提高電加熱高溫鐘罩爐溫度均勻性方法及應(yīng)用＊

陳躍峰 齊建平

（咸陽華光窯爐設(shè)備有限公司 陜西 咸陽 712000）

前言

由于電加熱高溫鐘罩爐具有良好的溫度均勻性和工藝操作的靈活性，在氧化鋯、氧化鋁等特種陶瓷行業(yè)被廣泛地使用。隨著市場需求的不斷變化，對產(chǎn)品形狀復(fù)雜程度、尺寸精度等要求越來越高，對產(chǎn)品燒結(jié)溫度的均勻性提出更高的要求，高溫均勻性已經(jīng)成為窯爐熱場發(fā)展的趨勢。筆者論述了如何提高電加熱高溫鐘罩爐溫度均勻性的方法，供同行參考。

1 電加熱高溫鐘罩爐的結(jié)構(gòu)分析

鐘罩爐的得名主要因其外形像一個大鐘罩在工作載物臺上，鐘罩可以上下移動，其可通過液壓升降裝置、起吊驅(qū)動裝置等實現(xiàn)上下移動。鐘罩爐按照保護(hù)氣氛不同可分為空氣鐘罩爐和氣氛鐘罩爐，這里主要討論1500℃以上的高溫硅鉬棒加熱鐘罩爐。下面我們先從以下兩個方面對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

1.1 爐膛部分

采用輕質(zhì)爐膛結(jié)構(gòu)的鐘罩爐一般選用1800型高溫氧化鋁纖維、1650型多晶纖維、1400型高鋁纖維、1260型硅酸鋁纖維等錨固復(fù)合而成；采用重質(zhì)爐膛結(jié)構(gòu)的鐘罩爐一般采用剛玉莫來石磚、氧化鋁空心球磚、莫來石輕質(zhì)磚、硅酸鋁纖維等材料砌筑而成，爐膛形狀一般為圓形或方形。為了保證爐膛熱場均勻，設(shè)計時保持爐膛四周熱阻一致，由于爐膛頂部散熱較大，頂部保溫層一般適當(dāng)加厚。

1.2 加熱元件分布及控制組的設(shè)置

一般的電加熱高溫鐘罩爐采用同規(guī)格U型硅鉬棒加熱，加熱元件垂吊在爐膛側(cè)面，均勻排布。U型硅鉬棒的垂直安裝，要考慮到硅鉬棒高溫會伸長，選用的硅鉬棒的加熱端長度比爐膛高度短一些，安裝時與下部保持一定的伸長間隙。一般情況下在爐膛的高度方向都采用單點控溫，因為爐膛產(chǎn)生的上下溫差無法調(diào)節(jié)。

2 提高高溫鐘罩爐溫度均勻性的方法

我們知道，硅鉬棒的成分是MoSi2，是一種金屬化合物，經(jīng)真空練泥、壓力擠出成形、氣氛燒結(jié)等生產(chǎn)出加熱端和接線端（又叫冷端），熱端和冷端再通過大電流高溫熔焊成一體，一般做成U型或W型。

硅鉬棒熱端的直徑常用為3mm，6mm，9mm，冷端的直徑為6mm，12mm，18mm，為熱端直徑的2倍。根據(jù)電阻公式R＝ρL／S（其中，ρ表示電阻的電阻率，是由其本身性質(zhì)決定，Ω·m，L表示電阻的長度，m，S表示電阻的橫截面積，m2），硅鉬棒的熱端和冷端的電阻率是一樣的。由于冷端的直徑是熱端直徑的2倍，這樣熱端的單位長度電阻就是冷端單位電阻的4倍（冷端和熱端溫度相同的情況下）。

另外，MoSi2還有一種特性，就是硅鉬棒的電阻率隨溫度的升高幾乎以直線關(guān)系迅速上升，如圖1所示。

圖1 二硅化鉬電熱體的電阻特性

根據(jù)二硅化鉬電熱體的電阻特性，冷端處于低溫狀態(tài)，電阻很??；熱端處于高溫狀態(tài)，電阻較大。以上兩點就說明了硅鉬棒之所以熱端發(fā)熱的理由。

一般高溫鐘罩爐在對爐膛設(shè)計時，同種U型硅鉬棒均勻排布在窯爐的側(cè)面，考慮六面放熱系數(shù)的差異，根據(jù)熱阻保溫設(shè)計，理論上實現(xiàn)六面單位面積放熱相等。但實際上，由于爐膛的結(jié)構(gòu)設(shè)計、爐膛內(nèi)部氣體對流傳熱、產(chǎn)品的工藝特點、產(chǎn)品的堆放方式等都會對熱場產(chǎn)生影響，造成溫度場的溫差，一般情況下容易形成了上部溫度高、下部溫度低的現(xiàn)象，導(dǎo)致窯爐爐膛產(chǎn)生上下溫差。

由于單個加熱元件側(cè)面的垂吊設(shè)置，在調(diào)整加熱元件的表面功率時，上下表面將同時加大或減小，使得爐膛截面上下溫差很難調(diào)整。

筆者通過對窯爐這一現(xiàn)象的分析，設(shè)計出了一種電加熱高溫鐘罩爐爐膛的特殊溫區(qū)——下部補(bǔ)償獨立溫區(qū)，較好地縮小了爐膛截面的上下溫差。

具體實施方法如下：在窯爐爐膛內(nèi)增設(shè)一種特殊硅鉬棒的加熱元件，使加熱元件總長度不變，縮短加熱元件的熱端，加大加熱元件的冷端，即加熱元件較長的冷端部分伸進(jìn)爐膛，并在爐膛下端增設(shè)溫度控制點，控制下部特殊溫區(qū)溫度。這樣，當(dāng)特殊加熱元件工作時，由于發(fā)熱端位于爐膛截面下部，加熱元件的主要功率在爐膛下部位置釋放，這樣就相應(yīng)的增加了爐膛下部的加熱功率，提高了下部的實際溫度。

3 使用效果比較

2012年，鄭州某氧化鋯陶瓷公司訂購了2臺鐘罩爐，一臺為常規(guī)結(jié)構(gòu)，一臺為在結(jié)構(gòu)上增加了特殊溫區(qū)，采用上述方法進(jìn)行改造，并通過一年多使用進(jìn)行了比較驗證。測試數(shù)據(jù)如下：

1）爐膛尺寸為1600mm×800mm×800mm（L×W×H）；

圖2 測溫環(huán)布置圖

2）在爐膛尺寸為1500mm×700mm×700mm（L×W×H）矩形的各頂點放置日本1450～1750℃、型號420＃測溫環(huán)，共8個點（如圖2所示），序號分別為1，2，3，4，5，6，7，8；

3）持續(xù)升溫36h至1650℃，在1650℃保溫3h后自然降溫；

4）取出各測溫環(huán)，列表測試對比（見表1）。鐘罩爐的溫度均勻性有明顯提高，常規(guī)結(jié)構(gòu)爐最大溫差為20℃（最高1653℃，最低1633℃），增加特殊溫區(qū)爐最大溫差為6℃（最高1652℃，最低1646℃）。

4 結(jié)語

1）隨著市場需求的不斷變化，對于產(chǎn)品形狀復(fù)雜性、尺寸精度等要求越來越高，對產(chǎn)品燒結(jié)溫度均勻性會提出更高的要求，高溫度均勻性已經(jīng)成為窯爐熱場發(fā)展的趨勢。

表1 測溫環(huán)溫度表

2）可以通過特殊硅鉬棒加熱區(qū)的設(shè)置，進(jìn)一步提高高溫爐膛的溫度均勻性，為實現(xiàn)高度方向多點閉環(huán)控制提供了思路和方法。

3）可以通過單個或多個特殊硅鉬棒加熱區(qū)的組合設(shè)置，實現(xiàn)爐膛截面上部溫度高、下部溫度高、上下溫度均勻等特殊需要的爐膛熱場，對于定向凝固、熱處理等領(lǐng)域的熱場設(shè)計具有一定的借鑒作用。