实验一高温电阻炉的制作及恒温带测定

实验一 高温电阻炉的制作及恒温带测定

一、实验目的

(1) 了解实验室常用获得高温的方法，熟悉其高温设备的结构和构成。 (2)了解和加深实验室最常用的电阻丝炉的设计和制作流程。

(3)通过高温电阻丝炉恒温带的测量及绘制其温度分布曲线，掌握高温测量与控温技术。 二、实验原理

冶金用的高温炉分为电炉和燃烧炉两大类，电阻炉设备简单，易于制作，温度和气氛容易控制，在实验室使用最多，用途最为广泛，常用的有电阻炉、感应炉、电弧炉以及等离子炉等。

电阻炉是将电能转换成热能的装置，采用金属或非金属采用做成具有一定阻值的发热元件作为电能与热能转换的载体。当电流I通过具有电阻R的导体时，经过时间T便可产生热量Q(Q＝O.24I2Rt)。当电热体产生的热量与炉体散热达到平衡时，炉内即可达到恒温。

2.1.电阻炉的结构

根据用途不同，实验室用的电阻炉可以制作成竖式、卧式管状炉以及箱式炉等，但其基本结构大致相同。图1-1为实验室常用的电阻炉，其结构主要由以下6部分组成：(1)电热体。(2)电源引线。(3)炉管。4)炉壳。(5)炉衬。(6)支架。

图1-1为实验室常用的电阻炉

2.2.电热体

电热体分为金属和非金属两类, 金属电热体通常制成丝状，缠绕在炉管上作为加热元件，实验室常用高温炉电热材料的化学成分和主要性能如1-1所示。

表1-1 高温炉电热材料的化学成分和主要性能

电热体化学成分 种类 金属 铬镍合金 塑性好、绕丝容易、在1OOO℃以下的空气环境条件下长期使用

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主要性能 铁铬铝合金 铂、铂铑 耐热性能好、在12OO℃以下、氧化气氛下，塑性较差，绕制比较困难。 铂多用于14OO℃以下的小型电阻炉，如炉渣熔点测定炉；铂铑则可达16OO℃，氧化气氛下升温快，不能在还原气氛下实验 钼丝 熔点高、长期使用可达17OO℃、仅能在高纯氢、氨分解气或真空中使用。在高温氧化气氛下会生成氧化钼升华。 非金属 硅碳（SiC） 在氧化气氛下能在14OO℃以下长期工作、棒状SiC常用于箱式电阻炉(马弗炉)，管状SiC用于管式电阻炉。 硅钼（MoSi2） 在氧化气氛下能在17OO℃以下长期工作 石墨 工作温度在保护气氛(Ar、N2)中可达18OO℃、在真空或惰性气氛中可达22OO℃。易加工成管状，也可做成板状或其他形状。

三、实验设计步骤 3.1、功率估算

实验室常用的电阻丝炉结构较简单。把电阻丝绕在耐高温炉管上，然后再把炉管放到圆筒形或方形炉壳中央，其间辅以保温材料。最后接上控温仪、电源及测温热电偶（含温度显示仪表），就可使用。

估算电阻丝炉的最低功率消耗，需考虑使用温度、恒温带尺寸、升降温速度及散热条件等因素。可以从理论上计算通过传导、对流、辐射的热损失以及材料的吸热等，从而得出必须供给的最低电功率。实际上，由于散热条件复杂，理论计算与实际出入较大，故一般采用经验数据进行估算。以下结合实例加以说明。

例：要求制作一个在氧化性气氛下工作的电阻丝炉，炉管内径Dl为5Omm，外径D26Omm，长L16OOmm，加热带长度L2为4OOmm，工作温度t为1OOO℃。

由所给条件，查表1-2得到1OOO℃时每1OOcm2加热面积所需最低功率为19Ow，

故此电阻丝炉所需最低功率为：

表 1-2 不同温度下每1OOcm2炉管加热表面所需功率

温度，℃ 功率，W 温度，℃ 功率，W 3OO 2O 1OOO 19O 4OO 4O 11OO 22O 5OO 6O 12OO 26O 6OO 8O 13OO 3OO 7OO 1OO 14OO 35O 8OO 13O 15OO 4OO 9OO 16O 16OO 45O 2

实际选取的功率P总比最低功率P′要大些，以便留有余地，尤其升温过程需要快时就可加大功率。

3.2.电热体各部分尺寸的确定。

电阻丝电阻确定以后，就可根据工作温度和使用条件，选择合适的电阻丝材料。原则上电阻丝最高使用温度应比电炉工作温度高80-1OO℃为宜。在本例，工作温度1OOO℃，氧化性气氛下使用，由手册或文献可以查得，Cr25Al5电阻丝就能满足要求。其材料参数为：高温比电阻

时，电阻丝表面允许负荷

。当选择，则:

电阻丝直径：

R

?d2?t4?25m

电阻丝总长： l?电炉管外径D2,计算出共需绕的匝数为：

由加热带长度算得平均螺距为：

实际筑炉时，为了使恒温带能长些，通常不采用等螺距绕法，而是采用不等螺距绕制，即二端螺距较小，中间螺距较大的方法。主要是由于炉管两端的散热较大。具体见图1-2。

图1-2 不等螺距绕法

3.3．筑炉

(1)根据工作温度选用炉管材料。原则上炉管的耐火度应比工作温度至少高1OO℃。常用材料有粘土质管、高铝管、莫来石管、石英管、刚玉管等。

(2)按照设计的参数把电阻丝绕在炉管上，然后再安装在炉壳中央，其间填上保温材料，接上引线和检测或监控仪表，即可使用。

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(3)内层保温材料由于直接接触电阻丝和炉管宜选耐火度高些，高温下不与炉管反应较稳定的材质。如与炉管同材质的氧化铝空心球制品等。外层保温材料由于温度已逐步降低，应选绝热性好，价格低的材质，如硅酸铝纤维、蛭石制品等。保温层厚度取决于变压器容量和升降温速度要求。如果变压器或控温仪容量较大且升降温速度要求快，则保温层宜薄些。反之变压器能力不大，则保温层宜厚些。

3.4．系统的组装

(1)按照控温精度要求选择控温仪。如精度要求不高或不经常使用的电炉用自藕变压器即可；对控温精度要求较高的选用具有PID调节工程的程序控温仪。

(2)按照使用温度和控温精度选用热电偶及配套仪表。 (3)根据设计的最大电流选择导线、开关等，接好全部线路。 3.5.测定恒温带

恒温带是指炉管内轴向和径向温度分布都达到控温精度要求的区域，此区域的位置和尺寸随电热体各部分尺寸，电炉工作温度和炉管内二端保温条件而变，因此在设计和筑炉时就应注意对恒温带的控制。在实验过程中，热电偶的热端应接触或尽可能靠近被加热的试样，三者都应在恒温带内。

测恒温带时，准备两支热电偶，一支热电偶的热端放在炉管外壁中央，冷端联接控温仪，把炉温控制在实验常用温度。另一支热电偶作测量用，由炉管一端插入炉管内，有中央开始逐步下移，每隔5-10mm读取一个稳定的温度值，直到温度降低1O-2O℃表示已出恒温带。再从炉内取出热电偶，从上端插入炉管内，仍从炉管中央开始，逐步上移，也每隔5-l0mm读取一个稳定的温度值，直到温度降低10-20 0C，表示已出恒温带上端。把所测定的温度T(℃)与相应距离X(m)数据，绘制成T-X图，这就是温度分布曲线,从中找出恒温带的位置与尺寸。 四、实验报告(自拟一道)

(1)设计和制作一台实验室用电阻炉，其炉管内径D1为40mm，外径D2为50mm,

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炉管L1长800mm，常用工作温度T为900 C，加热带L2长度大于500mm。计算其功率等相关参数。

(2)请查找资料比较常用发热元件如SiC, MoSi2等特性，并简单绘出管式电阻炉炉内温度分布曲线图的形状。

(3)采用一支热电偶自下往上穿过高温区来测恒温带其长度有无影响?为什么?

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