CN103322816B - 一种多功能高效管式加热装置 - Google Patents

Abstract

一种多功能高效管式加热装置,属于高效多功能用电阻炉领域.炉膛（7）位于可调磁场（1）的N极和S极之间，炉膛（7）外绕有电炉丝（11），在电炉丝（11）外布置一环形冷凝管（5），进水口（16）设置在冷凝管（5）一端上方，出水口（17）设置在另一端的下部，冷凝管（5）与炉壁（13）之间填充有耐火保温层（2），耐火保温层（2）中插有控温热电偶（3），控温热电偶（3）与温度数控智能仪（9）相连；温度数控智能仪（9）的一端通过调压装置与电炉丝（11）相连；温度数控智能仪（9）的另一端与外接电源相连；该装置高效节能、精准、轻便，且能满足多种功能要求，获得结构独特的材料。

Description

一种多功能高效管式加热装置

技术领域

本发明属于高效多功能用电阻炉领域，具体涉及可以满足不同加热气氛，精确控温、升温及降温速率可调，以及可在220V电压或380V电压下正常使用的满足可控外加磁场要求的加热装置。

背景技术

电阻炉普遍用于各种金属材料热处理生产中，如淬火、退火、正火、回火和化学热处理等，是目前国内外应用最广泛的热处理加热设备。为满足不同加热条件的要求，目前电阻炉的形式各种各样，管式电阻炉主要包括外壳、炉膛、加热元件、控制器以及炉管、密封盖等。

传统管式电阻炉的加热元件主要包括铁铬铝合金电炉丝和镍铬合金电炉丝两大类。前者属铁素体组织的合金材料，后者属奥氏体组织的合金材料。目前面对各大高校及研究单位，一些物件的热处理过程需在外加磁场的作用下进行，那么有磁性的铁铬铝合金电炉丝就会对外加磁场有屏蔽作用，则不能胜任此类实验所用，而无磁性的镍铬合金电炉丝电阻率偏低，如果电阻炉的尺寸较小，所缠绕电阻丝较短，则在正常电压（220V）作用下会造成整个设备电路电流过载，另外，对于小型物件的加热过程，若使用较大尺寸的电阻炉则是对能源的一种浪费，况且管式炉的尺寸越大，炉膛测温系统的误差范围就越大，从而不能满足对于一些小尺寸且需精确控温的样品要求；

在传统电阻炉的设计中，环形缠绕的电阻丝通电过程中会在炉腔内部产生磁场，对外加磁场也将造成干扰；除此之外，传统管式炉的加热气氛较难控制；对于一些需要较快冷却速率的热处理物件来说，传统的管式炉降温速率一般较小，降温过程漫长。

基于一些特殊实验要求，急于设计一种可以在220V电压下使用的小尺寸、精确控温，加热气氛及升降温速率可调，同时，在整个过程中对样品可产生可控磁场的管式电阻炉。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足之处，从而提供一种多功能高效电阻炉设备，本发明的主要解决方案是这样实现的：

一种多功能高效管式加热装置，包括可调磁场1、耐火纤维保温层2、控温热电偶3、测温热电偶4、冷凝管5、手动调压器6、炉膛7、数显温度测试仪8、温度数控智能仪9、可控硅10、电炉丝11、触发电路12、炉壁13、滑轮14、滑轨15、进水口16、出水口17；所述的炉膛7位于所述的可调磁场1的N极和S极之间，炉膛7外绕有电炉丝11，在电炉丝11外布置一环形冷凝管5，进水口16设置在冷凝管5一端上方，出水口17设置在另一端的下部，冷凝管5与炉壁13之间填充有耐火保温层2，耐火保温层2中插有控温热电偶3，测温热电偶3与温度数控智能仪9相连；温度数控智能仪9的一端通过调压装置与电炉丝11相连；温度数控智能仪9的另一端与外接电源相连，外接电源的电压可为220V或380V，通过调压装置可实现对电炉丝11的输入电压的调节，从而控制加热装置的加热速率；可调磁场1两极底部均安装一滑轮14，该滑轮可在滑轨15上自由移动，通过移动两滑轮实现对两块永磁铁之间方向和相对距离的调节，从而达到样品所处位置的磁场变化。

炉膛7内放置石英制炉管，包括气氛入口19、气氛出口18、数显热电偶插口20、石英管21、塞子22。石英管21的两端设置塞子22，在塞子22的两端分别设置气氛入口19和气氛出口18，同时在塞子上设置有用于插入测温热电偶4的数显热电偶插口20，测温热电偶4与数显温度测试仪8相连，可实时观察样品所在位置的温度。

所述的气氛入口19用于与所需通入气氛罐体相联，气氛出口18用于与流量计或水槽相通。测温热电偶4通过数显热电偶插口20插入至炉管内部样品所在位置。

所述的调压装置包括手动调压器6、可控硅10和触发电路12。手动调压器6通过触发电路12控制可控硅10中的电路输出。

所述的电炉丝11采用无磁性的镍铬合金丝绕制，采用双绕的形式，并且两端密绕，中间稀绕的绕制方法。保证升温过程中炉膛7中各个部分的温度分布均匀。

炉壁13采用顺磁性的不锈钢材料制成。

本发明可以获得如下有有益效果：

炉管的设计可满足内部样品在加热过程中的不同气氛要求，如空气、水蒸气、氩气以及氮气等惰性气体；加热系统中的电炉丝采用无磁性的镍铬合金丝双绕的方法，一方面增加了单位长度内电阻丝的电阻，提高了加热效率，另一方面，双绕的方法使得其在通电过程中在炉管内产生的磁场相互抵消，从而不会干扰对设备中调控外加磁场强度的精确；电阻丝的缠绕采用中间稠密，两端稀疏的缠绕方法，这种缠绕方法可以使得炉内不同位置的温度均匀分布；炉壁采用顺磁性的不锈钢制成，该材料的使用不会对外加磁场有屏蔽作用，从而不影响外加磁场对炉管内样品的作用；电炉丝与炉腔内保温层之间有一环形冷凝管，通过调节冷凝管内水流的速率来调节降温过程中炉管内样品的降温速率。

控温系统包括温度数控智能仪、电压调节器以及数显温度仪三部分组成，其中采用双测温点的方式来实现样品的精确控温，第一测温点的热电偶处于炉壁与加热电阻丝之间的保温层内，与温度数控智能仪相连接，该温度的测量主要用于控制电阻丝的整体加热趋势，其中温度数控智能仪主要通过PID控制实现，可根据需要设置温度曲线；另外，对可控硅的调节可实现对温度系统中电流的控制，一方面能够实现对升温速率的调节，另一方面也可使得整个设备在220V或380V的外电压下正常使用，避免在小尺寸电炉中因电阻丝的电阻过小造成整个设备中的电流过载现象；第二测温点的热电偶处于加热样品的位置，该热电偶可直接测得样品在加热过程中的温度，该热电偶所测温度可通过数显仪显示，温度精确，反应灵敏。两个测温点的协调作用使得样品在整个加热过程中实现精确控温。

可调磁场部分由两块可移动的永磁体构成，该永磁体可以用线圈绕制，也可直接使用块体永磁材料，通过对两块永磁体之间方向和相对距离的调节，实现样品所处位置的磁场变化，其中磁场可满足大小0—60T、水平方向上0—360°的变化。

本发明的一种多功能高效管式加热装置可以实现：(1)升温和降温曲线可根据不同需要可调，其中升温速率和降温速率均可以在0—200℃/min之间变化，加热温度最高可达1400℃；(2)加热气氛可调，可为空气、氩气、氮气等；(3)炉腔内加热样品所处位置的精确温度可调，误差范围在±2℃以下；(4)可以使样品在加热的不同阶段满足大小0—60T、水平方向上0—360°的外加磁场要求；(5)在220V或380V电压下均可正常使用。

附图说明

图1：多功能高效管式加热装置示意图；

图2：炉管设计示意图；

图3：炉管加工尺寸图；

图4：电炉丝双绕示意图；

图5：炉膛温度与距炉膛左端距离关系示意图；

图6：Co₃₆Fe₃₆Si_4.8B_19.2Nb₄非晶合金磁场热处理温度曲线；

图7：磁场退火后Co₃₆Fe₃₆Si_4.8B_19.2Nb₄非晶合金棒截面SEM图片；

图8：退火温度与Co₃₆Fe₃₆Si_4.8B_19.2Nb₄非晶合金表面硬度和模量关系图；

图中：1、可调磁场，2、耐火纤维保温层，3、控温热电偶，4、测温热电偶，5、冷凝管，6、手动调压器，7、炉膛，8、数显温度测试仪，9、温度数控智能仪，10、可控硅，11、电炉丝，12、触发电路，13、炉壁，14、滑轮，15、滑轨，16、进水口，17、出水口，18、气氛出口，19、气氛入口，20、数显热电偶插口，21、石英管，22、塞子。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，该多功能管式炉由可调磁场1、耐火纤维保温层2、控温热电偶3、测温热电偶4、冷凝管5、手动调压器6、炉膛7、数显温度测试仪8、温度数控智能仪9、可控硅10、电炉丝11、触发电路12、炉壁13、滑轮14、滑轨15、进水口16、出水口17组成。

其中在可调磁场1的N极和S极之间放置整个加热系统，可调磁场1由两块可移动的永磁体构成，两者底部均安装一滑轮14，该滑轮可在滑轨15上自由移动，通过移动两滑轮实现对两块永磁铁之间方向和相对距离的调节，从而达到样品所处位置的磁场变化，另外可以通过更换不同等级的永磁体来得到不同大小的磁场强度，样品所处位置的磁场大小可以通过高斯计精确测得。炉膛7外绕有电炉丝11，在电炉丝外布置一环形冷凝管5，进水口16设置在冷凝管5一端上方，出水口17设置在另一端的下部，在炉体降温过程中，可以控制通过冷凝管的水流量实现炉体冷却速度的调节，其中最大冷却速率约为200℃/min，该速率可以满足大部分热处理实验的冷却速率要求。

冷凝管5与炉壁13之间填充有耐火保温层2，在耐火保温层2中插有测温热电偶3，该热电偶与温度数控智能仪9相连，温度数控智能仪9的一端通过调压装置与电阻丝11相连，调压装置有手动调压器6、可控硅10和触发电路12组成、温度数控智能仪9的另一端与外接电源相连，电压可为220V或380V，通过整个调压装置可实现对电阻丝的输入电压手动调节，从而控制电炉的加热速率；

炉膛7内放置石英制炉管，该石英制炉管的设计如图2所示，其中包括气氛入口19、气氛出口18、数显热电偶插口20、石英管21、塞子22。气氛入口与所需通入气氛罐体相联，气氛出口可与流量计或水槽相通，通过观察流量计示数或水槽中气泡产生速率判断流经加热样品的气体量。测温热电偶4通过数显热电偶插口20插入炉管内部样品所在位置，该热电偶与数显温度测试仪8相连，可实时观察样品所在位置的温度。

图3为炉管的加工尺寸图，另外，根据所需处理的样品尺寸可调整炉膛内石英管各部分的加工尺寸。

作为本发明的一种改进，所述测装系统包括第一、二测温点，第一测温点位于炉壁内保温层中，该测温点与温度数控智能仪相连，主要用于控制电炉丝中的电流大小，第二温测点位于石英管内样品上方，该温度可直接显示样品的实时温度，从而更加精确的制定温度曲线。

温度数控智能仪与可控硅相连，通过手动调压器控制流入电炉丝的电流大小，这种连接方法可以使得电炉丝电阻较小的情况下整个电路系统电流不至于过载，对于小型电阻炉在220V电压下使用是一种极为实用的解决方法。另外，通过手动调压还可以控制最大限度的控制升温速率，从而满足不同实验的要求。

作为本发明的另一改进，炉膛外电炉丝采用双绕的方法，如图4所示，电炉丝双绕使得的每组电炉丝上产生大小相同方向相反的电流，由高斯定理可知，通电后每组炉丝产生的磁场正好相互抵消，使其周围磁场为零，从而消除了电炉丝磁场的影响。

为了使炉膛内中央区域能形成一定宽度的均温区，用电炉丝双绕于炉膛外时，我们采用了两端密绕，中间稀绕的方式（如图3）。因为炉膛两端散热速率较快，则炉膛内温度也是由中央向两边递减。中间疏，两端密可使中央区域有一段均温区，图5为以炉管总长160mm为例，炉膛内温度与距炉膛左端距离关系示意图，从图中可以看出，若电炉丝均匀缠绕，则炉膛内温度分布如图5（a）所示，若电炉丝采用两端密绕，中间稀绕的方法，如图5（b）所示，则炉膛内会有一段均温区可使得具有一定尺寸的样品在整个升温过程中保持各部分温度一致，达到精确控温的效果。

本实例提供一种该装置的使用方法及效果。以尺寸相对较小的Co₃₆Fe₃₆Si_4.8B_19.2Nb₄非晶合金棒（直径为3mm，长度为4mm）为实验对象，设置升降温曲线，以及外加磁场大小和方向，达到对小尺寸样品磁场热处理的效果。整个实验具体包括以下几个步骤：

步骤一：首先将直径为3mm，长4mm的Co₃₆Fe₃₆Si_4.8B_19.2Nb₄非晶合金棒放入炉膛石英管内中央，并用塞子将端口塞紧，将测温热电偶（图1-4）通过数显热电偶插口20插入石英管内，偶头紧邻样品，氩气罐通过橡胶管与气氛入口19相连，石英管另一端气氛出口18连接橡胶管通入水槽，打开氩气阀门，向石英管内通入氩气，并通过水槽中气泡速率调节氩气罐阀门，保证整个样品一直处于气氛保护状态下。

步骤二：调节磁场大小和方向；根据本实验要求，样品在整个实验过程中需处于大小为0.2T的横向磁场中，故调节样品与磁铁之间的位置，通过高斯计可精确测得样品处的磁场强度，得到所需的场强大小和方向。

步骤三：打开总电源开关，在温度数控智能仪（图1-9）上制定温度曲线，升温及保温阶段的温度设定如图6所示，设定完成后，样品进入升温阶段，观察数显温度测试仪（图1-8）所显示的样品周围的精确温度，并做记录。

步骤四：样品保温阶段完成，进入降温阶段，此时关掉总电源，调节冷凝管水流量以及氩气的通入量，两者协调作用达到所需降温速率的要求。

步骤五：当数显温度测试仪（图1-8）所显示样品周围温度达到室温附近时，关氩气阀和冷凝管中的水流，然后取出样品。

步骤六：通过扫描电镜观察样品退火后的结晶状况，实验表明经过磁场退火后，Co₃₆Fe₃₆Si_4.8B_19.2Nb₄非晶合金的结晶状况受磁场作用出现明显的梯度分布状况，合金断面晶粒分布图如图7所示；此外，制定恒定外磁场下、不同退火温度的实验方案，对同一样品进行不同温度的磁场热处理，然后比较样品在不同温度下磁场热处理后的力学性能变化，图8为所示合金在0.2T横向磁场下，退火温度与合金表面的硬度和弹性模量关系图，从图中可以看出，在一定外加横向磁场下，随着退火温度的升高，合金的硬度和模量均呈现递增趋势。

另外，也可根据需要同时调节磁场大小和方向、升温速率、降温速率等参数制定相关实验方案。

Claims (5)

1.一种多功能高效管式加热装置，其特征在于：其包括可调磁场(1)、耐火纤维保温层(2)、控温热电偶(3)、测温热电偶(4)、冷凝管(5)、手动调压器(6)、炉膛(7)、数显温度测试仪(8)、温度数控智能仪(9)、可控硅(10)、电炉丝(11)、触发电路(12)、炉壁(13)、滑轮(14)、滑轨(15)、进水口(16)、出水口(17)；所述的炉膛(7)位于所述的可调磁场(1)的N极和S极之间，炉膛(7)外绕有电炉丝(11)，在电炉丝(11)外布置一环形冷凝管(5)，进水口(16)设置在冷凝管(5)一端上方，出水口(17)设置在另一端的下部，冷凝管(5)与炉壁(13)之间填充有耐火保温层(2)，耐火保温层(2)中插有控温热电偶(3)，控温热电偶(3)与温度数控智能仪(9)相连；温度数控智能仪(9)的一端通过调压装置与电炉丝(11)相连；温度数控智能仪(9)的另一端与外接电源相连，外接电源的电压为220V或380V，通过调压装置实现对电炉丝(11)的输入电压的调节，从而控制加热装置的加热速率；可调磁场(1)两极底部均安装一滑轮组(14)，该滑轮组可在滑轨(15)上自由移动，通过移动两滑轮组实现对两块永磁铁之间方向和相对距离的调节，从而达到调节样品所处位置的磁场变化；磁场从0.01nT到60T调节。

2.根据权利要求1所述的一种多功能高效管式加热装置，其特征在于：炉膛(7)内放置石英制炉管，包括气氛入口(19)、气氛出口(18)、数显热电偶插口(20)、石英管(21)、塞子(22)；石英管(21)的两端设置塞子(22)，在塞子(22)的两端分别设置气氛入口(19)和气氛出口(18)，同时在塞子(22)上设置有用于插入测温热电偶(4)的数显热电偶插口(20)，测温热电偶(4)与数显温度测试仪(8)相连，可实时观察样品所在位置的温度；所述的气氛入口(19)用于与所需通入气氛罐体相联，气氛出口(18)用于与流量计或水槽相通；测温热电偶(4)插入至数显热电偶插口(20)中并控制插入炉管内部样品所在位置。

3.根据权利要求1所述的一种多功能高效管式加热装置，其特征在于：所述的调压装置包括手动调压器(6)、可控硅(10)和触发电路(12)；手动调压器(6)通过触发电路(12)控制可控硅(10)中的电路输出。

4.根据权利要求1所述的一种多功能高效管式加热装置，其特征在于：所述的电炉丝(11)采用镍铬合金丝无磁性的电阻丝绕制，采用双绕的形式，并且两端密绕，中间稀绕的绕制方法，保证升温过程中炉膛(7)中各个部分的温度一致和热处理中电炉丝的内消磁，并不受外磁场影响。

5.根据权利要求1所述的一种多功能高效管式加热装置，其特征在于：炉壁(13)采用顺磁性的不锈钢材料制成。