CN105157436A - 一种快速升温的热处理炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速升温的热处理炉，包括炉腔，用于将样品固定在炉腔内的定位件和加热样品的热源，还包括热源驱动部件和定位件驱动部件；所述热源为加热面相对布置的两块加热板，所述热源驱动部件用于驱动两块加热板夹持样品或相互远离，两块加热板之间为辐射区域；所述定位件驱动部件用于驱动定位件使样品进出辐射区域；本发明采用两块加热板对样品进行双面同步接触加热，利用薄带样品的小热容和高热导率，通过直接接触的方式实现超高升降温速度和热处理时间的精确控制，并且可以根据需要调节降温速度，具有升降温速度快，操作方便，温度和时间控制精度高，适用于高导热率和小热容的薄带、薄膜和粉末样品热处理。

Description

一种快速升温的热处理炉

技术领域

本发明涉及热处理技术领域，特别是一种快速升温的热处理炉。

背景技术

热处理是将材料加热到一定的温度，保温一定的时间后，以一定的速度降温到室温甚至更低，从而达到改善材料组织结构以及物理化学性能的目的。热处理在金属、陶瓷、玻璃等各种材料热处理方面有非常普及的应用。材料的热处理工艺可以对材料的缺陷、应力、结构、形貌等都产生重要影响，是材料研究、加工中最常用到的工艺。

随着热处理技术的进步，热处理的定义范围扩大，热处理过程中需要控制的参量不断增加，热处理工艺过程日趋复杂，如复合调整升温速度、降温速度、保温时间等。此外，热处理的升降温速度需求越来越高、现有热处理装置如管式炉、箱式炉、马弗炉等装置具有加热面积大、操作简单等特点，适用于大批量处理常规样品。然而，这些设备的升温速度受热传导方式和样品热容负载大的限制，难以实现快速升温，升温过程和降温过程通常都需要几分钟甚至几十分钟，无法实现短时间快速热处理的精确控制要求。

例如授权公告号CN102077330B的专利文献公开了一种供用于热处理基板的设备包括：腔室；支撑件，所述支撑件用以将所述基板支托在所述腔室内，所述基板具有一第一面以一第二面，所述第二面相对于所述第一面；辐射加热源，所述辐射加热源将辐射能导引朝向所述基板的所述第一面，并且所述辐射加热源经配置以被快速地开启及关闭，由此可控制地加热所述基板，而使所述基板具有一期望的空间温度分布，所述空间温度分布包括均匀分布；至少一个高温计，所述至少一个高温计用于量测在一预定波长范围间的辐射的强度，所述高温计经设置以接收所述基板所发射出的辐射；以及板，所述板面向所述基板的所述第二面，所述板包括至少一个气体通道，所述至少一个气体通道耦接到至少一个气体来源与所述板的一表面上的数个开口，所述开口经配置以将工艺气体均匀地分布在所述基板上方，所述板具有反射区域，所述反射区域反射在所述预定波长范围内的辐射。

目前常用的可快速升温的热处理炉的加热方式，即辐射加热源有红外光、激光、感应电流、通电焦耳热等。辐射加热源对样品的加热受样品表面光滑度影响，表面反光的样品温度误差大。红外光加热的方法可实现较快的加热速度，升温速度可达10℃/s以上，但是由于红外加热器和测温热电偶的检测和反馈时间差，红外加热炉难以实现高精度控温，通常加热速度越快，温度过冲幅度越大。另外，红外加热过冲中样品和炉体同时受热，样品在腔内难以实现快速冷却，导致热处理时间误差较大，难以实现短时间快速的热处理；激光热处理可以实现快速加热和快速冷却，也便于精确控制处理时间。但是激光热处理的区域受激光束的尺寸限制，扫描平面的方式可以实现大面积热处理，但是效率低，使用成本也高。感应电流和通电焦耳热加热的方式也都存在严重的温度过冲和控温精度低等问题，适用性受到限制。

对于升降温速度和温度控制精度高的热处理，上述设备已无法满足要求，开发操作更加便捷，温度和时间控制更加精确的热处理装置就显得非常有必要。

发明内容

本发明公开了一种快速升温的热处理炉，适用于高导热率和小热容的薄材料的热处理，具有升降温速度快，热处理的温度控制精度高，加热均匀等优点。

一种快速升温的热处理炉，包括炉腔，用于将样品固定在炉腔内的定位件和加热样品的热源，还包括热源驱动部件和定位件驱动部件；

所述热源为加热面相对布置的两块加热板，所述热源驱动部件用于驱动两块加热板夹持样品或相互远离，两块加热板之间为辐射区域；

所述定位件驱动部件用于驱动定位件使样品进出辐射区域。

本发明使用过程：

样品可通过支撑、粘或者夹的方式在定位件上固定，粉末和长度较小的薄膜可先放置在铜箔上再进行固定，所述定位件驱动部件将定位件运行至辐射区域；所述热源驱动部件驱动两加热板闭合夹持加热样品，达到设定加热温度并稳定后，驱动两加热板打开，相互远离。

定位件进出辐射区域和加热板的打开与闭合相配合，即可实现热处理时间的精确控制。当两加热板打开后，定位件进入辐射区域，两加热板闭合，样品在热传导下迅速升温至设定温度。当两加热板打开，定位件运行至辐射区域外，样品可以迅速向气氛中传热并冷却。对于热处理温度在几百度的样品，升温时间和降温时间都大大缩短，因此可将热处理的时间控制很短的时间范围内，从而使样品即可在辐射区域内随炉冷却，也可伸出辐射区域快速冷却。

为了使加热板可以快速升温，并且具有均匀的加热表面，优选的，所述加热板为多层复合结构，包括开口的保温壳体，自内向外依次安装在保温壳体内的第一耐热绝缘层、发热层、第二耐热绝缘层、均温板、绝缘隔离层、用于检测温度的热电偶以及密封所述开口带有加热面的导热板。多层复合结构可以有效地将发热层的均匀地传递到加热面，并且设有检测加热温度的热耦合，有效提高加热温度控制的准确性。绝缘隔离层采用石棉等疏松耐火材料制成，起到隔离和绝缘作用，为热电偶的安装提供空间，同时也为加热板温度均匀性调节提供缓冲。

为了使加热面各处温度可控，优选的，所述热电偶设有多个，分布整个加热板且与导热板贴靠安装。热电偶直接贴靠导热板安装，可以准确检测加热面各部分的温度，且覆盖范围广，可以准确检测加热板各位置的温度，从而准确控制加热板的加热温度。

所述发热层的发热元件可以根据加热温度范围的需要进行选择，优选的，所述发热层的发热元件采用电阻丝或硅碳棒。电阻丝是常用的加热元件，适用于本发明的结构，加热均匀，易于控制，造价低。

为了可以根据需要调节加热板各部分的温度，优选的，所述发热元件设有多个，分布整个加热板安装。从而可以使整个加热板的加热面温度更均匀。

为了进一步提高加热均匀性，同时保证加热效率，优选的，所述第二耐热绝缘层、均温板、绝缘隔离层以及导热板的厚度比例为2～4:4～6:1～3:3～6，合理设置第二耐热绝缘层、均温板、绝缘隔离层以及导热板的厚度比例可以大大提高加热面的加热均匀性。进一步优选的，所述厚度比例为3:5:2:5。

所述导热板的加热面接触样品加热，需要有好的导热性能，优选的，所述导热板采用金属材料或陶瓷材料。金属材料可以选用铜、铁、钼等，陶瓷材料可采用ZrO，AlN等。

所述均温板的作用是将发热元件的热量先分散到整个加热板上，再传导到导热板上，从而使加热更均匀，因此均温板所选的材料必须有良好的导热性，优选的，所述均温板采用金属材料或陶瓷材料。金属材料可以选用铜、铁、钼等，陶瓷材料可采用ZrO,AlN等。

所述第一耐热绝缘层，第二耐热绝缘层布置在加热层的两侧，起到耐热和绝缘的作用，优选的，所述第一耐热绝缘层和第二耐热绝缘层采用陶瓷材料，例如选用Al₂O₃或SiC等耐火材料烧制而成。

所述加热板的多层复合结构的松紧度对加热面的加热温度和温度的均匀性影响很大，因此使松紧度可调节可以大大提高本发明的适用范围，优选的，所述加热板的多层复合结构通过可调节各层松紧度的调节螺栓固定连接。

为了实现加热板的开合，优选的，所述热源驱动部件采用电磁升降机、手动钳式结构或者气动装置。电磁升降机和气动装置便于实现自动控制，手动钳式结构适用于人工操作，制造成本低。

所述炉腔内可为空气环境，也可为其他惰性气体环境，可以根据需要进行设置。

本发明的有益效果：

本发明采用两块加热板对样品进行双面同步接触加热，利用薄带样品的小热容和高热导率，通过直接接触的方式实现超高升降温速度和热处理时间的精确控制，并且可以根据需要调节降温速度，具有升降温速度快，操作方便，温度和时间控制精度高，适用于高导热率和小热容的薄带、薄膜和粉末样品热处理。

附图说明

图1为本发明的热处理炉的立体结构示意图。

图2为本发明的加热板的剖视示意图。

图3使用本发明对非晶合金薄带热处理时的升温曲线。

图中：1、快速升降机构，2、上加热板，3、下加热板，4、样品架，5、控制系统，6、样品，7、炉腔，21、导热板，22、热电偶，23、石棉层，24、均温板，25、陶瓷层，26、加热丝，27、陶瓷层，28、保温层，29、外壳，210、陶瓷螺栓。

具体实施方式

如图1和2所示，本实施例的快速升温的热处理炉包括：炉腔7，安装在炉腔7内相对布置的上加热板2和下加热板3，用于开合上加热板2和下加热板3的快速升降机构1，用于安装样品的样品架4，所述样品架4可以伸缩，用于驱动样品进出上加热板2和下加热板3之间的辐射区域。

上、下加热板通过采用多层板复合结构，从而使加热面温度均匀，加热板中的热量靠加热丝26提供，加热丝26设有多组，其数量和分布方式可以根据需要设定，本实施例采用均匀分布的方式安装，加热丝26根据设定温度调节功率，加热丝26的定位和绝缘由陶瓷层27提供，加热丝26上的陶瓷层25可保持加热丝与均温层24的绝缘，加热丝26采用电阻丝或者硅碳棒。

陶瓷层25和陶瓷层27采用Al₂O₃或SiC烧制而成，起到耐热和绝缘的作用；均温板24采用铁或钼等高导热、高耐热材料制成，起到提高加热板面温度均匀性的作用。

石棉层23起到隔离和绝缘作用，为热电偶22的安装提供空间，同时也为加热板温度均匀性调节提供缓冲。

热电偶22紧贴导热板21，设有多个，均匀分布在导热板21内表面上，反馈的温度信号作为加热丝26的功率调节依据，即热电偶22反馈加热板各位置的温度值，然后各组加热丝26根据反馈分别调节功率，从而保证加热的均匀性，导热板21由Cu板制成。

上述各层通过陶瓷螺丝210固定在外壳29上，各热电偶22间的温度差还作为层间间距调节的依据，各层的松紧度将直接影响加热板各部分的温度差，通过陶瓷螺丝210可以调节各层的松紧度，外壳29采用不锈钢或普通钢板制成，起到支撑和固定作用，保温层28采用石棉等疏松耐火材料制成。

样品6通过样品架4固定，样品架4在电磁伸缩装置(图中未画出)的驱动下可伸长和收缩，伸长时样品6处于上、下加热板的辐射区域以外。样品6可通过粘或者夹的方式在样品架上固定，粉末和长度较小的薄膜可先放置在铜箔上再进行固定。上、下加热板闭合，双面接触加热样品6达到设定加热温度并稳定后，上加热板2和下加热板3可在快速升降机构1的驱动下打开。样品架4的伸缩和上、下加热板的打开与闭合相配合，即可实现样品热处理时间的精确控制。

具体操作过程如下：

快速升降机构1驱动上、下加热板打开，样品架4缩回到原位(辐射区域)后，上、下加热板迅速闭合，样品在热传导下迅速升温至设定温度。当上、下加热板打开，样品架4伸长到加热板的辐射区域外后，样品迅速向气氛中传热并冷却。对于热处理温度在几百度的样品，升温过程仅需不到0.1秒，降温过程不到1秒，因此可将热处理的时间精度控制在1秒范围内，这对于很多应用具有重要意义。

通过上述热处理方式在520℃热处理厚度为25um的FeSiBNbCu非晶合金带材，其温度变化曲线如图3所示，可以看出升温段和降温段的温度变化速度都很快，升温速度最高可达10⁴℃/s以上，整个升温过程不超过1秒，起始降温速度可达10³℃/s，恒温段(热处理时间)可以根据需要设定，实验表明，热处理15秒后带材的软磁性能大幅提高，依然保持很好的韧性。

综上所述，本实施例采用双面同步接触加热模式，利用薄带样品的小热容和高热导率，通过直接接触的方式实现超高升降温速度，以及热处理时间的精确控制。热处理炉的加热板采用多层复合结构和多点测温设计，板面温度均匀，热处理的温度控制精度高，本装置具有升降温速度快，操作方便，温度和时间控制精度高等优点，适用于高导热率和小热容的薄带、薄膜和粉末样品热处理。

Claims (10)

1.一种快速升温的热处理炉，包括炉腔，用于将样品固定在炉腔内的定位件和加热样品的热源，其特征在于，还包括热源驱动部件和定位件驱动部件；

所述热源为加热面相对布置的两块加热板，所述热源驱动部件用于驱动两块加热板夹持样品或相互远离，两块加热板之间为辐射区域；

所述定位件驱动部件用于驱动定位件使样品进出辐射区域。

2.如权利要求1所述的快速升温的热处理炉，其特征在于，所述加热板为多层复合结构，包括开口的保温壳体，自内向外依次安装在保温壳体内的第一耐热绝缘层、发热层、第二耐热绝缘层、均温板、绝缘隔离层、用于检测温度的热电偶以及密封所述开口带有加热面的导热板。

3.如权利要求2所述的快速升温的热处理炉，其特征在于，所述热电偶设有多个，分布整个加热板且与导热板贴靠安装。

4.如权利要求2所述的快速升温的热处理炉，其特征在于，所述发热层的发热元件采用电阻丝或硅碳棒。

5.如权利要求4所述的快速升温的热处理炉，其特征在于，所述发热元件设有多个，分布整个加热板安装。

6.如权利要求2所述的快速升温的热处理炉，其特征在于，所述第二耐热绝缘层、均温板、绝缘隔离层以及导热板的厚度比例为2～4:4～6:1～3:3～6。

7.如权利要求2所述的快速升温的热处理炉，其特征在于，所述导热板采用金属材料或陶瓷材料，所述均温板采用金属材料或陶瓷材料。

8.如权利要求2所述的快速升温的热处理炉，其特征在于，所述第一耐热绝缘层和第二耐热绝缘层采用陶瓷材料。

9.如权利要求1所述的快速升温的热处理炉，其特征在于，所述加热板的多层复合结构通过可调节各层松紧度的调节螺栓固定连接。

10.如权利要求1所述的快速升温的热处理炉，其特征在于，所述热源驱动部件采用电磁升降机、手动钳式结构或者气动装置。