SE515128C2 - Förfarande för värmebehandling jämte en ugnsbottenkonstruktion för högtemperaturugnar - Google Patents

Description

51,5 128 andra aluminiumoxidbaserade material, såsom YAG, d.v.s. 3Y¿h * 5Al2O3 eller TiO2.

Gemensamt för dessa material är att dessas smältpunkt i myck- et rent tillstànd ligger högt. Ett ugnsalternativ för värme- behandling av dessa material är ugnar som värms med elektris- ka motstàndselement av Zirconiumdioxid, vilka ugnar dessutom är det enda alternativet om värmebehandlingen skall utföras i oxiderande atmosfär. Ugnar baserade pà Zirconiumdioxidelement finns bl.a. beskrivna de amerikanska patenten US 4,041,236 och US 3,440,322 samt det svenska patentet 9502475-8. I de fall ugnen är utformad som boxugn eller elevatorugn är ugns- kammarens golv utformat i samma material som väggar och tak, vilket kan vara Zirconiumdioxid, Magnesiumoxid, Kalciumoxid eller annat oxidiskt material eller en kombination av oxidis- ka material.

För att belysa föreliggande problem antages att aluminiumoxid skall värmebehandlas vid 2000 °C. Härvid har A120; - MgO ett smälteutektikum vid 1995 °C, CaO - Algh ett smälteutektikum vid omkring 1600 °C och ZrO2 - A120; ett smälteutektikum vid 1845 °C. Inget av materialkombinationerna kan således använ- das för att värmebehandla aluminiumoxid vid 2000 °C.

Föreliggande uppfinning löser detta problem och möjliggör värmebehandling vid högre temperaturer än temperaturen för ett smälteutektikum mellan det material som skall värmebe- handlas och ugnskammarens golvmaterial.

Föreliggande uppfinning hänför sig således till ett förfaran- de för värmebehandling vid hög temperatur där det material som utgör ugnskammarens botten bildar ett smälteutektikum med 2001-03-22 10 15 20 25 30 515 128 det material som skall värmebehandlas vid en lägre temperatur än värmebehandlingstemperaturen och där ett parti av ugnskam- marens botten, vilket kan utgöra hela eller en del av ugns- kammarens botten, pä vilket bottenparti det material som skall värmebehandlas skall vila, bringas att inte ha fysisk kontakt med övrig ugnsinfodring i ugnskammaren och utmärkes av, att nämnda bottenparti bringas att åtminstone till del utgöras av ett material med samma eller snarlik kemisk sam- mansättning som det material som skall värmebehandlas och av att bottenpartiet anordnas i ugnskonstruktionen pà ett sådant ställe att kontaktstället mellan bottenpartiet och det ugns- infodringsmaterial vid vilket bottenpartiet är anordnat under värmebehandlingen antager en temperatur understigande den för bildande av smält fas mellan de material som är i kontakt med varandra vid kontaktstället.

Vidare hänför sig uppfinningen till en ugnsbottenkonstruktion av det slag och med de huvudsakliga särdrag som anges i pa- tentkravet 6.

Nedan beskrives uppfinningen närmare delvis i samband med pà bifogade ritningar visade utföringsexempel av uppfinningen och visat diagram, där - figur 1 visar ett schematiskt vertikalt tvärsnitt genom en ugn enligt en första utföringsform vid vilken uppfinningen tillämpas - figur 2 visar ett fasdiagram mellan tvâ material - figur 3 visar ett schematiskt vertikalt tvärsnitt genom en ugn där en andra utföringsform av uppfinningen tillämpas.

Den i figur 1 visade ugnens grundkonstruktion är närmare be- skriven i det svenska patentet 9502475-8. Ugnen har ett inre ugnsrum 15 och ett yttre ugnsrum 13. Det inre ugnsrummet av- 200 l -03 -22 10 15 20 25 30 515 128 gränsas av ett tak 6, en botten 7 samt sidovaggar 1. Lämpli- gen består sidoväggarna, tak och botten av keramiskt materi- al, företrädesvis stabiliserad zirkoniumdioxid. Det inre ugnsrummet vilar pà balkar och pelare av zirkoniumdioxidmate- rial 10. I vart och ett av de fyra hörnen styrs det inre ugnsrummet upp av hörnpelare av aluminiumoxid 12. Tak och botten i det inre ugnsrummet är försedda med hål, genom vilka passerar tilledare 3 till zirkoniumdioxidelement, vars glöd- zon 2 befinner sig i det inre ugnsrummet. Tilledarna 3 består av samma material som glödzonen 2, d,v.s. yttriumoxidstabili- serad zirkoniumdioxid, och för tilledning av elektrisk energi finns tilledare 4 av platina/rhodiumtràdar. Tràdarna är lin- dade runt tilledarna 3 vid det ställe, där dessa passerar igenom det yttre ugnsrummets tak, och platinatràdarna sträck- er sig därifrån ut ur ugnen. Det yttre ugnsrummet avgränsas av ett tak 11, som har en självbärande konstruktion, botten 16 samt väggar 14.

De väggar som avgränsar det yttre ugnsrummet mot omgivningen består av nàgot av materialen tegel av aluminiumoxid och ett fibermaterial av aluminiumoxid.

I det yttre ugnsrummet finns motståndselement 17, vilka före- trädesvis består av molybdendisilicidmaterial. Tilledarna till dessa element sträcker sig ut genom det yttre ugnsrum- mets tak 11. Elementen är på känt sätt U-formade.

I det yttre ugnsrummet 13 finns ett termoelement 18 för av- känning av temperaturen i det yttre ugnsrummet. Med hjälp av detta termoelement regleras temperaturen i det yttre ugnsrum- met. Temperaturen i det inre ugnsrummet regleras med hjälp av en optisk pyrometer som mäter temperaturen med hjälp av fi- beroptik. 200 l -03 -22 10 15 20 25 30 515 128 Ugnen är ytterst försedd med en isolerande del av fibermate- rial 5. Ugnens öppning består av en yttre dörr och en inre dörr. En ugn enligt beskrivningen är av boxugnstyp. Genom att ugnsöppningen flyttas till ugnens botten är konstruktionen även tillämplig för en elevatorugn. Den ovan beskrivna ugnen är en lämplig ugnstyp för föreliggande uppfinning, men upp- finningen kan tillämpas pà andra existerande ugnstyper för höga temperaturer.

Föreliggande uppfinning hänför sig till ett förfarande för värmebehandling vid hög temperatur där det material som utgör ugnskammarens botten bildar ett smälteutektikum med det mate- rial som skall värmebehandlas vid en lägre temperatur än vär- mebehandlingstemperaturen.

I figur 2 visas ett schematiskt fasdiagram mellan ämnena A och B, där L betecknar flytande fas. I det inringade området finns ett eutektikum, d.v.s. den lägsta temperatur där ämnena A och B i förening antager flytande fas. Det är denna tempe- ratur som är den ovan nämnda begränsande temperaturen för värmebehandling.

Enligt uppfinningen bringas ett parti 20 av ugnskammarens botten 19, vilket kan utgöra hela eller en del av ugnskamma- rens botten och pà vilket det material som skall värmebehand- las skall vila, att åtminstone till del utgöras av ett mate- rial med samma eller snarlik kemisk sammansättning som det material som skall värmebehandlas.

Bottenpartiet 20 bringas att inte ha fysisk kontakt med övrig ugnsinfodring i ugnsutrymmet 15. Vidare anordnas bottenparti- et 20 i ugnskonstruktionen pà ett sådant ställe att kontakt- stället 21 mellan bottenpartiet 20 och det ugnsinfodringsma- 200 \ -03 -22 10 15 20 25 30 515 128 terial 10 vid vilket bottenpartiet är anordnat under värmebe- handlingen antager en temperatur understigande den för bil- dande av smält fas mellan de material som är i kontakt med varandra vid kontaktstället. Bottenpartiet kan vara ett en- kristallint eller polykristallint material.

Enligt ett mycket föredraget utförande bringas den del av bottenpartiet, som utgörs av ett material med samma eller snarlik kemisk sammansättning som det material som skall värmebehandlas, att vara i form av en kropp 22 vars övre yta 23 bringas att vara pä en höjd över resterande del 19 av ugnskammarens botten och vilken kropp löper igenom ett häl 24 i den resterande delen av ugnsbotten. Vidare förefinns en spalt 25 mellan kroppen och hålet. Kroppens undre yta 26 bringas att vila pä en del av ugnskonstruktionen 10 som be- finner sig under den resterande delen av ugnsbotten 19.

Enligt ett föredraget utförande är kroppen 22 en skiktad kropp, såsom visas i figur 1. Härvid innefattar kroppen en stödben 28 och en platta 29. I detta utförande är plugg 27, åtminstone dess övre del, d.v.s. plattan 29 utförd i ett material med samma eller snarlik kemisk sammansättning som det material som skall värmebehandlas. Stödbenen 28 kan exem- pelvis utgöras av enkristallin eller polykristallin alumini- umoxid. Pluggen 27 utgöres lämpligen av högtemperaturisoler- material, såsom ett aluminiumoxidbaserat material.

Enligt ett föredraget utförande utgöres den översta delen av nämnda kropp av en degel 30. Härvid är plattan 29 och degeln 30 utförda i samma material, vilket således har samma eller snarlik kemisk sammansättning som det material som skall värmebehandlas. 2001 -03-22 10 15 20 25 30 515 1:28 Enligt ett annat utförande, visat i figur 3, är kroppen 31 en homogen kropp. Kroppen 31 kan även innefatta en pà denna stä- ende, icke visad, degel 30.

Oavsett utförandet i övrigt är det föredraget att kroppen har formen av en pelare.

Inledningsvis angavs att aluminiumoxid inte kan värmebehand- las vid 2000 °C när ugnsrummet består av Zirconiumdioxid, Magnesiumoxid eller Kalciumoxid. Härvid bildar A120; - MgO ett smälteutektikum vid 1995 °C, CaO - A120; ett smälteutektikum vid omkring 1600 °C och ZrO2 - Al2O3 ett smälteutektikum vid 1845 °C.

Genom föreliggande uppfinning är dock en sådan värmebehand- ling möjlig. I exemplet aluminiumoxid använder man en kropp 22, 31 av enkristallin eller polykristallin aluminiumoxid, vilket medför att A120; möter A120; i kontaktpunkten mellan kroppen 22, 31 och det materialstycke som skall värmebehand- las. Ugnsrummets temperatur är 2000 °C, såsom illustreras i figur 3. Smältfasen för ren aluminiumoxid bildas vid 2050 °C.

Omedelbart under ugnsgolvet 19 är temperaturen exempelvis 1900 °C, se figur 3. Kroppen 22, 31 har ingen fysisk kontakt med ugnsrummets golv 19 pà grund av spalten 21. Vid kroppens undre yta är temperaturen exempelvis 1800 °C. Denna yta an- ligger mot ugnsmaterialet, varför hänsyn skall tas till vid vilken temperatur ett smälteutektikum finns mellan kroppens material och ugnsmaterialet.

Härvid kan således ugnsrummet och ugnskonstruktionen bestå av MgO eftersom A120; - MgO har ett smälteutektikum vid 1995 °C, 2001 -03 -22 10 15 20 25 515 128 vilket är högre än 1800 °C. Även ZrO2 kan användas eftersom ZrO2 - A12O3har ett smälteutektikum vid 1845 °C.

För det fall CaO skall användas som ugnsmaterial måste krop- pen 22, 31 sträcka sig längre ned i ugnskonstruktionen där temperaturen understiger den temperatur vid vilken CaO - A155 har ett smälteutektikum, nämligen vid omkring 1600 °C.

Det är uppenbart att olika material kan värmebehandlas vid mycket höga temperaturer medelst föreliggande uppfinning.

Det är vidare uppenbart att olika materialkombinationer mel- lan ugnsrummets infodringsmaterial, kroppens material, det material som kroppens undersida anligger mot och det material som skall värmebehandlas kan förekomma vid utövandet av före- liggande uppfinning. Fackmannen är helt kapabel att välja materialkombinationer som medför att smälta inte bildas vid värmebehandlingen.

Ovan har ett antal materialkombinationer nämnts. Ovan har också olika ugnstyper nämnts. Emellertid är inte uppfinningen begränsad till dessa materialkombinationer eller ugnar.

Föreliggande uppfinning skall därför inte anses begränsad till ovan angivna utföringsexempel utan kan varieras inom dess av bifogade patentkrav angivna ram. 2001 -03-22

Claims (2)

1. 0 15 20 25 30 5f15 128 1. Förfarande för värmebehandling vid hög temperatur där det material som utgör ugnskammarens botten bildar ett smält- eutektikum med det material som skall värmebehandlas vid en lägre temperatur än värmebehandlingstemperaturen och där ett parti (20) av ugnskammarens botten (24), vilket kan utgöra hela eller en del av ugnskammarens botten, på vilket botten- parti det material som skall värmebehandlas skall vila, bringas att inte ha fysisk kontakt med övrig ugnsinfodring (7) i ugnskammaren (15), k ä n n e t e c k n a t a v att nämnda bottenparti (20) bringas att åtminstone till del utgö- ras av ett material med samma eller snarlik kemisk samman- sättning som det material som skall värmebehandlas och av att bottenpartiet (20) anordnas i ugnskonstruktionen på ett så- (20) dant ställe att kontaktstället (21) mellan bottenpartiet och det ugnsinfodringsmaterial (10) vid vilket bottenpartiet är anordnat under värmebehandlingen antager en temperatur un- derstigande den för bildande av smält fas mellan de material som är i kontakt med varandra vid kontaktstället (10).

2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t a v, att den del av bottenpartiet (20), som utgörs av ett material med samma eller snarlik kemisk sammansättning som det materi- al som skall värmebehandlas, bringas att vara i form av en kropp (22,31) vars övre yta (23) bringas att vara pà en höjd över resterande del av ugnskammarens botten (7) och vilken (24) kropp löper igenom ett hål i den resterande delen av av att det förefinns en spalt (25) mellan kroppen (26) ugnsbotten, och hålet och av att kroppens undre yta bringas att vila pà en del av ugnskonstruktionen (10) som befinner sig under den resterande delen (19) av ugnsbotten. 2001 -03 -22 10 15 20 25 30 5125 128 10 k ä n n C t c C k n a t a V, att kroppen (31) är en homogen kropp. 4. Förfarande enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t a v, att kroppen (22) är en skiktad kropp, där åtminstone dess öv- re del utföres i ett material med samma eller snarlik kemisk sammansättning som det material som skall värmebehandlas. k ä n n e t e c k- 5. Förfarande enligt krav 2, 3 eller 4, n a t att den översta delen av nämnda kropp utgöres av en degel (30). a v, 6. Ugnsbottenkonstruktion för högtemperaturugnar för värme- behandling där det material som utgör ugnskammarens botten bildar ett smälteutektikum med det material som skall värme- behandlas vid en lägre temperatur än värmebehandlingstempera- turen, där ett parti (20) av ungskammarens botten, vilket innefattar hela eller en del av ugnskammarens botten (7), på vilket parti (20) det material som skall värmebehandlas skall vila anordnas att inte ha fysisk kontakt med övrig ugnsinfod- (15), k ä n n e t e c k n a d i ugnskammaren a v, ring (7) att nämnda bottenparti (20) åtminstone till del utgöres av ett material med samma eller snarlik kemisk sammansättning som det material som skall värmebehandlas och av att botten- (20) är anordnat i ugnskonstruktionen pà ett sådant ställe att kontaktstället partiet (21) mellan bottenpartiet och det ugnsinfodringsmaterial (10) vid vilket bottenpartiet är an- ordnat under värmebehandlingen antager en temperatur under- stigande den för bildande av smält fas mellan de material som är i kontakt med varandra vid kontaktstället (21). 7. Ugnsbottenkonstruktion enligt krav 6, k ä n n e t e c k~ n a d a V, att den del av bottenpartiet, som utgörs av ett 2001-03-22 10 15 20 515 128 11 material med samma eller snarlik kemisk sammansät det material som skall värmebehandlas, är i form av en kropp (22,3l) anordnad så att dess övre yta (23) förefinns pà en höjd över resterande del (7) av ugnskammarens botten (19) och vilken kropp (22,3l) löper igenom ett hàl (24) i den reste- rande delen (7) av ugnsbotten, av att det förefinns en spalt (25) mellan kroppen och hålet och av att kroppens undre yta (26) vilar pà en del av ugnskonstruktionen (10) som befinner sig under den resterande delen av ugnsbotten. 8. Ugnsbottenkonstruktion enligt krav 7, k ä n n e t e c k- n a d a v, att kroppen (31) är en homogen kropp. 9. Ugnsbottenkonstruktion enligt krav 7, k ä n n e t e c k- n a d a v, att kroppen (22) är en skiktad kropp, där åtmins- tone dess övre del är utförd i ett material med samma eller snarlik kemisk sammansättning som det material som skall värmebehandlas. 10. Ugnsbottenkonstruktion enligt krav 7, 8 eller 9, k ä n- n e t e c k n a d a v, att den översta delen av nämnda kropp utgöres av en degel (30). 2001-03-22