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                超高溫加熱爐的研究和發展

                作者: 發布時間:2016-09-13 瀏覽次數:4201
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                  超高溫加熱爐的研究和發展

                  周森安   鄭傳濤   孫良成   張韶峰   

                 ?。?)洛陽市西格馬儀器制造有限公司,河南,洛陽郵編:471003

                 ?。?)孫良成包鋼稀土研究院,內蒙古,包頭郵編:014000

                 ?。?)張韶峰河南科技大學,河南,洛陽郵編:471003

                  摘要:本文從應用角度出發,著重介紹了在氧化氣氛條件下,以鉻酸鑭(化學式為LaCrO3)發熱元件的1800℃超高溫電阻爐;以二氧化鋯(化學式ZrO2)發熱元件生產的2000℃超高溫電阻爐;以二硼化鋯復合陶瓷材料發熱體生產的2600℃超高溫加熱爐。同時,介紹了2000℃以上超高溫電爐在氧化氣氛條件下材料的檢測技術的發展狀況。本文的作者希望通過對2600℃超高溫爐及檢測設備的研究,為我公司的超高溫技術的發展作出貢獻。

                  關鍵詞:超高溫加熱爐、超高溫材料、超高溫荷重出需變檢測技術,超高溫陶瓷材料、超高溫熱重分析技術,超高溫材料熱熔過程檢測技術,超高溫材料抗熱震檢測技術。

                  O引言

                  隨著現代科技技術的發展,工業、能源、交通,空間技術等領域都對高溫材料提出了更高的要求,特別是***技術的發展,對高溫材料的要求越來越高,越來越苛刻,如耐高溫、耐腐蝕、抗氧化性,抗熱震性能等。然而,現有的超高溫爐業中,超高溫加熱爐的生產技術,超高溫保溫材料,超高溫發熱體,超高溫材料的檢測技術遠不能滿足工業生產、科學研究的需要,近幾年來,各大專院校、科研院所對超高溫材料的研究越來越重視,超高溫材料的性能不斷提高,超高溫材料的要求越來越廣闊。

                  一般來說,在氧化氣氛(自然空氣)條件下,1800℃以上的高溫電爐稱為超高溫電爐。(本文中以下所述的超高溫電爐,均指在氧化氣氛條件下)。到目前為止,在氧化氣氛條件下,能夠達到1800℃以上的超高溫實驗室用爐,僅有三種:其一,利用鉻酸鑭作為發熱元件制成1800℃超高溫電阻爐,其二,利用二氧化鋯作為發熱元件制成的2000℃超高溫電阻爐,其三,利用二硼化鋯復合陶瓷材料作為發熱體制成的2600℃超高溫加熱爐。

                  1、二硅化鉬發熱元件的超高溫性能

                  為了***了解超高溫加熱爐的狀態,作者認為應首先了解二硅化鉬發熱元件的超高溫性能。

                  二硅化鉬(化學式為M0Siz),國內生產的二硅化鉬發熱元件主要有兩種規格,分別為1800型和1700型,1800型二硅化鉬發熱元件的表面***初使用溫度為1800℃,1700型二硅化鉬發熱元件的表面***初使用溫度為1700℃。國內某廠家生產的1800型的表面***初使用溫度可以達到1820℃,國外某企業生產的1900型二硅化鉬發熱體的表面***高使用溫度為1850℃。

                  二硅化鉬發熱元件在發熱狀態下,表面生成一層二氧化硅玻璃質保護膜,在二硅化鉬發熱元件被強制超過相應的溫度極限時,二硅化鉬發熱元件表面的玻璃質快速脫落,二硅化鉬發熱元件受到腐蝕性氣體影響時,發熱元件將會快速損壞。

                  表1--1   二硅化鉬發熱元件的物理性能


                種類12種類12
                ***高使用溫度/℃18001700密度/g.Cm-35.65.5
                電阻率/Ω.Cm(20℃)0.3*10-40.29*10-4線膨脹系數/℃-1 7.8*10-6
                熔點/℃20302030抗折強度/MPa3.5±30℅3.5±3℅

                  表1--2   二硅化鉬發熱元件在各種氣體中的***高使用溫度


                氣   氛元件***高使用溫度/℃氣   氛元件***高使用溫度/℃
                NO2、  CO2  O2 1700型1800型CO   N21700型1800型
                He     Ar  Ne16501750濕H214001500
                SO216001700干H213501450

                  2.1800℃超高溫加熱爐的現狀分析

                  2.1鉻酸鑭發熱體的表面***高使用溫度為1800℃,爐膛的工作溫度為1800℃,升溫速度不能大于4-5℃/分鐘,從室溫升到1800℃所需時間為360-390分鐘,國內生產的鉻酸鑭發熱體,對爐膛的材料有比較嚴格的要求,對降溫速度也有嚴格的要求。

                  鉻酸鑭發熱元件的主要缺點是在使用過程中,發熱元件中的氧化鉻有少量的揮發,對被加熱試樣有輕度污染,表面呈淡紅色。

                  表2-1鉻酸鑭發熱元件的物理性能


                性能技術指標 性能技術指標
                主成分(顏色)LaCrO3 (黑色)抗折強度50
                熔點/℃2490輻射率約0.96
                真密度/g.cm-36.5比熱容/j.(g.℃)-10.75(800℃)
                體積密度/g.cm-35.2熱導率/w.(m.k)-11.81(室溫)1.97
                顯氣孔率/%21線膨脹系數/℃-19.7*10-6
                (室溫~1000℃)

                  圖2-1鉻酸鑭發熱元件在箱式電阻爐中的發熱曲線參P2927-13

                  國內生產的鉻酸鑭發熱體,不能直接直接在氧化氣氛條件下使用

                  2.2鄭傳濤等人通過對1800℃超高溫電阻爐的結構創新,發明超高溫圓管爐,超高溫圓管爐是把超高溫爐管設置在箱式爐膛內,圓管內工作室與箱式爐膛中放置的鉻酸鑭發熱元件隔離,可以有效的防止氧化鉻揮發對被加熱物的污染,該發明應用在超高溫電爐中,已經產生了較好的效果,正在被廣泛使用

                  圖2-2超高溫圓管爐示意圖

                  2.3任飛雷等人在通過對1800℃超高溫電阻爐的結構創新,發明了超高溫管式氣氛爐。超高溫管式氣氛爐是把高溫燒管設置在超高溫箱式爐膛中,爐膛內可以進行超高溫氣氛狀態下的各種燒結實驗,有效的解決了鉻酸鑭發熱體所不能在非氧化氣氛下使用的缺陷。

                  圖2-3超高溫管式氣氛爐示意圖

                  結論:鉻酸鑭發熱元件是一種高溫性能良好的發熱元件,利用該發熱體制成的超高溫電阻爐可以在1750℃-1800℃溫度下長期使用,利用該發熱體制成的1800℃超高溫圓管爐,可以有效的避免三氧化鉻對被加熱物的污染,利用該發熱體制成的1800℃超高溫管式氣氛爐也可以在各種氣氛下進行超高溫試驗。

                  3.2000℃超高溫電阻爐的現狀分析

                  3.1二氧化鋯發熱體的主要性能

                  二氧化鋯(ZrO2)的相對分子質量123.2,真密度5.68g/cm3,熔點為2670℃,化硬度為6.5度,20-1000℃的平均線膨脹系數為10×10-6,1000℃熱導率為2-30w/(m.k)。氧化鋯陶瓷制品的耐壓強度可達到2100MPa。二氧化鋯在氧化氣氛條件下十分穩定。

                  二氧化鋯室溫電阻極高,電阻率1013,當溫度升高1000℃以上才開始具有導體的性能。

                  表3-1   二氧化鋯的電阻率


                溫度/℃ 室溫70012001300170020002200
                電阻率/Ω.cm10123300779.41.60.590.37


                  3.2利用二氧化鋯發熱元件制作超高溫電阻爐的特征

                  由于二氧化鋯在常溫下不導電,制作超高溫電阻爐時,必須設置輔助的加熱系統,將爐溫升到1200℃以上,才能啟動二氧化鋯發熱元件。因此,利用二氧化鋯發熱元件制作高溫電阻爐時,不僅要考慮雙加熱系統,還要考慮爐膛的材料,輔助加熱系統爐膛的設置,爐膛的結構特別復雜。

                  二氧化鋯的超高溫導熱性較差,對升溫速度和降溫速度的要求也較高,使用時,必須由***人員進行操作。

                  目前,國內某廠家生產的二氧化鋯發熱體,利用鉻酸鑭作為引線體,降低了二氧化鋯發熱體的成本,但是,其結構比較復雜,利用該加熱元件生產的超高溫電爐的成熟性有待進一步提高。

                  圖3-1利用二氧化鋯發熱體制作箱式電阻爐示意圖

                  P235(圖6-24)

                  結論:在氧化氣氛條件下,利用二氧化鋯發熱體制作的超高溫電阻爐,使用溫度可以達到2000℃,長時間人們認為在氧化氣氛條件下,使用溫度2000℃的超高溫電阻爐是氧化氣氛條件下***高溫度,利用二氧化鋯發熱體生產的超高溫電阻爐結構復雜,制作難度大,認為二氧化鋯發熱體和利用二氧化鋯發熱體所作的電阻爐的成熟性有待進一步提高。新型二氧化鋯發熱體的研制,必將對超高溫科研做出貢獻。

                  4在氧化氣氛條件下.2600℃超高溫加熱爐已經研制成功。

                  4.1SGM8126系列2600℃超高溫加熱爐的工作原理。

                  4.2SGM8126系列2600℃超高溫加熱爐的主要技術參數。

                  4.3在氧化氣氛條件下,用于超高溫箱式電阻爐的二硼化鋯復合材料發熱體正在研制之中。

                  二硼化鋯復合材料發熱體的主要設計規格


                產品型號 SGM-110SGM-150 SGM-200
                發熱端長度mm110150200
                冷端長度 mm待定待定待定
                元件總長度mm待定待定待定
                元件表面***高溫度℃260026002600
                元件長期使用溫度℃220022002200
                應用環境氧化氣氛(自然空氣)、真空、各種氣氛


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