Срок службы нагревательных элементов зависит от целого ряда факторов: от рабочей температуры, характера ее изменения во времени, конструкции и размеров нагревателя, воздействия на него атмосферы печи. Он может быть обусловлен постепенным окислением материала в работе (или его распылением, если речь идет о благородных металлах или нагревателях, работающих в вакууме или в защитной атмосфере) или потерей им механической прочности.
Применяемые для нагревателей материалы образуют при нагреве плотные окисные пленки, защищающие основной материал от дальнейшего окисления, поэтому до определенных (для каждого материала) температур окисление развивается крайне медленно, а после перехода через этот температурный уровень процесс резко ускоряется. Так же протекает и распыление материалов в вакууме или защитной атмосфере.
Максимально допустимой температурой данного материала следует признать ту температуру, начиная с которой резко усиливается процесс окисления или распыления материала. Если перейти через этот уровень, то срок службы нагревательного элемента сильно сокращается.
При окислении нагревателя пленка окисла на нем (как правило неэлектропроводная или малоэлектропроводная) постепенно утолщается, а сечение металлической сердцевины уменьшается. Поэтому сопротивление нагревателя постепенно увеличивается, а выделяющаяся в нем мощность падает. Когда это уменьшение мощности становится существенным (около 10—15%), нагреватель приходится заменять на новый, его срок службы заканчивается.
Постепенный процесс роста сопротивления нагревателя в результате его окисления или распыления не всегда является причиной его замены, очень часто нагреватель выходит из строя задолго до достижения его сопротивлением предельного значения. В нагревателе обычно имеются несколько ослабленных участков, мелкие трещинки в местах перегиба, включения пленок окислов и тому подобное, в которых наблюдается местное увеличение сопротивления.
Такие участки с увеличенным сопротивлением вызовут местные перегревы в нагревателях и более интенсивное окисление в местах этих перегревов. Интенсивное окисление в свою очередь вызовет дальнейшее уменьшение сечения нагревателя в этих точках, дальнейший рост их температуры, процесс пойдет нарастающим темпом и приведет к перегоранию нагревателя в одной из таких точек.
Срок службы нагревателя из проволоки диаметром 1 мм в зависимости от его температуры (в воздухе)
Аналогичный эффект может получиться, если поверхность нагревателя загрязнена, или он неправильно сконструирован, если теплоотдача некоторых его участков затруднена (например, у заэкранированных огнеупорными опорами или крючками частей нагревателя), в результате чего образуются местные перегревы.
Такого рода местные перегревы не будут существенно сказываться на сокращении срока службы нагревателя в тех случаях, когда их абсолютные значения будут невелики и температуры наиболее нагретых участков не будут достигать значений, при которых начинается интенсивное окисление (или распыление) данного материала.
Следовательно, надо стремиться к тому, чтобы между рабочей температурой нагревателя и его максимально допустимой температурой нагрева был известный запас, превышающий значение возможных местных перегревов. Если этот запас невелик, то следует свести эти местные перегревы к минимуму рациональной конструкцией и выбором больших сечений нагревателя, так как чем больше будут эти сечения, тем меньшими в процентном отношении будут местные сужения, тем меньше будет местный перегрев.
Причиной выхода нагревателя из строя может явиться также его недостаточная механическая прочность при высоких температурах, его склонность к ползучести или короблению. Например, если нагреватель сконструирован таким образом, что при рабочей температуре он начинает деформироваться под действием собственного веса (вытягивание петель висящего на крючках нагревателя, коробление спиралей нагревателя), то могут получиться замыкания соседних витков или петель, образование в этих местах дуг и как следствие перегорание нагревателя или просто местные утончения сечения в результате вытягивания с образованием опять-таки местных перегревов.
Наконец, нагреватель может быть выведен из строя в результате химического взаимодействия при рабочей температуре с материалами футеровки электрической печи, с которыми он соприкасается, или с ее атмосферой.
Работа каждого материала в нагревательных элементах электрической печи сопротивления может быть охарактеризована двумя температурами— рекомендуемой рабочей температурой и максимально допустимой температурой.
Максимально допустимая температура материала соответствует той температурной границе, за которой начинается его интенсивное окисление или распыление и, следовательно, резкое сокращение срока службы. Рекомендуемая температура лежит ниже максимально допустимой.
В области, ограниченной рекомендуемой температурой материала, срок службы нагревателя достаточно велик, для металлических сплавов около 12000—15000 ч. В этой области не страшны ограниченные местные перегревы, так как даже при значительных их размерах температура нагревателя не превзойдет максимально допустимого значения. Следовательно, при таких температурах можно применять малые сечения нагревателей. Естественно, что во всех случаях, когда это возможно, следует рассчитывать нагреватели именно таким образом, чтобы их расчетная температура не превосходила рекомендуемой.