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
化学成分主要性能
电热体
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
铁铬铝合⾦耐热性能好、在12OO℃以下、氧化⽓氛下，塑性较差，
绕制⽐较困难。
铂、铂铑铂多⽤于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（MoSi
2
）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、N
2
)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D
l
为5Omm，
外径D
26Omm，长L
1
6OOmm，加热带长度L
2
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，℃3OO 4OO 5OO 6OO 7OO 8OO 9OO
功率，W 2O 4O 6O 8O 1OO 13O 16O
温度，℃1OOO 11OO 12OO 13OO 14OO 15OO 16OO
功率，W 19O 22O 26O 3OO 35O 4OO 45O
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，Cr
25Al
5
电阻丝就能
满⾜要求。其材料参数为：⾼温⽐电
阻。当选
择
时，电阻丝表⾯允许负荷，则: 电阻丝直径：
电阻丝总长：≈
=
t
d
R
l
ρ
π
4
2
25m
电炉管外径D
2
，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)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D
1为40mm，外径D
2
为50mm,
炉管L
1长800mm，常⽤⼯作温度T为900 0C，加热带L
2
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,
2
MoSi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?
