普通電阻加熱爐的方案設(shè)計(jì)書

1、普通電阻加熱爐的設(shè)計(jì)講解人：馬衛(wèi)東1.1 目的普通電阻加熱爐一般是在高溫條件下進(jìn)行工作的，如若要設(shè)計(jì)此類爐子必須首先要掌握高溫的基本知識(shí)及其測(cè)量方法，本講解內(nèi)容主要針對(duì)我公司非熱加工專業(yè)人員的一般機(jī)械設(shè)計(jì)工程師而編制的。勿需諱言，公司新加盟的機(jī)械工程師大多屬于“非內(nèi)行”設(shè)計(jì)人員，“非內(nèi)行”是指設(shè)計(jì)師不了解熱加工工藝及工序。這些設(shè)計(jì)師們往往設(shè)計(jì)的產(chǎn)品對(duì)使用方來(lái)說(shuō)總是非常蹩腳，因此對(duì)于他們來(lái)說(shuō)在設(shè)計(jì)普通電阻加熱爐前，掌握基本的熱加工工藝及其相關(guān)知識(shí)也是十分重要的。目的如下：（ 1） 掌握高溫爐的結(jié)構(gòu)、電熱體、加熱原理；（ 2） 掌握熱電偶的測(cè)溫原理、測(cè)溫方法、高溫爐恒溫帶的測(cè)量；1.2 普通電阻加

2、熱爐類型我們所講的普通電阻加熱爐屬于工業(yè)爐，而非是鍋爐，常見的鍋爐不屬于此類高溫工業(yè)爐范疇，鍋爐屬于能源轉(zhuǎn)化設(shè)備，例如：采暖鍋爐是將煤轉(zhuǎn)化為熱能。而工業(yè)爐是利用其它能源對(duì)工件或物料進(jìn)行加熱，以達(dá)到對(duì)工件或物料進(jìn)行處理的目的。例如：為改善機(jī)械零件性能的熱處理爐，需要對(duì)特殊零件進(jìn)行焊接的釬焊爐，對(duì)粉末冶金類零件進(jìn)行燒結(jié)的燒結(jié)爐等等,. 相關(guān)這些爐子一般稱為工業(yè)爐。根據(jù)工業(yè)爐所用能源供給形式通常分為兩類：一是燃料加熱爐，二是電阻加熱爐。獲得高溫的設(shè)備一般稱高溫爐，現(xiàn)在使用高溫爐的能源大部分是電能。由于當(dāng)前全球環(huán)境不斷惡化的要求，各國(guó)限制 CO2 的排放幾乎成為共識(shí)，因此對(duì)于使用燃?xì)獾墓I(yè)爐而言，其發(fā)

3、展前景暗淡，所以一般高溫爐在某種實(shí)際意義上就是指電阻加熱爐。根據(jù)加熱方式的不同，電爐又分為電阻爐、 電弧爐、電子束爐等等。 其中用得比較多的是電阻爐。在電阻爐中又分為管式爐、坩堝爐、馬弗爐等等。電阻爐按傳熱方式又分為輻射式、對(duì)流式及傳導(dǎo)式。 輻射式電阻爐是以輻射傳熱為主，對(duì)流較少。對(duì)流式電阻爐是以對(duì)流傳熱為主，輻射為輔，這些爐型一般稱作空氣循環(huán)爐，此類爐型常用于650以下的低溫。當(dāng)工件加熱時(shí)加熱介質(zhì)不是空氣而為其它介質(zhì)時(shí)，如：加熱介質(zhì)是融化的鹽、堿或流動(dòng)粒子時(shí)，此種狀態(tài)是以傳導(dǎo)和對(duì)流兩種方式對(duì)工件加熱。此類爐型是我們常見的鹽浴爐、堿浴爐。依據(jù)熱工制度工業(yè)爐又分周期爐和連續(xù)爐。周期爐一般是按單班

4、、兩班生產(chǎn)。 連續(xù)爐一般是按三班連續(xù)生產(chǎn)。依據(jù)爐內(nèi)氣氛，又細(xì)分出了氧化性氣氛狀態(tài)下的電阻爐【這是本講解主要內(nèi)容】、真空狀態(tài)下的真空電阻爐、氣氛狀態(tài)下的可控氣氛電阻爐、流動(dòng)粒子爐等等。依據(jù)裝料形式，電阻爐又分為臥式電阻爐、立式電阻爐等爐型。1.3 一般電阻爐的結(jié)構(gòu)工業(yè)電阻爐一般由爐襯部分即隔熱+耐火層、爐架、加熱元件、測(cè)溫及控溫系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、機(jī)械傳達(dá)系統(tǒng)、導(dǎo)流系統(tǒng)等部分組成，無(wú)論那種形式，它們結(jié)構(gòu)基本一致。如圖1-1 所示。圖 1-1一般工業(yè)電阻爐爐體結(jié)構(gòu)如上圖所示，圖中加熱元件是用來(lái)將電能轉(zhuǎn)換成熱能的主要部件，耐火及絕熱材料起隔熱保溫作用。為了使?fàn)t膛達(dá)到所期望的溫度并在有效工作區(qū)域有合適的溫

5、度均勻性，例如：期望爐內(nèi)溫度到達(dá)1200，溫度均勻性要求控制在5以內(nèi)，此時(shí)爐子設(shè)計(jì)時(shí)除了要考慮布置合理的加熱元件以外，還需要增設(shè)循環(huán)對(duì)流導(dǎo)流系統(tǒng)，以便達(dá)到最佳的效果溫度場(chǎng)。此外，爐體還包括爐架、爐殼、料車、接線柱等。爐殼內(nèi)包容了耐火及絕緣隔熱材料，爐膽支撐爐體。一般工業(yè)爐大多含機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，如爐門升降機(jī)構(gòu)，物料傳送機(jī)構(gòu)等等。接線柱用于將電源和電熱元件連接。測(cè)溫及控溫系統(tǒng)是爐子溫度精度保證的核心內(nèi)容，一般由二次儀表保證。1.4 電阻爐設(shè)計(jì)原理電阻爐是一個(gè)將電能轉(zhuǎn)換成熱能的設(shè)備及綜合裝置，依據(jù)焦耳定律，當(dāng)電流I 流過電阻R的導(dǎo)體時(shí)，經(jīng)過時(shí)間 t 便可產(chǎn)生熱量Q： Q=0.24I 2Rt(cal)(

6、1-1)通過以上公式可見：我們控制I 、R、t 三個(gè)參數(shù)就等于控制了Q值。即可達(dá)到控制發(fā)熱體的目的。在設(shè)計(jì)技術(shù)前，一定要牢記：為了達(dá)到增加熱量值并不是意味著無(wú)限度地增加發(fā)熱元件的電阻值，這往往會(huì)增加爐子的制造成本。如適當(dāng)增大發(fā)熱元件的電流，發(fā)熱量將會(huì)成倍增加。這便是電阻爐設(shè)計(jì)原理上需要掌握的精髓。因此合理地選用電熱元件更為重要，依據(jù)設(shè)計(jì)原理首先要計(jì)算出必須的、合理的 R 值和足夠的I 值，確保在工藝及使用需要時(shí)，在規(guī)定的時(shí)間t 內(nèi)產(chǎn)生足夠的熱量Q，達(dá)到設(shè)備所要求的溫度。這里需要強(qiáng)調(diào)的是：選擇R 值固然重要，但更為重要的是選擇I 值。另一方面， 即使電熱元件能夠發(fā)出足夠的熱量，設(shè)備不一定能夠達(dá)到

7、我們所需要使用的溫度，之所以電爐未能達(dá)到所要求的高溫，乃是因?yàn)樵诤艽蟪潭壬先Q于電爐的隔熱保溫狀況。爐子少散熱或極少散熱才是更為至關(guān)重要的事情。實(shí)際上所有經(jīng)驗(yàn)的工程師都知道：設(shè)計(jì)電爐的正確使用溫度，除了取決于爐子的供熱量以外，更重要的是取決于爐子的散熱量。因此設(shè)計(jì)爐子的保溫能力，如何合理選擇保溫材料的厚度，最大限量地減少熱量損失是工業(yè)爐設(shè)計(jì)工程師首選的、必要的措施之一。電熱元件一般分為金屬和非金屬兩大類。在金屬電熱元件中常用的有鐵鉻鋁合金和鎳鉻合金、鉑-銠、鉬、鎢、鉭電熱體等等，非金屬的有石墨電熱體、碳化硅電熱體等等。（ 1）鐵鉻鋁合金電熱元件目前國(guó)產(chǎn)的、常見的有三種牌號(hào)：Cr25Al5 、C

8、r17Al5 、Cr13Al4等, 其合金性能見表1-1 ，隨著技術(shù)進(jìn)步，含Mo 等其它鐵鉻鋁合金電熱元件牌號(hào)越來(lái)越多，它們適用于1000- 1300的溫度范圍內(nèi)工作，甚至更高，有些新材料可達(dá)1400以上。它們抗氧化性好、易加工、電阻大，電阻溫度系數(shù)小，價(jià)格低廉。在高溫下能生成Cr2 O3 的致密的氧化膜，阻止空氣對(duì)合金的進(jìn)一步氧化，但不宜在還原氣氛中使用，另外還應(yīng)盡量避免與碳、酸性介質(zhì)、水玻璃、石棉及有色金屬等接觸，以免破壞保護(hù)膜。這種電熱體的主要缺點(diǎn)是高溫強(qiáng)度低，經(jīng)常時(shí)間在高溫工作后，加熱元件由于晶粒長(zhǎng)大而變脆。（2）鎳鉻合金電熱體這類合金電熱體適用于1000以下的溫度， 其型號(hào)為 Cr2

9、0Ni80、Cr15Ni60 等，其性能見表1-1 。此種材料易加工、有較高的電阻率和抗氧化性，在高溫下能生成Cr2O3 或 NiCr 4 氧化膜，但不宜再還原氣氛中使用。 Ni-Cr合金經(jīng)高溫使用后，只要沒有過燒仍然很柔軟。表 1-1 ：Ni-Cr,Fe-Cr-Al合金性能合金種類成份成份成份成份比重20電熔電阻溫度系導(dǎo)熱系熱膨脹系最高常溫wtwt Alwt wt 阻系數(shù)點(diǎn) 數(shù) 1/數(shù)數(shù) 1/使用加工CrNiFe/mKJ/m.h溫性能度Cr25Al523-27 4.5-6.5余量7.11.451500(3-4)*10-560.2515*10-61200裂紋Cr17Al516-194-6余量7

10、.21.315006*10-560.2515.6*10-61000裂紋Cr13Al413-153.5-5.5余量7.41.26145015*10-560.2516.5*10-6850裂紋Cr20Ni8020-2375-78余量8.41.1114008.5*10-560.2514*10-61100良好Cr15Ni6015-1855-61余量8.151.1139014*10-545.1913*10-61000良好非金屬電熱元件有碳化硅制品、硅鉬制品和石墨注：以上 3 種電熱元件在今后講解中再詳細(xì)論述。（3）耐火材料和保溫材料為了獲得穩(wěn)定的高溫必須具備兩個(gè)條件，一是要有電熱體即熱源，二是包圍電熱體以

11、防熱量向外散失的絕緣體。耐火材料：在高溫電阻爐中，發(fā)熱元件本身溫度較高，一般可達(dá)1400以上，爐膛結(jié)構(gòu)需要布置合適的耐火材料。勝任耐火材料必須具備以下條件：高的耐火度、結(jié)構(gòu)致密、高溫條件下強(qiáng)度好、無(wú)明顯揮發(fā)、不與爐內(nèi)工作氣體發(fā)生反應(yīng)。表 1-2 列出了常用的耐火材料主要物理性能。主要有高鋁磚、剛玉管、1600硅酸鋁纖維板等等。表 1-2 ：常用耐火材料材料名稱耐火度荷重軟化點(diǎn)使用溫度體積密度 (g/cm3)主要用途(2Kg/cm 2 ) 石墨制品300020001.6高溫電阻爐耐溫部件硅磚1690-17101620-16501000-16301-9電阻爐爐膛內(nèi)層耐火黏土磚1610-173012

12、50-1400 14001.8-2.2電阻爐爐底用磚高鋁磚1750-17901400-15501650-16702-3.2電阻爐爐膛內(nèi)層剛玉制品20001240-18501600-16702.96-3.10高溫電阻爐耐火部件鎂磚20001470-15201650-16702.5-2.9電阻爐爐膛內(nèi)層輕質(zhì)粘土磚1670-171012001200-14000.4-1.3電阻爐爐膛內(nèi)層硅酸鋁纖維160016501600-16500.35電阻爐爐膛內(nèi)層硅藻土磚1280900-9500.45-0.65保溫材料：為了減少熱損失和增加爐溫的穩(wěn)定性，常常在爐殼內(nèi)填入保溫材料，他們必須是具有導(dǎo)溫系數(shù)小、氣孔率大

13、、具有一定的耐火度。按溫度使用可分為：A 高溫保溫材料大于1200，B900- 1000， C 低于 900三大類，有關(guān)材料見表1-3 。高溫保溫材料常用的有輕質(zhì)粘土磚（1150- 1400），輕質(zhì)硅磚不大于（1500），輕質(zhì)高鋁轉(zhuǎn)不大于（ 1350），硅酸鋁纖維板（1200- 1400）等等。中溫的保溫材料常用的有：輕質(zhì)珍珠巖和蛭石。低溫保溫材料有石棉、礦渣棉等，石棉是很普通的隔熱材料，其化學(xué)成分為含水硅酸鎂，礦渣棉是將冶金熔渣用高壓蒸汽吹成纖維狀在空氣中迅速冷卻而得到的人造礦物纖維?，F(xiàn)在隨著技術(shù)進(jìn)步， 目前已開發(fā)出最好的保溫材料是一種高鋁纖維棉， 它質(zhì)輕柔軟似棉花， 保溫性能很好，使用溫度

14、最高可達(dá) 1600當(dāng)然，硅酸鋁纖維氈也以較佳保溫性能被大量使用。因此目前可供我們選擇的新型保溫材料大量出現(xiàn)， 使我們開拓了設(shè)計(jì)視野， 摒棄過去使用耐火磚和珍珠巖的概念，盡可能的選擇最新材料，隔熱保溫性能會(huì)大大提高，這樣我們工業(yè)爐制造除了將會(huì)變得越來(lái)越輕外，而且越來(lái)越節(jié)約能源。表 1-3 常用保溫材料性能材料名稱容量 (Kg/m3)最高使用溫度主要用途硅藻土磚、管、板50050900電阻爐保護(hù)層膨脹蛭石100-3001000電阻爐保溫層填料石棉板1150600電阻爐爐底、爐殼、頂?shù)龋芊獠牧系V渣棉150-180400-500電阻爐保溫層填料硅酸鋁纖維2591000電阻爐保溫層填料礦渣棉磚、管、板

15、350-450400-500電阻爐保溫層材料磷酸鹽珍珠巖制品2201000電阻爐保溫層材料玻璃纖維300750低溫電阻爐保溫層填料1.5 電阻爐的計(jì)算與設(shè)計(jì)根據(jù)不同工件大小的不同尺寸需要，設(shè)計(jì)制造的電阻爐可分為小型電阻爐、中型電阻爐、 大型電阻爐。隨著爐膛尺寸的加大，爐子加熱功率將會(huì)相應(yīng)的增加。根據(jù)不同工件大小的不同溫度需要，設(shè)計(jì)制造的電阻爐可分為低溫電阻爐、中溫電阻爐、 高溫電阻爐。隨著爐子溫度的增高，爐子加熱功率也將會(huì)相應(yīng)的增加。因此加熱功率一般是由爐膛內(nèi)部尺寸大小及工作溫度決定的。當(dāng)然還有一個(gè)重要參數(shù)也對(duì)確定功率大小起作用那就是加熱時(shí)間，也就是我們常說(shuō)的升溫速率。常見的電阻爐的功率一般在

16、10KW-1000 KW范圍不等，有時(shí)可能更高。我們這里所講的電阻爐計(jì)算與設(shè)計(jì)主要包括功率的確定，電熱體的選擇，耐火材料和保溫材料的選擇。（ 1）電阻爐功率的確定電爐功率是從能量角度上衡量電爐大小的一個(gè)指標(biāo)。如何將功率設(shè)計(jì)的恰到好處是一個(gè)重要的事情。設(shè)計(jì)太大將會(huì)造成不必要的浪費(fèi)，設(shè)計(jì)太小將會(huì)使?fàn)t子達(dá)不到溫度要求或者升溫緩慢，達(dá)不到工藝要求。確定設(shè)備功率方法較多，無(wú)論選用那種，歸納起來(lái)只有兩種：熱平衡計(jì)算法和經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法。實(shí)際上，由于電爐散熱條件的復(fù)雜性，環(huán)境溫度的可變性，要想從理論上確定爐子的功率消耗和爐子在一定功率輸入下所能達(dá)到的溫度事實(shí)上是非常困難的一件事情，即便使用計(jì)算機(jī)的手段，精確計(jì)算事

17、實(shí)上根本做不到。故一般都靠一些經(jīng)驗(yàn)的、半經(jīng)驗(yàn)的方法， 再借助熱平衡方程式，即輔助能量平衡的基本概念來(lái)確定。下面介紹的內(nèi)容將是一個(gè)極為簡(jiǎn)單的功率確定的經(jīng)驗(yàn)的方法例如：對(duì)于一個(gè)圓形爐膛【爐膛形狀根據(jù)要求可制造成各型各異的，如方形、橢圓、異性等等】來(lái)說(shuō)，首先要計(jì)算出爐膽部分內(nèi)表面積。假設(shè)：爐子為中等保溫程度，則可由表 1-4 的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)查出每 100cm2 加熱內(nèi)表面積所需的功率瓦數(shù)，然后乘以被加熱爐膛內(nèi)表面積，即可得到需要的功率。表 1-4 ：不同溫度下每100cm2 爐管表面所需功率溫度6007008009001000110012001300功率 w80100130160190220260300

18、示例 : 由電阻爐內(nèi)徑為10cm，加熱部分長(zhǎng)為80cm，預(yù)計(jì)加熱到1100，求在中等保溫情況下爐子所需功率。首先算出被加熱爐膛的內(nèi)表面積：2(1-2)S=3.14*D*L=3.14*10*80=2513(cm )由表 1-4 查出 1100時(shí)，每 100cm2 爐膛表面積所需功率 =220w，所以上述爐管的總功率：(1-3)用這種經(jīng)驗(yàn)辦法計(jì)算小型電爐所需功率，雖不十分嚴(yán)格，但實(shí)踐證明還是很適用的。確定爐子功率的經(jīng)驗(yàn)方法各種各樣，有的以公式形式出現(xiàn)，有的以圖表形式出現(xiàn)，無(wú)論使用那種，選用的正確就行。對(duì)使用熱平衡方程式方法以后再詳細(xì)介紹。(2) 電熱元件的計(jì)算根據(jù)爐膛所要達(dá)到的最高溫度和爐子的工作

19、氣氛決定電熱體的種類。例如要制作一臺(tái)在空氣中使用的爐子【即氧化性氣】，最高使用溫度為1100的電爐，則可選用Cr25Al5電熱絲為發(fā)熱體，但必須明確，電熱元件的最高使用溫度是指電熱體在干燥空氣中表面最高溫度，并非指爐膛溫度。由于散熱條件不同，一般要求爐膛最高溫度比電熱體最高使用溫度低100 - 200左右最好。另外，還必須明確的一個(gè)重要指標(biāo)是電熱體表面負(fù)荷。表面負(fù)荷是指電熱元件在單位表面積所承擔(dān)的爐子的功率數(shù)。在一定的爐子功率條件下，電熱體表面負(fù)荷選的大，則電熱體用量就少，但電熱體表面負(fù)荷越大，其壽命越短，所以選擇要適當(dāng)。表 1-5 為 Fe-Cr-Al 和 Ni-Cr 電熱體的表面負(fù)荷值，它

20、是電熱元件計(jì)算的重要參數(shù)。在進(jìn)行電熱體計(jì)算時(shí)，為了使用安全，設(shè)計(jì)時(shí)，電熱體允許表面負(fù)荷一般取下線，為了使用可控硅調(diào)節(jié)電壓，留出可調(diào)余地。工作電壓通常以 200v 計(jì)算。下面，以電阻絲爐為例說(shuō)明計(jì)算步驟：爐管尺寸為 100*110*1000mm, 要求爐膛溫度 1100，電壓 220v，氧化性氣氛，爐體中等保溫，加熱帶長(zhǎng)度 800mm,求電阻絲長(zhǎng)度和直徑。1）加熱帶面積的計(jì)算加熱帶內(nèi)表面積S=*D*L=3.14*10*800=2513cm2(1-4)功率的計(jì)算由表 1-4 查出， 1100時(shí)，每100cm2 爐管面積所需功率p=220w,所以電爐所需功率：(1-5)2）電熱體及其參數(shù)的確定根據(jù)要

21、求和表1-1 ，可選擇Cr25Al5鐵鉻鋁絲為電熱體，再根據(jù)表1-5 ， Cr25Al5 電熱體在1100時(shí)準(zhǔn)許的表面積負(fù)荷為10w/cm2。由表 1-1 查出 Cr25Al5 在 20時(shí)的比電阻Po=1.45 *mm2/m,溫度系數(shù) =（ 3-4 ） *10- 5/ ，因此1100時(shí)的比電阻(1-6)電熱絲直徑的計(jì)算：對(duì)圓線電熱絲來(lái)說(shuō)，其直徑可按式(1-7) 計(jì)算：(1-7)式中： 在工作溫度t 時(shí)的比電阻*mm/mP爐子的功率(Kw)W電熱體表面負(fù)荷w/cm2V電壓VD電熱絲直徑mm把已知數(shù)據(jù)帶入（1-7 ）式即可得到電熱絲直徑（1-8 ）電熱絲長(zhǎng)度的計(jì)算：電熱絲的截面積：(1-9)電熱絲

22、電阻：（ 1-10 ）電熱絲長(zhǎng)度：（ 1-11 ）式中： R電熱體總電阻 ；f 電阻絲截面積mm2；L電熱體總長(zhǎng)度m把已知數(shù)據(jù)代入（ 1-9 ）(1-10)(1-11)可得：表 1-5 ： Fe-Cr-Al 和 Ni-Cr 電熱體的表面積負(fù)荷值溫度正常表面積負(fù)荷正常表面積負(fù)荷正常表面積負(fù)荷正常表面積負(fù)荷正常表面積負(fù)荷（w/cm2）（w/cm2）（ w/cm2）（ w/cm2）（w/cm2）Fe-Cr-Al 電熱體Fe-Cr-Al 電熱體Fe-Cr-Al 電熱體Cr20Ni80 電熱體Cr15Ni60 電熱體Cr27Al6Cr27Al5Cr25Al5Cr20Ni80Cr15Ni605005.10

23、-8,403.90-8.402.6-4.22.4-3.45504.75-9.953.66-7.902.4-42.25-3.156004.44-7.503.44-7.352.2-3.82.05-2.956504.05-7.053.15-6.802-3.71.9-2.757003.75-6.602.9-6.251.85-3.51.7-2.557503.45-6.152.70-5.701.7-3.31.55-2.308003.15-5.702.5-5.151.6-3.051.35-2.108502.8-5.252.25-4.601.5-2.751.2-1.859002.5-4.82-4.051.35

24、-2.41.05-1.659502.25-4.351.8-3.51.25-20.9-1.4510001.95-3.901.6-2.91.15-1.50.75-1.2510501.75-3.451.45-2.551.05-1.20.6-1.011001.55-3.001.25-2.201011501.40-2.451.15-1.900.5-0.812001.25-2.001.00-1.65驗(yàn)算：上面的計(jì)算是否正確，可按表面負(fù)荷公式驗(yàn)算：(1-12)把有關(guān)數(shù)據(jù)代入（1-12 ）式，可得：這與設(shè)計(jì)時(shí)選用的表面負(fù)荷還小，故可保證安全使用。1.6 電阻爐的制作（1）確定匝數(shù)并在爐管上纏電阻絲根據(jù)上述，選

25、擇電阻絲為Cr25Al5, 其直徑 d=3.6mm.總長(zhǎng)度 L=49m,爐膛外徑 =110mm, 加熱帶長(zhǎng)度800mm.如果均勻的將電熱絲繞在爐管加熱帶上，則電熱絲匝數(shù)：(1-13)式中： n匝數(shù)L 電熱絲總長(zhǎng)度l 爐管外圓周長(zhǎng)D 爐膛外徑匝間距離 h=H/n,H 為加熱帶長(zhǎng)度，這里為 800mm所以： H=800/142=5.6(mm) 。根據(jù)上面的計(jì)算可以在爐管上纏電阻絲，但在纏時(shí)應(yīng)注意將兩頭各留一米左右電阻絲作為引線，取同一材料的電阻絲作為綁線，另外，為了纏繞均勻，應(yīng)在爐管上畫好匝間距。一般為了保證爐子的恒溫帶，在纏繞時(shí)應(yīng)按密纏 -疏纏 - 密纏的方法， 爐管兩端密纏中間疏纏，纏好后的爐

26、管， 用 Al 2 O3（經(jīng)過 1300焙燒）粉末加入磷酸或膠水?dāng)嚲鶆?，均勻的涂在爐管上，這主要是保護(hù)電阻絲高溫時(shí)不暴露在空氣中，延緩電阻絲氧化，另外還起到固定電阻絲作用，在高溫時(shí)不易脫落，爐管涂好Al 2O3 后，要陰干 24 小時(shí)。爐子裝好后要在 100烘 4 小時(shí)，除去水分， 400烘 4 小時(shí)把爐子烘干。（ 2）測(cè)定電阻爐的恒溫帶為了確定爐子的軸向溫度分布，在爐子制成后一定要測(cè)定爐子的溫度分布情況。如圖 1-2 圖 1-2 是測(cè)定電爐縱向恒溫帶的裝置略圖，首先用控溫儀把爐溫控制在要求溫度附近，此溫度應(yīng)盡量與工作溫度相近，將控溫?zé)犭娕挤旁跔t子中間盡量貼近電熱絲，再用一根足夠長(zhǎng)的熱電偶畫好

27、刻度，以備測(cè)量時(shí)使用，假設(shè)控溫儀溫度控制在 900，當(dāng)溫穩(wěn)定在 1時(shí)，開始將熱電偶下插一個(gè)刻度，并記錄下此點(diǎn)插入深度和溫度。例如：表 1-6SV900900900900900900900900PV901899900901901900899900插入深度 mmaBcDeFGh實(shí)際溫度 940956963962960958952945圖 1-2測(cè)定電爐縱向恒溫帶的裝置示意圖當(dāng)溫度穩(wěn)定后再下插一個(gè)刻度，直到最高溫度點(diǎn)出現(xiàn)后，再測(cè)到和起始點(diǎn)溫度差不多點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)，測(cè)試完畢。用插入深度和實(shí)際溫度作圖。所謂爐子的恒溫帶是指具有一定恒溫精度的加熱帶長(zhǎng)度。因此在得出爐子恒溫帶的同時(shí)，還要指出爐子其工作溫度與恒溫精

28、度。利用表 1-6 試求 ah 和 bg 長(zhǎng)度上的恒溫帶。在 ah 兩點(diǎn)之間共測(cè)八個(gè)點(diǎn)，其平均值為：（）（1-14 ）式中： ti 為各點(diǎn)溫度測(cè)定值n為測(cè)定點(diǎn)數(shù)ti 為各測(cè)量點(diǎn)值與平均值之差，則其算術(shù)平均值偏差t 為 :（）（1-15 ）所以 ah 兩點(diǎn)之間的恒溫代為9546。用同樣的方法 bf 間的恒溫帶為 9592，由此可見，恒溫帶的恒溫精度與恒溫帶的長(zhǎng)度有關(guān)，恒溫帶越短精度越高。當(dāng)然恒溫帶要滿足式樣的要求。1.7 溫度的測(cè)量 - 熱電偶所謂二次儀表是由熱電偶、控溫儀表和補(bǔ)償導(dǎo)線組成。此種類型的溫度測(cè)量方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高使用方便，適用于遠(yuǎn)距離測(cè)量和自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)，因此，無(wú)論是在生產(chǎn)和

29、實(shí)驗(yàn)中，熱電偶都是主要的測(cè)溫工具。（1）熱電偶的工作原理熱電偶是熱電高溫集中的敏感元件，實(shí)際上它是一種換能器，本質(zhì)上說(shuō)是將熱能轉(zhuǎn)換成電能來(lái)用于測(cè)量和控制的，所以可用熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)來(lái)計(jì)算溫度。其工作原理是：在一個(gè)由兩種不同金屬導(dǎo)體路中，如果 t1 t0, 這時(shí)毫伏計(jì)將指示出一個(gè)數(shù)值（圖 1-3 ）A和 B組成的回這個(gè)數(shù)值就稱為熱電勢(shì)，即為Eab，導(dǎo)體 A 和 B 稱為熱電偶的熱電極。1 端稱為工作端或測(cè)量端，2 端稱自由端或參考端、冷端。當(dāng)A、 B 兩種材料選定后，則熱電偶的熱電勢(shì)僅與兩導(dǎo)體接點(diǎn)1、2 處的溫度有關(guān)。它們的分電勢(shì)為eAB(t1),eAB(t0)?？傠妱?shì)如式（1-16 ）：E

30、AB(t1to)=eAB(t1) -eAB(t0)(1-16)當(dāng)自由端溫度恒定時(shí)，則eAB(t0) 為常數(shù)，那么EAB(t1to)=eAB(t1)-C=f(t1)(1-17)式中當(dāng) C=0時(shí) EAB(t1t0)=eAB(t1) ，故通過測(cè)量熱電勢(shì)即可達(dá)到測(cè)溫的目的。通常 to 保持在 0EAB(t10)的數(shù)值可由數(shù)字電壓表讀出，所對(duì)應(yīng)的溫度值可以從“熱電偶毫伏對(duì)照表”查出，所測(cè)溫度也可用溫度顯示儀直接顯示，若冷端溫度不為0，則需對(duì)其修正。（ 2）熱電偶材料用作熱電偶的材料應(yīng)由如下條件；1)熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系是線性關(guān)系；2)產(chǎn)生的熱電勢(shì)數(shù)值要高且穩(wěn)定，并有重現(xiàn)性；3)熱電偶的材料要有抗腐蝕性和一

31、定的機(jī)械強(qiáng)度，易于加工。在常使用的的熱電偶中，又分標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，國(guó)內(nèi)常用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的特性如表非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶使用較為普遍的是鎢錸和鉑銠系見（表 1-8 ），國(guó)內(nèi)生產(chǎn)鎢錸熱電偶為1-7WRe(5/20),所示。鎢錸熱電偶從 1370起靈敏度開始下降， 在 2000分度時(shí)， 數(shù)據(jù)分散， 因此，使用溫度應(yīng)在 2000以下， WRe(5/20) 熱電偶絲的均勻性差，無(wú)互換性，每批生產(chǎn)出的分度是不同的，在使用時(shí)應(yīng)特別注意。表 1-7 ：常用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶特性熱電偶名稱分度號(hào)熱電及材料使用溫度使用條件極性識(shí)別化學(xué)成分長(zhǎng)期短期鉑銠 10鉑+較硬Pt90 ,Rh10 13001600氧化性，中LB-3Pt

32、100 13001600性氣氛柔軟鉑銠 30鉑+較硬Pt70 ,Rh30 16001800氧化性，中銠 6LL-2Pt94 ,Rh6 性氣氛柔軟鎳鉻鎳硅+不親磁Cr9-10 ,sioo.4 ,Ni90 1200氧化性，中EU-2Si2.5-3 ,Co0.6 ,Ni971000性氣氛稍親磁+色較暗Cr9-10 ,sioo.4 ,Ni90 800鎳鉻考銅EA2Cu56-57,Ni43-44600銀白色+紅色Cu100200300銅考銅CKCu55 ,Ni45 銀白色表 1-8 ：非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶特性使用溫度 / 熱電偶種類極性 熱電極成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù) 備注長(zhǎng)期 短期+ Pt80,Rh20鉑銠 20/40

33、17001900 在氧化性、中性氣氛使用，熱電勢(shì)小- Pt60,Rh40+Pt95,Rh5鉑銠 5/2016001800 在氧化性、中性氣氛使用，熱電勢(shì)小- Pt80,Rh20+W95,Re5鎢錸（ 5/26 ）23002700在真空，惰性和弱還原氣氛中使用- W74,Re26+W95,Re5鎢錸（ 5/20 ）20002400在真空，惰性和弱還原氣氛中使用- W80,Re20（ 3）熱電偶的使用熱電偶使用前，工作端（熱端）必須焊在一起，常用的焊接方法有：1)直流電??；2)鹽水焊接（見圖1-4 ）；3)氬弧焊，適用于鎢錸熱電偶。圖 1-4 熱電偶鹽水焊接示意圖熱電偶測(cè)溫時(shí)，通常使用絕緣管和保護(hù)

34、套管，以使兩極分開避免熱電極與被測(cè)介質(zhì)接觸。在冶金高溫試驗(yàn)時(shí)，通常用雙孔細(xì)剛玉管作為絕緣管將兩根熱電極分開，用一端封閉的剛玉管作為熱電偶的保護(hù)套管。熱電偶使用一段時(shí)間后，其熱電特性會(huì)發(fā)生變化，因此需送熱電偶檢定部門進(jìn)行校正，以保證測(cè)溫精確。在實(shí)際測(cè)溫中，熱電偶的基本測(cè)溫線路如圖1-4 所示。所測(cè)的熱電勢(shì)可以再分度表上查出相應(yīng)的溫度值。例如，鉑銠10- 鉑熱電偶 0- 30的分度表如表1-9 所示。表 1-9 鉑銠 10- 鉑熱電偶分度表（分度號(hào)：LB3）( 自由端溫度為 0)工作0123456789端溫mv(絕對(duì)mv(絕對(duì)mv(絕對(duì)mv(絕對(duì)mv(絕對(duì)mv(絕對(duì)mv(絕對(duì)mv(絕對(duì)mv( 絕對(duì)

35、mv(絕度伏伏伏伏伏伏伏伏伏對(duì)伏00.00000.0050.0110.0160.0220.0280.0330.0390.0440.050100.0560.0610.0670.0730.0780.0840.0900.0960.102.107200.1130.1190.1250.1310.1370.1430.1490.155.1610.167300.1730.1790.1850.1910.1980.2040.2100.2160.2220.229標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的分度表示治自由端為0時(shí)的熱電勢(shì)，實(shí)際測(cè)溫條件下自由端不一定是零度，由此會(huì)帶來(lái)誤差，應(yīng)該加以修正。自由度溫度的修正方法：當(dāng)自由端溫度t1 0。但恒

36、定不變或變化很小時(shí)，可采用計(jì)算法進(jìn)行休整。此時(shí)熱電偶實(shí)際的熱電勢(shì)應(yīng)為測(cè)量值與修正值之和，即：EAB(t1,to)=EAB(t,t1)+EAB(t1,to)(1-18)式中： EAB(t,t1)當(dāng)自由端溫度為t1 時(shí)，測(cè)溫儀表的讀數(shù)：EAB(t1,to)當(dāng)自由端溫度為t1 時(shí)的修正值；例如：用鉑銠 10- 鉑熱電偶測(cè)溫時(shí)， 自由端溫度t1=30, 在直流電位差計(jì)上測(cè)得的熱電勢(shì)E(t,30)=13.542mv,試求爐溫。由LB-3 分度表查得E(30,0)=0.173mv。由式（1-18 ）可得：EAB(t,t0)=EAB(t,t10+EAB(t1,t0)=13.542+0.173=13.715m

37、v再由 LB-3 分度表查得13.715mv 為 1350。若自由端不修正，測(cè)得13.542mv 對(duì)應(yīng)的是 1336，與實(shí)際溫度 1350相差14。1.8 溫度的控制我們生活的空間內(nèi)到處有有自動(dòng)控溫設(shè)備，如電冰箱、空調(diào)、恒溫水浴等等，當(dāng)然我們今天要講的高溫電阻爐?，F(xiàn)在這些自動(dòng)控溫設(shè)備中多數(shù)采用電子調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行溫度控制，電子調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有控溫范圍廣、可任意設(shè)定溫度、控溫精度高等優(yōu)點(diǎn)。控溫原理見圖1-5圖 1-5電子調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控溫原理電子調(diào)節(jié)系統(tǒng)種類很多，但從原理上講，它必須包括三個(gè)基本部件，即變換器、電子調(diào)節(jié)器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。變換器的功能是將被控對(duì)象的溫度信號(hào)變換成電信號(hào); 電子調(diào)節(jié)器的功能是對(duì)來(lái)自變

38、換器的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量、比較、放大和運(yùn)算，最后發(fā)出某種形式的指令，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行加熱或致冷（見圖1-5 ）。電子調(diào)節(jié)系統(tǒng)按其自動(dòng)調(diào)節(jié)規(guī)律可以分為斷續(xù)式二位置控制和比例- 積分 - 微分控制兩種，簡(jiǎn)介如下:1. 斷續(xù)式二位置控制我們常用的電烘箱、電冰箱、高溫電爐和恒溫水浴等，大多采用這種控制方法。變換器的形式分為:(1) 雙金屬膨脹式圖 1-6雙金屬膨脹式溫度控制器示意圖利用不同金屬的線膨脹系數(shù)不同，選擇線膨脹系數(shù)差別較大的兩種金屬，線膨脹系數(shù)大的金屬棒在中心，另外一個(gè)套在外面，兩種金屬內(nèi)端焊接在一起，外套管的另一端固定，見圖1-6 。在溫度升高時(shí)，中心金屬棒便向外伸長(zhǎng)，伸長(zhǎng)長(zhǎng)度與溫度成正比。通過調(diào)

39、節(jié)觸點(diǎn)開關(guān)的位置，可使其在不同溫度區(qū)間內(nèi)接通或斷開，達(dá)到控制溫度的目的。其缺點(diǎn)是控溫精度差，一般有幾K 范圍。(2) 若控溫精度要求在1K 以內(nèi)，實(shí)驗(yàn)室多用導(dǎo)電表或溫度控制表（電接點(diǎn)溫度計(jì)）作變換器( 見圖 1-7) 。圖 1-7電子繼電器線路圖Re 為 220V、直流電阻約2200 的電磁繼電器1. 電接點(diǎn)溫度計(jì)； 2. 銜鐵； 3. 電熱器。繼電器多采用以下幾種 :a. 電子管繼電器電子管繼電器由繼電器和控制電路兩部分組成， 其工作原理如下 : 可以把電子管的工作看成一個(gè)半波整流器（圖 II-1-13 ）， 并聯(lián)電路的負(fù)載，負(fù)載兩端的交流分量用來(lái)作為柵極的控制電壓。當(dāng)電接點(diǎn)溫度計(jì)的觸點(diǎn)為斷

40、路時(shí)，柵極與陰極之間由于的耦合而處于同位，即柵極偏壓為零。這時(shí)板流較大，約有18mA通過繼電器，能使銜鐵吸下，加熱器通電加熱; 當(dāng)電接點(diǎn)溫度計(jì)為通路，板極是正半周，這時(shí) 的負(fù)端通過 和電接點(diǎn)溫度計(jì)加在柵極上，柵極出現(xiàn)負(fù)偏壓，使板極電流減少到2.5mA，銜鐵彈開，電加熱器斷路。因控制電壓是利用整流后的交流分量，Re 的旁路電流C1 不能過大，以免交流電壓值過小，引起柵極偏壓不足，銜鐵吸下不能斷開; C1 太小，則繼電器銜鐵會(huì)顫動(dòng)，這是因?yàn)榘辶髟谪?fù)半周時(shí)無(wú)電流通過，繼電器會(huì)停止工作，并聯(lián)電容后依靠電容的充放電而維持其連續(xù)工作，如果C1 太小就不能滿足這一要求。C2 用來(lái)調(diào)整板極的電壓相位，使其與柵

41、壓有相同的峰值。R2 用來(lái)防止觸電。電子繼電器控制溫度的靈敏度很高。通過電接點(diǎn)溫度計(jì)的電流最大為30A，因而電接點(diǎn)溫度計(jì)使用壽命很長(zhǎng)，故獲得普遍使用。b. 晶體管繼電器隨著科技的發(fā)展，電子管繼電器中電子管逐漸被晶體管代替，典型線路見圖 -1-14 。當(dāng)溫度控制表呈斷開時(shí)，E 通過電阻給 PNP型三極管的基極b 通入正向電流，使三極管導(dǎo)通， 電極電流使繼電器J 吸下銜鐵，K 閉合，加熱器加熱。當(dāng)溫度控制表接通時(shí)，三極管發(fā)射極e 與基極 b 被短路，三極管截止，J 中無(wú)電流，K 被斷開，加熱器停止加熱。當(dāng)J 中線圈電流突然減少時(shí)會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，二極管D的作用是將它短路，以保護(hù)三極管避免被擊穿。c.

42、 動(dòng)圈式溫度控制器由于溫度控制表、雙金屬膨脹類變換器不能用于高溫，因而產(chǎn)生了可用于高溫控制的動(dòng)圈式溫度控制器。采用能工作于高溫的熱電偶作為變換器，其原理見附圖-1-15 。熱電偶將溫度信號(hào)變換成電壓信號(hào)，加于動(dòng)圈式毫伏計(jì)的線圈上，當(dāng)線圈中因?yàn)殡娏魍ㄟ^而產(chǎn)生的磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)相作用時(shí)，線圈就偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度，故稱為“動(dòng)圈”。 偏轉(zhuǎn)的角度與熱電偶的熱電勢(shì)成正比， 并通過指針在刻度板上直接將被測(cè)溫度指示出來(lái)，指針上有一片“鋁旗”，它隨指針左右偏轉(zhuǎn)。另有一個(gè)調(diào)節(jié)設(shè)定溫度的檢測(cè)線圈，它分成前后兩半，安裝在刻度的后面，并且可以通過機(jī)械調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)沿刻度板左右移動(dòng)。檢測(cè)線圈的中心位置，通過設(shè)定針在刻度板上顯示出來(lái)。 當(dāng)

43、高溫設(shè)備的溫度未達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，鋁旗在檢測(cè)線圈之外，電熱器在加熱 ; 當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，鋁旗全部進(jìn)入檢測(cè)線圈，改變了電感量，電子系統(tǒng)使加熱器停止加熱。為防止當(dāng)被控對(duì)象的溫度超過設(shè)定溫度時(shí)，鋁旗沖出檢測(cè)線圈而產(chǎn)生加熱的錯(cuò)誤信號(hào)，在溫度控制器內(nèi)設(shè)有擋針。圖 1-8晶體管繼電器圖 1-9動(dòng)圈式溫度控制機(jī)構(gòu)2. 比例 - 積分 - 微分控制（簡(jiǎn)稱 PID ）隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，要求控制恒溫和程序升溫或降溫的范圍日益廣泛，要求的控溫精度也大大提高，在通常溫度下，使用上述的斷續(xù)式二位置控制器比較方便，但是由于只存在通斷兩個(gè)狀態(tài)，電流大小無(wú)法自動(dòng)調(diào)節(jié)，控制精度較低，特別在高溫時(shí)精度更低。20 世紀(jì) 60

44、 年代以來(lái)，控溫手段和控溫精度有了新的進(jìn)展，廣泛采用PID 調(diào)節(jié)器，使用可控硅控制加熱電流隨偏差信號(hào)大小而作相應(yīng)變化，提高了控溫精度。PID 溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理見附圖1-10:圖 1-10PID 溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖爐溫用熱電偶測(cè)量，由毫伏定值器給出與設(shè)定溫度相應(yīng)的毫伏值，熱電偶的熱電勢(shì)與定值器給出的毫伏值進(jìn)行比較，如有偏差，說(shuō)明爐溫偏離設(shè)定溫度。此偏 , 差經(jīng)過放大后送入 PID 調(diào)節(jié)器，再經(jīng)可控硅觸發(fā)器推動(dòng)可控硅執(zhí)行器， 以相應(yīng)調(diào)整爐絲加熱功率， 從而使偏差消除，爐溫保持在所要求的溫度控制精度范圍內(nèi)。比例調(diào)節(jié)作用，就是要求輸出電壓能隨偏差 ( 爐溫與設(shè)定溫度之差 ) 電壓的變化，自動(dòng)按比例增加

45、或減少，但在比例調(diào)節(jié)時(shí)會(huì)產(chǎn)生“靜差”，要使被控對(duì)象的溫度能在設(shè)定溫度處穩(wěn)定下來(lái)，必須使加熱器繼續(xù)給出一定熱量，以補(bǔ)償爐體與環(huán)境熱交換產(chǎn)生的熱量損耗。但由于在單純的比例調(diào)節(jié)中，加熱器發(fā)出的熱量會(huì)隨溫度回升時(shí)偏差的減小而減少，當(dāng)加熱器發(fā)出的熱量不足以補(bǔ)償熱量損耗時(shí)，溫度就不能達(dá)到設(shè)定值，這被稱為“靜差”。為了克服“靜差”需要加入積分調(diào)節(jié)，也就是輸出控制電壓與偏差信號(hào)電壓與時(shí)間的積分成正比，只要有偏差存在，即使非常微小，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的積累，就會(huì)有足夠的信號(hào)去改變加熱器的電流，當(dāng)被控對(duì)象的溫度回升到接近設(shè)定溫度時(shí)，偏差電壓雖然很小，加熱器仍然能夠在一段時(shí)間內(nèi)維持較大的輸出功率，因而消除“靜差”。微分調(diào)節(jié)

46、作用，就是輸出控制電壓與偏差信號(hào)電壓的變化速率成正比，而與偏差電壓的大小無(wú)關(guān)。這在情況多變的控溫系統(tǒng)，如果產(chǎn)生偏差電壓的突然變化，微分調(diào)節(jié)器會(huì)減小或增大輸出電壓，以克服由此而引起的溫度偏差，保持被控對(duì)象的溫度穩(wěn)定。PID 控制是一種比較先進(jìn)的模擬控制方式，適用于各種條件復(fù)雜、情況多變的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。目前，已有多種PID 控溫儀可供選用， 常用型號(hào)一般有 :DWK-720、DWK-703、DDZ-II 、DDZ-II 、DTL-121 、DTL-161、DTL-152、 DTL-154 等，其中 DWK系列屬于精密溫度 , 自動(dòng) , 控制儀， 其它是 PID 的調(diào)節(jié)單元， DDZ-III 型調(diào)節(jié)單元可與計(jì)算機(jī)聯(lián)用，使模擬調(diào)節(jié)更加完