项目 3 . 电热窑炉烧成技术

1. 项目3 . 电热窑炉烧成技术

2. 电热窑炉是将电能转变成热能，用以加热制品的热工设备。电热窑炉在许多方面可以弥补火焰窑炉的不足，特别是在需要特殊气氛、全封闭、有的需接近真空环境下陶瓷制品的烧成有特别重要的优势。一般来说，电热窑炉和火焰窑炉相比具有如下特点：电热窑炉是将电能转变成热能，用以加热制品的热工设备。电热窑炉在许多方面可以弥补火焰窑炉的不足，特别是在需要特殊气氛、全封闭、有的需接近真空环境下陶瓷制品的烧成有特别重要的优势。一般来说，电热窑炉和火焰窑炉相比具有如下特点： • ⑴热效率高，电热窑炉无烟气排除造成的热损失，加热窑间紧凑，向外散失的热量较少； • ⑵空间热强度高，能获得很高的工作温度（可达2000℃以上），炉膛可在真空或高压条件下操作； • ⑶操作简便，劳动条件好； • ⑷能在各种人工气氛中烧成，如在N2 、Ar 、H2、O2等气氛中烧成陶瓷制品； • ⑸电器设备较复杂，耗电量大，有些电热元件要在一定的保护气氛下才能使用； • ⑹电热元件主要以辐射方式对制品传热，窑室尺寸不宜过大，否则温度不易均匀。

3. 电热窑炉按电能转变成热能的方式可分为电阻炉、电弧炉和感应炉等。陶瓷工业常用的是电阻炉。电热窑炉按电能转变成热能的方式可分为电阻炉、电弧炉和感应炉等。陶瓷工业常用的是电阻炉。 • 电阻炉按操作方式可分为间歇式和连续式电阻炉，按工作温度电阻炉可分为： • 高温炉（1350～2000℃） • 中温炉（950～1350℃） • 低温炉（＜950℃）。 • 以下是部分电阻炉：

4. 箱式电阻炉 箱式电烤花炉 井式电烤花炉

5. 电热升降窑 电热台车窑

6. 电热隧道窑 电热辊道窑 • 电热推板窑 电热梭式窑

7. 一．常用电热元件 • ㈠对电热元件材料的要求 • 电热元件材料有金属质和非金属质两类，电热元件材料根据其使用环境应满足下列要求： • 1．发热温度要满足工作要求 • 电热元件的发热温度指在干燥空气中其本身的表面温度。电热元件的最高使用温度应比炉膛温度高出50～100℃。 • 2．优良的高温性能 • 电热元件应能在高温下长期稳定地工作，因此必须具有优良的耐热性，足够的高温强度，不易弯曲变形，不断裂，抗腐蚀，抗氧化，并与耐火材料不发生化学反应等。

8. 3．较高的电阻率 • 电阻率又叫比电阻，其单位为Ωmm2∕m 或 Ω·m 。 • 电阻率高，电热元件短，便于布置安装；电阻率过大，会造成电热元件过粗过短，也会对制造和安装带来不便。 • 电阻率太小，则电热元件细而长，不利于安装，还可能造成温度场不均匀； • 4．较小的电阻温度系数 • 电阻温度系数指电阻元件温度升高1℃时，电阻率的相对变化率。 • 电阻温度系数越小，电热元件在温度变化时功率波动越小，不致于影响炉膛温度变化； • 如果电阻温度系数大，当温度升高时，其电阻大大增加，导致功率降低，必须安装调压设备，否则不易升温。 • 5．较低的热膨胀系数 • 6．良好的机械性能 • 7．成本低，来源充足。

9. ㈡常用电热元件 • 陶瓷工业电阻炉常用的电热元件材料有: • 铬镍合金 • 铁铬铝合金 • 碳化硅 • 硅化钼等。

10. 1．铬镍合金 • 铬镍合金的熔点约1400℃，可用于1100℃以下的电阻炉，铬镍合金具有如下特点： • ⑴抗氧化能力强，主要是加热时其表面能生成一层薄膜，它可以保护内部的铬镍合金不受氧化。所以不需要任何保护气氛； • ⑵电阻率约为1。11Ωmm2∕m ，电阻温度系数为8.5×10-5～ 14×10-5℃-1； • ⑶高温强度较高，1000℃时抗拉强度为58。8MPa。具有良好的加工性能，易于拉拨成丝和绕制。高温使用后不脆化，便于修复和焊接。 • ⑷有良好的抗氮气能力，使用寿命长； • ⑸抗渗碳能力较差。 • 由于含镍，镍是比较稀少的金属，成本较高，一般应尽量少用。

11. 铬镍合金电炉丝

12. 2．铁铬铝合金 • 铁铬铝合金的熔点约1500℃左右，最高使用温度为1300～1400℃。铁铬铝合金具如下特点； • ⑴加热后表面生成一层Al2O3保护膜，其熔点高，化学性质稳定。具有较强的抗渗碳性，耐硫及耐各种碳氢气体的侵蚀； • ⑵电阻率大，电阻温度系数小； • ⑶高温下与酸性耐火材料及氧化铁反应强烈，故宜采用中性或碱性耐火材料，如氧化铝或高铝质耐火材料作支撑件； • ⑷铁铬铝合金强度不大，1000℃时抗拉强度为19。6MPa。加工性能差，质地硬脆，可焊接性差，高温加热后变得更脆，不便修复； • ⑸价格便宜，成本低。

13. 铁铬铝合金电炉丝

14. 3．碳化硅电热元件（又称：硅碳棒） • 碳化硅是最常用的非金属电热材料，熔点2227℃，硅碳棒长期使用温度约1350℃±50℃，它有如下特点； • ⑴坚硬而脆，热稳定性好，高温下不易变形； • ⑵化学性质稳定， • 各种酸蒸气不对硅碳棒起化学作用，碱、碱土、重金属氧化物、低熔点硅酸盐、硼酸盐等在高温时均会对硅碳棒起破坏作用。 • ⑶碳化硅的老化 • 空气中的O2、CO2和水蒸气在高温时使硅碳棒氧化，表面生成一层薄膜，由于膜的电阻率比碳化硅大，硅碳棒在使用60～80h 后，其电阻增加15％～20％，以后逐渐缓慢（这一现象称为老化）。 • 若是间歇窑炉使用，由于薄膜和碳化硅的热膨胀系数不同，冷却时这层薄膜发生破裂而露出新的表面，继续加热，新露出的表面又被氧化。经多次使用，硅碳棒的电阻越来越大，最后不能使用。

15. ⑷硅碳棒的物理性能见表 （20～1500℃） ∕

16. 硅碳棒的使用寿命在正常气氛下，炉温1400℃时，连续使用可达2000 小时，间歇使用为1000 小时左右 • 为了减小连接电阻，元件冷端外侧喷铝，通过卡箍与电源连接，有的硅碳棒为了增加电阻而制造成螺旋形，还有制成管形的。 • 硅碳棒常见形状 : ⑴两端加粗的 ⑵冷\热端等直径的 ⑶两根棒或三根棒连在一起的 • 加粗的称为冷端， 为了缩小炉墙引出孔直径， 为了克服在电炉上两端引出的困难 • 用来穿过炉墙和 减少热损失 • 连接电源。

17. 4．二硅化钼电热元件（又称硅钼棒） • 二硅化钼（MoSi2）熔点为2030℃，硅钼棒的最高工作温度为1700℃。它具有如下特点： • ⑴具有很强的抗氧化能力 • 加热时，其表面生成一层气密性的SiO2玻璃膜，保护内部的MoSi2 不被氧化，薄膜一旦损坏，会自动重新密封； • ⑵电阻率随温度的升高几乎以直线关系迅速上升 • 在一定的电压下，功率在低温时是高的，而随着温度的升高功率减小。这样既可以迅速达到所需的炉温，又能避免电热元件过热；

18. ⑶硅钼棒抗冲击强度低，抗弯和抗拉强度好。 • 在室温时既硬又脆，在高于1350℃时发生软化变形，并有延展性，伸长率5％，冷却后又恢复脆性。所以在安装硅钼棒时，必须使其与炉膛底砖、炉壁各留25～30 mm的距离； • ⑷硅钼棒特别适于空气和中性气氛（如惰性气体）中使用 • 最高使用温度可达1400～1700℃，在还原气氛中只能在1350℃以下使用。

19. 硅钼棒通常做成如图所示的形状，发热端较细，冷端较粗。硅钼棒通常做成如图所示的形状，发热端较细，冷端较粗。 • 硅钼棒电热元件 • 可作电热元件的材料还有钨、钼、铂、石墨、碳等。

20. 在使用过程中，经过烧成后要求炉温冷却至80℃以下开炉门为好， 否则，硅钼棒在使用过程中冷、热端接头易断裂。下图为硅钼棒冷、热端接头的焊接。

21. 二．电阻炉的结构 • 电阻窑炉种类很多，这里主要介绍： • 普通箱式电阻炉 • 箱式电烤花炉 • 井式电烤花炉 • 的结构和电热元件的安装。

22. ㈠电阻炉的结构 • 1．普通箱式电阻炉 • 普通箱式电阻炉主要由炉顶、炉墙、炉底和炉门构成，靠近炉膛内壁安置电热元件，根据使用温度的不同，所用电热元件有电炉丝（低温炉）、硅碳棒（中温炉）和硅钼棒（高温炉），多采用空气环境下常规加热方式。 • 1—炉壳；2—工作室；3—硅碳棒；4—炉门；5—观察孔；6—手柄；7—行程开关；8—热电偶 • 硅碳棒中温箱式电阻炉结构示意图

23. 2．箱式电烤花炉 • 箱式电烤花炉主要用于陶瓷釉上彩（或釉中彩）烤花，它的外形呈箱形，整体尺寸比普通箱式电阻炉大，炉门的设置根据需要分为上开、前开和侧开三种方式。 • 它的使用温度低（釉上烤花约700～950℃，釉中烤花约1200～1280℃），所以电热元件主要是电炉丝，紧贴窑墙安装。

24. 3．井式电烤花炉 • 井式电烤花炉，外形象一口井，炉门开在炉顶面，用炉盖密封。由于主要用于釉上陶瓷烤花，所以电热元件是电炉丝，通常布置在炉膛的周围侧壁上。 • 井式电烤花炉

25. ㈡电热元件的安装 • 1．丝状电热元件 • 丝状电热元件多绕成螺旋形，把它平放在炉膛的砖槽或搁丝砖上，也有套在陶瓷管上的，避免垂直使用，以防止高温时电炉丝自重而引起的下垂现象，或造成螺旋疏密不均和损坏。 • （1）螺管布置在炉顶砖槽内 （2）螺管放在炉墙搁丝砖上 （3）螺管放在炉底沟槽内

26. （4）螺管套在陶瓷管 • 上再安放于炉底 （5）螺管挂在陶瓷管上 （6）螺管放在圆筒壁上

27. 直径8～10mm的电炉丝最好做成波纹形，直接挂在炉墙上，这种电炉丝的遮蔽很小。较大型炉子，如箱式电烤花炉，通常用矩形搁丝砖，圆形电炉用扇形搁丝砖。如果炉子较小，则可在耐火砖上抠槽，将电热元件放在槽内而不用搁丝砖。直径8～10mm的电炉丝最好做成波纹形，直接挂在炉墙上，这种电炉丝的遮蔽很小。较大型炉子，如箱式电烤花炉，通常用矩形搁丝砖，圆形电炉用扇形搁丝砖。如果炉子较小，则可在耐火砖上抠槽，将电热元件放在槽内而不用搁丝砖。 （7）波形电热元件 （8）波形电热元件外形 吊挂在炉墙上 • 丝状电热元件的几种安装方法

28. 2．带状电热元件 • 带状电热元件通常做成波纹形，挂在炉墙或水平放置在炉项和炉底上。电热带挂在小钩上时，节距（波峰间距）应配合小钩在墙上的布置，以减少异形耐火砖的种类。 • （1）电阻带放在炉顶砖槽内 （2）电阻带挂在炉墙上

29. （3）电阻带放在炉底沟槽内 （4）电阻带放在侧壁搁丝砖上 • 波纹形电热带几种安装方法

30. 3．硅碳棒 • 硅碳棒在安装时，为了确保安装夹子，冷端部分应伸出炉墙外50mm 左右。炉墙耐热绝缘管之内径应为棒冷端部分直径的1。2～1。5倍，其间隙可填放耐火纤维。 硅碳棒夹具 硅碳棒和夹具的联接 • 硅碳棒夹具及和硅碳棒的联接

31. 硅碳棒在垂直安装时，应将炉顶棒体穿出处密封好，以防止烧坏上端的导电夹子和增大热损失。硅碳棒的冷端喷铝处（导电夹头部分）应露出炉外，使导电夹子在空气中得到充分冷却。夹子与端头应接触良好，否则会引起电弧。夹头用铝片或不锈钢做成。因为铜易发生氧化，在实践中不用铜夹头。硅碳棒质地较脆，装拆时要防止断裂。放在干燥场所，避免喷铝受潮。硅碳棒在垂直安装时，应将炉顶棒体穿出处密封好，以防止烧坏上端的导电夹子和增大热损失。硅碳棒的冷端喷铝处（导电夹头部分）应露出炉外，使导电夹子在空气中得到充分冷却。夹子与端头应接触良好，否则会引起电弧。夹头用铝片或不锈钢做成。因为铜易发生氧化，在实践中不用铜夹头。硅碳棒质地较脆，装拆时要防止断裂。放在干燥场所，避免喷铝受潮。 • 硅碳棒和引出的导线不能与外壳接触，以免发生触电事故。 1—发热部；2—冷端部；3—金属 1—发热部；2—冷端部；3—金属 夹子；4—间隙；5— 耐热绝缘管 夹子；4—间隙；5—耐热绝缘管 • ⑴ 水平方向的安装 ⑵ 厚墙中棒的安装 ⑶硅碳棒竖向安装

32. 硅碳棒通电实验 硅碳棒炉膛 硅碳棒炉膛及硅碳棒发热实验

33. 4．硅钼棒 • U形硅钼棒一般采用从炉顶悬吊垂直安装方法，安装时应保证硅钼棒最下端与窑底间有足够的距离，以避免棒体与炉底相撞。 • 发热端与冷端连接的锥体露出炉膛，锥体细端距炉顶约25～30 mm 。连接冷端（包括电热元件的夹持器）至少应露出炉顶外面75mm 。 • 电热元件在炉内间隔宽度不应小于元件的中心间距。 • 硅钼棒电阻炉

34. 硅钼棒的安装

35. 1—铝编织带；2—塞砖；3—电热体夹持器；4—硅钼棒 1—铝编织带；2—塞砖；3—电热体夹持器；4—硅钼棒 • 硅钼棒的安装示意图

36. ㈢电阻炉的供电电路和接线方法 • 电阻炉通常使用工业频率（50Hz)交流电。由车间电网供电，电压为220 V和380V。炉子电压不宜过高，因为高温下耐火材料的导电性急剧增加，使电流漏损的可能性增大。 • 为了操作安全，电炉、供电设备、控制设备等外壳均应可靠接地。电炉、仪表、电源三条接地线应分开，不要共用同一地线，以防干扰。 • 当炉子的功率小于25kW时，一般采用220V或380 V单相串联接法。 • 当炉子功率为25～75KW时，通常采用三相380 V星形接法，也有用三相380 V三角形接法的。 • 当炉子功率大于75KW时，可以把电热元件分成两组或两组以上的三相380 V星形接法或三角形接法。每组功率以30～75 KW为宜，即每相功率为10～25KW 。这样能使每个电热元件的功率不致过大，以便于调节炉温，而且电热元件尺寸可在常用的范围内。

37. 三．电阻炉温度测控设备 • 电阻炉的温度测控一般有四种方式： • 指计式， • 数显式（A）、 • 智能程序式（AS） • 程度多段式（ASP）。 • 若只需对温度进行简单测控，精度要求不高，可采用指计式或数显式； • 若需进行精度较高的温度自动测控，则可采用智能程序式； • 若制品烧成需阶梯升温，则可采用分段式可编程温控仪。

38. ㈠指计式或数显式温控仪 • 温度显示 温度设定 电流表 电压表 • 电流控制旋钮 电压控制旋钮 开关按钮 • KSY型指计式温度控制仪

39. 该温度控制仪的使用方法为：当制品装炉后，合上炉门行程开关，完成烧成前的准备工作。然后按下述步骤进行：该温度控制仪的使用方法为：当制品装炉后，合上炉门行程开关，完成烧成前的准备工作。然后按下述步骤进行： • ①按下温控仪上的“开关按钮”通电（若有指示灯的，则灯亮）； • ②调节“温度设定钮”，设定烧成温度； • ③调节电流控制旋钮（根据升温速率需要进行手动调节，初期可小一些），电炉开始升温； • ④当炉温达到设定温度时，开始保温，此时电炉自动断电（有指示灯的，灯灭），停止升温，稍后，当炉温稍微下降，电炉又自动通电升温（有指示灯的，灯亮），周而复始，达到保温的目的。 • ⑤根据需要进行保温后，烧成结束，可断电停炉，按下“开关按钮”断电（有指示灯的，灯灭）。将电流控制旋钮和电压控制旋钮旋至零。烧成完毕。

40. ㈡分段式可编程温度控制仪 • 其控制面板包括：分段式温控仪、电流表、电压表及开关按钮等。 • 分段式温控仪可多波段设定升温速率和恒温时间（多达30段升温程序功能）、具有PID功能，自动时温控制系统能准确控制温度、恒温时间并自动关机。 • （1）一体化箱式电阻炉 （2）分段式温控仪 • 可编程一体化箱式电阻炉及其LTDE温度控制仪

41. 它的编程和使用操作方法如下： • ①接通电源，按↑ 键二秒钟使SV窗口出现STOP； • ②按一下← 键，上排PV显示C01，表示需要程控的起始温度，操作← ↑↓ 键，使下排SV达到所需起始温度； • ③再按下SET键，PV显示t01，表示从起始温度达到下一设定温度的时间，，操作←↑↓键，使SV达到所需时间； • ④再按下SET键，PV显示C02，表示刚才设定的起始温度C01，用了t01的时间，所要达到的温度，按← ↑↓ 使SV达到所需温度。（如需恒温，则C01与C02设置同一值）， • ⑤再按下SET键，PV显示t02表示从C02到达下一温度的时间设定， • ⑥按前面步骤操作…，最后一段T参数设置“—121”即可自动关机。 • ⑦设置完毕等SV返回STOP再按↓ 键使显示窗口出现RUN，仪器自动按照设定的程序开始工作。

42. ㈢智能化数显温度控制仪 • 智能化数显温度控制仪集微电脑与工业自动化控制技术于一体，是传统温度控制仪的升级换代产品，常用的智能化温度控制仪有：汇邦XMT型和国龙TCW—32型系列温控仪，它们具有如下特点： • ⑴集数显、测量、触发于一体，能直接驱动控制元件； • ⑵仪表以CPU为计算中心，参数设置和精度校准采用微型键盘操作，具有断电记忆功能； • ⑶可在线设定或修改参数，无须暂停运行； • ⑷具有传感器接反指示和超温报警指示等。 • 现以TCW—32B型智能温控仪为例，说明其控制面板，参数设定和操作使用方法。

43. 1．控制面板 ⑴PV窗口 显示测量值 ⑵SV窗口 显示设定值或各功能 参数 ⑶AUT指示灯 自整定时，灯亮 ⑷CW指示灯 超温报警时，灯亮 ⑸JF指示灯 热电偶接反时，灯亮 ⑹RUN指示灯 仪表自动运行时，灯 亮 ⑺RUN键 参数设好后，点击此 键，RUN指示灯亮， 仪表自动运行 ⑴ ⑵ ⑶ ⑷ ⑸ ⑹ ⑺

44. ⑻PRN键 仪表配打印机时，点击此键，可手 • 动打印一次,仪表带电流限幅功能 • 时，长按此键10秒，可进入“电流 • 限幅”菜单 • ⑼SEL键 点击此键，可顺序循环显示一级菜 • 单各参数长按此键约10秒，可在一 • 级菜单二级菜单间进行转换,在二级 • 菜单中，点击此键可顺序循环显示 • 二级菜单中各参数 • ⑽△键 点击此键，可对当前参数值进行加 • 操作，长按此键可进行快速增加 • ⑾▽键 点击此键，可对当前参数值进行减 • 操作，长按此键可进行快速减少 • ⑿PRG键 在非编程状态，点击此键可进入编 • 码区；在编程状态，点击此键可退 • 出编程区 • ⑻ ⑼ ⑽ ⑾ ⑿ • TCW—32B型 • 智能温控仪的控制面板

45. 2．参数及其设置 • ⑴一级菜单参数 • 一级菜单参数及其设置方法见表书中5-4。部分一级菜单见下一幻灯片。 • ⑵二级菜单参数 • 仪表处于一级菜单时，长按SEL键约10秒可进入二级菜单。同样，仪表处于二级菜单时，长按SEL键约10秒可进入一级菜单。 • 二级菜单部分参数及其设置方法见书中表5-5。

46. 部分一级菜单参数

47. 部分一级菜单参数

48. 3．操作与使用方法 • ⑴使用前准备 • ①仪表通电前必须检查各接线是否正确无误； • ②仪表通电后，进入二级菜单，在密码（6）中选择与电炉的热电偶分度号相对应代号，然后退出。 • ⑵手动输出调试 • 上述准备工作完毕后，在炉子升温前，可用电灯泡作为假负载运行模拟输出调试，以确定仪表是否工作正常，进入二级菜单，手动调节“E”值，分两种情况： • ①过零触发仪表，在“E”值逐步增大的过程中，电灯应闪烁，而且随着“E”值的增大，电灯开的时间长，关的时间短，当“E”值增到100时，灯泡常亮。 • ②移相触发仪表，在“E”值逐步增大的过程中，电灯不应闪烁，而是随着“E”值的增大，电灯由暗到亮，当“E”值增到100时，灯泡常亮。

49. ⑶程序编制 • ①编程菜单 • 仪表处于一级菜单时，按PRG键可进入编程状态，同样仪表处于编程状态时点击一下PRG键可退回一级菜单。若进入编程状态后，逐次显示参数（见下表）

50. 编程状态参数