SX18高溫箱式電阻爐
孫良成1，李德輝1，蘇大良1，武澤恩2
(1.包頭稀土研究院，內蒙古包頭014010;2.呼和浩特市實驗電爐廠，內蒙古呼和浩特010030)
摘要：介紹了SX18高溫箱式電阻爐的結構特點和控溫系統的工作原理；電爐主要技術參數及測試結果；環境溫度對測量溫度的影響。電爐可在1750℃下正常使用，短期內可在1800℃下使用。 關鍵詞：電阻爐；高溫；溫度控制
中圖分類號:TM924.33 文獻標識碼:A 文章編號:100221639(1999)0520016203
SX18H igh Te m perature Box-type Resist ance Furnace
SUN L iang2cheng1,L ID e2hui1,SU D a2liang1,WU Ze2en2
(1.Bao tou R are Earth Inst.,Bao tou014010,Ch ina;
2.H uhehao te L abo rato ry E lectric Furnace Facto ry,H uhehao te010030,Ch ina)
Abstract:T he autho rs introduce the structure of the SX18h igh temperature box2type resistance furnace,the w o rk ing p rinci2 p le of its temperature contro l system,the m ain technical param eters and their m easuring results,and the effect of am bient temperature on the m easured temperature.T he furnace can be no r m ally ud under1750℃and sho rtly fo r1800℃.
Key W ords:electric resistance furnace;h igh temperature;temperature contro l
1 前言
新材料科學是當今全球范圍內的一項高精尖熱門科學，在新材料的研究開發中，高溫熱處理設備，如高溫箱式電阻爐，是研究開發新材料必不可少的實驗設備，也是國內外目前迫切需要解決的問題。
SX18高溫箱式電阻爐為目前國內外溫度最高的間接電阻爐。在氧化氣氛下，該爐的最高溫度可達1800℃，常用溫度為1750℃。經國
家電爐質量監督檢驗測試中心檢測,
SX18高溫箱式電阻爐的各項性能指
標均滿足技術要求，并已成功地應用
于冶金，光纖測溫，精密陶瓷燒結，耐
火材料特性測量。
2 結構及工作原理
2.1 結構
SX18高溫箱式電爐由爐體和控
制器兩部分組成。
爐體以輕質空芯球氧化鋁耐火材
料及新型耐火纖維經先進工藝構成。
發熱體采用新型稀土鉻酸鑭電熱元
件。
收稿日期:1999205224
基金項目：國家重點科技項目(852*********).
獲獎情況：冶金部科技研究成果四等獎，包鋼(集團)公司科技進步二等獎.
作者簡介：孫良成(19622 )，男，高級工程師.
控制器是以單片微機為核心的可編程P I D自動控制系統。它具有數字顯示，斷偶保護，過流保護，超溫聲光報警，冷端溫度自動補償等功能。用戶可根據熱處理工藝的要求在微機鍵盤上輸入控制參數及升溫曲線。
2.2 工作原理
SX18工作原理框圖如圖1所示。
圖1 SX18高溫箱式電阻爐及控溫系統原理圖
如圖所示，爐膛溫度經雙鉑銠熱電偶變成電信號后，由微機控制電子開關K，定期將熱電偶信號及PN結冷端溫度補償信號送入低溫漂前置放大電路。放大后的信號經電壓2頻率變換器轉換成頻率隨輸入電壓而變化的脈沖信號，該信號經一路專用隔
離器送入單片微機系統。
計算機在一定的時間內讀取脈沖個數，然后經查表運算，求出對應的測量溫度，此值一方面送數碼管顯示，一方面與設定溫度比較，根據輸入參數進行
P I D運算，即比例2積分2微分運算，求出控制量。該控制量經輸出接口，電路變成一種隨控制量而變化
的脈沖信號，此信號經一路專用隔離電路隔離后，送入晶閘管驅動電路，以控制晶閘管導通角的大小，從而實現自動調壓控溫的目的。
3 主要技術參數及測試結果
SX18高溫箱式電阻爐采用380V、50H z,2相或3相電源，工作電壓0～120V，其性能測試結果見表1。
表1 SX18210×20×82H T S型高溫箱式電阻爐檢測報告
試驗項目技術要求試驗結果額定功率 k W76.75
額定溫度 ℃17501750
最高溫度 ℃18001800
空爐升溫時間 h1413.7
空爐損失 k W≤5.45.21
爐溫均勻度 ℃≤22+0.52
-15.45爐溫穩定度 ℃≤±4±0.34
表面溫升 ℃
門(蓋)中心≤10034
側壁中心≤10038
后部中心≤10041
絕緣電阻 M8≥0.511.4
爐膛尺寸 mm100×220×80100×220×80
工作區尺寸 mm50×137×5650×137×56
這一結果表明，由于SX18高溫電爐采用了新型稀土鉻酸鑭加熱元件，特殊的耐火、保溫材料以及先進的工藝及微機控制技術，使其具有以下特點:
(1)爐溫高。最高溫度可達1800℃，常用溫度1750℃，測試過程中,1750℃下連續保溫運行9 h,1800℃下連續保溫運行1h。
(2)保溫性能好。在1750℃高溫下，爐門蓋中
心溫升≤34℃，爐側壁中心溫升≤38℃，爐后部中心溫升≤41℃。
(3)控制精度高。爐溫均勻性好,1750℃時爐
溫的控制精度為±1℃。
4 國內外同類產品性能情況
目前國內箱式電阻爐主要分為兩大類，一是硅碳棒電爐，其使用溫度一般在1400℃以下，二是硅鉬棒電爐，其使用溫度一般在1600℃以下，如果超過1600℃，硅鉬棒便會軟化，表面剝落以至斷裂。
另外，國內在兩年前就研制成功了一種氧化鋯實驗電爐，該爐最高溫度可達2400℃。但這種電爐必須
在還原氣氛下運行，而且需要另設一套預熱系統，氧化鋯發熱元件只有在這兩個條件下才能使爐溫升至2400℃，其結構及運行操作都比較復雜。
1800℃高溫電爐最早是由日本化學陶業株式會社于80年代初研制成功的。目前國際上擁有這樣高溫電爐的國家為數很少，主要是日本、美國等技術先進的國家。中科院化工研究所于1988年以16萬元人民幣進口了一臺鉻酸鑭高溫電爐。其爐體為管式結構。爐膛有效容積為 50mm×150mm，額定升溫范圍為0～1700℃。我們所研制的SX18高溫電爐的爐膛有效容積以及升溫范圍較進口產品更優越些。進口產品的控制系統亦采用微機處理，程序控制，數字顯示，其控制機理與我們基本相同。與進口產品銷售價相比，我們的價格僅為其1 3。
5 兩個關鍵技術問題的探討
5.1 電熱元件
圖2 不同發熱材料最
高使用溫度示意圖
電熱元件可謂電爐的
核心部件，電爐能達到多
高的溫度，主要取決于電
熱元件的材質。不同材質
電熱元件最高使用溫度如
圖2所示。稀土鉻酸鑭高
溫電爐的電熱元件為鉻酸
鑭發熱體，其主要成分為
L aC r O3，熔點為2490℃;
發熱體有效熱負荷面積約
為50c m2。在不同溫度下,
鉻酸鑭發熱體的表面負荷密度為表2所示。
表2 鉻酸鑭發熱元件不同溫度下允許的表面負荷密度
爐內溫度 ℃
表面負荷密度 W?c m-2
額定值短期使用值16001320
17001218
18001016
由表2所給參數可見，在額定溫度1750℃下，每只發熱元件的額定功率約為50×12=600W。
在額定功率下，鉻酸鑭電熱元件的壽命如何呢?國外同類產品最佳壽命測試結果如圖3所示。由圖可見，當鉻酸鑭電熱元件表面熱負荷密度為9～11 W c m2時,1700℃下其連續使用壽命約為104h, 1800℃下其連續使用壽命約為103h。由此可見，高溫下爐溫每升高100℃，電熱元件的壽命便降低9000h。如果類推的話，溫度每升高1℃，電熱元件的使用壽命就會降低90h。可見爐溫的高低對元件
圖3 鉻酸鑭發熱元件使用壽命與電爐使用溫度關系曲線的使用壽命至關重要。
實際使用情況又如何呢?通過多年的摸索及試驗我們發現，由于鉻酸鑭電熱元件系半導體等多種成分構成，它不僅對溫度十分敏感，對個別元素的污染也十分敏感。這種電熱元件一旦受到了污染，不僅電阻變化較
大，其使用壽命也會降低。因而在實際使用操作過程中，要盡可能避免Si、N、H、C等元素的影響。
另外，如果電熱元件的表面負荷密度超過其額定值，其使用壽命也會大大降低，這就要求我們必須嚴格按技術條件要求操作運行。
綜合溫度以及元素污染等諸多因素對鉻酸鑭電熱元件壽命的影響，我們的實驗結果表明，當發熱元件表面負荷密度大于其額定值時，其實際使用壽命不低于300h。
5.2 延長導線對高溫電爐溫度測量的影響
眾所周知，為了提高測溫精度，將熱電偶冷端等熱電勢傳送到儀表或控制器的輸入端均采用同材料或近似的補償導線。但是對于雙鉑銠熱電偶而言，目前還沒有比較合適的補償導線，通常均以銅材質的延長導線代用。那么這種代用對溫度的測量將會產生多大的影響呢?這個問題的提出似乎沒有什么必要。因為雙鉑銠熱電偶在50℃以下的毫伏值很小(<2ΛV)而且線性度較差，因而低溫端產生十幾度以至幾十度的誤差無妨，也沒有采用補償導線的必要。然而對于鉻酸鑭高溫電爐而言，這個問題的提出也許有其一定的必要性。
因為對高溫爐而言，由于強烈的熱輻射,1750℃下熱電偶的冷端溫度高達80℃左右，這與室溫相差約60℃。即使測溫裝置具有冷端溫度自動補償功能，但它只能對補償導線延伸末端的室溫作近似補償，對延長導線而言，這種補償效果更差，從而引起的測量誤差也將更大。那么因延長導線的影響是否有可能使測量溫度較爐膛的實際溫度低幾十度或更多呢?這樣在設定溫度1750℃下，電熱元件以及熱電偶所承受的溫度就有可能超過1800℃，而雙鉑銠熱電偶在1800℃時只能短期使用，這就很容易造成燒毀熱電偶及電熱元件的事故。
那么因延長導線的影響，究竟會造成多大的測量誤差呢?目前我們還沒有找到有關的記載資料。為此我們進行了如下的試驗。
取兩只校驗了的雙鉑銠熱電偶，將其同時置于SX18高溫電爐有效容積的同一點上。其中一只熱偶絲長2500mm，通過切換開關直接送入一塊精度為0.1%±1個字的數字溫度顯示器；另一只熱偶絲長500mm，通過0.75mm銅質延長導線及切換開關送入同一數字溫度顯示器，然后觀察兩只熱電偶的測量誤差，測量結果如表3所示。
表3 測溫誤差對比表℃測溫時間
2500mm
熱電偶測溫
500mm
熱電偶測溫
測溫誤差9:0712610521
10:1020818226
11:0029827424
11:3037534233
12:0045342231
12:3053850632
13:0061858731
13:3070067228
14:0082980029
14:3092990128
15:00100398023
15:301160114020
16:001234121519
16:301327130522
17:001414140113
17:301575156411
18:00168916809
18:30175017419
19:001800179010
19:30180017919
在忽略環境影響，切換開關以及測溫儀表等某些共性誤差外，通過雙鉑銠熱偶絲直接送入測溫儀表而測得的溫度自然較為準確。如果我們將這一測量溫度看作爐膛實際溫度的話，這一對比測試結果表明，通過延長導線測量所得溫度并不能真正反映爐膛的實際溫度，而是較實際溫度低十幾度到幾十度，反映在低溫端的誤差較大，而高溫的誤差較小。如何從理論上解釋這一現象，尚有待于進一步探討。不過這一試驗結果至少可以給我們這樣一個啟示：利用雙鉑銠熱電偶通過延長導線測溫控溫，如果升溫1750℃，將設定值定為1740℃也許更精確，更有助于延長發熱元件的壽命。
6 結語
SX18高溫電爐的研制成功，達到了預期的技術要求，可供工礦企業，科研院所，大中專院校等單位作高溫精密陶瓷燒結，高熔點單晶拉制，高溫合金及爐渣的熔煉，高溫玻璃熔化，高溫物性測定及其他熱處理使用。
