高溫實驗技術和測溫技術演示文稿現在是1頁\一共有48頁\編輯于星期四高溫實驗技術和測溫技術現在是2頁\一共有48頁\編輯于星期四3.1高溫實驗爐3.1.1感應爐無芯感應爐是利用電磁感應在被加熱的金屬內部形成感應電流來加熱和熔化金屬的，感應爐的基本電路如圖所示。感應線圈是用銅管繞成的螺旋形線圈，銅管通水進行冷卻。交變電流通過感應線圈時使坩堝中的金屬料因電磁感應而產生電流。感應電流通過坩堝內的金屬料時，產生熱量，可將金屬熔化。現在是3頁\一共有48頁\編輯于星期四根據電流頻率，感應爐可分為以下三種：（1）工頻感應爐工頻感應爐是以工業頻率的電流（50或60赫茲）作為電源的感應電爐。國內工頻感應爐的容量為0.5～20噸。它是一種用途比較廣泛的冶煉設備。（2）中頻感應爐所用電源在150～10000赫茲范圍內的感應爐稱為中頻感應爐。中頻爐的容量可以從幾公斤到幾噸。中頻爐的電源設備有中頻發電機和可控硅變頻器。中頻爐的應用非常廣泛，大部分冶金實驗室都配備有5－150公斤的中頻爐。

(3)高頻感應爐高頻感應爐使用的電源頻率在10～300千赫茲，所用電源為高頻電子管振蕩器、可控硅變頻器或高頻發電機，以產生高壓高頻率交流電供高頻爐使用。高頻爐受電源功率限制，主要用于實驗室。作為科研試驗用的高頻爐容量通常僅有幾百克。高頻感應爐的電源設備復雜，工作電壓高，安全性差，這種爐子逐步被中頻感應爐所代替。3.1高溫實驗爐現在是4頁\一共有48頁\編輯于星期四（4）真空感應爐真空感應爐是用來進行真空冶煉的設備。真空爐的電源設備與中頻感應爐基本相同。真空爐的感應圈和坩堝部分被放在能夠密封的爐殼內（如圖），由真空泵抽氣后，真空度可達到范圍內。國產真空感應爐容量為10－1500公斤。真空爐的設備和操作都比較復雜，可以在真空下加料、取樣和鑄錠，一般僅在進行特殊要求的鋼種試驗時才使用。3.1高溫實驗爐現在是5頁\一共有48頁\編輯于星期四

等離子電弧爐等離子爐是用電弧放電加熱氣體以形成高溫等離子體作為熱源進行熔煉或加熱的電爐。等離子電弧爐由等離子槍、爐體及直流電源三部分組成。當氣態原子獲得一定能量時，其最外層電子脫離原子核的吸引成為自由電子。而原子則成為正離子。這種現象叫做氣體的電離。自由電子、正離子以及氣體的原子和分子等組成的混合體叫做等離子體。用于產生等離子體的裝置稱為等離子發生器，也叫等離子槍。當氣體（常用Ar氣）通過等離子槍內電弧區時，被電離成等離子體，從噴口高速噴出，噴出后等離子體又極快復合成分子狀態而放出能量。氬弧等離子流的溫度能達2萬℃以上。等離子電弧爐

1-等離子發生器;2-爐頂密封部分;

3-底部電極;4-傾出口3.1高溫實驗爐現在是6頁\一共有48頁\編輯于星期四3.1.3電子束爐電子束加熱的原理將是高速電子流轟擊被加熱金屬表面，將它的動能轉化為熱能，從而金屬被加熱、熔化并流入水冷銅模內。熔煉是在10-1～10-3Pa的高真空下的水冷銅坩堝（結晶器）內進行的，可以有效地避免金屬液被耐火材料污染，因此電子束熔煉為一些金屬材料，特別是難熔金屬提供了一種有效地精煉手段。在實驗室里，電子束加熱已成功的用來區域精煉金屬和生產單晶。3.1高溫實驗爐現在是7頁\一共有48頁\編輯于星期四3.1.4懸浮熔煉爐懸浮熔煉爐又稱為無坩堝熔煉爐，如圖所示。當懸浮線圈通入交流電后就會產生一個磁場，如果有一個導體（金屬試樣）在這個高頻磁場中，由于感應作用在金屬內部產生感應電流，同時也產生一個磁場，其方向與懸浮線圈產生的磁場相反，從而產生一個斥力使導體懸浮于空間。懸浮熔煉可以避免坩堝材料產生的污染，主要用于實驗室的小型純金屬熔煉研究，也可用于冶金反應平衡研究。3.1高溫實驗爐現在是8頁\一共有48頁\編輯于星期四3.1.5冷坩堝熔煉爐冷坩堝熔煉是一種采用水冷分瓣銅坩堝對物料進行真空感應熔煉的方法。典型的冷坩堝熔煉爐結構如圖所示。銅坩堝分瓣的目的是為了避免導電的坩堝對電磁場產生屏蔽作用；水冷的目的是為了使坩堝壁溫度保持在冷態，避免熔池中熔料與坩堝發生物理和化學反應。3.1高溫實驗爐現在是9頁\一共有48頁\編輯于星期四

電阻爐電阻爐設備簡單、易于制作、溫度和氣氛容易控制，在實驗室使用最多。電阻爐是將電能轉換成熱能的裝置。當電流I通過具有電阻R的導體時，經過t時間便可產生熱量Q。當電熱體產生的熱量與爐體散熱達到平衡時，爐內即可達到恒溫。

3.1高溫實驗爐現在是10頁\一共有48頁\編輯于星期四電阻爐結構根據用途不同，實驗室用的電阻爐，有豎式或臥式管狀爐、箱式爐等，其基本結構大致相同。如圖豎式電阻爐的結構，主要由以下6部分組成：

(1)電熱體

(2)電源引線

(3)爐管

(4)爐殼

(5)爐襯

(6)支架3.1高溫實驗爐現在是11頁\一共有48頁\編輯于星期四3.2.1電熱元件：

電阻爐的關鍵組成部分，其作用是把電能轉化為熱能，使被加熱的樣品達到所要求的溫度。它決定爐子的工作能力和壽命。標志電熱體性能的三個指標：最高使用溫度：是指電熱元件本身的表面溫度，而不是爐膛最高。爐膛的最高溫度主要取決于電熱溫度。一般來說，爐膛溫度比電熱元件溫度低50～150℃,爐膛的最高溫度取決于電熱元件的最高使用溫度。電阻系數及電阻溫度系數：電阻系數是指電熱體在20℃下，1m長度,1mm2斷面所具有的電阻值。電熱體的電阻隨著溫度變化而變化，衡量這個變化程度的叫電阻溫度系數。電阻溫度系數越小，說明溫度變化時電阻值變化小，在一定的供電制度下，供電功率較穩定，溫度控制性能較好。表面負荷及允許表面負荷：表面負荷是指電熱體單位工作表面上分擔的功率。表面負荷是選擇電熱元件必須考慮的一個參數。允許表面負荷值是從大量實踐中總結出來的，采用允許表面負荷值來設計電熱元件，綜合了技術上和經濟上的合理要求。允許表面負荷對不同材質規格的電熱體以及工作狀態有關。

3.2電熱元件（電阻爐的核心）現在是12頁\一共有48頁\編輯于星期四3.2.2電熱體

電熱體分為金屬和非金屬兩類，以下分別介紹。

(1)金屬電熱體金屬電熱體通常制成絲狀，纏繞在爐管上作為加熱元件，常用的電熱絲有：

①鉻鎳合金絲－可在1000℃以下的空氣環境條件下長期使用。

②鐵鉻鋁合金絲－使用溫度在1200℃以下，可以在氧化氣氛下（空氣）使用。

③鉑絲和鉑銠絲－鉑絲使用溫度在1400℃以下，鉑銠則可用到1600℃。能在氧化氣氛（空氣）中使用。

④鉬絲－Mo的熔點高，長期使用溫度可達1700℃，但Mo在高溫氧化氣氛中可生成氧化鉬升華，因而僅能在高純氫、氨分解氣或真中使用。3.2電熱元件現在是13頁\一共有48頁\編輯于星期四(2)非金屬電熱體非金屬電熱體通常做成棒狀或管狀，作為較高溫度的加熱元件，常用的非金屬電熱體有如下三種：

①硅碳電熱體－SiC電熱元件在氧化氣氛下能在1400℃以下長期工作，右圖是不同形狀的SiC電熱元件，棒狀SiC常用于箱式電阻爐（也稱為馬弗爐），管狀SiC用于管式電阻爐。②硅鉬電熱體

MoSi2電熱元件一般做成I或U型，如圖所示。這種電熱體可在氧化氣氛中1700℃以下使用。③石墨電熱體石墨通常加工成管狀，用于碳管爐（也稱為湯曼爐）電熱元件，也可做成板狀或其它形狀。石墨電熱體在真空或惰性氣氛中使用溫度可達2200℃，一般在1800℃以下使用。石墨耐急冷急熱，配用低電壓大電流電源，能快速升溫。但石墨在高溫下容易氧化，需在保護氣氛（Ar、N2）中使用。3.2電熱元件現在是14頁\一共有48頁\編輯于星期四

在冶金高溫實驗中，準確的溫度測量和控制是必不可少的。測量溫度的方法分二類

接觸式測溫（如熱電偶）-溫度傳感元件要緊靠被測物體或直接置于溫度場中（熱電偶溫度計：熱電偶+測量儀表+連接導線）；

非接觸式測溫（如光學高溫計）-利用被測物體的熱輻射或輻射光譜分布隨溫度的變化來測量物體溫度的。3.3溫度的測量現在是15頁\一共有48頁\編輯于星期四熱電極A右端稱為：自由端（參考端、冷端）

左端稱為：測量端（工作端、熱端）

熱電極B熱電勢AB結論：

當兩個結點溫度不相同時，回路中將產生電動勢。3.3溫度的測量3.3.1熱電偶測溫原理

熱電偶的工作原理演示（塞貝克實驗）3.3溫度的測量現在是16頁\一共有48頁\編輯于星期四自由電子＋ABeAB（

T）T結點產生熱電勢的微觀解釋及圖形符號兩種不同的金屬互相接觸時，由于不同金屬內自由電子的密度不同，在兩金屬A和B的接觸點處會發生自由電子的擴散現象。自由電子將從密度大的金屬A擴散到密度小的金屬B，使A失去電子帶正電，B得到電子帶負電，從而產生熱電勢。

3.3溫度的測量現在是17頁\一共有48頁\編輯于星期四塞貝克熱電效應：將兩種不同材料的導體A和B串接成一個閉合回路，當兩個接點溫度不同時，在回路中就會產生熱電勢，形成電流，此現象稱為熱電效應。3.3溫度的測量現在是18頁\一共有48頁\編輯于星期四

由導體A、B可組成一對熱電偶。接點1焊接在一起，工作時將它置于被測溫的場所，故稱為工作端（熱端）。接點2要求恒定在一定溫度下，稱為自由端（冷端）。

當電極材料選定后，熱電偶的電動勢僅與兩個結點溫度有關，即：3.3溫度的測量3.3溫度的測量現在是19頁\一共有48頁\編輯于星期四2)中間導體定律在熱電偶回路中接入第三種材料的導體，只要其兩端的溫度相等，該導體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。TT0V1)均質導體定律

由一種均質導體組成的閉合回路，不論導體的橫截面積、長度以及溫度分布如何均不產生熱電動勢。3.3.2熱電偶測溫基本定律3.3溫度的測量3.3溫度的測量現在是20頁\一共有48頁\編輯于星期四ABTT0=ACTT0—CBTT03)參考電極定律

兩種導體A,B分別與參考電極C組成熱電偶，如果他們所產生的熱電動勢為已知，A和B兩極配對后的熱電動勢可用下式求得：4)中間溫度定律

熱電偶在兩接點溫度t、t0時的熱電動勢等于該熱電偶在接點溫度為t、tn和tn、t0時的相應熱電動勢的代數和。中間溫度定律可以用下式表示：中間溫度定律為補償導線的使用提供了理論依據。3.3溫度的測量現在是21頁\一共有48頁\編輯于星期四3.3.3常用標準熱電偶3.3溫度的測量3.3溫度的測量標準化熱電偶：工藝上比較成熟，能批量生產、性能穩定、應用廣泛，具有統一分度表并已列入國際和國家標準文件中的熱電偶。標準化熱電偶可以互相交換，精度有一定的保證。國際電工委員會（IEC）共推薦了8種標準化熱電偶

現在是22頁\一共有48頁\編輯于星期四3.3溫度的測量3.3溫度的測量熱電偶名稱分度號熱電極識別E（100,0）（mV）測溫范圍（℃）對分度表允許偏差（℃）新極性識別長期短期等級使用溫度允差鉑銠10-鉑S正亮白硬0.6460~13001600Ⅲ≤600±1.5℃負亮白軟＞600±0.25%t鉑銠13-鉑R正較硬0.6470~13001600Ⅱ＜600±1.5℃負柔軟＞1100±0.25%t鉑銠30-鉑銠6B正較硬0.0330~16001800Ⅲ600~900±4℃負稍軟＞800±0.5%t鎳鉻-鎳硅K正不親磁4.0960~12001300Ⅱ-40~1300±2.5℃或±0.75%t負稍親磁Ⅲ-200~40±2.5℃或±1.5%t鎳鉻硅-鎳硅N正不親磁2.774-200~12001300Ⅰ-40~1100±1.5℃或±0.4%t負稍親磁Ⅱ-40~1300±2.5℃或±0.75%t鎳鉻-康銅E正暗綠4.319-200~760850Ⅱ-40~900±2.5℃或±0.75%t負亮黃Ⅲ-200~40±2.5℃或±1.5%t銅-康銅T正紅色4.279-200~350400Ⅱ-40~350±1℃或±0.75%t負銀白色Ⅲ-200~40±1℃或±1.5%t鐵-康銅J正親磁5.269-40~600750Ⅱ-40~750±2.5℃或±0.75%t負不親磁標準熱電偶的技術數據現在是23頁\一共有48頁\編輯于星期四3.3溫度的測量3.3溫度的測量標準熱電偶熱電勢和溫度的關系現在是24頁\一共有48頁\編輯于星期四3.3溫度的測量熱電偶種類優點缺點B適于測量1000℃以上的高溫常溫下熱電動勢極小，可不用補償導線抗氧化、耐化學腐蝕在中低溫領域熱電動勢小，不能用于600℃以下靈敏度低熱電動勢的線性不好R、S精度高、穩定性好，不易劣化抗氧化、耐化學腐蝕可作標準靈敏度低不適用于還原性氣氛(尤其是H2、金屬蒸氣)熱電動勢的線性不好，價格高N熱電動勢線性好1200℃以下抗氧化性能良好短程表序結構變化影響小不適用于還原性氣氛同貴金屬勢電偶相比時效變化大K熱電動勢線性好1000℃下抗氧化性能良好在廉金屬熱電偶中穩定性更好不適用于還原性氣氛同貴金屬熱電偶相比時效變化大因短程有序結構變化而產生誤差E在現有的熱電偶中，靈敏度最高同J型相比，耐熱性能良好兩極非磁性不適用于還原性氣氛熱導率低具有微滯后現象J可用于還原性氣氛熱電動勢較K型高20%左右鐵正極易生銹熱電特性漂移大T熱電動勢線性好，低溫特性好產品質量穩定性好可用于還原性氣氛使用溫度低銅正極易氧化熱傳導誤差大標準熱電偶的特性現在是25頁\一共有48頁\編輯于星期四3.3.4熱電偶的使用3.3溫度的測量3.3溫度的測量熱電偶焊接、清洗與退火熱電偶的校驗：常用比較法熱電偶的冷端處理

3.3溫度的測量現在是26頁\一共有48頁\編輯于星期四熱電偶的冷端處理和補償

熱電偶的熱電勢大小不僅與熱端溫度的有關，而且也與冷端溫度有關，只有當冷端溫度恒定，通過測量熱電勢的大小得到熱端的溫度。

熱電偶的冷端處理和補償:

當熱電偶冷端處在溫度波動較大的地方時，必須首先使用補償導線將冷端延長到一個溫度穩定的地方，再考慮將冷端處理為０℃。3.3溫度的測量現在是27頁\一共有48頁\編輯于星期四幾種冷端處理方法：

1）補償導線法2）熱電偶冷端溫度恒溫法3）計算修正法4）冷端補償電橋法3.3溫度的測量現在是28頁\一共有48頁\編輯于星期四1）補償導線法組成：補償導線合金絲、絕緣層、護套和屏蔽層。熱電偶補償導線功能：其一實現了冷端遷移；其二是降低了電路成本。補償導線又分為延長型和補償型兩種延長形：補償導線合金絲的名義化學成分及熱電勢標稱值與配用的熱電偶相同，用字母“Ｘ”附在熱電偶分度號后表示，補償型：其合金絲的名稱化學成分與配用的熱電偶不同，但其熱電勢值在100℃以下時與配用的熱電偶的熱電勢標稱值相同，有字母“C”附在熱電偶分度號后表示，

3.3溫度的測量現在是29頁\一共有48頁\編輯于星期四補償導線的型號、線芯材質和絕緣層著色

補償導線型號配用熱電偶補償導線的線芯材料絕緣層著色正極負極SC或RC鉑銠10（鉑銠）-鉑SPC（銅）SNC（銅鎳）紅綠KC鎳鉻-鎳硅KPC（銅）KNC（銅鎳）紅藍KX鎳鉻-鎳硅KPX（銅鎳）KNX（鎳硅）紅黑NX鎳鉻硅-鎳硅NPS（銅鎳）NNX（鎳硅）紅灰EX鎳鉻-銅鎳EPX（鎳鉻）ENX（銅鎳）紅棕JX鐵-銅鎳JPX（鐵）JNX（銅鎳）紅紫TX銅-銅鎳TPX（銅）TNX（銅鎳）紅白3.3溫度的測量現在是30頁\一共有48頁\編輯于星期四使用補償導線時注意問題：補償導線只能用在規定的溫度范圍內（0~100℃）；熱電偶和補償導線的兩個接點處要保持溫度相同；不同型號的熱電偶配有不同的補償導線；補償導線由正、負極需分別與熱電偶正、負極相連；補償導線的作用是對熱電偶冷端延長。3.3溫度的測量現在是31頁\一共有48頁\編輯于星期四適用于實驗室中的精確測量和檢定熱電偶時使用。3.3溫度的測量2）熱電偶冷端溫度恒溫法現在是32頁\一共有48頁\編輯于星期四在實際應用中，熱電偶的參比端往往不是，而是環境溫度，這時測量出的回路熱電勢要小，因此必須加上環境溫度與冰點之間溫差所產生的熱電勢后才能符合熱電偶分度表的要求。

可用室溫計測出環境溫度T1，從分度表中查出的E(T1,0)值，然后加上熱電偶回路熱電勢E(T,T1)，得到E(T,0)值，反查分度表即可得到準確的被測溫度值。3.3溫度的測量3）計算修正法現在是33頁\一共有48頁\編輯于星期四例：用鎳鉻--鎳硅(K型)熱電偶測溫，熱電偶參比端溫度為30℃。測得的熱電勢為28mV，求熱端溫度。反查K分度表T=701.5℃3.3溫度的測量現在是34頁\一共有48頁\編輯于星期四4）冷端補償電橋法利用直流不平衡電橋產生的電勢來補償熱電偶冷端溫度變化而引起的熱電勢的變化值

3.3溫度的測量現在是35頁\一共有48頁\編輯于星期四3.3溫度的測量3.3溫度的測量熱電偶的測溫線路：串聯、并聯、反向串聯串聯：熱電勢大，精度比單只高，可感受微弱信號并聯：測量溫度場的平均溫度反向串聯：測量兩點的溫度差（差熱法測熔點、相變點）3.3溫度的測量現在是36頁\一共有48頁\編輯于星期四

3.4.1純氧化物耐火材料

(1)Al2O3：為中性氧化物，高溫燒成的熔融純Al2O3稱為剛玉，在高溫實驗中被廣泛使用。用途：坩堝,爐管,熱電偶保護管、套管、墊片等。

(2)MgO：為堿性氧化物，常用來做坩堝，可盛鋼鐵液、金屬熔體和爐渣。抗堿性氧化渣的能力強，適合盛轉爐型熔渣。

(3)ZrO2：系弱酸性氧化物?？捎脕碜鲔釄迨⒔饘偃垠w，適合盛酸性或一般硅酸鹽爐渣。可做固體電解質定氧探頭。

(4)SiO2：系酸性氧化物，純SiO2稱為石英。石英做成坩堝時，可盛鐵水和酸性爐渣。還可用于爐管,液態金屬取樣管,真空容器等3.4高溫實驗用耐火材料現在是37頁\一共有48頁\編輯于星期四3.4高溫實驗用耐火材料現在是38頁\一共有48頁\編輯于星期四3.4.2爐襯耐火材料和結合劑

在感應爐中進行冶金實驗時，需用耐火材料做爐襯。制作感應爐爐襯時，常用耐火搗打料配加結合劑搗打成坩堝，經自然養護、烘干后使用；也可先用散狀耐火材料制成坩堝，經干燥或高溫燒結后，再放入感應圈內使用。1）耐火搗打料

耐火搗打料是不定型耐火材料的一種，由耐火骨料、粉料和結合劑組成的。骨料為60-65%，由5-0.5mm的顆粒組成；粉料35-40%,細度為<0.09mm的大于85%。3.4高溫實驗用耐火材料現在是39頁\一共有48頁\編輯于星期四3.4高溫實驗用耐火材料現在是40頁\一共有48頁\編輯于星期四

幾種普通耐火搗打料（1）高鋁質普通耐火搗打料；（2）鋁鎂質普通耐火搗打料；（3）鎂質水泥耐火澆注料；（4）鎂鉻質普通耐火搗打料2）結合劑（1）水玻璃：硅酸納（nNa2O?mSiO2）。水玻璃結合成型后耐火材料的室溫強度高，但對高溫性能不利。（2）磷酸鹽：磷酸（H3PO4）常用作Al2O3的結合劑。在不定形耐火材料中，應用最多的是三聚磷酸鈉（Na2P3O10）和六偏磷酸鈉[(NaPO3)6]，這兩種聚合磷酸鈉為白色粉末，均溶于水，是鎂質耐火材料的良好結合劑。（3）硫酸鋁：Al2(SO4)3為白色粉末，溶于水，可作高鋁質耐火材料的結合劑。（4）鹵水：主要成份是MgCl