專利名稱：立臥式可連續生產的高效、節能真空可控氣氛爐的制作方法
技術領域：
本發明主要涉及納米材料合成技術領域，同時也涉及真空、氣氛熱處理領域，涉及 氣相法連續生產納米材料及真空氣、氛熱處理和燒結等的一種立臥式可連續生產的高效、 節能真空可控氣氛爐。
背景技術：
納米材料是納米科技領域最富活力、研究內涵十分豐富的學科分支，是納米科技 發展的重要基礎，美國《商業周刊》將納米科技列為21世紀可能取得重要突破的三大領域 之一。納米材料產業被認為是21世紀最具有發展潛力的產業之一，我國納米新材料市場 已經連續6年保持了 15%以上的增長速度，其中電子材料、磁性材料、光電子應用等約占 74.2%，市場需求量較大。《2009年中國納米材料行業研究咨詢報告》指出目前，全球納米 材料已建立了 10億美元的可觀市場，市場主要分布在美國、西歐和日本；預計到2011年納 米材料的市場需求將達到42億美元；到2025年這一數字將上升至1000億美元。在未來 10-20年內，一些比較新穎的納米材料，如納米管等，將占據較大份額的市場。氣相法是目前制備一維納米材料常用方法之一。由于氣相法制備大都在封閉的容 器中進行，所制得的納米材料與其它方法制備的納米材料相比，具有更高的純度。在氣相中 材料成核及生長的空間增大，所制得的納米材料形貌均一、尺寸小、尺寸范圍分布窄、具有 良好的單分散性。此外，通過改變反應氣體，可制備出液相法難以制備的各種金屬氮化物、 碳化物、硼化物及碳納米管等各種材質的納米材料。先進制造技術的一個重要方面——現代熱處理制造技術是十分重要的基礎工藝 技術，而現代熱處理技術的核心技術一一可控氣氛熱處理技術、真空熱處理技術也日益顯 現出其重要性。近20年來，我國在真空、可控氣氛熱處理設備的研發方面已取得了迅猛發 展。真空、可控氣氛熱處理的研究和應用已遍及退火、油(氣)淬、高壓氣淬、滲碳、滲氮、滲 金屬、回火、燒結、釬焊、涂敷、電子封裝、清洗等多個領域。目前，氣相法制備納米材料及真空、可控熱處理的設備主要是真空可控氣氛爐，分 為單室結構與多室結構，有臥式和立式兩種結構，加熱方式主要是電阻加熱，產物冷卻一般 采用隨爐冷卻。臥式結構氣氛爐中物料運動的路線為水平方向，立式結構為豎直方向，這樣 單一的運動路線造成氣氛爐總體長度太長或高度過高，設備的空間利用率較低，且給操作 人員帶來不便，如專利號為“200410022988. 8”名稱為“井式無罐預抽真空保護氣氛爐”、專 利號為“200610008219. 1”名稱為“間歇式氣氛爐”、專利號為“200620160238. 1”名稱為“升 降式真空氣氛爐”、專利號為“200820078861. 1”名稱為“自動加熱淬火真空氣氛爐”等專利 的主要缺陷是在生產過程中需反復升降溫，不能連續生產；加熱方式為電阻加熱，加熱時 間長，加熱效率低；產物隨爐冷卻，冷卻時間長，生產周期長。本發明的目的在于克服工業生產中現有真空、可控氣氛爐設備中存在的上述不 足，提供一種結構緊湊，可充分利用空間，便于操作，加熱速度快，產物冷卻速度快，且能連 續生產、節約大量能源的立臥式可連續生產的高效、節能真空可控氣氛爐。

發明內容
本發明的立臥式可連續生產的高效、節能真空可控氣氛爐是一種采用立式與臥式 結構相結合的多室連續生產真空可控氣氛爐，這種結構形式突破了物料單一的直線運動形 式從而避免了臥式結構設備總體長度過長、立式結構設備總體高度過高的缺點，有效利用 了空間，提高了空間利用率，同時，操作人員在較小范圍內即可對真空可控氣氛爐進行操 作，提高了操作的方便性。本發明的技術方案是這樣實現的立臥式可連續生產的高效、節能真空可控氣氛 爐爐體由進料室、反應室、出料室三個部分組成，其中進料室位于反應室的下方，出料室位 于反應室側面，分別與反應室構成立式和臥式結構，從而形成了立臥式的新型結構形式。通 過反應室底部與進料室結合處的保溫密封門I (進料室側)實現反應室與進料室之間的保 溫與密封，通過反應室側面與出料室結合處的保溫密封門11(出料室)實現了反應室與出 料室的保溫與密封。本發明中的設備主要由真空系統、加熱系統、通氣系統、水冷系統、氣 (液)壓動力系統、控制系統等構成。控制系統可按規定的程序，實現程序升溫、保溫及降 溫，同時控制氣(液)壓運動機構，實現各門的啟閉及物料的進出。本發明的立臥式可連續生產的高效、節能真空可控氣氛爐，采用保溫密封門實現 反應室與進料室、反應室與出料室之間的保溫與密封。保溫密封門設有導輪便于保溫密封 門在導軌中運動，四周設有冷卻水通道以防止密封材料高溫失效，中部有石墨纖維保溫層 以實現保溫隔熱的目的，使用這種結構可同時滿足爐體保溫及密封的雙重要求，這是本發 明的創新之一。本發明的立臥式可連續生產的高效、節能真空可控氣氛爐，采用感應加熱，加熱元 件采用感應線圈，利用高頻感應產生的“集膚效應”快速加熱物料盒，進而使其中的物料或 工件被加熱。該設計具有加熱速度快，加熱效率高，能源利用率高等特點。加熱線圈截面 為矩形截面，其內表面與載物盒外表面平行，加熱線圈內通有冷卻水，這種布局具有加熱均 勻、穩定的特點，且結構合理、緊湊、節省空間，使加熱系統結構簡單可靠，這也是本發明的 創新之一。本發明的立臥式可連續生產的高效、節能真空可控氣氛爐，產物冷卻采用循環風 冷系統，主要由真空管道，充氣口，單向閥，循環泵，粉塵過濾器，螺旋板換熱器等組成。首先 由充氣口向出料室充入惰性氣體，如氬氣等。當壓力達到約5X IO4Pa時，打開循環泵，惰性 氣體在循環泵和單向閥的作用下定向流動。惰性氣體經高溫載物盒換熱后溫度升高，隨著 氣體流動，在螺旋板換熱器中與冷水換熱冷卻后，高溫氣體溫度下降，如此循環，大大加快 了物料的冷卻速度，提高了生產效率，這也是本發明的創新之一。本發明的立臥式可連續生產的高效、節能真空可控氣氛爐，控制系統采用PC+PLC 聯合控制，PLC為底層控制，PC為頂層控制。本發明的立臥式可連續生產的高效、節能真空可控氣氛爐，其連續生產方式是這 樣完成的生產時，首先將裝載反應原料或工件的載物盒放入進料室，關閉進料室爐門，對 各室抽真空，達到真空條件后，打開保溫密封門I (進料室側)，由自動控制系統控制推料氣 (液)壓缸驅動推料機構將載物盒推入反應室，在推料機構返回后，關閉保溫密封門1 (進料 室側)。對反應室加熱，達到反應溫度后，通入氣體進行反應，待反應結束后，打開保溫密封門II (出料室側)，拉料機構將載物盒拉入出料室進行冷卻，與此同時，進料室再放入另一 載物盒，在上一個載物盒進行冷卻時，下一個載物盒被送入反應室進行反應，同時，第三個 載物盒被放入進料室。如此循環，就實現了設備的連續生產。爐體僅需一次升溫即可連續 生產，提高了生產效率，同時，避免了爐體反復升溫、降溫過程中浪費大量能源。本發明的立臥式可連續生產的高效、節能真空可控氣氛爐的設計實現了加料、反 應與出料冷卻三個工藝階段的同時進行，僅需一次升溫即可進行連續生產，大大提高了生 產效率及能源利用率，節約能源，降低了生產成本，同時，也保證了所制得產物或被處理工 件的純度和質量。


附圖1立臥式可連續生產的高效、節能真空可控氣氛爐爐體結構示意圖。其中1_出水口 2-吊耳3-爐體外壁4-爐體內壁5-隔熱層6_反應室抽真空 管道7-載物盒8-維修爐蓋9-反應室10-保溫密封門II (出料室側)11-保溫密封門 II氣(液)壓缸12-油封密封圈13- “0”型密封圈14-出料室15-出料室抽真空管道 16-充氣管道17-拉料桿抓頭18-拉料氣(液)壓缸19-充氣口 20-單向閥21-循環泵 22-螺旋板換熱器23-粉塵過濾器24-進水口 25-爐體支架26-推料氣(液)壓缸27-真 空泵28-電磁壓差閥29-爐門氣(液)壓缸30-進料室31-進料室爐門32-保溫密封 門I氣(液)壓缸33-保溫密封門I (進料室側)34-卡臺裝置35-熱電偶36-加熱線圈 37-通氣系統圖2保溫密封門結構示意圖。其中1_保溫門外殼2-連接板3-出水口 4-導輪5-冷卻水槽蓋板6_石墨纖 維保溫層7-進水口。圖3保溫密封門導軌結構示意圖。其中1_導軌2-斜塊3-導軌固定板圖4感應加熱線圈結構示意圖。圖5載物盒結構示意圖。其中1_載物盒蓋2-載物盒。圖6拉料抓頭結構示意圖。其中1_拉料塊2-石墨銷釘3-拉料抓頭體。實施實例下面結合實施實例及附圖對本發明進行詳細說明在本實施實例中設計的立臥式 可連續生產的高效、節能真空可控氣氛爐，其結構示意圖見說明書附圖1，主要由出水口 1， 吊耳2，爐體外壁3，爐體內壁4，隔熱層5，真空管道6、15，載物盒7，維修爐蓋8，反應室9，保 溫密封門I (進料室側)33，保溫密封門I氣(液)壓缸32，保溫密封門II (出料室側)10， 保溫密封門II氣缸11，油封密封圈12，“0”型密封圈13，出料室14，充氣管道16，拉料桿抓 頭17，拉料氣缸18，充氣口 19，單向閥20，循環泵21，螺旋板換熱器22，粉塵過濾器23，出水 口 1，進水口 24，爐體支架25，推料氣缸26，真空泵27，電磁壓差閥28，爐門氣缸29，進料室 30，進料室爐門31，卡臺裝置34，熱電偶35，加熱線圈36，通氣系統37等組成。進料室30 位于反應室9下方，出料室14位于反應室9側面，從而行成立臥結合式結構。反應室為雙層水冷結構，爐體外壁3與爐體內壁4之間通水冷卻，以防止爐體溫度過高。在本實施實例中，設備尺寸均以載物盒的尺寸為基準進行設計，載物盒尺寸為 Φ 240 X 180mm，依據這個尺寸得到爐體壁厚10mm。爐膛的尺寸Φ 665 X 600mm。保溫層厚 度70mm，爐體外形總尺寸分別為，長度4570mm，寬度2560mm，高度3400mm。爐體材料選用Q235B，保溫層材料分別選用厚度20mm的石墨板、厚度20mm石墨硬 氈板和厚度30mm石墨碳氈；靜密封材料選用氟橡膠密封圈，動密封采用油封密封，油封型 號為25X47X7 ；在本實施實例中設計的立臥式可連續生產的高效、節能真空可控氣氛爐，采用保 溫密封門(見說明書附圖2)實現反應室與進料室、反應室與出料室之間的保溫與密封。保 溫密封門設有導輪便于保溫密封門在導軌(見說明書附圖3)中運動，四周設有冷卻水通道 以防止密封材料高溫失效，中部有石墨纖維保溫層以保證爐內溫度均勻，使用這種結構可 同時滿足爐體保溫及密封的雙重要求。在本實施實例中設計的立臥式可連續生產的高效、節能真空可控氣氛爐，采用感 應加熱方式進行加熱。加熱元件采用感應線圈(見說明書附圖4)，利用高頻感應產生的“集 膚效應”加熱物料盒，進而使其內的物料或零件被加熱。該設計具有加熱速度快，加熱效率 高，能源利用率高等特點。加熱線圈材料選用紫銅，其截面為矩形截面，其內表面與載物盒 外表面平行，加熱線圈內通有冷卻水，這種布局具有加熱均勻、穩定的特點，且結構合理、緊 湊、節省空間，使加熱系統結構簡單可靠。在本實施實例中設計的立臥式可連續生產的高效、節能真空可控氣氛爐，其兩個 保溫密封門的開啟和關閉、推料及拉料的完成，均采用氣壓傳動系統。保溫密封門開閉用氣 缸選用MDBD80-140-M9BL型標準氣缸；推料用氣缸選用MDBF80-910-M9BL-D匪2331型號的 桿不回轉型氣缸，桿加長262mm 拉料用氣缸選用MDBF80-1450-M9BL-D匪2331型號的桿不 回轉型氣缸，桿加長79mm。在本實施實例中設計的立臥式可連續生產的高效、節能真空可控氣氛爐，產物冷 卻系統采用循環風冷系統，主要由真空管道，充氣口，單向閥，循環泵，粉塵過濾器，螺旋板 換熱器等組成。在本實施實例中設計的立臥式可連續生產的高效、節能真空可控氣氛爐，控制系 統采用PC+PLC聯合控制。由PLC直接控制各部件，如電磁閥，真空泵，溫控儀等。PC監測控 制各部件并記錄相關參數與數據。PC是用戶與設備的交互平臺，用戶可以任意設定生產的 工藝參數，通過PLC主控PC輔控的控制方式可以實現精確和穩定的控制，提高了設備的控 制精度和穩定性。本實施實例中的立臥式可連續生產的高效、節能真空可控氣氛爐，其連續生產方 式是這樣完成的生產時，首先將裝載反應原料或工件的載物盒7 (見說明書附圖5)經進料 室門31放入進料室，關閉進料室爐門31，打開真空泵27及電磁壓差閥28對各室抽真空，達 到所需真空條件5Pa時，打開保溫密封門I (進料室側)，在推料氣缸26的作用下，物料盒被 送入反應室9，推料系統復位后，關閉保溫密封門I (進料室側)33，對加熱線圈36通電，加 熱反應室，溫度由熱電偶35測量，當溫度達到要求后，由通氣系統37通入反應氣體進行反 應。在反應室進行加熱反應的同時，另一個物料盒被放入進料室并抽真空至5Pa。待反應結 束后，打開保溫密封門Π (出料室側)10，由拉料氣缸18驅動拉料桿抓頭17將載物盒拉入出料室14進行冷卻，關閉保溫密封門11(出料室側)，將惰性氣體(氬氣等)由充氣口 19 充入出料室，當出料室壓力達到約5X IO4Pa時，開啟循環泵21，氣體經過單向閥20進入出 料室與載物盒進行換熱，換熱后的氣體經過粉塵過濾器23過濾，螺旋板換熱器換熱冷卻后 回到循環泵，如此循環直至載物盒溫度降至50°C后，取出載物盒。在上一載物盒進行冷卻的 同時，可將放入進料室的第二個載物盒推入反應室，待達到反應條件后通氣反應。在第二個 載物盒于反應室中進行反應的同時，第三個載物盒又可被放入進料室。如此循環，就實現了 設備的連續生產。爐體僅需一次升溫即可連續生產，提高了生產效率，同時，避免了爐體反 復升溫、降溫過程中浪費大量能源。 本實施實例涉及的立臥式可連續生產的高效、節能真空可控氣氛爐的設計實現了 加料、反應與出料冷卻三個工藝階段在時間上的重疊，僅需一次升溫即可進行連續生產，節 約了大量能源，降低了生產成本，同時，也保證了所制得產物或被加工零件的質量。
權利要求
一種立臥式可連續生產的高效、節能真空可控氣氛爐，該真空可控氣氛爐可用于氣相法連續生產納米材料及金屬零部件(工件)的連續熱處理。其特征是爐體由反應室、進料室和出料室三個部分組成，反應室采用雙層水冷結構。加熱方式采用感應加熱，隔熱層由石墨氈板和碳氈保溫層等共同組成。為保證各室之間的密封，在反應室與進料室、反應室與出料室的結合處采用保溫密封門實現反應室、進料室及出料室之間的保溫與密封。產物冷卻采用循環風冷。各門的啟閉與物料的進出采用氣(液)壓系統提供驅動力，動密封采用油封密封，靜密封材料選用氟橡膠。爐體僅需一次升溫即可進行連續生產，生產效率高，且節約大量能源。
2.權利與要求1所述的立臥式可連續生產的高效、節能真空可控氣氛爐，爐體結構為 立臥式，其特征為用于放入反應原料或工件的進料室位于反應室的下部，與反應室形成立 式結構；用于取出反應產物或被處理工件的出料室位于反應室的側面，與反應室形成臥式 結構，從而形成立臥式結構。
3.權利與要求1所述的立臥式可連續生產的高效、節能真空可控氣氛爐，采用保溫密 封門實現反應室與進料室、反應室與出料室之間的保溫與密封。其特征為保溫密封門四周 設有冷卻水通道以防止密封材料高溫失效，中部有石墨纖維保溫層以實現溫度的目的，保 溫密封門設有導輪便于保溫密封門在導軌中運動。
4.權利與要求1所述的立臥式可連續生產的高效、節能真空可控氣氛爐，加熱方式采 用感應加熱，其特征為加熱線圈截面為矩形截面，其內表面與載物盒外表面平行，加熱線 圈中有冷卻水孔，冷卻水孔截面也為矩形。
5.權利與要求1所述的立臥式可連續生產的高效、節能真空可控氣氛爐，產物冷卻采 用循環風冷系統，其特征為該冷卻系統主要由真空管道，充氣口，單向閥，循環泵，粉塵過 濾器，螺旋板換熱器等組成。由充氣口向出料室充入惰性氣體。當壓力達到約5X104Pa時， 循環泵打開，惰性氣體在循環泵和單向閥的作用下定向流動。惰性氣體經高溫載物盒換熱 后溫度升高，隨著氣體流動，高溫氣體在螺旋板換熱器中與冷水換熱冷卻，大大加快了物料 的冷卻速度，提高了生產效率。
6.權利與要求1所述的立臥式可連續生產的高效、節能真空可控氣氛爐，其生產方式 為連續生產，其特征為生產時，首先將裝載反應原料或工件的載物盒放入進料室，關閉進 料室爐門，對進料室與反應室抽真空，達到真空條件后，打開保溫密封門I (進料室側)，由 自動控制系統控制推料氣(液)壓缸驅動推料機構將載物盒推入反應室，在推料機構返回 后，關閉保溫密封門1 (進料室側)。對反應室加熱，達到反應溫度后，通入氣體進行反應，待 反應結束后，將反應室與出料室同時抽真空，達到真空條件后，打開保溫密封門11(出料室 側)，拉料機構將載物盒拉入出料室進行冷卻，與此同時，進料室再放入另一載物盒，在上一 個載物盒進行冷卻的同時，下一個載物盒被送入反應室進行反應，與此同時，第三個物料盒 被放入進料室。如此循環，就實現了連續生產。爐體僅需一次升溫即可連續生產，提高了生 產效率，同時，避免了爐體反復升溫、降溫過程中浪費大量能源，大大提高了能源利用率。
全文摘要
本發明的目的在于提供一種可用于連續生產的，且具有空間利用率高，加熱速度快，產物冷卻速度快，生產周期短，避免生產過程中反復升、降溫造成能源大量浪費的立臥式高效、節能真空可控氣氛爐。本發明的設備由進料室、反應室、出料室組成，進料室位于反應室下方與反應室形成立式結構；出料室位于反應室側面與反應室形成臥式結構，從而構成立臥式結構，提高了空間利用率。本發明設備采用保溫密封門實現各室間的保溫與密封；采用感應加熱方式，加熱速度快，能效高；產物冷卻采用循環風冷系統，這種立臥式可連續生產的高效、節能真空可控氣氛爐，僅需一次升溫即可進行連續生產，提高了生產效率，降低了生產成本，節約了大量能源。
文檔編號F27B5/06GK101893373SQ20101023860
公開日2010年11月24日 申請日期2010年7月23日 優先權日2010年7月23日
發明者李孟澤, 李鎮江 申請人:青島科技大學;李孟澤