CN213578744U - 超高温烧结炉 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于超高温真空技术领域，尤其涉及超高温烧结炉。包括炉体、炉门、真空系统、加热室；其特征在于，所述真空系统的抽空接口与炉体腔体相通；所述加热室设置于炉体腔体内；所述加热室包括电阻式加热室或感应式加热室，两加热室内部均设有发热体、保温层，发热体置于保温层内；炉体顶部设置有低温热偶组件、红外测温组件和重力阀。

Description

超高温烧结炉

技术领域

本实用新型属于超高温真空技术领域，尤其涉及一种超高温烧结炉，特别是3000℃超高温烧结炉。

背景技术

随着化工、机械、建筑、冶金、核电、尤其是航空航天等工业的飞速发展，碳纤维作为新一代的结构材料和功能材料, 以其高强度、高模量、低密度、低膨胀、耐高温、耐摩擦、耐冲击、耐腐蚀、耐疲劳、自润滑、导热、导电等其他材料无法比拟的优异特性被广泛应用各个领域，引起科研人员普遍关注。

碳纤维石墨化处理的主要目的是引起纤维石墨化晶体取向，以提高碳纤维的弹性模量。大量研究证明碳纤维的拉伸模量随石墨化温度的升高而提高，故生产碳纤维需要高温技术和高温设备，技术含量高，条件苛刻，再加上核心技术难以引进，目前高性能石墨纤维的工业化生产并形成系列产品的国家是日本和美国，至今我国未能形成规模化生产。国内现有高温烧结炉无法实现3000℃均匀加热，技术难点很难突破，碳纤维石墨化度低，拉伸模量远不及理论上限，不能制备更高模量碳纤维。同时，普遍出现大工件温度难以控制，均温性偏差大，耗能高的现象，严重制约了该类产品的研制和应用。

发明内容

本发明就是针对现有技术存在的缺陷，提供一种3000℃超高温烧结炉，可生产出高强高模碳纤维产品，其不仅减少热损失，得到高的炉温均匀性，并可提高生产效率，降低生产成本，突破国内现有技术瓶颈，满足工业发展需要。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，包括炉体、炉门、真空系统、加热室；其特征在于，所述真空系统的抽空接口与炉体腔体相通。

所述加热室设置于炉体腔体内。

所述加热室包括电阻式加热室或感应式加热室，两加热室内部均设有发热体、保温层，发热体置于保温层内。

炉体顶部设置有低温热偶组件、红外测温组件和重力阀。

进一步地，所述发热体经电极与电源系统输出端相连。

进一步地，所述炉体右侧接有充放气系统，充放气系统的工作端口与炉体工作腔体相通。以实现真空、负压及微正压环境下的测温、充气和超压保护。

进一步地，所述电阻式加热室中，发热体包括多区或单区排列的加热元件，该加热元件由等静压石墨螺纹相连而成；保温层为两层层状结构，包括内层硬毡及外层软质石墨毡；保温层容纳在框架内，框架通过连接板固定于炉体内壁，框架上开设电极引出孔、低温热偶组件孔、红外测温组件孔、排气孔及保温层固定孔。

更进一步地，发热体的外部轮廓为棒状方框、带状方框或弧状圆环中的一种，并通过气体绝缘结构与电极相连。

进一步地，所述感应式加热室中：发热体由石墨拼装成矩形腔室或圆形腔室，保温层由软质石墨毡组成；感应式加热室还包括感应器，感应器为由矩形紫铜管弯制而成的矩形框感应线圈或圆形筒感应线圈，且感应线圈为单组或多组并联，感应器外壁用陶瓷喷涂，感应器固定于外框内，感应器的外框通过连接板固定于炉体内壁。

进一步地，所述炉体、炉门均为夹层结构，且夹层结构的夹层为空心；所述炉体与炉门之间设有双向密封结构。

进一步地，发热体内设置有承重炉床，该承重炉床包括多点支撑件。

更进一步地，多点支撑件采用石墨加工而成。

进一步地，所述低温热偶组件为插拔式热电偶，并在保温层外设置监测偶。

进一步地，低温段采用金属转子流量计将高纯氩气以大流量形式充入炉内，高温段采用高精度质量流量计以小流量形式将氩气持续充入炉内。

进一步地，所述炉体上设置有重力阀，其工作端口与炉体工作腔体相通。

与现有技术相比本发明有益效果。

本发明加热室结构形式一（电阻加热室）：发热体可设计为多区或单区排列，结构形式可根据炉壳和温区形状设计为方框、多边形或圆状，使结构紧凑、能耗低；加热元件可以设计成棒状、板状或弧状；其热场结构设计，为烧结材料提供最佳热区，进一步保证高均温性，大大提高产品质量。

本发明加热室结构形式二（感应加热室）：加热室可设计为单组或多组并联感应器结构，根据结构布置将感应线圈弯制成矩形框或圆形筒，分组设计便于通入多路冷却水，确保感应线圈的冷却效果，有效保护线圈在高温环境下热冲击影响，同时多组进线减少进电部位磁场对炉体侧法兰的感应。

本发明保温层由软质石墨毡和石墨板（或硬毡）组成，采用热导率较低的保温材料，提高加热上升功率，使炉芯温度尽快达到所需要的最高温度，减少炉子散热。而石墨板（或硬毡）表面光滑耐腐蚀性气流冲刷效果好，延长加热室高温使用寿命，有效节约成本。

本发明为保证3000℃超高温环境下压力可控，低温段采用金属转子流量计以大流量形式向炉内充气，高温段采用质量流量计以小流量形式达到整个烧结过程动态平衡，使压力和气流场稳定，烧结工件均匀，有效提高工作效率，减少用气量。

本发明当炉内温度达到3000℃超高温环境时，炉膛内气压过高通过重力阀自动排放，避免超压。

本发明保温层外设置监测偶，避免保温层失效损坏设备，必要的保护是超高温设备连续稳定生产的有力保障，且监测值对加热室维护周期有预警作用。

本发明采用先进的测温及控温技术，具有容量大、升温快、温度高、测温和控温灵敏精确的特点，所以还可以用于其它碳制品的高温石墨化处理，以及金属粉末高温烧结和热处理。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。

图1为本发明整体结构示意图。

图2为本发明俯视图。

图3为本发明加热室结构形式一示意图。

图4为本发明加热室结构形式二示意图。

具体实施方式

如图1、2、3和4所示，一种3000℃超高温烧结炉，包括炉体1、炉门2、真空系统3、加热室4、电极5、低温热偶组件6、红外测温组件7、重力阀8、充放气系统9和电源系统10。所述真空系统3的抽空接口与炉体1腔体相通。

所述加热室4设置于炉体1腔体内；所述加热室4包括电阻或感应两种加热方式，其内部设有发热体403/407；所述发热体403/407置于保温层402内侧；所述发热体403/407经电极5与电源系统10输出端相连；所述低温热偶组件6、红外测温组件7和重力阀8置于炉体1顶部，所述充放气系统9接口置于炉体1右侧，其工作端口与炉体1工作腔体相通，以实现真空、负压及微正压环境下的测温、充气和超压保护。

如图3所示，本发明所述加热室4结构形式一（电阻加热室）：包括发热体403、保温层402、框架401和承重炉床404；所述发热体403包括多区或单区排列的加热元件，用进口等静压石墨材质；所述发热体403根据加热室4形状可设计成棒状方框，若加热室4框体为多边形状，则发热体403可相应设计为多边形框，若加热室4为圆形，则发热体403可相应设计为弧状圆环；所述发热体403用特殊绝缘结构和电极5连接，所述电极5与电源系统10（晶闸管调压电源）相连；每区设独立可调的加热元件，区与区构成一种可控的均匀温度场，大大提高产品质量；所述保温层402由硬毡4021和软质石墨毡4022复合而成；所述软质石墨毡4022是经高温处理过且灰分含量低的优质毡；所述框架401上开设电极5引出孔、低温热偶组件6孔、红外测温组件7孔、排气孔及保温层402固定孔，通过连接板405固定于炉体1内壁。

如图4所示，本发明所述加热室4结构形式二（感应加热室）：包括发热体407、保温层402、感应器406和承重炉床404；所述发热体407由优质石墨拼装成矩形或圆形腔室，置于保温层402内部；所述保温层402由软质石墨毡4022组成，所述感应器406为矩形紫铜管弯制而成的矩形框或圆形筒，根据结构布置需要将感应线圈设计成单组或多组并联，分组设计便于通入多路冷却水，确保感应线圈的冷却效果，有效保护线圈在高温环境下热冲击影响，同时多组进线减少进电部位磁场对炉体1侧法兰的感应；通过铜排连接电源系统10（中频感应电源），将交流电引入感应器406接头；所述感应器406外壁用陶瓷绝缘处理，其外框通过连接板405固定于炉体1内壁。

如图3所示，本发明保温层402由硬毡4021和软质石墨毡4022复合而成；如图4所示，本发明保温层402由软质石墨毡4022组成。两者都采用热导率较低的保温材料，提高加热上升功率，使炉芯温度尽快达到所需要的最高温度，减少炉子散热，并且石墨板或硬毡4021表面光滑耐腐蚀性气流冲刷效果好，延长加热室4高温使用寿命，有效节约成本。

如图1所示，本发明所述测温装置由低温热偶组件6和红外测温组件7组成；所述低温热偶组件6通过气缸驱动，将热偶下降至加热室4内，测量低温区（0-1200℃）；当温度超过1200℃时，热偶自动升起，红外测温组件7开始工作，测量高温区温度（1200-3000℃）。

如图2所示，充放气系统9由充气阀门、流量控制系统、压力表、管道、接头等组成；所述流量控制系统信号传输端口接充放气系统9的执行控制端口，用于满足工艺所需的充气要求。为保证3000℃超高温环境下压力可控，低温段采用金属转子流量计以大流量形式向炉内充气，高温段采用质量流量计以小流量形式达到整个烧结过程动态平衡，使压力和气流场稳定，烧结工件均匀，有效提高工作效率，减少用气量。

如图1所示，当炉内温度达到3000℃超高温环境时，炉体1内气压过高通过重力阀8自动排放，避免超压。

如图3和4所示，所述保温层402外设置监测偶，避免保温层402失效损坏设备，必要的保护是超高温设备稳定生产的有力保障，且监测值对加热室4维护周期有预警作用。

如图2所示，本发明炉体1采用卧式结构，电源系统10放置于炉体1后侧，整体布局紧凑合理，方便操作维修，整个设备均在地面上方。

本发明的工作原理如下。

本发明首先将待烧碳素材料装入烧结炉内，加热启动前，要预先抽真空并反复用高纯氩冲洗，尽可能排除发热体403/407和保温层402中吸附的氧气，当炉内达到需要真空度，电源系统10送电后发热体403/407开始加热。低温热偶组件6通过气缸驱动，将热偶下降至加热室4内，测量低温区（0-1200℃）；当温度超过1200℃时，热偶自动升起，红外测温组件7开始工作，测量高温区温度（1200-3000℃）。由于碳纤维材料烧结温度较高，一般在2200-3000℃高温下进行，工业上只有通过电加热才能实现，一般采用通电电阻加热或感应加热。实施例一：电阻加热是由电极5直接作用在发热体403上，通过电流的热效应使石墨发热，该方式各区温度可调，温度均匀性好，烧结材料变形和热冲击小；实施例二：感应加热是通过感应电流产生的磁力线集中在发热体407上，由电磁的感应作用产生涡旋电流，将发热体407加热，该方式升温速度快，效率高。整个烧结升温过程会产生硫化氢、硫的氧化物、一氧化碳和二氧化碳等多余气体，故在微正压环境下通过气体流动排除炉外至洗涤塔。同时，3000℃烧结过程伴有氧化消耗和高温升华耗损现象，导致发热体403/407寿命缩短，为解决这一问题在加热过程中通入高纯度的惰性气体实现保护气体正压密封加热，以减少元素蒸发。最后经过10-20h保温后加热停止，待炉内温度冷却到设定温度时，出炉取料完成烧结全过程，从而得到高强度、高模量优质碳纤维产品。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.超高温烧结炉，包括炉体、炉门、真空系统、加热室；其特征在于，所述真空系统的抽空接口与炉体腔体相通；

所述加热室设置于炉体腔体内；

所述加热室包括电阻式加热室或感应式加热室，两加热室内部均设有发热体、保温层，发热体置于保温层内；

炉体顶部设置有低温热偶组件、红外测温组件和重力阀。

2.根据权利要求1所述的超高温烧结炉，其特征在于：所述发热体经电极与电源系统输出端相连。

3.根据权利要求1所述的超高温烧结炉，其特征在于：所述炉体右侧接有充放气系统，充放气系统的工作端口与炉体工作腔体相通。

4.根据权利要求1所述的超高温烧结炉，其特征在于：所述电阻式加热室中，发热体包括多区或单区排列的加热元件，该加热元件由等静压石墨螺纹相连而成；保温层为两层层状结构，包括内层硬毡及外层软质石墨毡；保温层容纳在框架内，框架通过连接板固定于炉体内壁，框架上开设电极引出孔、低温热偶组件孔、红外测温组件孔、排气孔及保温层固定孔。

5.根据权利要求4所述的超高温烧结炉，其特征在于：发热体的外部轮廓为棒状方框、带状方框或弧状圆环中的，并通过气体绝缘结构与电极相连。

6.根据权利要求1所述的超高温烧结炉，其特征在于：所述感应式加热室中：发热体由石墨拼装成矩形腔室或圆形腔室，保温层由软质石墨毡组成；感应式加热室还包括感应器，感应器为由矩形紫铜管弯制而成的矩形框感应线圈或圆形筒感应线圈，且感应线圈为单组或多组并联，感应器外壁用陶瓷喷涂，感应器固定于外框内，感应器的外框通过连接板固定于炉体内壁。

7.根据权利要求1所述的超高温烧结炉，其特征在于：所述炉体、炉门均为夹层结构，且夹层结构的夹层为空心；所述炉体与炉门之间设有双向密封结构。

8.根据权利要求1所述的超高温烧结炉，其特征在于：发热体内设置有承重炉床，该承重炉床包括多点支撑件。

9.根据权利要求8所述的超高温烧结炉，其特征在于：多点支撑件采用石墨加工而成。

10.根据权利要求1所述的超高温烧结炉，其特征在于：所述低温热偶组件为插拔式热电偶，并在保温层外设置监测偶。

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