一種三段加熱立式高溫均熱爐的研制

楊新圓，劉裕盛，陳煒

(中航工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095)

0 引言

Fe-C 高溫共晶點復現裝置主要是利用純金屬Fe 粉與高純石墨粉在一定溫度條件下的共晶作用，形成溫坪，從而實現對高溫熱電偶(銅點溫度以上)的檢定或校準，該方法可以將溫度傳感器的固定點溯源溫度值由銅點溫度1084.62℃提高到1153℃，并且校準結果的不確定度較以往采用的B 型偶校準方法大大減小，能夠解決現階段高溫熱電偶溯源的問題。

高溫均熱爐主要是為Fe-C 高溫共晶溫度點復現提供一個穩定的溫度環境，滿足其復現過程對溫場的要求，該爐子能夠實現溫度的自動控制、升降溫速率的設置調整，恒定溫區達到100 mm 以上。

1 高溫均熱爐

高溫均熱爐為整個共晶點裝置的關鍵部件?？紤]到復現用石墨坩堝需要垂直放置，因此高溫均熱爐的爐體結構設計為立式。由于Fe-C 裝置復現的溫度點在1153℃左右，因此采用耐溫可到1200℃的鎳鉻絲作為加熱絲進行繞制，并通過溫場的測試結果來進行加熱絲之間的間隙調整，確保達到最終的溫場要求?？紤]到復現過程的要求，即爐體中心區100 mm 內，溫場均勻度滿足±1℃，結構設計上采用三段加熱的方式，上下段調整配合中間段，完成均勻溫區的實現。溫控系統配置自動溫度設定及采集軟件，可以通過上位機軟件設定升降溫曲線，并能實時讀取三部分爐溫，溫度控制系統采用日本島電公司的SR23 型溫度控制器并配以相應的可控硅和固態繼電器組合進行溫度控制，實現聯動控制，SR23 控制器選配485 通訊模式，以便計算機通訊連接用。考慮到特殊氣氛熱電偶的要求以及灌制過程中減少對共晶體的污染，爐體部分還配置了抽真空系統和水冷系統，爐體結構如圖1所示。

1.1 爐體設計

高溫均熱爐采用三段加熱方式。均熱爐主體選用陶瓷管，即陶瓷管的外部采用三段纏繞加熱絲，每段加熱絲的中心點作為控溫傳感器的接入點，如圖2所示。陶瓷管內徑60 mm，外徑80 mm。纏繞加熱絲時上下留10 mm 空間纏繞，分三段繞絲，每段繞絲長度為100 mm，上下兩端作為輔助加熱絲，要求中間的100 mm 溫區內溫度均勻性滿足1℃，具體的上段和下段溫度調節值大小根據實際試驗情況來調節確定。每段加熱絲中間部分為控溫熱電偶，緊貼陶瓷管的外表面，通過熱電偶的反饋值，實現溫度的自動控制，根據溫場的測試情況，來對上端和下端的輔助加熱的溫度值進行調節。如果溫場均勻性差異較大，還需調整加熱絲的間距來調整溫場，逐步逼近，最后確保滿足中心溫區的要求。

圖1 高溫均熱爐結構示意圖

圖2 爐絲纏繞及控溫位置圖

1.2 水冷系統

在高溫均熱爐剛玉管外部的上端，采用鋁錠加工，內部形成水冷路線，實現對剛玉管的出口端的冷卻，確保端溫度降低。水冷系統考慮的節能的要求，采用循環冷卻水裝置，其冷卻水溫度可控制在5℃左右，水流量最大可設定在5 L/min，足以滿足氧化鋁保護管上端冷卻要求。水冷線路圖具體如圖3所示。

1.3 充氣保護系統和抽真空系統

充氣保護系統選用純度優于99.99%的氬氣，抽真空系統在選用優質的真空泵來對密封系統進行抽空，系統真空度可優于10 Pa。充氣保護系統和抽真空系統通過閥門切換，通入到氧化鋁密封管中。具體的氣路原理圖如圖3所示。

圖3 高溫爐充氣保護、抽真空和水冷系統框圖

1.4 腔體密封件

高溫爐爐體的末端采用鋁加工密封件，結構如圖4所示。鋁制密封件內部有冷卻水孔，可以減小爐體端部的溫度。O 型密封圈選用聚四氟乙烯材料，比較耐高溫。

圖4 鋁制腔體密封件

1.5 溫度控制系統

溫度控制器選用日本島電公司的高精度控溫表SR23，根據加熱絲和溫升過程的功率計算，采購滿足要求的功率模塊，控溫波動滿足不大于0.2℃/15 min。控制系統采用可控硅方式。高溫均熱爐三段的控制系統各為一套，但以中間控制為主。上端和下端的控制系統根據中間溫場測試的具體情況，進行相關溫度調節，確保滿足具體的溫場技術指標要求。每段溫度控制電路原理圖見圖5。

溫度控制箱的控制面板采用電流表、電壓表和控溫儀表三套同時顯示，確保各段的溫度按預期設定。

2 高溫均熱爐溫場測試

高溫均熱爐測試前先將250 mm 高的石墨均溫塊放置在剛玉管中，插入測溫傳感器(一等標準S 型熱電偶)，將熱電偶的末端接入冰瓶后，再用銅導線引入到測溫儀上，圖6 為連接測量設備后的效果圖。對Fe-C高溫共晶點均熱爐的溫控器進行溫度設定，測試1150℃溫度點的垂直溫場數據，根據測試前的經驗及規律將上、中、下三段溫控儀的設定值分別設定為1150.0℃，1145.0℃和1145.0℃。當溫場在設定值穩定后開始測試，測試示意圖見圖7。

圖6 高溫均熱爐

測試位置從剛玉管底端開始(將剛玉管底端記為0 mm)，每隔1 min 將熱電偶向上提升10 mm，一直提升直至250 mm 處，待溫度值穩定后再每隔1 min 將熱電偶向下降10 mm，直至回到剛玉管底端，每次熱電偶位置變化之前溫度穩定時記錄測溫儀顯示的溫度值;最后將溫場同一高度兩次的測量值求平均。

圖7 垂直溫場測試示意圖

從剛玉管底端開始測試熱電偶向上250 mm 范圍內上、下行程垂直溫場測試數據結果見表1。

表1 垂直溫場測試數據

從測量數據可以看出:從剛玉管底端往上90 ～190 mm范圍內垂直溫場變化在1℃以內。

3 結束語

通過對三段高溫均熱爐的溫場測試結果來看，其測試的垂直溫場梯度數據能夠滿足開展Fe-C 高溫共晶點溫度復現的要求。根據測試的結果進一步對爐體繞絲、溫度控制等進行優化，使其性能進一步提高，更好地滿足復現試驗的需求。

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