SX18高温箱式电阻炉

[ 字号: ] [ 关闭 ] 2008-12-24 14:27:50 来自网络 作者:admin 浏览次数: 发表评论

关键词:SX18高温箱式电阻炉

介绍了SX18高温箱式电阻炉的结构特点和控温系统的工作原理;电炉主要技术参数及测试结果;环境温度对测量温度的影响。电炉可在1 750 ℃下正常使用,短期内可在1 800 ℃下使用。
关键词:电阻炉;高温;温度控制
中图分类号:TM924.33  文献标识码:A  文章编号:1002-1639(1999)05-0016-03

SX18 High Temperature Box-type Resistance Furnace

 

试验项目 技术要求 试验结果
额定功率/kW 7 6.75
额定温度/℃ 1 750 1 750
最高温度/℃ 1 800 1 800
空炉升温时间/h 14 13.7
空炉损失/kW ≤5.4 5.21
炉温均匀度/℃ ≤22 +0.52
-15.45
炉温稳定度/℃ ≤±4 ±0.34
表面温升/℃    
门(盖)中心 ≤100 34
侧壁中心 ≤100 38
后部中心 ≤100 41
绝缘电阻/MΩ ≥0.5 11.4
炉膛尺寸/mm 100×220×80 100×220×80
工作区尺寸/mm 50×137×56 50×137×56
 这一结果表明,由于SX18高温电炉采用了新型稀土铬酸镧加热元件,特殊的耐火、保温材料以及先进的工艺及微机控制技术,使其具有以下特点:
  (1)炉温高。最高温度可达1 800 ℃,常用温度1 750 ℃,测试过程中,1 750 ℃下连续保温运行9 h,1 800 ℃下连续保温运行1 h。
  (2)保温性能好。在1 750 ℃高温下,炉门盖中心温升≤34 ℃,炉侧壁中心温升≤38 ℃,炉后部中心温升≤41 ℃。
  (3)控制精度高。炉温均匀性好,1 750 ℃时炉温的控制精度为±1 ℃。

4 国内外同类产品性能情况
  目前国内箱式电阻炉主要分为两大类,一是硅碳棒电炉,其使用温度一般在1 400 ℃以下,二是硅钼棒电炉,其使用温度一般在1 600 ℃以下,如果超过1 600 ℃,硅钼棒便会软化,表面剥落以至断裂。
  另外,国内在两年前就研制成功了一种氧化锆实验电炉,该炉最高温度可达2 400 ℃。但这种电炉必须在还原气氛下运行,而且需要另设一套预热系统,氧化锆发热元件只有在这两个条件下才能使炉温升至2 400 ℃,其结构及运行操作都比较复杂。
  1 800 ℃高温电炉最早是由日本化学陶业株式会社于80年代初研制成功的。目前国际上拥有这样高温电炉的国家为数很少,主要是日本、美国等技术先进的国家。中科院化工研究所于1988年以16万元人民币进口了一台铬酸镧高温电炉。其炉体为管式结构。炉膛有效容积为t0502.gif (103 bytes)50 mm×150 mm,额定升温范围为0~1 700 ℃。我们所研制的SX18高温电炉的炉膛有效容积以及升温范围较进口产品更优越些。进口产品的控制系统亦采用微机处理,程序控制,数字显示,其控制机理与我们基本相同。与进口产品销售价相比,我们的价格仅为其1/3。

5 两个关键技术问题的探讨
5.1 电热元件
  
电热元件可谓电炉的核心部件,电炉能达到多高的温度,主要取决于电热元件的材质。不同材质电热元件最高使用温度如图2所示。稀土铬酸镧高温电炉的电热元件为铬酸镧发热体,其主要成分为LaCrO3,熔点为2 490 ℃;发热体有效热负荷面积约为50 cm2。在不同温度下,铬酸镧发热体的表面负荷密度为表2所示。

0512.gif (2032 bytes)

图2 不同发热材料最
高使用温度示意图

表2 铬酸镧发热元件不同温度下允许的表面负荷密度

炉内温度/℃ 表面负荷密度/W.cm-2
额定值 短期使用值
1 600 13 20
1 700 12 18
1 800 10 16
  由表2所给参数可见,在额定温度1 750 ℃下,每只发热元件的额定功率约为50×12=600 W。

  在额定功率下,铬酸镧电热元件的寿命如何呢?国外同类产品最佳寿命测试结果如图3所示。由图可见,当铬酸镧电热元件表面热负荷密度为9~11 W/cm2时,1 700 ℃下其连续使用寿命约为104 h,1 800 ℃下其连续使用寿命约为103 h。由此可见,高温下炉温每升高100 ℃,电热元件的寿命便降低9 000 h。如果类推的话,温度每升高1 ℃,电热元件的使用寿命就会降低90 h。可见炉温的高低对元件的使用寿命至关重要。

0513.gif (1837 bytes)

图3 铬酸镧发热元件使用寿命
与电炉使用温度关系曲线

  实际使用情况又如何呢?通过多年的摸索及试验我们发现,由于铬酸镧电热元件系半导体等多种成分构成,它不仅对温度十分敏感,对个别元素的污染也十分敏感。这种电热元件一旦受到了污染,不仅电阻变化较大,其使用寿命也会降低。因而在实际使用操作过程中,要尽可能避免Si、N、H、C等元素的影响。
  另外,如果电热元件的表面负荷密度超过其额定值,其使用寿命也会大大降低,这就要求我们必须严格按技术条件要求操作运行。
  综合温度以及元素污染等诸多因素对铬酸镧电热元件寿命的影响,我们的实验结果表明,当发热元件表面负荷密度大于其额定值时,其实际使用寿命不低于300 h。
5.2 延长导线对高温电炉温度测量的影响
  众所周知,为了提高测温精度,将热电偶冷端等热电势传送到仪表或控制器的输入端均采用同材料或近似的补偿导线。但是对于双铂铑热电偶而言,目前还没有比较合适的补偿导线,通常均以铜材质的延长导线代用。那么这种代用对温度的测量将会产生多大的影响呢?这个问题的提出似乎没有什么必要。因为双铂铑热电偶在50 ℃以下的毫伏值很小(<2 μV)而且线性度较差,因而低温端产生十几度以至几十度的误差无妨,也没有采用补偿导线的必要。然而对于铬酸镧高温电炉而言,这个问题的提出也许有其一定的必要性。
  因为对高温炉而言,由于强烈的热辐射,1 750 ℃下热电偶的冷端温度高达80 ℃左右,这与室温相差约60 ℃。即使测温装置具有冷端温度自动补偿功能,但它只能对补偿导线延伸末端的室温作近似补偿,对延长导线而言,这种补偿效果更差,从而引起的测量误差也将更大。那么因延长导线的影响是否有可能使测量温度较炉膛的实际温度低几十度或更多呢?这样在设定温度1 750 ℃下,电热元件以及热电偶所承受的温度就有可能超过1 800 ℃,而双铂铑热电偶在1 800 ℃时只能短期使用,这就很容易造成烧毁热电偶及电热元件的事故。
  那么因延长导线的影响,究竟会造成多大的测量误差呢?目前我们还没有找到有关的记载资料。为此我们进行了如下的试验。
  取两只校验了的双铂铑热电偶,将其同时置于SX18高温电炉有效容积的同一点上。其中一只热偶丝长2 500 mm,通过切换开关直接送入一块精度为0.1%±1个字的数字温度显示器;另一只热偶丝长500 mm,通过0.75 mm铜质延长导线及切换开关送入同一数字温度显示器,然后观察两只热电偶的测量误差,测量结果如表3所示。

表3 测温误差对比表    

测温时间 2 500 mm
热电偶测温
500 mm
热电偶测温
测温误差
9:07 126 105 21
10:10 208 182 26
11:00 298 274 24
11:30 375 342 33
12:00 453 422 31
12:30 538 506 32
13:00 618 587 31
13:30 700 672 28
14:00 829 800 29
14:30 929 901 28
15:00 1 003 980 23
15:30 1 160 1 140 20
16:00 1 234 1 215 19
16:30 1 327 1 305 22
17:00 1 414 1 401 13
17:30 1 575 1 564 11
18:00 1 689 1 680 9
18:30 1 750 1 741 9
19:00 1 800 1 790 10
19:30 1 800 1 791 9

 

  在忽略环境影响,切换开关以及测温仪表等某些共性误差外,通过双铂铑热偶丝直接送入测温仪表而测得的温度自然较为准确。如果我们将这一测量温度看作炉膛实际温度的话,这一对比测试结果表明,通过延长导线测量所得温度并不能真正反映炉膛的实际温度,而是较实际温度低十几度到几十度,反映在低温端的误差较大,而高温的误差较小。如何从理论上解释这一现象,尚有待于进一步探讨。不过这一试验结果至少可以给我们这样一个启示:利用双铂铑热电偶通过延长导线测温控温,如果升温1 750 ℃,将设定值定为1 740 ℃也许更精确,更有助于延长发热元件的寿命。

6 结语
  SX18高温电炉的研制成功,达到了预期的技术要求,可供工矿企业,科研院所,大中专院校等单位作高温精密陶瓷烧结,高熔点单晶拉制,高温合金及炉渣的熔炼,高温玻璃熔化,高温物性测定及其他热处理使用。

SUN Liang-cheng,LI De-hui,SU Da-liang,

Baotou Rare Earth Inst.,Baotou 014010,China

WU Ze-en
Huhehaote Laboratory Electric Furnace Factory,Huhehaote 010030,China

Abstract: The authors introduce the structure of the SX18 high temperature box-type resistance furnace,the working principle of its temperature control system,the main technical parameters and their measuring results,and the effect of ambient temperature on the measured temperature.The furnace can be normally used under 1 750 ℃ and shortly for 1 800 ℃.
Key Words: electric resistance furnace;high temperature;temperature control

1 前言
  新材料科学是当今全球范围内的一项高精尖热门科学,在新材料的研究开发中,高温热处理设备,如高温箱式电阻炉,是研究开发新材料必不可少的实验设备,也是国内外目前迫切需要解决的问题。
  SX18高温箱式电阻炉为目前国内外温度最高的间接电阻炉。在氧化气氛下,该炉的最高温度可达1 800 ℃,常用温度为1 750 ℃。经国家电炉质量监督检验测试中心检测,SX18高温箱式电阻炉的各项性能指标均满足技术要求,并已成功地应用于冶金,光纤测温,精密陶瓷烧结,耐火材料特性测量。

 

2 结构及工作原理
2.1 结构
  SX18高温箱式电炉由炉体和控制器两部分组成。
  炉体以轻质空芯球氧化铝耐火材料及新型耐火纤维经先进工艺构成。发热体采用新型稀土铬酸镧电热元件。
  控制器是以单片微机为核心的可编程PID自动控制系统。它具有数字显示,断偶保护,过流保护,超温声光报警,冷端温度自动补偿等功能。用户可根据热处理工艺的要求在微机键盘上输入控制参数及升温曲线。
2.2 工作原理
  SX18工作原理框图如图1所示。

 

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图1 SX18高温箱式电阻炉及控温系统原理图

  如图所示,炉膛温度经双铂铑热电偶变成电信号后,由微机控制电子开关K,定期将热电偶信号及PN结冷端温度补偿信号送入低温漂前置放大电路。放大后的信号经电压-频率变换器转换成频率随输入电压而变化的脉冲信号,该信号经一路专用隔离器送入单片微机系统。
  计算机在一定的时间内读取脉冲个数,然后经查表运算,求出对应的测量温度,此值一方面送数码管显示,一方面与设定温度比较,根据输入参数进行PID运算,即比例-积分-微分运算,求出控制量。该控制量经输出接口,电路变成一种随控制量而变化的脉冲信号,此信号经一路专用隔离电路隔离后,送入晶闸管驱动电路,以控制晶闸管导通角的大小,从而实现自动调压控温的目的。

3 主要技术参数及测试结果
  SX18高温箱式电阻炉采用380 V、50 Hz,2相或3相电源,工作电压0~120 V,其性能测试结果见表1。

 

表1 SX18-10×20×8-HTS型高温箱式电阻炉检测报告



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