1、實驗一 高溫電阻爐的制作及恒溫帶測定一、實驗目的(1) 了解實驗室常用獲得高溫的方法，熟悉其高溫設備的結構和構成。(2)了解和加深實驗室最常用的電阻絲爐的設計和制作流程。 (3)通過高溫電阻絲爐恒溫帶的測量及繪制其溫度分布曲線，掌握高溫測量與控溫技術。二、實驗原理冶金用的高溫爐分為電爐和燃燒爐兩大類，電阻爐設備簡單，易于制作，溫度和氣氛容易控制，在實驗室使用最多，用途最為廣泛，常用的有電阻爐、感應爐、電弧爐以及等離子爐等。電阻爐是將電能轉換成熱能的裝置，采用金屬或非金屬采用做成具有一定阻值的發熱元件作為電能與熱能轉換的載體。當電流I通過具有電阻R的導體時，經過時間T便可產生熱量Q(QO.24I

2、2Rt)。當電熱體產生的熱量與爐體散熱達到平衡時，爐內即可達到恒溫。2.1.電阻爐的結構根據用途不同，實驗室用的電阻爐可以制作成豎式、臥式管狀爐以及箱式爐等，但其基本結構大致相同。圖1-1為實驗室常用的電阻爐，其結構主要由以下6部分組成：(1)電熱體。(2)電源引線。(3)爐管。4)爐殼。(5)爐襯。(6)支架。圖1-1為實驗室常用的電阻爐2.2.電熱體電熱體分為金屬和非金屬兩類, 金屬電熱體通常制成絲狀，纏繞在爐管上作為加熱元件，實驗室常用高溫爐電熱材料的化學成分和主要性能如1-1所示。表1-1 高溫爐電熱材料的化學成分和主要性能電熱體種類化學成分主要性能金屬鉻鎳合金塑性好、繞絲容易、在1O

3、OO以下的空氣環境條件下長期使用鐵鉻鋁合金耐熱性能好、在12OO以下、氧化氣氛下，塑性較差，繞制比較困難。鉑、鉑銠鉑多用于14OO以下的小型電阻爐，如爐渣熔點測定爐；鉑銠則可達16OO，氧化氣氛下升溫快，不能在還原氣氛下實驗鉬絲熔點高、長期使用可達17OO、僅能在高純氫、氨分解氣或真空中使用。在高溫氧化氣氛下會生成氧化鉬升華。非金屬硅碳（SiC）在氧化氣氛下能在14OO以下長期工作、棒狀SiC常用于箱式電阻爐(馬弗爐)，管狀SiC用于管式電阻爐。硅鉬（MoSi2）在氧化氣氛下能在17OO以下長期工作石墨工作溫度在保護氣氛(Ar、N2)中可達18OO、在真空或惰性氣氛中可達22OO。易加工成管狀

4、，也可做成板狀或其他形狀。三、實驗設計步驟 3.1、功率估算實驗室常用的電阻絲爐結構較簡單。把電阻絲繞在耐高溫爐管上，然后再把爐管放到圓筒形或方形爐殼中央，其間輔以保溫材料。最后接上控溫儀、電源及測溫熱電偶（含溫度顯示儀表），就可使用。估算電阻絲爐的最低功率消耗，需考慮使用溫度、恒溫帶尺寸、升降溫速度及散熱條件等因素。可以從理論上計算通過傳導、對流、輻射的熱損失以及材料的吸熱等，從而得出必須供給的最低電功率。實際上，由于散熱條件復雜，理論計算與實際出入較大，故一般采用經驗數據進行估算。以下結合實例加以說明。例：要求制作一個在氧化性氣氛下工作的電阻絲爐，爐管內徑Dl為5Omm，外徑D26Omm，

5、長L16OOmm，加熱帶長度L2為4OOmm，工作溫度t為1OOO。由所給條件，查表1-2得到1OOO時每1OOcm2加熱面積所需最低功率為19Ow，故此電阻絲爐所需最低功率為：表 1-2 不同溫度下每1OOcm2爐管加熱表面所需功率溫度，3OO4OO5OO6OO7OO8OO9OO功率，W2O4O6O8O1OO13O16O溫度，1OOO11OO12OO13OO14OO15OO16OO功率，W19O22O26O3OO35O4OO45O實際選取的功率P總比最低功率P要大些，以便留有余地，尤其升溫過程需要快時就可加大功率。3.2.電熱體各部分尺寸的確定。電阻絲電阻確定以后，就可根據工作溫度和使用條件

6、，選擇合適的電阻絲材料。原則上電阻絲最高使用溫度應比電爐工作溫度高80-1OO為宜。在本例，工作溫度1OOO，氧化性氣氛下使用，由手冊或文獻可以查得，Cr25Al5電阻絲就能滿足要求。其材料參數為：高溫比電阻。當選擇時，電阻絲表面允許負荷，則:電阻絲直徑：電阻絲總長： 25m 電爐管外徑D2,計算出共需繞的匝數為：由加熱帶長度算得平均螺距為：實際筑爐時，為了使恒溫帶能長些，通常不采用等螺距繞法，而是采用不等螺距繞制，即二端螺距較小，中間螺距較大的方法。主要是由于爐管兩端的散熱較大。具體見圖1-2。 圖1-2 不等螺距繞法3.3筑爐(1)根據工作溫度選用爐管材料。原則上爐管的耐火度應比工作溫度至

7、少高1OO。常用材料有粘土質管、高鋁管、莫來石管、石英管、剛玉管等。(2)按照設計的參數把電阻絲繞在爐管上，然后再安裝在爐殼中央，其間填上保溫材料，接上引線和檢測或監控儀表，即可使用。(3)內層保溫材料由于直接接觸電阻絲和爐管宜選耐火度高些，高溫下不與爐管反應較穩定的材質。如與爐管同材質的氧化鋁空心球制品等。外層保溫材料由于溫度已逐步降低，應選絕熱性好，價格低的材質，如硅酸鋁纖維、蛭石制品等。保溫層厚度取決于變壓器容量和升降溫速度要求。如果變壓器或控溫儀容量較大且升降溫速度要求快，則保溫層宜薄些。反之變壓器能力不大，則保溫層宜厚些。3.4系統的組裝(1)按照控溫精度要求選擇控溫儀。如精度要求不

8、高或不經常使用的電爐用自藕變壓器即可；對控溫精度要求較高的選用具有PID調節工程的程序控溫儀。(2)按照使用溫度和控溫精度選用熱電偶及配套儀表。(3)根據設計的最大電流選擇導線、開關等，接好全部線路。3.5.測定恒溫帶 恒溫帶是指爐管內軸向和徑向溫度分布都達到控溫精度要求的區域，此區域的位置和尺寸隨電熱體各部分尺寸，電爐工作溫度和爐管內二端保溫條件而變，因此在設計和筑爐時就應注意對恒溫帶的控制。在實驗過程中，熱電偶的熱端應接觸或盡可能靠近被加熱的試樣，三者都應在恒溫帶內。測恒溫帶時，準備兩支熱電偶，一支熱電偶的熱端放在爐管外壁中央，冷端聯接控溫儀，把爐溫控制在實驗常用溫度。另一支熱電偶作測量用，由爐管一端插入爐管內，有中央開始逐步下移，每隔5-10mm讀取一個穩定的溫度值，直到溫度降低1O-2O表示已出恒溫帶。再從爐內取出熱電偶，從上端插入爐管內，仍從爐管中央開始，逐步上移，也每隔5-l0mm讀取一個穩定的溫度值，直到溫度降低10-20 0C，表示已出恒溫帶上端。把所測定的溫度T()與相應距離X(m)數據，繪制成T-X圖，這就是溫度分布曲線,從中找出恒溫帶的位置與尺寸。四、實驗報告(自擬一道)(1)設計和制作一臺實驗室用電阻爐，其爐管內徑D1為40mm，外徑D2為50mm