CN100417904C - 一种固体材料烧结炉 - Google Patents

Abstract

一种固体材料烧结炉，包括微波源(1)、过渡波导(27)、烧结炉体(13)、保温层(11)、测温仪(15)，保温层(11)置于烧结炉体(13)内，测温仪(15)设置在烧结炉体(13)上，微波源(1)通过过渡波导(27)与烧结炉体(13)相连，其特征在于还包括有进料系统(28)、出料系统(29)、连续传送套管(26)，进料系统(28)通过密封装置(10)与烧结炉体(13)相连接，出料系统(29)通过密封装置(16)与烧结炉体(13)相连接，连续传送套管(26)设置在烧结炉体(13)内的保温层(11)中，且管的一端伸入进料系统(28)中，进料系统(28)位于烧结炉体(13)之上，出料系统(29)位于烧结炉体(13)之下，彼此呈上、中、下立式布置。

Description

一种固体材料烧结炉

(一)技术领域

本发明涉及一种固体材料烧结炉，适用于粉末冶金、陶瓷制品等固体材料的烧结制备。

(二)背景技术

烧结是绝大多数陶瓷材料和粉末冶金材料由粉末变成制品的主要工艺过程。烧结的实质是粉末胚块在适当的环境或气氛中受热，通过一系列物理、化学变化，使粉末颗粒融合在一起，胚块的强度和密度迅速增加，制品的各种物理性能和力学性能得到改善。目前国内外采用的烧结炉主要是传统的电阻式加热烧结炉和间歇式微波烧结炉。

传统的电阻式加热烧结炉包括炉体外壳、保温层、加热体和炉膛等，电流通过加热体时，由于加热体本身具有的电阻产生热量，利用发热体热量的辐射和传导，加热炉膛内的被烧结固体材料。炉膛和炉体外壳之间有很厚的保温层，以保证热量不被散失，而集中在炉膛内部。从热能工程角度来讲，这种加热被加热固体材料的热量，全部来源于发热体的热传递，被加热固体材料表面温度高于芯部温度，整个炉膛的温度必须达到设定温度，才有可能完全加热炉膛内所有的被烧结固体材料，而且，高温段的热传递主要靠辐射，如果被加热的固体材料比较多，会产生明显的阴影效应，没有被直接辐射到的部分，温度低于被发热体直接照射的部分，造成温度场的不均匀。这种传统的电阻式加热方式会有80％以上的能量损失在周围环境中，是一种能耗非常大的加热方法。从材料学角度来讲，被烧结固体材料的加热速度取决于材料本身的导热性能，如果导热性能不好，如大部分陶瓷材料或疏松的粉体材料，升温烧结的时间就需要很长，如果加热和冷却速度过快，由于被烧结固体材料收缩不均匀而形成内应力，从而造成材料的开裂。长时间的高温保温会引起材料内部的晶粒长大，对于要求晶粒细小均匀的结构材料来说，无疑会降低材料整体性能。对于某些具有挥发性组分的功能材料，长时间的高温加热会造成表面成分的改变。而高温加热时间缩短又会造成材料加热不完全，无法达到烧结密度和性能。连续式的电阻式加热烧结炉具有比较大的生产量，但是效果与间歇式烧结的电阻式加热炉一样，而且炉膛内温度场会更加不均匀。

间歇式微波烧结炉一般包括微波源、过渡波导、烧结炉体、保温层、测温仪，保温层置于烧结炉体内，测温仪设置在烧结炉体上，微波源通过过渡波导与烧结炉体相连。它工作时，主要是利用微波能与材料的耦合，由材料的介电损耗和磁介损耗产生的内耗转变成热量直接加热材料本身的方式，将材料加热到高温进行烧结，这种加热烧结方式不需要发热体，被烧结材料本身就是发热体，保温层设置在烧结炉体内围绕在被烧结固体材料的周围，而不是在烧结炉体的四周，保温层的厚度和重量大大降低。由于热损失小，微波烧结的能耗仅相当于传统电阻式烧结的20％。而且，微波的穿透深度大，一般陶瓷材料等被烧结固体材料都能够被穿透，温度梯度非常小，能够快速地升温和降温，整个烧结过程被大幅度缩短，得到细微的晶粒结构和高密度的烧结产品。不存在阴影效应，被烧结固体材料能够被“整体加热”。快速的烧结过程还可以减少被烧结固体材料表面成分变化，得到性能稳定的产品。但是，间歇式微波烧结设备只能按照预先设定的烧结工艺曲线烧结，一个周期烧结一炉被烧结固体材料，下一批被烧结固体材料必须等上一批被烧结固体材料完成烧结后再装炉进行下一循环的烧结。间歇式烧结设备的产量取决于装炉量和烧结周期的长短。这种烧结方式可以比较容易控制气氛，但是生产效率比较低。因此，研制一种新型的固体材料烧结炉已为急需。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种固体材料烧结炉，具有生产效率高、产量大、节能等特点。

本发明的解决方案是在现有技术的基础上，包括微波源、过渡波导、烧结炉体、保温层、测温仪，保温层置于烧结炉体内，测温仪设置在烧结炉体上，微波源通过过渡波导与烧结炉体相连，其特征在于还包括有进料系统、出料系统、连续传送套管，进料系统通过密封装置与烧结炉体相连接，出料系统通过密封装置与烧结炉体相连接，连续传送套管设置在烧结炉体内的保温层中，且管的一端伸入进料系统中，进料系统位于烧结炉体之上，出料系统位于烧结炉体之下，进料系统、烧结炉体、出料系统呈上、中、下立式布置。这样，由于包括进料系统和出料系统，且烧结物料呈立式连续传送，因而制品的烧结过程连续化，大幅度提供了被烧结固体材料的产量，生产效率大大提高，同时节能，从而达到了本发明的目的，适用于大批量固体材料的加热和烧结。本发明所指的固体材料包括各种陶瓷粉末、金属粉末或其他无机非金属粉末压制而成的胚料或粉体本身，这些胚料需要通过加热烧结成密度更高的块体材料，或者通过粉体本身的加热反应烧成无机固相化合物。

本发明的特征还在于在连续传送套管上设置有一段微波辅助吸收层环绕在连续传送套管外。这样，降低了被烧结固体材料表面和内部的温度梯度，使被烧结区域的温度梯度非常小。同时，微波辐射由微波源产生，并通过过渡波导送入烧结炉体中，微波直接辐射到保温层、微波辅助吸收层和连续传送套管，并穿透这几层材料辐射到陶瓷坩锅和里面的被烧结固体材料中。被烧结固体材料的微波吸收系数大于保温层、连续传送套管和陶瓷坩锅的微波吸收系数。微波辅助吸收层的微波吸收系数与被烧结固体材料的相近。烧结最高温度发生在烧结炉体的中心部位，即连续传送套管在烧结炉体中的中心部位。可实现对烧成温度从800℃至1800℃的各种固体材料进行烧结或加热。

本发明的特征还在于烧结炉体为全金属结构微波多模腔体，其水平横截面形状为圆形或多边形或弧角多边形。这样，烧结炉体的制作更容易，且微波吸收效率更高，成本更低。

本发明的特征还在于微波源和过渡波导沿烧结炉体的四周布置有至少一套。若烧成温度要求高、速度快，则可设置多套，以设置单数套较好，其微波源总功率在3KW-75KW之间，微波频率在900MHz至10GHz之间。

本发明的特征还在于在出料系统和进料系统上分别设置有一组或多组进气口和出气口。这样，特别适合于某些被烧结固体材料在烧结过程中需要气氛保护的场合。

本发明的特征还在于测温仪为红外测温仪，并在保温层和辅助吸收层上设置有供红外测温的观测口。这样，可方便地监测到烧结炉体内的最高烧结温度，方便对烧结温度的调整与控制。

本发明的特征还在于连续传送套管为陶瓷套管。这样，成本相对较低，且热效率高。

本发明的特征还在于进料系统包括进料箱体、两套进料传送系统、两扇进料口密封门，进料箱体包括两个进料腔，其中一扇进料口密封门设置在物料最初进入的进料腔的外端入口处，另一扇进料口密封门设置在两个进料腔之间，两套进料传送系统分别设置在进料腔内。这样，进料系统能很方便地将被烧结固体材料传送至烧结炉体中，同时两扇进料口密封门可以减少烧结炉体内部气氛和外界环境气氛的交换，并且屏蔽微波辐射。

本发明的特征还在于出料系统包括出料箱体、两套出料传送系统、两扇出料口密封门、三个顶头，出料箱体包括两个出料腔，其中一扇出料口密封门设置在物料最终出来的出料腔的外端出口处，另一扇出料口密封门设置在两个出料腔之间，两套出料传送系统分别设置在出料腔内，其中两个顶头安装在出料箱体的出料腔的一侧面，与连续传送套管的轴线在一个平面内并互相垂直，另一个顶头安装在出料箱体的出料腔的下部，与连续传送套管同轴。这样，被烧结固体材料烧结完成后，出料系统能方便地将其传送至炉外，同时两扇出料口密封门可以减少烧结炉体内部气氛和外界环境气氛的交换，并且屏蔽微波辐射。

本发明的特征还在于进料传送系统、进料传送系统、出料传送系统、出料传送系统为链条式传送系统或滚道式传动系统。这样，由于为链条式传送系统或滚道式传动系统，因而结构简单，传送效率高，也可为皮带式传送系统。

(四)附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。1为微波源；2为进料传送系统；3为进料传送系统；4为被烧结固体材料；5为陶瓷坩锅；6为进料口密封门；7为进料口密封门；8为进料箱体；9为出气口；10为密封装置；11为保温层；12为微波铺助吸收层；13为烧结炉体；14为测温仪观测口；15为测温仪；16为密封装置；17为顶头；18为顶头；19为进气口；20为顶头；21为出料箱体；22为出料传送系统；23为出料传送系统；24为出料口密封门；25为出料口密封门；26为陶瓷套管；27为过渡波导；28为进料系统；29为出料系统；30为进料腔；31为进料腔；32为出料腔；33为出料腔。

图2是图1的A-A局部剖视图。

(五)具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

本发明如附图所示，包括微波源1、过渡波导27、烧结炉体13、保温层11、测温仪15，保温层11置于烧结炉体13内，测温仪15设置在烧结炉体13上，微波源1通过过渡波导27与烧结炉体13相连，其特征在于还包括有进料系统28、出料系统29、连续传送套管26，进料系统28通过密封装置10与烧结炉体13相连接，出料系统29通过密封装置16与烧结炉体13相连接，连续传送套管26设置在烧结炉体13内的保温层11中，且管的一端伸入进料系统28中，进料系统28位于烧结炉体13之上，出料系统29位于烧结炉体13之下，进料系统28、烧结炉体13、出料系统29呈上、中、下立式布置。

本发明的特征还在于在连续传送套管26上设置有一段微波辅助吸收层12环绕在连续传送套管26外。

本发明的特征还在于烧结炉体13为全金属结构微波多模腔体，其水平横截面形状为圆形或多边形或弧角多边形。如图2所示，烧结炉体13的水平横截面形状为四边形。

本发明的特征还在于微波源1和过渡波导27沿烧结炉体13的四周布置有至少一套。如图1和图2所示，微波源1和过渡波导27沿烧结炉体13的四周为设置一套的情形。

本发明的特征还在于在出料系统29和进料系统28上分别设置有一组或多组进气口19和出气口9。如图1所示，进气口19和出气口9为设置一组的情形。

本发明的特征还在于测温仪15为红外测温仪，并在保温层11和辅助吸收层12上设置有供红外测温的观测口14。

本发明的特征还在于连续传送套管26为陶瓷套管。

本发明的特征还在于进料系统28包括进料箱体8、两套进料传送系统2和3、两扇进料口密封门6和7，进料箱体8包括两个进料腔30和31，其中一扇进料口密封门6设置在物料最初进入的进料腔30的外端入口处，另一扇进料口密封门7设置在两个进料腔30和31之间，两套进料传送系统3和2分别设置在进料腔30和31内。

本发明的特征还在于出料系统29包括出料箱体21、两套出料传送系统22和23、两扇出料口密封门24和25、三个顶头17、18和20，出料箱体21包括两个出料腔32和33，其中一扇出料口密封门24设置在物料最终出来的出料腔33的外端出口处，另一扇出料口密封门25设置在两个出料腔32和33之间，两套出料传送系统23和22分别设置在出料腔33和32内，其中两个顶头17和18安装在出料箱体21的出料腔32的一侧面，与连续传送套管26的轴线在一个平面内并互相垂直，另一个顶头20安装在出料箱体21的出料腔32的下部，与连续传送套管26同轴。

本发明的特征还在于进料传送系统2、进料传送系统3、出料传送系统22、出料传送系统23为链条式传送系统或滚道式传动系统。

本发明如附图所示，微波源1通过过渡波导27与烧结炉体13连接，微波从一侧向烧结炉体13馈入，过渡波导27轴线垂直于烧结炉体13中心轴线。烧结炉体13的内壁形状可以是边大于等于4的正多边形柱或者圆柱形。烧结炉体13的中心的陶瓷套管26垂直放置，陶瓷套管26上接进料箱体8，下接出料箱体21。陶瓷套管26通过密封装置10和16分别与烧结炉体13的上开口和下开口密封连接，密封装置10和16图示为密封环，陶瓷套管26为薄壁的耐高温陶瓷长管。烧结炉体13外中心装有一个红外测温仪15，红外测温仪15的轴线与陶瓷套管26的轴线在一个平面内并互相垂直。烧结炉体13内的中心部分有一段微波辅助吸收层12环绕在陶瓷套管26外，微波辅助吸收层12是圆桶状，内径大于陶瓷套管26的外径，高度小于陶瓷套管26在烧结炉体13内的长度。陶瓷套管26在烧结炉体13内的部分均被包裹在一层保温层11中。保温层11和微波辅助吸收层12中心正对红外测温仪15的部分留有一个观测口14，红外测温仪15可以通过观测口14直接测量陶瓷套管26表面温度。进料箱体8包括两个进料腔30和31，通过进料口密封门6和进料口密封门7使内部气氛与外界环境隔离。进料口传送系统2和进料口传送系统3置于进料箱体8内，被烧结固体材料4置于陶瓷坩锅5内，陶瓷坩锅5的外径略小于陶瓷套管26的内径，同时，进料箱体8上有出气口9。与进料箱体8类似，出料箱体21也包括出料腔32和33，通过出料口密封门24和出料口密封门25使箱体内部气氛与外界环境隔离。出料传送系统22和出料传送系统23置于出料箱体21内，出料箱体21上装有进气口19。与进料箱体8不同的是，出料箱体21内还装有3个顶头，顶头17与顶头18并列安装在出料箱体21一侧，与陶瓷套管26的轴线在一个平面内并互相垂直，两个顶头的间距约一个坩锅的高度，做前后运动；顶头20装在出料箱体21的下部，与陶瓷套管26同轴，做上下运动。烧结炉工作时，被烧结固体材料4置于陶瓷坩锅5中，通过进料口密封门6进入进料箱体8的进料腔30中，在进料口密封门6打开的同时，进料口密封门7关闭；当若干个坩锅5进入进料箱体后，进料口密封门6关闭，进料口密封门7打开，进料口传动系统3将陶瓷坩锅5传送到进料箱体8的进料腔31中；然后进料口密封门7关闭，这样，不断地将陶瓷坩锅5传送到进料箱体8中，两道密封门可以减少烧结炉体内部气氛和外界环境气氛的交换。

在陶瓷坩锅5进入进料箱体8的进料腔31中后，陶瓷坩锅5通过进料传送系统2传送到陶瓷套管26的上部入口处，陶瓷坩锅5在陶瓷套管26中垂直叠放，一直到陶瓷套管26的底部。由顶头20顶住陶瓷套管26中的所有陶瓷坩锅，顶头20在控制系统控制下缓慢下降，整个叠加起来的陶瓷坩锅5都随之下降并在下降过程中完成升温、烧结和降温的过程。当顶头20下降到一定位置时，顶头17横向运动，夹住紧靠着最下面一个坩锅上方的一个坩锅，并托住陶瓷套管内的所有坩锅。这时，顶头20继续下降，到一定位置时，顶头18横向运动，将最下面的一个坩锅推到出料传送系统22上，然后顶头18迅速收回，顶头20上升至顶头17夹住的那一个坩锅下，并托住此坩锅，这时，顶头17缩回，顶头20继续在控制系统控制下缓慢下降并重复上述动作。

当推到出料传送系统22上的坩锅足够多的时候，出料口密封门25打开，出料传送系统22将坩锅5传送出出料箱体21的出料腔32的内部，传送到出料传送系统23上，这时，出料口密封门25关闭，出料口密封门24打开，出料传送系统23将这些已经完成烧结的坩锅5和被烧结固体材料4传送出出料腔33，完成烧结过程，然后出料口密封门24关闭，并重复上述操作。

在上述过程中，微波源1处于开启状态，通过过渡波导27不断向烧结炉体13中发射大功率微波，进入陶瓷套管26的置于坩锅5中的被烧结固体材料4吸收微波能量，被自身材料与微波电磁场耦合效应产生的热能加热，坩锅5在陶瓷套管26中下降的同时，被烧结固体材料4温度不断升高，当坩锅5位置处于烧结炉体13中心部位时，被烧结固体材料4的温度达到最高，进行烧结过程，当坩锅5继续下降，被烧结固体材料4温度降低，到达陶瓷套管26下端出口的时候，温度已经下降到接近环境温度，烧结过程完成。中心最高烧结温度通过红外测温仪15进行测量，在保温层11和辅助吸收层12上留有供红外测温的观测口14。微波辅助吸收层12的作用是吸收部分微波，产生较高温度以降低坩锅5和被烧结固体材料4表面的温度损失，减小陶瓷套管26内外的温度梯度。保温层11能够保持大部分热量集中在陶瓷套管26内部，减少热量向炉体13的传递。如果被烧结固体材料4有烧结气氛要求，可以通过出料箱体21上的进气口19送入气体，从进料箱体8上的出气口9排出气体。

本发明实施时，烧结炉体13、进料箱体8和出料箱体21可由不锈钢钣金焊接而成，炉体可为边长400毫米、高400毫米的正方形桶。被烧结固体材料4，如为铁氧体硬磁材料，压胚外径25毫米，高10毫米的圆环件，重12克。坩锅5可采用氧化铝坩锅，坩锅5内壁尺寸为直径30毫米，外壁尺寸直径35毫米，高30毫米。每个坩锅中可以放置1至2个被烧结固体材料4。陶瓷套管26可为高纯氧化铝长管，管长520毫米，内径38毫米，外径45毫米。微波源1可选用QW-5型5KW单管微波源。微波辅助吸收层12所用材料可为四氧化三锰大颗粒填料。保温层11可为硅酸盐纤维棉。密封装置10和16可采用密封环，图示密封环均为镁碳耐火密封环，密封间隙小于0.1毫米。烧结温度可通过Marathon MA1S红外测温仪进行测量和监控。进料和出料传送系统可采用步进电机带动的链条传递方式。进料口和出料口密封门均可由小型油缸驱动。出料箱21体内的三个顶头也可由小型油缸驱动。各驱动系统均可由计算机综合控制。坩锅5在陶瓷套管26中的下降速度可为15毫米/分钟，也就是说，每2分钟就有一个烧结完成的坩锅5及其中的被烧结固体材料4从陶瓷套管26中送出。

Claims (10)

1. 一种固体材料烧结炉，包括微波源(1)、过渡波导(27)、烧结炉体(13)、保温层(11)、测温仪(15)，保温层(11)置于烧结炉体(13)内，测温仪(15)设置在烧结炉体(13)上，微波源(1)通过过渡波导(27)与烧结炉体(13)相连，其特征在于还包括有进料系统(28)、出料系统(29)、连续传送套管(26)，进料系统(28)通过密封装置(10)与烧结炉体(13)相连接，出料系统(29)通过密封装置(16)与烧结炉体(13)相连接，连续传送套管(26)设置在烧结炉体(13)内的保温层(11)中，且管的一端伸入进料系统(28)中，进料系统(28)位于烧结炉体(13)之上，出料系统(29)位于烧结炉体(13)之下，进料系统(28)、烧结炉体(13)、出料系统(29)呈上、中、下立式布置。

2. 根据权利要求1所述的一种固体材料烧结炉，其特征在于在连续传送套管(26)上设置有一段微波辅助吸收层(12)环绕在连续传送套管(26)外。

3. 根据权利要求1所述的一种固体材料烧结炉，其特征在于烧结炉体(13)为全金属结构微波多模腔体，其水平横截面形状为圆形或多边形或弧角多边形。

4. 根据权利要求1所述的一种固体材料烧结炉，其特征在于微波源(1)和过渡波导(27)沿烧结炉体(13)的四周布置有至少一套。

5. 根据权利要求4所述的一种固体材料烧结炉，其特征在于在出料系统(29)和进料系统(28)上分别设置有一组或多组进气口(19)和出气口(9)。

6. 根据权利要求4所述的一种固体材料烧结炉，其特征在于测温仪(15)为红外测温仪，并在保温层(11)和辅助吸收层(12)上设置有供红外测温的观测口(14)。

7. 根据权利要求1所述的一种固体材料烧结炉，其特征在于连续传送套管(26)为陶瓷套管。

8. 根据权利要求1至7中任一权利要求所述的一种固体材料烧结炉，其特征在于进料系统(28)包括进料箱体(8)、两套进料传送系统(2)和(3)、两扇进料口密封门(6)和(7)，进料箱体(8)包括两个进料腔(30)和(31)，其中一扇进料口密封门(6)设置在物料最初进入的进料腔(30)的外端入口处，另一扇进料口密封门(7)设置在两个进料腔(30)和(31)之间，两套进料传送系统(3)和(2)分别设置在进料腔(30)和(31)内。

9. 根据权利要求8所述的一种固体材料烧结炉，其特征在于出料系统(29)包括出料箱体(21)、两套出料传送系统(22)和(23)、两扇出料口密封门(24)和(25)、三个顶头(17)、(18)和(20)，出料箱体(21)包括两个出料腔(32)和(33)，其中一扇出料口密封门(24)设置在物料最终出来的出料腔(33)的外端出口处，另一扇出料口密封门(25)设置在两个出料腔(32)和(33)之间，两套出料传送系统(23)和(22)分别设置在出料腔(33)和(32)内，其中两个顶头(17)和(18)安装在出料箱体(21)的出料腔(32)的一侧面，与连续传送套管(26)的轴线在一个平面内并互相垂直，另一个顶头(20)安装在出料箱体(21)的出料腔(32)的下部，与连续传送套管(26)同轴。

10. 根据权利要求9所述的一种固体材料烧结炉，其特征在于进料传送系统(2)、进料传送系统(3)、出料传送系统(22)、出料传送系统(23)为链条式传送系统或滚道式传动系统。

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