CN1400318A - 一种热处理炉及其控温方法 - Google Patents

Abstract

提供一种热处理炉，它包含：炉罩、炉加热板、保温绝热层、炉壳、工作台、密封圈、转轴。其中被处理的超导材料被放置在托盘上；炉内的温度是采用分段分区的控制方法进行的。通过上述的热处理炉及其温度控制方法，可使炉体内的温度保持均匀，同时可对不同长度的超导导线进行热处理，且该炉体维护容易，操作简便。

Description

一种热处理炉及其控温方法

技术领域

本发明涉及一种新型的热处理炉，具体涉及的是一种用于制备高温超导导线的热处理炉及其控温的方法。利用该方法可对炉膛内的温度进行精密的控制，从而可提高所制备的高温超导导线的电学性能和机械性能。

背景技术

高温超导导线的制备一般需要经过热处理过程，该过程在整个制备工艺中起着很关键的作用，能使材料的性能得到很大的改善。典型的铋系高温超导导线的制备采用Ag套管填充Bi系氧化物粉末法，简称PIT法。该法通常包括粉末充管、拉拔、轧制、热处理、检测等过程。

1、粉末充管  即把Bi、Sr、Ca、Cu等金属氧化物粉末装入银或银合金套管中，以保护这些很脆的粉末免于污染以及能经历后续的机械工艺，如拉拨、轧制等。选择银作为套管材料是因为它不与以上粉末发生发应、在后续的热处理过程中不会发生氧化和还原反应，并且它能增加导线的导电性。

2、拉制  是将导线做成多股细线复合导体，其结构通常是在Ag管内放入几十根或更多的超导细线。为了更容易地填充长管，通常先机械地拉拔套管，以把短的直管变成柔软的长丝，然后把这些丝切成段，再将一些丝段装进新的Ag或Ag合金管中，最后把这种银管拉制成芯径小、芯数多的多芯线材。这种多芯的方式增大了界面，同时也增强了导线的机械性能，如拉应变特性和弯曲应变特性。

3、低温热处理  把带材在较低温度下进行热处理，一般是在100-200℃下热处理1-3小时。在拉拔过程中导线中的平面应力导致在电流的反方向和垂直方向上出现断裂，许多小的断裂肉眼可见，这些断裂会引起电路的断路。低温热处理便是为了释放在前面的机械工艺中形成的应力。

4、连续的轧制  把圆柱形的线材轧制成扁平的带材，以减小弯曲应力，增大比表面积(表面积/体积)，并且通过轧制造成热处理后的前驱粉末与Ag套管之间有更紧密的机械结合，从而使它们之间有更好的电、热接触。这一过程使超导体的厚度减小、宽度增加，但可能会产生与导线长度方向垂直的裂纹。

5、高温热处理  一般指在800-900℃下进行热处理，退火温度可以根据不同的实验条件调整，炉内采用低氧分压。这一过程作为制备高质量高温超导体的最后一道工序非常关健，它的作用主要有以下三个方面：1)在前面的形变过程中引入氧化超导相中的缺陷、微观和宏观断裂，极大地降低了超导的性能，为了优化氧化超导体的电流输运能力，必须修复工艺过程中形成的任何缺陷和断裂。高温热处理可以在形成的断裂处通过氧化超导颗粒的快速生长使断裂得到修复，这是因为高温退火可能优化晶粒生长，减少晶粒间界，也可能使新的氧化超导相通过自动扩散进入超导体的固态结构中。2)高温热处理能改善反应引起的氧化超导体的织构，增强超导颗粒的异向生长，形成合适的超导相，加快超导相的形成。3)该过程使超导颗粒更好地接触，达到适当的氧化。

6.检测。

从上述的整个超导导线的制备工艺中可以看出第3步和第5步热处理过程对高温超导导线的质量起着非常重要的作用，尤其是第5步的高温热处理过程，它的作用更加关键，铋系带材经过高温热处理可以获得更好的电学性能，如较高的临界转变温度和电流密度。

高温热处理工艺的关键是退火炉的温度控制，它要求炉膛内温度分布均匀，温差为±3℃到±1℃。目前工艺中采用的退火炉有管式炉、箱式炉及环型炉，这三种炉子都存在各自的缺陷。管式炉存在银带放置和温控两方面的问题。在管式炉中，超导导线直接绕在炉中的支撑轴上，由于退火过程中银带会由于不同温度下应力的作用下坠，并且经过退火，银带之间容易互相粘连，从而严重影响高温超导线的质量。在箱式炉中，银带一般被卷起来以便装在炉内，这样线与线之间会重叠或接触，造成线的粘连，降低导线的质量。而且在箱式炉内很难达到热场均匀，因为加热的箱式炉中对流的产生是由于沿着炉体的冷却而形成，这种对流破坏了炉膛内的温度分布，只在炉膛中间区域有相对稳定的温度。这种炉子比较适用于短的超导线，因为可以把短线放在箱式炉的中心部位，但现在生产的导线在1000米以上，这样就要求比目前更大的箱式炉。在大小足够容纳长的超导线的箱式炉中对流必然很大，在炉中维持稳定的、均匀的温度区将会非常困难。各种环型炉除了有共同的缺点即取放导线不方便以外，在控温方面还存在各自的问题。Alexandrov等人在美国专利US4812608中提出了一种环型炉，它的内部反应室的轴向横截面相对于炉体的半径来说非常大，使得在这样一个大的反应室内很难提供精确的温度控制。Ikegami等人在美国专利US4497674中提出了另一种环型炉，它有一个大的直径，且容许银带持续地通过，银带穿过炉膛的运动和室中多个孔径的存在，加大了对流的幅度，明显地破坏了炉内的温度分布，使得在这样的炉膛内很难维持高精度的温度控制。Sushll等人在美国专利US5783141中提出的环型炉只在纵向有加热板，用以控制炉内温度，这种炉子也很难保证整个炉膛内的温度均匀。

发明内容

本发明的目的是提供一种热处理炉和其控温方法，该炉可精密地控制炉膛内的温度，特别适宜于制备高温超导导线，导线可以是线状或带状，并且也可以用于其他不同形状和种类的材料的热处理。

根据本发明的热处理炉包含：炉罩、炉加热板、保温绝热层、炉壳、样品支撑系统、密封圈、转轴。该热处理炉的设计遵循以下几点：(1)整个炉体可以设计成不同尺寸、不同形状，如采用如图3所示的柱坐标系，选取三个变量r，θ，Z，其中r是点M到Z轴的距离，θ是Z轴和点M的半平面π与平面XOZ的夹角，Z是M点的竖坐标。Z方向的截面是圆，旋转轴为Z轴。在Z-r-θ三个方向上采用加热丝轴对称分布，并且工作台采用旋转的方式，能够在θ方向上控制温度。(2)分段分区控温。加热丝及绝缘材料都放置在炉壁外，这是由于加热丝在加热过程中会损耗氧，同时产生不良气体，这种吸气和放气都对导线造成污染。加热丝的分布及功率大小按不同的区域分别设计，从而精密控制炉内温度，使整个炉膛的温度分布均匀、稳定，温差较小。(3)样品支撑系统可适用于对不同长度的导线进行热处理。放置超导导线的样品支撑系统如图2所示。该系统包含托盘、上托架和下托架，彼此独立，可以分开装卸。它的材料为金属或陶瓷。托架是中空的，可以减轻整个样品支撑系统的重量，并且可以用于通气或插入热电偶。上面的托架用于放置更多的托盘，下面托架用于支撑托盘。需要选择适宜的下托架的长度和厚度，这是由于在对导线进行高温热处理时，如托盘发生变形，托盘的边缘会下坠，如下托架的长度太长，几乎与托盘的直径相当，则下托架的边缘同样会下坠，下托架的支撑点会向托盘的圆心靠近，这样就减小了下托架对托盘的支撑效果，如下托架的长度太短，则下托架对托盘的力矩又太小，达不到下托架对托盘的有效支撑。下托架的厚度的选择也存在相似的问题。托架与托盘的接触部分设计成如图2所示，下托架只在边缘较小部分与托盘接触，以有效支撑托盘，导线以上托架为中心缠绕。样品支撑系统可按需要放置多层托盘，这样的样品支撑系统具有如下的特点：能有效的避免导线的变形；便于调整待处理的导线的数量；易于装卸；中空，重量轻，可以中通热电偶对温度进行测试。(4)导线的放置方式。为了克服超导带材在退火过程中由于不同温度下应力的作用导致的下坠，将超导带材在托盘上绕托架的中心轴多层叠绕。但是这样的一卷带材会出现线与线之间的重叠或接触，经过热处理会出现线的粘连，造成导线质量的降低，为了克服这一困难，可以采用两种方法：一种是在超导带子的表面进行涂层，如涂一层陶瓷；另一种方法是与另一种类的带子共绕，另一种带子的材料可以是银合金或其他金属，但必须考虑到该种带子不与导线起任何化学反应，热膨胀系数与导线相似，为了达到更好的效果，还可以在这种附加的带子上进行涂层，比如涂一层陶瓷，上述的两种方法都可以有效地隔离导线。(5)取放样方式：可以提起炉罩，也可以放下转台。(6)密封方法：有两种密封方法。一种是靠重力密封，密封圈所在位置的温度约为300-500℃，密封圈和炉罩会由于温度的变化产生形变，在密封槽中产生或紧缩或凸起来的现象，可以靠炉罩的重力压紧密封圈。另一种方法是在炉罩上或炉罩下加一弹簧系统，灵活调节炉罩的密封，避免在加热过程中由于形变引起的漏气，炉罩所用材料为不锈钢或高温钢。(7)耐热绝缘材料的选用。耐热绝缘材料采用耐火纤维，它不仅耐高温，而且保温性能好、省电，更容易形成均匀炉温。本发明提出的热处理炉不能采用耐火砖作为保温绝缘材料，因为它含有较大的空隙，在热处理过程中有吸气、放气现象，并且绝热性能也不够好。本发明采用的这种耐火纤维做成合适形状的模件后，内埋入加热板，这样组成的保温绝缘层对维持炉体温度的均匀、稳定起了非常重要的作用。

由于采用上述方案，本发明提出的立式炉主要具有以下优点：(1)温度控制精密。在Z-r-θ三个方向上采用加热丝轴对称分布，且分段分区控温，精密控制炉内温度，从而使整个炉膛的温度分布均匀、稳定，温差较小。(2)适用于不同长度的导线的热处理，长度的变化范围较大。如果有更多的导线需要进行热处理，可以在原来的托盘上增加托盘以放置导线。(3)高温超导导线在热处理过程中既不会下坠也不会互相粘连，而且取放样非常方便。(4)系统结构紧凑，维护操作容易。

附图说明

下面将结合附图对本发明的具体实施例进行详细的描述，其中：

图1为根据本发明实施例的立式炉的截面示意图；

图2为根据本发明的热处理炉的样品支撑系统的示意图；

图3为根据本发明的柱坐标系的示意图。

具体实施方式

根据本发明的立式炉如图1所示，其中包含：炉内罩1、加热板2、保温绝热层3、炉壳4、样品支撑系统5、密封圈6和转轴7。利用它对高温超导导线银包套Bi-2223多芯带材(以下简称铋系带材)进行热处理，从而获得具有较高的临界电流密度的铋系带材。炉膛的直径为1m，容积约为1m³，炉壁由炉内罩、加热层、保温绝热层、炉壳组成，炉壁加水冷或风冷系统，也可以自然冷却。炉内采用低氧分压，通过控制氧气的浓度、流量及流速控制氧的偏压。退火温度为850℃，退火的导线长度为1000米，炉内罩和外壳采用高温钢材料，热处理的时间为120小时。在Z-r-θ三个方向上采用加热丝轴对称分布，并且分段分区控温，根据炉膛的热场在炉内不同区域设计加热板不同的功率和图形，使整个炉膛的温度分布均匀、稳定，温差为±3℃到±1℃，即如果只退火装在一个托盘上的带材，则带材中心点与最边缘点的温差范围为±3℃到±1℃；如果退火的带材分别装在许多托盘上，则位于最下面托盘上的带材与最上面托盘的带材对应点的温差、每一个托盘上的带材中心点与最边缘点的温差、最下面托盘上的带材的中心点与最上面托盘上的带材的边缘点的温差、最下面托盘上的带材的边缘点与最上面托盘上的带材的中心点的温差范围均为±3℃到±1℃。上托架呈筒状，下托架的长度占托盘直径的2/3。在超导带子的表面涂一层陶瓷以隔离带材。采用提起炉罩的方式取放带材。密封主要靠整个炉罩的重力，密封位置距离转台下方一定距离，以避开炉膛的高温保温区，耐热绝缘材料采用充气纤维耐火材料。铋系带材在本立式炉中经过热处理能够获得较好的电学传输性能和较高的临界转变温度。

Claims (12)

1.一种热处理炉，包含：

炉罩；

炉加热板；

保温绝热层；

炉壳；

样品支撑系统；

密封圈；

转轴；

其特征在于：

炉体的Z向截面形状为圆形，加热丝在Z-r-θ三个方向上成轴对称分布，且和耐热绝缘材料被设置在炉内罩外，其分布和功率大小按不同的区域进行设计。

2.根据权利要求1所述的热处理炉，其特征在于炉膛的容积不小于0.25cm³。

3.根据权利要求1所述的热处理炉，其特征在于样品支撑系统可进行旋转，且其由金属或陶瓷材料制成，该系统包含托盘、上托架及下托架，上面的托架用于放置更多的托盘，下面的托架用于支撑托盘，托架的转轴中空，用于通气或插入热电偶，导线放在托盘上且以上托架为中心缠绕，该系统可放置多层托盘。

4.一种用热处理炉对超导导线进行热处理的方法，其中所述的热处理炉包含：

炉罩；

炉加热板；

保温绝热层；

炉壳；

样品支撑系统；

密封圈；

转轴；

被处理的超导材料被放置在托盘上；

其特征在于其中对炉内的温度是采用分段分区的控制方法进行的。

5.根据权利要求3所述的热处理方法，其特征在于其中的被进行热处理的超导带的表面被涂上一层诸如陶瓷等绝缘材料。

6.根据权利要求3所述的热处理方法，其特征在于其中的被进行热处理的超导带被与另一种带子共绕，所述的另一种带子的材料可为不与所述超导带发生化学反应的诸如银合金等金属，这种材料的热膨胀系数应与导线的相近。

7.根据权利要求5所述的热处理方法，其特征在于其中的所述的另外的一种带子被涂有诸如陶瓷等涂层。

8.根据权利要求3所述的热处理方法，其特征在于在取放样时可提起炉罩。

9.根据权利要求3所述的热处理方法，其特征在于在取放样时可放下转台。

10.根据权利要求3所述的热处理方法，其特征在于炉体的密封采用重力密封方法。

11.根据权利要求3所述的热处理方法，其特征在于炉体的密封采用在炉罩上或炉罩下加一弹簧系统，通过对炉罩进行灵活调节来实现。

12.根据权利要求1所述的热处理炉，其特征在于其中所述的耐热绝缘材料为耐火纤维，并在其中埋入加热板。

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