CN104962721A - 一种连续走带式材料热处理方法及热处理设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种连续走带式材料热处理方法及热处理设备。热处理方法包括：设置空心热处理炉，炉腔内部的温度按照工艺需要变化；向炉腔内通入工作气体；材料以连续走带的方式沿着一定的轨迹通过炉腔。热处理设备包括供电装置、炉体、电加热丝、进气口、出气口、进带口、出带口、放卷盘和收卷盘；炉腔外壁上缠绕有若干与供电装置连接的电加热丝；进气口和出气口分别对应设置在炉体两端的侧壁上；放卷盘和收卷盘分别对应设置在炉体的外侧；带材的一端与放卷盘固定连接，其另一端依次通过进带口和出带口后与收卷盘固定连接，带材沿直线或波浪线从炉体内部通过。本发明的有益效果为：能够容易地嵌入生产线中，且避免对材料的损伤。

Description

一种连续走带式材料热处理方法及热处理设备

技术领域

本发明涉及一种材料热处理方法及设备，具体涉及一种连续走带式材料热处理方法及热处理设备。

背景技术

REBa₂Cu₃O_7-δ或REBCO(RE：Rare Earth Element，稀土元素，最常用的是YBCO，氧化钇钡铜)高温超导材料是世界上目前超导学研究的焦点之一，也是最接近商业化生产的实用超导材料，其带材的长度可达到约1000米。实用化的REBCO高温超导材料，即所谓的第二代高温超导带材(2G-HTS)，其常规生产工艺流程中很重要的一步就是在氧气氛围下对带材进行退火处理，即“氧处理工艺”，使REBCO中的氧含量(7-δ)达到6.8以上，使REBCO的晶体结构由四方晶系向正交晶系转变，REBCO才会在液氮温度下具有超导性。这一工艺的关键是首先将REBCO材料置于高于300摄氏度的富氧环境之中，氧离子可充分进入REBCO晶格的Cu-O面内，然后通过缓慢降温的办法让氧离子驻留在REBCO晶格之中，形成正交相结构。通过将材料整体放置于气氛炉之中，然后按照图5所示的工艺参数控制炉膛中REBCO所处位置的温度随时间的变化来实现。

人们一般采用箱式气氛炉对带材进行氧处理，虽然箱式气氛炉具有体积小、温度随时间变化可严格控制的优点，但是也存在一些缺点，尤其是对长带或长线型高温超导材料进行氧处理时：(1)由于超导带材在热处理前的工艺过程中都是紧密缠绕在卷盘上的，如果直接将紧密缠绕的卷盘置于箱式退火炉中进行氧处理，可能造成氧气无法充分进入REBCO膜层，也可能由于REBCO膜层表面镀有一层贵金属(如银)保护层而发生带材的正面与外圈的带材背面相互粘结而损害REBCO的情况，因此，需要在氧处理之前对紧密缠绕的带材进行松散操作。对超过百米长度的带材进行松散操作的人员需经过严格训练，否则很可能会造成氧处理不均匀，或者对带材造成物理损伤，影响超导性能，降低氧处理工艺的成品率；(2)在普通的箱式管式炉的腔体内一般都存在温度不均匀分布的现象，如果想进一步使温度变得均匀，需要加风扇，使腔体内的气体形成对流，但是这对材料的耐高温性和抗氧化性以及转动部分的密封性要求很高，这大大增加了设备的成本。(3)在带材的退火过程中，箱式退火炉的自动化程度较低，不能很好地将之嵌入到生产线中。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种连续走带式材料热处理方法及热处理设备。

本发明所采用的技术方案为：一种连续走带式材料热处理方法，其包括以下步骤：1)设置一空心热处理炉，从该空心热处理炉的一端到另一端，炉腔内部的温度按照工艺需要变化；2)向炉腔内通入工作气体；3)材料以连续走带的方式按照一定速度并沿一定轨迹通过空心炉腔，从而使炉腔内部温度的变化转换为材料上每一点的温度按照工艺需要随时间的变化。

所述步骤2)中，工作气体根据工艺需要采用氧化气体、还原气体或惰性气体。

一种采用所述连续走带式材料热处理方法的热处理设备包括供电装置、炉体、电加热丝、进气口、出气口、进带口、出带口、放卷盘和收卷盘；所述炉体采用圆柱形空心管道结构；所述炉体外壁上缠绕有若干呈螺旋状分布的电加热丝；各所述电加热丝均与所述供电装置连接，所述供电装置为所述电加热丝提供加热电源；所述进气口设置在所述炉体一端的侧壁上，所述出气口设置在所述炉体另一端的侧壁上，工作气体从所述进气口进入所述炉体腔内，并从所述出气口排出；所述进带口和出带口分别对应开设在所述炉体的两端；所述放卷盘设置在所述炉体一端的外侧，所述收卷盘设置在所述炉体另一端的外侧；连续走带式材料的一端与所述放卷盘固定连接，其另一端依次通过所述进带口和出带口后与所述收卷盘固定连接，连续走带式材料沿直线从所述炉体内部通过。

另一种采用所述连续走带式材料热处理方法的热处理设备包括供电装置、炉体、电加热丝、进气口、出气口、进带口、出带口、放卷盘、收卷盘和导带轮；所述炉体采用长方体形空心管道结构，所述炉体的外壁上缠绕有至少一条呈螺旋状分布的所述电加热丝，各所述电加热丝均与所述供电装置连接，所述供电装置为所述电加热丝提供加热电源，沿所述炉体的长度方向，各所述电加热丝在所述炉体外壁上的缠绕密度均逐渐由密变稀；所述进带口开设在所述炉体一端的侧壁上，所述进气口设置在所述进带口的侧壁上，所述出带口和出气口均开设在所述炉体另一端的侧壁上，工作气体从所述进气口进入所述炉体腔内，并从所述出气口排出；所述炉体内至少设置一个所述导带轮，走带式材料的一端与所述放卷盘固定连接，其另一端依次穿过所述进带口、导带轮和出带口后与所述收卷盘固定连接；通过所述放卷盘与收卷盘之间的卷对卷传输，连续走带式材料沿波浪线轨迹通过所述炉体内的加热区。

优选地，所述炉体内设置两排导带轮组，每排所述导带轮组中设置若干个所述导带轮，走带式材料进入所述炉体腔内后，沿着波浪线轨迹通过所述炉体内的加热区。

进一步，沿所述炉体的长度方向，各所述电加热丝在所述炉体外壁上的缠绕密度均逐渐由密变稀，所述炉体腔内的温度逐渐由高变低。

进一步，所述进带口和出带口处设置密封装置，所述密封装置包括密封塞和密封条，所述密封塞包括分体式的上塞体和下塞体，所述上塞体和下塞体的对接面上各设置一所述密封条，两所述密封条之间留有供走带式材料穿过的狭缝；所述上塞体和下塞体的侧壁上对应开设有螺丝孔，通过穿设在所述螺丝孔中的螺丝将所述上塞体和下塞体固定对接在一起，形成一柱体。

优选地，所述密封条采用毛毡制成。

进一步，所述炉体外设置保温层，所述保温层将所述电加热丝包裹在所述炉体的外壁上。

进一步，所述热处理设备中还设置有若干支撑架，所述支撑架间隔布置在所述炉体下方，所述支撑架的一端与所述炉体底端固定连接，所述支撑架的另一端固定在地面上。

由于采用以上技术方案，本发明的有益效果为：1、本发明首先实现带材温度随空间(长度)的变化，然后通过控制走带速度来实现温度在带材上随时间变化，开拓了连续走带式材料热处理技术的新思路。2、本发明在炉体的进带口和出带口设置密封装置，实现了在带材传送过程中，依然保持炉体与外界的密封。3、本发明热处理设备构造简单，操作方便，占地面积小，自动化程度高，可以很容易地嵌入生产线中，以提高高温连续走带式材料热处理工艺的产率，同时可以避免工艺操作中由于各种因素可能造成的对连续走带式材料的损伤。

附图说明

图1是本发明热处理设备的一种整体结构示意图；

图2是本发明热处理设备中炉体上某一炉段的结构示意图；

图3是本发明热处理设备中炉体的另一种结构示意图；

图4是本发明热处理设备中密封装置的结构示意图；

图5是REBCO超导材料退火时的温度-时间梯度图；

图6是本发明的实施例中温度-空间梯度转变为温度-时间梯度的原理图；

图7是电加热丝采用缓慢过渡缠绕的方法而形成的均匀梯度的温度分布图。

图中：1、炉体；2、电加热丝；3、进气口；4、出气口；5、进带口；6、出带口；7、放卷盘；8、收卷盘；9、导带轮；10、控温热电偶；11、密封条；12、上塞体；13、下塞体；14、螺丝孔；15、保温层；16、测温热电偶。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明提供了一种连续走带式材料热处理方法，其包括以下步骤：

1)设置一空心热处理炉，从该空心热处理炉的一端到另一端，炉腔内部的温度按照工艺需要变化；

2)向炉腔内通入氧化气体、还原气体或惰性气体等工作气体；

3)材料以连续走带的方式按照一定速度并沿一定轨迹通过该炉腔，从而使炉腔内部温度的变化转换为材料上每一点的温度按照工艺需要随时间的变化。

为便于上述热处理方法的实施，如图1和图2所示，本发明还提供了一种连续走带式材料热处理设备，其包括供电装置(图中未示出)、炉体1、电加热丝2、进气口3、出气口4、进带口5、出带口6、放卷盘7和收卷盘8。其中，炉体1采用圆柱体形空心管道结构，炉体1的外壁上缠绕有至少一条呈螺旋状分布的电加热丝2或设置其他加热装置。各电加热丝2均与供电装置连接，供电装置为电加热丝2提供加热电源。沿炉体1的长度方向，各电加热丝2在炉体1外壁上的缠绕密度均逐渐由密变稀，炉体1腔内的温度也由高逐渐变低。进气口3设置在炉体1一端的侧壁上，出气口4设置在炉体1另一端的侧壁上，工作气体从进气口3进入炉体1腔内，并从出气口4排出，以保证工作气氛的纯净度要求。进带口5和出带口6分别对应开设在炉体1的两端，放卷盘7设置在炉体1一端的外侧，收卷盘8设置在炉体1另一端的外侧。连续走带式材料的一端与放卷盘7固定连接，其另一端依次通过进带口5和出带口6后与收卷盘8固定连接。炉体1内腔的直径大于材料的最大宽度或厚度，使得材料能够沿直线通过炉体1的内腔。通过放卷盘7与收卷盘8之间的卷对卷传输，连续走带式材料沿直线通过炉体1内的加热区，这种卷对卷传输方式实施起来简单方便、高效稳定。

本发明连续走带式材料热处理设备使用时，通过供电装置给每条电加热丝2供电，使其通电发热。由于每一条电加热丝2均采用了沿炉体1长度方向逐渐稀疏的缠绕方式，也就使得每一条电加热丝2所缠绕的那一段炉体1都具有沿其长度方向逐渐降低的炉体温度，也即每一段炉体1上的温度随着电加热丝2的稀疏而缓慢下降。显然，炉体1的炉腔温度也随着电加热丝2的稀疏而缓慢下降。只要合理控制供电装置对各电加热丝2的供电电压，就可以使整个炉体1都具有沿其长度方向逐渐降低的炉腔温度。实际应用时，使连续走带式材料从炉体1的高温端进入，再从炉体1的低温端移出，从而使连续走带式材料在通过炉体1的过程中逐渐冷却，达到退火目的。

如图3所示，本发明还提供了另外一种连续走带式材料热处理设备，其包括供电装置(图中未示出)、炉体1、电加热丝2、进气口3、出气口4、进带口5、出带口6、放卷盘7、收卷盘8和导带轮9。炉体1采用一长方体形空心管道结构，炉体1的外壁上缠绕有至少一条呈螺旋状分布的电加热丝2或设置其他加热装置。各电加热丝2均与供电装置连接，供电装置为电加热丝2提供加热电源。沿炉体1的长度方向，各电加热丝2在炉体1外壁上的缠绕密度均逐渐由密变稀，炉体1腔内的温度也逐渐由高变低。进带口5开设在炉体1一端的侧壁上，进气口3设置在进带口5的侧壁上，出带口6和出气口4均开设在炉体1另一端的侧壁上。工作气体从进气口3进入炉体1腔内，并从出气口4排出。炉体1内至少设置一个导带轮9，走带式材料的一端与放卷盘7固定连接，其另一端依次穿过进带口5、导带轮9和出带口6后与收卷盘8固定连接。进一步，炉体1内部设置两排导带轮组，导带轮组沿炉体1的宽度或长度方向设置。每排导带轮组中设置若干个导带轮9，走带式材料进入炉体1腔内后，沿着波浪线轨迹通过炉体1内的加热区，使得走带式材料的实际运行距离大于炉体1的有效长度L或有效宽度H。当沿炉体1的宽度方向设置两排导带轮组时，沿炉体1的有效宽度H方向，炉体1腔内的温度基本保持不变；沿炉体1的有效长度L方向，炉体1腔内的温度由高逐渐变低，炉体1腔内温度根据具体工艺需要进行设置。另外，为提高热处理工艺的产率，在工艺要求的热处理时间T内，使走带式材料以大于L/T的速度运行。作为优选，沿着炉体1的有效长度L方向，在炉体1腔内设置第1至第N温区，每一个温区中均设置有一控温热电偶10，每一控温热电偶10均与供电装置连接。

在一个优选的实施例中，为了在对连续走带式材料进行退火处理时，方便操作者往炉体1内填充氮气、氧气等工作气体，以达到连续走带式材料在特定气氛下退火的目的，同时保证所填充的工作气体不会大面积泄漏，本发明热处理设备中还设置了密封装置，密封装置封堵在炉体1的进带口5和出带口6，且密封装置是可以拆卸的。进一步地，如图4所示，密封装置包括密封塞和密封条11，其中密封塞包括分体式的上塞体12和下塞体13，上塞体12和下塞体13的侧壁上对应开设有螺丝孔14，通过穿设在螺丝孔14中的螺丝将上塞体12和下塞体13固定对接在一起，形成一柱体，上塞体12和下塞体13的对接面上均设置有密封条11，两密封条11之间留有供走带式材料穿过的狭缝。使用时，走带式材料从狭缝中穿过。进一步，密封条11采用柔软的耐高温毛毡制成。正常运行期间，炉体1内的气压略大于外界大气压，在炉体1两端的密封塞处形成正压；由于密封条11与走带式材料之间具有少许压力，因此该密封装置可以保证工作气体不会大量外泄，并能够保证炉体1内的气氛纯度。

在一个优选的实施例中，为了让炉体1具有很好的保温和稳温性能，在炉体1外设置保温层15，保温层15将电加热丝2包裹在炉体1的外壁上。

在一个优选的实施例中，考虑到电加热丝2的发热效率问题，缠绕有电加热丝2的炉体的长度设置为90cm。

在一个优选的实施例中，为便于将炉体1固定在生产线中，本发明热处理设备中还设置有若干支撑架，若干支撑架间隔布置在炉体1下方，支撑架的一端与炉体1底端固定连接，支撑架的另一端固定在地面上。

在一个优选的实施例中，每一条电加热丝2的两端均分别设置一测温热电偶16，以检测电加热丝2的温度。每一条电加热丝2的中部均设置一控温热电偶10，控温热电偶10与供电装置连接，控温热电偶10将检测到的炉体1温度传输至供电装置，供电装置根据接收到的炉体1温度调节每条电加热丝2的供电电压，进而达到调节炉体1上各炉段温度的目的。

为了能够更加清楚地说明本发明的技术方案，下面对获得本发明技术方案的实验过程进行简单介绍：

1)温度在长度上的分布

退火过程就是将金属迅速加热到一定温度，保持足够时间，然后以合适速度冷却(通常是缓慢冷却，有时是控制冷却)的一种金属热处理工艺。在超导带材的退火实验中，一般采用如图5所示的温度随时间的变化过程。

静态热处理方法：即传统的“直接”实现热处理、材料温度在一定的时间内维持不变或温度随着时间变化的方法，温度在炉膛内的有效使用空间内基本均匀，但在时间上则根据技术要求，按所示的“温度-时间”曲线变化，材料静态放置在退火炉中，其温度呈现与炉膛内各位置点相同的随着时间而变化关系；如前所述，在高温超导带材的氧处理过程中有一定的不便利性，无法根除高温超导带材在工艺过程中受到损伤的隐患，且难以满足直接嵌入自动化流水线的要求。

本发明所述动态连续走带是热处理方法，是一种“间接”实现热处理的方法；在工艺过程中，炉膛内的温度不随时间变化，但在其有效使用空间内按照设计要求，随着位置的不同而发生变化，即存在所示“温度-位置(长度)”这一分布曲线。当材料沿着一定的轨迹通过炉膛，材料上各点的温度就将发生变化；通过控制走带速度，将炉膛内“温度-位置(长度)”这一分布曲线转变为材料上各点“温度-时间(长度/速度)”的变化，实现热处理的目的。如图6所示，这样一来，可以通过设计炉膛内的温度分布、材料的通过炉膛的路径和控制走带速度来实现对材料的热处理过程。

由图6中可以看出，经由速度转变后，温度-位置的分布曲线很容易地转变成为温度-时间的变化曲线，在实际运用过程中，则进行相应的设备设计实现温度在空间上的变化，而且按要求配备精确控制走带速度的卷对卷走带装置。其一，如图2所示，可以采用在炉体1上缠绕多条螺旋状的电加热丝2的方法，且这些螺旋状的电加热丝2沿着炉体1的长度方向依次紧邻布置，这样每一条电加热丝2缠绕的区域就自然形成了一个个紧邻的温区；而在每一个温区内电加热丝2在炉管上的缠绕密度均沿着炉体1的长度方向逐渐变稀。这样当各温区控温热电偶10的温度设定值按技术要求从左到右逐渐变低时就可以获得一个如图7所示按一定斜率降低的温度分布。

2)传动机构

为了得到好的退火效果，还需要对传动机构进行精确的控制。对传动机构的控制关键要对走带速度和张力进行控制。走带速度决定了“温度-空间(长度)”到“温度-时间(长度/速度)”的转化效果；张力控制使得带材在退火过程中不会受到损伤。由于管式退火炉较长，所以在走带过程中，若张力较小，带材可能会擦到管壁；若张力过大，在高温下带材易变形而损伤超导薄膜。在实际设备的设计中，采用双伺服电机和PID算法对走带速度和张力进行控制，设备简单且控制精度较高。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种连续走带式材料热处理方法，其包括以下步骤：

1)设置一空心热处理炉，从该空心热处理炉的一端到另一端，炉腔内部的温度按照工艺需要变化；

2)向炉腔内通入工作气体；

3)材料以连续走带的方式按照一定速度并沿一定轨迹通过空心炉腔，从而使炉腔内部温度的变化转换为材料上每一点的温度按照工艺需要随时间的变化。

2.如权利要求1所述的一种连续走带式材料热处理方法，其特征在于：所述步骤2)中，工作气体根据工艺需要采用氧化气体、还原气体或惰性气体。

3.一种采用如权利要求1或2所述连续走带式材料热处理方法的热处理设备，其特征在于：它包括供电装置、炉体、电加热丝、进气口、出气口、进带口、出带口、放卷盘和收卷盘；所述炉体采用圆柱形空心管道结构；所述炉体外壁上缠绕有若干呈螺旋状分布的电加热丝；各所述电加热丝均与所述供电装置连接，所述供电装置为所述电加热丝提供加热电源；所述进气口设置在所述炉体一端的侧壁上，所述出气口设置在所述炉体另一端的侧壁上，工作气体从所述进气口进入所述炉体腔内，并从所述出气口排出；所述进带口和出带口分别对应开设在所述炉体的两端；所述放卷盘设置在所述炉体一端的外侧，所述收卷盘设置在所述炉体另一端的外侧；连续走带式材料的一端与所述放卷盘固定连接，其另一端依次通过所述进带口和出带口后与所述收卷盘固定连接，连续走带式材料沿直线从所述炉体内部通过。

4.一种采用如权利要求1或2所述连续走带式材料热处理方法的热处理设备，其特征在于：其包括供电装置、炉体、电加热丝、进气口、出气口、进带口、出带口、放卷盘、收卷盘和导带轮；所述炉体采用长方体形空心管道结构，所述炉体的外壁上缠绕有至少一条呈螺旋状分布的所述电加热丝，各所述电加热丝均与所述供电装置连接，所述供电装置为所述电加热丝提供加热电源，沿所述炉体的长度方向，各所述电加热丝在所述炉体外壁上的缠绕密度均逐渐由密变稀；所述进带口开设在所述炉体一端的侧壁上，所述进气口设置在所述进带口的侧壁上，所述出带口和出气口均开设在所述炉体另一端的侧壁上，工作气体从所述进气口进入所述炉体腔内，并从所述出气口排出；所述炉体内至少设置一个所述导带轮，走带式材料的一端与所述放卷盘固定连接，其另一端依次穿过所述进带口、导带轮和出带口后与所述收卷盘固定连接；通过所述放卷盘与收卷盘之间的卷对卷传输，连续走带式材料沿波浪线轨迹通过所述炉体内的加热区。

5.如权利要求4所述的一种连续走带式材料热处理设备，其特征在于：所述炉体内设置两排导带轮组，每排所述导带轮组中设置若干个所述导带轮，走带式材料进入所述炉体腔内后，沿着波浪线轨迹通过所述炉体内的加热区。

6.如权利要求3或4所述的一种连续走带式材料热处理设备，其特征在于：沿所述炉体的长度方向，各所述电加热丝在所述炉体外壁上的缠绕密度均逐渐由密变稀，所述炉体腔内的温度逐渐由高变低。

7.如权利要求3或4所述的一种连续走带式材料热处理设备，其特征在于：所述进带口和出带口处设置密封装置，所述密封装置包括密封塞和密封条，所述密封塞包括分体式的上塞体和下塞体，所述上塞体和下塞体的对接面上各设置一所述密封条，两所述密封条之间留有供走带式材料穿过的狭缝；所述上塞体和下塞体的侧壁上对应开设有螺丝孔，通过穿设在所述螺丝孔中的螺丝将所述上塞体和下塞体固定对接在一起，形成一柱体。

8.如权利要求7所述的一种连续走带式材料热处理设备，其特征在于：所述密封条采用毛毡制成。

9.如权利要求3或4所述的一种连续走带式材料热处理设备，其特征在于：所述炉体外设置保温层，所述保温层将所述电加热丝包裹在所述炉体的外壁上。

10.如权利要求3或4所述的一种连续走带式材料热处理设备，其特征在于：所述热处理设备中还设置有若干支撑架，所述支撑架间隔布置在所述炉体下方，所述支撑架的一端与所述炉体底端固定连接，所述支撑架的另一端固定在地面上。