1、第六章 材料的高温制备l电炉的分类按加热的方式：按加热的方式：电阻炉电阻炉电流通过电阻体时，由于电流的热效应而产电流通过电阻体时，由于电流的热效应而产 生热量用来加热制品。生热量用来加热制品。电弧炉电弧炉由电弧产生热量来加热制品。由电弧产生热量来加热制品。感应炉感应炉由于电磁感应作用在电阻体内产生电流，并由于电磁感应作用在电阻体内产生电流，并 由电阻产生热量来加热制品。由电阻产生热量来加热制品。电子束炉电子束炉利用高速运动的电子能量作为热源加热制品利用高速运动的电子能量作为热源加热制品 等离子炉等离子炉利用电能产生等离子体的能量来加热制品。利用电能产生等离子体的能量来加热制品。电炉的应用 机械
2、工业对原材料、毛坯、机械零件加热用。如 板材轧制前的坯料加热，锻件的加热。机械零件及半成品的热处理以改善其机械性能，如进行淬火、回火、退火、气体渗碳、氮化等。低熔点金属的熔炼及陶瓷玻璃工业的加热。无机材料物理性能的检测。实验室中进行科学研究。电阻炉电加热原理：当电流在导体（电热元件）中流过时，因为任何导体均存在电阻，电能热能，按焦耳定律：QI2Rt Q热能，J；I一电流，安培；R一电阻，欧姆；t一时间，秒。电阻炉在结构上是使电能转换为热能的设备。电阻炉的分类：按热量产生的方法间接加热式、直接加热式间接加热式在炉子内部有专用的电阻材料做发热 元件，电流通过加热元件时产生热量而加热 制品。直接加热
3、式 电源直接接在所需加热的材料上，使 电流直接流过所需加热的材料而使材料自 己发热达到加热效果。工业电阻炉，大部分是采用间接加热式的。按炉体结构箱式电炉、台车式电炉、井式电炉等。箱式电炉外壳一般是用型钢、钢板焊接而成的。安装小型电炉由于需保持工作面的一定高度，一般均做成带支架的，在箱型壳体下边，有支 持炉体的腿或支架。中型电炉因本身重量大及加入炉内的工件重量 也大，所以一般均直接在底盘上焊接炉体及砌砖。大型电炉可以在特定的专用的地基上设计成无钢 性底盘的结构，而就地焊接砌砖，但这种电炉在 安装后不能吊运及移动。箱式电阻炉箱式电阻炉炉门的升降是通过手摇链轮来进行。在炉门上部有一断路装置，当炉门开
4、启时，电炉电源即切断以保证操作人员的安全，电加热器的形式由高电阻合金板材制成；为了消除表面积炭形成短路，加热器面涂上专用的高温绝缘釉；辐射管式的，水平或垂直的插入炉膛中，管中用大切面圆形电阻线组成金属发热器。非金属电热元件有金属电热元件与非金属电热元件。一.金属电热元件 铁铬铝（FeCrAl）1.电阻率大，电阻温度系数小。2.使用温度高，空气中最高使用温度：10001100。3.表面负荷比NiCr丝稍高。4.抗氧化抗腐蚀能力好，价格低。Cr27Al7Mo2 1最高使用温度：1400 2在氮气中使用比空气中寿命低（N2会破坏加热元件 的氧化膜）镍铬丝（Ni15Cr60、Cr20Ni80）1电阻率
5、较小，高温强度高；2.加工性能好，高温下力学性能不发生大变化；2最高使用温度：10001050。纯金属：（高熔点金属：Mo,W,钽）共同特点电阻系数大，熔点高，抗氧化差（一般不适宜 用在空气状态中）。加热时，功率不稳定，一定要配磁性调压器或 可控硅加调压器，加热器电压应该小于100伏。1钼丝（Mo）（熔点：2630）a.高温状态下：强度高，但脆性大，所以加工性能差，常用直径2mm，常制成丝状、带状或棒状。b.在高温下，与任何耐火材料都能反应，所以耐火材料 必须选择纯度较高的。钼的再结晶温度1007，超过此温度，强度会变低，脆性增加；c.常用温度：1600 ；在1800 时，钼会强烈挥发，晶粒粗
6、大，脆性增加。d.蒸汽压较大，在空气中不能用，在渗碳气氛中，会使 钼变脆；2钨（W）（熔点：3410）a.最高使用温度：2500；b.常用温度：22002400；c.在保护气氛中号称可用到：3000；d.在2400，真空状态中会强烈挥发；e.在氩气中可用到2600；f.钨丝加工性能差，加工时温度要小于600。3钽（熔点：2900）a.一般用在真空和保护气氛中（氮气中不能用）；b.最高使用温度：2200；c.常用温度：20002100；d.不能在氮气和氢气中使用；e.在空气中400开始氧化，600强烈氧化；f.加工性能好，用真空电子束焊接。二.非金属电热元件简介 硅碳棒（SiC-94.4%，Si
7、O2-3.6%，其余Al、Fe、CaO）空气中使用温度：6001500 1物理性能硬度高，脆性大，耐急冷急热高温 变形小。2化学性能具有良好的化学稳定性，酸对其无作用，但碱和碱土金属氧化物在一定温度条件下对其 有侵蚀作用。高温下，水蒸气、氢气、卤素、硫等对其也有氧化和侵蚀作用。气氛影响其使用性能。3.电阻特性电阻系数大，在800或900时电阻率最低。随温度的升高，电阻呈非线形变化。4.形状可制成“u”型、直棒型。硅钼棒（MoSi2）（主要用于实验室电炉）1物理性能室温时，强度高，脆性大，到1350时，开始软化。耐热冲击性好。2化学性能 400800时会产生低温氧化。高温下 耐氧化，耐高温（12
8、001650）。气氛适用于空气、氮气、惰性气体中，但不适用 于还原性气氛中，1350时，应尽量避开含硫和氯 气氛。在弱氧化气氛中，寿命最长。所配耐火材料为酸性或中性材料 3电阻特性电阻率随温度的升高几乎以直线 关系迅速上升。在正常情况下，元件 电阻一般不随使用时间的长短而变化，所以新旧元件可以混合使用。4.形状可制成棒状，U型、W型、U型直角等形状。如下图所示 温度传感器n温度传感器是利用物质各种物理性质随温度变化温度传感器是利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的的规律把温度转换为电量的传感器传感器。它是它是温度测温度测量仪表量仪表的核心部分，品种繁多。的核心部分，品种繁多。按
9、测量方式按测量方式 接触式接触式和和非接触式非接触式 按照按照传感器材料传感器材料及电子元件特性及电子元件特性 热电阻热电阻和和热电偶热电偶 按照温度传感器输出信号的模式按照温度传感器输出信号的模式 数字式温度传感器数字式温度传感器、逻辑输出型温度传感器逻辑输出型温度传感器、模拟温度传感器模拟温度传感器。热电阻的应用原理热电阻的应用原理 导体的电阻值随温度变化而改变，通过测量其阻值推算出被测物体的温度，利用此原理构 成的传感器就是电阻温度传感器，这种传感器主要用于-200500温度范围内的温度测量。纯金属是热电阻的主要制造材料。主要有Cu、Pt等电阻传感器。现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热
10、电阻。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。热电偶测温基本原理热电偶测温基本原理n两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当两个接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。n常用温度传感器热电偶可分为标准温度传感器热电偶和非标准温度传感器热电偶两大类n目前，国际电工委员会（IEC）推荐了8种
11、类型的热电偶作为标准化热电偶，即为T型、E型、J型、K（镍铬-镍硅）型、N型、B型、R型和S（铂铑-铂）型。实验一 玻璃的高温熔制 高温制备，是指通过一定的高温过程，最终制得具有一定性能的原料或产品。在无机非金属材料的生产和科学研究中，通过材料的高温制备研究，可寻找最佳的配方设计，掌握各种因素的变化对材料制备的影响，制定合理的和工艺制，是进行生产质量控制、新产品开发和材料研究的重要方法。在实际生产中，玻璃熔制是关键环节。在玻璃配方合理和成型条件固定的前提下，如果熔制好，就能做到优质高产；熔制不好，工厂的废玻璃就会堆积如山。一、实验目的：一、实验目的：1.在实验室条件下进行玻璃成分的设计、原料的
12、选择、配料计算、配合料的制备、用小型坩埚进行玻璃的熔制、玻璃试样的成形等，完成一整套玻璃材料制备过程的基本训练。.了解熔制玻璃的设备及其测试仪器，掌握其使用方法。.观察熔制温度、保温时间和助熔剂含量对熔化过程的影响。.根据实验结果分析玻璃成分、熔制制度是否合理。二.基本原理 玻璃熔制就是把合格的配料使之进行一系列的物理的、化学的、物理化学的现象和反应，经过硅酸盐的形成、玻璃的形成、玻璃液的澄清、玻璃液的均化、玻璃液的冷却五个阶段，成为具有一定物理化学性质的，合乎成型要求的玻璃液。三实验器材实验器材 1高温炉，一台；2.天平，一台；3化工原料：石英砂（SiO），纯碱（NaCO），碳酸钙（CaCO
13、），碳酸镁（MgCO），氢氧化铝Al(OH)；4坩埚、研钵等；5.退火马弗炉。四试样要求与制备 1.玻璃成分的设计 2.熔制温度的估计 （/）（/）2.玻璃原料的选择 一般都采用化工原料（化学纯或分析纯，也有用光谱纯）来做实验。3.配料计算 根据玻璃成分和所用原料的化学成分就可以进行配合料的计算。在计算时，应认为原料中的气体物质在加热过程中全部分解逸出，而其分解后的氧化物全部转入玻璃成分中。五实验步骤 六.实验结果分析 七.影响因素 1.玻璃配合料的组成必须正确，否则会影响实验结果。2.玻璃成分不同，玻璃的硅酸盐形成、玻璃形成、澄清等阶段的温度不同，需制定不同的温度制度。3.如果玻璃的硅酸盐形
14、成、玻璃形成、澄清等阶段的效果不理想，看不到各阶段应有的特征，则可能是保温时间短或保温的温度低，应延长保温时间或提高保温的温度。实验二 水泥熟料的高温烧成 通常水泥主要是由水泥熟料和部分混合材、少量石膏一起粉磨而成的。因此水泥的质量主要取决于水泥熟料的质量，而熟料的质量除水泥生料的质量（原料的配料、均匀性）有影响外，主要取决于煅烧设备和熟料的煅烧质量。因此，在水泥研究与生产中往往通过实验来了解和研究熟料的煅烧过程，为优质、高产、低消耗提供依据。一.实验目的1.掌握实验室常用高温实验设备、仪器的使用方法。2.按照确定的配方和所用原料的化学成分进行配料计算。3.通过本实验，了解升温速率、保温时间、
15、冷却制度对不同配料熟料煅烧的影响。4.通过本实验，进一步理解KH、IM、SM对水泥熟料煅烧及性能的影响，提高分析问题和解决问题的能力。二二.基本原理基本原理 硅酸盐水泥高温制备的实质，是使以一定化学组成经磨细、混合均匀的水泥生料在从常温到高温的煅烧过程中，随着温度的升高，经过原料水分蒸发、粘土矿物脱水、碳酸盐分解、固相反应等过程。当到达最低共熔温度（约1300）后，物料开始出现（主要由铝酸钙和铁铝酸钙等组成的）液相，进入熟料烧成阶段。随着温度继续升高，液相量增加，粘度降低，物料经过一系列物理、化学、物理化学的变化后，最终生成以硅酸盐矿物（C3S、C2S）为主的熟料。三实验器材实验器材 1高温炉
16、，一台；2.天平，一台；3高温匣钵、垫砂 4.坩埚钳、石棉手套等；四试样要求与制备 1.可采纯化学试剂，也可用已知化学成分的工业原料配料。2.确定水泥的品种、熟料的组成和选用的原料。3.进行配料计算 求熟料的石灰饱和系数KH、硅率SM、铝氧率IM、计算原料配合比、液相量，液相量P，确定煅烧最高温度。KH：0.820.94 SM：1.72.7 IM：0.91.7 4.将已配合的原料在研钵研磨，或置入球磨罐中充分混磨，直至全部通过0.080 mm的方孔筛。5.配方称好的粉料加入57%的水，放入成型摸具中，置于压力机机座上以3035 MPa的压力压制成块，压块厚度一般不大于25 mm。6.块试样在105110下缓慢烘干。烧成过程五实验步骤 六.实验结果分析 1.实验记录及观察数据 2.理论参数的计算3.考虑游离氧化钙值的计算七.影响因素 本实验主要讨论配料对水泥熟料煅烧的影响和对水泥质量的影响：1.液相量大，有利于熟料的烧成。可以减少熟料中f-CaO的含量，同时可以缩短保温时间，节约能耗。2.石灰饱和系数高，反应完全时，C3S含量高，熟料早期，后期强度就比较高，但水化热也高。3.熟料急冷处理的好C3A和C4AF多以玻璃体存在，其活性好，对熟料的抗硫酸盐性能较好。
