实验室高温炉加热元件的设计选型

桑国春(安徽淮化股份有限公司，安徽 淮南 232038)

实验室高温炉加热元件的设计选型

桑国春(安徽淮化股份有限公司，安徽 淮南 232038)

本文主要重点是设计实验室高温炉，用于灰渣流动性的实验。主要介绍炉型和加热元件（最重要部分）的选择，得出温度达到1700℃高温炉的设计方案。

灰渣流动性;高温炉;二硅化钼

随着我国科学技术事业的高速发展,对各种材料性能的要求愈来愈高,很多特种陶瓷材料的烧结需要在较高的温度下(> 1500℃)进行，往往还需要不同的烧结气氛，目前，实验室高温炉的普遍操作温度都低于1500℃，为了满足高灰熔点煤灰渣流动性的具体实验研究要求，需要设计一套最高温度达到1700℃的实验室高温炉。

1 研究背景与意义

对于气化炉的工艺过程，排渣是个很重要的工段，尤其对液态排渣的气化炉，影响排渣的因素除灰熔点外，就是灰渣的流动状态，因为能呈液态的灰渣并不一定具备良好的流动性，所以考察灰渣的流动性是非常有必要的。一般情况下，灰渣能呈液态的温度范围是1200℃（低熔点煤种）-1600℃（高灰熔点煤种），要想考察灰渣的流动性，高温炉是不可缺少的，而且其操作温度至少要比灰熔点高出100℃以上，所以高温炉的温度上限至少要在1700℃。

目前，市场上的高温炉品种繁多，为何不去直接购买而需要自己设计，主要是它们的用途不尽相同，虽然温度满足要求，但其他方面如升温方法、高温持续时间、炉膛形状、有无观测孔等都存在问题。

灰渣的高温特性主要是指灰的熔融性及渣的流动性，熔融性是通过智能灰熔点仪来测定的，而煤灰熔融试验的缺点主要是它不能可靠地预言实际燃烧过程,测得结果的重现性和再现性很差。而且研究发现：煤灰开始变形温度并不是煤灰实际开始变形的温度,因为在远低于开始变形温度时煤灰已开始部分熔化了；灰渣粘度的测量仍然以高温旋转粘度计为主，这种方法的理论依据比较充分，能客观准确的反应出熔体的流体粘度，但成本较高，操作强度比较大，自动化程度低，而且不能真实反应出熔体真正流动态下的流动特性。

本文设计高温炉的目的就是取代上述灰熔点仪和粘度测试仪，研究灰渣的流动性。高温炉是研究灰渣流动性必要的设备，而加热元件时高温炉中最重要的部件，所以设计高温炉进行灰渣流动性的实验，获知高灰熔点煤的具体流动温度，为当前的液态排渣气化炉提供依据。

2 设计选型部分

2.1 炉型设计选择

炉型分为立式和卧式，卧式又分为箱式和管式。这两种炉型都是实验室中比较常见的，并且易于观察炉膛内的变化情况，而且其结构简单、安装方便、易于控制、造价低，本文选择设计卧式中的箱式和管式炉，炉体尺寸为470*440*410mm，炉膛尺寸为200*100*100mm，中间填充进口氧化铝纤维作为保温材料。

2.2 加热元件设计选择

2.2.1 加热元件的选择

对于高温炉的设计，SiC加热元件是比较常用的。SiC加热元件的最高使用温度可以达到1600℃。因结构稳定，SiC一般被制成圆柱体，使用时在末端进行串联，但是SiC元件存在一个缺点，受温度变化影响较大，导致阻值产生变化老化后，使用功率大幅度降低。

另一种高温电加热元件是二硅化钼，结构稳定，一般被制成“U”字型，垂直安装在高温炉炉膛内，使用温度最高可以达到1800℃。二硅化钼的能量输出较高，受温度变化影响较小，维护费用较少。因设计的高温炉温度需达到1700℃，所以本文选用二硅化钼作为加热元件。

2.2.2 加热元件的化学性质

高温高氧化性：高温氧化条件下，二硅化钼元件表面生成一层石英保护层以防止二硅化钼继续氧化。当温度超过1710℃，石英保护层进入熔融状态，进而失去保护层的作用。二硅化钼元件在氧化条件下继续使用时，石英保护层重新生成。

另外二硅化钼元件的电阻不随使用时间而改变，也就是不老化，新旧元件可以混合使用。

2.3 加热元件数目的计算

由于本文炉膛体积较小，所以本文选择的二硅化钼规格为Φ3/Φ6mm型（1800℃），单支二硅化钼元件的功率为0.4kw。

二硅化钼元件的数量的计算公式为：

N=U内×S内/P

其中：N——二硅化钼元件的数量；

U内——高温炉内的热负荷，W/cm2；

S内——高温炉内的表面积，cm2；

P——每支二硅化钼元件的功率，W；

U内按经验可取值为：U内=2W/cm2。本炉炉膛尺寸为200* 100*100mm，可得S内=800cm3，P=400W。得：N=4只

所以本炉采用4只二硅化钼元件串联，炉子功率为2KW。

2.4 加热元件的安装

二硅化钼元件在正常温度下比较脆而且容易断裂，高温下又有很好的延展性，所以U型二硅化钼元件最好的安装方式为垂直安装。元件圆锥部分必须要安装到高温炉炉膛内，如果锥形部分没有进入炉膛内，元件就有过热的危险。

二硅化钼元件采用导线连接，导线之间采用铝排卡住。安装时的螺丝不能拧紧，等二硅化钼元件加热到1500℃时，高温炉开始降温，降到常温后再将螺丝拧紧。另外高温炉安装时，为防止电磁干扰，附近不应有大功率用电器[4]。

3 结语

本文高温炉（1700℃）主要尺寸为：炉体（470*440*410mm）、炉膛（200*100*100mm），采用二硅化钼（4根）作为加热元件，元件采用U型，加热温度为1800℃，此温度为二硅化钼元件热端表面的温度，炉膛的温度可以达到1700℃。充分满足高灰熔点煤灰渣流动性的具体实验要求。