提高电加热高温钟罩炉温度均匀性方法及应用＊

2015-11-26陈跃峰齐建平

陶瓷 2015年3期

陈跃峰齐建平

（咸阳华光窑炉设备有限公司陕西咸阳 712000）

前言

由于电加热高温钟罩炉具有良好的温度均匀性和工艺操作的灵活性，在氧化锆、氧化铝等特种陶瓷行业被广泛地使用。随着市场需求的不断变化，对产品形状复杂程度、尺寸精度等要求越来越高，对产品烧结温度的均匀性提出更高的要求，高温均匀性已经成为窑炉热场发展的趋势。笔者论述了如何提高电加热高温钟罩炉温度均匀性的方法，供同行参考。

1 电加热高温钟罩炉的结构分析

钟罩炉的得名主要因其外形像一个大钟罩在工作载物台上，钟罩可以上下移动，其可通过液压升降装置、起吊驱动装置等实现上下移动。钟罩炉按照保护气氛不同可分为空气钟罩炉和气氛钟罩炉，这里主要讨论1500℃以上的高温硅钼棒加热钟罩炉。下面我们先从以下两个方面对其结构进行分析。

1.1 炉膛部分

采用轻质炉膛结构的钟罩炉一般选用1800型高温氧化铝纤维、1650型多晶纤维、1400型高铝纤维、1260型硅酸铝纤维等锚固复合而成；采用重质炉膛结构的钟罩炉一般采用刚玉莫来石砖、氧化铝空心球砖、莫来石轻质砖、硅酸铝纤维等材料砌筑而成，炉膛形状一般为圆形或方形。为了保证炉膛热场均匀，设计时保持炉膛四周热阻一致，由于炉膛顶部散热较大，顶部保温层一般适当加厚。

1.2 加热元件分布及控制组的设置

一般的电加热高温钟罩炉采用同规格U型硅钼棒加热，加热元件垂吊在炉膛侧面，均匀排布。U型硅钼棒的垂直安装，要考虑到硅钼棒高温会伸长，选用的硅钼棒的加热端长度比炉膛高度短一些，安装时与下部保持一定的伸长间隙。一般情况下在炉膛的高度方向都采用单点控温，因为炉膛产生的上下温差无法调节。

2 提高高温钟罩炉温度均匀性的方法

我们知道，硅钼棒的成分是MoSi2，是一种金属化合物，经真空练泥、压力挤出成形、气氛烧结等生产出加热端和接线端（又叫冷端），热端和冷端再通过大电流高温熔焊成一体，一般做成U型或W型。

硅钼棒热端的直径常用为3mm，6mm，9mm，冷端的直径为6mm，12mm，18mm，为热端直径的2倍。根据电阻公式R＝ρL／S（其中，ρ表示电阻的电阻率，是由其本身性质决定，Ω·m，L表示电阻的长度，m，S表示电阻的横截面积，m2），硅钼棒的热端和冷端的电阻率是一样的。由于冷端的直径是热端直径的2倍，这样热端的单位长度电阻就是冷端单位电阻的4倍（冷端和热端温度相同的情况下）。

另外，MoSi2还有一种特性，就是硅钼棒的电阻率随温度的升高几乎以直线关系迅速上升，如图1所示。

图1 二硅化钼电热体的电阻特性

根据二硅化钼电热体的电阻特性，冷端处于低温状态，电阻很小；热端处于高温状态，电阻较大。以上两点就说明了硅钼棒之所以热端发热的理由。

一般高温钟罩炉在对炉膛设计时，同种U型硅钼棒均匀排布在窑炉的侧面，考虑六面放热系数的差异，根据热阻保温设计，理论上实现六面单位面积放热相等。但实际上，由于炉膛的结构设计、炉膛内部气体对流传热、产品的工艺特点、产品的堆放方式等都会对热场产生影响，造成温度场的温差，一般情况下容易形成了上部温度高、下部温度低的现象，导致窑炉炉膛产生上下温差。

由于单个加热元件侧面的垂吊设置，在调整加热元件的表面功率时，上下表面将同时加大或减小，使得炉膛截面上下温差很难调整。

笔者通过对窑炉这一现象的分析，设计出了一种电加热高温钟罩炉炉膛的特殊温区——下部补偿独立温区，较好地缩小了炉膛截面的上下温差。

具体实施方法如下：在窑炉炉膛内增设一种特殊硅钼棒的加热元件，使加热元件总长度不变，缩短加热元件的热端，加大加热元件的冷端，即加热元件较长的冷端部分伸进炉膛，并在炉膛下端增设温度控制点，控制下部特殊温区温度。这样，当特殊加热元件工作时，由于发热端位于炉膛截面下部，加热元件的主要功率在炉膛下部位置释放，这样就相应的增加了炉膛下部的加热功率，提高了下部的实际温度。