低温、高温获得技术.ppt

各种冶金工业设备方法原理介绍,钢铁冶金工艺流程,转炉的热源？,连铸系统浇钢图片,正在使用的长水口,电炉是采用电能作为热源进行炼钢的炉子的统称。按电能转换热能方式的差异，电炉可分为：电渣重熔炉利用电阻热；感应熔炼炉利用电磁感应；电 子 束 炉依靠电子碰撞；等 离 子 炉利用等离子弧；电 弧 炉利用高温电弧，不包括加热炉、热处理炉等。,电炉的热源？,精炼过程中钢液的加热？,钢液在进行炉外精炼时，有热量损失，会造成温度下降。若炉外精炼方法具有加热升温功能，可避免高温出钢和保证钢液正常浇铸，增加炉外精炼工艺的灵活性，在精炼剂用量，钢液处理最终温度和处理时间均可自由选择，以获得最佳的精炼效果。常用的加热方法有电加热和化学加热。电加热是将电能转变成热能来加热钢液的。这种加热方式主要有电弧加热和感应加热。化学加热是利用放热反应产生的化学热来加热钢液的。常用的方法有硅热法、铝热法和CO二次燃烧法。化学加热需吹入氧气，与硅、铝、CO反应，才能产生热量。,2Al+3/2O2=Al2O3 HAl=1594752 J 氧化1%的铝时，钢液温度升高：,H0吹入的1mol氧气温度升至1600所吸收的热量，H0=51748.85J/mol；Cp恒压热容，J/mol。通过计算可知，若产生的热量全部被钢液吸收，则氧化1kg的铝，约使1t钢液的温度升高35。RH-OB、RH-KTB、CAS-OB和IR-UT中，采用铝热法加热钢液。有顶枪吹氧的炉外精炼法，可利用CO燃烧提供热量补偿。,铝氧化的反应和热效应计算,钢水真空处理工艺示意图,钢包加热系统工艺示意图,铝电解过程中的两极反应,阴极反应 Al3+3eAl阳极反应 2O2-+C4eCO2 总反应 2Al2O3+3C 4Al+3CO2,适宜的Al2O3烧结温度一般为12001260。,在阴极碳块的端部，阴极钢棒与碳块接触面的温度低于900，,大型中间下料预焙槽简图1槽罩 2钢爪梁 3阳极 4电解质 5槽壳 6涂层 7铝 8阳极炭块 9阴极棒 10保温砖 11排烟装置 12氧化铝 13导杆 14夹板 15螺栓 16打壳和电式下料器 17氧化铝 18壳面 19边部砖 20边部保温砖 21结壳 22边部炭块 23密封圈 24钢壳,Al大型中间下料预焙槽简图,冰铜熔炼方法简介,Ti-O-C系等温三元相图,上图是2127TiCO三元等温平衡图，这是从理论计算和实验得到的结果。,1炉壳；2-镁砖内衬；3一电极；4一导电夹；5-水冷炉顶；6-烟气管道；7-料仓；8电极升降机构；9炉料供给管；10一冷凝壳层；11一熔渣；12一排料口；13一生铁,金属热还原法制取稀土金属,2REF3+3Ca=3CaF2+2RE,一般的还原冶炼温度都在金属和渣的熔点以上50一100，并能调节控制冶炼设备的温度要达到1800，控温精度土10；炉体真空达到10-5Pa。,钙热还原稀土氯化物,Ca+RECl3=CaCl2+RE,参加还原反应的氯化物熔点较氟化物的熔点低400600，,问题：如果您的毕业论文题目是“Na3AlF6-Al2O3-La2O3熔盐体系表面张力的研究”，实验温度为9001000C。要完成这个题目，你需要哪些准备？步骤需要掌握的知识,获得高温场,气体净化及气氛控制,合适的坩埚,熔体物性检测,电热体的选择,耐火及保温绝热,温度测量及控制,高温炉的设计制作,2.温场获得与测量,2.1 低温场的获得2.2 实验室恒温的获得及应用2.3 高温场的获得 2.4 温度测量与控制2.5 耐火及保温材料,1-4-4低温场的获得,4.1.1 常用低温液体4.1.2 获得低温的方法：,液态氮：63K到室温液态氦：可以获得毫K级的超低温,绝热膨胀,节流过程,低温液体减压,4.1.4 低温的测量与控制,稀释致冷及磁冷却,4.1.3 冶金实验室中常用的获得低温的方法,1-4 温场获得与测量,4.1.3 冶金实验室中常用的获得低温的方法,(1)冰盐共溶体系 例如：3份冰十1份NaCl(质量比)可以得到-20的温度 3份冰十3份CaCl2(质量比)可以得到-40 2份冰十1份浓HNO3可以得到-56(2)干冰浴 干冰的升华温度为-78.3，用时常加一些惰性溶剂，如丙酮、醇、氯仿等以便它的导热性更好些。(3)液氮 氮气液化的温度是-195.8，在科学实验中经常用到。(4)液氦 液化温度为-268.95，可获得更低的温度。,4.1.4 低温的测量与控制,(1)蒸气压温度计 液体的蒸气压随温度而改变，因此，通过测量蒸气压 即可知道其温度。(2)低温的控制有两种途径：,恒温冷浴,冰水浴,泥浴（不能用液氧）,干冰浴,低温恒温器,4.2 实验室恒温的获得及应用,(1)利用物质的相变点温度 液氮（-195.9）、干冰-丙酮（-78.5）、冰（0）、沸点水（100）、沸点萘（218.0）、Na2SO4.10H2O（32.38）、沸点硫（444.6）等，处于相平衡时，温度恒定而构成一个恒温介质浴，将需要恒温的测定对象置于该介质浴中，就可以获得一个高度稳定的恒温条件。(2)利用电子调节系统 利用电子调节系统对加热器或致冷器的工作状态进行自动调节，使被控对象处于设定的温度之下。如恒温水浴、恒温油浴和恒温盐浴等都是常用的控温方式。它通过电子继电器对加热器自动调节，来实现恒温目的。,高温冶金实验,高温场的获得,气体净化及气氛控制,材料性能表征,4.3 高温场的获得,高温场的获得,耐火材料的选择,温度测量与控制,电热体的选择,高温炉的设计制作,4.3 高温场的获得,高温场的获得方法,（1）获得高温的方法 新能源（光、地热）等（2）高温炉的具体要求 足够高的温度及合适的气氛 炉温便于测量及控制 炉体简易灵活、便于制取 炉膛易于密封和气氛调节,电(高温炉)、,燃料、,4.3 高温场的获得,1.1 高温电炉分类(加热方式的差异)(1)电阻炉(2)感应炉(3)电弧炉(4)等离子炉(等离子电弧炉)(5)电子束炉,4.3 高温场的获得 高温场的获得方法,(电流通过导体受阻产生热能)。,高温场的获得方法,电阻炉是冶金实验中最常用的加热设备，有如下特点:设备简单 制作方便 温度分布及调节控制比较方便可靠 炉内气氛易于调节等。,特点,4.3 高温场的获得,1.电阻炉,4.管式电阻炉结构（卧式）,（1）炉壳,电阻炉结构,（2）电源引线,（3）炉衬,4.3 高温场的获得,图2-5 管式（立式）电阻炉结构示意图,1-炉盖,2-绝缘瓷珠,3-接线柱,4-接线柱保护罩,5-电源导线,6 电热体,7-控温热电偶,8-绝缘保温材料,9-耐火管,10-炉管,11-接地螺丝,12-炉架,(1)炉壳,一般情况下作成圆筒形,这样钢性好焊缝小,散热面积小；炉壳外径决定于工作区大小,它决定了炉温高低,耐火砖衬及绝热材料厚度、炉壳要求的温度及工作管的直径；炉壳的厚度不仅要满足强度要求,还要考虑刚性和结构加工的要求,炉壳厚度计算时一般要考虑可能发生爆炸时的冲击应力。,4.3 高温场的获得 2.管式电阻炉结构,(2)电源引线（要求）,接线柱应与炉壳绝缘；接线柱应有足够的断面,以保证电流密度不至于过大.一般紫铜接线柱的电流密度为2,有水冷时为10-18A/mm2.炉内引线应改为双股,外穿绝缘珠,以防导线间短路或炉壳带电。线与绝缘柱接触要好,否则会引起接线柱发热甚至烧坏；接线柱以水平布置为妥,并且要离开炉壳有一定距离,外设保护罩。,4.3 高温场的获得 2.管式电阻炉结构,(3)炉衬,炉衬的主要作用是保证工作区的温度稳定;目前使用较多的是轻质耐火砖和各种耐火纤维、耐热纤维毡。靠近炉壳的是绝热材料、靠近电热元件的是耐火材料。,4.3 高温场的获得 2.管式电阻炉结构,注意：,关于电阻炉的设计是本章的重点 能够画出电阻炉示意图 根据温度和气氛要求选择合适的电热体 正确选择热电偶 选择合适的耐火材料 电阻炉设计制作,要求,4.3 高温场的获得 2.管式电阻炉结构,(4)电热体（电热元件）,作用：把电能转化成热能，使被加热的样品达到所要求的温度，它决定炉子的工作能力和寿命。性能:分类：a.金属电热体 b.非金属电热体,4.3 高温场的获得 2.管式电阻炉结构,注意使用温度和气氛,a.最高使用温度b.电阻系数和电阻温度系数 c.表面负荷及允许表面负荷,电热元件的性能,a.最高使用温度（电热元件本身最高的承受温度）=炉温+(50150)炉膛的最高温度主要取决于电热元件的使用温度,4.3 高温场的获得 2.管式电阻炉结构,b.电阻系数和电阻温度系数,电阻系数,又叫电阻率,指温度在20、1m长度的电热体1mm2端面所具有的电阻值,其单位：mm2/m。电热体的电阻随着温度变化而变化，衡量这个变化程度的叫电阻温度系数。可按下式计算：式中 为电热元件在20的电阻率；为电阻温度系数，-1；为电热元件的工作温度，。,2.管式电阻炉结构电热元件的性能,c.表面负荷及允许表面负荷,指电热元件单位工作面积上分担的功率。在一定电热炉功率条件下，电热元件表面负荷选得越大，则电热元件用量就越少。但电热元件表面负荷越大，其寿命越短。实际上，只有选择得当，才能得到最佳效果。,2.管式电阻炉结构电热元件的性能,a.金属电热体,()铬镍合金和铁铬铝合金,()纯金属电热体 钨、钼、钽（Mo、W、Ta）,()铂和铂铑合金(Pt,Pt-Rh),铬镍合金:铬镍合金的产品塑性好,具有抗氮能力,电阻系数、电阻温度系数、密度均较大。铁铬铝 电阻系数比铬镍合金高,电阻温度系数则较低密 合金:度也低,耐热性能好,可以在氧化气氛下使用。,()铬镍合金和铁铬铝合金的特点,2.管式电阻炉结构电热元件分类,()铬镍合金和铁铬铝合金,要求：在10001300范围内，空气中使用最多。它们抗氧化、价格便宜、易加工、电阻大和电阻温度系数小。注意：它们抗氧化因为在高温下由于空气的氧化能生成（致 密的）Cr2O3或NiCrO4，阻止进一步氧化。,为何可以在氧化性气氛中使用?,温度范围,2.管式电阻炉结构电热元件分类,()纯金属电热体钨、钼、钽（Mo、W、Ta）,共性：在真空或适当气氛下获得更高的温度；电阻系数大，熔点高，抗氧化差(不能在空气中使用),钼：常 用 温 度 16001700,钨：22002400,熔点3400,钽：20002100，,熔点2900,高纯氢,氨分解气,无水酒精蒸汽,真空,钼在氧化气氛下生成氧化钼升华，,易渗碳变脆，,最高使用温度2500,使 用 气 氛,真空、高纯氢气或惰性气体,真空和惰性保护气氛（注意：氮气中不能用),最高使用温度2200,注意:,不能处渗碳气氛中,2.管式电阻炉结构电热元件分类,（）铂和铂铑合金(Pt,Pt-Rh),铂：多用于微型电热炉中,如卧式显微镜的微型加热炉,测定冶金熔体熔点的小型电炉及标定热电偶的小型电炉中；使用温度为13001400,铂铑合金丝可用到1600。,铂电热体 优点,，。,能经受氧化气氛,电阻系数小,升温导热快,电热性能稳定,缺点,不能经受还原性气氛及硅、铁、硫、碳元素的侵蚀,价格十分昂贵,2.管式电阻炉结构电热元件,b.非金属电热体,碳化硅(SiC)电热体 二硅化钼(MoSi2)电热体碳系电热元件 铬酸镧（LaCrO3）发热元件,2.管式电阻炉结构电热元件,碳化硅电热体,形状:常为棒状或管状，也有U型及W型。耐温度骤变性好，化学性能稳定，不与酸性材料反应；耐高温，在空气中常用温度为1450。注意:SiC电热体不能在真空和氢气气氛中使用;可以在1300 将它浸于B2O3中并升温至1500，则其表面形成硼化膜，增加其使用寿命。,在使用过程中电阻率缓慢增大老化,如何延长其使用寿命?,优点,2.管式电阻炉结构电热元件,二硅化钼电热体,适用于空气，可用于氮气、惰性气体中;使用到1200 1650;没有“老化”现象,在空气中长时间使用而电阻 率不变,MoSi2,特有的优点,注意:不能用于还原性气氛和真空中,“MoSi2疫”,低温(500700)空气中使用时，Mo被大量氧化，而又不能形成保护膜。,MoSi2疫,避免低温空气中使用,为何MoSi2电热体可以在高温下，氧化性气氛中使用？,在高温下，发热体表面生成MoO3挥发出去，从而在发热体表面形成致密的SiO2保护膜，阻止其进一步受到氧化。,2.管式电阻炉结构电热元件,碳质电热体,为防止高温氧化而烧毁，应在保护气氛中（氢气、氮气、二氧化碳、氩气）和真空中使用。,以碳系发热体做热源的高温炉，常用温度18002200。,最高使用温度可达3600,2.管式电阻炉结构电热元件,铬酸镧（LaCrO3）发热元件,铬酸镧发热元件是以铬酸镧为主要成分，在高温氧化气氛电炉中使用的电阻发热元件；其耗能少，可以精确控制温度。能够在空气气氛表面温度允许1900，可获 得1850的炉温；能在氧化气氛下长期使用，适合于高精度温度的自动化控制，其炉温稳定度可在1之内。,优点,2.管式电阻炉结构电热元件,其他高温炉简介,感应炉电弧炉等离子电弧炉电子束炉悬浮熔炼炉燃烧炉,感应炉,原理：感应炉是利用震荡电流通过一个感应加热线圈，被加热的金属导体在交变电磁场作用下产生感应电流，由于导体的电阻感应电流很快转化为电能,使物体加热到高温,它是一种非接触式的加热装置,温度高,升温快,易控制,液态金属样品在电磁力的作用下能自动搅拌,温度和成份均匀。b)中频感应炉:1501000HZ,广泛应用 c)高频感应炉:10300kHZ(逐渐被中频炉取代)d)真空感应炉:(感应圈,坩埚全部在密封炉壳内),其他高温炉简介,a)工频感应炉:直接采用工业频率(50HZ)为电源,常用感应炉,图2-2 悬浮熔炼炉（感应炉）,4.3.2 其他高温炉简介,无坩埚熔炼炉,高频圈通电产生一个磁场,导体试样在此高频磁场中由于感应作用,产生感应电流,同时产生一个与原磁场相反方向的磁场,从而产生斥力,使导体试样悬浮于空间,并得到加热.,等离子电弧炉,用电弧放电加热气体，以形成高温等离子体为热源进行熔炼和加热。,图2-3 等离子电弧炉,1-等离子发生器,2-炉顶密封部分,3-底部电极,4-倾出口,图2-4 电子束重熔过程示意图,电子束的加热的原理,高速电子流轰 击被加热的金 属表面，将它 的动能转化成 热能，从而金 属被加热，融 化并流入冷铜 模内。,电子束炉,总结：常用高温炉对比,4.4 温度测量与控制,意义：实验是在控制条件下进行的，高温实验室首先要测量温度，而后才能控制温度。温度测量和控制是高温技术重要的组成部分。,温标及温度的测量方法,1.温标2.温度测量方法及测温仪器的分类3.冶金实验中常用的测温仪器 4.热电偶,4.4 温度测量与控制,1.温标？,用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点(零点)和测量温度的基本单位。,Celsius定义：在1atm下，水的冰点为0，沸点为100，用这两个固定点分度玻璃水银温度计100份，每份为1。,1.温标,温度是表征物体冷热程度的物理量。用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点(零点)和测量温度的基本单位。A 温标的确定B 温标的分类,1)经验温标,摄氏温标,华氏温标,2)国际温标,3)热力学温标,温标及温度的测量方法,经验温标的测定原理：利用测温物质体积膨胀与温度的变化成线性关系。把两温度之间体积的总变化分成若干等份，把引起一份体积变化的温度定义为1度。经验温标与测温介质有关，按照这一原则建立的温标有摄氏温标和华氏温标。,(1)经验温标,摄氏温标:,1740年摄氏（瑞典）在100kPa，把水的冰点定为0，水的沸点定为100。所用标准仪器是水银温度计。,华氏温标：,按照华氏温标，水的冰点为32，沸点是212。将冰点至沸点的温度段分成180等份。对应的每份温度为1华氏度，单位为，标准仪器亦是水银温度计。,温标及温度的测量方法,国际温标就是以这些固定点的温度给定值以及在这些固定点上分度过的标准仪器和查补公式来复现热力学温标的。,(2)国际温标,目前各国采用的是1990年国际温标,国际温标是以一些纯物质的相平衡点(即定义固定点,见P142 表610)为基础建立起来,这些点的温度数值是给定的。,温标及温度的测量方法,到目前为止,还不可能用一种温度计复现整个温标,所以,国际温标采用四种标准仪器分段复现热力学温标：,(1)0.655.0K,3He和4He蒸气压温度计；(2)3.024.5561K,3He和4He定容气体温度计；(3)13.8033K961.780C,铂电阻温度计；(4)961.780C以上，光学或光电高温计。,国际温标定义固定点举列(共17种物质),1990年国际温标(ITS-90),仍以热力学温度作为基本温度为了区别以前的温标,用“T90”代表新温标的热力学温度,单位为开尔文(符号为K).与此并用的摄氏温度计为t90,单位为“摄氏度”(符号为0C).T90与 t90的关系仍为：,温标及温度的测量方法,(2)国际温标,t90=T90-273.15（2-1),(1)固定点总数较1968年国际实用温标IPTS-68(75)增加4个,变得更准确；(2)取消了水沸点,氧沸点等,增加氖,汞等三相点及镓等熔点及凝固点；(3)低温下限延伸至0.65K；(4)高温范围的铂铑10-铂热电偶,作为温标的标准仪器已被取消,代之为铂电阻温度计。,ITS-90国际温标的特点,2.温度测量方法及测温仪器的分类,温度测量方法的分类:温度的测量方法通常分为接触式与非接触式两种接触式测温:就是测温元件要与被测物体有良好的接触，使两者处于相同温度，由测温元件得知被测物体温度的方法；非接触式测温:测温元件不与被测物体接触，而是利用物体的热辐射或电磁性质来测定物体的温度。,测量仪器的分类,对应于两种测温方法，测温仪器亦分为接触式和非接触式两大类。(1)接触式仪器:膨胀式温度计(包括液体和固体膨胀式温度计、压力式温度计)；电阻式温度计(包括金属热电阻温度计和半导体热敏电阻温度计)；热电式温度计(包括热电偶和P-N结温度计)以及其它原理的温度计。(2)非接触式温度计:可分为辐射温度计、亮度温度计和比色温度计，由于它们都是以光辐射为基础，故也统称为辐射温度计。,2.温度测量方法及测温仪器的分类,温标及温度的测量方法,选择测温计的原则,(1)合适的使用温度范围和准确度，合适的使用气氛，符合耐蚀、抗热震性的要求；(2)响应速度，误差，互换性及可靠性能否达到要求；(3)读速，记录，控制，报警等性能是否达到要求；(4)价格要低，寿命要长，维护使用方便。,温标及温度的测量方法,3.冶金实验中常用的测温仪器,水银温度计有机液体温度计双金属温度计液体压力温度计蒸汽压力温度计铂电阻温度计热敏电阻温度计,钢铁冶金实验研究中常用的测温计,4.热电偶,热电温度计是以热电偶作为测温元件，以测得与温度相对应的热电动势，再通过仪表显示温度。热电温度计是由热电偶、测量仪表及补偿导线构成的。常用于测量30018000C范围内的温度，在个别情况下，可测至28000C的高温或4K的低温。热电温度计具有结构简单、准确度高、使用方便、适于远距离测量与自动控制等优点。因此，无论在生产还是在科学研究中，热电偶都是主要的测温工具。,(1)测温热电偶工作原理,热电偶是热电温度计的敏感元件。测温原理:是基于1821年赛贝克发现的热电现象。两种不同的导体A和B连接在一起，构成一个闭合回路，当两个接点1与2的温度不同时在回路中就会产生电动势，此种现象称为热电效应，该电动势即为“赛贝克温差电动势”，简称热电动势记为EAB。热电偶就是利用这个原理测量温度。,(2)热电偶测温的基本规律,a.均质导体定律,b.中间金属定律 c.中间温度定律,d.参考电极定律,a.“由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的截面、长度及各处的温度分布如何，都不产生热电动势”。,该定律说明，如果热电偶的两根热电极是由两种均质导体组成，那么，热电偶的热电动势仅与两接点温度有关，与热电极的温度分布无关。,a.均质导体定律辨析,若热电极为非均质导体，当它处于具有温度梯度的温度场时，将产生附加电势，如果此时仅从热电偶的热电动势大小来判断温度的高低，就会引起误差。,热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的主要标志之一 同时也可依此定律校验两根热电极成分及应力分布是否相同。若不同则有电动势产生。该定律是同名极法定热电 偶的基础。,意义,理论上指出热电偶均质的重要性通过考察有无热电势来检验热电偶是否均质。,b.中间金属定律,“在热电偶测温回路内，串联第三种导体，只要其两端温度相同，则热电偶所产生的热电动势与串联的中间金属无关”。,若把连接导线和显示仪表看作是串联的第三种金属，只要他们两端的温度相同，就不影响热电偶 所产生的热电动势。,3-热电偶,2-连接导线,中间金属定律示意图,图2-7 由中间金属的热电偶回路示意图（利用中间金属测量金属熔体温度）,1-显示仪表,4-金属熔体,有中间金属的测温回路示意图,图2-8 由中间金属的热电偶测温回路示意图,(a)有中间金属的热电偶测温回路示意图,(b)利用中间金属测量金属熔体温度的示意图,(c)利用第三种金属测量表面温度示意图,c.中间温度定律,“在热电偶测温回路中，热电偶工作端温度为t1，连接导线各端点温度分别为tn,t0，若A与A、B与B的热电性质相同，则总的电动势仅取决于t1,t0的变化,而与热电偶自由端温度tn无关”。在实际测温线路中，为消除热电偶自由端温度变化的影响，常常根据中间温度定律采用补偿线连接仪表。如果连接导线A 与B具有相同的热电性质，则按中间金属定律总的热电动势只取决于t1,tn，而与t0无关。,A,B-热电偶电极,A,B-补偿导线或铜线,用导线连接热电偶的测温回路示意图,d.参考电极定律,如果两种金属或合金A,B分别与参考电极C(或称标准电极)组成热电偶，若他们产生的热电动势为已知，那么A与B两热电极配对后的热电动势可按下式求得:只要知道两种金属分别与参考电极组成热电偶时的热电动势,就可依据参考电极定律计算出由此两种金属组成热电偶时的热电动势.因此,简化了热电偶的选配工作.由于铂的物理化学性质稳定,熔点高,易提纯。所以，人们多采用高纯铂丝作为参考电极。,参考电极回路示意图,EAB(t1,t0)=EAC(t1,t0)-EBC(t1,t0),参考电极回路示意图,参考电极回路示意图,(3)热电偶的使用,首先要正确选择好适合使用温度范围气氛的热电偶 测温端的焊接、清洗与退火 实验用热电偶有相当部分是自制的。热端焊接有下列几种方法：,a 直流电弧焊,b.交流电弧焊等,热电偶的校验 常用的是比较法，即用标准热电偶与被校热电偶进行比较修正。把两支热电偶的工作端捆扎在一起，放在温度均匀的高温炉中，冷端放在0的恒温器中，在各检定点比较两支热电偶的示值，而后画成对照曲线就可应用。检定时炉温控制要严格。此法操作简便，可以用不同型号的热电偶作比较。,冷端处理 标准的热电势是指冷端温度处于0时的数值。实际工作条件下冷端不一定处于0,由此会带来误差.应采取措施加以消除或补正.这些措施有：()计算法补正:若热电偶的接点的温度为t,tn时，则热电势为：(2-14),(3)热电偶的使用,()冷端恒温法。最好把冷端恒定在0这样能与分度表 一致。一般是把冷端放在冰瓶里（或电子零点仪中)此方法方便，使用较多。有的把冷端放在热惰性大的恒温器中，而后作一次性补正就可以用了。,()补偿式冷端接点当热电偶两接点温度分别为t,tn时，其热电势为EAB(t,tn),如果在线路中串接一个电势V=EAB(t,t0),如式（2-14）就可以得到正确的测量,()采用补偿导线 一般测量仪表不宜安装在被测对象旁边，可以用补偿导线把热电势引到温度恒定或波动不大的地方。在一定的温度范围内，补偿导线的热电性能与热电偶的热电性能很接近，但它不能消除冷端温度不为的影响，因此仍然要进行补正。补偿导线一般的使用温度为-20100，耐热型的为40200。,(3)热电偶的使用,特点:在一定温度范围内，其热电性能与热电偶基本一致。作用:只是把热电偶的自由端移至离热源或环境恒定的地方，但不能消除自由端不为0 的影响。,补偿导线的特点与作用,各种补偿导线只能与相应型号的热电偶匹配使用；极性不能接反，+与+，-与-；由于其材料与热电偶并不完全相同（延伸形除外），连接点的温度必须完全相同。补偿导线与热电偶连接点的温度，不得超过规定 的使用温度。,注意事项,分为串联、并联和反向串联等。各种连接方法是根据不同要求和条件形成的,其利弊可以用冷端处理知识和测量仪表的特点加以分析，在实际应用中，应根据不同的要求选择合适的线路。,5.热电偶的测温线路,串接热电势：,E串=E1+E2+E3+En,并联热电势：,实验中需精确测量温度时,如测定相变温度,差热分析,熔点等,可以采用电桥电位差计,需要自动测温并控温的可采用电子式自动平衡仪表。转换器可以与自动控制仪表相连接,或与计算机或单版机相配套，形成测温、显示纪录、控制、报警等功能。,6测量仪表,6测量仪表,(1)稳定的物理、化学性能(最基本要求):高温下不产生再结晶或蒸发；具有足够的抗氧化、抗还原能力及耐腐蚀能力；(2)良好的热电性能：,7热电偶材料,常用热电偶的性能与特点：P147,热电势与温度呈简单的单值函数关系；,热电势和热电率要大，复制性要好；,(3)良好的加工性能：,良好的朔性和足够强的机械性能,(4)其它性能:较高的熔点(以便在较大的温度区间工作)、较低的蒸气压等.,标准化热电偶,国际电工委员会(IEC)推荐的标准化热电偶共八种：铂铑10铂热电偶；铂铑13铂热电偶；铂铑30铂铑6热电偶；镍铬镍硅(镍铝)热电偶；镍铬硅镍硅热电偶；铜康铜热电偶；镍铬 康铜热电偶；铁 康铜热电偶,常用热电偶,常用热电偶中又分为标准化与非标准化热电偶,铂铑10铂热电偶(S型热电偶),该种热电偶的正极为含铑10%的铂铑合金，负极为纯铂。特点是热电性能稳定、抗氧化性强;宜在氧化性、惰性气氛中连续长期使用。长期使用温度为1400。是热电偶中准确度最高的，其分度号为S。,铂铑13铂热电偶(R型热电偶),这类热电偶的正极为含铑13%的铂铑合金，负极为纯铂。同S型相比，它的电动势高15%左右，其他性能几乎完全相同。分度号为R。,铂铑30铂铑6热电偶(B型热电偶),正极为含铑30%的铂铑合金，负极为为含铑6%的铂铑合金 这种热电偶特点是，在室温下热电动势极小，故在测量时 一般不用补偿导线，可忽略参考端变化的影响。适宜在氧化性或中性气氛下使用，也可在真空下短期使用。,因两极都为铂铑合金，又称双铂铑热电偶。,镍铬镍硅(镍铝)热电偶(K型热电偶),正极为含铬10%的镍铬合金，负极为含硅0.3%的镍硅合金。特点是适用温度范围宽，高温下性能稳定，热电动势与温度的关系近似线性，价格便宜。目前用量最大的热电偶。,适于在氧化性极惰性气氛中使用,分度号为K。,温度的校验与控制,13.8033273.16K温度国家基准,固定点 H2 Ne O2 Ar Hg,温度的校验与控制,(0961.78)的温度国家基准,水三相点273.16K(0.01)镓熔点302.9146K(29.7646)铟凝固点429.7485K(156.5985)锡凝固点505.078K(231.928)锌凝固点692.677K(419.527)铝凝固点933.473K(660.323)银凝固点1234.93K(961.78),温度的校验与控制,(1234.932473）K温度基准装置,光电高温计标准装置 温度范围：（8003200）扩展不确定度：1.15.9（p=0.99）,温度的校验与控制,温度范围：8002200,辐射温度计检定装置,扩展不确定度：0.71.6（p=0.99）,国际温标定义固定点举列(共17种物质),2.5.1 实验室常用的耐火材料及绝热材料,温度控制,2.5 耐火与保温材料,冶金高温实验中，高温炉炉衬材料和反应容器材料的选择是十分重要的，它往往是高温实验成败的一个重要因素。实验研究人员必须了解耐火材料的性能和使用范围，才能适应实验的需要。,耐火材料的基本特性包括工作和结构特性两个方面，这些特性是设计选用耐火材料是必须掌握的。,4.5.2耐火材料的工作特性,耐火材料的工作特性也就是使用性能、,主要指标,耐火度,荷重软化点,化学稳定性,热稳定性,热导率,导电性,4.5.2耐火材料的工作特性,耐火度是耐火材料抵抗高温作用的性能。因为绝大多数耐火材料由多种成分组成的矿物，没有固定的熔点，而是在一定温度范围内熔化，耐火度仅代表耐火材料开始熔化至软化到一定程度时的温度。只有高纯氧化物耐火制品的耐火度和熔点才比较接近。,(1)耐火度,(2)荷重软化点,耐火材料在使用中多少要受到载荷和应力作用,当 达到一定温度时,耐火材料内部组织局部开始熔化,机械强度会急剧减低.为了查清这类变化,对耐火材 料样品施加一定压力并以一定升温速度加热,当耐 火材料塌毁(以加压力方向收缩一定值作标志)时的 温度称为荷重软化点。荷重软化点表征耐火材料的机械特性,而耐火度表示其热性质.显然,耐火材料的实际使用温度不得超过 荷重软化点,更不能超过耐火度。,4.5.2耐火材料的工作特性,(3)热稳定性,耐火材料在温度急剧变化条件下,不开裂,不破碎的性能叫热稳定性,也有叫抗热震性,表征耐急冷急热的性能。用测定高温而引起的容积变化表示，其中有永久的变化和暂时的变化，前者叫做残存线膨胀收缩，后者叫热膨胀收缩。残存线膨胀收缩是以一定的温度和时间加热然后冷却的膨胀收缩来表示，它在耐火材料制造时，由于烧成中的矿物变化和物理变化而引起的容积变化还未结束时发生的。这个变化值大，往往使高温下耐火材料龟裂、脱落。热膨胀收缩以膨胀收缩随温度上升的比率来表示，它是推定抗剥裂性及矿物变态引起异常变形的重要指标。一般热膨胀高的制品往往抗热震性较差。,4.5.2耐火材料的工作特性,(4)化学稳定性,耐火材料在使用过程中,在高温条件下均与一定的气相、凝聚相(如金属,炉渣)相接触,在这样的条件下,耐火材料能否稳定存在,对实验过程和耐火材料作用都有重大影响。,4.5.2耐火材料的工作特性,(5)热导率,耐火材料的热导率表示其导热能力的大小，用导热系数表示，单位为：J/m h。,耐火材料中矿物晶型变化将使热导率变化，最明显的例子是SiO2,例如,0时结晶的二氧化硅热导率比石英玻璃高几倍。,(6)导电性 一般耐火材料中除碳质、石墨、碳化硅、粘土质、炭化硅制品外，在室温下都是不良电导体。随温度升高，大多数耐火材料导电性提高，电阻率下降。最明显的是氧化锆。,4.5.2耐火材料的工作特性,4.5.3耐火材料的结构特性,一般指耐火材料的气孔率和透气性。气孔率高的耐火制品，由于其表面大，表面活化能大，其化学稳定差，即抗渣铁侵蚀的能力差，不适合做冶金熔体的容器。气孔率高则材料机械强度低，不适用于承重大的地方。,4.5.4 某些耐火材料的工作稳定性,(a)在氧化气氛中的稳定性 耐火氧化物大多是其金属元素的最高价氧化物，在高温氧化气氛下是稳定的。如果在分解或蒸发温度以下工作，其氧化气氛中的最高温度可以接近其耐火度（或熔点）。但碳素耐火材料是不稳定的。,(b)在H2和CO气氛下的稳定性 在常温下，CaO、MgO与水气作用生成氢氧化物，在高温下CaO能与水气反应，然而MgO是稳定的。Al2O3和ZrO2对水气则是稳定的。氧化物耐火材料能否与氢起作用，可以通过热力学计算作出初步判断。冶金实验温度一般不高于1727,大多数耐火氧化物在氢气氛下是稳定的。,某些耐火材料的工作稳定性,但1727下,SiO2与H2作用的平衡pH2O稍高，其余氧化物的pH2O都不高。,c)在其它气氛下,某些耐火材料的工作稳定性,Al2O3在N2和HCl气氛中是稳定的,在高温下与HF气体发生反应生成AlF3。含S的气氛会微弱的腐蚀Al2O3。,MgO在N2气氛下可稳定至1700以上，卤素和S的气氛会腐蚀MgO。,某些耐火材料的工作稳定性,d)在高温下的稳定性,在高温、真空条件下，耐火材料本身的稳定性减小。在真空冶金中，由于体系的压力很低，促使了氧化物的分解。不宜于用于2000K以上的高温。,在冶金实验条件下，有的金属氧化物能被碳还原出金属，有的则形成碳化物。先从热力学角度来作分析 耐火氧化物被还原成金属的可能性 在100kPa压力下，2000以下常用耐火氧化物中只有SiO2、MgO有被碳还原成金属的可能。SiO2被还原是明显的，至于MgO，在标准状态压力下高温时虽较难被碳还原，但因生成的Mg和CO都是气体，所以随着气相压力的降低反应易于进行。所以在真空碳热还原金属氧化物时，不能用MgO坩埚，而用石墨坩埚。,某些耐火材料的工作稳定性,(e).耐火氧化物对碳的稳定性,耐火氧化物被C还原成碳化物的可能性。大多数耐火氧化物在1500以上与碳接触时容易生成碳化物。如果反应生成的CO不断地被排除，氧化物将不断地和碳反应生成碳化物。,某些耐火材料的工作稳定性,(f)耐火氧化物对液态金属的稳定性 耐火氧化物在1000以上与液态金属接触时，金属易受污染，而耐火氧化物被侵蚀。其反应通式如下 XO(s)Me(l)=MeO(l)+X(s,l)在实际场合，由于炉内气氛对液态金属的作用，对耐火氧化物也有影响。如铁金属的氧化，生成的(FeO)对很多耐火氧化物都有侵蚀作用。因此必须注意炉内气氛的间接、直接作用。,某些耐火材料的工作稳定性,g)耐火氧化物对熔盐和炉渣的稳定性 高温下，很多耐火材料易被熔盐或炉渣所侵蚀。对于熔盐，熔点在600以下可以用硬质玻璃作容器，但氟化物熔盐能与SiO2作用生成易挥发的SiF4，应当用白金坩埚。在1100以上，碱金属、碱土金属、氯化物、溴化物和碘化物等熔盐，都可用Al2O3、MgO、ZrO2质容器，氟化物则用石墨容器。碱金属的硝酸盐、硫酸盐、磷酸盐在高温下采用白金或石墨质容器。,某些耐火材料的工作稳定性,4.6 实验室常用的耐火材料及绝热材料,在高温冶金研究中，反应容器的选择是否合适是实验成败的决定因素。本节主要内容：1.氧化物耐火材料2.石墨和非氧化物耐火材料3.其它耐火材料和绝热材料,(1)实验室常用的耐火氧化物材料,a)熔融Al2O3再结晶的刚玉制品b)石英质品 c)MgO制品 d)氧化钙制品e)二氧化锆制品,1.耐火氧化物材料,4.6 实验室常用的耐火材料及绝热材料,a)熔融Al2O3再结晶的刚玉制品,较高的耐火度、化学稳定性和良好的电气绝缘等性能。其耐火度可达2000，不透气;实验中广泛地用于高温炉衬、电热体支架、炉管、热电偶保护套管、坩埚、坩埚座等。其最高使用温度为1900，适用于300/min的升温速度。薄壁优质坩埚可由室温直接置于1600 高温中而不炸裂。高级制品由99.98%以上Al2O3制成。,4.6 实验室常用的耐火材料及绝热材料,1.耐火氧化物材料,b)石英制品,石英玻璃是熔融SiO2的过冷体;快冷得到的玻璃状石英在室温至1000或更高温度下能保持玻璃体性状;常压下使用温度为1250左右，短时间使用温度可达1700，但在1000以上快速结晶而失透。失透是石英玻璃的最主要的缺点，它是指由介稳的玻璃态转变成结晶态，这种晶型转变多半是由石英玻璃表面粘附的杂质所促进的。此过程一旦开始，器皿会迅速损坏，在1000以上更容易进行。,4.6 实验室常用的耐火材料及绝热材料,1.耐火氧化物材料,在所有单一氧化物中，石英玻璃的热膨胀系数最小，在800以上其膨胀系数接近于零，高温下工作具有相当好的抗热震性，又因其透明，体积密度大，气孔率小不透气，常用于真空系统。石英玻璃在实验室广泛用作坩埚、真空炉管，钢液取样管，插入式热电偶的保护套管，棒式ZrO固体电解质封接件等。,4.6 实验室常用的耐火材料及绝热材料,1.耐火氧化物材料,c)MgO制品,MgO熔点为2800,其耐火制品耐火度高，在氧化气氛中使用温度比刚玉高，还原气氛下只能在1700 以下使用。由于Mg蒸汽压大,真空条件下不宜超过1600-1700使用。MgO制品广泛使用作实验坩埚及炉管。纯度高于99的MgO，用卤水（主要成分是MgCl）作镁砂结合剂，成型后经高温煅烧，MgCl放出氯变成MgO，由于MgO的烧结再结晶，不产生低熔点相，其制品高温性能好。MgO还用作热电偶的电绝缘材料。,4.6 实