CN103712440A - 在氧化气氛下连续生产用隧道式超高温电炉及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在氧化气氛下连续生产用隧道式超高温电炉，它包括钢结构炉体（5），进料端电动炉门（2），出料端电动炉门（28），多个发热元件，多个载料滑板，炉外滑板轨道（20），炉外滑板（21），多个电液推杆，进出料小车，小车轨道，温度控制系统以及PLC控制系统；其中，钢结构炉体（5）内部从进料端到出料端依次为以下工作区：进料区（3）、预热区（4）、升温区（6）、高温区（8）、降温区（10）、冷却区（13）、出料区（15）；该电炉高温区最高工作温度为1950℃。本发明的升温区和降温区既可在电炉升温时帮助高温区提升温度又可在连续生产时根据工艺需要提供合适的温度梯度；进料区、出料区外部机械结构采用活动可伸缩形式连接。本发明大幅提高了氧化气氛下隧道炉的使用温度，解决了目前无机非金属材料领域所面临的高温热处理的难题。

Description

在氧化气氛下连续生产用隧道式超高温电炉及其操作方法

技术领域

本发明涉及材料的热处理技术领域，尤其涉及一种在氧化气氛下能够用于连续生产的隧道式超高温电炉及其操作方法，适用于无机非金属材料在高温氧化气氛下进行热处理连续生产作业。

背景技术

在无机非金属材料热处理领域，隧道式加热炉是使用较为广泛的一种连续式生产设备，其具有使用方便、生产效率高、生产成本低等特点。按照机械结构及物料承载与运送方式的不同可以细分为台车式炉和推板式炉等形式。隧道炉内在长度方向一般分为进料区、预热区、高温区、冷却区、出料区等，放于炉底上的载料滑板或台车沿炉内轨道依次通过上述区段完成物料的热处理过程。目前广泛使用的氧化气氛隧道炉热处理温度最高在1700℃，可以满足普通性能材料在氧化气氛下热处理温度的要求，而能达到更高温度的隧道炉一般是在保护气氛下使用。随着材料科技的不断发展，某些高性能材料本身的特性要求热处理过程需在氧化气氛下进行，且对材料的热处理温度也提出了更高的要求，热处理温度的高低往往决定了这些材料使用性能的优劣，在热处理过程中无法达到更高的烧结温度是制约很多材料无法实现大规模工业化生产的瓶颈问题之一。

氧化锆陶瓷发热元件作为一种可以在氧化气氛下使用的超高温加热元件，目前已经在实验室用箱式电炉上得到应用，其最高使用温度可以达到2000℃左右，但是，将氧化锆加热元件应用于隧道式加热炉，以满足工业化生产所需要的连续热处理工艺要求的现有技术，至今还未见报道。

发明内容

针对以上问题，本发明的目的是提供一种在氧化气氛下长期使用的连续式热处理用隧道炉及其操作方法，采用了改进的推板式炉体结构，其工作温度可达1950℃。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种在氧化气氛下连续生产用隧道式超高温电炉，它包括钢结构炉体5，进料端电动炉门2，出料端电动炉门28，多个发热元件，载料滑板1，炉外滑板轨道20，炉外滑板21，多个电液推杆，进出料小车，小车轨道，温度控制系统以及PLC控制系统；其中，钢结构炉体5内部从进料端到出料端依次为以下工作区：进料区3、预热区4、升温区6、高温区8、降温区10、冷却区13、出料区15；该电炉高温区的最高工作温度为1950℃。

高温区8设置在炉膛的中间位置，其加热系统由主加热和辅助加热两套独立的系统构成，高温区8炉膛温度最高可达1950℃；其中，主加热系统使用氧化锆质第二发热元件9作为加热介质，元件垂直均布在高温区8炉膛的两侧；辅助加热系统由硅化钼第四发热元件22构成，元件垂直分布在高温区8炉膛的外侧，用耐高温材料与炉膛隔离，主加热系统和辅助加热系统的温度分别独立控制。

高温区8的主加热系统为第二发热元件9，辅助加热系统为第四发热元件22，第四发热元件22用于将高温区8炉膛加热到＞1000℃，给第二发热元件9进行预加热，因为第二发热元件9在＜1000℃时不导电，当高温区8炉膛温度≥1000℃后第二发热元件9开始导电加热。

升温区6与降温区10分别设置于高温区8前后两端，该两工作区的第一发热元件7和第三发热元件11为硅化钼元件，元件垂直均布在炉膛两侧，炉膛最高加热温度1650℃。

不同区段以此区段炉膛温度为标准选择适合的耐火材料进行砌筑，其中，进料区3、出料区15以二氧化硅材质耐火材料为主；预热区4、升温区6、降温区10、冷却区13以三氧化二铝材质耐火材料为主；高温区8及炉底轨道的耐火材料选择以高纯氧化镁细粉为主要原料通过等静压成型的碱性耐火砖，添加1～2%的非金属复合添加剂。

进料区3、出料区15外部机械结构采用活动可伸缩形式连接，使得高温状态下可以伴随耐火材料产生的线性膨胀量而进行位移抵消。

在隧道炉内升温区6、高温区8、降温区10分别布置测温装置，各区可分别按工艺要求设定温度并独立控温，其中，温度的控制使用PID运算精确控制。

高温区8测温装置分为两套,低于1750℃使用热电偶29测温，高于1750℃使用红外测温仪30。

进料端电动炉门2和出料端电动炉门28的升降以及第一～第五电液推杆16,19,24,25,27的运作等均由PLC系统编程控制，整个热处理生产流程自动化控制。

该电炉具有如下推板式炉体结构：从进料端炉门2开始载料滑板1可沿着头尾相接布置于炉底之上的各轨道形成的回路往复运动；

第一电液推杆16将载料滑板1沿第一小车轨道17推至进料端电动炉门2的位置；第二电液推杆19将载料滑板1推至炉内进料区3；第三电液推杆24和第五电液推杆27将位于出料区的载料滑板1推至出料小车23上；第四电液推杆25将卸料后的载料滑板1推到进料端的原始工位。

氧化气氛下用于连续生产的隧道式超高温电炉的操作方法，物料置于载料滑板1上根据工艺要求顺序通过进料区3、预热区4、升温区6、高温区8、降温区10、冷却区13、出料区15完成热处理过程，该方法包括如下步骤：

a）首先将升温区6、高温区8、降温区10按照所需工艺要求设定好升温、保温曲线，开始升温；

b）当升温区6、高温区8、降温区10达到设定的保温温度，并按工艺要求保持一定时间后，即可根据工艺要求进行物料的热处理；

c）提升进料端电动炉门2，使用第一电液推杆16将装有载料滑板1的进料小车18沿第一小车轨道17推至进料端电动炉门2的位置；

d）第二电液推杆19将载料滑板1推至炉内进料区3进行物料烘干，降落进料端电动炉门2；

e）第一电液推杆16将进料小车18沿第一小车轨道17拉回到装料工位；

f）提升出料端电动炉门28，使用第三电液推杆24将出料小车23沿第二小车轨道26推至出料端电动炉门28的位置，第五电液推杆27将位于出料区的载料滑板1推至出料小车23上，降落出料端电动炉门28；g）第三电液推杆24将出料小车23拉回到第二小车轨道26末端进行出料做业；

h）第四电液推杆25将卸料后的载料滑板1推到进料端的原始工位。

上述进出料作业完毕后，根据所要求热处理曲线时间，重复步骤c）～h）的操作，其中，c）～h）各步骤动作均由PLC可编程控制系统控制，自动完成物料的高温连续热处理作业过程。

可根据不同的工艺要求通过PLC预先设定各生产环节的工艺参数，对整个生产流程实现自动化控制。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、隧道炉高温区的使用温度在氧化气氛下可到1950℃。

2、本发明实现了在1800℃以上的不同区段温度场梯度控温，并且经试验测得高温区段内均温效果良好。

3、高温区采用热电偶与红外两套测温，可以根据工艺情况进行选择，做到不同温度下的精确测温、控温。

4、可根据不同的工艺要求通过PLC预先设定各生产环节的工艺参数，整个生产流程实现自动化控制。

本发明根据实际使用条件，对隧道炉采用了改进的推板式炉体结构，其创新性在于通过改进传统隧道炉的炉膛结构与耐火材料砌筑方式，满足氧化锆陶瓷加热元件的安装与使用条件，突破了现有氧化气氛隧道炉的最高使用温度。

附图说明

图1为本发明在氧化气氛下连续生产用隧道式超高温电炉整体结构的主视图，从炉体中间做全剖视处理。

图2为图1的俯视图，从高温区中间做半剖视处理。

图3为图1的左视图，在炉体上做局部剖视处理。

附图标记

1载料滑板        16第一电液推杆

2进料端电动炉门  17第一小车轨道

3进料区                     18进料小车

4预热区                     19第二电液推杆

5钢结构炉体                 20炉外滑板轨道

6升温区                     21炉外滑板

7第一发热元件（硅化钼）     22第四发热元件（硅化钼）

8高温区                     23出料小车

9第二发热元件（氧化锆）     24第三电液推杆

10降温区                    25第四电液推杆

11第三发热元件（硅化钼）    26第二小车轨道

12保温层                    27第五电液推杆

13冷却区                    28出料端电动炉门

14隔热层                    29热电偶

15出料区                    30红外测温仪

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

如图1所示，本发明的隧道式超高温电炉的炉体内分为进料区3、预热区4、升温区6、高温区8、降温区10、冷却区13、出料区15等7个工作区。其中设置于高温区前后两端的升温区6与降温区10是有别于常规隧道炉的特殊功能区，此两区的第一发热元件7和第三发热元件11选用硅化钼元件，元件垂直均布在炉膛两侧，炉膛最高加热温度1650℃。其发挥的主要作用是：

1）保证主加热区的加热效果。由于高温区8长期处于1950℃的超高温度场状态下，过高的温度差会导致其与预热区4、冷却区13之间产生大量热交换，因此通过在高温区的前后两端增加带独立发热体的升温区6与降温区10可以有效降低高温区的辐射热交换损失，使温度场保持均匀稳定状态。

2）提供温度梯度，保护高温发热体。升温区6与降温区10可以为高温区8的第二发热元件9提高预热效率，同时在高温区8工作时可以负担一部分功率输出，减少第二发热元件9的损耗。此外，在生产环节中还可以提供更为清晰的温度梯度效果。根据工艺要求，升温区6、高温区8、降温区10的长度均可以相应加长或缩短。

高温区8由主加热系统（即第二发热元件9）与辅助加热系统（即第四发热元件22）两部分组成。第二发热元件9采用氧化锆发热元件，元件垂直均布于高温区的两侧，炉膛最高加热温度1950℃。第四发热元件22由硅化钼发热元件构成，分布在高温区8炉膛的外侧，由耐高温材料与炉膛隔离，第四发热元件22的作用是将高温区8炉膛加热到＞1000℃，给第二发热元件9进行预加热，因为第二发热元件9在＜1000℃时不导电，当高温区8炉膛温度≥1000℃后第二发热元件9开始导电，此时第二发热元件可给电升温。

该隧道式超高温电炉的进料区3、预热区4、升温区6、高温区8、降温区10、冷却区13、出料区15分别采用不同种类耐火材料进行砌筑。其中高温区8耐火材料需要耐受1950℃高温灼烧，此温度高于大部分耐火材料承受极限，经过对多种成分耐火原料及添加剂的高温抗折与高温蠕变性能进行试验研究与分析，最终使用于炉体高温区8及炉底轨道的耐火材料是以高纯氧化镁细粉为主要原料通过等静压成型的一种碱性耐火砖，并添加非金属复合添加剂，其成分组成见表1。经试验验证，调整成分后此种耐火材料的高温抗折与抗蠕变性能得到明显提升，可以满足本隧道炉的高温使用需求。

表1本发明碱性耐火砖化学成分

化学成分	质量分数
		MgO（电熔）	＞97%
CaO	＞1%
		Cr2O3	＜1%
Al2O3	＜1%
		Fe2O3	＜0.05%

进料区3、出料区15外部机械结构采用活动可伸缩形式连接。经试验确定，在温度超过1800℃后，炉底轨道所使用的以高纯氧化镁细粉为主要原料的碱性耐火砖会有约10%的线性膨胀量产生。因此为了保证炉底轨道不致因膨胀产生挤压变形阻挡滑板前进，除了在砌筑过程中，炉底使用了单方向带角度的斜面咬口方式外，本发明还对炉体钢结构进行了优化设计：炉体钢结构采用三段式连接，进料区3与出料区15分别独立于主炉体，其侧壁通过弹簧机构与炉体连接，并在两个区的钢结构炉底位置加设轴承与承载轨道进行定位，在使用过程中一旦耐火材料发生线性膨胀，进料区3与出料区15炉体即会沿承载轨道向外产生位移，抵消耐火材料膨胀所带来的挤压变形，保证物料滑板的正常动作。

在隧道炉内升温区6、高温区8、降温区10分别布置测温装置，各区可分别按工艺要求设定温度并独立控温。温度的控制使用PID运算精确控制，满足各种材料的热处理制度要求；高温区8测温装置分为两套,低于1750℃使用热电偶29测温，高于1750℃使用红外测温仪30。电动炉门升降以及电液推杆动作等均由PLC系统编程控制，整个热处理生产流程实现自动化控制。

本发明的主要外部结构包括：钢结构炉体5，进料端电动炉门2，出料端电动炉门28，进料小车18，出料小车23，第一小车轨道17，第二小车轨道26，炉外滑板轨道20，炉外滑板21，第一电液推杆16，第二电液推杆19，第三电液推杆24，第四电液推杆25，第五电液推杆27，热电偶29，红外测温仪30。

本发明的炉体内部构造包括：载料滑板1，第一发热元件7，第二发热元件9，第三发热元件11，第四发热元件22，隔热层14，保温层12。

物料的高温连续热处理作业过程，可按如下具体步骤进行实施：

a）首先将升温区6、高温区8、降温区10按照所需工艺要求设定好升温、保温曲线，开始升温。

b）当升温区6、高温区8、降温区10达到设定的保温温度，并按工艺要求保持一定时间后，即可根据工艺要求进行物料的热处理。

c）提升进料端电动炉门2，使用第一电液推杆16将装有载料滑板1的进料小车18沿第一小车轨道17推至进料端电动炉门2的位置。

d）第二电液推杆19将载料滑板1推至炉内进料区3进行物料烘干，降落进料端电动炉门2。

e）第一电液推杆16将进料小车18沿第一小车轨道17拉回到装料工位。

f）提升出料端电动炉门28，使用第三电液推杆24将出料小车23沿第二小车轨道26推至出料端电动炉门28的位置，第五电液推杆27将位于出料区的载料滑板1推至出料小车23上，降落出料端电动炉门28。

g）第三电液推杆24将出料小车23拉回到第二小车轨道26末端进行出料做业。

h）第四电液推杆25将卸料后的载料滑板1推到进料端的原始工位。

i）上述进出料做业完毕后，根据所要求热处理曲线时间，重复步骤（c～h）的操作。其中（c～h）各步骤动作均由PLC可编程控制系统控制，自动完成物料的高温连续热处理作业过程。

Claims (13)

1.一种在氧化气氛下连续生产用隧道式超高温电炉，其特征在于，它包括钢结构炉体（5），进料端电动炉门（2），出料端电动炉门（28），多个发热元件，载料滑板（1），炉外滑板轨道（20），炉外滑板（21），多个电液推杆，进出料小车，小车轨道，温度控制系统以及PLC控制系统；其中，钢结构炉体（5）内部从进料端到出料端依次为以下工作区：进料区（3）、预热区（4）、升温区（6）、高温区（8）、降温区（10）、冷却区（13）、出料区（15）；该电炉高温区的最高工作温度为1950℃。

2.如权利要求1所述的隧道式超高温电炉，其特征在于，高温区（8）设置在炉膛的中间位置，其加热系统由主加热和辅助加热两套独立的系统构成，高温区（8）炉膛温度最高可达1950℃；其中，主加热系统使用氧化锆质第二发热元件（9）作为加热介质，元件垂直均布在高温区（8）炉膛的两侧；辅助加热系统由硅化钼第四发热元件（22）构成，元件垂直分布在高温区（8）炉膛的外侧，用耐高温材料与炉膛隔离，主加热系统和辅助加热系统的温度分别独立控制。

3.如权利要求1所述的隧道式超高温电炉，其特征在于，高温区（8）的主加热系统为第二发热元件（9），辅助加热系统为第四发热元件（22），第四发热元件（22）用于将高温区（8）炉膛加热到＞1000℃，给第二发热元件（9）进行预加热，因为第二发热元件（9）在＜1000℃时不导电，当高温区（8）炉膛温度≥1000℃后第二发热元件（9）开始导电加热。

4.如权利要求1所述的隧道式超高温电炉，其特征在于，升温区（6）与降温区（10）分别设置于高温区（8）前后两端，该两工作区的第一发热元件（7）和第三发热元件（11）为硅化钼元件，元件垂直均布在炉膛两侧，炉膛最高加热温度1650℃。

5.如权利要求1所述的隧道式超高温电炉，其特征在于，不同区段以此区段炉膛温度为标准选择适合的耐火材料进行砌筑，其中，进料区（3）、出料区（15）以二氧化硅材质耐火材料为主；预热区（4）、升温区（6）、降温区（10）、冷却区（13）以三氧化二铝材质耐火材料为主；高温区（8）及炉底轨道的耐火材料选择以高纯氧化镁细粉为主要原料通过等静压成型的碱性耐火砖，添加1～2%的非金属复合添加剂。

6.如权利要求1所述的隧道式超高温电炉，其特征在于，进料区（3）、出料区（15）外部机械结构采用活动可伸缩形式连接，使得高温状态下可以伴随耐火材料产生的线性膨胀量而进行位移抵消。

7.如权利要求1所述的隧道式超高温电炉，其特征在于，在隧道炉内升温区（6）、高温区（8）、降温区（10）分别布置测温装置，各区可分别按工艺要求设定温度并独立控温，其中，温度的控制使用PID运算精确控制。

8.如权利要求7所述的隧道式超高温电炉温度控制，其特征在于，高温区（8）测温装置分为两套,低于1750℃使用热电偶（29）测温，高于1750℃使用红外测温仪（30）。

9.如权利要求1所述的隧道式超高温电炉，其特征在于，进料端电动炉门（2）和出料端电动炉门（28）的升降以及第一～第五电液推杆（16,19,24,25,27）的运作等均由PLC系统编程控制，整个热处理生产流程自动化控制。

10.如权利要求1所述的隧道式超高温电炉，其特征在于，该电炉具有如下推板式炉体结构：从进料端炉门（2）开始载料滑板（1）可沿着头尾相接布置于炉底之上的各轨道形成的回路往复运动；

第一电液推杆（16）将载料滑板（1）沿第一小车轨道（17）推至进料端电动炉门（2）的位置；第二电液推杆（19）将载料滑板（1）推至炉内进料区（3）；第三电液推杆（24）和第五电液推杆（27）将位于出料区的载料滑板（1）推至出料小车（23）上；第四电液推杆（25）将卸料后的载料滑板（1）推到进料端的原始工位。

11.如权利要求1所述的氧化气氛下用于连续生产的隧道式超高温电炉的操作方法，其特征在于，物料置于载料滑板（1）上根据工艺要求顺序通过进料区（3）、预热区（4）、升温区（6）、高温区（8）、降温区（10）、冷却区（13）、出料区（15）完成热处理过程，

该方法包括如下步骤：

a）首先将升温区（6）、高温区（8）、降温区（10）按照所需工艺要求设定好升温、保温曲线，开始升温；

b）当升温区（6）、高温区（8）、降温区（10）达到设定的保温温度，并按工艺要求保持一定时间后，即可根据工艺要求进行物料的热处理；

c）提升进料端电动炉门（2），使用第一电液推杆（16）将装有载料滑板（1）的进料小车（18）沿第一小车轨道（17）推至进料端电动炉门（2）的位置；

d）第二电液推杆（19）将载料滑板（1）推至炉内进料区（3）进行物料烘干，降落进料端电动炉门（2）；

e）第一电液推杆（16）将进料小车（18）沿第一小车轨道（17）拉回到装料工位；

f）提升出料端电动炉门（28），使用第三电液推杆（24）将出料小车（23）沿第二小车轨道（26）推至出料端电动炉门（28）的位置，第五电液推杆（27）将位于出料区的载料滑板（1）推至出料小车（23）上，降落出料端电动炉门（28）；

g）第三电液推杆（24）将出料小车（23）拉回到第二小车轨道（26）末端进行出料做业；

h）第四电液推杆（25）将卸料后的载料滑板（1）推到进料端的原始工位。

12.如权利要求11所述的操作方法，其特征在于，上述进出料作业完毕后，根据所要求热处理曲线时间，重复步骤c）～h）的操作，其中，c）～h）各步骤动作均由PLC可编程控制系统控制，自动完成物料的高温连续热处理作业过程。

13.如权利要求11所述的操作方法，其特征在于，可根据不同的工艺要求通过PLC预先设定各生产环节的工艺参数，对整个生产流程实现自动化控制。

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