CN101893373A - 立卧式可连续生产的高效、节能真空可控气氛炉 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种可用于连续生产的，且具有空间利用率高，加热速度快，产物冷却速度快，生产周期短，避免生产过程中反复升、降温造成能源大量浪费的立卧式高效、节能真空可控气氛炉。本发明的设备由进料室、反应室、出料室组成，进料室位于反应室下方与反应室形成立式结构；出料室位于反应室侧面与反应室形成卧式结构，从而构成立卧式结构，提高了空间利用率。本发明设备采用保温密封门实现各室间的保温与密封；采用感应加热方式，加热速度快，能效高；产物冷却采用循环风冷系统，这种立卧式可连续生产的高效、节能真空可控气氛炉，仅需一次升温即可进行连续生产，提高了生产效率，降低了生产成本，节约了大量能源。
Description
所属技术领域
本发明主要涉及纳米材料合成技术领域，同时也涉及真空、气氛热处理领域，涉及气相法连续生产纳米材料及真空气、氛热处理和烧结等的一种立卧式可连续生产的高效、节能真空可控气氛炉。
背景技术
纳米材料是纳米科技领域最富活力、研究内涵十分丰富的学科分支，是纳米科技发展的重要基础，美国《商业周刊》将纳米科技列为21世纪可能取得重要突破的三大领域之一。纳米材料产业被认为是21世纪最具有发展潜力的产业之一，我国纳米新材料市场已经连续6年保持了15％以上的增长速度，其中电子材料、磁性材料、光电子应用等约占74.2％，市场需求量较大。《2009年中国纳米材料行业研究咨询报告》指出：目前，全球纳米材料已建立了10亿美元的可观市场，市场主要分布在美国、西欧和日本；预计到2011年纳米材料的市场需求将达到42亿美元；到2025年这一数字将上升至1000亿美元。在未来10-20年内，一些比较新颖的纳米材料，如纳米管等，将占据较大份额的市场。
气相法是目前制备一维纳米材料常用方法之一。由于气相法制备大都在封闭的容器中进行，所制得的纳米材料与其它方法制备的纳米材料相比，具有更高的纯度。在气相中材料成核及生长的空间增大，所制得的纳米材料形貌均一、尺寸小、尺寸范围分布窄、具有良好的单分散性。此外，通过改变反应气体，可制备出液相法难以制备的各种金属氮化物、碳化物、硼化物及碳纳米管等各种材质的纳米材料。
先进制造技术的一个重要方面——现代热处理制造技术是十分重要的基础工艺技术，而现代热处理技术的核心技术——可控气氛热处理技术、真空热处理技术也日益显现出其重要性。近20年来，我国在真空、可控气氛热处理设备的研发方面已取得了迅猛发展。真空、可控气氛热处理的研究和应用已遍及退火、油(气)淬、高压气淬、渗碳、渗氮、渗金属、回火、烧结、钎焊、涂敷、电子封装、清洗等多个领域。
目前，气相法制备纳米材料及真空、可控热处理的设备主要是真空可控气氛炉，分为单室结构与多室结构，有卧式和立式两种结构，加热方式主要是电阻加热，产物冷却一般采用随炉冷却。卧式结构气氛炉中物料运动的路线为水平方向，立式结构为竖直方向，这样单一的运动路线造成气氛炉总体长度太长或高度过高，设备的空间利用率较低，且给操作人员带来不便，如专利号为“200410022988.8”名称为“井式无罐预抽真空保护气氛炉”、专利号为“200610008219.1”名称为“间歇式气氛炉”、专利号为“200620160238.1”名称为“升降式真空气氛炉”、专利号为“200820078861.1”名称为“自动加热淬火真空气氛炉”等专利的主要缺陷是：在生产过程中需反复升降温，不能连续生产；加热方式为电阻加热，加热时间长，加热效率低；产物随炉冷却，冷却时间长，生产周期长。
本发明的目的在于克服工业生产中现有真空、可控气氛炉设备中存在的上述不足，提供一种结构紧凑，可充分利用空间，便于操作，加热速度快，产物冷却速度快，且能连续生产、节约大量能源的立卧式可连续生产的高效、节能真空可控气氛炉。
发明内容
本发明的立卧式可连续生产的高效、节能真空可控气氛炉是一种采用立式与卧式结构相结合的多室连续生产真空可控气氛炉，这种结构形式突破了物料单一的直线运动形式从而避免了卧式结构设备总体长度过长、立式结构设备总体高度过高的缺点，有效利用了空间，提高了空间利用率，同时，操作人员在较小范围内即可对真空可控气氛炉进行操作，提高了操作的方便性。
本发明的技术方案是这样实现的：立卧式可连续生产的高效、节能真空可控气氛炉炉体由进料室、反应室、出料室三个部分组成，其中进料室位于反应室的下方，出料室位于反应室侧面，分别与反应室构成立式和卧式结构，从而形成了立卧式的新型结构形式。通过反应室底部与进料室结合处的保温密封门I(进料室侧)实现反应室与进料室之间的保温与密封，通过反应室侧面与出料室结合处的保温密封门II(出料室)实现了反应室与出料室的保温与密封。本发明中的设备主要由真空系统、加热系统、通气系统、水冷系统、气(液)压动力系统、控制系统等构成。控制系统可按规定的程序，实现程序升温、保温及降温，同时控制气(液)压运动机构，实现各门的启闭及物料的进出。
本发明的立卧式可连续生产的高效、节能真空可控气氛炉，采用保温密封门实现反应室与进料室、反应室与出料室之间的保温与密封。保温密封门设有导轮便于保温密封门在导轨中运动，四周设有冷却水通道以防止密封材料高温失效，中部有石墨纤维保温层以实现保温隔热的目的，使用这种结构可同时满足炉体保温及密封的双重要求，这是本发明的创新之一。
本发明的立卧式可连续生产的高效、节能真空可控气氛炉，采用感应加热，加热元件采用感应线圈，利用高频感应产生的“集肤效应”快速加热物料盒，进而使其中的物料或工件被加热。该设计具有加热速度快，加热效率高，能源利用率高等特点。加热线圈截面为矩形截面，其内表面与载物盒外表面平行，加热线圈内通有冷却水，这种布局具有加热均匀、稳定的特点，且结构合理、紧凑、节省空间，使加热系统结构简单可靠，这也是本发明的创新之一。
本发明的立卧式可连续生产的高效、节能真空可控气氛炉，产物冷却采用循环风冷系统，主要由真空管道，充气口，单向阀，循环泵，粉尘过滤器，螺旋板换热器等组成。首先由充气口向出料室充入惰性气体，如氩气等。当压力达到约5×104Pa时，打开循环泵，惰性气体在循环泵和单向阀的作用下定向流动。惰性气体经高温载物盒换热后温度升高，随着气体流动，在螺旋板换热器中与冷水换热冷却后，高温气体温度下降，如此循环，大大加快了物料的冷却速度，提高了生产效率，这也是本发明的创新之一。
本发明的立卧式可连续生产的高效、节能真空可控气氛炉，控制系统采用PC+PLC联合控制，PLC为底层控制，PC为顶层控制。
本发明的立卧式可连续生产的高效、节能真空可控气氛炉，其连续生产方式是这样完成的：生产时，首先将装载反应原料或工件的载物盒放入进料室，关闭进料室炉门，对各室抽真空，达到真空条件后，打开保温密封门I(进料室侧)，由自动控制系统控制推料气(液)压缸驱动推料机构将载物盒推入反应室，在推料机构返回后，关闭保温密封门1(进料室侧)。对反应室加热，达到反应温度后，通入气体进行反应，待反应结束后，打开保温密封门II(出料室侧)，拉料机构将载物盒拉入出料室进行冷却，与此同时，进料室再放入另一载物盒，在上一个载物盒进行冷却时，下一个载物盒被送入反应室进行反应，同时，第三个载物盒被放入进料室。如此循环，就实现了设备的连续生产。炉体仅需一次升温即可连续生产，提高了生产效率，同时，避免了炉体反复升温、降温过程中浪费大量能源。
本发明的立卧式可连续生产的高效、节能真空可控气氛炉的设计实现了加料、反应与出料冷却三个工艺阶段的同时进行，仅需一次升温即可进行连续生产，大大提高了生产效率及能源利用率，节约能源，降低了生产成本，同时，也保证了所制得产物或被处理工件的纯度和质量。
附图说明
附图1立卧式可连续生产的高效、节能真空可控气氛炉炉体结构示意图。
其中：1-出水口 2-吊耳 3-炉体外壁 4-炉体内壁 5-隔热层 6-反应室抽真空管道 7-载物盒 8-维修炉盖 9-反应室 10-保温密封门II(出料室侧) 11-保温密封门II气(液)压缸 12-油封密封圈 13-“O”型密封圈 14-出料室 15-出料室抽真空管道 16-充气管道 17-拉料杆抓头 18-拉料气(液)压缸 19-充气口 20-单向阀 21-循环泵 22-螺旋板换热器 23-粉尘过滤器24-进水口 25-炉体支架 26-推料气(液)压缸 27-真空泵 28-电磁压差阀 29-炉门气(液)压缸 30-进料室 31-进料室炉门 32-保温密封门I气(液)压缸 33-保温密封门I(进料室侧)34-卡台装置 35-热电偶 36-加热线圈 37-通气系统
图2保温密封门结构示意图。
其中：1-保温门外壳 2-连接板 3-出水口 4-导轮 5-冷却水槽盖板 6-石墨纤维保温层 7-进水口。
图3保温密封门导轨结构示意图。
其中：1-导轨 2-斜块 3-导轨固定板
图4感应加热线圈结构示意图。
图5载物盒结构示意图。
其中：1-载物盒盖 2-载物盒。
图6拉料抓头结构示意图。
其中：1-拉料块 2-石墨销钉 3-拉料抓头体。
实施实例
下面结合实施实例及附图对本发明进行详细说明：在本实施实例中设计的立卧式可连续生产的高效、节能真空可控气氛炉，其结构示意图见说明书附图1，主要由出水口1，吊耳2，炉体外壁3，炉体内壁4，隔热层5，真空管道6、15，载物盒7，维修炉盖8，反应室9，保温密封门I(进料室侧)33，保温密封门I气(液)压缸32，保温密封门II(出料室侧)10，保温密封门II气缸11，油封密封圈12，“O”型密封圈13，出料室14，充气管道16，拉料杆抓头17，拉料气缸18，充气口19，单向阀20，循环泵21，螺旋板换热器22，粉尘过滤器23，出水口1，进水口24，炉体支架25，推料气缸26，真空泵27，电磁压差阀28，炉门气缸29，进料室30，进料室炉门31，卡台装置34，热电偶35，加热线圈36，通气系统37等组成。进料室30位于反应室9下方，出料室14位于反应室9侧面，从而行成立卧结合式结构。反应室为双层水冷结构，炉体外壁3与炉体内壁4之间通水冷却，以防止炉体温度过高。
在本实施实例中，设备尺寸均以载物盒的尺寸为基准进行设计，载物盒尺寸为：Φ240×180mm，依据这个尺寸得到炉体壁厚：10mm。炉膛的尺寸：Φ665×600mm。保温层厚度：70mm，炉体外形总尺寸分别为，长度：4570mm，宽度：2560mm，高度：3400mm。
炉体材料选用Q235B，保温层材料分别选用厚度20mm的石墨板、厚度20mm石墨硬毡板和厚度30mm石墨碳毡；静密封材料选用氟橡胶密封圈，动密封采用油封密封，油封型号为：25×47×7；
在本实施实例中设计的立卧式可连续生产的高效、节能真空可控气氛炉，采用保温密封门(见说明书附图2)实现反应室与进料室、反应室与出料室之间的保温与密封。保温密封门设有导轮便于保温密封门在导轨(见说明书附图3)中运动，四周设有冷却水通道以防止密封材料高温失效，中部有石墨纤维保温层以保证炉内温度均匀，使用这种结构可同时满足炉体保温及密封的双重要求。
在本实施实例中设计的立卧式可连续生产的高效、节能真空可控气氛炉，采用感应加热方式进行加热。加热元件采用感应线圈(见说明书附图4)，利用高频感应产生的“集肤效应”加热物料盒，进而使其内的物料或零件被加热。该设计具有加热速度快，加热效率高，能源利用率高等特点。加热线圈材料选用紫铜，其截面为矩形截面，其内表面与载物盒外表面平行，加热线圈内通有冷却水，这种布局具有加热均匀、稳定的特点，且结构合理、紧凑、节省空间，使加热系统结构简单可靠。
在本实施实例中设计的立卧式可连续生产的高效、节能真空可控气氛炉，其两个保温密封门的开启和关闭、推料及拉料的完成，均采用气压传动系统。保温密封门开闭用气缸选用MDBD80-140-M9BL型标准气缸；推料用气缸选用MDBF80-910-M9BL-DNM2331型号的杆不回转型气缸，杆加长262mm：拉料用气缸选用MDBF80-1450-M9BL-DNM2331型号的杆不回转型气缸，杆加长79mm。
在本实施实例中设计的立卧式可连续生产的高效、节能真空可控气氛炉，产物冷却系统采用循环风冷系统，主要由真空管道，充气口，单向阀，循环泵，粉尘过滤器，螺旋板换热器等组成。
在本实施实例中设计的立卧式可连续生产的高效、节能真空可控气氛炉，控制系统采用PC+PLC联合控制。由PLC直接控制各部件，如电磁阀，真空泵，温控仪等。PC监测控制各部件并记录相关参数与数据。PC是用户与设备的交互平台，用户可以任意设定生产的工艺参数，通过PLC主控PC辅控的控制方式可以实现精确和稳定的控制，提高了设备的控制精度和稳定性。
本实施实例中的立卧式可连续生产的高效、节能真空可控气氛炉，其连续生产方式是这样完成的：生产时，首先将装载反应原料或工件的载物盒7(见说明书附图5)经进料室门31放入进料室，关闭进料室炉门31，打开真空泵27及电磁压差阀28对各室抽真空，达到所需真空条件5Pa时，打开保温密封门I(进料室侧)，在推料气缸26的作用下，物料盒被送入反应室9，推料系统复位后，关闭保温密封门I(进料室侧)33，对加热线圈36通电，加热反应室，温度由热电偶35测量，当温度达到要求后，由通气系统37通入反应气体进行反应。在反应室进行加热反应的同时，另一个物料盒被放入进料室并抽真空至5Pa。待反应结束后，打开保温密封门II(出料室侧)10，由拉料气缸18驱动拉料杆抓头17将载物盒拉入出料室14进行冷却，关闭保温密封门II(出料室侧)，将惰性气体(氩气等)由充气口19充入出料室，当出料室压力达到约5×104Pa时，开启循环泵21，气体经过单向阀20进入出料室与载物盒进行换热，换热后的气体经过粉尘过滤器23过滤，螺旋板换热器换热冷却后回到循环泵，如此循环直至载物盒温度降至50℃后，取出载物盒。在上一载物盒进行冷却的同时，可将放入进料室的第二个载物盒推入反应室，待达到反应条件后通气反应。在第二个载物盒于反应室中进行反应的同时，第三个载物盒又可被放入进料室。如此循环，就实现了设备的连续生产。炉体仅需一次升温即可连续生产，提高了生产效率，同时，避免了炉体反复升温、降温过程中浪费大量能源。
本实施实例涉及的立卧式可连续生产的高效、节能真空可控气氛炉的设计实现了加料、反应与出料冷却三个工艺阶段在时间上的重叠，仅需一次升温即可进行连续生产，节约了大量能源，降低了生产成本，同时，也保证了所制得产物或被加工零件的质量。
Claims (6)
1.一种立卧式可连续生产的高效、节能真空可控气氛炉，该真空可控气氛炉可用于气相法连续生产纳米材料及金属零部件(工件)的连续热处理。其特征是：炉体由反应室、进料室和出料室三个部分组成，反应室采用双层水冷结构。加热方式采用感应加热，隔热层由石墨毡板和碳毡保温层等共同组成。为保证各室之间的密封，在反应室与进料室、反应室与出料室的结合处采用保温密封门实现反应室、进料室及出料室之间的保温与密封。产物冷却采用循环风冷。各门的启闭与物料的进出采用气(液)压系统提供驱动力，动密封采用油封密封，静密封材料选用氟橡胶。炉体仅需一次升温即可进行连续生产，生产效率高，且节约大量能源。
2.权利与要求1所述的立卧式可连续生产的高效、节能真空可控气氛炉，炉体结构为立卧式，其特征为：用于放入反应原料或工件的进料室位于反应室的下部，与反应室形成立式结构；用于取出反应产物或被处理工件的出料室位于反应室的侧面，与反应室形成卧式结构，从而形成立卧式结构。
3.权利与要求1所述的立卧式可连续生产的高效、节能真空可控气氛炉，采用保温密封门实现反应室与进料室、反应室与出料室之间的保温与密封。其特征为：保温密封门四周设有冷却水通道以防止密封材料高温失效，中部有石墨纤维保温层以实现温度的目的，保温密封门设有导轮便于保温密封门在导轨中运动。
4.权利与要求1所述的立卧式可连续生产的高效、节能真空可控气氛炉，加热方式采用感应加热，其特征为：加热线圈截面为矩形截面，其内表面与载物盒外表面平行，加热线圈中有冷却水孔，冷却水孔截面也为矩形。
5.权利与要求1所述的立卧式可连续生产的高效、节能真空可控气氛炉，产物冷却采用循环风冷系统，其特征为：该冷却系统主要由真空管道，充气口，单向阀，循环泵，粉尘过滤器，螺旋板换热器等组成。由充气口向出料室充入惰性气体。当压力达到约5×104Pa时，循环泵打开，惰性气体在循环泵和单向阀的作用下定向流动。惰性气体经高温载物盒换热后温度升高，随着气体流动，高温气体在螺旋板换热器中与冷水换热冷却，大大加快了物料的冷却速度，提高了生产效率。
6.权利与要求1所述的立卧式可连续生产的高效、节能真空可控气氛炉，其生产方式为连续生产，其特征为：生产时，首先将装载反应原料或工件的载物盒放入进料室，关闭进料室炉门，对进料室与反应室抽真空，达到真空条件后，打开保温密封门I(进料室侧)，由自动控制系统控制推料气(液)压缸驱动推料机构将载物盒推入反应室，在推料机构返回后，关闭保温密封门1(进料室侧)。对反应室加热，达到反应温度后，通入气体进行反应，待反应结束后，将反应室与出料室同时抽真空，达到真空条件后，打开保温密封门II(出料室侧)，拉料机构将载物盒拉入出料室进行冷却，与此同时，进料室再放入另一载物盒，在上一个载物盒进行冷却的同时，下一个载物盒被送入反应室进行反应，与此同时，第三个物料盒被放入进料室。如此循环，就实现了连续生产。炉体仅需一次升温即可连续生产，提高了生产效率，同时，避免了炉体反复升温、降温过程中浪费大量能源，大大提高了能源利用率。
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