一種熱處理爐及其控溫方法
2023-05-19 22:35:46
專利名稱：一種熱處理爐及其控溫方法
技術領域：
本發明涉及一種新型的熱處理爐，具體涉及的是一種用於製備高溫超導導線的熱處理爐及其控溫的方法。利用該方法可對爐膛內的溫度進行精密的控制，從而可提高所製備的高溫超導導線的電學性能和機械性能。
1、粉末充管 即把Bi、Sr、Ca、Cu等金屬氧化物粉末裝入銀或銀合金套管中，以保護這些很脆的粉末免於汙染以及能經歷後續的機械工藝，如拉撥、軋制等。選擇銀作為套管材料是因為它不與以上粉末發生發應、在後續的熱處理過程中不會發生氧化和還原反應，並且它能增加導線的導電性。
2、拉制 是將導線做成多股細線複合導體，其結構通常是在Ag管內放入幾十根或更多的超導細線。為了更容易地填充長管，通常先機械地拉拔套管，以把短的直管變成柔軟的長絲，然後把這些絲切成段，再將一些絲段裝進新的Ag或Ag合金管中，最後把這種銀管拉製成芯徑小、芯數多的多芯線材。這種多芯的方式增大了界面，同時也增強了導線的機械性能，如拉應變特性和彎曲應變特性。
3、低溫熱處理 把帶材在較低溫度下進行熱處理，一般是在100-200℃下熱處理1-3小時。在拉拔過程中導線中的平面應力導致在電流的反方向和垂直方向上出現斷裂，許多小的斷裂肉眼可見，這些斷裂會引起電路的斷路。低溫熱處理便是為了釋放在前面的機械工藝中形成的應力。
4、連續的軋制 把圓柱形的線材軋製成扁平的帶材，以減小彎曲應力，增大比表面積(表面積/體積)，並且通過軋製造成熱處理後的前驅粉末與Ag套管之間有更緊密的機械結合，從而使它們之間有更好的電、熱接觸。這一過程使超導體的厚度減小、寬度增加，但可能會產生與導線長度方向垂直的裂紋。
5、高溫熱處理 一般指在800-900℃下進行熱處理，退火溫度可以根據不同的實驗條件調整，爐內採用低氧分壓。這一過程作為製備高質量高溫超導體的最後一道工序非常關健，它的作用主要有以下三個方面1)在前面的形變過程中引入氧化超導相中的缺陷、微觀和宏觀斷裂，極大地降低了超導的性能，為了優化氧化超導體的電流輸運能力，必須修復工藝過程中形成的任何缺陷和斷裂。高溫熱處理可以在形成的斷裂處通過氧化超導顆粒的快速生長使斷裂得到修復，這是因為高溫退火可能優化晶粒生長，減少晶粒間界，也可能使新的氧化超導相通過自動擴散進入超導體的固態結構中。2)高溫熱處理能改善反應引起的氧化超導體的織構，增強超導顆粒的異向生長，形成合適的超導相，加快超導相的形成。3)該過程使超導顆粒更好地接觸，達到適當的氧化。
6.檢測。
從上述的整個超導導線的製備工藝中可以看出第3步和第5步熱處理過程對高溫超導導線的質量起著非常重要的作用，尤其是第5步的高溫熱處理過程，它的作用更加關鍵，鉍系帶材經過高溫熱處理可以獲得更好的電學性能，如較高的臨界轉變溫度和電流密度。
高溫熱處理工藝的關鍵是退火爐的溫度控制，它要求爐膛內溫度分布均勻，溫差為±3℃到±1℃。目前工藝中採用的退火爐有管式爐、箱式爐及環型爐，這三種爐子都存在各自的缺陷。管式爐存在銀帶放置和溫控兩方面的問題。在管式爐中，超導導線直接繞在爐中的支撐軸上，由於退火過程中銀帶會由於不同溫度下應力的作用下墜，並且經過退火，銀帶之間容易互相粘連，從而嚴重影響高溫超導線的質量。在箱式爐中，銀帶一般被捲起來以便裝在爐內，這樣線與線之間會重疊或接觸，造成線的粘連，降低導線的質量。而且在箱式爐內很難達到熱場均勻，因為加熱的箱式爐中對流的產生是由於沿著爐體的冷卻而形成，這種對流破壞了爐膛內的溫度分布，只在爐膛中間區域有相對穩定的溫度。這種爐子比較適用於短的超導線，因為可以把短線放在箱式爐的中心部位，但現在生產的導線在1000米以上，這樣就要求比目前更大的箱式爐。在大小足夠容納長的超導線的箱式爐中對流必然很大，在爐中維持穩定的、均勻的溫度區將會非常困難。各種環型爐除了有共同的缺點即取放導線不方便以外，在控溫方面還存在各自的問題。Alexandrov等人在美國專利US4812608中提出了一種環型爐，它的內部反應室的軸向橫截面相對於爐體的半徑來說非常大，使得在這樣一個大的反應室內很難提供精確的溫度控制。Ikegami等人在美國專利US4497674中提出了另一種環型爐，它有一個大的直徑，且容許銀帶持續地通過，銀帶穿過爐膛的運動和室中多個孔徑的存在，加大了對流的幅度，明顯地破壞了爐內的溫度分布，使得在這樣的爐膛內很難維持高精度的溫度控制。Sushll等人在美國專利US5783141中提出的環型爐只在縱向有加熱板，用以控制爐內溫度，這種爐子也很難保證整個爐膛內的溫度均勻。
根據本發明的熱處理爐包含爐罩、爐加熱板、保溫絕熱層、爐殼、樣品支撐系統、密封圈、轉軸。該熱處理爐的設計遵循以下幾點(1)整個爐體可以設計成不同尺寸、不同形狀，如採用如圖3所示的柱坐標系，選取三個變量r，θ，Z，其中r是點M到Z軸的距離，θ是Z軸和點M的半平面π與平面XOZ的夾角，Z是M點的豎坐標。Z方向的截面是圓，旋轉軸為Z軸。在Z-r-θ三個方向上採用加熱絲軸對稱分布，並且工作檯採用旋轉的方式，能夠在θ方向上控制溫度。(2)分段分區控溫。加熱絲及絕緣材料都放置在爐壁外，這是由於加熱絲在加熱過程中會損耗氧，同時產生不良氣體，這種吸氣和放氣都對導線造成汙染。加熱絲的分布及功率大小按不同的區域分別設計，從而精密控制爐內溫度，使整個爐膛的溫度分布均勻、穩定，溫差較小。(3)樣品支撐系統可適用於對不同長度的導線進行熱處理。放置超導導線的樣品支撐系統如圖2所示。該系統包含託盤、上託架和下託架，彼此獨立，可以分開裝卸。它的材料為金屬或陶瓷。託架是中空的，可以減輕整個樣品支撐系統的重量，並且可以用於通氣或插入熱電偶。上面的託架用於放置更多的託盤，下面託架用於支撐託盤。需要選擇適宜的下託架的長度和厚度，這是由於在對導線進行高溫熱處理時，如託盤發生變形，託盤的邊緣會下墜，如下託架的長度太長，幾乎與託盤的直徑相當，則下託架的邊緣同樣會下墜，下託架的支撐點會向託盤的圓心靠近，這樣就減小了下託架對託盤的支撐效果，如下託架的長度太短，則下託架對託盤的力矩又太小，達不到下託架對託盤的有效支撐。下託架的厚度的選擇也存在相似的問題。託架與託盤的接觸部分設計成如圖2所示，下託架只在邊緣較小部分與託盤接觸，以有效支撐託盤，導線以上託架為中心纏繞。樣品支撐系統可按需要放置多層託盤，這樣的樣品支撐系統具有如下的特點能有效的避免導線的變形；便於調整待處理的導線的數量；易於裝卸；中空，重量輕，可以中通熱電偶對溫度進行測試。(4)導線的放置方式。為了克服超導帶材在退火過程中由於不同溫度下應力的作用導致的下墜，將超導帶材在託盤上繞託架的中心軸多層疊繞。但是這樣的一卷帶材會出現線與線之間的重疊或接觸，經過熱處理會出現線的粘連，造成導線質量的降低，為了克服這一困難，可以採用兩種方法一種是在超導帶子的表面進行塗層，如塗一層陶瓷；另一種方法是與另一種類的帶子共繞，另一種帶子的材料可以是銀合金或其他金屬，但必須考慮到該種帶子不與導線起任何化學反應，熱膨脹係數與導線相似，為了達到更好的效果，還可以在這種附加的帶子上進行塗層，比如塗一層陶瓷，上述的兩種方法都可以有效地隔離導線。(5)取放樣方式可以提起爐罩，也可以放下轉臺。(6)密封方法有兩種密封方法。一種是靠重力密封，密封圈所在位置的溫度約為300-500℃，密封圈和爐罩會由於溫度的變化產生形變，在密封槽中產生或緊縮或凸起來的現象，可以靠爐罩的重力壓緊密封圈。另一種方法是在爐罩上或爐罩下加一彈簧系統，靈活調節爐罩的密封，避免在加熱過程中由於形變引起的漏氣，爐罩所用材料為不鏽鋼或高溫鋼。(7)耐熱絕緣材料的選用。耐熱絕緣材料採用耐火纖維，它不僅耐高溫，而且保溫性能好、省電，更容易形成均勻爐溫。本發明提出的熱處理爐不能採用耐火磚作為保溫絕緣材料，因為它含有較大的空隙，在熱處理過程中有吸氣、放氣現象，並且絕熱性能也不夠好。本發明採用的這種耐火纖維做成合適形狀的模件後，內埋入加熱板，這樣組成的保溫絕緣層對維持爐體溫度的均勻、穩定起了非常重要的作用。
由於採用上述方案，本發明提出的立式爐主要具有以下優點(1)溫度控制精密。在Z-r-θ三個方向上採用加熱絲軸對稱分布，且分段分區控溫，精密控制爐內溫度，從而使整個爐膛的溫度分布均勻、穩定，溫差較小。(2)適用於不同長度的導線的熱處理，長度的變化範圍較大。如果有更多的導線需要進行熱處理，可以在原來的託盤上增加託盤以放置導線。(3)高溫超導導線在熱處理過程中既不會下墜也不會互相粘連，而且取放樣非常方便。(4)系統結構緊湊，維護操作容易。
權利要求
1.一種熱處理爐，包含爐罩；爐加熱板；保溫絕熱層；爐殼；樣品支撐系統；密封圈；轉軸；其特徵在於爐體的Z向截面形狀為圓形，加熱絲在Z-r-θ三個方向上成軸對稱分布，且和耐熱絕緣材料被設置在爐內罩外，其分布和功率大小按不同的區域進行設計。
2.根據權利要求1所述的熱處理爐，其特徵在於爐膛的容積不小於0.25cm3。
3.根據權利要求1所述的熱處理爐，其特徵在於樣品支撐系統可進行旋轉，且其由金屬或陶瓷材料製成，該系統包含託盤、上託架及下託架，上面的託架用於放置更多的託盤，下面的託架用於支撐託盤，託架的轉軸中空，用於通氣或插入熱電偶，導線放在託盤上且以上託架為中心纏繞，該系統可放置多層託盤。
4.一種用熱處理爐對超導導線進行熱處理的方法，其中所述的熱處理爐包含爐罩；爐加熱板；保溫絕熱層；爐殼；樣品支撐系統；密封圈；轉軸；被處理的超導材料被放置在託盤上；其特徵在於其中對爐內的溫度是採用分段分區的控制方法進行的。
5.根據權利要求3所述的熱處理方法，其特徵在於其中的被進行熱處理的超導帶的表面被塗上一層諸如陶瓷等絕緣材料。
6.根據權利要求3所述的熱處理方法，其特徵在於其中的被進行熱處理的超導帶被與另一種帶子共繞，所述的另一種帶子的材料可為不與所述超導帶發生化學反應的諸如銀合金等金屬，這種材料的熱膨脹係數應與導線的相近。
7.根據權利要求5所述的熱處理方法，其特徵在於其中的所述的另外的一種帶子被塗有諸如陶瓷等塗層。
8.根據權利要求3所述的熱處理方法，其特徵在於在取放樣時可提起爐罩。
9.根據權利要求3所述的熱處理方法，其特徵在於在取放樣時可放下轉臺。
10.根據權利要求3所述的熱處理方法，其特徵在於爐體的密封採用重力密封方法。
11.根據權利要求3所述的熱處理方法，其特徵在於爐體的密封採用在爐罩上或爐罩下加一彈簧系統，通過對爐罩進行靈活調節來實現。
12.根據權利要求1所述的熱處理爐，其特徵在於其中所述的耐熱絕緣材料為耐火纖維，並在其中埋入加熱板。
全文摘要
提供一種熱處理爐，它包含爐罩、爐加熱板、保溫絕熱層、爐殼、工作檯、密封圈、轉軸。其中被處理的超導材料被放置在託盤上；爐內的溫度是採用分段分區的控制方法進行的。通過上述的熱處理爐及其溫度控制方法，可使爐體內的溫度保持均勻，同時可對不同長度的超導導線進行熱處理，且該爐體維護容易，操作簡便。
文檔編號C21D1/34GK1400318SQ0112387
公開日2003年3月5日 申請日期2001年8月8日 優先權日2001年8月8日
發明者韓徵和 申請人:北京英納超導技術有限公司