一种三段加热立式高温均热炉的研制

杨新圆，刘裕盛，陈炜

(中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京100095)

0 引言

Fe-C 高温共晶点复现装置主要是利用纯金属Fe 粉与高纯石墨粉在一定温度条件下的共晶作用，形成温坪，从而实现对高温热电偶(铜点温度以上)的检定或校准，该方法可以将温度传感器的固定点溯源温度值由铜点温度1084.62℃提高到1153℃，并且校准结果的不确定度较以往采用的B 型偶校准方法大大减小，能够解决现阶段高温热电偶溯源的问题。

高温均热炉主要是为Fe-C 高温共晶温度点复现提供一个稳定的温度环境，满足其复现过程对温场的要求，该炉子能够实现温度的自动控制、升降温速率的设置调整，恒定温区达到100 mm 以上。

1 高温均热炉

高温均热炉为整个共晶点装置的关键部件。考虑到复现用石墨坩埚需要垂直放置，因此高温均热炉的炉体结构设计为立式。由于Fe-C 装置复现的温度点在1153℃左右，因此采用耐温可到1200℃的镍铬丝作为加热丝进行绕制，并通过温场的测试结果来进行加热丝之间的间隙调整，确保达到最终的温场要求。考虑到复现过程的要求，即炉体中心区100 mm 内，温场均匀度满足±1℃，结构设计上采用三段加热的方式，上下段调整配合中间段，完成均匀温区的实现。温控系统配置自动温度设定及采集软件，可以通过上位机软件设定升降温曲线，并能实时读取三部分炉温，温度控制系统采用日本岛电公司的SR23 型温度控制器并配以相应的可控硅和固态继电器组合进行温度控制，实现联动控制，SR23 控制器选配485 通讯模式，以便计算机通讯连接用。考虑到特殊气氛热电偶的要求以及灌制过程中减少对共晶体的污染，炉体部分还配置了抽真空系统和水冷系统，炉体结构如图1所示。

1.1 炉体设计

高温均热炉采用三段加热方式。均热炉主体选用陶瓷管，即陶瓷管的外部采用三段缠绕加热丝，每段加热丝的中心点作为控温传感器的接入点，如图2所示。陶瓷管内径60 mm，外径80 mm。缠绕加热丝时上下留10 mm 空间缠绕，分三段绕丝，每段绕丝长度为100 mm，上下两端作为辅助加热丝，要求中间的100 mm 温区内温度均匀性满足1℃，具体的上段和下段温度调节值大小根据实际试验情况来调节确定。每段加热丝中间部分为控温热电偶，紧贴陶瓷管的外表面，通过热电偶的反馈值，实现温度的自动控制，根据温场的测试情况，来对上端和下端的辅助加热的温度值进行调节。如果温场均匀性差异较大，还需调整加热丝的间距来调整温场，逐步逼近，最后确保满足中心温区的要求。

图1 高温均热炉结构示意图

图2 炉丝缠绕及控温位置图

1.2 水冷系统

在高温均热炉刚玉管外部的上端，采用铝锭加工，内部形成水冷路线，实现对刚玉管的出口端的冷却，确保端温度降低。水冷系统考虑的节能的要求，采用循环冷却水装置，其冷却水温度可控制在5℃左右，水流量最大可设定在5 L/min，足以满足氧化铝保护管上端冷却要求。水冷线路图具体如图3所示。

1.3 充气保护系统和抽真空系统

充气保护系统选用纯度优于99.99%的氩气，抽真空系统在选用优质的真空泵来对密封系统进行抽空，系统真空度可优于10 Pa。充气保护系统和抽真空系统通过阀门切换，通入到氧化铝密封管中。具体的气路原理图如图3所示。

图3 高温炉充气保护、抽真空和水冷系统框图

1.4 腔体密封件

高温炉炉体的末端采用铝加工密封件，结构如图4所示。铝制密封件内部有冷却水孔，可以减小炉体端部的温度。O 型密封圈选用聚四氟乙烯材料，比较耐高温。

图4 铝制腔体密封件

1.5 温度控制系统

温度控制器选用日本岛电公司的高精度控温表SR23，根据加热丝和温升过程的功率计算，采购满足要求的功率模块，控温波动满足不大于0.2℃/15 min。控制系统采用可控硅方式。高温均热炉三段的控制系统各为一套，但以中间控制为主。上端和下端的控制系统根据中间温场测试的具体情况，进行相关温度调节，确保满足具体的温场技术指标要求。每段温度控制电路原理图见图5。

温度控制箱的控制面板采用电流表、电压表和控温仪表三套同时显示，确保各段的温度按预期设定。

2 高温均热炉温场测试

高温均热炉测试前先将250 mm 高的石墨均温块放置在刚玉管中，插入测温传感器(一等标准S 型热电偶)，将热电偶的末端接入冰瓶后，再用铜导线引入到测温仪上，图6 为连接测量设备后的效果图。对Fe-C高温共晶点均热炉的温控器进行温度设定，测试1150℃温度点的垂直温场数据，根据测试前的经验及规律将上、中、下三段温控仪的设定值分别设定为1150.0℃，1145.0℃和1145.0℃。当温场在设定值稳定后开始测试，测试示意图见图7。

图6 高温均热炉

测试位置从刚玉管底端开始(将刚玉管底端记为0 mm)，每隔1 min 将热电偶向上提升10 mm，一直提升直至250 mm 处，待温度值稳定后再每隔1 min 将热电偶向下降10 mm，直至回到刚玉管底端，每次热电偶位置变化之前温度稳定时记录测温仪显示的温度值;最后将温场同一高度两次的测量值求平均。

图7 垂直温场测试示意图

从刚玉管底端开始测试热电偶向上250 mm 范围内上、下行程垂直温场测试数据结果见表1。

表1 垂直温场测试数据

从测量数据可以看出:从刚玉管底端往上90 ～190 mm范围内垂直温场变化在1℃以内。

3 结束语

通过对三段高温均热炉的温场测试结果来看，其测试的垂直温场梯度数据能够满足开展Fe-C 高温共晶点温度复现的要求。根据测试的结果进一步对炉体绕丝、温度控制等进行优化，使其性能进一步提高，更好地满足复现试验的需求。

［1］任泽霈，蔡睿贤.热工手册［M］.北京:机械工业出版社，2002.

［2］沈维道，郑佩芝，蒋淡安，等.工程热力学［M］.2 版.北京:高等教育出版社，2007.

［3］赵镇南.传热学［M］.北京:高等教育出版社，2002.

［4］张家荣，赵廷元.工程常用物质的热物理性质手册［M］.北京:新时代出版社，1987.