CN101183093A

CN101183093A - 一种非金属材料高温膨胀力的测定装置及其使用方法

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Publication number: CN101183093A
Application number: CNA2007100537971A
Authority: CN
Inventors: 葛山; 尹玉成
Original assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Current assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Priority date: 2007-11-08
Filing date: 2007-11-08
Publication date: 2008-05-21
Anticipated expiration: 2027-11-08
Also published as: CN101183093B

Abstract

本发明涉及一种非金属材料高温膨胀力的测定装置及其使用方法。该装置包括水冷高温密封室、温度控制系统、测力装置、抽真空装置和气源。水冷高温密封室是在水冷密封室3的底部中心固定的金属水冷底座24上同心安装有平面轴承21，调节螺母25装入平面轴承21内；放在金属水冷下支座19上的待测试样8的外部设置有石墨环26、感应线圈4，感应线圈4与感应炉1的输出端连接；温度控制系统是红外测温仪14的接收端对准试样8，计算机15分别与红外测温仪14、感应炉1连接；测力装置的活动压头9压在水冷压头7上，测力传感器22与计算机15连接。本发明结构简单、体积小、升温速率快、使用温度高、维护量少、能在各种气氛下进行测定。

Description

一种非金属材料高温膨胀力的测定装置及其使用方法

技术领域：

本发明属于非金属材料性能的测定装置及其使用方法。具体涉及一种非金属材料高温膨胀力的测定装置及其使用方法。

背景技术：

高温膨胀力是非金属材料的一项力学性能。测定非金属材料高温下的膨胀力，需要将非金属材料加热到所需的测定温度，不同的加热装置所采用的加热体不同：一是用传统的加热体，即加热材料是用电炉丝作为发热体，其升温速率慢，测定温度低；二是用贵金属做发热体，如铂金丝、铂铑带，价格昂贵，测试温度可以提高，升温速率依然很慢，并且贵金属发热体极易损坏，需经常维护；三是用碳化硅棒或硅钼棒做发热体，由于发热体结构及尺寸的原因，加热设备需做的很大，因此测力装置体积也要很大才能放下加热设备。

另外，上述设备的发热体只能在氧化气氛下工作，再加上上述设备整体密封困难，从而使得设备无法在真空或保护性气体气氛下工作。因此，采用上述发热元件制成的高温膨胀力测定设备限制了设备的使用范围，使许多在高温下易氧化的材料和需要在真空或保护性气体气氛下工作的材料无法测定高温膨胀力值。

发明内容：

本发明旨在解决上述问题，目的是提供一种结构简单、体积小、升温速率快、使用温度高、维护量少、能在空气气氛或真空气氛或保护性气氛下测定非金属材料的高温膨胀力的装置及其使用方法。

为实现上述任务，本发明采用的技术方案是：该装置包括水冷高温密封室、温度控制系统、测力装置、抽真空装置和气源。其具体结构分别是：

水冷高温密封室的结构是：在水冷密封室的底部中心固定有金属水冷底座，在金属水冷底座的内平台上同心安装有平面轴承，调节螺母的凸起部分同心装入平面轴承内，金属水冷支座的下端与调节螺母螺纹联接；待测高温膨胀力的试样放在金属水冷支座上，水冷压头的下端压在待测试样的上端，水冷压头的上端伸出水冷密封室，水冷压头和水冷密封室之间采用密封圈密封；待测试样的外部同心设置有石墨环，在石墨环外同心套有感应线圈，石墨环与感应线圈等高，感应线圈通过绝缘垫圈与感应炉的输出端连接。

温度控制系统的结构是：在水冷密封室的一侧设置有石英玻璃窗，石英玻璃窗的外部设有红外测温仪，红外测温仪的接收端与石英玻璃窗的中心、石墨环的圆孔中心、待测试样的中心位于同一条直线上；红外测温仪的接收端对准试样，红外测温仪的输出端与计算机连接，计算机内的控温程序与感应炉的控制端连接。

测力装置的结构是：在刚性支架的一端内侧装有测力传感器，刚性支架的另一端内侧装有活动压头，活动压头和测力传感器位于同一轴线，活动压头压在水冷压头上，测力传感器与计算机连接。

抽真空装置和气源包括抽真空装置、气源，抽真空装置、气源分别与水冷密封室的内室相通。

在上述技术方案中：所述的水冷压头为活动式，水冷压头的上端在加温前伸出水冷密封室的长度为5～10mm。

所述的石墨环的壁厚为2～20mm，在石墨环的环壁中部的一侧开有一直径为10～15mm的圆孔；石墨环的高度或为圆柱体试样直径的1～2倍、或为长方体试样横截面边长的1～2倍。

所述的待测试样若为圆柱体时，该圆柱体与石墨环内壁的间隙为1～5mm；待测试样若为长方体时，该长方体的横截面四角与石墨环内壁的间隙为1～5mm；石墨环与感应线圈的间隙为2～10mm

所述的抽真空装置或使用或不使用，使用时抽真空至水冷密封室内的剩余压力小于2500Pa；气源为N₂、Ar、CO₂气体中的一种或一种以上。

所述的感应炉或为中频感应炉、或为超音频感应炉，功率为1～100KW，工作电压为380V，升温速率为1～150℃/分，加热温度为室温～2000℃；中频感应炉的工作频率为200～2600HZ；超音频感应炉的工作频率为10～45KHZ。

本装置的使用方法是：非金属材料高温膨胀力的测定在或为空气、或为真空、或为保护性气氛条件下进行，非金属材料高温膨胀力值或为在升温过程中测定，或为在给定的预压力下在升温过程中和保温过程中测定。

非金属材料高温膨胀力的测定过程是：先打开水冷密封室，将金属水冷下支座、调节螺母、平面轴承连同金属水冷底座和定位销一起取出，在感应线圈内放入石墨环，在石墨环内装入待测试样，还原推进金属水冷下支座、调节螺母、平面轴承、金属水冷底座和定位销；再调整金属水冷下支座、待测试样和活动的水冷压头在同一轴线上，旋转调节螺母，使水冷压头的上端伸出5～10mm于水冷密封室外，调整活动压头，压紧待测试样；然后关闭水冷密封室的水冷密封门，打开冷却水进水管和冷却水出水管；最后启动计算机内的控温程序，接通中频感应炉和红外测温仪的电源开关，以10～120℃/分的升温速率对待测试样进行加热，红外测温仪监控升温过程；计算机自动记录并保存待测试样在升温过程的膨胀力值，或达到设定温度时不同保温时间的膨胀力值，与计算机连接的显示器显示测定过程和结果。

由于采用上述方案，本发明可以根据试样材料的性能以1～150℃/分的升温速率升温至2000℃进行高温膨胀力测定，使用温度高；本装置体积小、结构简单、维护量少，测定材料的范围广。本装置不仅可在空气气氛中测定非金属材料在指定温度下的膨胀力值，还可在真空或保护性气体气氛下测定非金属材料在指定温度下的膨胀力值；如在N₂气气氛下测定炭砖或含炭材料的高温膨胀力，还可以测定非金属材料在升温过程中的高温膨胀力值或测定给定的预压力下在升温过程和保温过程中的高温膨胀力值。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图；

图2是图1中试样8、石墨加热环26、感应线圈4的局部放大示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述：

实施例1

一种非金属材料膨胀力的测定装置，该装置包括水冷高温密封室、温度控制系统、测力装置、抽真空装置和气源。其具体结构如图1所示：

水冷高温密封室的结构是：在水冷密封室3的底部中心固定有金属水冷底座24，在金属水冷底座24的内平台上同心安装有平面轴承21，调节螺母25的凸起部分同心装入平面轴承21内，金属水冷下支座19的下端与调节螺母25螺纹连接，待测高温膨胀力的试样8放在金属水冷下支座19上，水冷压头7的下端压在待测试样8的上端，水冷压头7由限位螺栓5控制下降高度，水冷压头7上端伸出5～10mm至水冷密封室3外，水冷压头7和水冷密封室3之间采用密封圈6密封；待测试样8的外部同心设置有石墨环26，在石墨环26外同心套有感应线圈4，石墨环26与感应线圈4等高，感应线圈4通过绝缘垫圈2与感应炉1的输出端连接。

温度控制系统的结构是：水冷密封室3的一侧设置有石英玻璃窗13，石英玻璃窗13的外部设有红外测温仪14，红外测温仪14的接收端与石英玻璃窗13的中心、石墨环26的圆孔中心、待测试样8的中心设置在一条直线上；红外测温仪14的接收端对准试样8，红外测温仪14的输出端与计算机15连接，计算机15内的控温程序与感应炉1的控制端连接。

测力装置的结构是：在刚性支架23的一端内侧装有测力传感器22、另一端内侧装有活动压头9，活动压头9和测力传感器22位于同一轴线，活动压头9压在水冷压头7上，测力传感器22与计算机15连接。

抽真空装置和气源包括抽真空装置17、气源18，抽真空装置17、气源18分别与水冷密封室3内室相通。

在本实施例中：石墨环26的壁厚为8～15mm，在石墨环26的环壁中部的一侧开有一直径为10～12 mm的圆孔；石墨环26的高度为长方体试样横截面边长的1.5倍。

待测试样8的材质为刚玉莫来石质，尺寸为40mm×40mm×160mm，该长方体试样横截面的四角与石墨环26内壁的间隙为2～4 mm；石墨环26与感应线圈4的间隙为2～5mm。

本装置的使用方法是：刚玉莫来石材料高温膨胀力的测定是在空气气氛下的升温过程中进行，加热采用中频感应炉，其功率为30～50KW、工作频率为2000～2500HZ、工作电压为380V。

刚玉莫来石材料高温膨胀力的测定过程是：先打开水冷密封室3，将金属水冷下支座19、调节螺母25、平面轴承21连同金属水冷底座24和定位销20一起取出，在感应线圈4内放入石墨环26，在石墨环26内装入待测试样8，还原推进金属水冷下支座19、调节螺母25、平面轴承21、金属水冷底座24和定位销20，调整金属水冷下支座19、待测试样8和活动的水冷压头7在同一轴线上，旋转调节螺母25，使水冷压头7的上端伸出5～10mm于水冷密封室3外，调整活动压头9，压紧待测试样8；例如，可以调节接触压力为2～10N，以确定水冷压头7和待测试样8与测力装置接触良好；再关闭水冷密封室3的水冷密封门12，旋紧炉门紧固螺母11，压紧硅橡胶密封圈10使水冷金属密封箱3密封；打开冷却水进水管27向水冷密封箱3、水冷底座24和上压头7内注入冷却水，每个水冷装置的冷却水畅通，冷却水通过冷却水出水管28排出。先启动计算机15内的控温程序，设置测定温度为1600℃，接通中频感应炉1和红外测温仪14的电源开关，以10℃/分的升温速率对待测试样8进行加热，红外测温仪14监控升温过程。在升温过程中计算机15自动记录并保存待测试样8升温过程的膨胀力值，当达到设定温度1600℃时，计算机15控制控温程序停止加热，与计算机15连接的显示器16显示测定的过程和结果。

实施例2

一种非金属材料膨胀力的测定装置及其使用方法，该装置包括水冷高温密封室、温度控制系统、测力装置、抽真空装置和气源。其具体结构如图1所示且同实施例1所述。

待测试样8的材质为镁碳质砖，尺寸为φ50mm×160mm的圆柱体，该圆柱体与石墨环26内壁的间隙为2～4 mm；石墨环26与感应线圈4的间隙为2～5mm。

镁碳质砖高温膨胀力的测定方法是：在升温前，调节上活动压头9与水冷压头7和待测试样8的接触压力，给镁碳质砖施加25KN预压力；在水冷高温密封室3抽真空后充入N₂，以15℃/分的升温速率升温到设定的1600℃后保温2小时，测定升温过程和保温过程镁碳质砖的高温膨胀力，保温结束后计算机15控制控温程序停止加热。其他同实施例1。

本具体实施方式具有使用温度高、装置体积小、结构简单、维护工作量少、测定材料的范围广的特点。本装置不仅可在空气气氛中测定材料在指定温度下的高温膨胀力值，还可在真空或保护性气体气氛下测定材料在指定温度下的高温膨胀力值，还可以测定材料在给定的预压力下升温过程中的高温膨胀力值或测定给定的预压力下升温过程中的高温膨胀力值和指定温度下保温过程中的高温膨胀力值。

Claims

1.一种非金属材料高温膨胀力的测定装置，其特征在于该装置包括水冷高温密封室、温度控制系统、测力装置、抽真空装置和气源；

水冷高温密封室的结构是：在水冷密封室3的底部中心固定有金属水冷底座24，在金属水冷底座24的内平台上同心安装有平面轴承21，调节螺母25的凸起部分同心装入平面轴承21内，金属水冷下支座19的下端与调节螺母25螺纹联接，待测高温膨胀力的试样8放在金属水冷下支座19上，水冷压头7的下端压在待测试样8的上端，水冷压头7上端伸出水冷密封室3，水冷压头7和水冷密封室3之间采用密封圈6密封；待测试样8的外部同心设置有石墨环26，在石墨环26外同心套有感应线圈4，石墨环26与感应线圈4等高，感应线圈4通过绝缘垫圈2与感应炉1的输出端连接；

温度控制系统的结构是：水冷密封室3的一侧设置有石英玻璃窗13，石英玻璃窗13的外部设有红外测温仪14，红外测温仪14的接收端与石英玻璃窗13的中心、石墨环26的圆孔中心、待测试样8的中心位于同一条直线上；红外测温仪14的接收端对准试样8，红外测温仪14的输出端与计算机15连接，计算机15内的控温程序与感应炉1的控制端连接；

测力装置的结构是：在刚性支架23的一端内侧装有测力传感器22，刚性支架23的另一端内侧装有活动压头9，活动压头9和测力传感器22位于同一轴线，活动压头9压在水冷压头7上，测力传感器22与计算机15连接；

抽真空装置和气源包括抽真空装置17、气源18，抽真空装置17、气源18分别与水冷密封室3的内室相通。

2.根据权利要求1所述的非金属材料高温膨胀力的测定装置，其特征在于所述的水冷压头7为活动式，水冷压头7的上端在加温前伸出水冷密封室3的长度为5～10mm。

3.根据权利要求1所述的非金属材料高温膨胀力的测定装置，其特征在于所述的石墨环26的壁厚为2～20mm，在石墨环26的环壁中部的一侧开有一直径为10～15 mm的圆孔；石墨环26的高度或为圆柱体试样直径的1～2倍、或为长方体试样横截面边长的1～2倍。

4.根据权利要求1所述的非金属材料高温膨胀力的测定装置，其特征在于所述的待测试样8若为圆柱体时，该圆柱体与石墨环26内壁的间隙为1～5mm；待测试样8若为长方体时，该长方体横截面的四角与石墨环26内壁的间隙为1～5mm；石墨环26与感应线圈4的间隙为2～10mm

5.根据权利要求1所述的非金属材料高温膨胀力的测定装置，其特征在于所述的抽真空装置17或使用或不使用，使用时抽真空至水冷密封室3内的剩余压力小于2500Pa。

6.根据权利要求1所述的非金属材料高温膨胀力的测定装置，其特征在于所述的气源18为N₂、Ar、CO₂气体中的一种或一种以上。

7.根据权利要求1所述的非金属材料高温膨胀力的测定装置，其特征在于所述的感应炉1或为中频感应炉、或为超音频感应炉，功率为1～100KW，工作电压为380V，升温速率为1～150℃/分，加热温度为室温～2000℃。

8.根据权利要求7所述的非金属材料高温膨胀力的测定装置，其特征在于所述的中频感应炉的工作频率为200～2600HZ；超音频感应炉的工作频率为10～45KHZ。

9.一种非金属材料高温膨胀力的测定装置的使用方法，其特征在于非金属材料高温膨胀力的测定在或为空气、或为真空、或为保护性气氛条件下进行，非金属材料高温膨胀力值或为在升温过程中测定，或为在给定的预压力下在升温过程中和保温过程中测定。

10.根据权利要求9所述的非金属材料高温膨胀力的测定装置的使用方法，其特征在于所述的非金属材料高温膨胀力的测定过程是：先打开水冷密封室3，将金属水冷下支座19、调节螺母25、平面轴承21连同金属水冷底座24和定位销20一起取出，在感应线圈4内放入石墨环26，在石墨环26内装入待测试样8，还原推进金属水冷下支座19、调节螺母25、平面轴承21、金属水冷底座24和定位销20；再调整金属水冷下支座19、待测试样8和活动的水冷压头7在同一轴线上，旋转调节螺母25，使水冷压头7的上端伸出5～10mm于水冷密封室3外，调整活动压头9，压紧待测试样8；然后关闭水冷密封室3的水冷密封门12，打开冷却水进水管27和冷却水出水管28；最后启动计算机15开启温度控制系统和测力装置，以10～120℃/分的升温速率对待测试样8加热到设定温度，红外测温仪14监控升温过程；计算机15自动记录并保存待测试样8在升温过程中的膨胀力值或达到设定温度时不同保温时间的膨胀力值，与计算机15连接的显示器16显示测定过程和结果。