專利名稱：大型真空熱壓爐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明與陶瓷材料的燒結(jié)有關(guān)，涉及陶瓷材料在真空或保護氣氛中進行加熱、燒結(jié)的設(shè)備，具體地說，涉及一種大型真空熱壓爐。
背景技術(shù)：
中頻感應(yīng)真空熱壓爐屬于周期式作業(yè)的電爐。原底裝料機構(gòu)一般采用氣缸或液壓缸頂升機構(gòu)來完成立式真空爐從爐體底部裝料過程。由于氣缸或液壓缸在往復(fù)運動的過程中其穩(wěn)定性能差，沖擊性強，且較難控制升降平臺的精確度和工作料臺的平面度以及工作料臺與爐體真空密封性能?，F(xiàn)有技術(shù)中，也有采用絲桿升降裝置的，但在升降裝置中由于僅采用兩根平面導(dǎo)向柱進行導(dǎo)向，仍難以保證上料升降平臺的平面度。
此外，現(xiàn)有技術(shù)中的普通真空熱壓爐所采用的是真空電阻加熱方式，利用石墨管進行加熱，在加熱過程中，其升溫速率較慢；而在熱壓過程中，還會因石墨模具易在受壓條件下發(fā)生破裂而使加熱用石墨管遭到損壞。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，提供一種大型真空熱壓爐，利用本發(fā)明可使進出料過程更加的精確安全可靠，滿足真空密封性能的要求，顯著提高上料升降平臺的平面度。采用感應(yīng)加熱方式使得升溫速度得到顯著的提高。由于其發(fā)熱體為石墨感受筒，在高溫下仍具有較高的強度，即使石墨模具在受壓條件下發(fā)生破裂也不會損傷發(fā)熱元件。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的 大型真空熱壓爐，包括電爐主體，所述的電爐主體包括爐殼、爐殼底部的升降裝置、爐殼內(nèi)的感應(yīng)發(fā)熱裝置；所述的爐殼底部升降裝置包括上料升降平臺、電機、支撐在上料升降平臺底部的平面導(dǎo)向柱和調(diào)節(jié)絲桿；其特征在于， 所述的平面導(dǎo)向柱為三根；所述的調(diào)節(jié)絲桿為兩根并且由一臺電機同步驅(qū)動； 所述的感應(yīng)發(fā)熱裝置包括感應(yīng)器、爐襯； 所述的感應(yīng)器包括由紫銅管繞制而成的感應(yīng)線圈和石墨感受筒；位于感應(yīng)線圈與石墨感受筒之間的爐襯結(jié)構(gòu)周圍分別設(shè)置有耐火絕熱層、電氣絕緣層。
上述的大型真空熱壓爐，其中， 所述的耐火絕熱層設(shè)置在石墨感受筒與感應(yīng)線圈之間，由石墨氈制品和石墨磚制品組合而成。
所述的電氣絕緣層設(shè)置在感應(yīng)線圈的外圍，采用高強度絕緣清漆噴涂烘干后包扎云母包帶制成。
所述上料升降平臺的上、下運動的極限位置分別設(shè)置有兩套行程開關(guān)。
所述上料升降平臺運行過程中其總體平面度≤0.2mm。
所述電爐主體的功率和感應(yīng)器的匝數(shù)通過以下公式計算得出 其中， 電爐的功率P＝0.6·F0.76(T/1000)2.53 單位kW 式中，F(xiàn)為有效加熱區(qū)的表面積 單位dm2 T為加熱溫度 單位K(開爾文) 感應(yīng)器的匝數(shù)計算 1)石墨發(fā)熱體的直徑d 單位cm 2)石墨發(fā)熱體的高度h 單位cm 3)感應(yīng)器的直徑D 單位cm 4)感應(yīng)器的高度H 單位cm 5)感應(yīng)器透入深度單位cm 式中ρ1為銅的比電阻 單位Ω·cm f為中頻電源的頻率 單位Hz 6)石墨發(fā)熱體的透入深度單位cm 式中，ρ2為石墨的比電阻 單位Ω·cm f為中頻電源的頻率 單位Hz 7)石墨發(fā)熱體的計算直徑d′＝d-δ2 單位cm 8)感應(yīng)器單匝電阻R01＝ρ1·(π·D/K3·δ1·H) 單位Ω K3為填充系數(shù) 9)石墨發(fā)熱體單匝電阻R02＝ρ2·(π·d′/δ2·h)單位Ω 10)感應(yīng)器自感系數(shù)單位cm 式中，α1為感應(yīng)器長度系數(shù) 11)石墨發(fā)熱體自感系數(shù)單位cm 式中，α2為石墨發(fā)熱體長度系數(shù) 12)感應(yīng)器-石墨發(fā)熱體系統(tǒng)互感系數(shù) 單位cm 式中，F(xiàn)為感應(yīng)器幾何尺寸系數(shù) 13)角頻率ω＝2πf 14)感應(yīng)器的電抗X01＝ω·L01×10-9 單位Ω 15)石墨發(fā)熱體的電抗X02＝ω·L02×10-9 單位Ω 16)感應(yīng)器-石墨發(fā)熱體系統(tǒng)互感電抗 X02＝ω·M12×10-9單位Ω 17)感應(yīng)器-石墨發(fā)熱體系統(tǒng)變換系數(shù) 18)爐子的折算電阻R0＝R01+A2R02單位Ω 19)爐子的折算電抗X0＝X01-A2X02單位Ω 20)爐子的折算阻抗單位Ω 21)爐子的輸入電壓U0 單位V 22)安匝數(shù)單位A 23)匝間電壓U1＝Z0·I0 單位V 24)感應(yīng)器匝數(shù)n＝U0/U1 由于采用了上述的技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點和積極效果 1、本發(fā)明爐殼底部升降裝置采用三根平面導(dǎo)向柱來進行底裝料的操作控制；兩根絲桿采用一臺電機驅(qū)動，確保了兩根絲桿的同步性。絲桿傳動在升降過程中運行平穩(wěn)可靠，定位方便精確，上料平臺的升降高度可隨意調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同高度料盤的升降過程。
2、絲桿傳動選用不同減速比的電機進行驅(qū)動，因此其速度可靈活調(diào)整，非常有利于滿足用戶所需的不同的底裝料升降速度要求。電機在運行過程中采用變頻調(diào)速，在不同的加料階段采用相應(yīng)的提升速度，使得進出料過程更加的精確安全可靠，并能滿足真空密封性能的要求。
3、本發(fā)明的電爐采用中頻感應(yīng)加熱方式，發(fā)熱體為石墨感受筒，升溫速率較快。發(fā)熱體為δ＝50mm的厚壁石墨感受筒，在高溫下強度較高，即使石墨模具在受壓條件下發(fā)生破裂也不會損傷發(fā)熱元件。
4、本發(fā)明運用感應(yīng)加熱器通入水冷，在大功率中頻電源的工作下，發(fā)生電磁感應(yīng)產(chǎn)生熱量，并在數(shù)分鐘內(nèi)迅速升溫。當中頻電源斷電時，冷卻水將工件及爐膛內(nèi)的熱量帶走，達到快速降溫的目的。從而，解決了較高壓力下對于應(yīng)用于航天、核工業(yè)及國防尖端技術(shù)領(lǐng)域的特種難熔金屬的燒結(jié)和高溫陶瓷材料燒結(jié)的工藝難題，結(jié)構(gòu)上還滿足了感應(yīng)加熱過程中所必須符合的升溫、降溫的速率控制要求。其精確、穩(wěn)定、可靠的底裝料機構(gòu)尤其是所采用的雙絲桿傳動設(shè)計，使工人的勞動強度大大降低。傳動后的爐蓋能很好地起到密封作用，同時，精致的水冷循環(huán)，使得爐蓋不變形，使用壽命更長。
通過以下實施例并結(jié)合其附圖的描述，可以進一步理解其發(fā)明的目的、具體結(jié)構(gòu)特征和優(yōu)點。其中，附圖為 圖1為本發(fā)明大型熱壓加熱爐的總體裝配結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為圖1中A-A線的剖視結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為圖1中爐殼底部升降裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為圖3的左視結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5為圖3的俯視結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6為圖1中感應(yīng)發(fā)熱裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7為圖6的俯視結(jié)構(gòu)示意圖； 圖8為圖6中I部的放大結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式 如圖1、2所示的本發(fā)明真空熱壓爐是一個在真空(或保護氣氛)狀態(tài)下采用中頻感應(yīng)方式進行加熱的周期式電爐。它包括由四根立柱19支撐的上、下安裝座1、9，電爐主體通過連接件分別與四根立柱19固定相連，電爐主體主要包括爐蓋3、爐襯4、爐殼5、爐殼底部的升降裝置8、爐殼5內(nèi)的感應(yīng)發(fā)熱裝置。已裝好粉料的熱壓模具采用底裝料方式，通過底部上料平臺7裝入爐膛內(nèi)，使得熱壓模具位于石墨發(fā)熱體的中間位置。爐殼5、真空系統(tǒng)10和充氣系統(tǒng)可使爐膛始終保持在真空或保護氣氛狀態(tài)下。
如圖3、4、5所示，本發(fā)明爐殼底部的升降裝置8包括上料升降平臺7、電機85、支撐在上料升降平臺7底部的平面導(dǎo)向柱89和調(diào)節(jié)絲桿84。導(dǎo)向柱89通過安裝座81固定，依靠導(dǎo)向套筒82進行導(dǎo)向，支撐臺83與導(dǎo)向套筒82、絲桿84相連，當絲桿84運轉(zhuǎn)時帶動導(dǎo)向套筒83按照導(dǎo)向套筒82的導(dǎo)向路徑上下運行，支撐臺83再帶動上料平臺7完成整個進出料過程。
本實施例中，采用兩根絲桿84的同步傳動來帶動上料平臺7上升進入加熱爐膛。在底裝料的升降運動過程中，為了確保上料平臺7的平穩(wěn)升降并保持在有效升降高度范圍內(nèi)的升降精確度和上料平臺7平面的水平度，根據(jù)三點確定一個平面的原理，采用了三根平面導(dǎo)向柱89來進行底裝料的操作。兩根絲桿84采用一臺電機85進行驅(qū)動，以確保兩根絲桿84傳動的同步性。絲桿84在升降過程中的運行平穩(wěn)可靠，定位方便精確且可任意調(diào)節(jié)上料平臺7的升降高度，可適應(yīng)不同高度料盤的升降過程。采用三根平面導(dǎo)向柱89可保證上料平臺7在升降過程中始終處于同一個水平面。
實際測量得出上料升降平臺7在運行過程中，其平面度可控制在0.2mm以內(nèi)，且在高溫條件下不產(chǎn)生變形。兩根絲桿84的傳動選用不同減速比的電機85進行驅(qū)動使其速度可調(diào)，可很方便的滿足用戶所需的底裝料升降速度要求。電機85在運行過程中采用變頻調(diào)速，在不同的加料階段采用相應(yīng)的提升速度，使得進出料過程更加精確，且安全可靠。通過饋電裝置11將爐體外的中頻電源以及線圈的冷卻水引入至爐膛內(nèi)的感應(yīng)線圈62處，從而確保了電爐主體的真空密封性能。
為了確保操作過程的安全可靠，本發(fā)明在上料升降平臺7的上下運動的極限位置分別采用上、下各兩套行程開關(guān)87、88進行控制。當上料平臺7上升或下降過程中碰到上或下兩套行程開關(guān)87、88中的任意一套即發(fā)出信號，傳動電機停止運轉(zhuǎn)，上料平臺7上升或下降到位。這樣可避免由于單個行程開關(guān)在使用過程中失效，在上料平臺7上升或下降到位時還不能及時發(fā)出信號給控制系統(tǒng)停止傳動電機85的運轉(zhuǎn)而造成對電機85或兩根絲桿84的損壞。
如圖6、7、8所示，位于爐膛內(nèi)的感應(yīng)發(fā)熱裝置包括感應(yīng)器6、爐襯4，感應(yīng)器6包括由紫銅管繞制而成的感應(yīng)線圈62和石墨感受筒61。工作時，該感應(yīng)發(fā)熱裝置可以被認為是一個空心變壓器，感應(yīng)器6的繞組包括初級與次級，其中，初級繞組是由紫銅管繞制而成的感應(yīng)線圈62，而次級繞組是石墨感受筒61。在初級紫銅管繞組中通入中頻電流，建立交變磁通，此磁通同樣在次級繞組石墨感受筒61中產(chǎn)生足夠高的感應(yīng)電勢，從而，在平行于感應(yīng)器6的石墨感受筒61外側(cè)面上產(chǎn)生渦流。在石墨感受筒61的側(cè)面上產(chǎn)生很大的感應(yīng)電流，而且由邊緣急劇的減少，在比較薄的石墨感受筒61表層感應(yīng)電流達到很高的數(shù)值，依靠感應(yīng)電流所發(fā)出的高熱量來達到加熱工件的目的。
位于感應(yīng)器6的感應(yīng)線圈62和石墨感受筒61之間的爐襯4結(jié)構(gòu)主要由耐火絕熱層63和電氣絕緣層64兩部分組成。耐火絕熱層63設(shè)置在石墨感受筒61與感應(yīng)線圈62之間，由石墨氈制品和石墨磚制品組合而成。電氣絕緣層64設(shè)置在感應(yīng)線圈62的外圍，采用高強度絕緣清漆噴涂烘干后包扎云母包帶制成。耐火絕熱層63使發(fā)熱體產(chǎn)生的高溫集中于爐膛內(nèi)，盡量減少熱損失，電氣絕緣層64保證了感應(yīng)器6的電氣絕緣。
通過以下公式計算的出本發(fā)明電爐主體的功率和感應(yīng)器6的匝數(shù)。
電爐主體的功率計算 電爐的功率P＝0.6·F0.76(T/1000)2.53 單位kW 式中，F(xiàn)為有效加熱區(qū)的表面積 單位dm2 T為加熱溫度 單位K(開爾文) 感應(yīng)器的匝數(shù)計算 1)石墨發(fā)熱體的直徑d 單位cm 2)石墨發(fā)熱體的高度h 單位cm 3)感應(yīng)器的直徑D 單位cm 4)感應(yīng)器的高度H 單位cm 5)感應(yīng)器透入深度單位cm 式中ρ1為銅的比電阻 單位Ω·cm f為中頻電源的頻率單位Hz 6)石墨發(fā)熱體的透入深度單位cm 式中，ρ2為石墨的比電阻 單位Ω·cm f為中頻電源的頻率 單位Hz 7)石墨發(fā)熱體的計算直徑d′＝d-δ2 單位cm 8)感應(yīng)器單匝電阻R01＝ρ1·(π·D/K3·δ1·H) 單位Ω K3為填充系數(shù) 9)石墨發(fā)熱體單匝電阻R02＝ρ2·(π·d′/δ2·h)單位Ω 10)感應(yīng)器自感系數(shù)單位cm 式中，α1為感應(yīng)器長度系數(shù) 11)石墨發(fā)熱體自感系數(shù)單位cm 式中，α2為石墨發(fā)熱體長度系數(shù) 12)感應(yīng)器-石墨發(fā)熱體系統(tǒng)互感系數(shù) 單位cm 式中，F(xiàn)為感應(yīng)器幾何尺寸系數(shù) 13)角頻率ω＝2πf 14)感應(yīng)器的電抗X01＝ω·L01×10-9 單位Ω 15)石墨發(fā)熱體的電抗X02＝ω·L02×10-9 單位Ω 16)感應(yīng)器-石墨發(fā)熱體系統(tǒng)互感電抗 X02＝ω·M12×10-9單位Ω 17)感應(yīng)器-石墨發(fā)熱體系統(tǒng)變換系數(shù) 18)爐子的折算電阻R0＝R01+A2R02單位Ω 19)爐子的折算電抗X0＝X01-A2X02單位Ω 20)爐子的折算阻抗單位Ω 21)爐子的輸入電壓U0 單位V 22)安匝數(shù)單位A 23)匝間電壓U1＝Z0·I0 單位V 24)感應(yīng)器匝數(shù)n＝U0/U1 本發(fā)明大型真空熱壓爐的生產(chǎn)工藝過程大致如下 本發(fā)明中頻電源采用可控硅變頻裝置。在加熱過程中當爐內(nèi)溫度低于1000℃時采用熱電偶測溫裝置2測量爐內(nèi)溫度；當爐內(nèi)溫度高于1000℃時，熱電偶測溫裝置2退出加熱區(qū)，采用熱紅外測溫裝置13測量爐膛內(nèi)的溫度。
當爐膛內(nèi)溫度達到熱壓工作溫度時，上、下千斤頂12、18動作，將模具中的粉料壓制到工藝要求的高度后保溫燒結(jié)。燒結(jié)過程按照工藝需要進行保溫。燒結(jié)結(jié)束后，可向爐殼內(nèi)通入Ar氣進行冷卻。當冷卻到室溫時就可出料完成整個熱壓燒結(jié)工藝。
爐殼底部的升降裝置8采用一臺減速機同時帶動兩根同步絲桿84完成上料升降平臺7的升降動作，當上料升降平臺7上升到位后，采用手動固定螺栓進行鎖緊，使得電爐主體在運行的過程中其上料升降平臺7與爐殼5始終保持良好的密封性能。在爐蓋3上和上料平臺7上分別設(shè)置有Φ320的上、下壓頭14、17，上、下壓頭14、17的直徑可根據(jù)用戶的需要進行適當調(diào)整。上、下壓頭14、17分別由固定在電爐主體支架上、下安裝座1、9上的上、下液壓千斤頂12、18驅(qū)動，完成熱壓燒結(jié)工藝。在爐膛的內(nèi)壓頭16材料為石墨，通過石墨螺母15固定在上壓頭14上。上、下壓頭14、17的有效行程可根據(jù)用戶需要適當進行調(diào)整，本實施例中，上、下壓頭14、17的有效行程為200mm。
權(quán)利要求
1.大型真空熱壓爐，包括電爐主體，所述的電爐主體包括爐殼、爐殼底部的升降裝置、爐殼內(nèi)的感應(yīng)發(fā)熱裝置；所述的爐殼底部升降裝置包括上料升降平臺、電機、支撐在上料升降平臺底部的平面導(dǎo)向柱和調(diào)節(jié)絲桿；其特征在于，
所述的平面導(dǎo)向柱為三根；所述的調(diào)節(jié)絲桿為兩根并且由一臺電機同步驅(qū)動；
所述的感應(yīng)發(fā)熱裝置包括感應(yīng)器、爐襯；
所述的感應(yīng)器包括由紫銅管繞制而成的感應(yīng)線圈和石墨感受筒；位于感應(yīng)線圈與石墨感受筒之間的爐襯結(jié)構(gòu)周圍分別設(shè)置有耐火絕熱層、電氣絕緣層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大型真空熱壓爐，其特征在于，所述的耐火絕熱層設(shè)置在石墨感受筒與感應(yīng)線圈之間，由石墨氈制品和石墨磚制品組合而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的大型真空熱壓爐，其特征在于，所述的電氣絕緣層設(shè)置在感應(yīng)線圈的外圍，采用高強度絕緣清漆噴涂烘干后包扎云母包帶制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大型真空熱壓爐，其特征在于，所述上料升降平臺的上、下運動的極限位置分別設(shè)置有兩套行程開關(guān)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大型真空熱壓爐，其特征在于，所述上料升降平臺運行過程中其總體平面度≤0.2mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大型真空熱壓爐，其特征在于，所述電爐主體的功率和感應(yīng)器的匝數(shù)通過以下公式計算得出
其中，
電爐的功率P＝0.6·F0.76(T/1000)2.53 單位kW
式中，F(xiàn)為有效加熱區(qū)的表面積 單位dm2
T為加熱溫度 單位K(開爾文)
感應(yīng)器的匝數(shù)計算
1)石墨發(fā)熱體的直徑d 單位cm
2)石墨發(fā)熱體的高度h 單位cm
3)感應(yīng)器的直徑D 單位cm
4)感應(yīng)器的高度H 單位cm
5)感應(yīng)器透入深度 單位cm
式中ρ1為銅的比電阻 單位Ω·cm
f為中頻電源的頻率單位Hz
6)石墨發(fā)熱體的透入深度 單位cm
式中，ρ2為石墨的比電阻 單位Ω·cm
f為中頻電源的頻率單位Hz
7)石墨發(fā)熱體的計算直徑d′＝d-δ2 單位cm
8)感應(yīng)器單匝電阻 R01＝ρ1·(π·D/K3·δ1·H) 單位Ω
K3為填充系數(shù)
9)石墨發(fā)熱體單匝電阻R02＝ρ2·(π·d′/δ2·h) 單位Ω
10)感應(yīng)器自感系數(shù) 單位cm
式中，α1為感應(yīng)器長度系數(shù)
11)石墨發(fā)熱體自感系數(shù) 單位cm
式中，α2為石墨發(fā)熱體長度系數(shù)
12)感應(yīng)器-石墨發(fā)熱體系統(tǒng)互感系數(shù)
單位cm
式中，F(xiàn)為感應(yīng)器幾何尺寸系數(shù)
13)角頻率ω＝2πf
14)感應(yīng)器的電抗X01＝ω·L01×10-9單位Ω
15)石墨發(fā)熱體的電抗X02＝ω·L02×10-9單位Ω
16)感應(yīng)器-石墨發(fā)熱體系統(tǒng)互感電抗
X02＝ω·M12×10-9 單位Ω
17)感應(yīng)器-石墨發(fā)熱體系統(tǒng)變換系數(shù)
18)爐子的折算電阻R0＝R01+A2R02 單位Ω
19)爐子的折算電抗X0＝X01-A2X02 單位Ω
20)爐子的折算阻抗 單位Ω
21)爐子的輸入電壓U0 單位V
22)安匝數(shù) 單位A
23)匝間電壓U1＝Z0·I0單位V
24)感應(yīng)器匝數(shù)n＝U0/U全文摘要
本發(fā)明涉及一種大型真空熱壓爐，包括電爐主體，電爐主體包括爐殼、爐殼底部升降裝置、爐殼內(nèi)的感應(yīng)發(fā)熱裝置；爐殼底部升降裝置包括上料升降平臺、電機、支撐在上料升降平臺底部的三根平面導(dǎo)向柱和兩根由一臺電機同步驅(qū)動的調(diào)節(jié)絲桿；感應(yīng)發(fā)熱裝置包括感應(yīng)器、爐襯；位于感應(yīng)器的感應(yīng)線圈和石墨發(fā)熱筒之間的爐襯結(jié)構(gòu)周圍分別設(shè)置有耐火絕熱層、電氣絕緣層。利用該真空熱壓爐，可使進出料過程更加的精確安全可靠，滿足真空密封性能的要求，顯著提高上料升降平臺的平面度。采用感應(yīng)加熱方式可使升溫速度顯著得到提高，此外，由于其發(fā)熱體為石墨感受筒，在高溫下仍具有較高的強度，即使石墨模具在受壓條件下發(fā)生破裂也不會損傷發(fā)熱元件。
文檔編號F27B5/06GK101118112SQ20071004571
公開日2008年2月6日 申請日期2007年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月7日
發(fā)明者湯明元 申請人:上海中加電爐有限公司