實驗室用高溫馬弗爐的發展現狀及應用

張瑩+周團坤+張尼+沈坤+楊曉明

[摘 要] 本文總結了電熱馬弗爐、微波馬弗爐和燃氣馬弗爐的結構特點、主要部件性能、材質特點和應用范圍。展望了馬弗爐的發展趨勢和行業需求。

[關鍵詞] 電熱馬弗爐；微波馬弗爐；燃氣馬弗爐

中圖分類號：TQ16 文獻標識碼：A 文章編號：2095-5200（2017）05-028-03

DOI：10.11876/mimt201705012

馬弗爐是一種實驗室通用的加熱設備，還可稱為電爐、電阻爐、茂福爐、馬福爐。主要用于各種有機物和無機物的灰化、磺化、熔融、烘干、臘燒除、熔合、熱處理以及灼燒殘渣、燒失量等的測試。目前實驗室常見馬弗爐包括電熱馬弗爐、微波馬弗爐和燃氣馬弗爐三種。本文主要總結其原理機構和主要部件及幾種類型的不同點。

1 原理和結構

電熱馬弗爐、微波馬弗爐和燃氣馬弗爐顧名思義最大區別在于加熱原理。電熱通過電流流過具有一定電阻的導體，使導體產生焦耳熱而不斷提供外部熱能[1]。加熱元件把電能轉化為熱能，通過熱傳導、熱對流和熱輻射使爐內產生高溫。微波馬弗爐將電能轉換為微波，再轉換為熱能[2]。

爐膛內的材料或者被加熱物體本身吸收微波后產生熱量，既而產生高溫，結構包括磁控管、轉波機構、微波屏蔽腔體、電控元件、溫控元件和吸波加熱材料。微波加熱作為一種綠色高效的加熱方法，與常規的加熱方法相比，具有選擇性加熱、升溫速率快、反應時間短、易于自動控制、可降低化學反應溫度等優點。燃氣馬弗爐是將化學能轉換成熱能[3]，當燃料在爐腔內燃燒時，燃燒過程中化學能將轉換為熱能，產生高溫。燃氣馬弗爐在這三種馬弗爐中是結構最簡單的一種，加熱腔體大、加熱速度快，溫度控制靈活。

2 主要部件

三種馬弗爐除加熱元件不同外，其他部件差異不大，包括保溫材料、爐膛、溫控元件和電控元件。

2.1 加熱元件

傳統電熱馬弗爐的加熱元件大體分為合金加熱絲和硅化合物[4]。合金電熱絲具有可塑性強、易修復的特點，但其抗氧化性能相對較弱，若爐內為碳氣氛、硫氣氛以及氫、氮氣氛等，對元件在高溫使用下都有一定的腐蝕。硅化合物加熱元件具有耐高溫、抗氧化、耐腐蝕、壽命長、高溫變形小、安裝更換方便的優點。但是，硅化合物性脆，機械強度不高，容易在使用過程中物理損壞。此外，硅化合物的加熱元件損壞后只能更換，不易維修。目前，常用的合金加熱絲主要包括奧氏體組織的鎳鉻合金和鐵素體組織的鐵鉻鋁合金。硅化合物主要有碳化硅和二硅化鉬。商品化的微波馬弗爐采用的加熱方式主要有兩種。一種是通過內襯吸波材，如碳化硅板，間接對物料或者器皿進行加熱。另一種是直接對盛裝物料的器皿進行加熱。器皿的材質為吸波材料，如碳化硅或者二氧化鋯。表1對比了常用加熱元件性能。

2.2 保溫材料

目前使用的保溫材料主要包括耐火磚和陶瓷纖維[5]，根據溫度不同，選用不同保溫材料，對于溫度超過1600度的高溫爐或超高溫爐，必須使用氧化鋯保溫，否則爐子的壽命非常短。其性能對比見表2。

2.3 爐膛

爐膛主要包括四種材質。1）耐火材料拼成，造價不高，受熱受限制。2）高溫鋁爐膛，適應試驗不含碳的實驗。3）碳化硅爐膛，升溫速度不快 ，溫度加熱比較好，而且吸收微波性能強。4）陶瓷纖維爐膛，這種爐膛造價高，優點是升溫速度快，但是局部溫度容易過高，容易燒毀爐膛。

2.4 溫度控制

馬弗爐的溫度控制主要包括溫度測量、溫度控制器、加熱驅動部件、電熱元件及輔助電路等。

溫度測量通常采用接觸式熱電偶溫度傳感器和非接觸式光電高溫計。對于馬弗爐一般采用熱電偶進行接觸式測量。按IEC國際標準分度，熱電偶分為S、B、E、K、R、J、T七種標準化熱電偶。常用熱電偶型號及使用溫度見文獻[6]。

選擇熱電偶要根據使用溫度范圍、所需精度、使用氣氛、測定對象的性能、響應時間和經濟效益等綜合考慮。S型、B型、K型熱電偶適合于強的氧化和弱的還原氣氛中使用，J型和T型熱電偶適合于弱氧化和還原氣氛，若使用氣密性比較好的保護管，如鎧裝熱電偶，對氣氛的要求就不太嚴格。

如果控制精度要求不高，溫度控制器可采用模擬控制器，否則采用數字式控制器。電控元件一般由動圈式儀表、數字式溫度指示調節儀或智能化數字顯示控制儀表和加熱驅動部件組成。加熱驅動部件起著功率放大的作用，常用的有接觸器、繼電器、可控硅或固態繼電器、晶閘管調節器以及變壓器等。采用繼電器的控制箱噪音大，控制精度低，壽命短；采用可控硅的控制箱噪音小，控制精度高壽命也較長。

3 應用

傳統電熱馬弗爐應用于材料的高溫合成制備、樣品的灰分測定以及有機質樣品分析前處理。在材料合成方面，主要用于材料的制備[7]、改性[8]和性能測試[9]。如SiO2-BiVO4光催化功能織物的煅燒制備 [10]，石墨烯g-C3N4光催化劑制備[11]，尿素醇解法合成氨基甲酸酯[12]，新型多腔孔陶瓷復合保溫材料制備[13]。此外，電熱馬弗爐還被用于褐煤的揮發分析出過程研究[14]，X射線熒光對聚丙烯中灰分的分析[15]。丙體六六六純度標準物質原料中灰分的測定[16]。在樣品分析前處理方面，除了食品[17]、植物[18]和生物[19]等傳統樣品，可用于前處理其他有機基體樣品，如松針[20]、生物炭[21]和碳納米管[22]等。微波馬弗爐近年來也在無機材料合成、性能測試以及樣品制備方面得到了一定應用，如Na2O-B2O3-P2O5玻璃制備[23]，生物質直接炭化制備炭素活性材料[24]，磁化焙燒鐵礦粉[25]，紙張灰分快速測定[26]，公斤級生物樣品的灰化[27]。實驗室燃氣馬弗爐，多用于化學分析中火試金法樣品的熔融。

4 馬弗爐的研究展望

國內馬弗爐的研究開始于上世紀七十年代。經歷了加熱方式轉變、結構的轉變、控制系統的轉變等過程。上世紀九十年代開始與國外公司合作，目前我國馬弗爐無論在結構設計、溫度的均勻性、使用穩定性、故障率、自動化程度還是能耗上均有很大提升。endprint

國外的馬弗爐在新材料應用，控制系統的性能優化，在爐體結構、冷卻系統、傳送系統、控制系統、安全保護等方面的設計都處于領先地位。知名的馬弗爐制造公司產品具有系列化、專用化的特點，在自動控制、結構設計及溫度場技術等方面擁有多項發明專利。微波馬弗爐國外已有成熟產品銷售，但價格不菲。上海某公司作為國內實驗室微波儀器的領先者，也開發出了商品化的設備。但是微波馬弗爐由于其原理結構復雜，導致整機的重量遠遠超過其他類型馬弗爐，并且價格也非常昂貴。

今后實驗室馬弗爐的發展趨勢將是針對用戶以及行業的特異性需求，開展定制化、個性化、智能化、科技附加值高的產品。在節能、安全、效率、加熱均勻程度以及與分析儀器聯用方面深入研究。

參 考 文 獻

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