CN102176796A

CN102176796A - 一种用于高温材料的非接触式加热的方法和装置

Info

Publication number: CN102176796A
Application number: CN 201110040235
Authority: CN
Inventors: 王智; 武湛君; 王奕首; 史国栋; 严佳; 柳敏静
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2011-02-16
Filing date: 2011-02-16
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2031-02-16
Also published as: WO2012109811A1; CN102176796B

Abstract

本发明属于高温材料技术领域，涉及一种用于高温材料的高温抗氧化性能研究所需的非接触式加热方法和装置，其特征在于，将被加热材料放在密封的石英管内的支架上，在石英管外环绕铜管制成的线圈，铜管内通有循环冷却水，用高频振荡磁场发生器通过线圈对材料施加快速交变磁场，使材料升温，采用计算机数据采集和控制系统，根据温度信号调节高频振荡磁场发生器的输入功率，使材料达到设定温度；通过与密封件相连接的进气和压力控制系统调节石英管内的气体和气压。本发明能实现材料快速而准确的加热，升温速度、加热时间、温度等都可以实现自动调节，最大加热速率是500℃/min，最高温度可达到2000℃。

Description

一种用于高温材料的非接触式加热的方法和装置

技术领域

本发明属于高温材料技术领域，涉及一种研究高温材料的高温抗氧化性能所需的方法和装置，特别是对可导电的高温材料的非接触式的加热方法和装置。

背景技术

随着航空、原子能、冶炼等新技术的快速发展，一些应用背景下的高温材料结构的使用条件越来越苛刻，如用于高超声速飞行的结构部件，要求材料具有良好的高温性能以适应苛刻的作业环境，如抗热冲击、高温强度、耐腐蚀性、抗氧化性等，如何提高材料的高温抗氧化性是目前人们关注的主要问题。

目前，考核和研究高温结构材料高温抗氧化性能的设备，主要是高温氧化炉或氧乙炔焰，高温氧化炉通常温度在1400℃左右，其氧化气氛的压力不能调节，氧乙炔焰能产生1200～2800℃的高温，但温度很难调节，误差在100～300℃，这使得考核和研究材料高温抗氧化性能的结果存在较大的偏差。

发明内容

本发明的目的，是提供一种对具有良好导电性能的高温材料的非接触式加热方法和装置，实现快速加热并准确控制温度，以提高对材料的高温氧化和热冲击性能评价的可靠性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的.

一种用于高温材料的非接触式加热的方法，是通过对可导电的高温材料施加快速交变磁场使材料升温，其特征在于，将被加热材料放在用密封件密封的石英管内，石英管内设有支架，被加热材料放在支架上，支架与石英管的密封件相连接；在石英管外环绕铜管制成的线圈，铜管内通有循环冷却水，用高频振荡磁场发生器通过线圈对材料施加快速交变磁场，使材料升温；用非接触式高温温度计透过装在石英管密封件上的高透光石英板测量被加热材料的温度，采用计算机数据采集和控制系统，根据温度信号调节高频振荡磁场发生器的输入功率，使材料达到设定温度；通过与石英管两端的密封件相连接的进气和压力控制系统调节石英管内的气体和气压。

本发明利用可导电材料的特性，通过对材料施加快速交变磁场，使材料内部快速产生超强涡流，材料在涡流的作用下迅速升温，石英管的尺寸可以为：长300～500mm、外径40～50mm；铜管制成的线圈参数可以为：匝数3～10圈、线圈内径60～70mm、铜管内径3～8mm、外径5～15mm，最佳参数为线圈匝数4～6圈、线圈内径62～65mm、铜管内径6～8mm、外径8～10mm；高频振荡磁场发生器可以采用380V、50～60Hz三相交流电源，参数为输入功率30～80kW、振荡频率15～35kHz，最佳参数为输入功率40～70kW、振荡频率25～30kHz。

考虑到有些材料热疲劳性能实验需要隔绝空气，有些高温氧化性能实验需要调节氧化气氛，而有些模仿飞行器的大气环境实验需要含氧气、氮气、水蒸气，气压也受高度、飞行速度的影响而变化，因此高温材料加热实验时，石英管采用密封件封闭，且与进气和压力控制系统相连接，以实现对气压和气体的调节。

实现本方法的装置，包括石英管及其密封件、高频振荡磁场发生器、铜管制成的线圈、非接触式高温温度计、计算机数据采集和控制系统、石英管的进气和压力控制系统、铜管冷却水循环系统；石英管长为300～500mm、外径为40～50mm，石英管一个端口的密封件上装有高透光石英板，另一端口的密封件上装有放置被加热材料的支架；铜管制成的线圈环绕在石英管外，匝数为3～10圈，线圈内径为60～70mm，铜管内径为3～8mm，外径为5～15mm，线圈的两端与高频振荡磁场发生器的输出端以及循环冷却水装置相连接；高频振荡磁场发生器采用380V、50～60Hz三相交流电源，输入功率为30～80kW，振荡频率为15～35kHz；非接触式高温温度计、高频振荡磁场发生器与计算机数据采集和控制系统相连接；石英管的进气和压力控制系统包括：与石英管两端密封件相连接的进气管路和排气管路、进气管路上的流量控制阀和流量表、排气管路上的压力控制阀和压力表。

为准确调节石英管的流入气体量和石英管内的气压，可以在进气管路上安装一个气体流量控制室，流量控制室的入口和出口均安装一个流量计，在排气管路上安装一个气体压力控制室，压力控制室的入口和出口均安装一个压力表；流量控制室和压力控制室的构造相同，均为带有入口和出口的密闭腔体，内部装有2～5层与气体管路方向垂直的多孔板，用于稳定气体的流量和气压，控制室两端分别装有2～4个管径不同的、各自带有控制阀的入口管和出口管。

为准确调节进入石英管内的气体流量，气体流量控制室的入口管可以比出口管细，流量控制室的入口管径∶出口管径＝0.1∶1～0.5∶1；当石英管内实验所需的气压大于一个大气压时，压力控制室的入口管径∶出口管径＝0.1∶1～1∶1；当石英管内实验所需的气压小于或等于一个大气压时，压力控制室的入口管径∶出口管径＝1∶1～10∶1。

石英管的密封件可以采用以下结构：在石英管端口处的外侧套上环形橡胶垫(2)，在橡胶垫外紧卡上金属环(3)，再将密封塞紧密安装在金属环上；其中一端密封件的密封塞(4)上装有支架(9)和排气孔，另一端密封件的金属环上开有进气孔，与之相配的密封塞(5)为中空结构，中空部分密封安装有高透光石英板(7)。

加热材料时，取下石英管密封件，将被加热材料放在支架上，再装上密封件，调整非接触式高温温度计的光路对准被加热材料中间位置，设置实验需要达到的最高温度、加热速率和保温时间等参数，接通计算机数据采集和控制系统、高频振荡磁场发生器、进气和压力控制系统，温度信号被电脑自动记录，反馈给高频振荡磁场发生器，控制输入功率。

根据被加热材料的设定温度、体积，调整石英管尺寸、铜管线圈匝数等参数。高温材料的辐射热量与材料的体积成正比，材料体积越大、设定温度越高，石英管的内径应越大，以便有效降低处于高温状态的材料对石英管的辐射热量；随着材料体积和设定温度的增大，可适当增加线圈的匝数。石英管最大工作温度是1500℃，如果材料体积较小，可以在石英管不超过工作温度的情况下，把材料加热到2000℃，持续30分钟以上，这足够研究任何一种高温结构材料的性能。

本发明可用于评价高温材料的高温抗氧化性能的研究，能实现快速而准确的加热，升温速度、加热时间、温度等都可以实现自动调节，最大加热速率是500℃/min，最高温度可达到2000℃，与现有加热方法相比，具有操作简单、加热速度快、成本低、安全、温度控制准确、试件周围气氛可调等优点。

附图说明

附图为本发明装置示意图。

图中1为石英管，2为环形橡胶垫，3为金属环，4为带有排气孔的密封塞，5为中空密封塞，中空部分密封安装有高透光石英板7，6为紧固螺杆，8为被加热材料，9为支架，10为铜管制成的线圈，内有冷却循环水，11为高频振荡磁场发生器，12为计算机数据采集和控制系统，13为非接触式高温温度计，14为气体流量控制室，其两端装有管径不同的、各自带有流量控制阀的入口管和出口管，15为气体压力控制室，其两端装有管径不同的、各自带有压力控制阀的入口管和出口管，16为气体流量表，17为气体压力表，18为流量控制阀，19为压力控制阀，20为多孔板。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做进一步说明，被加热材料不限于实施例所用材料。

实施例1，用本发明方法和装置加热硼化锆-碳化硅-石墨陶瓷基复合材料。

石英管长500mm，管外径为40mm，被加热材料(试样)尺寸为20×20×3mm，采用金刚石研磨膏将试样表面打磨到光洁度达到1μm以内。

预计达到的技术指标如下：石英管内气体的压力为50±10Pa，气体流量为100±10ml/s，试样表面温度1500±30℃，保温5分钟。

高频振荡磁场发生器电源为三相380V、50Hz，输入功率为30kW，振荡频率为15kHz，铜管制成的线圈匝数为3圈、线圈内径为60mm，铜管本身内径为3mm，外径为5mm。

加热装置如附图所示，首先打开石英管1下端的密封塞4，将待测试样8放在试样支架9上；检查并清洁高透光石英板7，然后用紧固螺杆6将密封塞4和中空密封塞5分别紧密固定在石英管两端的金属环3上，高透光石英板7密封安装在中空密封塞5的中空部分；进气管路和排气管路分别与上端金属环3和下端密封塞4相连接，调整高温温度计13的光路对准试样8的中心，打开计算机数据采集和控制系统12、高频振荡磁场发生器11，开通气体流量控制室14和气体压力控制室15，接通铜管制成的线圈10内的冷却循环水装置。

预设升温速度为100℃/min，升温到1400℃后，升温速率逐渐降低，直至达到最高温度1500℃并保温5分钟。选择气体流量控制室14的入口管径∶出口管径＝0.5∶1，调节流量控制阀18，控制气体流量为100±10ml/s；选择气体压力控制室15的入口管径∶出口管径＝10∶1，调节压力控制阀19，控制压力为50±5Pa。

实验结果表明：试样表面温度为1500±12℃，气体流量为100±8ml/s，石英管内的气体压力为50±6Pa，从这些结果看，设备具有较好的精度。特别是温度的准确性明显高于温差通常为±300℃的氧乙炔焰。

实施例2，用本发明方法和装置加热硼化锆-碳化硅-石墨陶瓷基复合材料。

石英管长500mm，管外径为50mm，被加热材料尺寸为：25×25×4mm，材料表面处理同实施例1。

本实施例预计达到的技术指标如下：石英管内气体的压力为1000±50Pa，气体流量为200±15ml/s，试样表面温度1600±40℃，保温5分钟。

设备操作过程同实施例1，参数为：高频振荡磁场发生器的电源为三相380V、50Hz，输入功率为40kW，振荡频率为20kHz，铜管制成的线圈匝数为4，线圈内径为62mm，铜管本身内径为4mm，外径为8mm。

预设升温速度为100℃/min，升温到1450℃后，升温速率逐渐降低，直至达到最高温度1600℃并保温5分钟。选择气体流量控制室14的入口管径∶出口管径＝0.4∶1，调节流量控制阀18，控制气体流量为200±13ml/s；选择气体压力控制室15的入口管径∶出口管径＝6∶1，调节压力控制阀19，控制压力为1000±42Pa。

实验结果表明：试样表面温度为1600±20℃，气体流量为200±12mL/s，石英管内的气体压力为1000±35Pa。

实施例3，用本发明方法和装置加热硼化锆-碳化硅-石墨陶瓷基复合材料。

石英管长400mm，管外径为50mm，被加热材料(试样)尺寸为20×20×8mm，材料表面处理同实施例1。

本实施例预计达到的技术指标如下：石英管内气体的压力为5000±100Pa，气体流量为500±25ml/s，试样表面温度1700±50℃，保温5分钟。

设备操作过程同实施例1。高频振荡磁场发生器的电源为三相380V、50Hz，输入功率为50kW，振荡频率为25kHz；铜管制成的线圈匝数为5圈、线圈内径为65mm，铜管内径为5mm，外径为9mm。

预设升温速度为100℃/min，升温到1500℃后，升温速率逐渐降低，直至达到最高温度1700℃并保温5分钟。选择气体流量控制室14的入口管径∶出口管径＝0.3∶1，调节流量控制阀18，控制气体流量为500±20ml/s；选择气体压力控制室15的入口管径∶出口管径＝2∶1，调节压力控制阀19，控制压力为5000±81Pa。

实验结果表明：试样表面温度为1700±25℃，气体流量为500±20mL/s，石英管内的气体压力为5000±81Pa。

实施例4，用本发明方法和装置加热硼化锆-碳化硅-石墨陶瓷基复合材料。

石英管长300mm，管外径为50mm，被加热材料(试样)尺寸为15×15×4mm，材料表面处理同实施例1。

本实施例预计达到的技术指标如下：石英管内气压为100000±1000Pa，气体流量为400±20ml/s，试样表面温度1750±60℃，保温5分钟。

设备操作过程同实施例1。高频振荡磁场发生器的电源为三相380V、50Hz，输入功率为60kW，振荡频率为30kHz；铜管制成的线圈匝数为7圈、线圈内径为66mm，铜管内径为6mm，外径为10mm。

预设升温速度为100℃/min，升温到1600℃后，升温速率逐渐降低，直至达到最高温度1750℃并保温5分钟。选择气体流量控制室14的入口管径∶出口管径＝0.2∶1，调节流量控制阀18，控制气体流量为400±17ml/s；选择气体压力控制室15的入口管径∶出口管径＝1∶1，调节压力控制阀19，控制压力为100000±650Pa。

实验结果表明：试样表面温度为1750±25℃，气体流量为400±17mL/s，石英管内的气体压力为100000±650Pa，

实施例5，用本发明方法和装置加热硼化锆-碳化硅-石墨陶瓷基复合材料。

石英管长500mm，管外径为45mm，被加热材料(试样)尺寸为25×25×2mm，材料表面处理同实施例1。

本实施例预计达到的技术指标如下：石英管内气压为150000±2000Pa，气体流量为300±15mL/s，试样表面温度为1550±30℃，保温5分钟。

设备操作过程同实施例1。高频振荡磁场发生器的电源为三相380V、50Hz，输入功率为70kW，振荡频率为35kHz；铜管制成的线圈匝数9圈、线圈内径为68mm，铜管内径为7mm，外径为13mm。

预设升温速度为100℃/min，升温到1500℃后，升温速率逐渐降低，直至达到最高温度1550℃并保温5分钟。选择气体流量控制室14的入口管径∶出口管径＝0.1∶1，调节流量控制阀18，控制气体流量为300±14ml/s；选择气体压力控制室15的入口管径∶出口管径＝0.5∶1，调节压力控制阀19，控制压力为150000±1250Pa。

实验结果表明：试样表面温度为1550±25℃，气体流量为300±14mL/s，石英管内的气体压力为150000±1250Pa。

实施例6，用本发明方法和装置加热硼化锆-碳化硅-石墨陶瓷基复合材料。

石英管长500mm，管外径为50mm，被加热材料(试样)尺寸为30×30×2mm，材料表面处理同实施例1。

本实施例预计达到的技术指标如下：石英管内气压为170000±2000Pa，气体流量为250±15mL/s，试样表面温度1650±40℃，保温5分钟。

设备操作过程同实施例1。高频振荡磁场发生器的电源为三相380V、50Hz，输入功率为80kW，振荡频率为35kHz；铜管制成的线圈匝数为10圈、线圈内径为70mm，铜管内径为8mm，外径为15mm。

预设升温速度为100℃/min，升温到1560℃后，升温速率逐渐降低，直至达到最高温度1650℃并保温5分钟。选择气体流量控制室14的入口管径∶出口管径＝0.5∶1，调节流量控制阀18，控制气体流量为250±13ml/s；选择气体压力控制室15的入口管径∶出口管径＝0.1∶1，调节压力控制阀19，控制压力为170000±1270Pa。

实验结果表明：试样表面温度为1650±26℃，气体流量为250±13mL/s，石英管内的气体压力为170000±1270Pa。

Claims

1.一种用于高温材料的非接触式加热的方法，是通过对可导电的高温材料施加快速交变磁场使材料升温，其特征在于，将被加热材料放在用密封件密封的石英管内，石英管内设有支架，被加热材料放在支架上，支架与石英管的密封件相连接；在石英管外环绕铜管制成的线圈，铜管内通有循环冷却水，用高频振荡磁场发生器通过线圈对材料施加快速交变磁场，使材料升温；用非接触式高温温度计透过装在石英管密封件上的高透光石英板测量被加热材料的温度，采用计算机数据采集和控制系统，根据温度信号调节高频振荡磁场发生器的输入功率，使材料达到设定温度；通过与石英管两端的密封件相连接的进气和压力控制系统调节石英管内的气体和气压。

2.如权利要求1所述的用于高温材料的非接触式加热的方法，其特征在于，石英管的长为300～500mm、外径为40～50mm，铜管制成的线圈匝数为3～10圈、线圈内径为60～70mm、铜管内径为3～8mm、铜管外径为5～15mm，高频振荡磁场发生器采用380V、50～60Hz三相交流电源，输入功率为30～80kW、振荡频率为15～35kHz。

3.如权利要求2所述的用于高温材料的非接触式加热的方法，其特征在于，铜管制成的线圈匝数为4～6圈，线圈内径为62～65mm，铜管内径为6～8mm、外径为8～10mm，高频磁场发生器的输入功率为40～70kW、振荡频率为25～30kHz。

4.如权利要求1或2或3所述的用于高温材料的非接触式加热的方法，其特征在于，石英管两端的密封件分别与进气管路和排气管路相连接，在进气管路上安装一个气体流量控制室，流量控制室的入口和出口均安装一个流量计，在排气管路上安装一个气体压力控制室，压力控制室的入口和出口均安装一个压力表；气体流量控制室和气体压力控制室的构造相同，均为带有入口和出口的密闭腔体，内部装有2～5层与气体管路方向垂直的多孔板，控制室两端分别装有2～4个管径不同的、各自带有控制阀的入口管和出口管；流量控制室的入口管径∶出口管径＝0.1∶1～0.5∶1；当石英管内实验所需的气压大于一个大气压时，压力控制室的入口管径∶出口管径＝0.1∶1～1∶1；当石英管内实验所需的气压小于或等于一个大气压时，压力控制室的入口管径∶出口管径＝1∶1～10∶1。

5.如权利要求1所述的用于高温材料的非接触式加热方法的装置，其特征在于，包括石英管及其密封件、高频振荡磁场发生器、铜管制成的线圈、非接触式高温温度计、计算机数据采集和控制系统、石英管的进气和压力控制系统、铜管冷却水循环系统；石英管长为300～500mm、外径为40～50mm，石英管一个端口的密封件上装有高透光石英板，另一端口的密封件上装有放置被加热材料的支架；铜管制成的线圈环绕在石英管外，匝数为3～10圈，线圈内径为60～70mm，铜管内径为3～8mm、外径为5～15mm，线圈的两端与高频振荡磁场发生器的输出端以及循环冷却水装置相连接；高频振荡磁场发生器采用380V、50～60Hz三相交流电源，输入功率为30～80kW，振荡频率为15～35kHz；非接触式高温温度计、高频振荡磁场发生器与计算机数据采集和控制系统相连接；石英管的进气和压力控制系统包括：与石英管两端密封件相连接的进气管路和排气管路、进气管路上的气体流量控制阀和流量表、排气管路上的气体压力控制阀和压力表。

6.如权利要求5所述的用于高温材料的非接触式加热的装置，其特征在于，在进气管路上安装一个气体流量控制室，流量控制室的入口和出口均安装一个流量计，在排气管路上安装一个气体压力控制室，压力控制室入口和出口均安装一个压力表；流量控制室和压力控制室的构造相同，均为带有入口和出口的密闭腔体，内部装有2～5层与气体管路方向垂直的多孔板，两端分别装有2～4个管径不同的、各自带有控制阀的入口管和出口管；流量控制室的入口管径∶出口管径＝0.1∶1～0.5∶1；当石英管内实验所需的气压大于一个大气压时，压力控制室的入口管径∶出口管径＝0.1∶1～1∶1；当石英管内实验所需的气压小于或等于一个大气压时，压力控制室的入口管径∶出口管径＝1∶1～10∶1。

7.如权利要求5或6所述的用于高温材料的非接触式加热的装置，其特征在于，石英管的密封件的结构为：在石英管端口处的外侧套上环形橡胶垫(2)，在橡胶垫外紧卡上金属环(3)，再将密封塞紧密安装在金属环上；其中一端密封件的密封塞(4)上装有支架(9)和排气孔，另一端密封件的金属环上开有进气孔，与之相配的密封塞(5)为中空结构，中空部分密封安装有高透光石英板(7)。