实验室用高温马弗炉的发展现状及应用

张莹+周团坤+张尼+沈坤+杨晓明

[摘 要] 本文总结了电热马弗炉、微波马弗炉和燃气马弗炉的结构特点、主要部件性能、材质特点和应用范围。展望了马弗炉的发展趋势和行业需求。

[关键词] 电热马弗炉；微波马弗炉；燃气马弗炉

中图分类号：TQ16 文献标识码：A 文章编号：2095-5200（2017）05-028-03

DOI：10.11876/mimt201705012

马弗炉是一种实验室通用的加热设备，还可称为电炉、电阻炉、茂福炉、马福炉。主要用于各种有机物和无机物的灰化、磺化、熔融、烘干、腊烧除、熔合、热处理以及灼烧残渣、烧失量等的测试。目前实验室常见马弗炉包括电热马弗炉、微波马弗炉和燃气马弗炉三种。本文主要总结其原理机构和主要部件及几种类型的不同点。

1 原理和结构

电热马弗炉、微波马弗炉和燃气马弗炉顾名思义最大区别在于加热原理。电热通过电流流过具有一定电阻的导体，使导体产生焦耳热而不断提供外部热能[1]。加热元件把电能转化为热能，通过热传导、热对流和热辐射使炉内产生高温。微波马弗炉将电能转换为微波，再转换为热能[2]。

炉膛内的材料或者被加热物体本身吸收微波后产生热量，既而产生高温，结构包括磁控管、转波机构、微波屏蔽腔体、电控元件、温控元件和吸波加热材料。微波加热作为一种绿色高效的加热方法，与常规的加热方法相比，具有选择性加热、升温速率快、反应时间短、易于自动控制、可降低化学反应温度等优点。燃气马弗炉是将化学能转换成热能[3]，当燃料在炉腔内燃烧時，燃烧过程中化学能将转换为热能，产生高温。燃气马弗炉在这三种马弗炉中是结构最简单的一种，加热腔体大、加热速度快，温度控制灵活。

2 主要部件

三种马弗炉除加热元件不同外，其他部件差异不大，包括保温材料、炉膛、温控元件和电控元件。

2.1 加热元件

传统电热马弗炉的加热元件大体分为合金加热丝和硅化合物[4]。合金电热丝具有可塑性强、易修复的特点，但其抗氧化性能相对较弱，若炉内为碳气氛、硫气氛以及氢、氮气氛等，对元件在高温使用下都有一定的腐蚀。硅化合物加热元件具有耐高温、抗氧化、耐腐蚀、寿命长、高温变形小、安装更换方便的优点。但是，硅化合物性脆，机械强度不高，容易在使用过程中物理损坏。此外，硅化合物的加热元件损坏后只能更换，不易维修。目前，常用的合金加热丝主要包括奥氏体组织的镍铬合金和铁素体组织的铁铬铝合金。硅化合物主要有碳化硅和二硅化钼。商品化的微波马弗炉采用的加热方式主要有两种。一种是通过内衬吸波材，如碳化硅板，间接对物料或者器皿进行加热。另一种是直接对盛装物料的器皿进行加热。器皿的材质为吸波材料，如碳化硅或者二氧化锆。表1对比了常用加热元件性能。

2.2 保温材料

目前使用的保温材料主要包括耐火砖和陶瓷纤维[5]，根据温度不同，选用不同保温材料，对于温度超过1600度的高温炉或超高温炉，必须使用氧化锆保温，否则炉子的寿命非常短。其性能对比见表2。

2.3 炉膛

炉膛主要包括四种材质。1）耐火材料拼成，造价不高，受热受限制。2）高温铝炉膛，适应试验不含碳的实验。3）碳化硅炉膛，升温速度不快 ，温度加热比较好，而且吸收微波性能强。4）陶瓷纤维炉膛，这种炉膛造价高，优点是升温速度快，但是局部温度容易过高，容易烧毁炉膛。

2.4 温度控制

马弗炉的温度控制主要包括温度测量、温度控制器、加热驱动部件、电热元件及辅助电路等。

温度测量通常采用接触式热电偶温度传感器和非接触式光电高温计。对于马弗炉一般采用热电偶进行接触式测量。按IEC国际标准分度，热电偶分为S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶。常用热电偶型号及使用温度见文献[6]。

选择热电偶要根据使用温度范围、所需精度、使用气氛、测定对象的性能、响应时间和经济效益等综合考虑。S型、B型、K型热电偶适合于强的氧化和弱的还原气氛中使用，J型和T型热电偶适合于弱氧化和还原气氛，若使用气密性比较好的保护管，如铠装热电偶，对气氛的要求就不太严格。

如果控制精度要求不高，温度控制器可采用模拟控制器，否则采用数字式控制器。电控元件一般由动圈式仪表、数字式温度指示调节仪或智能化数字显示控制仪表和加热驱动部件组成。加热驱动部件起着功率放大的作用，常用的有接触器、继电器、可控硅或固态继电器、晶闸管调节器以及变压器等。采用继电器的控制箱噪音大，控制精度低，寿命短；采用可控硅的控制箱噪音小，控制精度高寿命也较长。

3 应用

传统电热马弗炉应用于材料的高温合成制备、样品的灰分测定以及有机质样品分析前处理。在材料合成方面，主要用于材料的制备[7]、改性[8]和性能测试[9]。如SiO2-BiVO4光催化功能织物的煅烧制备 [10]，石墨烯g-C3N4光催化剂制备[11]，尿素醇解法合成氨基甲酸酯[12]，新型多腔孔陶瓷复合保温材料制备[13]。此外，电热马弗炉还被用于褐煤的挥发分析出过程研究[14]，X射线荧光对聚丙烯中灰分的分析[15]。丙体六六六纯度标准物质原料中灰分的测定[16]。在样品分析前处理方面，除了食品[17]、植物[18]和生物[19]等传统样品，可用于前处理其他有机基体样品，如松针[20]、生物炭[21]和碳纳米管[22]等。微波马弗炉近年来也在无机材料合成、性能测试以及样品制备方面得到了一定应用，如Na2O-B2O3-P2O5玻璃制备[23]，生物质直接炭化制备炭素活性材料[24]，磁化焙烧铁矿粉[25]，纸张灰分快速测定[26]，公斤级生物样品的灰化[27]。实验室燃气马弗炉，多用于化学分析中火试金法样品的熔融。

4 马弗炉的研究展望

国内马弗炉的研究开始于上世纪七十年代。经历了加热方式转变、结构的转变、控制系统的转变等过程。上世纪九十年代开始与国外公司合作，目前我国马弗炉无论在结构设计、温度的均匀性、使用稳定性、故障率、自动化程度还是能耗上均有很大提升。endprint

国外的马弗炉在新材料应用，控制系统的性能优化，在炉体结构、冷却系统、传送系统、控制系统、安全保护等方面的设计都处于领先地位。知名的马弗炉制造公司产品具有系列化、专用化的特点，在自动控制、结构设计及温度场技术等方面拥有多项发明专利。微波马弗炉国外已有成熟产品销售，但价格不菲。上海某公司作为国内实验室微波仪器的领先者，也开发出了商品化的设备。但是微波马弗炉由于其原理结构复杂，导致整机的重量远远超过其他类型马弗炉，并且价格也非常昂贵。

今后实验室马弗炉的发展趋势将是针对用户以及行业的特异性需求，开展定制化、个性化、智能化、科技附加值高的产品。在节能、安全、效率、加热均匀程度以及与分析仪器联用方面深入研究。

参 考 文 献

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