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普通电阻加热炉的设计
讲解人：马卫东
1.1目的
普通电阻加热炉一般是在高温条件下进行工作的，如若要设计此类炉子必须首先要掌握高温的基本知识及其测量方法，本讲解内容主要针对我公司非热加工专业人员的一般机械设计工程师而编制的。勿需讳言，公司新加盟的机械工程师大多属于“非内行”设计人员，“非内行”是指设计师不了解热加工工艺及工序。这些设计师们往往设计的产品对使用方来说总是非常蹩脚，因此对于他们来说在设计普通电阻加热炉前，掌握基本的热加工工艺及其相关知识也是十分重要的。 目的如下：
（1） 掌握高温炉的结构、电热体、加热原理；
（2） 掌握热电偶的测温原理、测温方法、高温炉恒温带的测量；
1.2普通电阻加热炉类型
我们所讲的普通电阻加热炉属于工业炉，而非是锅炉，常见的锅炉不属于此类高温工业炉范畴，锅炉属于能源转化设备，例如：采暖锅炉是将煤转化为热能。而工业炉是利用其它能源对工件或物料进行加热，以达到对工件或物料进行处理的目的。例如：为改善机械零件性能的热处理炉，需要对特殊零件进行焊接的钎焊炉，对粉末冶金类零件进行烧结的烧结炉等等?..相关这些炉子一般称为工业炉。 根据工业炉所用能源供给形式通常分为两类：一是燃料加热炉，二是电阻加热炉。
获得高温的设备一般称高温炉，现在使用高温炉的能源大部分是电能。由于当前全球环境不断恶化的要求，各国限制CO2的排放几乎成为共识，因此对于使用燃气的工业炉而言，其发展前景暗淡，所以一般高温炉在某种实际意义上就是指电阻加热炉。
根据加热方式的不同，电炉又分为电阻炉、电弧炉、电子束炉等等。其中用得比较多的是电阻炉 。在电阻炉中又分为管式炉、坩埚炉、马弗炉等等。
电阻炉按传热方式又分为辐射式、对流式及传导式。辐射式电阻炉是以辐射传热为主，对流较少。对流式电阻炉是以对流传热为主，辐射为辅，这些炉型一般称作空气循环炉，此类炉型常用于650℃以下的低温。当工件加热时加热介质不是空气而为其它介质时，如：加热介质是融化的盐、碱或流动粒子时，此种状态是以传导和对流两种方式对工件加热。此类炉型是我们常见的盐浴炉、碱浴炉。
依据热工制度工业炉又分周期炉和连续炉。周期炉一般是按单班、两班生产。连续炉一般是按三班连续生产。
依据炉内气氛，又细分出了氧化性气氛状态下的电阻炉【这是本讲解主要内容】、真空状态下的真空电阻炉、气氛状态下的可控气氛电阻炉、流动粒子炉等等。 依据装料形式，电阻炉又分为卧式电阻炉、立式电阻炉等炉型。
1.3一般电阻炉的结构
工业电阻炉一般由炉衬部分即隔热+耐火层、炉架、加热元件、测温及控温系统、供电系统、机械传达系统、导流系统等部分组成，无论那种形式，它们结构基本一致。如图1-1所示。
图1-1 一般工业电阻炉炉体结构
如上图所示，图中加热元件是用来将电能转换成热能的主要部件，耐火及绝热材料起隔热保温作用。为了使炉膛达到所期望的温度并在有效工作区域有合适的温度均匀性，例如：期望炉内温度到达1200℃，温度均匀性要求控制在±5℃以内，此时炉子设计时除了要考虑布置合理的加热元件以外，还需要增设循环对流导流系统，以便达到最佳的效果温度场。此外，炉体还包括炉架、炉壳、料车、接线柱等。炉壳内包容了耐火及绝缘隔热材料，炉胆支撑炉体。一般工业炉大多含机械传动系统，如炉门升降机构，物料传送机构等等。接线柱用于将电源和电热元件连接。测温及控温系统是炉子温度精度保证的核心内容，一般由二次仪表保证。
1.4电阻炉设计原理
电阻炉是一个将电能转换成热能的设备及综合装置，依据焦耳定律，当电流I流过电阻R的导体时，经过时间t便可产生热量Q：Q=0.24IRt (cal) (1-1)
通过以上公式可见：我们控制I、R、t三个参数就等于控制了Q值。即可达到控制发热体的目的。 在设计技术前，一定要牢记：为了达到增加热量值并不是意味着无限度地增加发热元件的电阻值，这往往会增加炉子的制造成本。如适当增大发热元件的电流，发热量将会成倍增加。这便是电阻炉设计原理上需要掌握的精髓。
因此合理地选用电热元件更为重要，依据设计原理首先要计算出必须的、合理的R值和足够的I值，确保在工艺及使用需要时，在规定的时间t内产生足够的热量Q，达到设备所要求的温度。这里需要强调的是：选择R值固然重要，但更为重要的是选择I值。
另一方面，即使电热元件能够发出足够的热量，设备不一定能够达到我们所需要使用的温度，之所以电炉未能达到所要求的高温，乃是因为在很大程度上取决于电炉的隔热保温状况。炉子少散热或极少散热才是更为至关重要的事情。实际上所有经验的工程师都知道：设计电炉的正确使用温度，除了取决于炉子的供热量以外，更重要的是取决于炉子的散热量。因此设计炉子的保温能力，如何合理选择保温材料的厚度，最大限量地减少热量损失是工业炉设计工程师首选的、必要的措施之一。
电热元件一般分为金属和非金属两大类。在金属电热元件中常用的有铁铬铝合金和镍铬合金、铂-铑、钼、钨、钽电热体等等，非金属的有石墨电热体、碳化硅电热体等等。 （1）铁铬铝合金电热元件
目前国产的、常见的有三种牌号：Cr25Al5、Cr17Al5、Cr13Al4等,其合金性能见表1-1，随着技术进步，含Mo等其它铁铬铝合金电热元件牌号越来越多，它们适用于1000-1300℃的温度范围内工作，甚至更高，有些新材料可达1400℃以上。它们抗氧化性好、易加工、电阻大，电阻温度系数小，价格低廉。在高温下能生成Cr2O3的致密的氧化膜，阻止空气对合金的进一步氧化，但不宜在还原气氛中使用，另外还应尽量避免与碳、酸性介质、水玻璃、石棉及有色金属等接触，以免破坏保护膜。这种电热体的主要缺点是高温强度低，经常时间在高温工作后，加热元件由于晶粒长大而变脆。 （2）镍铬合金电热体
这类合金电热体适用于1000℃以下的温度，其型号为Cr20Ni80 、Cr15Ni60等，其性能见表1-1。此种材料易加工、有较高的电阻率和抗氧化性，在高温下能生成Cr2O3或NiCr4氧化膜，但不宜再还原气氛中使用。Ni-Cr合金经高温使用后，只要没有过烧仍然很柔软。 表1-1：Ni-Cr,Fe-Cr-Al合金性能 合金种类 成份成份成份成份比重 20℃电熔电阻温度系导热系数KJ/m.h 热膨胀系最高数1/℃ 使用温度℃ Cr25Al5 23-27 4.5-6.5 Cr17Al5 16-19 4-6 余量 7.1 1.45 余量 7.2 1.3 余量 7.4 1.26 1500 (3-4)*10-5 60.25 1500 6*10-5 1450 15*10-5 1400 8.5*10-5 1390 14*10-5 60.25 60.25 60.25 45.19 15*10-6 1200 裂纹 15.6*10-6 1000 裂纹 16.5*10-6 850 裂纹 常温加工性能 2
wt％ wt％ Al wt％ wt％ Cr Ni Fe 阻系数点℃ 数1/℃ Ω/m Cr13Al4 13-15 3.5-5.5 Cr20Ni80 20-23 Cr15Ni60 15-18 75-78 余量 8.4 1.11 55-61 余量 8.15 1.1 14*10-6 1100 良好 13*10-6 1000 良好 非金属电热元件有碳化硅制品、硅钼制品和石墨 注：以上3种电热元件在今后讲解中再详细论述。 （3）耐火材料和保温材料
为了获得稳定的高温必须具备两个条件，一是要有电热体即热源，二是包围电热体以防热量向外散失的绝缘体。
耐火材料：在高温电阻炉中，发热元件本身温度较高，一般可达1400℃以上，炉膛结构需要布置合适的耐火材料。胜任耐火材料必须具备以下条件：高的耐火度、结构致密、高温条件下强度好、无明显挥发、不与炉内工作气体发生反应。
表1-2列出了常用的耐火材料主要物理性能。主要有高铝砖、刚玉管、1600℃硅酸铝纤维板等等。
表1-2：常用耐火材料 材料名称 耐火度℃ 荷重软化点(2Kg/cm)℃ 石墨制品 〉3000 硅砖 2000 1000-1630 《1400 1650-1670 1600-1670 1650-1670 1200-1400 1600-1650 900-950 1.6 1-9 1.8-2.2 2-3.2 2.96-3.10 2.5-2.9 0.4-1.3 0.35 0.45-0.65 高温电阻炉耐温部件 电阻炉炉膛内层 电阻炉炉底用砖 电阻炉炉膛内层 高温电阻炉耐火部件 电阻炉炉膛内层 电阻炉炉膛内层 电阻炉炉膛内层 2使用温度℃ 体积密度(g/cm3) 主要用途 1690-1710 1620-1650 耐火黏土砖 1610-1730 1250-1400 高铝砖 1750-1790 1400-1550 1240-1850 1470-1520 刚玉制品 2000 镁砖 2000 轻质粘土砖 1670-1710 1200 硅酸铝纤维 〉1600 硅藻土砖 1280
1650 保温材料：为了减少热损失和增加炉温的稳定性，常常在炉壳内填入保温材料，他们必须是具有导温系数小、气孔率大、具有一定的耐火度。
按温度使用可分为：A高温保温材料大于1200℃，B900-1000℃，C低于900℃三大类，有关材料见表1-3。 高温保温材料常用的有轻质粘土砖（1150-1400℃），轻质硅砖不大于（1500℃），轻质高铝转不大于（1350℃），硅酸铝纤维板（1200-1400℃）等等。 中温的保温材料常用的有：轻质珍珠岩和蛭石。
低温保温材料有石棉、矿渣棉等，石棉是很普通的隔热材料，其化学成分为含水硅酸镁，矿渣棉是将冶金熔渣用高压蒸汽吹成纤维状在空气中迅速冷却而得到的人造矿物纤维。
现在随着技术进步，目前已开发出最好的保温材料是一种高铝纤维棉，它质轻柔软似棉花，保温性能很好，使用温度最高可达1600℃
当然，硅酸铝纤维毡也以较佳保温性能被大量使用。
因此目前可供我们选择的新型保温材料大量出现，使我们开拓了设计视野，摒弃过去使用耐火砖和珍珠岩的概念，尽可能的选择最新材料，隔热保温性能会大大提高，这样我们工业炉制造除了将会变得越来越轻外，而且越来越节约能源。
表1-3常用保温材料性能 材料名称 容量(Kg/m3) 最高使用温度℃ 900 《1000 《600 400-500 1000 400-500 主要用途 硅藻土砖、管、板 500±50 膨胀蛭石 石棉板 矿渣棉 硅酸铝纤维 100-300 1150 150-180 259 电阻炉保护层 电阻炉保温层填料 电阻炉炉底、炉壳、顶等，密封材料 电阻炉保温层填料 电阻炉保温层填料 电阻炉保温层材料 矿渣棉砖、管、板 350-450