CN107589148A - 一种可控气氛非稳态热线法导热系数测试仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可控气氛非稳态热线法导热系数测试仪，成密闭状态的试验炉由炉盖、炉体、炉腔、炉底和发热体组成，炉腔内设有由耐火炉衬围成的炉膛，试验炉安装在炉架上，还包括有控制柜、与控制柜连接的电脑、升降机构和炉门平台；炉盖上设置有压力传感器、安全调压阀、控温热电偶；炉门上设有热线单元的加热引线、测压引线、示差热电偶/测阻引线通过接线插座与控制柜连接，设在炉门平台的炉门通过升降机构与炉口固定密封连接；设在炉膛内的发热体通过接线柱与控制柜连接。本发明实现多种气氛可控，自动化程度高、操作方便、可靠性高、安全系数高。
Description
技术领域
本发明涉及热线导热实验装置，特别是一种可控气氛非稳态热线法导热系数测试仪。
背景技术
导热系数是衡量材料热物理性质的重要参数，也是热工计算与各种工业炉设计所需的重要性能指标之一，在热的综合利用，节能减排，材料的研究开发、质量控制、商业交往等，发挥着重要作用。非稳态热线法是测试耐火材料导热系数最成熟的方法之一，目前主要有十字热线法、平行线法和热线电阻法。
现行国家标准GB/T 5990-2006《耐火材料导热系数试验方法（热线法）》将ISO标准ISO 8894-1:1987（十字热线法）与ISO 8894-2:1990（平行热线法）汇总修改采用，已在国内推广二十余年。在实际应用过程中，由于原理存在差异，这两种方法各自的适用范围不同：十字法适用于测量导热系数小于1.5 W/(m·K)的耐火材料，所以常用于隔热耐火材料的检测；平行热线法测量与热线相距一定距离的热电偶的温升，其可测导热系数范围提升至25W/(m·K)。
美国现行标准ASTM C 1113-1999（2004）《耐火材料导热系数试验方法（热线法）》，2016年以此为蓝本，我国开始制定《耐火材料 导热系数试验方法（铂电阻温度计法）》，2017年已通过评审，等待审批刊发。其使用了热线的热阻测试技术，可测试导热系数不大于15W/(m·K)的耐火材料。
含碳材料的导热系数一般大于5 W/(m·K)，十字热线法显然并不适用；
专利CN 2385334Y《一种无机非金属材料导热系数测试装置》，2000年6月28号授权。该专利解决了高温下含碳材料导热系数测试，试样防氧化，热线、示差热电偶防污染的技术，但由于匣钵埋碳，操作还是比较麻烦的，碳粉在添加和试验后清理，对操作者和环境会造成污染，碳粉也会对热线和示差热电偶，造成二次伤害。该技术，仅仅解决了含碳材料的测试，并未能解决气氛条件的试验。
CN 202049122 U 《一种新型热线导热仪》，为上开盖式的箱式炉体，装样为上装样。该专利解决了中低温下耐火材料气氛下的测试技术，但其水平安装的发热体，不适合在高温下使用，在气氛下，由于弯曲应力的作用，更易老化损坏。每次试验，试样安装和取出，均要打开炉盖锁紧结构，而且，开启炉盖后，试样和热线、示差热电偶，均处在井式炉或下潜的炉体腔内，两侧设有易碎的脆性发热体，若使用者，误带电安装或取出试样，或进行调整处理，极易触电，存在结构复杂和设备本质化触电风险。
传统的热线导热仪，绝大多数为立式炉体，U型发热体，从炉顶部装入，均匀设置在炉膛四周，热端暴露在耐火材料形成的炉腔内部侧壁，冷端裸露在炉体顶部的耐火材料上部，不仅均温性好，提高了测试的科学性和效率，而且，发热体安装方便，安全。试样和热线、示差热电偶安装在四连杆铰链式自动升降上，下降后通过轨道，手动移出炉体下部以外的自由安装空间，试样、热线、加热引线、示差热电偶及其支架的安装与维护，十分便捷安全。不足之处，只能采用匣钵埋碳对含碳材料进行防氧化保护，不能进行洁净气氛防护和特定气氛条件下的气氛试验测试，多连杆机构稳定性欠缺。
发明内容
本发明的目的是提供一种多种气氛可控、自动化程度高、操作方便、可靠性高、安全系数高的可控气氛非稳态热线法导热系数测试仪。
本发明的技术方案是这样完成的， 一种可控气氛非稳态热线法导热系数测试仪，包括有成密闭状态的试验炉，试验炉由炉盖、炉体、炉腔、炉底和发热体组成，炉腔内设有由耐火炉衬围成的炉膛，试验炉安装在炉架上，还包括有控制柜、与控制柜连接的电脑、升降机构和炉门平台；炉盖上设置有压力传感器、安全调压阀、控温热电偶；压力传感器、安全调压阀一端与炉腔相连，另一端与控制柜相连；控温热电偶一端与控制柜连接，另一端设在炉膛内；炉盖与炉体固定密封连接，炉底上设有炉口、炉门，炉口与炉门固定密封连接，炉门固定在炉门平台上，炉门上设有热线单元的加热引线、测压引线、示差热电偶/测阻引线的接线插座，热线单元的加热引线、测压引线、示差热电偶/测阻引线通过热线支架导管与接线插座一端连接，接线插座另一端与控制柜相连；热线支架导管设在炉门上，一端在炉膛内，另一端穿过炉门的炉衬，在炉门平台的密闭腔中；炉门平台下面还设有滚轮，滚轮与设在升降平台上的水平轨道、设在装样支架上的装样轨道滚动连接，水平轨道与装样轨道无缝对接，设在炉架与炉底间的炉门升降机构由升降平台、平台丝母、升降丝杠、升降丝母、升降电机等组成，升降平台设在炉口正下方与平台丝母固定连接，平台丝母和升降丝母均与升降丝杠啮合，升降丝杠与炉架和炉底转动连接，升降丝母通过联结机构与升降电机连接；设在炉膛内的发热体上端向上穿过炉衬，通过设在炉体上的接线柱与控制柜连接。
所述炉体上设有与炉腔连通的出气口、与炉膛连通的进气口，进气口设在炉膛底部，出气口设在炉腔顶部，流量计通过阀门与进气口连通，出气口通过阀门与冷却净化器或抽真空装置连通；所述发热体、控温热电偶与炉衬之间设有间隙。
所述抽真空装置为真空机组或真空泵。
所述炉口处设有炉口法兰，炉门处设有炉门法兰，炉口法兰可通过卡钳螺栓与炉门法兰固定密封连接，炉口法兰内设有冷却通道和导槽，导槽内设有密封胶条。
所述炉体上端设有炉顶法兰，炉盖上设有炉盖法兰，炉盖法兰通过卡钳螺栓与炉顶法兰固定连接，炉顶法兰内设有冷却通道和导槽，导槽内设有密封胶条。
所述炉口与台阶状炉门相配。
所述升降电机为自动闭锁电机。
所述滚轮通过其联结机构与轴旋转电机连接，轴旋转电机与炉门平台固定连接，设在炉门上的水平移动限位开关、轴旋转电机开关与控制柜连接。
本发明的技术效果是，由于本发明可在真空、常压、高压、多种气氛条件下对测试材料进行导热系数测定，具有一机多用的功能，可以有效节约开支，降低成本；由于试样、热线支架、热线测量单元可以在进入炉膛前安装完毕，还能够自动进入或移出炉膛，从而可以实现试样、热线支架、热线测量单元的安装上具有直观、方便、简洁特点，还可以减少人力消耗，提高检测效率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1中炉门平台在装样支架上的结构示意图
图3为图1中不带炉门平台的结构示意图。
图4为图3中气路局部剖面示意图。
图中：1.升降丝母、2.气源、2.1气源阀、2.2减压阀、3.炉架、4.升降丝杠、5.升降平台、6.水平轨道、7.滚轮、8.轴旋转电机、9.流量计、9.1.流量计进气阀、10.接线插座、11.平台丝母、12.炉门平台、13.热线支架导管、14.密封胶条、15. 炉底、16.试样支撑、17.进气口、17.1进气阀、18.试样、19.发热体、20.热线单元、21.炉膛、22.炉衬、23.炉体、24.炉顶、25. 密封胶条、26. 卡钳螺栓、27.炉盖、28.压力传感器、29.接线柱、30.控温热电偶、31.炉腔、32.安全调压阀、33.出气口、33.1.出气阀、34. 冷却净化器、34.1冷却净化器排放接口、34.2净化器进气阀、35.抽真空装置、35.1.抽真空阀、36.控制柜、37.计算机、38. 装样支架、39. 装样轨道、40、升降电机、41、炉门。
具体实施方式
结合附图1、2、3、4对本发明进一步详细说明。
实施例1：
如图1、2、3、4所示的实施例1为用于常压下洁净气体保护的底部装样式可控气氛高温含碳材料导热系数测试仪，包括有成密闭状态的试验炉，试验炉由炉盖27、炉体23、炉腔31、炉底15和发热体19组成，炉腔内设有由耐火炉衬22围成的炉膛21，试验炉安装在炉架3上，还包括有控制柜36、与控制柜36连接的电脑37、升降机构和炉门平台12；炉盖27上设置有压力传感器28、安全调压阀32、控温热电偶30；压力传感器28、安全调压阀32一端与炉腔31相连，另一端与控制柜36相连；控温热电偶30一端与控制柜36连接，另一端设在炉膛21内；炉盖27与炉体23固定密封连接，炉体23上端的炉顶24上设有炉顶法兰，炉盖27上设有炉盖法兰，炉盖法兰通过卡钳螺栓26与炉顶法兰固定连接，炉盖法兰内设有冷却通道和导槽，导槽内设有密封胶条25；炉底15上设有炉口、炉门41，炉口与炉门41固定密封连接，炉口处设有炉口法兰，炉门41处设有炉门法兰，炉口法兰通过卡钳螺栓26与炉门法兰固定密封连接，炉口法兰内设有冷却通道和导槽，导槽内设有密封胶条14；炉门41固定在炉门平台12上，炉门41上设有热线单元20的加热引线、测压引线、示差热电偶/测阻引线的接线插座10，热线单元20的加热引线、测压引线、示差热电偶/测阻引线通过热线支架导管13与接线插座10一端连接，接线插座10另一端与控制柜36相连，热线支架导管13设在炉门（41）上；炉门平台12下面设转动连接滚轮7，滚轮7与设在升降平台5上的水平轨道6、设在装样支架38上的装样轨道39滚动连接，水平轨道6与装样轨道39无缝对接，滚轮7的轴与轴旋转电机8连接，轴旋转电机8与炉门12平台固定连接，设在炉门上的水平移动限位开关、轴旋转电机8开关与控制柜连接。设在炉架3和炉底15上的炉门升降机构由升降平台5、平台丝母11、升降丝杠4、升降丝母1、升降电机40等组成，升降平台5设在炉口正下方与平台丝母11固定连接，平台丝母11和升降丝母1与升降丝杠4啮合，升降丝杠4与炉架3和炉底15转动连接，升降丝母1通过蜗轮蜗杆减速箱与升降电机40连接；设在炉膛21内的发热体19上端向上穿过炉衬22，通过设在炉体23上的接线柱29与控制柜36连接。
炉体23上设有与炉腔31连通的出气口33、与炉膛21连通的进气口17，进气口17设在炉膛21底部，出气口33设在炉腔31顶部，流量计9通过阀门与进气口17连通，出气口33与冷却净化器34连通；所述发热体19、控温热电偶30与炉衬22之间设有间隙。所述炉口与台阶状炉门41相配。升降电机40为自动闭锁电机。密封胶条14、25为硅橡胶密封胶条。
在炉架3上，放置试验炉，试验炉外壳为网孔状不锈钢壳体，高温试验炉内壳由耐热碳钢或不锈钢焊接而成的炉体23，炉体23内的耐火炉衬22由外到内依次为1100绝热材料、1400晶体材料、1800耐高温内衬，上下左右前后的耐高温炉衬22围成400mm*300mm*300mm的立方形空间炉膛21，其四周均匀分布发热体19为U型。发热体19上端部由高温陶瓷卡与接线柱29固定，接线柱29外镶绝缘密封材料，氟橡胶绝缘密封圈安装在含冷却管路的固定座内。炉膛21下方炉壁上开设有一约280mm*160mm成台阶状炉口，台阶状炉口与台阶状炉门41相配。气源2依次通过气源阀2.1、调节减压阀2.2、流量计进气阀9.1、流量计9、进气阀17.1、进气口17与炉膛21连通。炉体23和炉膛21为方形。
试验时，在炉体23外，将一块刻有热线槽、平行槽和测压V型槽的碳化硅试样18，槽口向上放置在试样支撑16上；在热线槽中部放置已焊加热引线和测压引线、预先穿有瓷管的热线，热线长度200mm，在平行槽放置示差热电偶，将预穿有瓷管的铂―铂铑―铂示差热电偶的一个焊点设置在平行槽的中部，用碳化硅粉体，加少许有机结合剂，将丝固定在槽内，将另一块试样18，轻轻放置在第一块碳化硅试样18上。将示差热电偶的另一个焊点放置到第二块碳化硅试样18上表面中心，并用一小块片状碳化硅材料压实示差热电偶。将热线单元20全部丝线按照各自的支架下穿热线支架导管13，接入炉门平台12上的接线插座10上，接线插座10的接线柱设置在接线法兰内，接线法兰内设冷却通道，接线插座10为航空插座，内嵌氟橡胶绝缘密封材料，插在航空插座内的航空插头与控制柜36连接。
合上主电源开关，给控制柜36和计算机37供电，打开计算机37，输入试样18名称、材质、容重、尺寸、热线长度、试验温度等基本参数，启动运行程序，与炉门平台12固定连接的轴旋转电机8通过减速机依次带动升降齿轮轴、升降丝母1、升降丝杠4、平台丝母11，平台丝母11带着炉门平台12和安装在炉门上的试样18及热线单元20，沿装样轨道39进入到设在炉门下部的水平轨道6上，到达预设位置，触碰到水平移动限位开关后，轴旋转电机8停止转动，升降电机40启动，试样18、炉门和炉门平台12上升，使试样18通过炉口到达炉膛21中心位置，炉门法兰与炉口法兰通过密封胶条14精密固定接触，到达密闭预设位置后，触碰到升降平台限位开关后，自动关闭升降电机1，升降电机1自动启动自锁功能。
计算机37自动打开冷却水源，冷却水沿冷却通道自动循环；计算机37自动打开N2气源2、气源阀2.1、减压阀2.2，使流量计9流量达到预设的N2流量，保护气体N2沿进气口17进入炉膛21内，保护气体N2带着炉膛21内的空气通过发热体19、控温热电偶30与炉衬22之间的间隙、出气口33进入到冷却净化器34，进入到冷却净化器34的气体经冷却净化后从冷却净化器排放口34.1排出；等炉膛21内的空气排完且充满保护气体后，将进气口17的进气阀17.1、出气口33处的出气阀33.1调节到合适状态或关闭。保护气体为高纯氮气。
计算机37自动按程序驱动控制柜36，使发热体19发热，炉温按需上升和保温。计算机37自动判定，试样温度达到预设的1250℃，示差热电偶温差达到0.05℃，并持续保持，启动热线加热电源，热线恒功率发热，计算机37自动采集热线的电压V，热线电流I，示差热电偶温升，通过特定函数，继续按GB/T 5990-2006《耐火材料导热系数试验方法（热线法）》中平行热线部分的描述进行。达到预设的600测试间隔，全部完成测试，自动打印或浏览试验报告，自动切断加热主回路，供气系统持续供气，待炉膛温度降低到600℃及以下时，关闭进气管路，关闭出气管路，冷却通道持续工作，待炉膛温度降低到80℃及以下时，自动关闭冷却进水阀。整个实验全部结束。
实施例2：
在实施1的基础上，密闭炉体是可以达到10-3Pa真空的高温炉体，炉盖27上安装的压力传感器为真空计，在1500℃下，用热线电阻法测试刚玉莫来石的导热系数。所不同的是关闭冷却净化器34和净化器进气阀34.2，关闭进气口17处的进气阀17.1，打开出气口33的出气阀33.1、抽真空阀35.1与抽真空装置35连接，开启真空机组或抽真空泵，结合ASTM C 1113-1999（2004）《耐火材料导热系数试验方法（热线法）》，其他试验步骤同上。抽真空装置为真空机组和抽真空泵。
实施例3：在实施1的基础上，密闭炉体是可以达到10MPa高压的高温炉体，其炉体23厚度至少25mm，炉顶24和炉盖法兰以及炉门法兰厚度不小于40mm。炉盖27为半球形结构，厚度至少25mm，炉盖27上安装0-12MPa压力传感器28。打开出气口33的出气口阀33.1，打开冷却净化器34的进气阀34.2，开启氩气气源2的气源阀2.1、减压阀2.2，开启流量计9的进气阀9.1，开启进气阀17.1，氩气从进气口17，进入炉膛21，快速弥散，从发热体19、热电偶30与炉衬22之间的间隙，进入炉腔31，到达出气口33，再依次通过出气阀33.1、净化器进气阀34.2、冷却净化器34后，经净化器排放口34.1排出。待将炉膛21、炉腔31及炉衬22中空气冲排达到设定值，关闭出气阀33，继续供气，打开冷却水，开启计算机37、控制柜36，炉温按程序升高，炉盖27上的压力传感器28持续监测炉腔31压力，调节流量计9进气流量，将压力持续稳定在10±0.05MPa，按照GB/T 5990-2006《耐火材料导热系数试验方法（热线法）》中十字热线部分的描述进行，用十字热线测试高温绝热纤维质材料在400℃、800℃、1000℃、1200℃下的导热系数。试验测试完毕，关闭加热单元，关闭氩气气压阀，关闭进气阀17.1，待炉温下降到室温，关闭冷却水。开启出气阀33.1，将炉内氩气通过冷却净化器34徐徐排出。试验全部结束。
上述实施例中的可控气氛为N2、H2、CO、CO2、氨气或氩气，气体流量与压力可调，炉腔气体压力在10-5Pa-10MPa范围内。流量计可以是转子流量子、皂泡流量计、质量流量计。压力传感器、控温热电偶和安全调节阀其相应的法兰上均设有冷却通道和导槽，导槽内镶密封圈。
Claims (8)
1.一种可控气氛非稳态热线法导热系数测试仪，包括有成密闭状态的试验炉，试验炉由炉盖（27）、炉体（23）、炉腔（31）、炉底（15）和发热体（19）组成，炉腔（31）内设有由耐火炉衬（22）围成的炉膛（21），试验炉安装在炉架（3）上，其特征在于：还包括有控制柜（36）、与控制柜（36）连接的电脑（37）、升降机构和炉门平台（12）；炉盖（27）上设置有压力传感器（28）、安全调压阀（32）、控温热电偶（30）；压力传感器（28）、安全调压阀（32）一端与炉腔（31）相连，另一端与控制柜（36）相连；控温热电偶（30）一端与控制柜（36）连接，另一端设在炉膛（21）内；炉盖（27）与炉体（23）上端固定密封连接，炉底（15）上设有炉口、炉门（41），炉口与炉门（41）固定密封连接，炉门（41）固定在炉门平台（12）上，炉门（41）上设有热线单元的加热引线、测压引线、示差热电偶/测阻引线的接线插座（10），热线单元的加热引线、测压引线、示差热电偶/测阻引线通过热线支架导管（13）与接线插座（10）一端连接，接线插座（10）另一端与控制柜（36）相连；热线支架导管（13）设在炉门（41）上，一端在炉膛（21）内，另一端穿过炉门（41）的炉衬（22），在炉门平台（12）的密闭腔中；炉门平台（12）下面还设有滚轮（7），滚轮（7）与设在升降平台（5）上的水平轨道（6）、设在装样支架上的装样轨道（39）滚动连接，水平轨道（6）与装样轨道（39）无缝对接，设在炉架（3）与炉底（15）间的炉门升降机构包括升降平台（5）、平台丝母（11）、升降丝杠（4）、升降丝母（1）、升降电机（40），升降平台（5）设在炉口正下方与平台丝母（11）固定连接，平台丝母（11）和升降丝母（1）均与升降丝杠（4）啮合，升降丝杠（4）与炉架（3）和炉底（15）转动连接，升降丝母（1）通过联结机构与升降电机（40）连接；设在炉膛（21）内的发热体（19）上端向上穿过炉衬（22），通过设在炉体（23）上的接线柱（29）与控制柜（36）连接。
2.根据权利要求1所述的一种可控气氛非稳态热线法导热系数测试仪，其特征在于：炉体（23）上设有与炉腔（31）连通的出气口（33）、与炉膛（21）连通的进气口（17），进气口（17）设在炉膛（21）底部，出气口（33）设在炉腔（31）顶部，流量计（9）通过阀门与进气口（17）连通，出气口（33）通过阀门与冷却净化器（34）或抽真空装置（35）连通；所述发热体（19）、控温热电偶（30）与炉衬（22）之间设有间隙。
3.根据权利要求1所述的一种可控气氛非稳态热线法导热系数测试仪，其特征在于：所述抽真空装置（35）为真空机组或真空泵。
4.根据权利要求1所述的一种可控气氛非稳态热线法导热系数测试仪，其特征在于：炉口处设有炉口法兰，炉门（41）处设有炉门法兰，炉口法兰通过卡钳螺栓与炉门法兰固定密封连接，炉口法兰内设有冷却通道和导槽，导槽内设有密封胶条。
5.根据权利要求1所述的一种可控气氛非稳态热线法导热系数测试仪，其特征在于：炉体上端的炉顶（24）上设有炉顶法兰，炉盖（27）上设有炉盖法兰，炉盖法兰通过卡钳螺栓（26）与炉顶法兰固定连接，炉顶法兰内设有冷却通道和导槽，导槽内设有密封胶条。
6.根据权利要求1所述的一种可控气氛非稳态热线法导热系数测试仪，其特征在于：所述炉口与台阶状炉门（41）相配。
7.根据权利要求1所述的一种可控气氛非稳态热线法导热系数测试仪，其特征在于：升降电机（40）为自动闭锁电机。
8.根据权利要求9所述的一种可控气氛非稳态热线法导热系数测试仪，其特征在于：滚轮（7）通过其联结机构与轴旋转电机（8）连接，轴旋转电机（8）与炉门平台（12）固定连接，设在炉门（41）上的水平移动限位开关、轴旋转电机（8）开关与控制柜（36）连接。
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