CN100592835C - 大型真空热压炉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大型真空热压炉，包括电炉主体，电炉主体包括炉壳、炉壳底部升降装置、炉壳内的感应发热装置；炉壳底部升降装置包括上料升降平台、电机、支撑在上料升降平台底部的三根平面导向柱和两根由一台电机同步驱动的调节丝杆；感应发热装置包括感应器、炉衬；位于感应器的感应线圈和石墨发热筒之间的炉衬结构周围分别设置有耐火绝热层、电气绝缘层。利用该真空热压炉，可使进出料过程更加的精确安全可靠，满足真空密封性能的要求，显著提高上料升降平台的平面度。采用感应加热方式可使升温速度显著得到提高，此外，由于其发热体为石墨感受筒，在高温下仍具有较高的强度，即使石墨模具在受压条件下发生破裂也不会损伤发热元件。

Description

大型真空热压炉

技术领域

本发明与陶瓷材料的烧结有关，涉及陶瓷材料在真空或保护气氛中进行加热、烧结的设备，具体地说，涉及一种大型真空热压炉。

背景技术

中频感应真空热压炉属于周期式作业的电炉。原底装料机构一般采用气缸或液压缸顶升机构来完成立式真空炉从炉体底部装料过程。由于气缸或液压缸在往复运动的过程中其稳定性能差，冲击性强，且较难控制升降平台的精确度和工作料台的平面度以及工作料台与炉体真空密封性能。现有技术中，也有采用丝杆升降装置的，但在升降装置中由于仅采用两根平面导向柱进行导向，仍难以保证上料升降平台的平面度。

此外，现有技术中的普通真空热压炉所采用的是真空电阻加热方式，利用石墨管进行加热，在加热过程中，其升温速率较慢；而在热压过程中，还会因石墨模具易在受压条件下发生破裂而使加热用石墨管遭到损坏。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术所存在的不足，提供一种大型真空热压炉，利用本发明可使进出料过程更加的精确安全可靠，满足真空密封性能的要求，显著提高上料升降平台的平面度。采用感应加热方式使得升温速度得到显著的提高。由于其发热体为石墨感受筒，在高温下仍具有较高的强度，即使石墨模具在受压条件下发生破裂也不会损伤发热元件。

本发明的目的是这样实现的：

大型真空热压炉，包括电炉主体，所述的电炉主体包括炉壳、炉壳底部的升降装置、炉壳内的感应发热装置；所述的炉壳底部升降装置包括上料升降平台、电机、支撑在上料升降平台底部的平面导向柱和调节丝杆；其特征在于，

所述的平面导向柱为三根；所述的调节丝杆为两根并且由一台电机同步驱动；

所述的感应发热装置包括感应器、炉衬；

所述的感应器包括由紫铜管绕制而成的感应线圈和石墨感受筒；位于感应器的感应线圈和石墨感受筒之间的炉衬结构由耐火绝热层和电气绝缘层两部分组成；

所述电炉主体的功率和感应器的匝数通过以下公式计算得出：

其中，

电炉的功率P＝0.6·F^0.76(T/1000)^2.53    单位kW

式中，F为有效加热区的表面积            单位dm²

T为加热温度                            单位K(开尔文)

感应器的匝数计算：

1)石墨发热体的直径                     d单位cm

2)石墨发热体的高度                     h单位cm

3)感应器的直径                         D单位cm

4)感应器的高度                         H单位cm

5)感应器透入深度 $\mathrm{\δ}1=5033\·\sqrt{\mathrm{\ρ}1/f}$    单位cm

式中ρ1为铜的比电阻                    单位Ω·cm

f为中频电源的频率                      单位Hz

6)石墨发热体的透入深度 $\mathrm{\δ}2=5033\·\sqrt{\mathrm{\ρ}2/f}$ 单位cm

式中，ρ2为石墨的比电阻                单位Ω·cm

f为中频电源的频率                      单位Hz

7)石墨发热体的计算直径d′＝d-δ2       单位cm

8)感应器单匝电阻R01＝ρ1·(π·D/K3·δ1·H)     单位Ω

K3为填充系数

9)石墨发热体单匝电阻R02＝ρ2·(π·d′/δ2·h)   单位Ω

10)感应器自感系数 $L01=\frac{{\mathrm{\π}}^2{D}^2}{H}\·\mathrm{\α}1$ 单位cm

式中，α1为感应器长度系数

11)墨发热体自感系数 $L02=\frac{{\mathrm{\π}}^2{d}^2}{h}\·\mathrm{\α}2$ 单位cm

式中，α2为石墨发热体长度系数

12)感应器-石墨发热体系统互感系数 $M12=\frac{{\mathrm{\π}}^2{d}^2}{2h}\·\sqrt{F}$ 单位cm

式中，F为感应器几何尺寸系数

13)角频率ω＝2πf

14)感应器的电抗X01＝ω·L01×10-9          单位Ω

15)石墨发热体的电抗X02＝ω·L02×10-9               单位Ω

16)感应器-石墨发热体系统互感电抗X02＝ω·M12×10-9  单位Ω

17)感应器-石墨发热体系统变换系数 $A^2=\frac{{X12}^2}{{R02}^2+{X02}^2}$

18)炉子的折算电阻R0＝R01+A2R02            单位Ω

19)炉子的折算电抗X0＝X01-A2X02            单位Ω

20)炉子的折算阻抗 $Z0=\sqrt{{R0}^2+{X0}^2}$ 单位Ω

21)炉子的输入电压U0                       单位V

22)安匝数 $I0=\sqrt{P\×{10}^3/R0}$ 单位A

23)匝间电压U1＝Z0·I0                     单位V

24)感应器匝数n＝U0/U1。

上述的大型真空热压炉，其中，

所述的耐火绝热层设置在石墨感受筒与感应线圈之间，由石墨毡制品和石墨砖制品组合而成。

所述的电气绝缘层设置在感应线圈的外围，采用高强度绝缘清漆喷涂烘干后包扎云母包带制成。

所述上料升降平台的上、下运动的极限位置分别设置有两套行程开关。

所述上料升降平台运行过程中其总体平面度≤0.2mm。

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1、本发明炉壳底部升降装置采用三根平面导向柱来进行底装料的操作控制；两根丝杆采用一台电机驱动，确保了两根丝杆的同步性。丝杆传动在升降过程中运行平稳可靠，定位方便精确，上料平台的升降高度可随意调节，以适应不同高度料盘的升降过程。

2、丝杆传动选用不同减速比的电机进行驱动，因此其速度可灵活调整，非常有利于满足用户所需的不同的底装料升降速度要求。电机在运行过程中采用变频调速，在不同的加料阶段采用相应的提升速度，使得进出料过程更加的精确安全可靠，并能满足真空密封性能的要求。

3、本发明的电炉采用中频感应加热方式，发热体为石墨感受筒，升温速率较快。发热体为δ＝50mm的厚壁石墨感受筒，在高温下强度较高，即使石墨模具在受压条件下发生破裂也不会损伤发热元件。

4、本发明运用感应加热器通入水冷，在大功率中频电源的工作下，发生电磁感应产生热量，并在数分钟内迅速升温。当中频电源断电时，冷却水将工件及炉膛内的热量带走，达到快速降温的目的。从而，解决了较高压力下对于应用于航天、核工业及国防尖端技术领域的特种难熔金属的烧结和高温陶瓷材料烧结的工艺难题，结构上还满足了感应加热过程中所必须符合的升温、降温的速率控制要求。其精确、稳定、可靠的底装料机构尤其是所采用的双丝杆传动设计，使工人的劳动强度大大降低。传动后的炉盖能很好地起到密封作用，同时，精致的水冷循环，使得炉盖不变形，使用寿命更长。

附图说明

通过以下实施例并结合其附图的描述，可以进一步理解其发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1为本发明大型热压加热炉的总体装配结构示意图；

图2为图1中A-A线的剖视结构示意图；

图3为图1中炉壳底部升降装置的结构示意图；

图4为图3的左视结构示意图；

图5为图3的俯视结构示意图；

图6为图1中感应发热装置的结构示意图；

图7为图6的俯视结构示意图；

图8为图6中I部的放大结构示意图。

具体实施方式

如图1、2所示的本发明真空热压炉是一个在真空(或保护气氛)状态下采用中频感应方式进行加热的周期式电炉。它包括由四根立柱19支撑的上、下安装座1、9，电炉主体通过连接件分别与四根立柱19固定相连，电炉主体主要包括炉盖3、炉衬4、炉壳5、炉壳底部的升降装置8、炉壳5内的感应发热装置。已装好粉料的热压模具采用底装料方式，通过底部上料平台7装入炉膛内，使得热压模具位于石墨发热体的中间位置。炉壳5、真空系统10和充气系统可使炉膛始终保持在真空或保护气氛状态下。

如图3、4、5所示，本发明炉壳底部的升降装置8包括上料升降平台7、电机85、支撑在上料升降平台7底部的平面导向柱89和调节丝杆84。导向柱89通过安装座81固定，依靠导向套筒82进行导向，支撑台83与导向套筒82、丝杆84相连，当丝杆84运转时带动导向套筒83按照导向套筒82的导向路径上下运行，支撑台83再带动上料平台7完成整个进出料过程。

本实施例中，采用两根丝杆84的同步传动来带动上料平台7上升进入加热炉膛。在底装料的升降运动过程中，为了确保上料平台7的平稳升降并保持在有效升降高度范围内的升降精确度和上料平台7平面的水平度，根据三点确定一个平面的原理，采用了三根平面导向柱89来进行底装料的操作。两根丝杆84采用一台电机85进行驱动，以确保两根丝杆84传动的同步性。丝杆84在升降过程中的运行平稳可靠，定位方便精确且可任意调节上料平台7的升降高度，可适应不同高度料盘的升降过程。采用三根平面导向柱89可保证上料平台7在升降过程中始终处于同一个水平面。

实际测量得出：上料升降平台7在运行过程中，其平面度可控制在0.2mm以内，且在高温条件下不产生变形。两根丝杆84的传动选用不同减速比的电机85进行驱动使其速度可调，可很方便的满足用户所需的底装料升降速度要求。电机85在运行过程中采用变频调速，在不同的加料阶段采用相应的提升速度，使得进出料过程更加精确，且安全可靠。通过馈电装置11将炉体外的中频电源以及线圈的冷却水引入至炉膛内的感应线圈62处，从而确保了电炉主体的真空密封性能。

为了确保操作过程的安全可靠，本发明在上料升降平台7的上下运动的极限位置分别采用上、下各两套行程开关87、88进行控制。当上料平台7上升或下降过程中碰到上或下两套行程开关87、88中的任意一套即发出信号，传动电机停止运转，上料平台7上升或下降到位。这样可避免由于单个行程开关在使用过程中失效，在上料平台7上升或下降到位时还不能及时发出信号给控制系统停止传动电机85的运转而造成对电机85或两根丝杆84的损坏。

如图6、7、8所示，位于炉膛内的感应发热装置包括感应器6、炉衬4，感应器6包括由紫铜管绕制而成的感应线圈62和石墨感受筒61。工作时，该感应发热装置可以被认为是一个空心变压器，感应器6的绕组包括初级与次级，其中，初级绕组是由紫铜管绕制而成的感应线圈62，而次级绕组是石墨感受筒61。在初级紫铜管绕组中通入中频电流，建立交变磁通，此磁通同样在次级绕组石墨感受筒61中产生足够高的感应电势，从而，在平行于感应器6的石墨感受筒61外侧面上产生涡流。在石墨感受筒61的侧面上产生很大的感应电流，而且由边缘急剧的减少，在比较薄的石墨感受筒61表层感应电流达到很高的数值，依靠感应电流所发出的高热量来达到加热工件的目的。

位于感应器6的感应线圈62和石墨感受筒61之间的炉衬4结构主要由耐火绝热层63和电气绝缘层64两部分组成。耐火绝热层63设置在石墨感受筒61与感应线圈62之间，由石墨毡制品和石墨砖制品组合而成。电气绝缘层64设置在感应线圈62的外围，采用高强度绝缘清漆喷涂烘干后包扎云母包带制成。耐火绝热层63使发热体产生的高温集中于炉膛内，尽量减少热损失，电气绝缘层64保证了感应器6的电气绝缘。

通过以下公式计算的出本发明电炉主体的功率和感应器6的匝数。

电炉主体的功率计算：

P＝0.6·F^0.76(T/1000)^2.53                    单位kW

式中，F为有效加热区的表面积                  单位dm²

T为加热温度                                  单位K(开尔文)

感应器6的匝数计算：

1)石墨发热体的直径d单位cm

2)石墨发热体的高度h单位cm

3)感应器的直径D单位cm

4)感应器的高度H单位cm

5)感应器透入深度 $\mathrm{\δ}1=5033\·\sqrt{\mathrm{\ρ}1/f}$ 单位cm

式中ρ1为铜的比电阻                           单位Ω·cm

f为中频电源的频率                             单位Hz

6)石墨发热体的透入深度 $\mathrm{\δ}2=5033\·\sqrt{\mathrm{\δ}2/f}$ 单位cm

式中ρ2为石墨的比电阻                         单位Ω·cm

f为中频电源的频率                             单位Hz

7)石墨发热体的计算直径d′＝d-δ2              单位cm

8)感应器单匝电阻R01＝ρ1·(π·D/K3·δ1·H)  单位Ω

式中，K3为填充系数

9)石墨发热体单匝电阻R02＝ρ2·(π·d′/δ2·h)单位Ω

10)感应器自感系数 $L01=\frac{{\mathrm{\π}}^2{D}^2}{H}\·\mathrm{\α}1$ 单位cm

式中，α1为感应器长度系数

11)石墨发热体自感系数 $L02=\frac{{\mathrm{\π}}^2{d}^2}{h}\·\mathrm{\α}2$ 单位cm

式中，α2为石墨发热体长度系数

12)感应器-石墨发热体系统互感系数 $M12=\frac{{\mathrm{\π}}^2{d}^2}{2h}\·\sqrt{F}$ 单位cm

式中，F为感应器几何尺寸系数

13)角频率ω＝2πf

14)感应器的电抗X01＝ω·L01×10^-9      单位Ω

15)石墨发热体的电抗X02＝ω·L02×10^-9  单位Ω

16)感应器-石墨发热体系统互感电抗X02＝ω·M12×10^-9单位Ω

17)感应器-石墨发热体系统变换系数 $A^2=\frac{{X12}^2}{{R02}^2+X{02}^2}$

18)炉子的折算电阻R0＝R01+A2R02  单位Ω

19)炉子的折算电抗X0＝X01-A2X02  单位Ω

20)炉子的折算阻抗 $Z0=\sqrt{{R0}^2+{X0}^2}$ 单位Ω

21)炉子的输入电压U0    单位V

22)安匝数 $I0=\sqrt{P\×{10}^3/R0}$ 单位A

23)匝间电压U1＝Z0·I0  单位V

24)感应器匝数n＝U0/U1

本发明大型真空热压炉的生产工艺过程大致如下：

本发明中频电源采用可控硅变频装置。在加热过程中当炉内温度低于1000℃时采用热电偶测温装置2测量炉内温度；当炉内温度高于1000℃时，热电偶测温装置2退出加热区，采用热红外测温装置13测量炉膛内的温度。

当炉膛内温度达到热压工作温度时，上、下千斤顶12、18动作，将模具中的粉料压制到工艺要求的高度后保温烧结。烧结过程按照工艺需要进行保温。烧结结束后，可向炉壳内通入Ar气进行冷却。当冷却到室温时就可出料完成整个热压烧结工艺。

炉壳底部的升降装置8采用一台减速机同时带动两根同步丝杆84完成上料升降平台7的升降动作，当上料升降平台7上升到位后，采用手动固定螺栓进行锁紧，使得电炉主体在运行的过程中其上料升降平台7与炉壳5始终保持良好的密封性能。在炉盖3上和上料平台7上分别设置有Φ320的上、下压头14、17，上、下压头14、17的直径可根据用户的需要进行适当调整。上、下压头14、17分别由固定在电炉主体支架上、下安装座1、9上的上、下液压千斤顶12、18驱动，完成热压烧结工艺。在炉膛的内压头16材料为石墨，通过石墨螺母15固定在上压头14上。上、下压头14、17的有效行程可根据用户需要适当进行调整，本实施例中，上、下压头14、17的有效行程为200mm。

Claims (3)

1、大型真空热压炉，包括电炉主体，所述的电炉主体包括炉壳、炉壳底部的升降装置、炉壳内的感应发热装置；所述的炉壳底部升降装置包括上料升降平台、电机、支撑在上料升降平台底部的平面导向柱和调节丝杆；其特征在于，

所述的平面导向柱为三根；所述的调节丝杆为两根并且由一台电机同步驱动；

所述的感应发热装置包括感应器、炉衬；

所述的感应器包括由紫铜管绕制而成的感应线圈和石墨感受筒；位于感应器的感应线圈和石墨感受筒之间的炉衬结构由耐火绝热层和电气绝缘层两部分组成；

所述电炉主体的功率和感应器的匝数通过以下公式计算得出：

其中，

电炉的功率P＝0.6·F^0.76(T/1000)^2.53    单位kW

式中，F为有效加热区的表面积            单位dm²

T为加热温度                            单位K(开尔文)

感应器的匝数计算：

1)石墨发热体的直径                     d单位cm

2)石墨发热体的高度                     h单位cm

3)感应器的直径                         D单位cm

4)感应器的高度                         H单位cm

5)感应器透入深度 $\mathrm{\δ}1=5033\·\sqrt{\mathrm{\ρ}1/f}$ 单位cm

式中ρ1为铜的比电阻                    单位Ω·cm

f为中频电源的频率                      单位Hz

6)石墨发热体的透入深度 $\mathrm{\δ}2=5033\·\sqrt{\mathrm{\ρ}2/f}$ 单位cm

式中，ρ2为石墨的比电阻                        单位Ω·cm

f为中频电源的频率                              单位Hz

7)石墨发热体的计算直径d′＝d-δ2               单位cm

8)感应器单匝电阻R01＝ρ1·(π·D/K3·δ1·H)   单位Ω

K3为填充系数

9)石墨发热体单匝电阻R02＝ρ2·(π·d′/δ2·h) 单位Ω

10)感应器自感系数 $L01=\frac{{\mathrm{\π}}^2{D}^2}{H}\·\mathrm{\α}1$ 单位cm

式中，α1为感应器长度系数

11)石墨发热体自感系数 $L02=\frac{{\mathrm{\π}}^2{d}^2}{h}\·\mathrm{\α}2$ 单位cm

式中，α2为石墨发热体长度系数

12)感应器-石墨发热体系统互感系数 $M12=\frac{{\mathrm{\π}}^2{d}^2}{2h}\·\sqrt{F}$ 单位cm

式中，F为感应器几何尺寸系数

13)角频率ω＝2πf

14)感应器的电抗X01＝ω·L01×10-9                  单位Ω

15)石墨发热体的电抗X02＝ω·L02×10-9              单位Ω

16)感应器-石墨发热体系统互感电抗X02＝ω·M12×10-9 单位Ω

17)感应器-石墨发热体系统变换系数 $A^2=\frac{X{12}^2}{R{02}^2+X{02}^2}$

18)炉子的折算电阻R0＝R01+A2R02                     单位Ω

19)炉子的折算电抗X0＝X01-A2X02                     单位Ω

20)炉子的折算阻抗 $Z0=\sqrt{{R0}^2+{X0}^2}$ 单位Ω

21)炉子的输入电压U0                                单位V

22)安匝数 $I0=\sqrt{P\×{10}^3/R0}$ 单位A

23)匝间电压U1＝Z0·I0                              单位V

24)感应器匝数n＝U0/U1。

2、根据权利要求1所述的大型真空热压炉，其特征在于，所述上料升降平台的上、下运动的极限位置分别设置有两套行程开关。

3、根据权利要求1或2所述的大型真空热压炉，其特征在于，所述上料升降平台运行过程中其总体平面度≤0.2mm。

Images