一種碳碳複合材料高溫連續加熱爐的製作方法

2023-08-07 16:04:07 1

本發明涉及一種加熱爐，具體涉及一種碳碳複合材料高溫連續加熱爐。

背景技術：

加熱爐設備是各種金屬、陶瓷以及碳素樣品及工件加工處理的主要生產和實驗設備，主要用於化工、冶金、石油、機械、電子、材料合成等各個領域。在高純度難熔金屬碳化物或高純度碳素製品的加工過程中，對爐腔內高溫環境的要求尤為關鍵，這就要求整個爐體有較好的保溫性和高溫持續性，同時密封性的要求也非常重要，面對2000℃以上的高溫工作要求，普通金屬材質的加熱設備無論從密封保溫性、加熱持續性方面均存在不足，而高純度碳素製備或難熔金屬碳化物的加工又要求2000℃以上的持續高溫加熱處理，目前的加熱爐很難實現2000℃以上的持續高溫加熱處理。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種碳碳複合材料高溫連續加熱爐，該加熱爐的最高加熱溫度可達到2800℃，可實現高純度碳素製品的連續生產製備。

一種碳碳複合材料高溫連續加熱爐，包括惰性氣體密封腔和主體加熱爐體；所述主體加熱爐體的兩端分別設置惰性氣體密封腔；所述主體加熱爐體由內到外設置馬弗結構、電熱元件、耐火層、保溫層、爐殼；所述馬弗結構為由碳纖維增強碳基體的複合材料製備得到的腔體，體密度在1.8-2.0g/cm3(該體密度的優點：緻密性高，強度大)；優選：方形腔體。

所述馬弗結構腔體內部與所述惰性氣體密封腔連通；所述馬弗結構腔體內部直接接入惰性氣氛管路，所用的惰性氣體為氮氣、氬氣中的任意一種，其純度為99.999％以上。所述惰性氣體密封腔與主體加熱爐構成完全密封的穩定循環體系，實現工件加熱過程中的氣體保護，同時也保證了高純度石墨樣品製件等在連續化製備中進出料的氣體保護。

所述馬弗結構外壁排布籠式環狀結構的碳碳複合材料電熱元件，所述電熱元件採用棒狀或扁帶狀結構(優點：輻射加熱面積大)緊密環繞在馬弗結構外壁，環繞在馬弗結構外壁的電熱元件沿著爐體長度方向依次排布構成籠型結構，電熱元件的引出端之間採用並聯形式連入銅電極；優選：所述電極內帶夾層，所述電極夾層可通入冷卻水以避免加熱過程中電極溫度過高造成損傷。

所述馬弗結構、電熱元件、耐火層、保溫層之間採用碳碳複合材料支撐體連接固定，通過石墨螺栓連接，優點：以保證整體的穩定性和密封性。

所述耐火層採用碳素纖維氈或短切碳纖維增強的碳基體複合材料製備，所述碳素纖維氈的體密度在0.1-0.3g/cm3(優點：密度低，孔隙率大，保溫效果好)，優選：所述短切碳纖維的類型為T300或T700，短切長度為1cm-5cm，所述碳基體為瀝青碳或醛樹脂碳。耐火層的厚度根據爐體尺寸規格任意靈活調整。

所述保溫層採用軟質碳素纖維氈或硬質碳素纖維氈製備，所述軟質碳素纖維氈的體密度為0.05-0.3g/cm3，所述硬質碳素纖維氈在所述軟質碳素纖維氈基礎上採用複合酚醛樹脂碳化製備，所述複合酚醛樹脂含量為所述硬質碳素纖維氈質量的5-20％。保溫層的厚度根據爐體尺寸規格任意靈活調整。

所述爐殼採用碳纖維增強石墨複合材料製備，所述碳纖維增強石墨複合材料中碳纖維的含量為50-70％，爐殼採用中空夾層結構，夾層結構內埋入冷卻水管路，以保證爐壁較低的熱量損失和運行安全性。

所述主體加熱爐的進出料採用機械推拉裝置實現，優選：手動機械推拉裝置，可靈活控制工件進出料以保證連續化生產需要。

優選：所述惰性氣體密封艙，寬度為10cm-400cm，高度為10-50cm，有效長度為0.5-3米，具體的尺寸根據高溫加熱爐的氣體密封要求可靈活設計。

優選：所述惰性氣體密封艙，所填充的惰性氣體為氮氣或氬氣，其純度為99.999％以上。

優選：所述主體加熱爐的有效加熱區寬度為10cm-400cm，高度為10-50cm，有效長度為1-20米，具體的尺寸根據加熱製品的要求可靈活設計。

優選：惰性氣體接入管路帶有自動切換裝置，根據加熱工件的溫度要求，在1800℃以下採用氮氣保護，在1800℃-2800℃高溫環境下自動切換為氬氣保護模式。

優選：所述機械推拉裝置包括設置在主體加熱爐內的導軌和傳動杆以及推拉彈簧，所述推拉彈簧給該裝置提供動力，所述傳動杆及導軌上配有n個託盤以裝盛被處理工件，當加熱完畢出料時，推拉彈簧推動傳動杆沿著導軌前進，將爐膛內的託盤從一側頂出，同時在進入側加裝待處理物料。

本發明的有益效果：

(1)本發明的加熱爐從密封結構、耐火結構、保溫結構以及爐殼等全部採用碳素複合材料製備，從而根本上實現了整個設備的高溫穩定性。整個高溫連續石墨加熱爐採用全碳素複合材料結構組成，有效保證了整個加熱過程的高溫穩定性和連續高溫加熱要求。

(2)採用籠式環狀結構形式的電熱元件排布，使馬弗結構周圍實現均勻加熱，有效保證加熱的一致性和整個連續爐膛內的較低溫度變化，電熱元件採用銅電極引出，同時在銅電極內部設有冷卻水夾層，有效保護長時間連續加熱過程的電極安全性。

(3)採用惰性氣氛保護自動切換裝置有效保證高低溫兩套保護氣氛的靈活切換，有效避免加熱過程中製件因氣密性不足而出現的氧化問題。

(4)採用兩端惰性氣體密封艙結構，有效保證進出料過程中加熱爐體內的工件氣氛保護。

附圖說明

圖1為實施例1加熱爐的主體布置圖，其中1、惰性氣體密封腔，2、主體加熱爐；

圖2為實施例1的主體加熱爐的結構示意圖，其中，3、馬弗結構爐腔，4、馬弗結構，5、電熱元件，6、銅電極，7、耐火層，8、保溫層，9、冷卻水管路，10、爐殼爐體，11、支撐體，12、手動機械推拉裝置，13、導軌，14、託盤。

具體實施方式

下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。

實施例1

一種碳碳複合材料高溫連續加熱爐對高純度碳氈樣品加工的具體實施如下：

如圖1，首先，將待處理的高純度碳氈樣品置於託盤14中，將多個託盤放入馬弗結構爐腔3中的導軌13上，通過手動機械推拉裝置12推入馬弗結構爐腔3中，將兩端惰性氣體密封腔1與主體加熱爐2連接，使其形成密閉通路，充入純度為99.999％以上的氬氣保護。

待氣體壓力穩定後，開啟加熱元件5升溫至2300℃完成對高純度碳氈樣品的高溫處理過程，整個處理過程保證銅電極6和爐殼10中的冷卻水暢通。

最後，待高溫處理完成後，關閉電熱元件5，同時保證銅電極6和爐殼10中的冷卻水暢通持續循環，待溫度降至室溫時，開啟惰性氣體密封腔1與主體加熱爐2，通過手動機械推拉裝置12將託盤14依次推出並放入裝有待處理的碳氈樣品的新託盤，完成一次高純度碳氈樣品加工過程。

實施例2

一種碳碳複合材料高溫連續加熱爐對高密度碳碳複合材料樣品加工的具體實施包括：

首先，將待處理的高密度碳碳複合材料樣品置於託盤14中，將多個託盤放入馬弗結構爐腔3中的導軌13上，通過手動機械推拉裝置12推入馬弗結構爐腔3中，將兩端惰性氣體密封腔1與主體加熱爐2連接，使其形成密閉通路，充入純度為99.999％以上的氬氣保護。

待氣體壓力穩定後，開啟加熱元件5升溫至2800℃完成對高密度碳碳複合材料樣品的高溫處理過程，整個處理過程保證銅電極6和爐殼10中冷卻水暢通。

最後，待高溫處理完成後，關閉電熱元件5，同時保證銅電極6和爐殼10中的冷卻水暢通持續循環，待溫度降至室溫時，開啟惰性氣體密封腔1與主體加熱爐2，通過手動機械推拉裝置12將託盤14依次推出並放入裝有待處理的高密度碳碳複合材料樣品的新託盤，完成一次高密度碳碳複合材料樣品的加工過程。

實施例3

一種碳碳複合材料高溫連續加熱爐對高純度碳化鈦樣品加工的具體實施包括：

首先，將待處理的二氧化鈦和炭黑粉體樣品置於託盤14中，將多個託盤放入馬弗結構爐腔3中的導軌13上，通過手動機械推拉裝置12推入馬弗結構爐腔3中，將兩端惰性氣體密封腔1與主體加熱爐2連接，使其形成密閉通路，充入純度為99.999％以上的氮氣保護。

待氣體壓力穩定後，開啟加熱元件5升溫至1500℃完成對二氧化鈦和炭黑粉體樣品的高溫處理過程，整個處理過程保證銅電極6和爐殼10中冷卻水暢通。

最後，待高溫處理完成後，關閉電熱元件5，同時保證銅電極6和爐殼10中的冷卻水暢通持續循環，待溫度降至室溫時，開啟氣體密封艙1與主體加熱爐2，通過手動機械推拉裝置12將託盤14依次推出並放入裝有待處理的二氧化鈦和炭黑粉體樣品的新託盤，完成一次高純度碳化鈦樣品加工過程。

上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護範圍以內。