5 几种有高科技含量的几种有高科技含量的热工设备与技术热工设备与技术 本本 章章 提提 要要 本章是关于无机非金属材料领域中所涉及本章是关于无机非金属材料领域中所涉及到的一些具有较高科技含量的热工设备或材料到的一些具有较高科技含量的热工设备或材料热制备技术等。在本章，将学习以下内容：热制备技术等。在本章，将学习以下内容： （1）梭式窑；）梭式窑； （2）电热窑炉与高科技的材料热制备技术；）电热窑炉与高科技的材料热制备技术； （3）新能源材料；）新能源材料； （4）余热锅炉。）余热锅炉。 在本章中所涉及到的高科技方法与手段较在本章中所涉及到的高科技方法与手段较多，这些内容希望引起同学们的足够重视。多，这些内容希望引起同学们的足够重视。 5.1 梭梭 式式 窑窑 梭式窑（也称：往复窑，或称：台车梭式窑（也称：往复窑，或称：台车式窑，还称为：车底式窑式窑，还称为：车底式窑 或或 活底式窑）活底式窑）是从传统的倒焰窑演变而来，属于是从传统的倒焰窑演变而来，属于“间歇间歇式式” 或或 “半连续式半连续式”窑型。其窑门可在窑型。其窑门可在窑体的一端设置，也可以在窑体的纵向两窑体的一端设置，也可以在窑体的纵向两端均设置：前者窑车可在同一端进、出；端均设置：前者窑车可在同一端进、出；后者窑车可分别在窑体的两端往复进、出，后者窑车可分别在窑体的两端往复进、出，或者从一端进、从另一端出。或者从一端进、从另一端出。 由于该窑型中窑车的往复运动就由于该窑型中窑车的往复运动就像穿梭一般，故而得名像穿梭一般，故而得名“梭式窑梭式窑”。如果梭式窑是从同一端进、出窑车，如果梭式窑是从同一端进、出窑车，这时在窑车进、出窑时形如人们这时在窑车进、出窑时形如人们“拉拉抽屉抽屉”，因而国内也曾有人将该型式，因而国内也曾有人将该型式的梭式窑称为：的梭式窑称为：抽屉窑抽屉窑。 在在陶瓷烧成陶瓷烧成（包括微晶玻璃的烧结或晶（包括微晶玻璃的烧结或晶化）以及化）以及耐火材料烧成耐火材料烧成（包括砖、瓦等建筑（包括砖、瓦等建筑材料的烧成）方面，尽管目前大规模工业化材料的烧成）方面，尽管目前大规模工业化生产所使用的窑炉是隧道窑或更为先进的辊生产所使用的窑炉是隧道窑或更为先进的辊道窑，但是由于梭式窑对所生产制品的适应道窑，但是由于梭式窑对所生产制品的适应性较强，可以适应不同尺寸、不同形状、不性较强，可以适应不同尺寸、不同形状、不同材质制品的烧成，所以它特别适合于小批同材质制品的烧成，所以它特别适合于小批量、多品种产品的生产，使其量、多品种产品的生产，使其满足市场多样满足市场多样化化的需求。的需求。 一些一些小批量小批量、高附加值高附加值、高高科技陶瓷产品科技陶瓷产品的生产也多用梭式的生产也多用梭式窑来烧成。更重要的是，由于梭窑来烧成。更重要的是，由于梭式窑能够非常方便改变其工艺烧式窑能够非常方便改变其工艺烧成曲线，因此梭式窑还被一些科成曲线，因此梭式窑还被一些科研单位所采用，目的是用来进行研单位所采用，目的是用来进行一些新产品的一些新产品的小试小试、中试中试。 近些年来，一些保温效果极佳且能耐近些年来，一些保温效果极佳且能耐高温的轻质保温耐火砖和陶瓷纤维的出现，高温的轻质保温耐火砖和陶瓷纤维的出现，使得梭式窑的烧成热耗大为降低，从而导使得梭式窑的烧成热耗大为降低，从而导致了一些高效节能型梭式窑出现（一些高致了一些高效节能型梭式窑出现（一些高效节能型梭式窑的能耗指标甚至可以与隧效节能型梭式窑的能耗指标甚至可以与隧道窑相媲美）。所以可以肯定地说，梭式道窑相媲美）。所以可以肯定地说，梭式窑至今仍有强大的生命力。窑至今仍有强大的生命力。 梭式窑的工作流程是：装、卸梭式窑的工作流程是：装、卸制品都是在窑外进行，装好坯体的制品都是在窑外进行，装好坯体的窑车被推入窑内后开始点火煅烧，窑车被推入窑内后开始点火煅烧，经过预热、烧成、冷却三个阶段后经过预热、烧成、冷却三个阶段后再将窑车拉出窑外，卸下烧好的产再将窑车拉出窑外，卸下烧好的产品，再准备下一个循环的烧制过程。品，再准备下一个循环的烧制过程。 燃料通过烧嘴燃烧产生的高温热烟气燃料通过烧嘴燃烧产生的高温热烟气从窑车两侧与窑墙之间的缝隙流到窑车的从窑车两侧与窑墙之间的缝隙流到窑车的顶部后，在烟囱抽力的作用下再通过窑车顶部后，在烟囱抽力的作用下再通过窑车上坯体之间的缝隙向下流动，在此过程中，上坯体之间的缝隙向下流动，在此过程中，热烟气把热量传给窑车上的坯体，使其烧热烟气把热量传给窑车上的坯体，使其烧制为产品，完成传热后的热烟气就变为废制为产品，完成传热后的热烟气就变为废气，最后从排烟系统和烟囱排向大气。气，最后从排烟系统和烟囱排向大气。 正是由于热烟气从上向下的流正是由于热烟气从上向下的流动符合流体力学中使气流均匀分布动符合流体力学中使气流均匀分布的的 “ 分散垂直气流法则分散垂直气流法则 ”（也叫做：（也叫做： 气流分流法则），所以梭式窑内的气流分流法则），所以梭式窑内的 温度比较均匀，没有像隧道窑内那样温度比较均匀，没有像隧道窑内那样的气流分层现象，这也是梭式窑的的气流分层现象，这也是梭式窑的一大优点。一大优点。 5.1.1 梭式窑的结构梭式窑的结构5.1.1.1窑体窑体 梭式窑的窑内空间由窑墙、窑顶、窑车衬砖梭式窑的窑内空间由窑墙、窑顶、窑车衬砖组成。内侧窑墙用耐急冷急热性能较好的轻质耐组成。内侧窑墙用耐急冷急热性能较好的轻质耐火砖砌筑而成，其外部用硅酸铝纤维制品、硅酸火砖砌筑而成，其外部用硅酸铝纤维制品、硅酸钙板、岩棉等保温材料。保温层内面可贴钙板、岩棉等保温材料。保温层内面可贴 50 mm厚的耐火纤维来延长其使用寿命。为了提高窑炉厚的耐火纤维来延长其使用寿命。为了提高窑炉的强度和气密性，窑墙外面还包裹的强度和气密性，窑墙外面还包裹3 5 mm厚的厚的钢板。现代化梭式窑为全耐火纤维型梭式窑，由钢板。现代化梭式窑为全耐火纤维型梭式窑，由金属外壳与耐火纤维砌块构成，耐火纤维砌块用金属外壳与耐火纤维砌块构成，耐火纤维砌块用陶瓷杆或耐火螺栓固定在金属外壳的内侧。陶瓷杆或耐火螺栓固定在金属外壳的内侧。 梭式窑的窑墙上还开设有烧嘴梭式窑的窑墙上还开设有烧嘴砖和冷却喷嘴砖的孔口以及观察砖和冷却喷嘴砖的孔口以及观察孔、测温孔和测压孔等。当然，孔、测温孔和测压孔等。当然，设置孔洞时，应注意不要让它们设置孔洞时，应注意不要让它们影响到窑墙的砌筑强度与密封性。影响到窑墙的砌筑强度与密封性。 和其他窑炉一样，梭式窑的窑顶也和其他窑炉一样，梭式窑的窑顶也是分为拱顶和平顶这两种类型。拱顶是是分为拱顶和平顶这两种类型。拱顶是用楔形砖砌成，拱角一般在用楔形砖砌成，拱角一般在60 180之间（之间（60的拱顶采用较多）。常用的拱的拱顶采用较多）。常用的拱顶耐火材料是轻质高铝砖，耐火砖上面顶耐火材料是轻质高铝砖，耐火砖上面再覆盖硅酸铝纤维、岩棉等轻质保温材再覆盖硅酸铝纤维、岩棉等轻质保温材料。有的梭式窑在拱顶内侧还贴有料。有的梭式窑在拱顶内侧还贴有50mm厚的耐火纤维，以减少窑顶的蓄厚的耐火纤维，以减少窑顶的蓄热、散热并延长拱顶砖的使用寿命。热、散热并延长拱顶砖的使用寿命。 现在，断面较宽的梭式窑则常采用现在，断面较宽的梭式窑则常采用平顶结构，平顶需要用专门的金属机构平顶结构，平顶需要用专门的金属机构吊起，又称：吊起，又称：平吊顶平吊顶。平吊顶由异型轻。平吊顶由异型轻质砖或耐火纤维叠块构成，用吊杆将其质砖或耐火纤维叠块构成，用吊杆将其单独地或成组地吊装在窑体钢梁上。单独地或成组地吊装在窑体钢梁上。 梭式窑内经受不断的温度变化，梭式窑内经受不断的温度变化，尤其是经受频繁的、急速加热和急剧尤其是经受频繁的、急速加热和急剧冷却的热胀冷缩作用，还要经受窑内冷却的热胀冷缩作用，还要经受窑内低熔挥发物的侵蚀，因此，正确地选低熔挥发物的侵蚀，因此，正确地选用梭式窑的砌筑材料是一个值得重视用梭式窑的砌筑材料是一个值得重视的问题。的问题。 现代梭式窑大量使用保温性能好、现代梭式窑大量使用保温性能好、蓄热量小、体密度低的轻质耐火砖或蓄热量小、体密度低的轻质耐火砖或耐火纤维。全部用耐火纤维构筑的梭耐火纤维。全部用耐火纤维构筑的梭式窑，不仅使用寿命长，而且在保证式窑，不仅使用寿命长，而且在保证同样保温效果的情况下，其窑体质量同样保温效果的情况下，其窑体质量通常只有普通梭式窑的通常只有普通梭式窑的10%左右。左右。 全耐火纤维型梭式窑的窑墙与窑顶结构全耐火纤维型梭式窑的窑墙与窑顶结构主要有以下三种：主要有以下三种：w“陶瓷杆锚固多层不同材质的耐火纤维毯陶瓷杆锚固多层不同材质的耐火纤维毯”型结构；型结构；w“堇青石堇青石莫来石护瓦莫来石护瓦”型结构；型结构；w“轻型耐热钢架夹紧并锚固耐火纤维折叠块轻型耐热钢架夹紧并锚固耐火纤维折叠块”型结构。型结构。 梭式窑还有钢构架，其主梭式窑还有钢构架，其主体是钢立柱，是用地脚螺栓将体是钢立柱，是用地脚螺栓将其固定在钢筋混凝土的基础上。其固定在钢筋混凝土的基础上。 各种用途梭式窑的容积差异较大。各种用途梭式窑的容积差异较大。科研用一般为科研用一般为4 10m3。工业用中小。工业用中小型有型有6 13m3的烧柴油梭式窑，国内的烧柴油梭式窑，国内大型的约有大型的约有80m3；在国外，最大的；在国外，最大的在在150m3以上。当然梭式窑越大，越以上。当然梭式窑越大，越应注意如何保证窑内温度均匀。应注意如何保证窑内温度均匀。 小型梭式窑小型梭式窑 中型梭式窑中型梭式窑 大型梭式窑大型梭式窑 特大型梭式窑特大型梭式窑 梭式窑窑门用耐热钢架与耐热钢板焊梭式窑窑门用耐热钢架与耐热钢板焊接而成，其内侧衬有耐火纤维或轻质耐接而成，其内侧衬有耐火纤维或轻质耐火材料。窑门可以固定在窑车的一端，火材料。窑门可以固定在窑车的一端，随着窑车推入或拉出而关闭或打开窑体。随着窑车推入或拉出而关闭或打开窑体。但是更多的场合是：窑门被放置在窑体但是更多的场合是：窑门被放置在窑体框架上。当然，应注意窑门的使用条件，框架上。当然，应注意窑门的使用条件，避免窑门高温下变形，同时也应注意窑避免窑门高温下变形，同时也应注意窑门的密封性，可将耐火纤维塞入窑门与门的密封性，可将耐火纤维塞入窑门与窑体间的缝隙来加强窑封。窑体间的缝隙来加强窑封。窑门在窑车上窑门在窑车上 窑门在窑体上窑门在窑体上 窑门的开闭运动方式有垂直升降窑门的开闭运动方式有垂直升降或倾斜升降、一侧开闭、两侧开闭、或倾斜升降、一侧开闭、两侧开闭、整个窑门与窑体分离后向一测滑动等整个窑门与窑体分离后向一测滑动等多种方法。尺寸不大、自重轻的侧开多种方法。尺寸不大、自重轻的侧开窑门或窑车门可以采用人工开闭；而窑门或窑车门可以采用人工开闭；而尺寸和自重较大的窑门则应采用电机尺寸和自重较大的窑门则应采用电机或液压作为动力。或液压作为动力。一侧开闭一侧开闭 垂直升降垂直升降 倾斜升降倾斜升降 5.1.1.2 排烟系统及窑车排烟系统及窑车 梭式窑的排烟系统是设置在它梭式窑的排烟系统是设置在它的窑车上，即窑车的耐火衬砖上设置的窑车上，即窑车的耐火衬砖上设置有吸火孔，吸火孔下部设置有支烟道，有吸火孔，吸火孔下部设置有支烟道，支烟道与设在窑墙下部的主烟道相联。支烟道与设在窑墙下部的主烟道相联。废气通过窑车上的吸火孔和支烟道以废气通过窑车上的吸火孔和支烟道以及窑墙上的主烟道，最后从烟囱排向及窑墙上的主烟道，最后从烟囱排向大气。大气。 有的梭式窑在窑车上还设有火道有的梭式窑在窑车上还设有火道，火道用耐火盖板盖好，火道正对着，火道用耐火盖板盖好，火道正对着烧嘴，烧嘴向火道喷出火焰，火焰再烧嘴，烧嘴向火道喷出火焰，火焰再经火道喷入窑内。这种排烟系统与隧经火道喷入窑内。这种排烟系统与隧道窑相类似。此时，在靠近窑车台面道窑相类似。此时，在靠近窑车台面的窑墙上设置有排烟孔，排烟孔与设的窑墙上设置有排烟孔，排烟孔与设置在窑墙下部的支烟道相通，这样就置在窑墙下部的支烟道相通，这样就与主烟道、烟囱就组成一个完整的排与主烟道、烟囱就组成一个完整的排烟系统。烟系统。 梭式窑通过窑车的排烟系统梭式窑通过窑车的排烟系统 梭式窑的窑车运行轨道是由梭式窑的窑车运行轨道是由窑内轨道、窑外托车轨道、窑外窑内轨道、窑外托车轨道、窑外停车轨道和装车轨道等组成。梭停车轨道和装车轨道等组成。梭式窑的窑车一般比隧道窑的窑车式窑的窑车一般比隧道窑的窑车尺寸大。现代梭式窑采用轻质窑尺寸大。现代梭式窑采用轻质窑车。梭式窑窑车的装载量较轻，车。梭式窑窑车的装载量较轻，所以其窑车轨道一般采用轻轨。所以其窑车轨道一般采用轻轨。 窑车上部是用耐火材料砌筑的车窑车上部是用耐火材料砌筑的车台面，下部是金属车架。窑车台面在台面，下部是金属车架。窑车台面在窑内构成密封的窑底，窑车的裙板插窑内构成密封的窑底，窑车的裙板插入窑体两侧的砂封槽中，使窑车上、入窑体两侧的砂封槽中，使窑车上、下之间不漏气。窑车两侧用手动、气下之间不漏气。窑车两侧用手动、气动、电动、液压等方法来压紧的耐火动、电动、液压等方法来压紧的耐火纤维密封体。纤维密封体。 压紧的机械、气缸或液压缸设置在窑压紧的机械、气缸或液压缸设置在窑门或窑墙下部，窑车进入窑内就位之后，门或窑墙下部，窑车进入窑内就位之后，电动或人工将耐火纤维密封体压紧。当然，电动或人工将耐火纤维密封体压紧。当然，窑车在出窑之前，要撤出压紧设施后方能窑车在出窑之前，要撤出压紧设施后方能出窑。一些自动化程序较高的梭式窑可实出窑。一些自动化程序较高的梭式窑可实现连锁控制，即密封装置未压紧，不能点现连锁控制，即密封装置未压紧，不能点火；密封装置未松开，不能松开窑门。火；密封装置未松开，不能松开窑门。 梭式窑的窑具也是多种多样的，采用梭式窑的窑具也是多种多样的，采用的材质也各不相同。有的使用堇青石的材质也各不相同。有的使用堇青石 莫来石质或碳化硅质的空心长立柱、棚板；莫来石质或碳化硅质的空心长立柱、棚板；有的使用重结晶碳化硅质或氮化硅结合碳有的使用重结晶碳化硅质或氮化硅结合碳化硅质的横梁、支柱、棚板等窑具。窑具化硅质的横梁、支柱、棚板等窑具。窑具只能搞轻型化，不能搞轻质化。梭式窑常只能搞轻型化，不能搞轻质化。梭式窑常常是多层码装，故棚架常常是多层。由于常是多层码装，故棚架常常是多层。由于较高，因此要求棚架稳固。较高，因此要求棚架稳固。5.1.1.3 燃烧系统燃烧系统 梭式窑的燃烧系统是布置在四周梭式窑的燃烧系统是布置在四周的窑墙上，燃烧室的结构及布置方法的窑墙上，燃烧室的结构及布置方法视所用的燃料而异。烧油或烧煤气时，视所用的燃料而异。烧油或烧煤气时，可视窑体的高矮而设置一层或多层烧可视窑体的高矮而设置一层或多层烧嘴。嘴。 现代梭式窑大多采用高速烧嘴现代梭式窑大多采用高速烧嘴 高速高速调温烧嘴或脉冲烧嘴。一般烧嘴只是用于工艺调温烧嘴或脉冲烧嘴。一般烧嘴只是用于工艺要求不是很高的梭式窑。使用高速烧嘴时，坯要求不是很高的梭式窑。使用高速烧嘴时，坯体的码装要留有适当的火焰通道。料垛之间要体的码装要留有适当的火焰通道。料垛之间要留出留出100 400mm的火道。高速烧嘴采用立体的火道。高速烧嘴采用立体交错方式布置使烟气在窑内呈立体交错地高速交错方式布置使烟气在窑内呈立体交错地高速喷射，这样窑内就形成旋转气流，避免高速火喷射，这样窑内就形成旋转气流，避免高速火焰直接冲刷制品表面，并能有效防止制品对火焰直接冲刷制品表面，并能有效防止制品对火焰流动的影响以及使气流温度更均匀。焰流动的影响以及使气流温度更均匀。 高速烧嘴设置在梭式窑的偏高速烧嘴设置在梭式窑的偏上部以利于窑内形成强烈气流循上部以利于窑内形成强烈气流循环。在平面上，高速烧嘴也应交环。在平面上，高速烧嘴也应交错布置，以免相互干扰和减弱高错布置，以免相互干扰和减弱高速喷射作用。速喷射作用。 高速烧嘴的喷速和温度对梭式窑内温度分布、换热高速烧嘴的喷速和温度对梭式窑内温度分布、换热以及热效率的影响，有以下几个方面：以及热效率的影响，有以下几个方面： 高速喷出的高速喷出的烟气会大大加强窑内的对流换热。烟气喷速大，扰动作烟气会大大加强窑内的对流换热。烟气喷速大，扰动作用也强，窑内温度分布更均匀，这也为快速升温提供可用也强，窑内温度分布更均匀，这也为快速升温提供可能，热利用率也能提高；能，热利用率也能提高； 某些坯体在低温阶段会有某些坯体在低温阶段会有氧化反应。高速烧嘴及时地从坯体表面带走氧化反应。高速烧嘴及时地从坯体表面带走CO2同时送同时送来来O2，可加速氧化反应。，可加速氧化反应。 烟气高速加热制品后才与烟气高速加热制品后才与窑墙、窑顶相通，因而降低其温度，可减少散热损失；窑墙、窑顶相通，因而降低其温度，可减少散热损失； 窑内高速循环气流量是排烟量的几倍窑内高速循环气流量是排烟量的几倍 几十倍。循几十倍。循环气流的流向与强度对梭式窑内的温度分布起决定作用。环气流的流向与强度对梭式窑内的温度分布起决定作用。所以起关键作用的是烧嘴的布置而非排烟孔的布置。所以起关键作用的是烧嘴的布置而非排烟孔的布置。5.1.1.4 废气余热利用废气余热利用 为了有效地利用梭式窑的废气余热，人为了有效地利用梭式窑的废气余热，人们曾将几台梭式窑并排放在一起，通过烧成们曾将几台梭式窑并排放在一起，通过烧成的时间差，使这几台梭式窑相互利用废气的的时间差，使这几台梭式窑相互利用废气的余热。现在也使用换热器来回收余热，其中余热。现在也使用换热器来回收余热，其中典型的有喷流热交换器。另外，还有一些新典型的有喷流热交换器。另外，还有一些新型的喷流辐射换热器可在型的喷流辐射换热器可在1400的高温下使的高温下使用，空气预热温度可以达到废气进口温度的用，空气预热温度可以达到废气进口温度的1/2左右。还可利用定向辐射的原理来回收废左右。还可利用定向辐射的原理来回收废气和窑体中的辐射散热气和窑体中的辐射散热。w 关于几种有代表性的现代化梭式窑的简介关于几种有代表性的现代化梭式窑的简介参见教材！参见教材！ 与梭式窑具有相同功能的还有与梭式窑具有相同功能的还有“高帽窑高帽窑”（国内也称：钟罩窑（国内也称：钟罩窑 或或 罩式窑，开闭窑时，罩式窑，开闭窑时，窑盖可上下移动）、窑盖可上下移动）、“蒸笼窑蒸笼窑”（或叫：笼屉，（或叫：笼屉，其结构及原理与高帽窑相类似，只是窑盖像笼其结构及原理与高帽窑相类似，只是窑盖像笼屉一样被分成若干节）、屉一样被分成若干节）、“升降窑升降窑”（开闭窑（开闭窑时，窑体可上下移动）等种类繁多的高效节能时，窑体可上下移动）等种类繁多的高效节能型间歇式窑或半连续式窑。有关这些特殊窑炉型间歇式窑或半连续式窑。有关这些特殊窑炉的知识，要在掌握上述基本原理的基础上经过的知识，要在掌握上述基本原理的基础上经过实践不断去丰富。实践不断去丰富。5.2 电热窑炉与一些高科技的电热窑炉与一些高科技的 材料热制备技术材料热制备技术 在无机非金属材料领域，新材料的制备对热工在无机非金属材料领域，新材料的制备对热工设备内的温度、气氛及压强均提出了越来越高的要设备内的温度、气氛及压强均提出了越来越高的要求，于是各种各样的电热窑炉以及一些相关的材料求，于是各种各样的电热窑炉以及一些相关的材料热制备技术得以迅速发展并被广泛地应用。与火焰热制备技术得以迅速发展并被广泛地应用。与火焰式窑炉相比，电热窑炉有许多优点：第一，热效率式窑炉相比，电热窑炉有许多优点：第一，热效率高；第二，产品质量高；第三，能够在各种人工气高；第二，产品质量高；第三，能够在各种人工气氛中焙烧；第五，操作简单，环境清洁，劳动条件氛中焙烧；第五，操作简单，环境清洁，劳动条件好。其缺点是：附属电器设备复杂，购置和维护费好。其缺点是：附属电器设备复杂，购置和维护费用较高，有些电热元件要在保护气氛下使用。此外，用较高，有些电热元件要在保护气氛下使用。此外，电价还很高。电价还很高。钟罩窑外观图钟罩窑外观图 升降窑的原理图升降窑的原理图 5.2.1 电热窑炉的类型电热窑炉的类型 电热窑炉有几种类型：电热窑炉有几种类型： 电阻炉；电阻炉； 电磁感应炉；电磁感应炉； 电弧炉、弧像炉与其他成像炉；电弧炉、弧像炉与其他成像炉； 电子束炉；电子束炉； 等离子炉；等离子炉； 红外加热炉；红外加热炉； 太阳炉：太阳炉尽管不是电加热窑炉，太阳炉：太阳炉尽管不是电加热窑炉，但却具备后者的功能，它将太阳能聚焦产生但却具备后者的功能，它将太阳能聚焦产生局部高温。局部高温。 一些高科技的材料加热制备技术一些高科技的材料加热制备技术包括：微波烧结、激光烧结、热压烧包括：微波烧结、激光烧结、热压烧结与热等静压制备（简称：结与热等静压制备（简称：HIP技术）技术）、反应烧结（尤其是、反应烧结（尤其是“自蔓延高温合自蔓延高温合成成”技术，简称：技术，简称：SHS技术）、活化技术）、活化烧结与活化热压烧结、真空烧结或气烧结与活化热压烧结、真空烧结或气氛烧结、爆炸烧结等一些具体技术或氛烧结、爆炸烧结等一些具体技术或方法。方法。w5.2.2.1 电阻炉的分类电阻炉的分类 （1） 间歇式操作的电阻炉间歇式操作的电阻炉 间歇式电阻炉（简称：电阻炉）一般间歇式电阻炉（简称：电阻炉）一般用于实验室规模，这类电阻炉按炉温高低用于实验室规模，这类电阻炉按炉温高低可分为低温、中温、高温三种炉型；按其可分为低温、中温、高温三种炉型；按其结构又可分为箱式炉、立式炉、管式结构又可分为箱式炉、立式炉、管式炉。炉。 w 箱式（水平式）电阻炉：用于烧成单个箱式（水平式）电阻炉：用于烧成单个或小批量大、中、小型制品。炉门开在侧或小批量大、中、小型制品。炉门开在侧面，其炉膛为长方体，在炉膛内壁放置电面，其炉膛为长方体，在炉膛内壁放置电热体。马弗炉是一种特殊的箱式电阻炉。热体。马弗炉是一种特殊的箱式电阻炉。“马弗（马弗（Muffle）”的含义是的含义是“包覆包覆”，这里是指丝状电热体穿绕在炉衬的圆孔中这里是指丝状电热体穿绕在炉衬的圆孔中被包裹起来。由于马弗炉内的电热体是通被包裹起来。由于马弗炉内的电热体是通过加热炉衬间接向炉膛内辐射热量，因此过加热炉衬间接向炉膛内辐射热量，因此炉内温度一般较低（炉内温度一般较低（1000）。）。w 立式电阻炉：其炉膛高度大于其长度或立式电阻炉：其炉膛高度大于其长度或宽度（对于方炉）或大于其直径（对于圆宽度（对于方炉）或大于其直径（对于圆炉）。其炉门可开在侧面，也可开在顶面。炉）。其炉门可开在侧面，也可开在顶面。开在顶面的也称：井式电阻炉，此时需要开在顶面的也称：井式电阻炉，此时需要用炉盖将炉膛紧紧盖住，该电阻炉适合于用炉盖将炉膛紧紧盖住，该电阻炉适合于烧制管状制品，加热元件布置在炉膛侧壁烧制管状制品，加热元件布置在炉膛侧壁上。深井型电阻炉沿高度方向通常分成几上。深井型电阻炉沿高度方向通常分成几个加热区，各区内的温度各自独立控制与个加热区，各区内的温度各自独立控制与调节。调节。w 管式电阻炉内的横截面很小，管式电阻炉内的横截面很小，因此温度很均匀。一般用于测温因此温度很均匀。一般用于测温仪器的检定或其他特殊用途。仪器的检定或其他特殊用途。w（2）半连续式操作的电阻炉）半连续式操作的电阻炉 半连续式操作是指其被加热半连续式操作是指其被加热制品的码、放可在炉外交替进行，制品的码、放可在炉外交替进行，而不需每次都在狭长的炉膛内现而不需每次都在狭长的炉膛内现场码装。半连续式操作的电阻炉场码装。半连续式操作的电阻炉通常有以下两种类型：通常有以下两种类型： w 钟罩式电阻炉：钟罩式（或叫：罩钟罩式电阻炉：钟罩式（或叫：罩式，国外称为：高帽式）电阻炉由炉式，国外称为：高帽式）电阻炉由炉罩和底座构成。电热体安装在炉罩内罩和底座构成。电热体安装在炉罩内壁，待制品烧好并冷却后，再将炉罩壁，待制品烧好并冷却后，再将炉罩迅速转移到另一底座上，开始另一炉迅速转移到另一底座上，开始另一炉内制品的焙烧。类似的还有：升降式内制品的焙烧。类似的还有：升降式电阻炉等。电阻炉等。 台车式电阻炉又称：电热梭式窑，台车式电阻炉又称：电热梭式窑，由固定的炉体和活动的车底构成。由固定的炉体和活动的车底构成。炉体四壁以及台车底板上均安装炉体四壁以及台车底板上均安装电加热体，装有坯体的台车被推电加热体，装有坯体的台车被推入炉内焙烧。入炉内焙烧。w（3） 连续式操作的电阻炉连续式操作的电阻炉 连续式操作电阻炉可大批量连续式操作电阻炉可大批量生产和连续操作，有：单通道式、生产和连续操作，有：单通道式、双通道式、多通道式。按其运输双通道式、多通道式。按其运输方式的不同，分为以下几种类型：方式的不同，分为以下几种类型： w 窑车式电热隧道窑：简称：电窑车式电热隧道窑：简称：电热隧道窑。窑内有轨道，也有砂封热隧道窑。窑内有轨道，也有砂封槽，窑车两侧有插入砂封槽的裙板。槽，窑车两侧有插入砂封槽的裙板。在窑体预热带、烧成带的墙壁上安在窑体预热带、烧成带的墙壁上安装有电热体。由推车机构将装载有装有电热体。由推车机构将装载有坯体的窑车推入窑内，连续地经过坯体的窑车推入窑内，连续地经过预热带、烧成带和冷却带后烧成为预热带、烧成带和冷却带后烧成为产品。产品。w 推板式电热隧道窑：又称：电热推推板式电热隧道窑：又称：电热推板窑，由一个或数个隧道组成。其窑板窑，由一个或数个隧道组成。其窑底有滑道，顶推机构将装载有坯体的底有滑道，顶推机构将装载有坯体的推板推入窑内煅烧。为减小摩擦，可推板推入窑内煅烧。为减小摩擦，可在推板下面放一些瓷球。管窑是一种在推板下面放一些瓷球。管窑是一种特殊的电热推板式隧道窑，有数十条特殊的电热推板式隧道窑，有数十条断面积很小的管状烧成孔道，适应烧断面积很小的管状烧成孔道，适应烧制一些特种形状的制品。制一些特种形状的制品。w 辊底式电热隧道窑：又称：电辊底式电热隧道窑：又称：电热辊道窑，其窑底上装有许多平行热辊道窑，其窑底上装有许多平行安装的金属质或瓷质辊子，辊子转安装的金属质或瓷质辊子，辊子转动使制品能够连续地通过预热带、动使制品能够连续地通过预热带、烧成带和冷却带。通道截面呈扁平烧成带和冷却带。通道截面呈扁平状，所升温快、温度均匀、便于控状，所升温快、温度均匀、便于控制，适宜快速烧成。制，适宜快速烧成。w 传送带式电阻炉：传送带输送传送带式电阻炉：传送带输送坯体陆续经过预热带、烧成带和坯体陆续经过预热带、烧成带和冷却带。电热体通常是安装在炉冷却带。电热体通常是安装在炉顶和炉底处。由于传送带材质的顶和炉底处。由于传送带材质的限制，这种电阻窑炉只能加热尺限制，这种电阻窑炉只能加热尺寸较小的制品，炉温寸较小的制品，炉温1000。w 链式电阻炉：炉内有回转链条。链式电阻炉：炉内有回转链条。两条链条之间横挂有支架板，坯体两条链条之间横挂有支架板，坯体放在支架板上在窑内移动。电热体放在支架板上在窑内移动。电热体则悬挂于炉膛的四周或者悬挂于炉则悬挂于炉膛的四周或者悬挂于炉膛两侧以及搁置在炉底。该电阻炉膛两侧以及搁置在炉底。该电阻炉的缺点是受链条和支架板材质的限的缺点是受链条和支架板材质的限制而炉温不宜过高。制而炉温不宜过高。w（二）电阻炉的结构（二）电阻炉的结构 （1）炉顶）炉顶 电阻炉的炉顶有拱顶、平电阻炉的炉顶有拱顶、平顶及悬挂顶。炉膛宽度顶及悬挂顶。炉膛宽度400 600mm时，可采用整砖平顶。时，可采用整砖平顶。w（2）炉墙）炉墙 电阻炉的炉墙由炉衬和金属电阻炉的炉墙由炉衬和金属外壳组成。炉衬包括耐火材料及外壳组成。炉衬包括耐火材料及保温材料保温材料。w（3）炉门）炉门 电阻炉的炉门开启方式有提升式电阻炉的炉门开启方式有提升式和铰链式。大型炉多用提升式，小型和铰链式。大型炉多用提升式，小型炉一般采用铰链式。电热隧道窑的炉炉一般采用铰链式。电热隧道窑的炉门，现多采用卷帘式和插板式等。小门，现多采用卷帘式和插板式等。小型电热隧道窑因炉膛细而长，且制品型电热隧道窑因炉膛细而长，且制品进出频繁，所以一般不附设炉门。进出频繁，所以一般不附设炉门。w（4）炉底和地基）炉底和地基 小型电阻炉的炉底用钢架直接架小型电阻炉的炉底用钢架直接架在钢板外壳，即炉底悬空。电热隧道在钢板外壳，即炉底悬空。电热隧道窑则要考虑地基的问题。不应让地基窑则要考虑地基的问题。不应让地基各部分的承载差别太大。安装时，还各部分的承载差别太大。安装时，还应考虑地基受热膨胀问题。应考虑地基受热膨胀问题。w（5）炉架及炉壳）炉架及炉壳 电阻炉的炉壳用电阻炉的炉壳用3 5mm厚钢厚钢板制作，其炉架用钢焊成。炉架及板制作，其炉架用钢焊成。炉架及炉壳焊接好后，在外表面所炉壳焊接好后，在外表面所 涂防锈涂防锈红丹漆的上面要再刷一层灰漆或银红丹漆的上面要再刷一层灰漆或银粉漆，这样可以减小炉壳的辐射热粉漆，这样可以减小炉壳的辐射热损失。损失。 另外，特高温氢钢丝电阻另外，特高温氢钢丝电阻炉以及真空电阻炉还要设有观炉以及真空电阻炉还要设有观察孔和防爆器。薄膜防爆器的察孔和防爆器。薄膜防爆器的特点是既能保证密封性，又能特点是既能保证密封性，又能在一定压力下破裂从而保护主在一定压力下破裂从而保护主要装置不受破坏。要装置不受破坏。w（三）电阻炉的设计（三）电阻炉的设计 （具体参见教材）（具体参见教材） w（四）电阻炉所用电热体的类型（四）电阻炉所用电热体的类型及其特性及其特性 电阻炉常用的电热体有金属质和电阻炉常用的电热体有金属质和非金属质这两种类型。其形状有丝、非金属质这两种类型。其形状有丝、带、棒、管等。在设计电阻炉时，应带、棒、管等。在设计电阻炉时，应当根据具体生产工艺来选择合适的电当根据具体生产工艺来选择合适的电热体，作到既能保证技术上合理又能热体，作到既能保证技术上合理又能够节约投资。够节约投资。 目前用作电热体材料的金属有：目前用作电热体材料的金属有：钼、钨、钽、铂及铂铑合金以及高钼、钨、钽、铂及铂铑合金以及高电阻的合金（像铬镍合金、铁铬铝电阻的合金（像铬镍合金、铁铬铝合金等）；用作电热体材料的非金合金等）；用作电热体材料的非金属有：石墨、碳、碳化硅、二硅化属有：石墨、碳、碳化硅、二硅化钼、二氧化锡、氧化锆、氧化钍等。钼、二氧化锡、氧化锆、氧化钍等。以下介绍的是几种常用电热体材料。以下介绍的是几种常用电热体材料。w 镍铬电阻丝：又称：镍基镍铬电阻丝：又称：镍基合金，其熔点随具体的合金成分合金，其熔点随具体的合金成分而定，约为而定，约为1400左右，镍铬合左右，镍铬合金丝在空气中连续使用的最高温金丝在空气中连续使用的最高温度为度为1050 1200。镍铬合金。镍铬合金的塑性与韧性都比较好，尤其适的塑性与韧性都比较好，尤其适合绕制成螺旋形，有的螺旋丝还合绕制成螺旋形，有的螺旋丝还绕在耐火芯体上。绕在耐火芯体上。w 铁铬铝电阻丝：其熔点比镍铬合金略铁铬铝电阻丝：其熔点比镍铬合金略高，约高，约1500。铁铬合金丝加热后在其表面。铁铬合金丝加热后在其表面上会生成一层熔点较高且不易氧化的上会生成一层熔点较高且不易氧化的Al2O3保保护层，所以它在空气中连续使用的最高温度可护层，所以它在空气中连续使用的最高温度可达达1300 1400，也因塑性与韧性好所以，也因塑性与韧性好所以尤其适合绕制成螺旋形，有时还绕在耐火芯体，尤其适合绕制成螺旋形，有时还绕在耐火芯体，但因在高温下与酸性耐火料及氧化铁反应较强但因在高温下与酸性耐火料及氧化铁反应较强烈，所以使用时，炉衬或支撑装置要用纯度较烈，所以使用时，炉衬或支撑装置要用纯度较高的铝质耐火材料。另外，铁铬铝合金丝的线高的铝质耐火材料。另外，铁铬铝合金丝的线膨胀系数较大。膨胀系数较大。w 硅碳棒（带）：硅碳棒大多制作成二头粗、中间细硅碳棒（带）：硅碳棒大多制作成二头粗、中间细形圆柱状（个别为：管形和螺旋带状），其熔点为形圆柱状（个别为：管形和螺旋带状），其熔点为2227，在空气中连续使用的最高使用温度为，在空气中连续使用的最高使用温度为140050，经，经过特殊处理的硅碳棒其使用温度可以有所提高。具有良好过特殊处理的硅碳棒其使用温度可以有所提高。具有良好的导热性、导电性和耐磨性，在高温下其急冷急热性也较的导热性、导电性和耐磨性，在高温下其急冷急热性也较好，有足够高的高温强度。硅碳棒的比电阻较大，低温时好，有足够高的高温强度。硅碳棒的比电阻较大，低温时其比电阻与温度成反比，但在大约在其比电阻与温度成反比，但在大约在800左右时，其特左右时，其特性曲线由负变为正。这一特点可以防止硅碳棒因电压聚增性曲线由负变为正。这一特点可以防止硅碳棒因电压聚增时而被烧毁。空气与碳酸气在高温下对硅碳棒会起到氧化时而被烧毁。空气与碳酸气在高温下对硅碳棒会起到氧化作用，其主要表现为氧化后的硅碳棒电阻会增加，这种现作用，其主要表现为氧化后的硅碳棒电阻会增加，这种现象称为硅碳棒的象称为硅碳棒的“老化老化”。硅碳棒老化后，电阻变大，通。硅碳棒老化后，电阻变大，通过电流降低。为了稳定功率，势必要增加电源电压，所以，过电流降低。为了稳定功率，势必要增加电源电压，所以，使用硅碳棒的电阻炉需要有调压装置。使用硅碳棒的电阻炉需要有调压装置。w 硅钼棒：硅钼棒：MoSi2的熔点为的熔点为2030。加热时，。加热时，MoSi2电热电热体的表面会生成一层气密性良好的体的表面会生成一层气密性良好的SiO2玻璃膜可防止电热体被玻璃膜可防止电热体被进一步氧化，硅钼棒在空气中连续使用的最高温度为进一步氧化，硅钼棒在空气中连续使用的最高温度为1650 1700。硅钼棒在高温时塑性较大，易变形，且因其比电阻较。硅钼棒在高温时塑性较大，易变形，且因其比电阻较小，故而其发热段较长。为了防止变形和易于安装，硅钼棒大小，故而其发热段较长。为了防止变形和易于安装，硅钼棒大多做成多做成“U”形，个别做成形，个别做成“W”形，都垂直安装。硅钼棒与炉形，都垂直安装。硅钼棒与炉膛的底砖之间以及硅钼棒与炉壁之间各留出膛的底砖之间以及硅钼棒与炉壁之间各留出25 30mm的间距。的间距。硅钼棒的电阻率随温度升高几乎以直线关系迅速上升，即其加硅钼棒的电阻率随温度升高几乎以直线关系迅速上升，即其加热功率有一定的自然控制。所以在恒定电源电压下，硅钼棒的热功率有一定的自然控制。所以在恒定电源电压下，硅钼棒的功率在低温时较高，随着炉膛温度的上升则其输出功率会减小，功率在低温时较高，随着炉膛温度的上升则其输出功率会减小，这样既能保证迅速达到所需的炉膛温度，又能避免硅钼棒过热。这样既能保证迅速达到所需的炉膛温度，又能避免硅钼棒过热。硅钼棒适用氧化气氛，特别适合空气和中性气氛，还原气氛会硅钼棒适用氧化气氛，特别适合空气和中性气氛，还原气氛会破坏硅钼棒的保护层。硅钼棒不应在破坏硅钼棒的保护层。硅钼棒不应在400 700长时间使用，长时间使用，否则会发生低温氧化而损坏。否则会发生低温氧化而损坏。w 钼丝：钼的熔点为钼丝：钼的熔点为2630，钼在，钼在500以上时很快被氧化成粉末状，所以以上时很快被氧化成粉末状，所以要在保护气体中或真空中使用。钼丝在还要在保护气体中或真空中使用。钼丝在还原气氛或中性气氛中连续使用的最高使用原气氛或中性气氛中连续使用的最高使用温度为温度为1900。钼丝在高温下具有较大的。钼丝在高温下具有较大的持久强度，其导电性也优于铁丝和镍丝。持久强度，其导电性也优于铁丝和镍丝。但在高温下，钼丝与多种耐火材料相接触但在高温下，钼丝与多种耐火材料相接触时均会发生化学反应，为此要避免钼丝与时均会发生化学反应，为此要避免钼丝与耐火材料相接触，要设置支撑件或钩子来耐火材料相接触，要设置支撑件或钩子来支撑钼丝。支撑钼丝。w 钨丝（或钨棒）：钨的熔点高达钨丝（或钨棒）：钨的熔点高达3410。作为电热体的钨丝（棒）在中性气。作为电热体的钨丝（棒）在中性气氛或还原气氛中连续使用的最高温度高达氛或还原气氛中连续使用的最高温度高达2000以上。钨的导电性较好，优于镍、铁、以上。钨的导电性较好，优于镍、铁、铂；钨的膨胀系数也较小。钨在常温下比较稳铂；钨的膨胀系数也较小。钨在常温下比较稳定，只有炽热时才会被氧化。钨还具有良好的定，只有炽热时才会被氧化。钨还具有良好的抗腐蚀性能，不加热时，与任何浓度的氢氟酸、抗腐蚀性能，不加热时，与任何浓度的氢氟酸、王水、硝酸、硫酸和盐酸均不发生化学反应。王水、硝酸、硫酸和盐酸均不发生化学反应。在高温下钨丝（或钨棒）要避免与炉衬接触。在高温下钨丝（或钨棒）要避免与炉衬接触。 除了以上常见的电热体以外，除了以上常见的电热体以外，作为电热体的石墨在中性气氛或还作为电热体的石墨在中性气氛或还原气氛中连续使用的最高温度为原气氛中连续使用的最高温度为2000以上，作为电热体的铂丝在以上，作为电热体的铂丝在空气中连续使用的最高使用温度为空气中连续使用的最高使用温度为1450。w 5.2.2.5 电阻炉的安装与使用电阻炉的安装与使用 （参见教材）（参见教材）w5.2.2.6 电阻炉的调节电阻炉的调节w（1）电阻炉功率的调节）电阻炉功率的调节 电阻炉功率的调节包括两个方面：一是电电阻炉功率的调节包括两个方面：一是电阻炉总耗电功率的调节；二是电热元件发热功阻炉总耗电功率的调节；二是电热元件发热功率的调节。一般来说，其调节方法有两种：率的调节。一般来说，其调节方法有两种： 利用变压器来调节；利用变压器来调节； 改变电热元件的连接方法来调节。改变电热元件的连接方法来调节。w电阻炉内温度的控制调节电阻炉内温度的控制调节 电阻炉内温度的控制方法是利用热电阻炉内温度的控制方法是利用热电偶和接触器控制电路等进行温度控制。电偶和接触器控制电路等进行温度控制。如果再加上了可控硅温度控制装置就可如果再加上了可控硅温度控制装置就可以进行更为平稳的温度控制调节。现代以进行更为平稳的温度控制调节。现代化的电阻炉都是利用微机进行温度的可化的电阻炉都是利用微机进行温度的可编程序控制。使用者只需要将预先制定编程序控制。使用者只需要将预先制定的烧成曲线输入微机内，就可以按此温的烧成曲线输入微机内，就可以按此温度曲线进行精确的温度控制调节。度曲线进行精确的温度控制调节。5.2.2.5 电极（电阻）炉电极（电阻）炉 电极炉类似于电阻炉，其主要差异是电电极炉类似于电阻炉，其主要差异是电极炉没有电热体，外部电源通过电极直接将极炉没有电热体，外部电源通过电极直接将电压加在被加热材料体的两端，以材料体为电压加在被加热材料体的两端，以材料体为电阻来加热。如果被烧结的是一些特殊成分电阻来加热。如果被烧结的是一些特殊成分材料，施加直流电场后，其烧结体还可能有材料，施加直流电场后，其烧结体还可能有一些特别的磁学特性或压电特性。常用的电一些特别的磁学特性或压电特性。常用的电极材料有钼电极、石墨电极、极材料有钼电极、石墨电极、SnO2电极等，电极等，后两种电极在玻璃池窑的电助熔和电熔玻璃后两种电极在玻璃池窑的电助熔和电熔玻璃池窑上的应用较为广泛。池窑上的应用较为广泛。5.2.3 电磁感应炉电磁感应炉 电磁感应炉分为两类：感应熔炼炉电磁感应炉分为两类：感应熔炼炉和感应加热炉。电磁感应炉的优点是：和感应加热炉。电磁感应炉的优点是：加热快，温度高，加热质量好，功率控加热快，温度高，加热质量好，功率控制方便，易于实现机械化、自动化等。制方便，易于实现机械化、自动化等。只是有一定的局限性。只是有一定的局限性。w5.2.3.1 电磁感应加热原理与电磁感应炉电磁感应加热原理与电磁感应炉 电流通过导体时，在导体周围产生磁场。电流通过导体时，在导体周围产生磁场。把一块导体放入交变磁场中，则在导体内会把一块导体放入交变磁场中，则在导体内会产生电动势，在电动势作用下导体内就有交产生电动势，在电动势作用下导体内就有交流电流动，称为：流电流动，称为：感应电流感应电流。该导体内感应。该导体内感应电流的频率变化，与原电源电流频率变化一电流的频率变化，与原电源电流频率变化一样，感应电流就通过原导体使受感导体受到样，感应电流就通过原导体使受感导体受到电加热。这就是：电加热。这就是：感应加热法感应加热法，原来通入交，原来通入交流电的导体为：流电的导体为：施感导体施感导体。 当电流频率为工频（我国当电流频率为工频（我国50Hz）时，整个施感导体和受感导体截面上时，整个施感导体和受感导体截面上电流均匀分布，若将电流频率增加时电流均匀分布，若将电流频率增加时（频率越快，感应出热量越多，加热（频率越快，感应出热量越多，加热速度就越快），则受感导体内电流集速度就越快），则受感导体内电流集中在导体表层，称为：集肤效应，它中在导体表层，称为：集肤效应，它是感应加热的第一个特性。是感应加热的第一个特性。 其原因是：当受感导体通过交流电后，其原因是：当受感导体通过交流电后，该导体就处于该电流产生的交变磁场内，该导体就处于该电流产生的交变磁场内，该磁场在导体内感应出的电动势与电源电该磁场在导体内感应出的电动势与电源电动势方向相反，叫做：反电动势。受感导动势方向相反，叫做：反电动势。受感导体中心集中了全部磁通，所以此处感应出体中心集中了全部磁通，所以此处感应出“反电动势反电动势”最大，导体中心就有最大感最大，导体中心就有最大感抗。而电流沿感抗最小的导体表面通过。抗。而电流沿感抗最小的导体表面通过。 电流频率越高，集肤效应越电流频率越高，集肤效应越显著。通常规定内部电流密度降显著。通常规定内部电流密度降至外表面电流密度至外表面电流密度1/2.7处以外为处以外为“表面层表面层”，其厚度被称为：电，其厚度被称为：电流的流的“渗入深度渗入深度”。提高电流频。提高电流频率，率，减小。高电阻导体减小。高电阻导体较大，较大，加热速度快。加热速度快。 如果导体绕成线圈。当导体如果导体绕成线圈。当导体里有电流通过时，导线将被磁力里有电流通过时，导线将被磁力线所围绕，因为线圈周围的磁力线所围绕，因为线圈周围的磁力线集中于内侧，而且内侧的磁场线集中于内侧，而且内侧的磁场强度比外侧要大，所以内侧的电强度比外侧要大，所以内侧的电流强度就比外侧大，这就是感应流强度就比外侧大，这就是感应加热的第二个特性加热的第二个特性 电流主要沿电流主要沿匝圈的内侧通过匝圈的内侧通过。 施感导体距离材料愈近，则加热速度施感导体距离材料愈近，则加热速度愈快；反之依然。材料与感应圈之间的距愈快；反之依然。材料与感应圈之间的距离称为：耦合距离。金属材料可直接放在离称为：耦合距离。金属材料可直接放在电磁感应炉内的耐火坩埚里加热；而非金电磁感应炉内的耐火坩埚里加热；而非金属材料则要放入用属材料则要放入用Mo、W、镍铬合金、镍铬合金、石墨、石墨、SiC、ZrO2等做成的坩埚内加热，等做成的坩埚内加热，如果实在无法用导体坩埚，则需要设置导如果实在无法用导体坩埚，则需要设置导体感应器来加热材料。某些材料在高温下体感应器来加热材料。某些材料在高温下才能够导电，这时可设置辅助加热器将材才能够导电，这时可设置辅助加热器将材料预加热到可导电温度。料预加热到可导电温度。w电磁感应炉的电源设备电磁感应炉的电源设备 电磁感应炉的电源按频率来分，有工频、中频电磁感应炉的电源按频率来分，有工频、中频和高频三种：工频是工业频率的简称（我国为和高频三种：工频是工业频率的简称（我国为50Hz）。中频指工频以上直到约）。中频指工频以上直到约10kHz，其上限取，其上限取决所用中频设备所能达到的最高频率，常用频率在决所用中频设备所能达到的最高频率，常用频率在1.0 10KHz。中频电源设备用中频逆变器，具有效。中频电源设备用中频逆变器，具有效率高、运行可靠、维护简单、体积小、自重轻以及率高、运行可靠、维护简单、体积小、自重轻以及制造方便等优点。高频一般指（制造方便等优点。高频一般指（10 20）kHz，其，其上限根据实际需要确定，一般约上限根据实际需要确定，一般约1MHz，其常用电磁，其常用电磁振荡器的振荡频率在振荡器的振荡频率在300 500kHz，对于加热导电，对于加热导电性能较差的材料，则高达性能较差的材料，则高达3 5MHz。电磁感应电源。电磁感应电源的输出功率从几个的输出功率从几个kW 800kW。 4电弧炉、弧像炉与其他加热成像炉电弧炉、弧像炉与其他加热成像炉 w电弧炉电弧炉 电弧炉利用电弧产生热量来加热电弧炉利用电弧产生热量来加热材料，其优点是：加热快、加热温度材料，其优点是：加热快、加热温度高、调节方便；其缺点是：耗电较多、高、调节方便；其缺点是：耗电较多、电极损耗较大、配套设备复杂。电极损耗较大、配套设备复杂。w（1）电弧加热原理）电弧加热原理 两根靠得很近、但中间有一定间隔的电极两根靠得很近、但中间有一定间隔的电极通电时，就会发出耀眼的、被称为通电时，就会发出耀眼的、被称为“电弧电弧”的的白亮火光。这是电流通过气体时产生的一种放白亮火光。这是电流通过气体时产生的一种放电现象，其温度可达电现象，其温度可达4000以上。如果再将以上。如果再将电极移开，在接触的瞬间带负电的电极上会出电极移开，在接触的瞬间带负电的电极上会出现白热斑点，称为：阴极斑点。该阴极斑点是现白热斑点，称为：阴极斑点。该阴极斑点是巨大的电子流从阴极流向阳极的电子发射源。巨大的电子流从阴极流向阳极的电子发射源。 热电子的发射强度取决于阴极表面温度，热电子的发射强度取决于阴极表面温度，阴极材料及其表面状态等。从阴极表面发出的阴极材料及其表面状态等。从阴极表面发出的电子在电场作用下射向阳极，沿途还会与中性电子在电场作用下射向阳极，沿途还会与中性气体分子及原子碰撞，并从其中激发出更多的气体分子及原子碰撞，并从其中激发出更多的电子，叫做：二次发射。电弧炉中强大的电弧电子，叫做：二次发射。电弧炉中强大的电弧就是电流通过气体所造成。所以说，电弧的气就是电流通过气体所造成。所以说，电弧的气体介质具有很高的导电性是由于两电极间的气体介质具有很高的导电性是由于两电极间的气体离子化（即：等离子体）所致。要使电弧炉体离子化（即：等离子体）所致。要使电弧炉具有强大的电弧，使带电介质在电场中移动，具有强大的电弧，使带电介质在电场中移动，就必须有足够的电压。就必须有足够的电压。 直流电、交流电均可产生电弧，直流电、交流电均可产生电弧，只是直流电弧比交流电弧稳定，这只是直流电弧比交流电弧稳定，这是因为当用交流电时，在真空中或是因为当用交流电时，在真空中或者在两电极间气体密度很小的情况者在两电极间气体密度很小的情况下，在两电极间的交流电压等于零下，在两电极间的交流电压等于零的瞬间，电弧容易熄灭。所以，电的瞬间，电弧容易熄灭。所以，电弧炉中一般采用直流电源。弧炉中一般采用直流电源。 电弧炉有间接加热（电极之间产生的电弧炉有间接加热（电极之间产生的电弧再以热辐射方式传热给被加热料）、电弧再以热辐射方式传热给被加热料）、直接加热（电极与材料之间产生的电弧直接加热（电极与材料之间产生的电弧直接加热材料）和电弧电阻加热（电弧直接加热材料）和电弧电阻加热（电弧插入材料之中，电弧发出热与电流通过插入材料之中，电弧发出热与电流通过材料发出热来加热材料）三种类型。此材料发出热来加热材料）三种类型。此外，由于电弧放电能够使其所在区域的外，由于电弧放电能够使其所在区域的气体电离成为气体电离成为“等离子体等离子体”， 所以等离所以等离子体炉应该说是与电弧炉同类。子体炉应该说是与电弧炉同类。w（2）电弧炉的电极）电弧炉的电极 对电弧炉电极的要求如下：第一，对电弧炉电极的要求如下：第一，能耐高温，且在空气中开始强烈氧化的能耐高温，且在空气中开始强烈氧化的温度要高；第二，有较高的电导率和机温度要高；第二，有较高的电导率和机械强度；第三，灰分和含硫量较低；第械强度；第三，灰分和含硫量较低；第四，成本低。四，成本低。 电弧炉的电极有石墨电极和其电弧炉的电极有石墨电极和其他碳素电极等类型，其中，石墨电他碳素电极等类型，其中，石墨电极应用得较多。对于直接加热的电极应用得较多。对于直接加热的电弧炉，电极安放在等边三角形的三弧炉，电极安放在等边三角形的三个顶点上。通过三电极中心的圆直个顶点上。通过三电极中心的圆直径称为：电极圆直径。电弧炉熔化径称为：电极圆直径。电弧炉熔化室的直径室的直径D与电极圆直径与电极圆直径d比一般为比一般为2.5 5.0，大型炉选高值。，大型炉选高值。w（3）电弧炉用变压器）电弧炉用变压器 电弧炉用变压器是一种降压变压器，电弧炉用变压器是一种降压变压器，其次级输出是低电压、大电流具有较大其次级输出是低电压、大电流具有较大的过载容量。在变压器高压侧配有电压的过载容量。在变压器高压侧配有电压调节装置，以供调节电弧炉的输入电压调节装置，以供调节电弧炉的输入电压所用。所用。w弧像炉与其他成像加热炉弧像炉与其他成像加热炉 研究化学性活泼材料的高温性能过研究化学性活泼材料的高温性能过程、高温下不能沾污和化学计量比不能程、高温下不能沾污和化学计量比不能改变的高温单晶生长过程；纯度要求极改变的高温单晶生长过程；纯度要求极高材料的高温制备过程需要像弧像炉这高材料的高温制备过程需要像弧像炉这样的无沾污加热设备。样的无沾污加热设备。w（1）弧像炉）弧像炉 弧像炉仍以电弧为热源，但需要将弧像炉仍以电弧为热源，但需要将电弧的辐射能通过光学方法聚集到被加电弧的辐射能通过光学方法聚集到被加热材料上，即形成一个辐射圆锥，从而热材料上，即形成一个辐射圆锥，从而使热源在圆锥尖端成像来形成局部高温。使热源在圆锥尖端成像来形成局部高温。这样，使被材料小部分熔融形成一个自这样，使被材料小部分熔融形成一个自身坩埚，因此不需要与任何其他材料接身坩埚，因此不需要与任何其他材料接触，所以其产品的纯度极高。触，所以其产品的纯度极高。w（2）其他加热成像炉）其他加热成像炉 除弧像炉以外，还有其他一些类型除弧像炉以外，还有其他一些类型的加热成像炉，其原理都是利用光学系的加热成像炉，其原理都是利用光学系统聚焦辐射能高温加热。只是热源有所统聚焦辐射能高温加热。只是热源有所差异，除电弧放电外，还有太阳光、激差异，除电弧放电外，还有太阳光、激光、光、Kr灯、灯、Xe灯等。灯等。w等离子炉等离子炉 等离子体是经过高电压放电发生电离后的等离子体是经过高电压放电发生电离后的气体，有低温等离子体和高温等离子体之分。气体，有低温等离子体和高温等离子体之分。等离子炉用的是高温等离子体。等离子炉的等离子炉用的是高温等离子体。等离子炉的主要优点是：很容易达到其他普通窑炉不易主要优点是：很容易达到其他普通窑炉不易达到、甚至不能够达到的高温，一般能达到达到、甚至不能够达到的高温，一般能达到10000以上的高温（利用电能产生的等离子以上的高温（利用电能产生的等离子体可达一万度以上，利用核能等还可获得几体可达一万度以上，利用核能等还可获得几十万十万 几千万度，热核聚变产生的等离子体几千万度，热核聚变产生的等离子体核心最高温度为几亿度）。核心最高温度为几亿度）。 等离子体中的热能容易被气体等离子体中的热能容易被气体传递，在高于大气压（正压）或低传递，在高于大气压（正压）或低于大气压（负压）的系统内都能进于大气压（负压）的系统内都能进行，因此，等离子炉不仅可用在实行，因此，等离子炉不仅可用在实验室中，也能够应用于实际生产。验室中，也能够应用于实际生产。w等离子体装置的产生等离子体装置的产生 将一个放置于电弧室内的电极冷却就可将一个放置于电弧室内的电极冷却就可产生稳定的电弧。电源可以是直流，也可以产生稳定的电弧。电源可以是直流，也可以是交流，目前几乎都采用直流电源。其前部是交流，目前几乎都采用直流电源。其前部电极作为电离介质喷出口，而放电则是在后电极作为电离介质喷出口，而放电则是在后部电极与前部电极之间进行。电离介质可以部电极与前部电极之间进行。电离介质可以是空气、是空气、He、Ar、N2、H2等气体；也可以等气体；也可以是水、液态空气、液态是水、液态空气、液态N2、液态、液态H2等液体。等液体。 “直流阴极空腔放电法直流阴极空腔放电法”可以可以产生高温等离子；产生高温等离子；“高频感应放电高频感应放电法法”和和“微波激发等离子法微波激发等离子法”可以可以产生低温等离子的。产生低温等离子的。w 等离子体的应用等离子体的应用 等离子体的用途很广，需要特别指出的是，在等离子体的用途很广，需要特别指出的是，在现代材料研究领域，等离子体也被广泛地用来进行现代材料研究领域，等离子体也被广泛地用来进行各种材料的合成，即所谓的材料各种材料的合成，即所谓的材料“放电等离子体烧放电等离子体烧结结”，或称：电火花烧结技术，简称：，或称：电火花烧结技术，简称：SPS（Spark Plasma Sintering）技术，它是利用）技术，它是利用瞬间、断续的释放电能，在加压下烧结。此前，与瞬间、断续的释放电能，在加压下烧结。此前，与该技术相同或相类似的技术还有：等离子体活化烧该技术相同或相类似的技术还有：等离子体活化烧结（结（Plasma Activated Sintering，简称：，简称：PAS）、）、等离子体辅助烧结（等离子体辅助烧结（Plasma Assisted Sintering，简称：，简称：PAS），它们都可以追溯二十世纪），它们都可以追溯二十世纪30年代年代出现的脉冲电流烧结（出现的脉冲电流烧结（Pulse Electric Current Sintering，简称：，简称：PECS）。）。 目前，目前，SPS技术用途已经非常广泛，技术用途已经非常广泛，可以用于低温（可以用于低温（1000）、高压）、高压（500 1000MPa）烧结、也可以用于）烧结、也可以用于低压（低压（20 30MPa）、高温（）、高温（1000 2000）烧结。）烧结。SPS技术也被用来烧技术也被用来烧结一些纳米材料（例如，烧结纳米结一些纳米材料（例如，烧结纳米Al2O3陶瓷材料等）。陶瓷材料等）。w电子束炉电子束炉 电子束炉（电子束炉（Electronic Beam Impact Furnace）是利用高速运动电子的能量来加热材料的）是利用高速运动电子的能量来加热材料的电热炉，又被称为：电子轰击加热器。电子束炉的电热炉，又被称为：电子轰击加热器。电子束炉的原理类似是一个二极管，通过热电发射的方式获得原理类似是一个二极管，通过热电发射的方式获得初速度的电子，在初速度的电子，在2000V以上的高电压降作用下向着以上的高电压降作用下向着被加热材料（试样）加速，并电磁或静电透镜的方被加热材料（试样）加速，并电磁或静电透镜的方法使电子束朝着试样聚焦，使得被加热区达到法使电子束朝着试样聚焦，使得被加热区达到3500以上的高温。当然用电子轰击加热需要在发以上的高温。当然用电子轰击加热需要在发射器和试样之间产生受控制的电流，这只有在真空射器和试样之间产生受控制的电流，这只有在真空中才能实现。实际上，这一过程只有在绝对压强低中才能实现。实际上，这一过程只有在绝对压强低于于10-3mmHg的真空下中才是可行的。的真空下中才是可行的。 电子束炉最早被用来加热高温电子束炉最早被用来加热高温X-光粉末光粉末照像机中的试样，后来用其加热悬浮区使试照像机中的试样，后来用其加热悬浮区使试样熔化来制备高熔点的单晶（例如，像超纯样熔化来制备高熔点的单晶（例如，像超纯硅单晶或超纯钨单晶，其中超纯钨单晶的纯硅单晶或超纯钨单晶，其中超纯钨单晶的纯度可达度可达99.9975%），图），图5.47是一台四电子束是一台四电子束单晶硅炉的结构图。另外，电子束炉还被用单晶硅炉的结构图。另外，电子束炉还被用在材料熔制、焊接、蒸发镀膜、热处理、表在材料熔制、焊接、蒸发镀膜、热处理、表面改性等方面。面改性等方面。w红外加热炉红外加热炉 红外加热炉是用红外波段的电红外加热炉是用红外波段的电磁波进行加热的方法，使用的红外加磁波进行加热的方法，使用的红外加热源有卤素灯（例如，碘钨灯）等。热源有卤素灯（例如，碘钨灯）等。由于红外线的波长短，穿透能力差，由于红外线的波长短，穿透能力差，所以红外线加热的原理是：材料表面所以红外线加热的原理是：材料表面接受到红外线辐射能升温后再以热传接受到红外线辐射能升温后再以热传导的方式向内部传热。红外加热炉可导的方式向内部传热。红外加热炉可以用于原料的干燥、烧结、单晶制备。以用于原料的干燥、烧结、单晶制备。w太阳高温炉太阳高温炉 太阳的表面温度在太阳的表面温度在6000左右，其内部温度左右，其内部温度更是高达更是高达4107。每年地球从太阳辐射能中能够。每年地球从太阳辐射能中能够获得获得4.81016kWh的能量，这比地球上目前人们利的能量，这比地球上目前人们利用各种能源所产生的全部能量还要大出两万倍。虽用各种能源所产生的全部能量还要大出两万倍。虽然到达地球表面太阳辐射能的数值很大，但是由于然到达地球表面太阳辐射能的数值很大，但是由于这个能量是分散在地球上广大的地区。另外，太阳这个能量是分散在地球上广大的地区。另外，太阳能到达地球表面的数值也取决于天气条件和太阳亮能到达地球表面的数值也取决于天气条件和太阳亮度，而且在一天之内太阳能的密度不连贯。度，而且在一天之内太阳能的密度不连贯。 当今，太阳能利用的问题已成为研究的当今，太阳能利用的问题已成为研究的热点。在材料工业领域内的太阳能高温炉就热点。在材料工业领域内的太阳能高温炉就是其中之一。例如，利用太阳能高温炉生产是其中之一。例如，利用太阳能高温炉生产石英坩埚、石英管，研究和生产高温陶瓷，石英坩埚、石英管，研究和生产高温陶瓷，研究硅酸盐、硼化物、碳化物、氮化物等化研究硅酸盐、硼化物、碳化物、氮化物等化合物的高温性能，制备高折射率玻璃以及制合物的高温性能，制备高折射率玻璃以及制备单晶等。据称，太阳能高温炉最高可达备单晶等。据称，太阳能高温炉最高可达3500。因为太阳能高温炉内没有电场、磁。因为太阳能高温炉内没有电场、磁场和烟气的干扰，因此在材料的加热和冷却场和烟气的干扰，因此在材料的加热和冷却过程中，甚至极高温度下都能清楚地观察到过程中，甚至极高温度下都能清楚地观察到试样。试样。w材料的微波加热技术材料的微波加热技术 微波是指频率在微波是指频率在300MHz 300GHz的电磁波。的电磁波。开始被应用于通讯和军事领域。后来随着微波热效开始被应用于通讯和军事领域。后来随着微波热效应的发现，微波才作为非通讯的能源获得广泛应用。应的发现，微波才作为非通讯的能源获得广泛应用。微波加热属于内部加热，即材料吸收谐振的微波能微波加热属于内部加热，即材料吸收谐振的微波能后转化为材料内部的能量，传热方向从内向外而温后转化为材料内部的能量，传热方向从内向外而温度梯度方向是从外向内。微波加热是整体均匀受热，度梯度方向是从外向内。微波加热是整体均匀受热，简称：体加热。在材料领域，微波加热技术应用在简称：体加热。在材料领域，微波加热技术应用在微波烧结、微波合成、微波干燥、微波焊接、微波微波烧结、微波合成、微波干燥、微波焊接、微波降解、微波萃取等。降解、微波萃取等。 微波烧结材料可缩短烧结时间，即微波烧结材料可缩短烧结时间，即所谓：快速烧结。由于介质均匀受热，所谓：快速烧结。由于介质均匀受热，所以加热过程中，介质内部温度梯度很所以加热过程中，介质内部温度梯度很小，于是介质内部的热应力可大大减小。小，于是介质内部的热应力可大大减小。这样即使在很高升温速率下，也很少会这样即使在很高升温速率下，也很少会造成材料开裂。同时在微波电磁能作用造成材料开裂。同时在微波电磁能作用下，材料内部分子或离子的动能增加，下，材料内部分子或离子的动能增加，烧结的活化能得到降低，扩散系数提高，烧结的活化能得到降低，扩散系数提高，从而促进了材料的烧结。从而促进了材料的烧结。 微波加热材料是在加热腔（烧结材料时也被称微波加热材料是在加热腔（烧结材料时也被称为：烧结腔）内进行。微波加热腔通常有两种：行为：烧结腔）内进行。微波加热腔通常有两种：行波腔与谐振腔，常用的是谐振腔。谐振腔形状有长波腔与谐振腔，常用的是谐振腔。谐振腔形状有长方体（简称：矩形）、园柱体（简称：园形）等，方体（简称：矩形）、园柱体（简称：园形）等，只是矩形谐振腔使用较多。谐振腔也有单模与多模只是矩形谐振腔使用较多。谐振腔也有单模与多模之分。单模谐振腔优点是：实验条件的可控性好，之分。单模谐振腔优点是：实验条件的可控性好，实验结果的重复性较好，在有效加热区域内有很均实验结果的重复性较好，在有效加热区域内有很均匀的场强。多模谐振腔优点是：能够同时加热多种匀的场强。多模谐振腔优点是：能够同时加热多种介质或大件样品，但是由于其内场强均匀性较差、介质或大件样品，但是由于其内场强均匀性较差、稳定性也较差，所以它的实验条件可控性较差、实稳定性也较差，所以它的实验条件可控性较差、实验结果的重复性也较差。验结果的重复性也较差。 关于微波加热过程的理论计算，关于微波加热过程的理论计算，有两个参数最为重要，分别是：单有两个参数最为重要，分别是：单位时间、单位体积介质吸收的微波位时间、单位体积介质吸收的微波能能P（或称为：微波吸收功率）与（或称为：微波吸收功率）与微波在材料中的渗透深度微波在材料中的渗透深度D（或称（或称为：穿透深度）。具体计算公式参为：穿透深度）。具体计算公式参见教材。见教材。 针对某些材料低温时介电损耗针对某些材料低温时介电损耗小，高温时介电损耗才足够大的特小，高温时介电损耗才足够大的特点，人们又新开发微波辅助加热法，点，人们又新开发微波辅助加热法，具体参见教材。具体参见教材。w 材料的激光烧结技术材料的激光烧结技术 激光烧结技术又称：材料激光烧蚀技术激光烧结技术又称：材料激光烧蚀技术 或或 激光熔融法。该方法既能获得极高的温度激光熔融法。该方法既能获得极高的温度梯度，又不存在坩埚污染的问题。该方法也梯度，又不存在坩埚污染的问题。该方法也能精确地控制材料的成核速度与生长速度。能精确地控制材料的成核速度与生长速度。该方法的缺点是激光束的穿透能力不强，只该方法的缺点是激光束的穿透能力不强，只适合于小面积薄件制品或样品局部热加工，适合于小面积薄件制品或样品局部热加工，因此，也有人将其归类于涂层制备或薄膜制因此，也有人将其归类于涂层制备或薄膜制备的技术范围。备的技术范围。 还有一种激光烧结技术被称为：还有一种激光烧结技术被称为：激光选择性烧结技术（激光选择性烧结技术（Selective Laser Sintering，简称：，简称：SLS），），它可用于烧结塑料粉、金属粉、陶它可用于烧结塑料粉、金属粉、陶瓷粉末，具体参见教材。瓷粉末，具体参见教材。w材料的热压烧结技术与材料的热等静压材料的热压烧结技术与材料的热等静压制备技术制备技术 热压烧结技术简称：热压烧结技术简称：HP烧结技术，又称：烧结技术，又称：压力烧结技术。它是指将较难烧结的料粉或压力烧结技术。它是指将较难烧结的料粉或生坯在模具内机械加压烧结。为了与热压烧生坯在模具内机械加压烧结。为了与热压烧结技术相区别，只加热的普通常压烧结技术结技术相区别，只加热的普通常压烧结技术则称为：无压烧结技术。则称为：无压烧结技术。 HP烧结技术又可进一步分烧结技术又可进一步分为：真空热压烧结法、气氛热为：真空热压烧结法、气氛热压烧结法、连续加压烧结法、压烧结法、连续加压烧结法、超高压烧结法和超高温超高压超高压烧结法和超高温超高压烧结法等。烧结法等。 将热压烧结技术和等静压成型将热压烧结技术和等静压成型技术结合起来并综合这两个方法的技术结合起来并综合这两个方法的优点，就形成了优点，就形成了“等静压烧结等静压烧结”，或称：气压烧结技术。该方法通过或称：气压烧结技术。该方法通过气体加压，因此能够从各个方向均气体加压，因此能够从各个方向均匀加压，其施压介质匀加压，其施压介质N2、Ar等。等。 等静压烧结技术进一步发展就等静压烧结技术进一步发展就是材料的是材料的“热等静压制备技术热等静压制备技术”，简称简称HIP（Hot Isostatic Pressing）技术，其要点是：制备）技术，其要点是：制备材料在高温下受到更高的气体压力材料在高温下受到更高的气体压力（即各向同性的高压）。（即各向同性的高压）。 HIP技术根据具体情况与要求技术根据具体情况与要求可选择不同加热、加压次序，例如：可选择不同加热、加压次序，例如： 先加热、后加压；先加热、后加压； 预加压、预加压、再加热、后加压；再加热、后加压； 预加压、后加预加压、后加热。热。HIP技术中关于样品的处理也技术中关于样品的处理也有以下两种：有以下两种： 包套包套HIP技术与无包技术与无包套热套热HIP技术。技术。w材料的反应烧结技术与材料的反应烧结技术与SHS技术技术 材料的反应烧结技术是利用化学反应所材料的反应烧结技术是利用化学反应所放出的热量来进行材料加热合成与制备的高放出的热量来进行材料加热合成与制备的高科技方法。在这其中，材料的自蔓延高温合科技方法。在这其中，材料的自蔓延高温合成技术（成技术（Self-Propagating High Temperature Synthesis，简称为，简称为SHS技术）技术）是最重要材料反应烧结技术之一。是最重要材料反应烧结技术之一。 SHS技术也被称为：材料的燃烧技术也被称为：材料的燃烧合成技术。合成技术。SHS技术的整个过程是由技术的整个过程是由五个区组成：点火区、产物区、反应区、五个区组成：点火区、产物区、反应区、预热区与原料区。目前预热区与原料区。目前SHS技术的应技术的应用领域已经较多，教材上的表用领域已经较多，教材上的表5.8列举列举了迄今所发现的大多数能够用了迄今所发现的大多数能够用SHS技技术来制备的材料体系。术来制备的材料体系。 金属管内壁设置陶瓷内衬技术是金属管内壁设置陶瓷内衬技术是SHS技术最具有代表性的成果之一。技术最具有代表性的成果之一。该技术的核心是利用该技术的核心是利用SHS技术和离技术和离心力在金属管的内壁上形成一层氧心力在金属管的内壁上形成一层氧化铝涂层，简称：离心铝热法。化铝涂层，简称：离心铝热法。 除了除了SHS技术以外，还有其他技术以外，还有其他一些反应烧结技术，例如：反应烧一些反应烧结技术，例如：反应烧结法（或称为：普通反应烧结法，结法（或称为：普通反应烧结法，简称简称RB法，法，RReaction，BBonding）和）和Lanxide烧结法等。烧结法等。 反应烧结法的优点是坯块在烧结过程中尺寸基反应烧结法的优点是坯块在烧结过程中尺寸基本上不变，所以能够制得尺寸非常精确的产品。同本上不变，所以能够制得尺寸非常精确的产品。同时，其工艺简单、经济适合于大批量生产。该方法时，其工艺简单、经济适合于大批量生产。该方法的主要缺点是通过反应烧结法制备的材料密度较低，的主要缺点是通过反应烧结法制备的材料密度较低，所以其力学性能不高。实际上目前流行的材料原位所以其力学性能不高。实际上目前流行的材料原位（in-situ）制备新技术就是由原位热压技术、熔体）制备新技术就是由原位热压技术、熔体浸渍技术、制备薄膜材料的浸渍技术、制备薄膜材料的CVD技术、技术、XD技术技术（Exothermic Dispersion，即原位放热分散技术）、，即原位放热分散技术）、RB技术、类似于技术、类似于DMO技术的技术的DIMOX技术技术（Directed Metal Oxidation，即定向金属氧化技术，即定向金属氧化技术）、）、SHS技术等一系列类似技术所组成的集合体。技术等一系列类似技术所组成的集合体。w材料的活化烧结技术与活化热压烧材料的活化烧结技术与活化热压烧结技术结技术 活化烧结技术与活化热压烧结技术与上述的材活化烧结技术与活化热压烧结技术与上述的材料烧结技术都有一定的关联。活化烧结技术又称为：料烧结技术都有一定的关联。活化烧结技术又称为：材料的活性烧结技术材料的活性烧结技术 或或 材料的活性反应烧结技术材料的活性反应烧结技术 或或 强化烧结技术。该烧结技术具有降低烧结温度、强化烧结技术。该烧结技术具有降低烧结温度、缩短烧结时间、改善烧结效果、提高烧结体的密度缩短烧结时间、改善烧结效果、提高烧结体的密度和强度等优点。和强度等优点。 活化热压烧结技术又被称为：反应活化热压烧结技术又被称为：反应热压烧结技术热压烧结技术 或或 分解热压烧结技术。分解热压烧结技术。利用反应物（氧化物、氢氧化物或碳酸利用反应物（氧化物、氢氧化物或碳酸盐等）在分解反应或相变时正处于具有盐等）在分解反应或相变时正处于具有较高能量的活化状态进行热压处理，从较高能量的活化状态进行热压处理，从而可以在较低温度下、使用较小压强、而可以在较低温度下、使用较小压强、在较短时间内就可以获得高密度材料。在较短时间内就可以获得高密度材料。w材料的真空烧结技术与气氛烧结技术材料的真空烧结技术与气氛烧结技术 材料的真空烧结技术是指将样品置材料的真空烧结技术是指将样品置于真空中进行烧结的技术。如果将被烧于真空中进行烧结的技术。如果将被烧结样品置于真空中，就能够给气体从封结样品置于真空中，就能够给气体从封闭气孔中逸出的另一驱动力，从而可以闭气孔中逸出的另一驱动力，从而可以提高样品的致密度。提高样品的致密度。 将腔体（炉膛）内通入一定量的特将腔体（炉膛）内通入一定量的特定气体，形成所要求的气氛。在此气氛定气体，形成所要求的气氛。在此气氛下进行的烧结就被称为：气氛烧结。气下进行的烧结就被称为：气氛烧结。气氛烧结可促进烧结过程，提高产品致密氛烧结可促进烧结过程，提高产品致密程度等物理性能。煅烧一些超细粉体，程度等物理性能。煅烧一些超细粉体，当需要真空煅烧或气氛煅烧时，也可在当需要真空煅烧或气氛煅烧时，也可在特殊的回转炉内进行煅烧。特殊的回转炉内进行煅烧。w材料的加压气氛烧结技术材料的加压气氛烧结技术 加压气氛烧结也称为：气氛压力加压气氛烧结也称为：气氛压力烧结烧结 或称：气压烧结，加压气体的主要或称：气压烧结，加压气体的主要作用并不是像作用并不是像HIP技术那样作为施加压技术那样作为施加压力，而只是为了在高温时抑制某些化合力，而只是为了在高温时抑制某些化合物分解或某些成分挥发。从本质上来说，物分解或某些成分挥发。从本质上来说，此方法与无压烧结属于同一类。此方法与无压烧结属于同一类。w材料的爆炸制备方法材料的爆炸制备方法 爆炸烧结是将需要烧结的粉末放在包套爆炸烧结是将需要烧结的粉末放在包套内，用爆炸产生的高温、高压冲击波掠过样内，用爆炸产生的高温、高压冲击波掠过样品时所产生的斜入射激波，促使粉末颗粒之品时所产生的斜入射激波，促使粉末颗粒之间发生较大的相对运动，导致剧烈的摩擦，间发生较大的相对运动，导致剧烈的摩擦，摩擦所产生的热量存储在颗粒的表层，使得摩擦所产生的热量存储在颗粒的表层，使得颗粒表面温度远高于颗粒内部的温度，因而颗粒表面温度远高于颗粒内部的温度，因而表层软化甚至熔化，于是颗粒在瞬间高温、表层软化甚至熔化，于是颗粒在瞬间高温、高压状态下被烧结或合成新产物。高压状态下被烧结或合成新产物。w 材料的其他制备方法简介材料的其他制备方法简介 在无机非金属材料领域，还会涉及到制在无机非金属材料领域，还会涉及到制备晶体材料和低维材料的一些高科技方法。备晶体材料和低维材料的一些高科技方法。这些方法主要用在制备人工晶体、纳米材料、这些方法主要用在制备人工晶体、纳米材料、涂层、薄膜等方面。其具体的制备技术有的涂层、薄膜等方面。其具体的制备技术有的属于物理方法，有的属于化学方法，有的兼属于物理方法，有的属于化学方法，有的兼而有之。在这些材料制备技术中的加热方法而有之。在这些材料制备技术中的加热方法以上已叙述过了，例如电阻加热、感应加热、以上已叙述过了，例如电阻加热、感应加热、电弧加热、弧像加热、等离子加热、电子束电弧加热、弧像加热、等离子加热、电子束加热、红外加热、太阳能加热、微波加热、加热、红外加热、太阳能加热、微波加热、激光加热等。激光加热等。 晶体材料包括：晶体材料包括：单晶单晶，是指材料体内部的全部，是指材料体内部的全部质点在三维空间内呈有序的周期性排列，其各向异质点在三维空间内呈有序的周期性排列，其各向异性明显；性明显；多晶多晶，是指材料体由很多取向不同的晶粒，是指材料体由很多取向不同的晶粒拼凑而成（微粒整体杂乱无章，但晶粒内部排列有拼凑而成（微粒整体杂乱无章，但晶粒内部排列有序），其各向异性部不明显。此外，还有：序），其各向异性部不明显。此外，还有：微晶微晶，是指弥散的晶粒线度主要为是指弥散的晶粒线度主要为10 200nm（甚至还（甚至还大，更大的会叫做：粗晶或巨晶）；大，更大的会叫做：粗晶或巨晶）；纳米晶纳米晶，是指，是指弥散的晶粒线度主要为弥散的晶粒线度主要为1 100nm；孪晶孪晶，原子排，原子排列中沿某特定面会镜像对称，该面就是孪晶面；列中沿某特定面会镜像对称，该面就是孪晶面；准准晶晶，是指微粒无平移周期性但位置有序。，是指微粒无平移周期性但位置有序。 人们通常将纳米材料、量子点等称人们通常将纳米材料、量子点等称为零维材料；将纤维体材料、量子线等为零维材料；将纤维体材料、量子线等称为：一维材料；将涂层、薄膜、超晶称为：一维材料；将涂层、薄膜、超晶格、量子阱等称为二维材料。这三种材格、量子阱等称为二维材料。这三种材料统称为：低维材料（料统称为：低维材料（Low-Dimensional Material），它主要有别），它主要有别于三维结构体材料。于三维结构体材料。 人工晶体的制备在材料领域有着特殊的人工晶体的制备在材料领域有着特殊的作用，特别是随着作用，特别是随着IT技术和新能源材料的发技术和新能源材料的发展，对晶体材料的需求越来越大。人工晶体展，对晶体材料的需求越来越大。人工晶体是以晶核为核心逐渐生长而成，这里，生长是以晶核为核心逐渐生长而成，这里，生长是指越来越多的原子（或离子或分子）有序是指越来越多的原子（或离子或分子）有序地排列到晶体界面上使得微观粒子有序排列地排列到晶体界面上使得微观粒子有序排列的区域越来越大。制备单晶体的具体方法参的区域越来越大。制备单晶体的具体方法参见教材。见教材。 纳米材料因其一些非常特殊纳米材料因其一些非常特殊的性能而成为目前材料领域的一的性能而成为目前材料领域的一个研究热点。制备纳米材料的具个研究热点。制备纳米材料的具体方法参见教材。体方法参见教材。 无机涂层往往具有熔点高、无机涂层往往具有熔点高、抗氧化、耐磨、耐腐蚀、保温性抗氧化、耐磨、耐腐蚀、保温性能好、电绝缘性能好的特点。能好、电绝缘性能好的特点。 具体的喷涂工艺参见教材。具体的喷涂工艺参见教材。 也有人按照制膜过程中有无溶液参也有人按照制膜过程中有无溶液参入而将制膜技术分为两大类：湿式制膜入而将制膜技术分为两大类：湿式制膜法、干式制膜法。前者包括：溶胶法、干式制膜法。前者包括：溶胶-凝胶凝胶法、分子自组装法、化学或电化学液相法、分子自组装法、化学或电化学液相制膜法等；后者包括：真空蒸镀法、阴制膜法等；后者包括：真空蒸镀法、阴极溅射法、离子镀膜法、脉冲激光沉积极溅射法、离子镀膜法、脉冲激光沉积法、辉光放电沉积法、化学气相沉积法、法、辉光放电沉积法、化学气相沉积法、（分子束、离子束、化学束、原子层）（分子束、离子束、化学束、原子层）外延法等。外延法等。 具体的制膜方法参见教材。具体的制膜方法参见教材。 还有其他一些制备或加还有其他一些制备或加工特殊材料的方法参见教材。工特殊材料的方法参见教材。 在在5.2.18中所述的这些材料制备或加工技术尽管中所述的这些材料制备或加工技术尽管属于高科技材料制备技术，其中有的还属于属于高科技材料制备技术，其中有的还属于“热工设热工设备备”的范畴，但是由于这些技术的用途过于专门化，的范畴，但是由于这些技术的用途过于专门化，也就是说，这些技术都是针对各自的一些材料、工艺也就是说，这些技术都是针对各自的一些材料、工艺才有效与高效，而且随着科技水平发展，上述有的技才有效与高效，而且随着科技水平发展，上述有的技术会逐渐被淘汰，而一些新技术也会不断地涌现出来，术会逐渐被淘汰，而一些新技术也会不断地涌现出来，这是科技界这是科技界“新陈代谢新陈代谢”的普遍规律，鉴于这些原因，的普遍规律，鉴于这些原因，在此对于这些技术也就不再详细介绍了。对此感兴趣在此对于这些技术也就不再详细介绍了。对此感兴趣的同学，可以参阅有关方面的文献资料的同学，可以参阅有关方面的文献资料。5.3 能源材料能源材料 本节内容见教材本节内容见教材5.4 余余 热热 锅锅 炉炉 在第在第5.3节中，重点介绍了利用材料本节中，重点介绍了利用材料本身的微观结构特性来直接发电的方法，即有身的微观结构特性来直接发电的方法，即有关的能源材料。但也应该认识到：这些方法关的能源材料。但也应该认识到：这些方法都属于高科技的方法，其制造成本很高，它都属于高科技的方法，其制造成本很高，它们往往代表着人类美好的未来，现在则主要们往往代表着人类美好的未来，现在则主要用于局部规模的发电或试点规模的发电。用于局部规模的发电或试点规模的发电。 目前在工业规模上还主要目前在工业规模上还主要是利用机械法来发电。最常用是利用机械法来发电。最常用的是利用锅炉产生高温、高压的是利用锅炉产生高温、高压的水蒸汽来驱动蒸汽轮机转动，的水蒸汽来驱动蒸汽轮机转动，从而带动发电机的转子转动。从而带动发电机的转子转动。 锅炉（锅炉（Boiler）是利用燃料）是利用燃料燃烧或其他热源产生的热量将冷燃烧或其他热源产生的热量将冷水加热而产生水蒸汽（或热水）水加热而产生水蒸汽（或热水）的换热设备。锅炉的用途很多，的换热设备。锅炉的用途很多，可以用于发电、供暖等。可以用于发电、供暖等。 在无机非金属材料领域主要是在无机非金属材料领域主要是应用余热锅炉，即利用其他高温热应用余热锅炉，即利用其他高温热工设备（窑炉）排出废气的余热进工设备（窑炉）排出废气的余热进行工作的锅炉，以期进一步提高整行工作的锅炉，以期进一步提高整个热工设备系统的热效率。个热工设备系统的热效率。5.4.1 锅炉的工作原理锅炉的工作原理 从传热的角度来说，锅炉是一个使热量从传热的角度来说，锅炉是一个使热量从高温流体传递给低温流体的换热设备。按照从高温流体传递给低温流体的换热设备。按照两种流体相对流向的不同，换热设备有三种基两种流体相对流向的不同，换热设备有三种基本型式本型式顺流、逆流和错流。理论上可以证顺流、逆流和错流。理论上可以证明：在温度及热容量相同的条件下，逆流式换明：在温度及热容量相同的条件下，逆流式换热具有最大的换热量，而顺流式换热具有最小热具有最大的换热量，而顺流式换热具有最小的换热量。但是，当高温流体与低温流体的热的换热量。但是，当高温流体与低温流体的热容量相差很大时，两者的换热效果几乎相同。容量相差很大时，两者的换热效果几乎相同。而实际应用的换热设备则多是这三种基本型式而实际应用的换热设备则多是这三种基本型式的组合形式。的组合形式。 锅炉的型式发展可以分为两大方向：火管锅炉的型式发展可以分为两大方向：火管锅炉和水管锅炉。火管锅炉是指高温烟气从管锅炉和水管锅炉。火管锅炉是指高温烟气从管内流过，冷水在管外吸热而蒸发；水管锅炉是内流过，冷水在管外吸热而蒸发；水管锅炉是指水在管内流动，烟气从管外流过，管内的冷指水在管内流动，烟气从管外流过，管内的冷水吸收来自管外烟气的热量而得到加热和蒸发。水吸收来自管外烟气的热量而得到加热和蒸发。目前在普通锅炉领域，尤其是大、中型锅炉均目前在普通锅炉领域，尤其是大、中型锅炉均为水管式锅炉。为水管式锅炉。 尽管火管锅炉在普通锅炉中尽管火管锅炉在普通锅炉中已经被淘汰，但是在玻璃工业中，已经被淘汰，但是在玻璃工业中，火管锅炉在中、小型玻璃厂得到火管锅炉在中、小型玻璃厂得到应用。应用。 按照内部热气体的流向来分，按照内部热气体的流向来分，锅炉又分为：锅炉又分为： (1)立式锅炉立式锅炉 (2)倾斜式锅炉倾斜式锅炉 (3)卧式锅炉卧式锅炉 随着时代的发展和科技随着时代的发展和科技的进步，余热锅炉正在朝着的进步，余热锅炉正在朝着采用换热效率很高的热管余采用换热效率很高的热管余热锅炉的方向发展。热锅炉的方向发展。5.4.2 热管技术与热管余热锅炉热管技术与热管余热锅炉w5.4.2.1 热管的工作原理热管的工作原理 热管内侧铺毛细材料（管芯）；芯中吸满工质液体（低热管内侧铺毛细材料（管芯）；芯中吸满工质液体（低沸点）。在管中间内是工质的饱和蒸汽。其加热段（蒸发段）沸点）。在管中间内是工质的饱和蒸汽。其加热段（蒸发段）与热源连结时，热量便传给管芯中的液态工质，使其蒸发得与热源连结时，热量便传给管芯中的液态工质，使其蒸发得到加强。同时，排热段（或称：冷凝段）与冷源（或称：热到加强。同时，排热段（或称：冷凝段）与冷源（或称：热沉）相联或自然排热，沉）相联或自然排热，p1、p2分别表示蒸发段、冷凝段内的分别表示蒸发段、冷凝段内的蒸汽压强。在（蒸汽压强。在（p1 - p2）作用下，工质蒸汽便从加热段流到）作用下，工质蒸汽便从加热段流到排热段，并在此凝结下来，放出热量，冷凝后的液态工质再排热段，并在此凝结下来，放出热量，冷凝后的液态工质再在毛细管作用下返回蒸发段，进行下一次循环。如果把中间在毛细管作用下返回蒸发段，进行下一次循环。如果把中间管段（绝热段）很好地隔热，则其换热效率又有所增强。为管段（绝热段）很好地隔热，则其换热效率又有所增强。为了增加散热面积，蒸发段与冷凝段表面还可以增设肋片或螺了增加散热面积，蒸发段与冷凝段表面还可以增设肋片或螺旋绕线。旋绕线。w 5.4.2.2 可控热管简介可控热管简介 普通热管的工作温度是随热源和散热条普通热管的工作温度是随热源和散热条件的不同而变化的，并没有维护自身温度水件的不同而变化的，并没有维护自身温度水平的能力。为此，人们又发明了可控热管，平的能力。为此，人们又发明了可控热管，可以在外界条件变化时能自动调节其工作温可以在外界条件变化时能自动调节其工作温度。可控热管分为三类：度。可控热管分为三类： 可变热导式热管；可变热导式热管； 热二极管；热二极管； 热开关。热开关。 具体参见教材。具体参见教材。w 5.4.2.3 热管式余热锅炉热管式余热锅炉 将传热效率非常高的热管技术应用将传热效率非常高的热管技术应用于余热锅炉上，就产生了新型高效的余于余热锅炉上，就产生了新型高效的余热锅炉热锅炉热管式余热锅炉，简称：热热管式余热锅炉，简称：热管余热锅炉。管余热锅炉。5.4.3 余热锅炉的主要技术参数余热锅炉的主要技术参数 余热锅炉的额定蒸发量；余热锅炉的额定蒸发量； 余热锅炉的额定蒸汽压强；余热锅炉的额定蒸汽压强； 余热锅炉的额定蒸汽温度；余热锅炉的额定蒸汽温度； 余热锅炉的热效率；余热锅炉的热效率； 余热锅炉的原始排尘浓度；余热锅炉的原始排尘浓度； 余热锅炉的烟汽比。余热锅炉的烟汽比。 具体参见教材。具体参见教材。5.4.4 在无机非金属材料工业领域中在无机非金属材料工业领域中 利用余热锅炉的一些实例利用余热锅炉的一些实例w5.4.4.1 水泥回转窑系统所用的余热锅炉水泥回转窑系统所用的余热锅炉 在水泥生产领域，最早采用余热锅炉的情况是在水泥生产领域，最早采用余热锅炉的情况是在传统干法中空回转窑（简称：干法中空窑）的窑在传统干法中空回转窑（简称：干法中空窑）的窑尾设置余热锅炉发电系统，简称：干法水泥中空窑尾设置余热锅炉发电系统，简称：干法水泥中空窑的余热发电系统。对于新型干法水泥回转窑系统，的余热发电系统。对于新型干法水泥回转窑系统，在气、固间的传热效果基本上已得到最大满足的今在气、固间的传热效果基本上已得到最大满足的今天，人们又将进一步利用废气余热的方向转向中、天，人们又将进一步利用废气余热的方向转向中、低温余热锅炉发电上来，简称：中、低温余热发电低温余热锅炉发电上来，简称：中、低温余热发电系统。系统。 在该系统中所用的余热锅炉有两种：一是利用在该系统中所用的余热锅炉有两种：一是利用预热器废气的余热锅炉，被称为：预热器废气的余热锅炉，被称为：PH锅炉锅炉 或或 SP锅锅炉（炉（PH = Preheater ，SP = Suspension Preheater，它们都是指：悬浮预热器）；二是利用，它们都是指：悬浮预热器）；二是利用熟料冷却机余风的余热锅炉，被称为：熟料冷却机余风的余热锅炉，被称为：AQC锅炉锅炉（AQC = Air Quenching Cooler，即空气骤冷式冷，即空气骤冷式冷却机，这里是指推动式篦冷机）。现在的发电系统却机，这里是指推动式篦冷机）。现在的发电系统被称为：纯余热中、低温发电系统。纯中、低温余被称为：纯余热中、低温发电系统。纯中、低温余热发电的两个关键技术是多压技术和闪蒸技术，具热发电的两个关键技术是多压技术和闪蒸技术，具体见教材。目前，纯中、低温余热发电技术也在发体见教材。目前，纯中、低温余热发电技术也在发展当中，参见教材。展当中，参见教材。w5.4.4.2 玻璃池窑所用的余热锅炉玻璃池窑所用的余热锅炉 玻璃池窑的余热锅炉设置在烟道上，玻璃池窑的余热锅炉设置在烟道上，从玻璃池窑内排出的高温废气经过蓄热室从玻璃池窑内排出的高温废气经过蓄热室换热以后，再对余热锅炉中的水进行加热换热以后，再对余热锅炉中的水进行加热产生水蒸汽。产生水蒸汽。 按其废气通过锅炉的份额不同，按其废气通过锅炉的份额不同，玻璃池窑余热锅炉的运行方式又分为：玻璃池窑余热锅炉的运行方式又分为：部分通过式和全通过式。，具体见教部分通过式和全通过式。，具体见教材。热管技术的应用将是玻璃池窑余材。热管技术的应用将是玻璃池窑余热锅炉以后的一个发展方向。热锅炉以后的一个发展方向。w5.4.4.3 陶瓷池窑所用的余热锅炉陶瓷池窑所用的余热锅炉 对于陶瓷工业来说，现代化明焰裸对于陶瓷工业来说，现代化明焰裸烧陶瓷隧道窑与辊道窑的热效率已经非烧陶瓷隧道窑与辊道窑的热效率已经非常高，废气温度已经很低，再加上陶瓷常高，废气温度已经很低，再加上陶瓷窑炉的废气量不多，所以，目前陶瓷窑窑炉的废气量不多，所以，目前陶瓷窑炉设置余热锅炉主要是来提供生活用水炉设置余热锅炉主要是来提供生活用水（洗沐用、冬季采暖用等），采用余热（洗沐用、冬季采暖用等），采用余热锅炉发电还在研究与试验论证。锅炉发电还在研究与试验论证。 在国外，有的陶瓷厂还将废气的余热用在国外，有的陶瓷厂还将废气的余热用于吸收式制冷系统取代或部分取代夏季（耗于吸收式制冷系统取代或部分取代夏季（耗电）的压缩式制冷空调系统，其工作原理是电）的压缩式制冷空调系统，其工作原理是利用溶质（制冷剂）和溶剂（吸收剂）组成利用溶质（制冷剂）和溶剂（吸收剂）组成的溶液。在发生器中的该溶液因受热使其溶的溶液。在发生器中的该溶液因受热使其溶质溶解度变化而蒸馏出制冷剂蒸汽。该蒸汽质溶解度变化而蒸馏出制冷剂蒸汽。该蒸汽在冷却器内冷却为冷却剂液体。该液体到蒸在冷却器内冷却为冷却剂液体。该液体到蒸发器（低压真空室）中因蒸发吸热就产生制发器（低压真空室）中因蒸发吸热就产生制冷效果。冷效果。