高温箱式气氛炉工作原理与结构组成

高温箱式气氛炉（通常指额定温度≥1200℃，可达 1800℃）的核心设计目标是在密封炉膛内实现精准高温控制 + 特定气氛环境协同，满足高熔点材料的烧结、退火、合成等工艺需求，其结构与原理均围绕 “高温耐受、气氛密封、温场均匀" 三大核心要点设计。

一、 核心结构组成

高温箱式气氛炉的结构在常规箱式气氛炉基础上，强化了耐高温、密封性能与热稳定性，主要分为 6 大模块，各部件的材质与参数需适配高温工况：

结构模块核心部件及耐高温配置关键功能与技术要点

炉体与炉膛外层：碳钢 / 不锈钢壳体（双层水冷结构，降低表面温度）

内衬：莫来石聚轻砖 / 氧化铝空心球砖（1600℃级）、氧化锆纤维棉（1800℃级）

保温层：多晶氧化铝纤维模块（1400-1800℃）提供密闭、耐高温的炉膛空间；多层保温结构大幅降低热损失，高温下炉膛结构不坍塌、不变形；双层水冷避免炉体外壳过热

加热系统加热元件：硅碳棒（1200-1600℃）、硅钼棒（1600-1800℃）、石墨加热器（1800℃，需惰性气氛保护）

热电偶：B 型（铂铑 30 - 铂铑 6，1600-1800℃）、S 型（铂铑 10 - 铂，1300-1600℃）硅碳棒 / 硅钼棒为非金属发热体，高温下抗氧化性强；多区布置（侧壁 + 炉顶）保证温场均匀性（±3-5℃）；热电偶精准采集高温信号

气氛控制系统真空泵：机械泵 + 罗茨泵（真空度可达 10⁻⁵ Pa）

气体质量流量计（MFC）、耐高温电磁阀、金属波纹管（替代橡胶管，防高温老化）

压力表（耐温型）实现高真空置换或精准气氛调控；金属管路适配高温环境，避免漏气；维持炉膛微正压（500-1000Pa），防止空气渗入

炉门与密封炉门结构：水冷炉门（内置冷却水道）

密封件：金属密封圈（铜 / 不锈钢，耐温＞800℃）

压紧机构：杠杆式 / 液压式压紧（密封力更强）高温下硅橡胶密封圈失效，需改用金属密封；水冷炉门降低密封处温度，提升密封可靠性；强力压紧保证炉膛气密性

温控与安全系统控制器：PLC+PID 多段程序控温（支持 30 段以上工艺曲线）

保护装置：过热保护、断偶保护、水冷断水报警、超压保护、开门断电联锁精准控制高温段升温速率（0.1-20℃/min 可调）；多重联锁保护防止高温失控、设备损坏或人员伤亡

辅助系统强制水冷系统（炉门、加热元件接线柱冷却）

尾气处理装置（高温过滤器 + 气体洗涤塔）

气氛预热器水冷系统是高温炉，防止关键部件高温烧毁；预热气氛避免炉膛内温度波动；处理高温反应尾气（如粉尘、有毒气体）

二、 工作原理

高温箱式气氛炉的工作流程与常规箱式气氛炉一致，但在高温耐受、气氛稳定性、热传递效率上有特殊设计，核心分为 4 个阶段：

高温密封与气氛置换

炉门通过金属密封 + 强力压紧实现密闭，针对高温工况，炉门同步开启水冷降温，避免密封件因高温变形失效。气氛置换采用高真空 - 充气多次循环（通常 3-5 次），真空度可达 10⁻⁵ Pa，排出炉膛内空气；置换完成后通入目标气氛（惰性 / 还原 / 反应气氛），维持微正压，防止外界空气渗入导致样品氧化或加热元件损坏。

高温电热转换与精准控温

加热元件（硅碳棒 / 硅钼棒 / 石墨加热器）通电后产生焦耳热，在高温环境下以热辐射为主要传热方式（高温下热辐射占比＞90%），使炉膛快速升温。热电偶实时采集温度信号反馈至控制器，通过PID 智能调节动态调整加热功率，严格按照预设工艺曲线升温、保温、降温；多区加热设计可补偿高温下的热损失，保证有效工作区温场均匀性。

高温 - 气氛协同作用

在 1200-1800℃高温环境下，炉膛内特定气氛与样品发生物理 / 化学反应：

惰性气氛（Ar、N₂）：隔绝氧气，防止高熔点金属、陶瓷材料高温氧化；

还原气氛（H₂）：还原金属氧化物，制备高纯金属粉体；

反应气氛：如通入氮气制备氮化硅陶瓷，通入甲烷实现碳材料石墨化。

过程中通过气体质量流量计精准控制气氛流量，排气口持续排出反应废气，维持炉内气氛纯度稳定。

高温冷却与泄压

工艺结束后停止加热，高温炉严禁急冷，优先采用自然冷却；若需缩短时间，可开启水冷系统辅助降温，但降温速率需控制在≤10℃/min，防止炉膛内衬因热胀冷缩开裂。待温度降至≤100℃后，缓慢打开排气阀泄压（避免压力骤降冲击样品），再松开炉门压紧机构取件。

三、 高温工况特殊设计要点

加热元件选择：1200-1600℃优先选硅钼棒，1600-1800℃需用石墨加热器（必须在惰性气氛中使用，防止石墨氧化）；

保温层设计：采用多层复合保温结构，内层为高耐温纤维棉，外层为隔热板，降低高温下的热损失；

气路材质：高温区气路采用金属管路（不锈钢 / 合金），避免橡胶管高温老化漏气。