先进陶瓷制造热工设备之窑炉辅助设备
本文主要对窑炉的常用发热元件及热工测量进行介绍。
01发热元件
电炉按炉温的高低可以分为低温（工作温度低于700℃）、中温（工作温度为700~1250℃）和高温（工作温度大于1250℃）三类。炉温在1200℃以下，通常采用镍铬丝、铁铬铝丝；炉温为1350~1400℃时采用硅碳棒；炉温为1600℃可采用二硅化钼棒为电热体。
(1)镍铬合金
也称为镍基合金，其熔点随合金成分而定，约为1400℃。在1100℃以下的炉子均使用镍铬合金，高温下不易氧化，不需气体保护。比体积电阻约为1.11Ω·mm2/m,电阻温度系数为(8.5~14)×10-5,所以当温度升高时，电功率较稳定。不同成分的镍铬合金其电阻系数及电阻温度系数不同。高温强度较高，有较好的塑性和韧性，适应绕制各种类型的电热元件。电热元件经高温使用后一般会变脆，不能再加工，而镇铭电热元件如果没有过烧仍然是较软的。
(2)铁铬铝合金
铁铬铝合金的熔点比镍铬合金高，约为1500℃，加热后在其表面生成一层氧化铝，此层氧化铝的熔点比镍铬合金高并不易氧化，起保护作用。国产的高温铁铬铝最高使用温度达1300~1400℃。铁铬铝合金强度不太高，比镍铬合金低得多，如果过烧容易造成变形倒塌造成短路，缩短使用寿命。性能硬脆，加工性差；经加热或使用过的铁铬铝合金性能更硬脆，不能再加工。可焊性差，要求快速焊接。在高温下与酸性耐火材料和氧化铁反应强烈，在炉里或支撑用时要考虑使用比较纯的氧化铝耐火材料。
(3)硅碳棒
硅碳棒的主要成分为94.4%的SiC；3.6%的SiO2，其余为少量的铝、铁、氧化钙等。熔点为2227℃，使用温度为1400±50℃。硅碳棒低温时，其电阻与温度成反比，但在800℃左右时阻温特性曲线由负变正，这时注意控制电压。空气与碳酸气在高温时对硅碳棒起氧化作用，阻值会增加。在使用60~80h后，阻值增加15%~20%，以后逐渐缓慢，这种现象称为“老化”，要注意控制功率。在正常的气氛下，炉温在1400℃时，硅碳棒连续使用寿命可达2000h以上，间断使用为1000h左右。除棒形外，还可做成管形或螺旋形元件。如图1.
图1.硅碳棒示意图
(4)硅钼棒
硅钼棒是用金属粉末Mo与Si粉通过直接合成的方法制备的，熔点为2030℃，作为电热体在空气中连续使用最高温度为1650℃。硅钼棒的电阻率随温度的升高几乎以直线关系迅速上升，在恒定电压下功率在低温时是高的，随着温度上升则功率减小。硅钼棒在室温时既硬又脆，冲击强度低，抗弯和抗拉强度较好，如图2所示。元件在高于1350℃时变软并有延展性，伸长率5%，冷却后又恢复脆性。硅钼棒特别适用于空气和中性气氛（如惰性气体）。
图2.硅钼棒示意图
02热工测量
窑炉热工测量是对正在操作的窑炉，测定一些参数，一方面可以用来衡量设计是否合理，操作是否正常，有无改进之处；另一方面可以检查炉内温度分布情况，由实测数据来调节。自动调节的目的是使窑炉能自动地按要求的参数，稳定地运转。
窑炉热工测量包括温度测量，压力测量，气氛测量和流速、流量的测量。下面只讨论温度的测量。常用测量工具测温三角锥、仪器有热电偶。
(1)测温三角锥
测温三角锥（又叫火锥），是用一定成分的硅酸盐材料（各种不同的氧化物）制成高约6cm的三角锥体。按号码划分，每个号码相当于一个熔融温度。其熔融温度与制造测温锥的成分有关。
测温时是将测温锥放在料垛之间，进入窑内与制品同时升温，当测温锥软化，其顶端弯倒恰好与底座接触时的温度，被规定为测温锥的熔融温度，也就是窑内制品温度。因为测温锥与制品处于同一位置，经受相同的升温和保温时间，较近似地反映了制品的情况。
如果将多个不同锥号的测温锥放在车上，然后在烧成带不同的观察孔观察，也可以测出各车位的温度和烧结情况。
将测温锥插入耐火泥底时，插入深度约10mm，并使测温锥与底座平面成80°，我国火锥编号和温度是一致的，只要将火锥号乘10，就是测定温度。
(2)热电偶
图3.简单的热电调测温系统
热电偶是由两根成分不同的金属丝或合金丝焊接而成，并装在一根铁管或瓷管里面，最简单的测温系统如图3所示。两根金属丝焊接的一端放在窑炉里，称为热端；而另一端放在窑的外面，称为冷端。用铜导线把它和毫伏计联起来，由于热、冷两端的温度不同，在热电偶中产生了一个电动势，回路中就有电流。两端所产生的电位差的大小与两端的温度差成正比。这样，毫伏计上就可以指示出温度的读数来。
为什么热电偶两端温度不同就会产生一个电动势呢？因为金属丝两端自由电子的能量不同，温度高的一端电子能量大，容易跑到温度低的一端去。由于两种不同成分的金属丝其单位体积内所含的自由电子数不同，当焊接在一起并处于同一温度，而冷端接在毫伏计或电位差上也处于同一温度时，两根金属丝中的电子不平衡，所以热电偶中产生了一个电动势。接通以后，就有电流产生。
常用的热电偶有铂铑-铂热电偶、镍铬-镍硅（镍铬-镍铝）热电偶、镍铬-考铜热电偶和铂铑30-铂铑6热电偶。
热电偶在使用过程中，会受到窑内气氛的侵蚀，而且长时间经受高温，金属有再结晶现象，因而使测量不准确，所以应定期校正。
由热电偶的测温原理可知，电动势的大小与热冷两端的温差有关，冷端的温度要求稳定。但实际上，冷端温度是有变化的，为此，通常是应用补偿导线，将冷端位置移到连接仪表的温度较为恒定的地方，这样测得的温度必须根据冷端温度进行校正，才是热端实际温度。
当热电偶接上补偿导线以后，如果冷端温度比较恒定，与之配套的显示仪表机械零点调整又比较方便的话，也可以采用这个方法。如果要求比较精确，可用冷端恒温法和补偿电桥法。有不同材料的补偿导线，铂佬-铂热电偶的补偿导线是铜-铜镇，锦铭-铐硅热电偶的补偿导线是铜-康铜。热电偶及补偿线的两条线有正有负，连接时应正接正，负接负，不要接错。
