CN113847805A - 一种超高温烧结炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超高温烧结炉。所述超高温烧结炉主要由电极装置和碳纤维加热装置构成，碳纤维布通过电极导电并加热，在碳纤维布中包裹烧结元件。本发明主要利用碳纤维的导电导热性、耐高温性以及高强度优势，用于加热元件，对元件进行超高温烧结。电极加热装置具有结构简单、加热升温快、温度高、烧结时间短等优点，适合体积小、质量小的元件烧结。

Description

一种超高温烧结炉

技术领域

本发明涉及烧结技术领域，具体涉及一种超高温烧结炉。

背景技术

碳纤维是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量的新型纤维材料，具有耐高温、抗摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性，外形呈纤维状、柔软、可加工成各种织物，由于其石墨微晶结构沿纤维轴择优取向，因此沿纤维轴方向有很高的强度和模量，特别是碳纤维在惰性气氛中可以耐2500度以上高温。

高温烧结炉，是一种主要用于各工矿企业、科研单位化验室、实验室的加温、热处理设备，是各类化验室中不可缺少的仪器设备。传统的高温烧结炉通过炉内发热体进行热传导的方式或通过电磁感应方式加热，实现对炉内试件的高温处理，具体可分为以下三种：

1、硅钼棒加热体高温烧结炉，硅钼棒加热体高温烧结炉是目前市面上较为通用的高温烧结炉，其通过硅钼棒通电发热产生热量，并传导给试件。通常而言，这种加热方式的效率低，升温速率慢(小于1.5℃/s)，并且只能依据设定好的加热程序进行阶梯式加热。

2、石墨加热体高温烧结炉，石墨加热体高温烧结炉是相对较新的一种高温烧结炉，其同样通过石墨通电发热产生热量，对试件进行加热。与硅钼棒相似的是，其加热效率与升温速率相对有所提升，但仍处于相同数量级。

3、电磁感应高温烧结炉，电磁感应高温烧结炉依据电磁感应原理实现对炉体内的试件加热，但是由于只有导体才能产生感应电流，其加热对象只能为金属或其他导体。

以上三种烧结炉存在的共同特点是体积大。综合比较以上三种高温烧结炉可知，现有的高温烧结炉存在以下缺点：(1)因体积较大，在使用过程中移动不便；(2)在放料、取料过程中较为吃力，导致使用者在使用时不够便利；(3)都存在升温速率慢的问题；(4)因烧结炉的结构和取材等原因，致使烧结温度较低。(5)因烧结炉的结构设计等原因不便烧结炉的清洗。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明旨在提供一种升温快、温度高、结构简单，便于拆装清洗的超高温烧结炉。

本发明采取的技术方案如下：

一种超高温烧结炉，包括炉盖装置和炉体装置，所述炉盖装置能够紧密扣合在所述炉体装置上；

所述炉体装置设置有：炉支撑板、轨道板、电极加热装置、电缆、传感器导线；

所述轨道板固定在炉支撑板上，所述电极加热装置设置于所述轨道板上；

所述电极加热装置包括：两个电极装置、一个加热装置、一个限位装置；

其中，所述电极装置包括有绝缘块、电极板、电极压板，所述绝缘块座于所述轨道板上，所述电极板设置于所述绝缘块之上，所述加热装置设置于所述电极板之上，所述电极压板翻转压设于所述加热装置之上；

所述加热装置包括具有导电性的间隔板一、间隔板二和碳纤维布，所述间隔板一、间隔板二分别置于两个电极装置的电极板上，所述碳纤维布包裹在两块间隔板之间并撑紧，由所述碳纤维布和间隔板一、间隔板二共同围造出一个空间，烧结元件放置在所述空间中。

进一步地：

所述炉盖装置包括有较大内腔的炉盖；

所述炉盖上连接有进气接头和出气接头，进气接头连接惰性气源；

所述炉盖上还设置有观察窗；

所述炉盖底部具有外伸沿，其上设置有螺栓孔，通过螺栓与所述炉体装置连接，所述外伸沿与炉体装置之间设置有密封垫。

进一步地：

所述炉支撑板，包括有支撑板，所述支撑板底部设置绝缘腿，所述支撑板上贯穿三个接线柱；

所述电缆有两根，一端连接到两个电极装置上，另一端连接到其中两个接线柱上；

所述传感器导线有一根，一端连接到所述加热装置上，另一端连接到其中第三个接线柱上。

进一步地：所述轨道板，为一磁性钢板，在所述钢板上镶嵌有磁石，所述磁石吸附在所述炉支撑板上。

进一步地：

所述电极装置，还包括有限位板，所述限位板安装在所述绝缘块下端部，且贴附在所述轨道板侧面；

所述电极装置，还包括有电极垫板，所述电极垫板夹设在所述绝缘块和电极板之间；

所述电极装置，还包括有导向板，所述导向板一端枢转连接在所述绝缘块侧面，另一端连接所述电极压板，并且所述导向板上设置有枢转用长圆孔。

进一步地：

两个所述电极装置之间设置所述限位装置；

所述限位装置包括：导向轴和定位销，所述导向轴穿接在两个所述电极装置的绝缘块中，所述导向轴上设置有一排定位孔，定位销锁定在对应位置的定位孔中；两个所述电极装置之间的导向轴上套设有弹簧；

通过调整两个所述电极装置之间的距离，将所述加热装置撑紧。

进一步地：

所述间隔板一和隔板二选用铜材料或石墨材料，

所述电极压板选用铜材料或石墨材料，

所述碳纤维布选用分解温度在2500℃以上的碳纤维编织成的布。

与现有技术相比，本发明的优点体现在：本发明创新采用碳纤维作为加热材料，碳纤维主要有三个方面的优点，一是强度高，二是导电性好，三是耐高温。碳纤维强度高，与普通的布不一样，具有良好的挺直性，所以可用碳纤维布做成元件支撑舱；碳纤维可以与电极导电，间接产生热量，进而加热元件，由于碳纤维的导电性能好，升温也比较快，所以烧结温度变化率高，元件升温速度快；碳纤维是按一定取向规则排列的石墨结构碳，熔点高，可以把烧结炉升至很高温度而碳纤维不会被破坏。

鉴于碳纤维的有益性能，本发明还创新性构造整个装置结构，包括设置电极装置，加热装置等，通过调整两电极装置之间的距离，并通过弹簧的弹力使碳纤维布处于张紧状态，可以通过调节定位销的位置，调节碳纤维布的张紧力。采用电极加热碳纤维的方式，使炉体内升温，并且只升高碳纤维布附近温度，将烧结元件放置在碳纤维布区域内，升温快并且不浪费热量，外围温度不用太高。

装置分为炉盖和炉体两部分，可分可合方便操作和观察，且炉体内的结构件，支撑板、轨道板、电极装置、加热装置、限位装置等都很方便拆卸，由于超高温烧结时，烧结温度高，烧结物质有挥发，会污染炉腔，经常需要在烧结后清洗各零部件，这样的结构很方便清洗。

采用电极加热碳纤维的方式，烧结元件直接包在碳纤维布的空间中，只需根据烧结工艺控制碳纤维布包围区域温度就可以很好的烧结元件。对超高温炉的其它装置要求不高，不需要其它冷却装置，所以超高温炉具有结构简单、加热升温快、温度高、烧结时间短等优点，适合体积小、质量小的元件烧结，特别是具有节能、效率高等优点。

同时考虑大多数碳纤维都不是纯石墨结构晶体，里面还有少量无定形碳，造成它的熔点降低，分解温度大约在2800度左右，抗氧化能力下降，所以本发明还采用了加惰性气体的方法。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1是本发明超高温烧结炉装置外观示意图。

图2a是炉盖装置主视示意图。

图2b是炉盖装置俯视示意图。

图2c是图2b的B-B剖示意图。

图3是本发明炉体装置示意图。

图4是炉支撑板装置示意图。

图5是轨道板装置示意图。

图6是轨道板装置安装在炉支撑板装置的示意图。

图7a是电极加热装置示意图。

图7b是电极加热装置正视示意图。

图8是电极装置示意图。

图9是电极装置中绝缘块、电极板、电极垫板、限位板连接示意图。

图10是电极装置中导向板、电极压板连接示意图。

图11是加热装置示意图。

图中标记：1-炉盖装置、2-炉体装置、3-密封垫、4-螺栓；

11-炉盖，12-进气接头、13-出气接头、14-电焊玻璃护目镜片、15-高温玻璃、16-环形压板；

21-炉支撑板、22-轨道板、23-电极加热装置、24-电缆一、25-电缆二、26-传感器导线；

211-支撑板、212-绝缘腿、213-接线柱、214-绝缘垫片、215-端子；

221-钢板、222-磁石；

231-绝缘块、232-电极垫板、233-电极板、234-电极压板、235-导向板、236限位板、237-配重、238-导向轴、239-定位销、240-弹簧；

241-间隔板一、242-隔板二、243-碳纤维布；

I-电极装置、II-加热装置、III限位装置。

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，附图构成本申请一部分，并与实施例一起阐释本发明。但本领域的技术人员应该知道，以下实施例并不是对本发明技术方案作的唯一限定，凡是在本发明技术方案精神实质下所做的任何等同变换或改动，均应视为属于本发明的保护范围。

本发明提供一种超高温烧结炉，其结构如图1所示，该烧结炉包含两部分，一部分是炉盖装置1、一部分是炉体装置2；使用时炉盖装置1通过密封垫3和螺栓4紧密扣合到炉体装置2上，以保护炉内温度和气密性。

炉盖装置1，其结构如图2所示，它包括具有较大内腔的炉盖11和安装在炉盖11两侧面的进气接头12和出气接头13、安装在炉盖11正面开设有较大四方孔部位的电焊玻璃护目镜片14、安装在炉盖11顶面圆孔处的高温玻璃15。

进一步地，炉盖11底部具有外伸沿，其上设置有螺栓孔，用于通过螺栓4与炉体装置2连接。外伸沿底部可设置一圈密封垫3。

两个气路接头，是用于向炉体内通入和向炉体外通出惰性气体的(如氩气、氦气等)，因为本烧结炉装置里面需要设置碳纤维材料，而碳纤维抗氧能力弱，所以烧结炉在烧结过程中处于绝氧环境中更好，所以炉盖装置上设置两个气路接头，一个进气接头接外部保护气体气源(如氩气、氦气等)；另一个出气接头接出气管，用于出气。另外，炉体没有采用耐高温材料，通过保护气体进行保护外，也通过气体的流动进行散热。

在炉盖11正面设置电焊玻璃护目镜片14，在炉盖11顶面设置高温玻璃15；电焊玻璃护目镜片14边缘与炉盖11之间设置密封垫密封，并通过螺栓紧固；高温玻璃15边缘与炉盖11之间设置密封垫密封，并通过螺栓紧固，进一步地，在高温玻璃15上面设置环形压板16，压设在高温玻璃16顶部，并通过螺栓紧固，稳固住玻璃，不影响透过玻璃窗观察。

在烧结过程中，随着烧结温度的升高，碳纤维布逐渐发出的光也越来越强，特别是超过1000摄氏度后，碳纤维布逐渐发出的光会伤害人的眼睛。电焊玻璃护目镜片，镜片上的光感应系统能在瞬间探测到电焊时弧光的产生与消失，迅速驱动液晶体遮光变色等以达到安全有效的过滤有害光，从而保护观察人员的眼、面部避免弧光辐射的伤害。所以本发明设置电焊玻璃护目镜片14，实验人员可以通过电焊玻璃护目镜片观察或通过摄像机录制因烧结温度变化引起烧结物的烧结形态(例如有无烟尘、有无自燃现象或者爆燃现象等)的变化过程。

超高温烧结炉在使用过程中，烧结温度常高于1500摄氏度以上，目前的高温传感器超高温误差较大，不能有效反映出真实的烧结温度。目前有一种基于比色法的光纤超高温测温仪，可以实现500℃-5000℃的温度测试，具有响应时间快、非接触、使用安全及使用寿命长等优点，和灵敏度高、测温范围大等特点。因此设置高温玻璃15，这种光纤超高温测温仪可以透过高温玻璃进行测温，另外，摄像机也可以透过高温玻璃录制因烧结温度变化引起烧结物的烧结形态变化过程。

炉体装置2，其结构如图3所示，包括有：炉支撑板21、轨道板22、电极加热装置23、电缆一24、电缆二25、传感器导线26。轨道板22安装在炉支撑板21上，电极加热装置23安装在轨道板22上可移动，电缆一24和电缆二25用于给电极通电，传感器导线26用于测加热装置温度。

进一步地，炉支撑板21，其结构如图4所示，包括有：支撑板211、四个安装在支撑板底部四角部位的绝缘腿212、三个安装在支撑板上的接线柱213。接线柱213贯穿于支撑板上，且与支撑板之间有空隙，在三个接线柱上、下露出支撑板的部位上都套设有绝缘垫片214，绝缘垫片214贴于支撑板上、下表面，使接线柱与支撑板之间绝缘；在接线柱的上、下两端分别接有端子215，端子215与支撑板211之间由绝缘垫片214绝缘。

进一步地，轨道板22，其结构如图5所示，包括有：钢板221、镶嵌在钢板上的磁石222，磁石222与钢板221表面平齐。钢板的材料为磁性钢，由于磁石的作用，所以钢板也有一定的磁性。钢板221通过磁石222吸附在炉支撑板211上表面中间位置，如图6所示。在另一实施例中，轨道板22也可以是通过螺钉固定到炉支撑板21上。

进一步地，电极加热装置23，其结构如图7所示，包括有：两个电极装置I、一个加热装置II、一个限位装置III。

两个电极装置结构一样，以一个为例，如图8、9、10所示，包括绝缘块231、电极垫板232、电极板233、电极压板234、导向板235和限位板236。

绝缘块231座于轨道板22上，绝缘块231下端部安装限位板236，并且限位板236的下端低于绝缘块231，低于的部分贴附在轨道板22侧面。限位板236取材为钢板，因轨道板22有磁性，所以限位板236能吸附在轨道板22上，同时能将绝缘块231稳定住。进一步地，也可以在轨道板22和绝缘块231之间配套设置滑槽和滑块，辅助绝缘块移动且导向。

绝缘块231顶部设置电极垫板232，电极垫板232顶部设置电极板233，三者之间通过螺栓紧固，电极板233长度长于绝缘块231和电极垫板232，在延伸部位上设置有安装孔，连接电缆(电缆一24或电缆二25)。

在绝缘块231两侧设置销轴，两块导向板235上设置有长圆孔，销轴穿接在长圆孔中，导向板235由此可以翻转并且能够调整位置。电极压板234连接在两块导向板235上，电极压板234通过导向板235翻转连接于电极板233上方，伴随导向板235一起翻转，或扬起在电极板上方，或压在电极板上，进一步地，在电极压板234设置配重237。

两个电极装置I之间设置限位装置III，限位装置包括导向轴238和定位销239。两个电极装置的绝缘块231上对应设置有轴孔，导向轴238穿接在两个轴孔之间，导向轴238上设置有一排定位孔，当两块绝缘块231的位置确定好后，用定位销239锁定在对应位置的定位孔中。进一步地，在两块绝缘块231之间的导向轴238上套设有弹簧240，弹簧有一定的预紧力，可以辅助撑开两块绝缘块231，如图7所示。

加热装置II，其结构如图11所示，包括有：间隔板一241、间隔板二242和碳纤维布243。间隔板一241、间隔板二242分别放置在两个电极装置的电极板233上，碳纤维布243包裹在两块间隔板之间并撑紧。碳纤维布243一端包裹间隔板一241、另一端包裹间隔板二242，由于两块间隔板分别放置在两个电极装置的电极板233上，并由电极压板234压紧，所以伴随两个电极装置在轨道板上的移动定位，包裹间隔板的碳纤维布243将会被撑紧。由间隔板一241、间隔板二242和碳纤维布243共同围造出一个空间，烧结元件放置在该空间中。

电缆一24和电缆二25分别连接在两个电极板233上，传感器导线26连接在间隔板一或间隔板二上，电缆一24、电缆二25、传感器导线26的另一端分别连接在炉支撑板上的三个接线柱213上，通过接线柱上的端子对外连接。两个电极装置分别通过电缆一24和电缆二25通电，加热装置连接在两个电极装置之间同时具有导电能力，传感器导线26一端连接在加热装置上，另一端连接至接线柱上，通过接线柱向外传递感应温度。

工作时，先将两块间隔板用碳纤维布包裹好，烧结元件至于中间，然后放置到两个电极板上，用电极压板压紧，然后移动两个电极装置，使碳纤维布撑紧，之后用定位销将电极装置上穿设的导向轴锁定，两个电极装置之间的弹簧和在电极侧面的限位板辅助定位，在弹簧预紧力的作用下，使两个电极装置始终有远离倾向，能使加热装置的碳纤维布一直处于拉紧状态。检测通电通气以及传感器正常，盖上炉盖装置1，通电并通入惰性气体后，即可启动烧结工作，通过调整通电电流，控制加热温度，传感器随时检测温度。

以上电极板选用耐高温的铜材料并具有导电性。电极压板和间隔板在选用不同的导电导热材料，并配以不同通电电流的情况下，可以达到不同的效果。

下面是几个实施例：

实施例1

间隔板一和隔板二选用铜材料，电极压板选用铜材料，碳纤维布选用碳含量高，分解温度在2500℃以上的碳纤维编织成的布。烧结炉使用时在电极加热装置上施加电流250A，烧结时间为10秒，烧结温度达到1600℃。

实施例2

间隔板一和隔板二选用石墨材料，电极压板选用铜材料，碳纤维布选用碳含量高，分解温度在2500℃以上的碳纤维编织成的布。施加电极加热装置的电流为315A，烧结时间为5秒，烧结温度达到2200℃。

实施例3

间隔板一和隔板二选用石墨材料，电极压板选用铜材料，碳纤维布选用碳含量高，分解温度在2500℃以上的碳纤维编织成的布。施加电极加热装置的电流为400A，烧结时间为5秒，烧结温度达到2400℃。

实施例4

间隔板一和隔板二选用石墨材料，电极压板选用石墨材料，碳纤维布选用碳含量高，分解温度在2500℃以上的碳纤维编织成的布。施加电极加热装置的电流为500A，烧结时间为5秒，烧结温度达到2600℃。

实施例5

间隔板一和隔板二选用石墨材料，电极压板选用铜材料，碳纤维布选用碳含量高，分解温度在2500℃以上的碳纤维编织成的布。施加电极加热装置电流为200A，烧结时间为20秒，烧结温度达1350℃。

从以上几个实施例可以看出，炉子升温都非常快。

Claims (7)

1.一种超高温烧结炉，包括炉盖装置和炉体装置，所述炉盖装置能够紧密扣合在所述炉体装置上，其特征在于：

所述炉体装置设置有：炉支撑板、轨道板、电极加热装置、电缆、传感器导线；

所述轨道板固定在炉支撑板上，所述电极加热装置设置于所述轨道板上；

所述电极加热装置包括：两个电极装置、一个加热装置、一个限位装置；

其中，所述电极装置包括有绝缘块、电极板、电极压板，所述绝缘块座于所述轨道板上，所述电极板设置于所述绝缘块之上，所述加热装置设置于所述电极板之上，所述电极压板翻转压设于所述加热装置之上；

所述加热装置包括具有导电性的间隔板一、间隔板二和碳纤维布，所述间隔板一、间隔板二分别置于两个电极装置的电极板上，所述碳纤维布包裹在两块间隔板之间并撑紧，由所述碳纤维布和间隔板一、间隔板二共同围造出一个空间，烧结元件放置在所述空间中。

2.根据权利要求1所述的超高温烧结炉，其特征在于：所述炉盖装置包括有较大内腔的炉盖；

所述炉盖上连接有进气接头和出气接头，进气接头连接惰性气源；

所述炉盖上还设置有观察窗；

所述炉盖底部具有外伸沿，其上设置有螺栓孔，通过螺栓与所述炉体装置连接，所述外伸沿与炉体装置之间设置有密封垫。

3.根据权利要求1所述的超高温烧结炉，其特征在于：所述炉支撑板，包括有支撑板，所述支撑板底部设置绝缘腿，所述支撑板上贯穿三个接线柱；

所述电缆有两根，一端连接到两个电极装置上，另一端连接到其中两个接线柱上；

所述传感器导线有一根，一端连接到所述加热装置上，另一端连接到其中第三个接线柱上。

4.根据权利要求1所述的超高温烧结炉，其特征在于：所述轨道板，为一磁性钢板，在所述钢板上镶嵌有磁石，所述磁石吸附在所述炉支撑板上。

5.根据权利要求1所述的超高温烧结炉，其特征在于：

所述电极装置，还包括有限位板，所述限位板安装在所述绝缘块下端部，且贴附在所述轨道板侧面；

所述电极装置，还包括有电极垫板，所述电极垫板夹设在所述绝缘块和电极板之间；

所述电极装置，还包括有导向板，所述导向板一端枢转连接在所述绝缘块侧面，另一端连接所述电极压板，并且所述导向板上设置有枢转用长圆孔。

6.根据权利要求1所述的超高温烧结炉，其特征在于：

两个所述电极装置之间设置所述限位装置；

所述限位装置包括：导向轴和定位销，所述导向轴穿接在两个所述电极装置的绝缘块中，所述导向轴上设置有一排定位孔，定位销锁定在对应位置的定位孔中；两个所述电极装置之间的导向轴上套设有弹簧；

通过调整两个所述电极装置之间的距离，将所述加热装置撑紧。

7.根据权利要求1所述的超高温烧结炉，其特征在于：

所述间隔板一和隔板二选用铜材料或石墨材料，

所述电极压板选用铜材料或石墨材料，

所述碳纤维布选用分解温度在2500℃以上的碳纤维编织成的布。

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