一種化學氣相滲透增密用多料柱式工業爐的製作方法

2023-12-02 02:07:51 1

專利名稱：一種化學氣相滲透增密用多料柱式工業爐的製作方法
技術領域：
本發明公開了一種化學氣相滲透增密用工業爐，特別是指一種化學氣相滲透增密用多料柱式工業爐。
背景技術：
化學氣相滲透(CVI)增密是製備高性能C/C複合剎車盤的核心技術。通過該技術製得的航空炭剎車盤的工作壽命可達2000 4000次起落，比老一代金屬基剎車盤壽命長 5 10倍；而且，炭盤要輕得多，其密度僅為金屬盤密度的1/4，例如，每架波音757客機或 A320客機在改用炭剎車盤後可以減重500 600Kg，因而，炭剎車盤的應用大大地改善了現代航空器的性能，已在現代飛機上得到了愈來愈廣泛的應用。到目前為止，CVI增密是工業上製取航空炭剎車盤的首選、甚至是唯一的途徑。這主要是因為通過CVI增密，不僅可以製得密度達到1. 8 1. 85g/cm3的產品，而且可以實現基體(熱解)炭與炭纖維骨架間最牢固的結合，增密過程不會對炭纖維骨架造成任何損傷， 同時，還可以有效地控制材料內部的微觀組織，使熱解炭形成粗糙層結構，從而合理地控制材料的石墨化度，實現內部結構的最佳化。由此，可以全面滿足剎車材料在嚴酷工作環境下對摩擦、磨損性能，力學性能和熱物性能的綜合要求。這正是其他增密方法難於做到的。控制CVI增密過程能否有效進行的參數很多，主要包括氣氛的溫度、成分、壓力和流速等，按照對這些參數控制的狀態不同，可將CVI工藝大致分為三種類型1)等溫等壓式CVI在氣氛溫度和壓力都保持恆定的反應空間中進行。溫度、壓力也不隨時間而變化。2)壓力梯度式CVI反應氣在某一壓力驅動下被強制定向流過多孔的工件，並在工件內部形成壓力梯度。3)熱梯度式CVI的反應空間(同時也在待增密工件內部)形成一定的溫度梯度， 在增密過程中，工件內部的溫度梯度呈現某種規律性變化。第一類即等溫等壓CVI (等溫工藝)已發展成為成熟的工藝技術，已在工業生產中得到了普遍的應用，實現了大規模的工業生產。鑑於等溫工藝存在一些固有缺點，如增密周期長，容易形成表面緻密層(從而妨礙CVI過程繼續進行)，工件增密密度分布不均勻等， 為了克服這些缺點，上世紀80-90年代，人們又發展了第二、第三類即壓力梯度和熱梯度式 CVI工藝。壓力梯度式CVI工藝，也被一些學者研究過，成績較為突出者當推W. J. Lackey, S. Vaidyaraman 等人從 1986-1996 期間所作的工作(U. S. Patent 4，580，523，(1986))，其要點是在熱梯度法的基礎上引入氣壓梯度，將壓差法和熱梯度法結合在一起。該工藝的突出優點是可以大大提高熱解炭沉積速度。但是該工藝缺點也十分突出，只能單件操作，單位能耗很高，總效率低，無法有效控制熱解炭的組織結構，產品性能差。該工藝至今也未能推廣到製造炭剎車盤的工業應用上面來。中外一些學者，例如H.0.PierSOn，I. Golocki，劉文川等都對熱梯度式CVI進行過程較為系統的研究，其中較為典型的研究有I. Golocki等人的工作(U. S. Patent 5，348，774，(1994))，其工藝要點是樣品一側受熱(熱側)，沿樣品厚度方向形成溫度梯度，新鮮烴類反應氣則從冷側進入樣品。該工藝可以大大縮短CVI增密時間。以上工藝的共同缺點是只能進行單試樣操作(即每一爐次只能處理一個工件或試樣)單位能耗高，綜合效率低，未能推廣到工業上應用。前蘇聯也發展過熱梯度CVI工藝，試圖實現工業生產，但未能成功，製得的炭盤組織與性能都很差，能耗又特高，從未得到實際運用。總之，從已發表的文獻報導來看，在國外只有第一類CVI工藝得到了工業應用， 後兩類至今仍然停留在實驗室階段。為了克服上述不足，提出了一些改進辦法。例如 U. S. Patent 0118 728 Al, 5 904 957,6 109 209,6 669 988B2，7 332 195 B2 等，在這些專利中，分別報導了在料柱頂部加阻隔板和炭盤坯料間加墊片以改善反應氣流向，在料柱群中心空曠區加相應柱狀熱沉材料以改善料柱內外側的溫度分布、以及設置專門的反應氣預熱區對反應氣進行預先加熱以改善物料內部溫度分布等等。各種技術措施，使得等溫CVI 工藝不斷得到改善。使該增密工藝成為工業規模製取航空炭剎車盤的唯一辦法，其增密所需時間已由早期(上世紀80年代前)的800 1600小時縮減至近年的400 900小時， 所製得的剎車盤工作壽命一般可達2000 3000次起落。但上述問題並未根本解決問題， 等溫法CVI仍然存在增密周期長，容易形成表面緻密層(從而妨礙CVI過程繼續進行)，工件增密密度分布不均勻，碳源氣利用率低的弊端。近年來，CVI增密工藝在國內也得到了很大的發展，掌握了一批敏感技術或關鍵技術，國產炭盤逐步實現了產業化。特別要指出的是，中南大學博雲公司從上世紀90年代直到本世紀初，發展了獨特的熱梯度式CVI增密工藝(中國發明專利00 114 790.0)，該工藝與上述熱梯度法不同，其最大的特點是採用了內熱式加熱，從工件中心沿半徑方向到工件邊緣(而不是沿工件厚度方向)形成溫度梯度，參與CVI反應的氣體則從工件邊緣到中心徑向逆溫度梯度而流動，大大地提高了增密的效率，生產出了性能優良的產品。該工藝為多工件操作，屬中國創造，打破了原來舊的熱梯度式CVI法不能產業化的禁忌，並顯示出較等溫式CVI更大的優越性，已經實現了工業化生產，其C/C複合剎車盤產品已批量應用幹線飛機(例如B-757飛機)和批量應用於國產軍用飛機(例如某些型號的殲擊機和強擊機)，其應用範圍還在不斷擴大。但中國發明專利00 114790.0採用的是單料柱多工件操作，其產能有限、能耗較高，投入產出比還有待提高。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術之不足而提供一種結構合理、能耗小、產能高的化學氣相滲透增密用多料柱式工業爐。本發明一種化學氣相滲透增密用多料柱式工業爐，包括爐蓋、爐體和爐座，所述爐體、爐蓋採用不鏽鋼水冷外殼，所述爐蓋和爐體可分離也可連接為一體，在所述爐蓋-爐體中固定於爐體安置有保溫罩，由此組成鐘罩式結構而整體坐裝在所述爐座上；在所述爐座內，安置有剛性不鏽鋼質大支承臺，該支承臺上安置有由上部帶有蓋子、底部帶有環形料柱座的圓筒狀馬弗護牆構成的三個或六個相互獨立且垂直站立的料柱室，三個或六個料柱室沿園周均布，其中軸線分別與園心位於爐體中軸線的同一水平園周相交，且均勻分布在保溫罩之內；在所述爐座和大支承臺下部所圍成的底部空間內於底座內壁上方安置有不鏽鋼質小支承臺，該支承臺上安置有三相發熱體中線石墨質底板，三根或六根立杆式發熱體的外筒下端頭緊固在該中線底板上；所述三根或六根立杆式發熱體分別穿過大支承臺臺面板和各料柱座的中心孔進入料柱室，處於所述各料柱室的中軸線上；在所述六個獨立的料柱室所圍成的中部空間還設有一個相同結構的料柱室；所述每一個料柱室側壁上分別設有布氣環；安置於小支承臺上的三相立杆式發熱體與大支承臺和料柱室之間通過插入耐熱絕緣陶瓷構件或設置空隙實現電氣絕緣。本發明一種化學氣相滲透增密用多料柱式工業爐中，在所述爐體上設有與所述每一個料柱室聯通的測溫通道，在所述爐體及所述爐底座上設有與所述每一個料柱室聯通的反應氣進氣通道。本發明一種化學氣相滲透增密用多料柱式工業爐中，所述三根立杆式發熱體採用三相Y型連接；所述六根立杆式發熱體則先將相鄰兩立杆式發熱體並聯後再採用三相Y型連接。本發明一種化學氣相滲透增密用多料柱式工業爐中，所述立杆式發熱體由外套筒和芯杆在外套筒和芯杆頂部互相串連而構成，所述外套筒與芯杆皆由炭/炭複合材料或細顆粒石墨材料製成，外套筒與芯杆間間距為15 20mm ；所述芯杆的電阻佔所述立杆式發熱體總電阻的60-70% ；所述外套筒的電阻佔所述立杆式發熱體總電阻的40-30%。本發明一種化學氣相滲透增密用多料柱式工業爐中，所述三根立杆式發熱體或六根立杆式發熱體的外套筒固定在爐座底部的同一中線底板上；所述三根立杆式發熱體的芯杆下端穿過小支承臺臺面板後分別與設置於所述爐座底部的水冷銅電極連接，所述六根立杆式發熱體的芯杆下端穿過小支承臺臺面板後相鄰兩兩配對先分別與三個電極板相連接， 電極板再分別與三個水冷銅電極相連接。本發明一種化學氣相滲透增密用多料柱式工業爐中，所述每一個料柱室的上端均設有出氣通道管，該通道管與安置於所述爐蓋內壁頂部低溫區的集氣罩直接聯通，該集氣罩則與所述爐蓋上部總出氣管直接聯通。 本發明一種化學氣相滲透增密用多料柱式工業爐中，在所述每一個料柱室側壁上設置的布氣環內壁開有沿所述料柱室內表面切向均勻分布的供氣孔。本發明由於採用上述結構，其工作原理及優點簡述於下1)多個料柱從料柱內部加熱本發明的多柱內熱式CVI工業爐，包含有多個料柱(三個或六個)，料柱呈圓周對稱式地置於爐膛中同一個保溫罩之中，每一料柱分別安置於獨立封閉的料柱室馬弗護牆 (13)之內，料柱室(即CVI反應室)馬弗護牆為直立圓筒狀，上方有蓋，由石墨製作而成； 立杆式發熱體位於料柱室中軸線上，這種多料柱分別佔據各自馬弗內空間的結構，保證每一料柱外側到馬弗護牆內側的距離都互等，消除了多料柱共用一個馬弗時料柱之間存在的大量消極空間，保證了 CVI反應氣流更加均勻，即化學氣相沉積氣流流埸分布更加均勻，使氣相沉積更加高效；內熱式多料柱結構的特點還在於，多個立杆式發熱體分別安置於各個料柱內部，位於各相應料柱中軸線上，從而保證了對每一個料柱(從內部)加熱的條件都相同，充分保證增密均勻。按裝料工藝規定，圓環形炭盤工件(TP預成形件)環繞於發熱體之外砌疊成料柱。由此順利實現從料柱內部加熱，(有別於一般從料柱外部加熱的方式)，並有效地利用了料柱內部的閒置空間。杆狀發熱體外壁與料柱空腔內壁之間保持足夠的距離 (20 60mm)。2)多發熱體三相平衡組合式結構本發明採用多發熱體三相平衡組合式供電結構，所有發熱體外套筒底部都牢固地固定在爐底部同一中線底板上，該底板電壓為零(或接近於0)，這就使發熱體底部區域的絕緣問題簡化。每一個發熱體都分別伸入到各炭盤(TP)料柱內部，位於料柱中軸線並從底到頂貫穿整個TP料柱。立杆式發熱體為同軸套筒結構，由外套筒和芯杆構成。套筒與芯杆間保持15 20mm間距，在其頂部兩者緊密相聯接實現連接(串連)， 套筒(14-1)和芯杆都作為發熱元件，但在設計時應保證芯杆發熱(電阻加熱)量不少於每根杆式發熱件總發熱量的60%。組合式發熱是按照三相Y型接法來相連接的。由於本電爐屬於三相平衡(或近於平衡)電氣負荷，中線底板在運行時其電位為零(或近於零)，可將電極板直接接殼並接地，這樣就可以大大提高爐內電氣線路工作的安全性和可靠性。由圖 1可以看到爐座中，大支承臺(8)的下方形成一個封閉空間，這就是爐底部的電極室。組合式發熱體的最大特徵在於，其下部構件，包括中線底板(0)，水冷銅電極(17)的爐內部分， 發熱體芯杆和套筒的下端都被安置在電極室內，電極室封閉空間分別還延伸至每個發熱體的套筒空腔內，該空間與爐膛內其他空間完全隔離，爐子運行時，由爐底部中央氣體通道通入惰性氣氛氮，該保護性氣體充滿電極室，然後流入每個發熱體套筒內，最後由發熱體柱頂部的小孔(位於CVI反應室最頂端)排出，整個發熱體組合件都處於惰性氣體的保護之中。 這種結構的發熱體參數穩定，工作可靠。3)通過反應室結構設計實現相關物理場耦合當CVI反應室裝滿環狀炭盤(TP)預成形件物料後，發熱體從料柱內部給物料加熱，由中心向周邊沿炭盤徑向形成一個溫度梯度(溫度由中心向周邊逐漸有所降低)。環料物料(TP)砌疊成的空心料柱連同安放於料柱底部和頂部的保溫墊，把整個反應室分割出外環空間和內環空間，即料柱室內側與料柱外側之間的間隙空間和料柱內側和杆狀發熱體外側之間的間隙空間。新鮮的(碳源)反應氣(G)由進氣通道( 和料柱室上的布氣環進入反應室外環空間，進而，分別流過料柱中各個炭盤之間的縫隙，(在CVI增密初期，因炭盤預成形坯孔隙度大，透氣性好，還有部分反應氣可直接流過多孔預形坯)，在縫隙中吹拂每個炭盤表面， 通過互擴散與多孔預形坯內氣體互相交換，並進行CVD反應，然後進入內環空間，轉變成尾氣。反應氣在炭盤間縫隙中只能逆溫度梯度由炭盤周邊向中心區定向流動。尾氣最後由內環空間頂部的出氣管排出反應室之外。碳源氣在縫隙中逆溫度梯度定向流動時，因CVD反應，有效成分不斷消耗，其濃度不斷降低，由此形成一個與溫度梯度相反的濃度梯度；同時，氣流在縫隙通道向中心方向流動時，通道截面不斷縮小，氣流速度不斷增加，由此形成一個與溫度梯度方向相同的速度梯度(流速由周邊向中心逐漸有所增加)。反應氣(有效)濃度和氣流速度對CVI過程都有明顯的影響，前者主要影響炭的沉積速度，後者主要影響氣流的滯留時間，從而影響熱解炭的微觀結構。一般而言而，在合適的濃度範圍內，濃度愈高，沉積速度愈快；流速愈快，滯留時間愈短。只有在合理的滯留時間範圍內才能獲得粗糙層結構的熱解炭，超出該範圍就會出現摩擦性能很差的光滑層結構的熱解炭。因上述原因，常常導致被增密炭盤內部密度和結構的不均勻。這個問題在等溫式CVI爐中比較難於克服，例如，為了消除增密密度不均勻，不得不進行補充增密，從而，導致CVI增密總周期的大大延長。按本發明所建立的梯度式CVI增密裝置與方法為解決以上問題提供了有利條件。 眾所周知，CVI或CVD反應屬於化學動力學過程，在其他參數恆定的條件下，反應速度(沉積速度)與溫度呈指數正變關係。實驗證明，反應室溫度每升高50°C，沉積速度就可能增加近一倍。這說明，在梯度式CVI的情況下，溫度較高區域(炭盤中心區)沉積速度會高於溫度較低區域(炭盤周邊區)。前已述及，碳源氣逆溫度梯度在炭盤縫隙中定向流動時，其有效濃度(因CVI反應而)不斷降低(導致沉積速度不斷減慢)，與此同時，其溫度又會不斷升高(導致沉積速度不斷加快)，因濃度不斷降低造成的負效應完全可以被溫度不斷升高的正效應所補償。同樣，溫度不斷升高也可以消除因流速不斷增加而帶來的滯留時間減短的的不利影響。這就實現了相關物理場(即溫度場與氣流濃度場和速度場)之間的有效耦合，使其對CVD此消彼長的物理化學效應互相補償，從而獲得提高增密密度分布的均勻性、 縮短增密過程的總周期、改善反應產物熱解炭微觀結構和提高反應氣利用率的綜合效果。本發明為實現相關物理場的耦合，不在於刻意提高溫度梯度，而在於合理地控制它，使之處於某一適當的範圍；該梯度較小，其所處範圍也不大，該範圍應在2 16°C /cm 的區間內合理選定。反應氣流速必須與溫度梯度相配合，準確地予以控制，使之互相匹配。 溫度梯度隨CVI過程延長，從早期到中晚期，一般是逐漸有所降低(但仍應處於規定的範圍內)，因而氣流量也應逐漸有所降低。本發明主要通過控制保溫罩(6)筒體的隔熱能力(或控制保溫罩氈體總厚度)的辦法來控制CVI過程的溫度梯度。隔熱罩很容易從爐體中吊出，然後在罩的外壁增加或除去部分保溫性氈體(可選用炭氈或耐熱陶瓷纖維氈)，從而增減其隔熱能力。保溫氈總厚度合理選定後便可長期固定。在極限情況下，當保溫氈總厚度足夠厚時，爐子內料柱熱梯度將變得很小，爐子就變成了等溫式爐了。每根發熱體套筒外壁可包覆一層不透氣的柔性石墨紙，可基本防止炭素在套筒外壁上沉積，石墨紙包層可定期更換。4)多層布氣環旋流式供氣設計本發明採用了多層布氣環旋流式供氣方法向CVI反應室外環空間通入碳源氣，由爐座上的進氣道(9)和爐體中下方和中上方的進氣道( 分別向料柱室上的下、中、上供氣環通入碳源氣(G)，供氣環為矩形截面的環狀空腔，碳源氣由進氣道入爐後，通過耐熱鋼管呈園周切向進入環狀空腔，再通過位於護牆內側壁上呈園周均勻分布的大量切向孔進入 CVI反應室的外環空間，沿園周形成旋轉環形氣流。本發明供氣方式的設計的三大特點分別取得互相關連的三大效果a)位於料柱室上的布氣環使碳源反應氣得到合理的均勻的預熱，使之具有良好的 CVI反應活性。b)布氣環內壁上均勻分布的切向供氣孔使外環空間形成旋渦狀氣流，有利於外環空間內反應氣溫度和成分沿園周的均勻分布。c)下、中、上多層布氣環供氣使外環空間氣流沿高度上升不斷得到新鮮反應氣補充，從而使外環空間反應氣成分沿高度分布更均勻。
5、結構緊湊體積小造價低本發明多料柱內熱式結構設計巧妙地利用了空心料柱內部的閒置空間。一般傳統的(外熱式)電阻爐的發熱體置於爐料的外圍，它要佔據寶貴的爐內高溫空間(對於真空電阻爐而言，一般要佔據高溫空間體積的40 70% )，而內熱式爐的發熱體無需另佔空間，這意味著在相同的裝料量的情況下，外熱式爐的爐體體積較內熱式要大得多，前者一般為後者的2 2. 5倍。如果是相對於感應式爐，其差別更大。由於感應圈處於物料外圍， 除了要佔據很大的空間外，感應圈與爐殼之間還需保持足夠的距離(一般為感應圈內徑的 0. 3 0. 5)，因而所需爐殼尺寸很大，其容積為本發明內熱式爐的4 6倍。隨著爐體容積的增加，其造價將呈更高的倍率增加。爐子愈大，所需配套設備的容量也必須相應加大，包括電源變壓器、真空機組、廢氣淨化系統、管件閥門等，所需配套設備的投資也會成倍增加。因此，本本發明結構緊湊，體積小、造價低的優點十分突出。6、內熱式發熱體尺寸小、牢固、熱效率高本發明採用的內熱式發熱體的發熱元件僅為一些無縫套筒式管和園立杆，外套管牢固地插在底部電極板上，杆底部端頭套在水冷銅電極上，尺寸小，結構牢固，不像外熱式發熱體，柵欄式或垂簾式石墨加工結構，體積大，接頭多，比較脆弱，很易損壞。內熱式發熱體完全位於料柱內部，所產生的熱量完全被料柱內壁吸收，不像外熱式爐的發熱體，只有其內壁向料柱直接傳熱，其表面積更大的外壁卻只能面向爐膛內壁直接傳熱(散熱)，因而熱量損失很大，其熱效率較前者自然要低得多。7、大幅度節能通常外熱式爐的發熱體與其內側的爐料和其外側的爐膛內壁間需要保持足夠大的安全距離，因而發熱體要額外佔據爐膛內部很大一部分的高溫空間，這意味著外熱式爐爐膛高溫區容積要比內熱式爐大得多(大1 3倍)，一般而言，維持爐膛內達到相同的高溫所需熱功率與爐膛高溫區體積的2/3次方成正比即W = KV273其中V表示高溫區體積K為比例係數例如，當外熱式爐爐膛體積增大1倍與2倍時，維持相同高溫所需功率將分別增大 60% 和 100%。8、惰性氣體保護髮熱體好處多本發明所構建的多料柱內熱式爐的電氣發熱體與CVI反應氣完全隔離，包括電極、電極板、電氣接頭及發熱元件本身基本上處於惰性氣體(只需用較為低廉的氮氣)保護之中；不像外熱式爐的發熱體，因其尺寸大、面積廣，含有大量連接件、支撐件，無法實現隔離保護，電氣元件完全暴露在強碳化反應氣氣氛之中，由此帶來一系列的問題；暴露在反應氣中的高溫發熱體，與增密工件一樣發生CVD反應，從而導致電氣元件、發熱元件電氣參數 (尺寸和電阻、電壓等)的不斷變化，勢必影響電氣控制的穩定性；由於熱解炭在發熱元件上的不斷沉積，相鄰發熱體元件間常常發生「搭橋」短路、電火花燒蝕等現象，輕則導致緊急停爐，重則造成價格貴重的發熱體損毀。由於熱解炭沉積，常使發熱體組合件中的可拆卸連接件被焊死，大大增加了其維修困難，甚至導致因局部損毀而整個組合件報廢。對於感應式CVI爐而言，其感應圈也完全暴露在反應氣氣氛之中，感應圈組件因水冷溫低，雖不致於發生CVD沉積，但常常因堆積粘附大量焦油、浙青和炭黑而停爐，清理起來非常困難。本發明構建的內熱式發熱體組件完全免除了以上問題。該發熱體組件在工作數千小時後進行維護保養時發現，其電極室各種組件和接頭還像新安裝的一樣毫無損傷，因而該發熱體組件維修保養容易，工作可靠，工作壽命很長，工作數年無需更換。9、反應室空間利用率高炭盤增密條件均等本發明的相互隔離的園筒狀料柱室(CVI反應室)設計極大地提高了其空間利用率，反應室幾乎被料柱(增密件)完全充滿，使得外環空間、炭盤間縫隙和內環空間等氣流通道截面積保持恆定，無消極空間，不存在任何生成氣流旋渦的死角，外環空間中新鮮的反應氣需100%地通過炭盤間的縫隙才能進入內環空間(100%地被利用)，好比農田水利灌溉中改漫灌為滴灌，並為每個炭盤創造了近乎相同的CVI增密條件，由此帶來一系列的積極效果。a)大大提高了碳源反應氣的碳收得率在傳統CVI爐中，將多個料柱放置在一個反應室中，反應氣漫灌其中，存在大量消極空間，且新鮮反應氣與尾氣相互混雜，反應氣得不到充分利用，炭的收得率(增密時進入炭盤增密件內的炭量與入爐反應氣所含總炭量之比)很低，一般只有3 7%，很少超過 10%，即絕大多數反應氣未對增密件產生增密作用而被浪費掉了。本發明內熱式爐炭收得率要高得多，在CVI初期階段可達47%，反應氣中幾乎有一半碳元素進入了炭盤增密件，到了 CVI中期，炭的收得率為25 30%，到了後期，收得率還可以保持在15 20%的水平，CVI全過程炭的平均收得率為20 30%，較傳統CVI爐炭收得率高3 5倍。b)尾氣中焦油、浙青和炭黑生成量大大減少在傳統CVI爐中，尾氣量很大，且CVI尾氣中含有大量焦油、浙青和炭黑等有害物質，汙染爐腔，堵塞管道，破壞真空系統的正常工作，大大地增加了尾氣淨化系統的工作負荷，最嚴重時每工作100小時就得停爐進行全面清理，大大減少電爐開工率。由本發明所構建的內熱式CVI爐尾氣量小得多，且尾氣中有害物質含量很少，基本上不會對爐體本身造成汙染(僅每隔數月或半年清理一次)，也不影響尾氣淨化系統的工作(僅需每隔500 600工作小時清理一次，只須在爐子裝卸料時進行)大大提高了爐子的開工率。c)各炭盤工藝條件相同增密同步進行縮短炭盤總增密時間，由傳統爐400 900小時縮減為300 500小時。d)為實現相關物理場有效耦合創造有利條件10、實現了相關物理場有效耦合的積極效果本發明所構建的多料柱內熱式工業爐實現了溫度場與氣流濃度場、速度場之間的有效耦合，使得溫度、濃度及氣流速度等重要參數對CVD過程此消彼長的物理化學效應得以互相補償，從而得到一系列積極效果。a)提高增密密度分布的均勻性在等溫CVI增密過程中，對料柱中各炭盤而言，總是靠近新鮮碳源氣的區域增密快，而靠近尾氣的區域沉積速度慢，後者增密過程大大滯後於前者。例如，進氣端附近密度達到1. 5g/cm3時，出氣端密度還往往不到1. lg/cm3，密度的不均性可能達到0. 3 0. 5g/ cm3，為了使未達標的低密度區也能達標，不得不大大延長增密時間，而實現了相關物理場有效耦合後，其本上可以消除以上不良現象。新型內熱式爐料柱內炭盤從內沿到外沿，不同區域能實現同步增密，增密過程中各區域密度差不大於0. 1 0. 2g/cm3，增密完成後的炭盤產品密度分布更均勻。b)縮短增密過程的總周期由於炭盤各個部位，各個區域增密同步進行，因而可進一步縮短CVI周期，增密總周期一般為400 600小時。c)改善熱解炭微觀結構在等溫式CVI條件下，反應氣流相關參數的飄移常導致炭盤內光滑層結構炭區域的出現，這是不容許的。在實現了相關物理參數有效耦合後，可消除局部區域光滑層結構炭的產生。增密炭盤在2300°C熱處理後，石墨化度可穩定地達到75%以上。d)提高反應氣利用率(碳收得率)11、操作簡便易維護保養與傳統電爐比較，多料柱內熱式爐體積小得多，配套設備也小得多，因而其操作與保養也簡便得多。內熱式爐電熱系統處在充有惰性氣體的保護罩內，長期工作穩定可靠，一般在 1 2年連續工作的時間內無需專門的維護保養。物料的裝卸是在鐘罩吊離後進行，完全敞開操作，簡便易行。綜上所述，本發明結構合理、能耗小、產能高，採用內熱式多發熱體三相平衡組合式結構，以達到最大限度的爐子結構緊湊和節能。通過有效掌控熱梯度，實現相關物理場的耦合，改善反應室微區環境，提高CVD質量和效率。採用多層式(分層)預熱環式旋流供氣， 提高反應室氣氛均勻度。實現具有各自獨立反應室的多料柱裝料，大大擴大爐子產能和提高熱效率。適用於製備C/C複合材料剎車盤外，原則上也適用於炭/陶複合材料環形多工件的增密過程。


附圖1為本發明主剖視圖。附圖2為附圖1的A-A剖視圖。附圖3為本發明另一種實施例的料柱分布示意圖。附圖4為本發明三個豎向發熱體安裝結構示意圖。附圖5為本發明六個豎向發熱體安裝結構示意圖。附圖6為本發明三個豎向發熱體電連接原理圖。附圖7為本發明六個豎向發熱體電連接原理圖。本發明實施例中，爐體的主要技術參數為根據本發明，設計製造的三柱內熱式CVI工業爐主要技術參數如下一、爐體基本參數1)爐殼外徑 X 外高=1.8X3.2，m全部用不鏽鋼製造，為夾套式全水冷結構。
2)反應室工作空間三個料柱室，每個有效工作空間尺寸為Φ520Χ1800，πιπι每次裝料量(以Β757剎車盤為例)為135 165個，為現有單柱式爐3 4倍， 可處理增密工件最大外徑為Φ480mm，工件中心孔最小內徑為Φ 170mm，可涵蓋B757、B737、 B767、A320、Tu204等幹線機和多種型號軍用機的炭剎車盤。二、主要技術參數1)爐溫2)冷空爐真空度3)氣流控制氣壓流量4)電氣參數功率Rn三、電爐系統配置包括如下方面1)電力與電氣控制系統2)控溫、測溫系統3)真空系統含旋片泵真空機組3套，僅1-2套工作，可任意切換，互為備分4)供氣系統對氣壓、成分、流量進行全範圍，全過程自控5)廢氣淨化系統保證經淨化廢氣不損害真空泵和相關器件6)水冷系統具有失壓保護等連鎖保護功能，含斷水應急水源7)裝卸料系統採用鐘罩開啟上裝料式。根據本發明，製造的六(七)柱式工業爐，主要技術參數如下一、爐體幾何尺寸1)爐殼外徑 X 外高=2. 5X3. 8，m2)反應室工作空間六+(—)個料柱室，每個有效工作空間尺寸為 Φ540X 2000, mm，裝料量效上述三柱式爐增加一倍.二、主要技術參數1)爐溫500_1200°C，連續可控2)冷空爐真空度5_20Pa幻氣流控制氣壓 400_5000Pa，連續可控流量 0_200L/min連續可控4)電氣參數最大功率50-200KVA，連續可控三、電爐系統配置與上述三柱內熱式CVI工業爐基本相同，但所需容量已相應增大。實施例1參見附圖1、2、4、6，本發明一種化學氣相滲透增密用多料柱式工業爐，包括爐蓋、 爐體和爐座，所述爐體、爐蓋採用不鏽鋼水冷外殼，整個爐殼包括爐蓋O)、爐體(3)、爐座 (7)，所述爐蓋和爐體可分離也可連接為一體，在所述爐蓋O)、爐體(3)中固定於爐體(3) 上安置有保溫罩(6)，由此組成鐘罩式結構而整體坐裝在所述爐座(7)上(可隨時吊離)；
500 1400°C連續可控 5 20Pa
N2 (或H2) +C3H6 (或CH4)成分可任意控制， 400 4000Pa可連續調控 0 100L/min連續可控 30 140KVA在所述爐座(7)內，安置有剛性不鏽鋼質大支承臺(8)，所述大支承臺(8)安裝在所述爐座 (7)內壁的定位環槽上；該支承臺(8)上安置有由上部帶有蓋子、底部帶有環形料柱座(16) 的圓筒狀馬弗護牆(1 構成的三個相互獨立且垂直站立的料柱室，三個料柱室沿園周均布，其中軸線分別與園心位於爐體(3)中軸線上的同一水平園周相交，且均勻分布在保溫罩(6)之內；在所述爐座(7)和大支承臺⑶下部所圍成的底部空間00)內於爐座(7)內壁上方安置有不鏽鋼質小支承臺(18)，該支承臺(18)上安置有三相發熱體中線石墨質底板(0)，三根立杆式發熱體(14)的外套筒(10)下端頭緊固在該中線底板(0)上；所述三根立杆式發熱體(14)分別穿過大支承臺(8)臺面板和各料柱座(16)中心孔以後進入料柱室空間，分別處於所述各料柱室的中軸線上；所述每一個料柱室側壁(13)上分別設有布氣環；安置於小支承臺(18)上的三相立杆式發熱體與大、小支承臺和料柱室相關構件之間通過插入耐熱絕緣陶瓷構件或設置空隙實現電氣絕緣(附圖上未顯示)；在所述爐體(3)上設有與所述料柱室(1 聯通的測溫通道G)，在所述爐體C3)及所述爐底座(7)上設有與所述料柱室布氣環聯通的反應氣進氣通道(5，9)，所述爐底座(7)上設有與所述底部空間 (20)連通的保護氣體入口(19)；所述三根立杆式發熱體採用三相Y型連接；所述立杆式發熱體由外套筒(10)和芯杆(11)構成，芯杆(11)上端頭部緊插入外套筒(10)上端頭部實現兩者相互串連，所述外套筒(10)與芯杆(11)間間距為15 20mm;所述芯杆(11)電阻佔所述立杆式發熱體總電阻的60-70%;所述外套筒(10)電阻佔所述立杆式發熱體總電阻的40-30%;所述外套筒(10)和芯杆(11)由炭/炭複合材料製成，如無炭/炭複合材料則可以以細顆粒石墨代用；所述三根立杆式發熱體的芯杆(11)向下穿過小支承臺(18)後分別與設置於所述爐底座(7)底部的三個水冷銅電極(17)相連接；所述爐蓋O)、爐體(3)、 爐座(7)之間採用真空密封；在所述料柱室側壁(1 上設置有布氣環，沿該布氣環內表面切向園周均勻分布有供氣孔，由此實現多層沿園周旋流式均勻供氣；所述每一個料柱室的上端均設有與所述爐蓋(2)總出氣管(1)聯通的出氣通道管(12)，該通道管與安置於所述爐蓋(2)內壁頂部低溫區的集氣罩直接聯通，該集氣罩則與所述爐蓋(2)上部總出氣管(1) 直接聯通。實施例2本發明實施例2是將實施例1中的三根立杆式發熱體(14)增加到六根立杆式發熱體(14)，所述六根立杆式發熱體(14)均布在同一圓周上；在所述保溫罩6內設有六個獨立的料柱室，所述六根立杆式發熱體(14)置於所述料柱室內，且所述六根立杆式發熱體 (14)處於所述料柱室的軸線上；在所述保溫罩6中由所述六個獨立的料柱室所圍成的中部空間中還設有一個相同結構的料柱室即第七料柱室，所述第七料柱室中未設置立杆式發熱體；所述六根立杆式發熱體(14)的電源是先將相鄰兩立杆式發熱體14並聯後採用三相Y 型連接；所述六根立杆式發熱體的芯杆(11)向下穿過小支承臺(18)後則先相鄰兩兩配對分別與三個電極板相連接，該電極板再分別與設置於所述爐座(7)底部的三個水冷銅電極 (17)連接。
權利要求
1.一種化學氣相滲透增密用多料柱式工業爐，包括爐蓋、爐體和爐座，所述爐體、爐蓋採用不鏽鋼水冷外殼，其特徵在於；所述爐蓋和爐體可分離也可連接為一體，在所述爐蓋-爐體中固定於爐體安置有保溫罩，由此組成鐘罩式結構而整體坐裝在所述爐座上；在所述爐座內，安置有剛性不鏽鋼質大支承臺，該支承臺上安置有由上部帶有蓋子、底部帶有環形料柱座的圓筒狀馬弗護牆構成的三個或六個相互獨立且垂直站立的料柱室，三個或六個料柱室沿園周均布，其中軸線分別與園心位於爐體中軸線的同一水平園周相交，且均勻分布在保溫罩之內；在所述爐座和大支承臺下部所圍成的底部空間內於底座內壁上方安置有不鏽鋼質小支承臺，該支承臺上安置有三相發熱體中線石墨質底板，三根或六根立杆式發熱體的外筒下端頭緊固在該中線底板上；所述三根或六根立杆式發熱體分別穿過大支承臺臺面板和各料柱座的中心孔進入料柱室，處於所述各料柱室的中軸線上；在所述六個獨立的料柱室所圍成的中部空間還設有一個相同結構的料柱室；所述每一個料柱室側壁上分別設有布氣環；安置於小支承臺上的三相立杆式發熱體與大支承臺和料柱室之間通過插入耐熱絕緣陶瓷構件或設置空隙實現電氣絕緣。
2.根據權利要求1所述的一種化學氣相滲透增密用多料柱式工業爐，其特徵在於在所述爐體上設有與所述每一個料柱室聯通的測溫通道，在所述爐體及所述爐底座上設有與所述每一個料柱室聯通的反應氣進氣通道。
3.根據權利要求2所述的一種化學氣相滲透增密用多料柱式工業爐，其特徵在於所述三根立杆式發熱體採用三相Y型連接；所述六根立杆式發熱體則先將相鄰兩立杆式發熱體並聯後再採用三相Y型連接。
4.根據權利要求3所述的一種化學氣相滲透增密用多料柱式工業爐，其特徵在於所述立杆式發熱體由外套筒和芯杆在外套筒和芯杆頂部互相串連而構成，所述外套筒與芯杆皆由炭/炭複合材料或細顆粒石墨材料製成，外套筒與芯杆間間距為15 20mm ；所述芯杆的電阻佔所述立杆式發熱體總電阻的60-70% ；所述外套筒的電阻佔所述立杆式發熱體總電阻的40-30% ο
5.根據權利要求4所述的一種化學氣相滲透增密用多料柱式工業爐，其特徵在於所述三根立杆式發熱體或六根立杆式發熱體的外套筒固定在爐座底部的同一中線底板上；所述三根立杆式發熱體的芯杆下端穿過小支承臺臺面板後分別與設置於所述爐座底部的水冷銅電極連接，所述六根立杆式發熱體的芯杆下端穿過小支承臺臺面板後相鄰兩兩配對先分別與三個電極板相連接，電極板再分別與三個水冷銅電極相連接。
6.根據權利要求5所述的一種化學氣相滲透增密用多料柱式工業爐，其特徵在於所述每一個料柱室的上端均設有出氣通道管，該通道管與安置於所述爐蓋內壁頂部低溫區的集氣罩直接聯通，該集氣罩則與所述爐蓋上部總出氣管直接聯通。
7.根據權利要求1-6任意一項所述的一種化學氣相滲透增密用多料柱式工業爐，其特徵在於在所述每一個料柱室側壁上設置的布氣環內壁開有沿所述料柱室內表面切向均勻分布的供氣孔。
全文摘要
一種化學氣相滲透增密用多料柱式工業爐，包括爐蓋、爐體和爐座，所述爐蓋、爐體連接為一體，在所述爐蓋、爐體中設有保溫罩組成鐘罩式結構而整體坐裝在所述爐座上；在所述爐座上設有三根或六根同圓周均布的立杆式發熱體，在所述保溫罩內設有與所述發熱體數量相匹配的料柱室，所述料柱室上設置有布氣環。本發明結構合理、能耗小、產能高，採用內熱式多發熱體三相平衡組合式結構，爐子結構緊湊節能。有效掌控熱梯度，實現相關物理場的耦合，提高CVD質量和效率。採用多層式預熱環式旋流供氣，提高反應室氣氛均勻度。採用獨立反應室的多料柱裝料，大大擴大爐子產能和提高熱效率。適用於製備C/C複合材料剎車盤及炭/陶複合材料環形多工件的增密。
文檔編號C23C16/455GK102212800SQ20111015247
公開日2011年10月12日 申請日期2011年6月8日 優先權日2011年6月8日
發明者張紅波, 熊杰, 熊翔, 鄒志強, 黃伯雲 申請人:中南大學, 湖南博雲新材料股份有限公司