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

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

1

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。

3

(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。