窑炉设计——设计实验室电阻炉.docVIP

实验室电阻炉设计 一、设计要求 设计一座容积为0.001M3，使用温度为1400℃的实验室电阻炉。 关于电阻炉 1. 电阻炉（马弗炉）概念 利用流经元件本身的电流，由于自身的电阻产生的焦耳热，从而使整个封闭炉膛的温度达到需要的温度，制品则放入炉膛中完成升温、烧结的过程，该种烧结炉，我们称之为马弗炉（muffle furnace）或电阻炉。 电热窑炉特点（与火焰窑炉相比） 易获得高温；精密控温；易实现真空、气氛、加压等烧结工艺；产品质量好、稳定；传热效率高，污染少；结构简单，劳动强度小，使用寿命长；生产成本较高。 其产量小，规模小，只适合实验室或小型试验、生产。 3. 电热窑炉的结构 电热窑炉的结构包括：炉壳、炉衬、电热元件及辅助设备。 对于电热窑炉的炉壳要求气密性良好，而对炉衬的要求是耐高温、低蓄热、热损少、电绝缘性好。电热元件则需要综合电阻炉的使用温度、升温速率、使用气氛、调压范围、恒温带范围、元件寿命及电器设备安全使用来考虑其材料、布局和连接方式。辅助设备包括动力机械，电、水、气路系统，控温、调压装置，观察窗，测温孔和防暴器等。 图1.电热窑炉外观及结构 4. 电阻炉的选型原则 (1)烧成制品工艺要求（温度、气氛、温度均匀性） (2)烧成制品的形状、尺寸、装炉方式 (3)生产规模、使用寿命、通用性 5. 电阻炉的使用和维护 (1)保护加热元件--机械损伤、超载使用、连接方式、安装间距、低熔有害物质的侵蚀等； (2)保护砌炉材料--使用温度、抗热震性、有害物质的侵蚀等； (3)保护热工仪表--防震、可靠接地、正常运行等； (4)保证水路、气路、电路的正常工作、便于维修等。 6. 常用电阻炉 合金丝电阻炉、SiC电阻炉、MoSi2 电阻炉 设计方案 1. 确定炉型、炉膛尺寸 容积为0.001M3 (1L)； 炉膛尺寸设计为100mm*100mm*100mm； 2. 选择电热元件 元件材料 t（℃） tmax（℃） Ni-Cr合金 1000 ~ 1100 1100 ~ 1200 Fe-Cr-Al合金 1200 ~ 1350 1300 ~ 1450 SiC 1350 ~ 1450 1450 ~ 1550 MoSi2 ∥ 1550 1650 MoSi2 ⊥ 1600 ~ 1700 1700 ~ 1800 Mo 真空 1600 ~ 1650 1650 Mo H2 内绕1650~1750 2000 Mo H2 外绕1500~1600 2000 表1.常用电热元件的最高使用温度（tmax）和一般工作温度（t） 所要设计的实验室电阻炉的使用温度喂1400℃，因此根据电热元件的使用温度（见表1）选择使用SiC棒加热（如图2）。 图2.SiC加热棒 2.1 SiC加热棒元件特性： (1)化学稳定性好，可在大气中使用。 (2)电阻温度特性: 500~600℃，组成变化对曲线形状影响大。初始升温时，工作电压不能大，因电流有自动上升的趋势。 800℃ ，t 0，电流随温度升高而下降，必备调压器。保温时，工作电压也不能大，避免“热惯性”。 图3.SiC的电阻温度特性曲线 (3)表面负荷：为达最佳状态，考虑安全负荷，一般选择w允许 = 3~8 w/cm2。 图4.SiC的表面负荷 (4)老化特性：SiC的电阻率随着使用时间的增加而增加的现象称为“老化”。 2.2加热棒的设计： (1)合适的阻值R，保证在一定的供电电压下提供所需的电功率； (2)合适的发热面积F，保证在使用时实际功率负荷不大于允许值。 3. 耐火材料选择与设计 考虑到使用温度在1400℃，因此选用锆莫来石作为耐火材料，保温棉作为保温材料，四周均用其包裹，具体参数如表3。 材料 厚度(mm) 体积(m3) 比重(g/cm3) 重量(kg) 锆莫来石 80 (0.1*0.1*3)*2*0.08 2.70 12.96 保温棉 200 (0.1*0.1*3)*2*0.2 0.50 6 表3.耐火材料选择与参数 计算 4.1蓄热计算 窑炉的吸热全部用于升温，这利用比热概念来进行设计。 注意点： 作为实验室用电炉，其加热的物料很少，如把1公斤玻璃在4小时内升高到1400℃仅需80W的功率即可，因此主要考虑窑炉蓄热和散热。 以1kg玻璃来计算：