加热设备 （ＣＴ－＆￣热 第３９卷２０１０年第２期
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２—１６３９．２０１０．Ｏ１．００８
电阻炉炉衬结构的改进
卢 娇，董 元
（中国联合工程公司，浙江杭州３１００２２）
摘要：我国大型全纤维电阻炉在炉衬结构和电热元件的安装上一直存在着诸多问题，目前国外采用了新的模块结构，比较好地解决 了这些技术难题。对新的模块结构进行了分析，结合我国国情对结构和材料进行改进，通过高温试验，成功研制出新电阻炉电加热 模块组合炉衬结构。该电加热模块组合炉衬结构的性能、安装、维护和寿命都达到国外先进水平，价格远低于同类型进１２１产品，已 实现国产化 关键词：电阻炉；电加热模块；组合炉衬结构；高温测试；国产化 中图分类号：ＴＭ９２４＿３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００２－１６３９（２０１０）０３・００２８－０４
Ｔｈｅ Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｌｉｎｅｒ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｆｕｒｎａｃｅ
ＬＵ Ｊｉａｏ，ＤＯＮＧＹｕａｎ （Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｔｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３ １ ００２２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｆｕｒｎａｃｅｓ ｗｉｔｈ ｅｎｔｉｒｅ ｆｉｂｅｒ ｌｉｎｅｒ，ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｍａｎｙ ｑｕｅｓｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｒｎａｃｅ ｌｉｎｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｉａｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｈｅａｔｉｎｇ ｅｌｅｍｅｍ．Ｎｅｗ ｍｏｄｕｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｆｏｒｅｉｇｎ ｃｏｕｎｔｒｉｅｓ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｑｕｅｓｔｉｏｎｓ ａｂｏｖｅ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｏｌｄ Ｉｉｎｅｒ ｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｍａｔｅｒｉａｌ ＷａＳ ｉｍｐｍｖｅｄ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆｔｈｉｓ ｎｅｗ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅｎ ａ ｎｅｗ ｋｉｎｄ ｏｆｃｏｍｂｉｎｅｄ ｌｉｎｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｉｔｈ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｈｅａｔｉｎｇ ｍｏｄｕｌｅ ｗａｓ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｉｔ ｈａｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｔｈｅ ｆｏｒｅｉｇｎ ａｄｖａｎｃｅｄ ｌｅｖｅｌ ｉｎ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ，ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ａｎｄ ｌｉｆｅ．Ａｌｓｏ ｔｈｅ ｐｒｉｃｅ ｉｓ ｍｕｃｈ ｃｈｅａｐｅｒ ｔｈａｎ ｏｔｈｅｒ ｓｉｍｉｌａｒ ｉｍｐｏｒｔｅｄ ｐｒｏｄｕｃｔｓ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆｔｈｉｓ ｎｅｗ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｈａｓ ｃｏｍｅ ｉｎｔｏ ｔｒｕｔｈ ｂｙ ｔｈｅ ｅ仃ｏｒｔｓ ｏｆｏｕｒ ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｆｕｒｎａｃｅ；ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｈｅａｔｉｎｇ ｍｏｄｕｌｅ；ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｌｉｎｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｈｉｇｈ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｔｅｓｔｉｎｇ，ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ
井式电阻炉是我国装备制造业中大型长轴热处理中 的关键设备。尤其近年来核电设备的发展需求量迅速增
长，对电阻炉技术提出了更高的要求。我国纤维电阻炉 在炉衬结构和电热元件的安装上一直存在着诸多问题，尤
其在炉体呈圆形的井式电阻炉上尤为严重。这些问题已 严重影响了大型井式电阻炉技术的发展和产品性能，是
一直需要彻底解决的技术难题。 近２Ｏ年来，中国联合工程公司对该问题进行多次技
术改进，研制出多种形式的结构，但难有突破。目前国 外比较好地解决了炉衬结构和电热元件安装的技术难题，
电加热模块结构已普遍使用，但这种技术只掌握在国外 几家大公司手里，价格昂贵。这种电加热模块结构也被
论证过，但在国内激烈低价竞争的市场环境中无法实现。 要想在国内推广就必须对材料、加工、形式进行国产化。
更重要的是需要自己掌握有关数据，作为设计的依据，并
且在结构上进一步细化，实现国产化。 为此，根据我国国情和在这方面的丰富经验，设计
了电加热模块组合炉衬结构，新结构由不同耐火纤维材
料组合成的炉衬、不同型式的电热元件和吊挂固定件三 部分构成。同时建造了高温试验炉，测试了新结构的多
收稿日期：２０１０—０４－０８；修回日期：２０１０－０４—０９ 作者简介：卢娇（１９８３一），女，工程师，主要从事工业炉设计、 研究、开发工作．
２８ 种性能，取得模块结构在不同容重下的抗压强度、热导率 等物理性能参数；确定电热元件在炉衬上安装的结构和 技术；并与国外先进结构和国内的现有结构进行了对比；
此外还对新结构进行了造价分析。
结果表明，新电加热模块组合炉衬结构的性能、安 装、维护和寿命都达到国外先进水平，且价格远低于进
口，从原材料到制造、安装技术可全部国产化。
ｌ试验电阻炉新结构简介
根据基本技术要求和目标以及场地、供电等基本条 件，参考国外有关资料［１七］，设计了一台电加热模块组合
炉衬结构的试验电阻炉（见图１、图２）。
热电偶
电加热
图１电阻炉新结构简图 加热设备 工业加热》第３９卷２０１０年第２期
图２实验电阻炉
该电阻炉按新的思路在炉衬结构和电热元件安装方
式上作了改进。炉衬结构不再采用传统的纤维毯＋纤维折
叠块的结构，而是采用纤维背衬板＋隔热纤维毯＋真空成
型块３层，考虑１ ｌＯＯ℃高温，炉衬整体厚度为２５０ｍｍ，
从里到外分别是１００ ｍｍ厚真空成型块，７５ ｉ／ｌｎｌ厚纤维
毯，７５ ｍｍ厚纤维毡。电热元件的安装不再采用陶瓷钉
插人纤维折叠块后固定电热元件的方式，而是在真空成
型块中预埋或后装金属钩的方式。
结构的关键是固定电热元件的１００ ｍｍ厚真空成型
模块，为获得最佳结构，并尽量降低制造成本，为将来
的市场推广提供便利，真空成型模块做成２４０，２９０，
３５０ ｋｇ／ｍ 不同容重的３种，并经特别强化处理。通过挂
垂重物破坏试验，分析不同容重模块的强度。纤维模块
基本形状见图３。
一
图３真空成型纤维模块
目前常用的电阻炉电加热元件有丝、带、螺旋丝３种
结构［ ］ 。为新结构可适应各种型式的电加热元件，本次
试验电阻炉同时采用挂丝、挂带、预埋螺旋丝这３种结
构（见图４）。并研究、对比这３种结构性能，为今后的
设计工作提供依据。
一
图４电加热元件及重物实验 炉壳采用５ｍｍ厚钢板卷筒成型；炉盖采用５ｍｍ厚
钢板卷筒后与型钢焊接成型，内贴３００ ｍｍ厚耐火纤维复
合结构；炉底采用耐火纤维板和纤维毯的组合结构，这
些结构都与普通井式电阻炉基本相同。
温度控制采用施耐德ＰＸＲ５温控仪。
２试验结果及分析
２．１真空成型块的强度与收缩性能 为了检验真空成型块的的结构强度，在不同容重的
真空成型块上设一个挂钩并悬挂２．２５ 重物，该重量是
每个钓钩最大承重的２００倍。
经多次将炉温升至ｌ １００℃并保温后打开炉盖观察重
物，发现挂重物的挂钩未脱落，挂钩四周也未出现明显
裂缝。由此可见，采用经特别强化处理的真空成型块强
度能充分满足垂挂要求。
真空成型块属于二次成型纤维制品，并经特别强化
处理，一般其收缩比都比纤维毯要大，产生裂纹的倾向
性也大，这是炉衬设计和安装时必须掌握的参数。
试验炉最大真空成型块为１ ４５０ ｍｍ ｘ ３５０ ｍｍ。在不
同的温度下打开炉盖检查真空成型块情况，整个模块没出
现裂纹，在预埋电热元件挂钩处也是应力最大处，也没
有出现裂纹。
试验炉在径向（厚度）由于内部纤维毯的补偿，无缝 隙出现。在圆周长度上经１ １００℃加热后保温３ ｈ，在两
弧形板块接缝处，出现约１０ １１１１１３的收缩间隙，收缩比为
０．６９％。按标准保温２４ ｈ后收缩间隙将增大，但观察趋势 不会超过３％，在预计范围之内，远优于国产结构（见图５）。
图５真空成型块接缝
２．２真空成型块性能测试与比较
通过冷态对真空成型块的容重、耐压强度、抗折强
度等参数的测量，得到了其具体的冷态性能参数。高温
保温后，测量了真空成型块的高温收缩率、热导率。将
以上测量到的参数整理后与国际及国内现有炉衬结构相
比，见表１。
２９ 加热设备 （《工业加热 第３９卷２０１０年第２期
表１真空成型块参数对照表
舭皴Ｔ Ｈ ＡＬ Ｆ－３Ｆ ３．／ …型块 对比参数 一 ：： ． 真空成型块 Ｌｓ纤维模块………一…
注：为添加增强剂后测试得到数据
从表１可以看出：
（１）真空成型块采用与国内纤维折叠块结构和国际
先进结构ＫＡＮＴＨＡＬ纤维模块基本相同的成分，故三者
在分类温度、容重上基本相同。
（２）高温收缩率方面，真空成型优于国内电阻炉上
用的折叠纤维块，略逊于国际先进结构。
（３）抗折强度方面，国内电阻炉上用的折叠纤维块
属于软性材料，因而具有很高的抗折性能，但不具有最基
本的抗变形强度。真空成型块的抗折强度远高于国际先
进结构。
（４）表面硬度方面，真空成型块与国际先进结构相近。
（５）导热性能方面，热导率是反映材料导热性能的
一项指标。从表１可以看出，真空成型块的热导率与国
际先进水平相近，远远低于国内现有结构。因而采用真
空成型块远优于国内现有结构。
综上所述，可以发现这种真空成型块的性能与国际
先进水平相近，远远优于国内电阻炉上用的折叠纤维块
结构。
２．３丝与带的变形及分析 试验电阻炉同时采用了挂波形丝、挂波形带、预埋 螺旋丝这３种结构，供研究、对比。由于功率布置的要 求和最不利条件试验原则，波形丝、带都采用大的波节
高度，为今后的设计工作提供实践依据，见图６。
３０ （左半部分为丝，右半部分为带）
图６丝与带的变形
将电热元件通电加热到１ １００℃以上并保温数小时之 后，打开炉盖观察３种电热元件在高温状态下的变形情况。 从图６可以看出，高温下，同样的波节高度，丝与 带的变形呈现了很大的不同。丝变形很少，伸长和扭曲 基本可以忽略；而带变形非常大，尤其是扭曲很大，不 同波节的最小间距为１０ ｍｍ，如果继续升温或长时间保 温，不同波节的带容易直接碰触从而造成短路。 丝的结构，电热元件均采用圆丝弯制成形，丝截面 均匀，受热后除长度方向外，其他方向的变形量基本相 同，因而变形较小。 而带的结构，由于宽厚比大，热变形向截面尺寸小 的方向发展，变形情况比较严重。因而高温炉在排布面 积足够的情况下，因尽量采用丝结构，若采用带的结构， 其波长不宜过长，以减少变形。 ２．４ 电热元件的吊挂固定件分析 自从中国联合工程公司（原机械工业部第二设计研
究院）首先将耐火纤维应用到电阻炉上后，在纤维材料 上如何安装固定电热元件这个关键问题一直没有彻底解
决。原安装固定方式有以下两种： 预埋瓷管挂钩方式【 ］ ４见图７。
耐火陶瓷管 瓷垫圈 耐火陶 瓷管
图７预埋瓷管挂钩方式
结构优点：辐射效率高、使用寿命长、可靠安全、维