工业电阻炉设计原理

    电阻炉是一个将电能转换成热能的设备及综合装置，依据焦耳定律，当电流I流过电阻R的导体时，经过时间t便可产生热量Q：Q=0.24I²Rt    (cal)      (1-1)

    通过以上公式可见：我们控制I、R、t三个参数就等于控制了Q值。即可达到控制发热体的目的。

在设计技术前，一定要牢记：为了达到增加热量值并不是意味着无限度地增加发热元件的电阻值，这往往会增加炉子的制造成本。如适当增大发热元件的电流，发热量将会成倍增加。这便是电阻炉设计原理上需要掌握的精髓。

    因此合理地选用电热元件更为重要，依据设计原理首先要计算出必须的、合理的R值和足够的I值，确保在工艺及使用需要时，在规定的时间t内产生足够的热量Q，达到设备所要求的温度。这里需要强调的是：选择R值固然重要，但更为重要的是选择I值。

    另一方面，即使电热元件能够发出足够的热量，设备不一定能够达到我们所需要使用的温度，之所以电炉未能达到所要求的高温，乃是因为在很大程度上取决于电炉的隔热保温状况。炉子少散热或极少散热才是更为至关重要的事情。实际上所有经验的工程师都知道：设计电炉的正确使用温度，除了取决于炉子的供热量以外，更重要的是取决于炉子的散热量。因此设计炉子的保温能力，如何合理选择保温材料的厚度，最大限量地减少热量损失是工业炉设计工程师首选的、必要的措施之一。

    电热元件一般分为金属和非金属两大类。在金属电热元件中常用的有铁铬铝合金和镍铬合金、铂-铑、钼、钨、钽电热体等等，非金属的有石墨电热体、碳化硅电热体等等。

   （1）铁铬铝合金电热元件

    目前国产的、常见的有三种牌号：Cr25Al5、Cr17Al5、Cr13Al4等,其合金性能见表1-1，随着技术进步，含Mo等其它铁铬铝合金电热元件牌号越来越多，它们适用于1000-1300℃的温度范围内工作，甚至更高，有些新材料可达1400℃以上。它们抗氧化性好、易加工、电阻大，电阻温度系数小，价格低廉。在高温下能生成Cr₂O₃的致密的氧化膜，阻止空气对合金的进一步氧化，但不宜在还原气氛中使用，另外还应尽量避免与碳、酸性介质、水玻璃、石棉及有色金属等接触，以免破坏保护膜。这种电热体的主要缺点是高温强度低，经常时间在高温工作后，加热元件由于晶粒长大而变脆。

    （2）镍铬合金电热体

     这类合金电热体适用于1000℃以下的温度，其型号为Cr20Ni80 、Cr15Ni60等，其性能见表1-1。此种材料易加工、有较高的电阻率和抗氧化性，在高温下能生成Cr₂O₃或NiCr₄氧化膜，但不宜再还原气氛中使用。Ni-Cr合金经高温使用后，只要没有过烧仍然很柔软。

非金属电热元件有碳化硅制品、硅钼制品和石墨

注：以上3种电热元件在今后讲解中再详细论述。

    （3）耐火材料和保温材料

    为了获得稳定的高温必须具备两个条件，一是要有电热体即热源，二是包围电热体以防热量向外散失的绝缘体。

    耐火材料：在高温电阻炉中，发热元件本身温度较高，一般可达1400℃以上，炉膛结构需要布置合适的耐火材料。胜任耐火材料必须具备以下条件：高的耐火度、结构致密、高温条件下强度好、无明显挥发、不与炉内工作气体发生反应。

    表1-2列出了常用的耐火材料主要物理性能。主要有高铝砖、刚玉管、1600℃硅酸铝纤维板等等。

保温材料：为了减少热损失和增加炉温的稳定性，常常在炉壳内填入保温材料，他们必须是具有导温系数小、气孔率大、具有一定的耐火度。

按温度使用可分为：A高温保温材料大于1200℃，B900-1000℃，C低于900℃三大类，有关材料见表1-3。

     高温保温材料常用的有轻质粘土砖（1150-1400℃），轻质硅砖不大于（1500℃），轻质高铝转不大于（1350℃），硅酸铝纤维板（1200-1400℃）等等。

中温的保温材料常用的有：轻质珍珠岩和蛭石。

    低温保温材料有石棉、矿渣棉等，石棉是很普通的隔热材料，其化学成分为含水硅酸镁，矿渣棉是将冶金熔渣用高压蒸汽吹成纤维状在空气中迅速冷却而得到的人造矿物纤维。

    现在随着技术进步，目前已开发出最好的保温材料是一种高铝纤维棉，它质轻柔软似棉花，保温性能很好，使用温度最高可达1600℃

    当然，硅酸铝纤维毡也以较佳保温性能被大量使用。

    因此目前可供我们选择的新型保温材料大量出现，使我们开拓了设计视野，摒弃过去使用耐火砖和珍珠岩的概念，尽可能的选择最新材料，隔热保温性能会大大提高，这样我们工业炉制造除了将会变得越来越轻外，而且越来越节约能源。