實驗室高溫爐加熱元件的設計選型

桑國春(安徽淮化股份有限公司，安徽 淮南 232038)

實驗室高溫爐加熱元件的設計選型

桑國春(安徽淮化股份有限公司，安徽 淮南 232038)

本文主要重點是設計實驗室高溫爐，用于灰渣流動性的實驗。主要介紹爐型和加熱元件（最重要部分）的選擇，得出溫度達到1700℃高溫爐的設計方案。

灰渣流動性;高溫爐;二硅化鉬

隨著我國科學技術事業的高速發展,對各種材料性能的要求愈來愈高,很多特種陶瓷材料的燒結需要在較高的溫度下(> 1500℃)進行，往往還需要不同的燒結氣氛，目前，實驗室高溫爐的普遍操作溫度都低于1500℃，為了滿足高灰熔點煤灰渣流動性的具體實驗研究要求，需要設計一套最高溫度達到1700℃的實驗室高溫爐。

1 研究背景與意義

對于氣化爐的工藝過程，排渣是個很重要的工段，尤其對液態排渣的氣化爐，影響排渣的因素除灰熔點外，就是灰渣的流動狀態，因為能呈液態的灰渣并不一定具備良好的流動性，所以考察灰渣的流動性是非常有必要的。一般情況下，灰渣能呈液態的溫度范圍是1200℃（低熔點煤種）-1600℃（高灰熔點煤種），要想考察灰渣的流動性，高溫爐是不可缺少的，而且其操作溫度至少要比灰熔點高出100℃以上，所以高溫爐的溫度上限至少要在1700℃。

目前，市場上的高溫爐品種繁多，為何不去直接購買而需要自己設計，主要是它們的用途不盡相同，雖然溫度滿足要求，但其他方面如升溫方法、高溫持續時間、爐膛形狀、有無觀測孔等都存在問題。

灰渣的高溫特性主要是指灰的熔融性及渣的流動性，熔融性是通過智能灰熔點儀來測定的，而煤灰熔融試驗的缺點主要是它不能可靠地預言實際燃燒過程,測得結果的重現性和再現性很差。而且研究發現：煤灰開始變形溫度并不是煤灰實際開始變形的溫度,因為在遠低于開始變形溫度時煤灰已開始部分熔化了；灰渣粘度的測量仍然以高溫旋轉粘度計為主，這種方法的理論依據比較充分，能客觀準確的反應出熔體的流體粘度，但成本較高，操作強度比較大，自動化程度低，而且不能真實反應出熔體真正流動態下的流動特性。

本文設計高溫爐的目的就是取代上述灰熔點儀和粘度測試儀，研究灰渣的流動性。高溫爐是研究灰渣流動性必要的設備，而加熱元件時高溫爐中最重要的部件，所以設計高溫爐進行灰渣流動性的實驗，獲知高灰熔點煤的具體流動溫度，為當前的液態排渣氣化爐提供依據。

2 設計選型部分

2.1 爐型設計選擇

爐型分為立式和臥式，臥式又分為箱式和管式。這兩種爐型都是實驗室中比較常見的，并且易于觀察爐膛內的變化情況，而且其結構簡單、安裝方便、易于控制、造價低，本文選擇設計臥式中的箱式和管式爐，爐體尺寸為470*440*410mm，爐膛尺寸為200*100*100mm，中間填充進口氧化鋁纖維作為保溫材料。

2.2 加熱元件設計選擇

2.2.1 加熱元件的選擇

對于高溫爐的設計，SiC加熱元件是比較常用的。SiC加熱元件的最高使用溫度可以達到1600℃。因結構穩定，SiC一般被制成圓柱體，使用時在末端進行串聯，但是SiC元件存在一個缺點，受溫度變化影響較大，導致阻值產生變化老化后，使用功率大幅度降低。

另一種高溫電加熱元件是二硅化鉬，結構穩定，一般被制成“U”字型，垂直安裝在高溫爐爐膛內，使用溫度最高可以達到1800℃。二硅化鉬的能量輸出較高，受溫度變化影響較小，維護費用較少。因設計的高溫爐溫度需達到1700℃，所以本文選用二硅化鉬作為加熱元件。

2.2.2 加熱元件的化學性質

高溫高氧化性：高溫氧化條件下，二硅化鉬元件表面生成一層石英保護層以防止二硅化鉬繼續氧化。當溫度超過1710℃，石英保護層進入熔融狀態，進而失去保護層的作用。二硅化鉬元件在氧化條件下繼續使用時，石英保護層重新生成。

另外二硅化鉬元件的電阻不隨使用時間而改變，也就是不老化，新舊元件可以混合使用。

2.3 加熱元件數目的計算

由于本文爐膛體積較小，所以本文選擇的二硅化鉬規格為Φ3/Φ6mm型（1800℃），單支二硅化鉬元件的功率為0.4kw。

二硅化鉬元件的數量的計算公式為：

N=U內×S內/P

其中：N——二硅化鉬元件的數量；

U內——高溫爐內的熱負荷，W/cm2；

S內——高溫爐內的表面積，cm2；

P——每支二硅化鉬元件的功率，W；

U內按經驗可取值為：U內=2W/cm2。本爐爐膛尺寸為200* 100*100mm，可得S內=800cm3，P=400W。得：N=4只

所以本爐采用4只二硅化鉬元件串聯，爐子功率為2KW。

2.4 加熱元件的安裝

二硅化鉬元件在正常溫度下比較脆而且容易斷裂，高溫下又有很好的延展性，所以U型二硅化鉬元件最好的安裝方式為垂直安裝。元件圓錐部分必須要安裝到高溫爐爐膛內，如果錐形部分沒有進入爐膛內，元件就有過熱的危險。

二硅化鉬元件采用導線連接，導線之間采用鋁排卡住。安裝時的螺絲不能擰緊，等二硅化鉬元件加熱到1500℃時，高溫爐開始降溫，降到常溫后再將螺絲擰緊。另外高溫爐安裝時，為防止電磁干擾，附近不應有大功率用電器[4]。

3 結語

本文高溫爐（1700℃）主要尺寸為：爐體（470*440*410mm）、爐膛（200*100*100mm），采用二硅化鉬（4根）作為加熱元件，元件采用U型，加熱溫度為1800℃，此溫度為二硅化鉬元件熱端表面的溫度，爐膛的溫度可以達到1700℃。充分滿足高灰熔點煤灰渣流動性的具體實驗要求。