊場合的電加熱管絕緣填料。

保護(hù)管的技術(shù)進(jìn)步則可能更多受電加熱管的市場需求與應(yīng)用條件影響。例如，太陽能光伏電池生產(chǎn)企業(yè)，需要對含有氟化物的液體加熱，這就需要開發(fā)耐氟保護(hù)管；輕金屬的氫氣保護(hù)釬焊、熱處理生產(chǎn)企業(yè)，需要能夠在氫氣保護(hù)氣氛下使用的電加熱管，這就需要開發(fā)不會發(fā)生氫脆的保護(hù)管；針對鋁、鎂、鋅、錫等金屬的熔化，需要開發(fā)能夠耐受相應(yīng)高溫和液態(tài)金屬侵蝕的保護(hù)管，可以采用不銹鋼[4]、耐熱鋼等金屬材料[5]，也可以采用剛玉、石英、碳化硅、氮化硅、氮化硼等無機(jī)非金屬材料。

導(dǎo)電棒在電加熱管中相對處于從屬的地位，但其作用也不能忽視，今后的發(fā)展方向可能 在于降低電阻率和提高耐熱、耐氧化能力等方面，例如熱鍍鋅超低碳鋼、熱鍍銅超低碳鋼、特殊銅合金等。

除此之外，由于電加熱管屬于一種溫度跨度很大的元器件，電熱絲、絕緣填料、保護(hù)管、導(dǎo)電棒四大部件之間的膨脹協(xié)調(diào)問題非常重大，也是研發(fā)長壽命、高可靠性、高溫電加熱管的基礎(chǔ)。具體來說，既可以通過材料選擇實(shí)現(xiàn)膨脹系數(shù)接近，也可以通過少數(shù)材料改性實(shí)現(xiàn)膨脹系數(shù)接近，甚至可以多種方法并用實(shí)現(xiàn)膨脹系數(shù)的梯度搭配。

電加熱管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化電加熱管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要涉及外形設(shè)計、尺寸體系、精度控制，以及與工作條件、制造工藝、使用功能之間的協(xié)調(diào)問題。在外形設(shè)計方面，電加熱管雖經(jīng)歷了近一個多世紀(jì)的不斷進(jìn)步，但仍有大量新的改進(jìn)出現(xiàn)。例如，文獻(xiàn)[6]為減少電加熱管在彎管操作時的內(nèi)外變形差異，對該部位進(jìn)行預(yù)先壓制， 形成局部扁圓形斷面；文獻(xiàn)[7]為解決空調(diào)輔助電加熱器與導(dǎo)流板的配合關(guān)系，以及盡量利用 機(jī)內(nèi)空間和擴(kuò)大散熱面積，提出了接近直角的反復(fù)彎折器型；文獻(xiàn)[8]針對小型熱水鍋爐使用 的電加熱管的裝配與防泄漏問題，提出了一種螺頭電加熱管，將二次彎折U 形電加熱管的兩端，通過鉚接工藝嵌入專用的螺紋接頭，使之更便于安裝和密封。在尺寸體系方面，則更多屬于電加熱管生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)訣竅，實(shí)際上每個企業(yè)都有自己 的訣竅，但是很少有人注意到這方面問題的重要性，也更少有人對這方面的問題進(jìn)行深入研 究，這方面應(yīng)該是一個有待理論化、系統(tǒng)化研究的領(lǐng)域。

在精度控制方面，由于電加熱管在機(jī)械設(shè)計方面的非標(biāo)特征比較明顯，實(shí)際上存在不少問題，例如電熱絲直徑、圓度、缺陷、螺距分布的檢測把控，保護(hù)管直徑、壁厚的檢測把控，絕緣填料顆粒度分布、外加劑含量的檢測把控等方面，都需要進(jìn)一步加強(qiáng)，才能為電加熱管特性的準(zhǔn)確控制、高級電加熱管的生產(chǎn)制造打下基礎(chǔ)。這方面也有大量的工作可做，當(dāng)然也應(yīng)該是一個技術(shù)進(jìn)步的方向。

在工作條件、制造工藝與實(shí)用功能之間的協(xié)調(diào)問題，涉及技術(shù)因素則更為龐雜，進(jìn)行總 結(jié)概括的難度較大，只能結(jié)合具體電加熱管的設(shè)計制造案例予以說明。

電加熱管的工藝優(yōu)化制造工藝是所有生產(chǎn)企業(yè)的生命線，電加熱管領(lǐng)域也不例外。對電加熱管來說，制造工藝主要涉及繞絲、裝粉、壓實(shí)、老化、檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)。但是，制造工藝也是一個經(jīng)驗(yàn)性、私密 性很強(qiáng)的技術(shù)內(nèi)容，大多作為制造企業(yè)的核心機(jī)密予以對待，所以這里只能針對一些面上的、共性的問題進(jìn)行粗淺討論。

在繞絲工藝環(huán)節(jié)，需要達(dá)到的工藝目標(biāo)通常包括絲徑、圓度和螺徑保證，以及缺陷控制、接線棒焊接質(zhì)量控制、效率提升等內(nèi)容。這些內(nèi)容之間又存在復(fù)雜的關(guān)聯(lián)性，既可能由一個新技術(shù)帶來一系列的效果，也可能需要多個技術(shù)才能帶來一個效果。例如，繞絲過程的潤滑改進(jìn)，通常會對圓度、螺徑、缺陷和生產(chǎn)效率同時帶來改進(jìn)效果；但對螺徑的保證，則可能需要原料性質(zhì)控制、散熱、潤滑等措施一起施行，才能產(chǎn)生效果。由于這里涉及多因素、多水平的工藝設(shè)計問題，將正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計方法引入其中，可能是今后的一個發(fā)展方向。

在裝粉工藝環(huán)節(jié)，通常需要借助重力和振動作用達(dá)到較高的初裝密實(shí)度，從而為減徑壓實(shí)工藝環(huán)節(jié)提供一個較好的工藝條件。此外，對于長度較大、質(zhì)量要求較高的電加熱管，還應(yīng)該在裝粉工藝環(huán)節(jié)對絕緣填料進(jìn)行預(yù)先含濕量控制，以降低老化排潮工藝環(huán)節(jié)的難度。裝粉工藝環(huán)節(jié)也涉及多因素、多水平的工藝設(shè)計問題，可能也需要將正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計方法引入，從而成為一個新的技術(shù)進(jìn)步方向。

在壓實(shí)工藝環(huán)節(jié)，對大多數(shù)采用金屬作保護(hù)管的電加熱管，主要采用多級輥壓減徑工藝來實(shí)現(xiàn)，壓縮輥對的壓下量綜合優(yōu)化，可能是這方面的關(guān)鍵技術(shù)問題，對此可以引入正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計或其他數(shù)理統(tǒng)計方法進(jìn)行優(yōu)化。而對于少數(shù)采用無機(jī)非金屬保護(hù)管的電加熱管，則只能采用振搗壓實(shí)工藝，這里所涉及的技術(shù)問題更多，例如無機(jī)非金屬保護(hù)管的抗張能力很低，對膨脹系數(shù)進(jìn)行協(xié)調(diào)的必要性就更大。

在老化排潮工藝環(huán)節(jié)，既涉及加熱方式、加熱溫度、保溫時間問題，也涉及產(chǎn)品長度、外徑、絕緣填料類型及密實(shí)度問題，應(yīng)該也都可以借助正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計方法，對工藝進(jìn)行理論化和優(yōu)化。此外，在裝粉工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行絕緣填料預(yù)處理，控制加粉車間內(nèi)的空氣含濕量，也應(yīng)該是這方面今后的發(fā)展方向。

在檢驗(yàn)工藝環(huán)節(jié)雖然不能直接保證產(chǎn)品質(zhì)量，但是可以通過產(chǎn)品質(zhì)量的追溯、反饋，對產(chǎn)品質(zhì)量控制發(fā)揮不可或缺的作用。目前，大多數(shù)電加熱管生產(chǎn)企業(yè)，都有比較完善的電氣特性指標(biāo)、安全特性指標(biāo)和熱學(xué)特性指標(biāo)的檢測實(shí)驗(yàn)手段。但這些檢測大都屬于外特性黑箱實(shí)驗(yàn)，還需要引入其他技術(shù)手段，以便對各種問題的形成原因進(jìn)行直觀檢視。近來，工業(yè)X射線無損探測設(shè)備，激光、水刀、線切割等破壞性抽樣探測設(shè)備，都已經(jīng)比較成熟，在電加熱管生產(chǎn)企業(yè)引入這些先進(jìn)技術(shù)手段，有望推動電加熱管技術(shù)的加速進(jìn)步。

電加熱管的裝備優(yōu)化 裝備是制造業(yè)的基本條件，電加熱管的生產(chǎn)裝備主要包括繞絲機(jī)、裝粉系統(tǒng)、減徑輥壓機(jī)、彎管機(jī)等，也已經(jīng)形成了完整的供應(yīng)、服務(wù)體系。這方面的技術(shù)進(jìn)步，可能主要集中在 設(shè)備的功能精細(xì)化、控制自動化、銜接系統(tǒng)化和工裝合理化。

在新設(shè)備方面，可以通過引入真空加熱爐，解決超長、特殊電加熱管的排潮老化問題；可以通過引入多機(jī)架全自動調(diào)整控制、減徑壓實(shí)連續(xù)生產(chǎn)線，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品規(guī)格適應(yīng)柔性；可以通過引入絕緣填料預(yù)干燥、密閉輸送生產(chǎn)線，降低后期老化排潮的難度，提高產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性；可以通過引入連續(xù)的X 射線無損探測生產(chǎn)線，激光、水刀、線切割等離線采樣剖切設(shè)備，嚴(yán)格保證產(chǎn)品質(zhì)量，為電加熱管的生產(chǎn)制造技術(shù)進(jìn)步提供檢測監(jiān)控技術(shù)手段。

對于電加熱管絕緣填料濕度控制問題，在綜合論證的基礎(chǔ)上，如果有必要，還可以引入超低濕度人工環(huán)境廠房，使電加熱管在濕度極低的環(huán)境下完成制造過程，從更高的技術(shù)裝備水平上保證電加熱管的質(zhì)量。

金屬保護(hù)管的防腐 電加熱管的保護(hù)管大多采用金屬材料制作，但金屬材料幾乎都有耐腐蝕方面的弱點(diǎn)。根據(jù)腐蝕的性質(zhì)，不同金屬在不同介質(zhì)中的腐蝕方式，采取針對性的防護(hù)技術(shù)措施。例如采用鋁作保護(hù)管或者翅片的電加熱管，在存在電解質(zhì)和水分的情況下，很容易發(fā)生點(diǎn)狀的電化學(xué)腐蝕；與海水接觸的電加熱器如果必須選用鋁合金作保護(hù)管，那就只能選擇耐海水的鋁鎂錳合金。

銅及銅合金在空氣中的抗氧化性較好，但對含硫無機(jī)物非常敏感；接觸海水的電加熱管 如果必須選擇銅合金，那就應(yīng)該考慮海軍黃銅、鎳白銅等。

不銹鋼在空氣中的抗氧化能力通常很好，也能耐受各種氧化性的無機(jī)酸，但對堿、非氧化性稀酸、高濃度無機(jī)酸的耐受能力很低，特別是在含有氯離子的介質(zhì)中，很容易形成點(diǎn)狀的電化學(xué)腐蝕。

由此可見，幾乎沒有一種金屬材料可以有廣譜的抗腐蝕性，這就促使人們研究各種涂、鍍技術(shù)，在利用金屬優(yōu)點(diǎn)的同時，實(shí)現(xiàn)金屬表面的腐蝕防護(hù)。例如，在空氣中運(yùn)行的鋁合金電加熱管采用斥水膜可以收到較好的效果；在腐蝕性液體中運(yùn)行的電加熱管，涂敷氟樹脂的 防腐效果也不錯；在高溫液態(tài)金屬中運(yùn)行的不銹鋼、耐熱鋼等高溫電加熱管，表面沉積二硼 化鋯可以收到很好的防止金屬熔蝕效果[7]。

這方面的資料很多，但因?yàn)閷?shí)驗(yàn)條件的差異和不確定性，會存在較大的出入，通常必須 進(jìn)行具體的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，方能用于批量生產(chǎn)。

7.電加熱管應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)步方向

盡量貼近需求從數(shù)量上說，電加熱管的應(yīng)用可能主要集中在民用領(lǐng)域，從蒸、煮、烤、炒、打豆?jié){、熬粥、燒開水等電熱炊具，到洗衣機(jī)、干衣器、烘干箱、保溫箱、電暖器、電熱風(fēng)器、電熱 水器等家用電器，幾乎都離不開或者應(yīng)該首選電加熱管。但是，具體使用的電加熱管在外形、尺寸、性能上千差萬別，幾乎找不到一種電器中的電加熱管可以用于另一種電器的情形。在工業(yè)、交通等領(lǐng)域，電加熱管的專用性就更強(qiáng)，也可以得到類似的結(jié)論。這說明電加熱管技術(shù)與需求的貼近程度很高，或者說電加熱管正是在不斷貼近需求的過程中得到發(fā)展。如此說，盡量貼近需求應(yīng)該是電加熱管應(yīng)用技術(shù)的一個進(jìn)步方向。

器型拓展創(chuàng)新電加熱管的另一個特點(diǎn)在于，非常易于通過改型和再制，形成新的器型。既可以通過彎折形成U 形、蛇形、螺旋形等形狀，也可以通過鑄造、插裝、包埋、裝配等方法制成板狀、盤狀、籠狀、集束狀的電加熱器，甚至可以通過安裝、接線、保護(hù)等方式的改變形成新的電加熱管器型，以適應(yīng)各種各樣的工藝要求。由此可見，電加熱管的器型開拓創(chuàng)新，可能是其應(yīng)用技術(shù)的另一個進(jìn)步方向。

適應(yīng)特殊場合電加熱管應(yīng)用技術(shù)進(jìn)步的另一個特點(diǎn)在于，特殊應(yīng)用場合提出的技術(shù)需求，是推動電加熱管技術(shù)實(shí)現(xiàn)階躍性發(fā)展的主要方式。例如，為了解決高凝固點(diǎn)原油開采過程中的井筒防凍問題，油井深地電加熱管得到開發(fā)；為了解決四氯氫硅的回收利用問題，防爆型氣體高溫電加熱器用電加熱管得到開發(fā)；為了解決壓水堆核電站穩(wěn)壓器電加熱問題，高可靠性電加熱管得到開發(fā)。由此可見，適應(yīng)特殊場合、解決挑戰(zhàn)性技術(shù)問題，也應(yīng)該是電加熱管應(yīng)用技術(shù)的一個進(jìn)步方向。

實(shí)現(xiàn)高溫加熱電加熱管作為一種包埋型電加熱元件，雖然會極大改善其對工作條件的適應(yīng)能力，但包埋材料和保護(hù)管也會增大傳熱熱阻，要達(dá)到相同的功率密度必然要求電熱絲具有更高的溫度。反過來，當(dāng)電熱絲材料選定之后，許用工作溫度就是一個定值，則物料的被加熱溫度必然因?yàn)闊嶙璧么嬖诙艿较拗?。再加上，高溫工作會加劇保護(hù)管蠕變松弛，從而導(dǎo)致包埋材料疏松和熱阻增大，因此難以實(shí)現(xiàn)高溫加熱。

也正是因?yàn)檫@一點(diǎn)，追求更高的加熱溫度，就成為電加熱管應(yīng)用技術(shù)進(jìn)步的一個重要標(biāo)志。例如，因?yàn)閷ο丛崴男枨?，加熱溫度約50℃的電加熱管得到應(yīng)用；因?yàn)闊_水的需求，加熱溫度約100℃的電加熱管得以問世；因?yàn)檎ㄖ剖称返男枨?，用于熱油槽的加熱溫度約250℃的電加熱管被研發(fā)出來；因?yàn)辂}浴爐的需求，加熱溫度可達(dá) 400~550℃的電加熱管被研發(fā)出來；因?yàn)楦邷貧怏w加熱器的需求，加熱溫度可達(dá)300~600℃的電加熱管已經(jīng)大量投入使用；因?yàn)槿垆X爐的需求，加熱溫度可達(dá)600~700℃的電加熱管也已經(jīng)少量投入使用。而且還會隨著相關(guān)材料的性能改善、相關(guān)需求的提出，電加熱管的加熱溫度很可能還會進(jìn)一步提升，這也應(yīng)該是電加熱管應(yīng)用技術(shù)的一個進(jìn)步方向。

質(zhì)量管控精細(xì)化毋庸諱言，電加熱管屬于數(shù)量大、應(yīng)用廣的元器件，許多應(yīng)用場合對其外形、尺寸和性能要求并不高，這也造就了這個行業(yè)相對粗放的底蘊(yùn)。然而，隨著技術(shù)的進(jìn)步，對于電加熱管質(zhì)量的要求越來越高，工作條件也越來越嚴(yán)苛，可靠性、安全性等性能參數(shù)出錯的代價越來越大。這就要求電加熱管產(chǎn)品的質(zhì)量管控精細(xì)化，將前期的技術(shù)、管理、經(jīng)驗(yàn)、經(jīng)濟(jì)的積累轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品質(zhì)量控制水平的提升，也應(yīng)該是電加熱管應(yīng)用技術(shù)的一個進(jìn)步方向。

產(chǎn)品深度前置化 通過對國內(nèi)各大電加熱管生產(chǎn)企業(yè)網(wǎng)站的觀查，不難發(fā)現(xiàn)那些規(guī)模大、效益好的企業(yè)，總是將電加熱管作為電加熱器的一個關(guān)鍵部件看待，將設(shè)計經(jīng)營的產(chǎn)品深度盡量前置化，電加熱器、電加熱管的生產(chǎn)綜合協(xié)調(diào)，而不是僅僅注重電加熱管的生產(chǎn)。從道理上說，電加熱器才是用戶的功能載體，電加熱管只是這個功能載體里面的元器件。因此，著眼于用戶眼里的功能載體，而不是單一地專注電加熱管的生產(chǎn)，更容易把控電加熱管的性能與外形設(shè)計，更容易占據(jù)有利的市場地位，也更容易獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。由此可見，產(chǎn)品深度前置化，也應(yīng)該是電加熱管應(yīng)用技術(shù)的一個進(jìn)步方向。

技術(shù)經(jīng)驗(yàn)理論化前面已經(jīng)提到，電加熱管技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)性比較強(qiáng)，雖然也為行業(yè)的起步和發(fā)展提供了條件，但也為電加熱管生產(chǎn)技術(shù)的提升形成了羈絆。這就迫切需要通過深入的研究，總結(jié)前面的經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)和其他歷史資料，逐步解決各種技術(shù)挑戰(zhàn)，逐步形成具有指導(dǎo)意義的電加熱管相關(guān)理論體系，為電加熱管技術(shù)的進(jìn)步提供理論框架，更應(yīng)該是電加熱管應(yīng)用技術(shù)的一個進(jìn)步方向，也更具有戰(zhàn)略性和難度。

8.新特電加熱管研發(fā)案例

油井深地電加熱器為了防止富含石蠟和瀝青質(zhì)的高凝固點(diǎn)原油在井管內(nèi)凝結(jié)，保證采油順利進(jìn)行，需要在井下對油流進(jìn)行可靠加熱。文獻(xiàn)[9]提出了一種能夠在井下工作的電加熱管（原文稱其為電加熱棒），其中電加熱管的上端電極通過防水電極、絕緣電纜與地面電源相連，地面電源的另一端接地；電加熱管的下端電極通過銅質(zhì)的裸露接地電極、井內(nèi)泥漿與大地相連，從而形成電氣回路，在數(shù)千米的地下實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度、可靠的加熱。

鎧裝加熱電纜為了實(shí)現(xiàn)管道伴熱、工件焊接前預(yù)熱、工件局部熱處理、工件涂層烘烤等特殊加熱工藝，文獻(xiàn)[10]提出了一種鎧裝加熱電纜技術(shù)方案。這種電纜主要由位于中心的直線形電熱絲、位于外層的金屬鎧裝保護(hù)管、位于電熱絲與保護(hù)管之間的壓實(shí)絕緣填料，以及兩端的導(dǎo)電引出線組成。這種加熱電纜的鎧裝保護(hù)管可以是鋁或者不銹鋼，絕緣填料可以是氧化鋁、氧化鎂或氧化硅粉末，電熱絲則主要是鐵鉻鋁合金，顯然就是一種簡單、特殊的電加熱管。但與一般電加熱管相比，這種電纜的外徑要小得多，長度則要大得多，因而非常便于彎折、纏繞、盤繞、編織后使用。

核電站穩(wěn)壓器用電加熱管為保證壓水堆中一次冷卻系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定，從而保證核電站的安全運(yùn)行，就必須有穩(wěn)壓器發(fā)揮作用。采用電力對部分一次冷卻水進(jìn)行快速加熱，形成高壓蒸汽，從而保證一次冷卻系統(tǒng)壓力穩(wěn)定的穩(wěn)壓器，是目前該領(lǐng)域的主流工藝。這種穩(wěn)壓器所用的電加熱管，通常從壓力容器的底部裝入，要求能夠在500℃、20MPa 下穩(wěn)定工作，并且具有足夠高的可靠性和安全性。

純凈硅冷氫化加熱器用電加熱管在氯化法生產(chǎn)純凈硅的工藝流程中，副產(chǎn)的四氯氫硅需要轉(zhuǎn)換成二氯氫硅才能重新得到利用，以實(shí)現(xiàn)減少污染排放、充分利用資源的工藝目標(biāo)。其中最經(jīng)濟(jì)的工藝是將四氯氫硅加 熱至 550℃，在硅和催化劑的存在下轉(zhuǎn)化為二氯氫硅。這就推動了以電加熱管為基礎(chǔ)原件的防爆型高溫氣體電加熱器的發(fā)展，并且在化工、冶金、動力等其他領(lǐng)域也得到不少應(yīng)用。這里所用到的電加熱管，表面溫度可高達(dá)700~750℃，還要耐受氯氣、氫氣、壓力和高溫的共同作用，而且在任何情況下都不允許出現(xiàn)放電、打火和局部過熱現(xiàn)象，應(yīng)該是電加熱管技術(shù)性能目前達(dá)到的一個頂峰。

壓機(jī)加熱板用電加熱管在膠合板、細(xì)木板、纖維板、木地板、橡膠板、塑料板等板材生產(chǎn)，以及橡膠制品硫化、塑料制品壓制等生產(chǎn)領(lǐng)域，需要對物料同時進(jìn)行加壓和加熱，這就需要用到壓機(jī)加熱板。這種加熱板可以通過在鋼板側(cè)壁上鉆出深孔，將尺寸相符的電加熱管插入其中，來實(shí)現(xiàn)帶壓加熱工藝。這里使用的電加熱管，要求有較小的尺寸和形位公差，以便與電熱板上的鉆孔緊密配合，使傳熱效率和板面溫度均勻性能夠得到保證，同時又能夠耐受壓制過程形成的交變應(yīng)力，并且具有較大的調(diào)溫范圍和較長的使用壽命。

汽輪機(jī)軸封蒸汽加熱器用電加熱管軸封蒸汽溫度直接關(guān)乎汽輪機(jī)的壽命折損，以及火力發(fā)電站啟動和變負(fù)荷運(yùn)行的響應(yīng)速度。為了確保汽輪機(jī)的長壽運(yùn)行，同時又能快速響應(yīng)，就必須配置軸封蒸汽加熱器，以確保軸封蒸汽的溫度。這種加熱器所用的電加熱管，要求能夠在表面溫度300℃下穩(wěn)定工作，并且能夠耐受蒸汽的高溫、高壓和化學(xué)侵蝕作用，具有足夠高的可靠性。

軌道客車加熱器用電加熱管針對鐵路、城鐵和地鐵等軌道客車車廂冬季空調(diào)供暖不足，需要輔助加熱的問題，文獻(xiàn)[11]提出一種對軌道客車車廂內(nèi)空氣進(jìn)行加熱供暖的電加熱器。這種電加熱器采用碳鋼環(huán)繞翅片電加熱管，以獲得較高的堅固度和綜合傳熱系數(shù)，同時具有足夠好的抗震穩(wěn)定性，確保在長期的行駛顛簸和工作溫度作用下不會出現(xiàn)明顯的性能衰減，能夠適應(yīng)車輛的電氣環(huán)境，并且通過配置溫控器、熔斷器，確保具有較高的可靠性和安全性。

空調(diào)冷媒加熱器用電加熱管空調(diào)室外機(jī)冬季除霜時，單靠壓縮機(jī)的反向供熱，因?yàn)楣β视邢薅y以快速結(jié)束除霜操作，從而降低供暖的舒適性。針對該問題，文獻(xiàn)[12]提出一種空調(diào)冷媒電加熱器，僅在除霜操作時加電發(fā)熱，對制冷工質(zhì)進(jìn)行加熱，可有效縮短除霜過程。這種加熱器包括一個圓柱狀、前端封閉、側(cè)壁上開有冷媒入口、后端設(shè)置冷媒出口的殼體；殼體中心裝設(shè)電加熱管，電加熱管的電極由殼體前端引出，外壁上設(shè)置有螺旋狀的散熱翅片，與殼體的內(nèi)徑間隙配合，在電加熱管與殼體之間形成螺旋狀的冷媒通道。這里對電加熱管的技術(shù)要求包括，結(jié)構(gòu)緊湊、加熱效率高、密封性好、運(yùn)行可靠。

9.結(jié)語

電加熱管屬于一種歷史悠久、用途廣泛、門類眾多、市場很大的功能元器件，在日用電器、工業(yè)設(shè)備及高科技領(lǐng)域都具有難以替代的地位，而且技術(shù)趨于成熟、特點(diǎn)鮮明；

電加熱管面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)主要包括，內(nèi)部傳熱機(jī)制、內(nèi)部應(yīng)力機(jī)制、電熱絲破斷機(jī)制、保護(hù)管表面蝕損機(jī)制以及性能衰減機(jī)制；

電加熱管制造技術(shù)的進(jìn)步方向主要包括，材料、結(jié)構(gòu)、工藝、裝備的優(yōu)化，也包括保護(hù)管的腐蝕防護(hù)等；

電加熱管應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)步方向主要包括，盡量貼近需求、器型拓展創(chuàng)新、適應(yīng)特殊場合、實(shí)現(xiàn)高溫加熱，以及質(zhì)量管控精細(xì)化、產(chǎn)品深度前置化、技術(shù)經(jīng)驗(yàn)理論化等；

新特電加熱管研發(fā)的突出特點(diǎn)在于，針對性、創(chuàng)新性、突破性和裝置化。

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