超高溫加熱爐的研究和發(fā)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(nèi)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(yīng)用角度出發(fā)，著重介紹了在氧化氣氛條件下，以鉻酸鑭（化學式為LaCrO3）發(fā)熱元件的1800℃超高溫電阻爐；以二氧化鋯（化學式ZrO2）發(fā)熱元件生產(chǎn)的2000℃超高溫電阻爐；以二硼化鋯復合陶瓷材料發(fā)熱體生產(chǎn)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(shù)的發(fā)展狀況。本文的作者希望通過對2600℃超高溫爐及檢測設(shè)備的研究，為我公司的超高溫技術(shù)的發(fā)展作出貢獻。

　　關(guān)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(shù)，超高溫陶瓷材料、超高溫熱重分析技術(shù)，超高溫材料熱熔過程檢測技術(shù)，超高溫材料抗熱震檢測技術(shù)。

　　O引言

　　隨著現(xiàn)代科技技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)、能源、交通，空間技術(shù)等領(lǐng)域都對高溫材料提出了更高的要求，特別是***技術(shù)的發(fā)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(xiàn)有的超高溫爐業(yè)中，超高溫加熱爐的生產(chǎn)技術(shù)，超高溫保溫材料，超高溫發(fā)熱體，超高溫材料的檢測技術(shù)遠不能滿足工業(yè)生產(chǎn)、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(fā)熱元件制成1800℃超高溫電阻爐，其二，利用二氧化鋯作為發(fā)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(fā)熱體制成的2600℃超高溫加熱爐。

　　1、二硅化鉬發(fā)熱元件的超高溫性能

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

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

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

　　表1--1   二硅化鉬發(fā)熱元件的物理性能

　　表1--2   二硅化鉬發(fā)熱元件在各種氣體中的***高使用溫度

　　2.1800℃超高溫加熱爐的現(xiàn)狀分析

　　2.1鉻酸鑭發(fā)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(nèi)生產(chǎn)的鉻酸鑭發(fā)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(fā)熱元件的主要缺點是在使用過程中，發(fā)熱元件中的氧化鉻有少量的揮發(fā)，對被加熱試樣有輕度污染，表面呈淡紅色。

　　表2-1鉻酸鑭發(fā)熱元件的物理性能

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

　　國內(nèi)生產(chǎn)的鉻酸鑭發(fā)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(jié)構(gòu)創(chuàng)新，發(fā)明超高溫圓管爐，超高溫圓管爐是把超高溫爐管設(shè)置在箱式爐膛內(nèi)，圓管內(nèi)工作室與箱式爐膛中放置的鉻酸鑭發(fā)熱元件隔離，可以有效的防止氧化鉻揮發(fā)對被加熱物的污染，該發(fā)明應(yīng)用在超高溫電爐中，已經(jīng)產(chǎn)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(jié)構(gòu)創(chuàng)新，發(fā)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(shè)置在超高溫箱式爐膛中，爐膛內(nèi)可以進行超高溫氣氛狀態(tài)下的各種燒結(jié)實驗，有效的解決了鉻酸鑭發(fā)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(jié)論：鉻酸鑭發(fā)熱元件是一種高溫性能良好的發(fā)熱元件，利用該發(fā)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(fā)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(fā)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(xiàn)狀分析

　　3.1二氧化鋯發(fā)熱體的主要性能

　　二氧化鋯（ZrO2）的相對分子質(zhì)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(shù)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(wěn)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

　　3.2利用二氧化鋯發(fā)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(shè)置輔助的加熱系統(tǒng)，將爐溫升到1200℃以上，才能啟動二氧化鋯發(fā)熱元件。因此，利用二氧化鋯發(fā)熱元件制作高溫電阻爐時，不僅要考慮雙加熱系統(tǒng)，還要考慮爐膛的材料，輔助加熱系統(tǒng)爐膛的設(shè)置，爐膛的結(jié)構(gòu)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(nèi)某廠家生產(chǎn)的二氧化鋯發(fā)熱體，利用鉻酸鑭作為引線體，降低了二氧化鋯發(fā)熱體的成本，但是，其結(jié)構(gòu)比較復雜，利用該加熱元件生產(chǎn)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(fā)熱體制作箱式電阻爐示意圖

　　P235（圖6-24）

　　結(jié)論：在氧化氣氛條件下，利用二氧化鋯發(fā)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(fā)熱體生產(chǎn)的超高溫電阻爐結(jié)構(gòu)復雜，制作難度大，認為二氧化鋯發(fā)熱體和利用二氧化鋯發(fā)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(fā)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(jīng)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(shù)參數(shù)。

　　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(fā)熱體正在研制之中。

　　二硼化鋯復合材料發(fā)熱體的主要設(shè)計規(guī)格