（流体机械及工程专业论文）实验用真空电阻炉的研制及其性能的研究.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 试验用囊空电阻炉的研制及其性能的研究 摘要 本论文是来源于一实际课题，论文主要论述的重点是实验用真空电阻炉研制、实验 用真空电阻炉性能的测试、实验用真空电阻炉工作模型韵建立和温度场的模拟。整篇论 文的研究依据是根据客户对设备提出的要求，在满足经济性要求的前提下，对设备进行 优化，使各项性能满足其性能指标。 在论文中首先论述了真空实验技术在真空技术领域所占的重要地位。实验用真空电 阻炉的研究现状及其发展的趋势，以及实验用真空电阻炉的应用领域。 其次，在本论文中又详细阐述了实验用真空电阻炉主要部分的研制。第一步是对加 热系统进行研制，在这一部分中主要包括电热元件的选择、加热元件引出结构的研制、 隰热屏结构的研制和电绝缘技术的研制。研究方法主要是对各种技术进行讨论分析，根 据本课题所要求的技术特点进行优化。第二步是对真空系统进行研制，在这一部分中盎： 耍讨论了真空系统的基本参数和真空系统的选择两个部分，根据本课题的设备特点对真 空系统进行设计计算。第三步是对控制系统进行研制，在这一部分中包括湿度传感器的 选择和控制方法的选择两个部分。并给出了控制线路图。最后讨论的是在实验用真空电 阻炉研制工作中遇到的问题以及解决办法。 再次，在本论文中又对实验用真空电阻炉的性能测试进行了讨论。首先讨论的是设 备真空系统的测试，根据实验数据得出预抽时真空箱体的压力时闻曲线和扩散泵工作时 真空箱体的压力时间曲线，判断是否满足客户对设备提出的要求。其次讨论的是真空箱 体密封性能的测试，通过箱体内的压升率来判断其密封性能。最后讨论的是箱体的温升 性能，根据实验数据得出真空箱体内温度时间曲线，并对此湿升曲线用加速度法进行分 析。最后得出真空箱体温度与加热时间的关系方程。 最后，在本论文中讨论的是实验用真空电阻炉工作模型的建立。其工作模型主要有 三个部分：多层金属隔热屏传热模型、箱体内真空环境模型、炉内物体的升温模型。在 多层金属隔热屏传热模型的建立中，把传热过程分为三个部分，分别是辐射传热，残留 气体的传热、金属隔热屏间固定件的导热，根据各部分的传热过程建立多层金属隔热辫 传热模型。运用所建的数学模型与实际测量值进行比较，误差较小。在建立箱体内真空 环境模型时，主要分为粗抽时辕体内真空环境和商真空时箱体内真空环境两种模型进行 建立，运用所建的模型得出的压力时间曲线与实际测量越线十分接近。在建立炉内物体 一i l 东北大学硕士学位论文摘耍 升温模型中，建立平面物体、轴对称物体的非稳态升温模型，并对炉体升温时，炉内物 体的温度场进行仿真模拟。对炉内温度场的模拟是采用f l u e n t 有限元软件进行分析+ 得出真空炉内温度场的三维分布图。 关键词：实验用真空电阻炉：研制；性能测试；工作模型 一珏i 一 东北大学硕士擎位论文 t h e d e v e l o p m e n to fe x p e r i m e n t a lv a c u u mr e s i s t a n c ef u r n a c ea n d t h es t u d yo ni t sp e r f o r m a n c e a b s t r a c t t h i sp a p e ri s o r i g i n a t e sf r o mo n ei n d e p e n d e n ta c t u a lt o p i ci t e m ，t h ep a p e rm a i n e l a b o r a t i o nk e yp o i n ti st h ee x p e r i m e n t a lv a c u u mr e s i s t a n c ef u r n a c ed e v e l o p m e n t ，t h e e x p e r i m e n t a l v a c u u mr e s i s t a n c ef u n l a c , e p e r f o r m a n c et e s t ，t h ee x p e r i m e n t a l v a c u u m r e s i s t a n c ef u r n a c ew o r k i n gm o d e le s t a b l i s h m e n ta n dt e m p e r a t u r ef i e l ds i m u l a t i o n t h ee n t i r e p a p e rr e s e a r c hb a s i si sa c c o r d i n gt ot h ec u s t o m e rt h er e q u e s tt h a tp r o p o s e st ot h ee q u i p m e n t ， i ns a t i s f i e st h ee f f i c i e n tr e q u e s tu n d e rt h ep r e m i s ec a r r i e so nt h eo p t i m i z a t i o nt ot h ee q u i p m e n t a n dc a u s e se a c hp e r f o r m a n c et os a t i s f yi t sp e r f o r m a n c ei n d e x f i r s te l a b o r a t e dt h ev i i c u u me x p e r i m e n tt e c h n o l o g yi nt h ei m p o ri st h em a i ns t a t u st h a l o c c u p i e di nt h ev a c u u mt e c h n i q u ed o m a i n ，e x p e r i m e n t a lv a c n u mr e s i s t a n c ef 1 2 r n a o er e s e a r c h p r e s e n ts i t u a t i o na n di t sd e v e l o p m e n tt e n d e n c y , a sw e l la se x p e r i m e n t a lv a c u u mr e s i s t a n c e f u r n a c ea p p l i c a t i o nd o m a i n s e c o n d ，a g a i nd e t a i l e d l ye l a b o r a t e dt h ee x p e r i m e n t a lv a c u u mr e s i s t a n c ef u r n a c em a i n p a r td e v e l o p m e n ti nt h i sp a p e r f i r s ts t e pi sc o n d u c t st h er e s e a r c ht ot h eh e a t i n gs y s t e m ， m a i n l yi n c l u d e st h ee l e c t r i ch e a t i n gp a r ti n t h i sp a r t ，h e a t i n gp a r td r a w so u tt e c h n i c a lt h e r e s e a r c h ，s e p a r a t e sh e a ts o l nt h et e c h n i c a lr e s e a r c ha n dt h ee l e c t r i ci n s u l a t i o nt e c h n o l o g y r e s e a r c h n 他r e s e a r c ht e c h n i q u em a i n l yi sc a r r i e so nt h ed i s c u s s i o nt oe a c hk i n do f t e c h n o l o g ya n a l y z e s ，r e q u e s t sa c c o r d i n gt ot h i st o p i ct h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i cc a r r i e so nt h e o p t i m i z a t i o n s e c o n ds t e pi s t ov s l c u u ms y s t e mc o n d u c t st h er e s e a r c h ，m a i n l yd i s c u s s e d v a c u u ms y s t e mt h eb a s i cp a r a m e t e ra n dt h ev a c u u mp u m pc h o i c ea n dt h en e c e s s a r yu n i ti n t h i sp a r ts t u d i e st w op a r t s ，t ov e c n u ms y s t e mc a r r i e do nt h ed e s i g nc a l c u l a t i o na c c o r d i n gt o t h i st o p i ce q u i p m e n tc h a r a c t e r i s t i c t h i r ds t e pi sc o n d u c t st h er e s e a r c ht ot h ec o n t r o ls y s t e m i n c l u d e st h et e m p e r a t u r es e n s o ri nt h i sp a r tt h er e s e a r c ha n dt h ec o n t r o lm e t h o dr e s e a r c ht w o p a r t s ，a n dp r o d u c e dt h ep i l o tw i r er o a dm a p f i n a l l yd i s c u s s e si st h eq u e s t i o na sw e l la s s o l u t i o nw h i c hm e e t si nt h ee x p e r i m e n t a lv a c u u r nr e s i s t a n c ef u r n a c ed e v e l o p m e n tw o r k t h i r d a g a i nc a r r i e do nt h ed i s c u s s i o ni n t h i sp a p e rt ot h ee x p e r i m e n t a lv a c n n m r e s i s t a n c ef u r n a c ep e r f o r m a n c et e s t f i r s td i s c u s s e si st h ee q u i p m e n tv a c u u ms y s t e mt e s t ， 一i v 查苎查兰塑主兰竺煎查 ! ! ! ! ! 篓 o b t a i n sp r e s s u r e t i m ec u r v ei na d v a n c ea n d p r e s s u r e t i m ec u r v ew h e nt h ep r o l i f e r a t i o np u m p s w o r k sa c c o r d i n gt ot h ee m p i r i c a ld a t u m ，j u d g e sw h e t h e rs a t i s f i e sc u s t o m e rr e q u e s tw h i c h p r o p o s e st ot h ee q u i p m e n t n e x td i s c u s s i o ni ss e a l i n gp r o p e r t yt e s t ，j u d g e si t ss e a l i n gp r o p e r t ) 一 t h r o u g ht h eb o xi nv i v ov o l t a g er i s er a t e f i n a l l yd i s c u s s e si st h et e m p e r a t u r er i s ep e r f o r m a n c e ， o b t a i n st e m p e r a t u r e - t i m ec u r v ei nv a c u l h t ic h e s ta n dr e g a r d i n gt h i st e m p e r a t u r er i s ec u r v e c a r r i e so nt h ea n a l y s i sw i t ht h ea c c e l e r a t i o nl a w , f i n a l l yo b t a i n sr e l a t i o n a le q u a t i o nb e t w e e n t e m p e r a t u r ea n dt i m e f i n a l l y , d i s c u s s i o ni n t h i sp a p e ri st h ew o r k i n gm o d e lo ft h ee x p e r i m e n t a lv a c u b n l r e s i s t a n c ef r r n a e e i t sw o r k i n gm o d e lm a i n l yh a st h r e ep a r t s ：t h eh e a tt r a n s f e rm o d e lo f m u l t i l e v e l e dm e t a ls e p a r a t e s r e c n ，t h eb o xi nv i v ov a c u l l me n v i r o n m e n tm o d e l ，h e a t su pt h e o b j e c tt h et e m p e r a t u r ef i e l dm o d e l w h e ne s t a b l i s ht h eh e a tt r a n s f e rm o d e lo f t h em u l t i l e v e l e d m e t a ls e p a r a t e ss c r e e n ，d i v i d e si n t ot h eh e a tt r a n s f e rp r o c e s st h r e ep 8 n s ，s e p a r a t e l yi sr a d i a t e s t h eh e a tt r a n s f e r , t h er e s i d u a lg a sh e a tt r a n s f e r , t h em e t a lt h ef i x e dh e a tc o n d u c t i o n t h e e s t a b l i s h m e n to ft h eh e a tt r a n s f e rm o d e li sa c c o r d i n gt oe a c hp a r to fh e a tt r a n s f e rp r o c e s s ， u t i l i z e st h em a t h e m a t i c a lm o d e la n dt h ea c t u a lo b s e r r e dv 曩l u ew h i c hc o n s t r u c t sc a r r i e s0 1 2t h e c o m p a r i s o n ，t h ee r r o ri ss m a l l e r w h e ne s t a b l i s ht h ev a c u u me n v i r o n m e n tm o d e l ，m a i n l y d i v i d e si n t ot h i c k l yp u l l so u tw h e nt h eb o xi nv i v ov a e u b me n v i r o n m e n ta n dt h ep e r i b c t v a t b u mt h eb o xi nv i v ov s c u b n le n v i r o n m e n tt w ok i n do fm o d e l sc a r r yo nt h ee s t a b l i s h m e n t t h ep r e s s u r ew h i c hu t i l i z e sw h i c hc o n s t r u c t st h em o d e lo b t a i n st i m ec u l w ew i t ht h ea c t u a l s u r v e yc u r v ee x t r e m e l ya p p r o a c h e s s i m u l a t et e m p e r a t u r ef i e l do ft h eo b j e c tw h e nt h es t o v e h e a tu p t h et e m p e r a t u r ef i e l ds i m u l a t i o ni nt h es t o v ei su s e di nf l u e n tf i n i t ee l e m e n t s o f t w a r e ，o b t a i n st h et h r e ed i m e n s i o n a lt e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o np i c t u r e si nt h es t o v e k e yw o r d s ：e x p e r i m e n t a lv a c u u n lr e s i s t a n c ef u r n a c e ；d e v e l o p m e n t ；p e r f o r m a n c et e s t ； w o r k i n gm o d e l 一v 一 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：易f 茎二翌 1 日 期：如多2 、2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的夤部 或郝分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字曰期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 立项背景和课题来源 人类对真空技术的研究由来已久。真空技术在实践和理论上取得进展是在18 7 9 年 自炽灯的发明和阴极射线管的研制成功，至今有1 2 7 年的历史，这百余年来真空科学j 技术取 ! 导了长足的发展和进步，真空技术的应用领域不断扩大，这又进一步促进了其它 科学和技术的迅猛发展【。当今时代，几乎没有一个高科技领域与真空技术无关，以电 子信息技术( 包括微电子、光电子、真空电子、生物电子、超导电子等) 生物工程、航天、 新能源、新材料、激光、自动化加工、海洋开发等技术为主要标志的新技术革命均与真 空科学与技术有着直接或闻接的关系。随着真空科学与技术的进一步发展和完善，真空 科学与技术和其它科学将更加紧密地结合在一起，为人类社会的发展做出更大的贡献。 真空技术是一门实践性非常强的科学，这种技术从开始刘成熟经过了一个很复杂、 漫长的过程。任何一项真空技术的诞生都要经过无数次的实验和反复的调整才能应用 于生产实践。因此真空实验技术在真空科学与技术的发展过程当中起着很重要的作用， 本课题所研究的实验用真空电阻炉是扬州大学委托沈阳真空泵厂( 有限公司) 制造 的z h 0 1 型实验用真空电阻炉的实际项目。由东北大学过程装备与环境工程研究所负责 设计，沈阳真空泵厂( 有限公司) 负责组织生产。 扬州大学对设备的组成和性能提出的要求为： 1 ) 其设备组成包括真空箱体、真空抽气机组、加热与测温系统、水冷系统及装料 小车等构件。设备整体为立式，真空箱体内的有效尺寸为t 0 0 0 x 7 0 0 1 2 0 0 ( m m ) ，箱门开在7 0 0 1 2 0 0 ( 嗍) 的箱体面上。 2 ) 空载时真空箱体的压力可达到5 1 0 - 3 p a ，二次抽空时间不大于1 5 分钟。 3 ) 真空箱体内温度为0 - - 3 0 0 可调，采用管状远红外加热嚣加热，加热总功率为 18 k w 。 1 2 真空电阻炉的研究现状及发展趋势 1 2 1 真空电阻炉的分类州甜m 真空电阻炉的种类很多，为了便于分析和比较，我们按以下几个特征来进行分类。 一l 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 1 1 真空电阻炉按结构型式分类 真空电阻炉按结构型式可以分为立式和卧式两种： ( 一) 立式真空电阻炉 立式真空电阻炉又可以分为并式、钟罩式和底部装料式三种； 1 ) 井式真空电炉 所谓井式，是指炉膛位于工作面以下由顶部装卸工件，所以又称顶装式。般中 型真空电炉采用这种结构。 2 ) 钟罩式真空电阻炉 所谓铮罩式，是指炉膛位于工作面以上，钟翠可以升降，由侧面装工件，所以又称 为侧装式。 3 ) 底部装料式真空电阻炉 所谓底部装料式，是指工件递过传动机构由炉膛底部送入，通常称底装式。 ( 二) 卧式真空电阻炉 所谓卧式，是指炉膛承平放置，有单位、双位之分。 1 2 1 2 真空电阻炉按加热方式分类 真空电阻炉按加热方式可以分为外热式真空电阻炉和内热式真空电阻炉 ( 一) 外热式真空电阻炉 外热式真空电阻炉应用最早，缩构摘单，主要是在一般钓电阻炉结构基础上附设真 空系统构成，炉罐不需用水冷却也称热壁式真空电阻炉或真空马弗炉。：件放于可抽 空的炉罐中，从外面加热炉罐，为了减少炉罐所受的压力，有时将炉罐外部的炉膛也抽 成真空。这类炉子多采用电阻加热，个别也有采用气体、液体燃料加热和感应加热的。 这种炉型的设计关键是炉罐( 马弗) 材料的选择问题。外热式真空电阻炉的优点如下： 1 ) 结构简单，炉子造价低，操作维护简便。 2 ) 由于马弗罐内无电热元件和隔热屏等，因而放气源少，易于清理，易于获得真空。 3 ) 由于电热元件布置在马弗罐外，因而无气体放电及其它电气( 如短路，积碳等) 弊端。 但是由予受马弗罐材质的限制，外热式真空电阻炉的工作温度一般不商。在较高温 度下，炉罐的寿命短。另外，由于工件是通过罐体闯接加热，因两加热效率低，加热积 冷却时间长，生产率低，并且一次处理量一般不宜过大。 ( 二) 内热式真空电阻炉 内热式真空电阻炉的电热体、隔热屏、制品等均放在真空加热室内进行加热。内热 式真空电阻炉种类繁多，数量大，是当前真空热处理炉的主要类型，发展较快。与外热 一2 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 式真空电阻炉相比，其主要的特点是： 1 ) 不用采用耐热炉罐，温度范围广，最高加热温度可达到2 2 0 0 。c 或更高。 2 ) 结构较复杂，炉子造价高，易于实现全过程的自动化，工作中无污染，操作安全。 3 ) 炉子的热惯性小，加热和冷却工序循环短，热效率高，生产效率也较高。 4 ) 炉温的均匀性好，可达到5 ，m 件加热均匀，变形小，产品质量好。 5 ) 电热元件与隔热屏，特别是非金属隔热屏和炉内构件以及工件，支架等均处于真 空高温下工作放出大量气体。因而，所配备的真空系统较设计计算值应相应的 增大。 1 2 1 3 真空电陬炉按真空度分类 真空电阻炉按真空度可以分为：低真空炉( 1 3 3 3 1 3 3x 够a ) 、高真空炉( 1 3 3 x 1 0 1 3 3 1 0 。4 p a ) 、超高真空炉( 1 3 3 x 1 0 4 p a 以上) 。 1 2 1 4 真空电阻炉按工作温度分类 真空电阻炉按工作温度可以分为：低温炉( 7 0 0 ) 、中温炉( 7 0 0 1 0 0 0 ) 、高 温炉( 1 0 0 0 ) 。 1 2 1 。5 真空电阻炉按作业性质分类 真空电阻炉按作业性质可以分为：周期式真空电阻炉、半连续式真空电阻炉和连续 式真空电阻炉。 1 2 2 真空电阻炉的研究概状 真空电阻炉在上个世纪2 0 年代才出现，1 9 2 7 年美国无线电公司研制出va c 1 0 型真空电阻炉，1 9 4 9 年美国芝加哥企业将真空电阻炉应用于生产中。这是真空 毡阻炉心 用的起点。上个世纪6 0 年代由于石墨材料的广泛应用，加之宇航、电子等工业的迫切 需要，使真空电阻炉得以飞速发展，出现了各种类型可应用于不同工艺要求的真空电阻 炉，真空电阻炉的技术性能、应用领域和数量都大大提赢和得到扩展，并且向自动化和 智能控制，高压高流率，大型化和连续化生产设备方向发展垮j 。 我国的真空电阻炉的研制和生产是从上个世纪7 0 年代开始起步，那时主要研究和 探讨真空电阻炉的基本性质、加热特点、金属蒸发问题和金属在真空条件下加热工艺的 基本规律以及变形问题，同时开展了典型工芑的研究，进行了真空油淬炉和真字气淬炉 一3 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 式真空电阻炉相比。其主要的特点是： 1 ) 不用采用耐热炉罐温度范围广，最高加热温度可达到2 2 0 0 或更高。 2 ) 结构较复杂，炉子造价高，易于实现全过程的自动化，工作中无污染，操作安全。 3 ) 炉子的热惯性小，加热和冷却工序循环短，热效率高，生产效率也技高。 4 ) 炉温的均匀性好，可达到5 ，工件加热均匀，变形小，产品质量好。 5 ) 电热元件与隔热屏，特 j ! f 是非金属隔热廓和炉内构件以及工件，支架等均处于真 空高温下工作，放出大量气体。因而，所配备的真空系统较设计计算值应相应的 增大。 121 3 真空电隈炉按真空度分类 厂 真空电阻炉按真空度可以分为：低真空炉( 1 3 3 3 1 3 3 x1 i b 涉a ) 、高真空炉( 13 3 1 0 0 1 3 3 x 1 0 4 p a ) 、超高真空炉( 1 3 3 1 0 4 p a 咀上) 。 1 2 1 4 真空电阻炉按工作温度分类 真空电阻炉按工作温度可以分为：低温炉( 一 1 0 0 0 ) 。 1 2 1 5 真空电阻炉按作业性质分类 真空电阻炉按作业性质可以分为：周期式真空电班炉、半连续式真空电阻炉和连续 式真空电阻炉。 1 2 2 真空电阻炉的研究概状 真空电阻炉在上个世纪2 0 年代才出现，1 9 2 7 年美国无线电公司研制出va c 一1 0 型真空电阻炉，1 9 4 9 年美国芝加哥企业将真空电阻炉应用于生产中，这是真空电阻炉应 用的起点。上个世纪6 0 年代由于石墨材料的广泛应用，加之字航、电子等工业的迫f ；1 ) 需要，使真空电阻炉得以飞速发展，出现了各种类型可应用予不同工艺要求的真空电阻 炉，真空电阻炉的技术性能、应用领域和数量都大大提高和得到扩展，并且向自动化和 智能控制，高压高流率，大型化和连续化生产设备方向发展嘲。 我国的真空电阻炉的研制和生产是从上个世纪7 0 年代开始起步，那时主要研究帮 探讨真空电阻炉的基本性质、加热特点、佥属燕发问题和金属在真空条件下加热工艺的 基本规律以及变形问题，同时开展了热型工艺的研究，进行了真空油淬炉和真空气淬炉 基本规律以及变形问蹶，同时开展了典型工艺的研究，进行了真空油淬炉和真空气淬炉 一3 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 的研究这时主要是对实验的研究。8 0 年代以来，真空电阻炉技术在我国迅速发展，引 进国外先进设备增多，真空电阻炉的应用范围也逐渐增大，应用真空电阻炉进行负压高 流率淬火，同时真空渗碳炉、真空烧结炉、真空钎焊炉、真空离子渗碳炉的研究和应用 也相继开展。这时真空电阻炉开始从实验研究到少量的实践生产。随着技术的进步， 进入9 0 年代以后。真空热处理技术出现了许多新技术、新特点。高压气淬和超高压气 淬的应用，真空加热的热风循环回火和快速冷却技术、真空清洗技术、真空电阻妒i 设备 和工艺智能控制系统、真空渗氮技术、燃气式真空电阻炉技术、真空离子渗碳技术、真 空等温热处理技术。这些新技术、新工艺的出现为真空电阻炉的设计提出了更高的要求， 这时实验用真空电阻炉也到了快速的发展。 1 2 3 真空电阻炉的发展 为了使真空电阻炉在质量和性能上得到提高，真空电阻炉应该优先发展 以下几个方面： 1 ) 炉型 真空电阻炉的炉型现在仍然以圆筒毽为主，有少量的方型。就真空电阻炉整体设备 而畜，要有一定的多样化和复合化趋势。 2 ) 真空度 通常，真空电阻炉的真空度大多在低真空鄹中真空范围内。高真空电阻炉有利于获 得更加洁净的表面，健是它存在物质表面元素容易挥发( 尤其在高温下) 、设备复杂、 成本高等问题。以后真空电阻炉内的真空度要有多样化发展的趋势，除常见的“恒定式” ( 即在加热保温的过程中真空度保持不变) 真空度外，还痰当有变真空、真空一充气、 预抽真空、脉冲真空等方式。 3 ) 冷却技术 真空冷却技术是近几年和以后真空电阻炉技术发展的关键技术，这方面的发展大体 可以分为三个部分。 一是寻求适宜真空处理的冷却介质。目前已用于真空冷却的介质有：气体、油、水、 硝盐等。以后将开发混合气体冷却技术( 如h 2 或h e 和n 2 混合气体) ，研究其导热系数 对真空冷却的影响。 二是冷却物质对真空热处理物质性状的影响，特剐是冷却气体的压力、流速、流动 方式等。 三是冷却气体的回收技术。 4 ) 自动控制技术 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 采用计算机模拟以及实验和分析技术评估相结合的方法，提高真空电阻炉的经济姓 和技术性，从而实现设计参数的最优化。同时实现多种工艺存储、计算机单台控制或多 台群控。 1 3 实验用真空电阻炉的应用 1 3 1 真空干燥技术的研究 真空干燥的过程就是将被干燥物料放在密闭的干燥室内，用真空系统抽真空的同时 对被干燥物料不断加热，使物料内部的水分通过压力差或浓度差扩散到表面，水分存物 料表面获得足够的动能。在克服分子问的相互吸引力届，逃逸到真空室的低压空间，从 而被真空泵抽走的过程i 6 1 。 因为水在汽化过程其温度与蒸汽压是成正比的，水豹蒸汽压越低其汽化的温度也就 越低，因此用真空电阻炉来进行真空干燥可以实现低温干燥。同时由于物质在真空1 ：燃 时其内外水蒸汽压力差的存在，能够促使物料中的水份向物料表面迁移，这样可以实现 快速干燥。 在电工方面，电工绝缘材料的干燥是实验用真空电阻炉应用的个很常见的例子。 电：亡绝缘材料又称电介质材料。是电机、变压器、电容器等电气行业的主要原材剁，也： 电工产品中起散热冷却、机械支撑和固定、储能、灭弧、改善电位梯度、防潮、防磁以 及保护导体等作用。电工产品的质量和使用寿命很大程度上取决于绝缘材料的电、热、 机械和理化性能。固体电工绝缘舟质材料( 主要是纸和其他会纤维质材料) 在没有干燥之 前通常食有8 到1 0 的水分，其水分以三种形态存在；一部分凝聚于介质的内部或表 面，一部分被吸附极少部分为化学结合水。前鼹种是干燥所要排除的，而后一种则必 须保留以维持介质材料的结构性能。为了快速地将绝缘分质材料全部干燥，有必要将周 围空气中的水蒸气分压维持最低获得这种条佟的实际方法是将被干燥材料周围的空气 抽出，并及时收集除去从介质材料放出的水分。同时通过加热来加速干燥，因为温度的 升高能提高介质材料内部的水蒸气分压。因此，干燥过程综合运用加热和抽真空方法。 迄今为止，真空处理工艺是最遁合的方法，它是提高电工产品的质量和寿命的关键技术 之一，其生要作用是在真空状态下，最大限度地除去材料中豹气体和水分，然艏经净化 处理，选择适当的浸渍荆，在真空状态下灌注浸渍，以提高其耐压等级和使用寿命| j 。 试验用真空电炉可以提供电工材料真空干燥所必须的两个条件：真空条件和加热条件。 一5 一 东北大学硕士学位论文 第一章鳍论 1 3 2 真空玻璃技术的研究 所谓真空玻璃是运用了保温瓶的原理，在两片平行放置的玻璃板之间形成一空问， 对该空间抽真空，使其形成赛空层。以此杜绝了气体的热传递，提高隔热效果例。般 两块玻璃之间的间隙非常小，大约为0 2 加3 m m 。为了使玻璃板在真空状态下能承受大 气压力的作用，两块玻璃间放有支柱。支柱非常小，一般情况下肉眼看不见，以不影响 使用性能 9 1 。其结构如图1 2 所示。 圈1 1 真空玻璃结构 f i g 1 1t h es t r u c t u r eo f v a c t r l mg l a s s 真空玻璃和中空玻璃的结构完全相同，最基本的整别在于两片玻璃之间的间隔内是 “有气”还是“无气”。这一基本差剐形成两种不同工艺及技术含量的产品。真空玻璃 较中空玻璃有其明显的优点：导热系数小、结霜温度低、隔声效果好、抗风压性能好。 据文献 1 0 】中的统计数字可得出表1 - 1 ； 表1 - 1 真空玻璃与普通中空玻璃的性能比较 t a b l e1 1c o m p a r a t i o nb e t w 嘲t h ev a c u u mg l 鼹sa n dt h eo r d i n a r yv o i de n a s sp e r f o r m a n c e 从上表可以看出，真空玻璃在僳漱隔热、隔声、防鳍霜、抗震抗风压等方面的性能 优势是很明显的。 现在对真空玻璃的研究已经有很多，但是在对真空玻璃的研究上主要存在以下几个 难点：一是对如此狭小的空间能否快速获得使气体对热传导豹贡献可忽略不计的真空 一6 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 度；二是对如此大的表面积能否充分排气以保持该真空度：三是为了保持真空玻璃的强 度和不影响真空玻璃的外观，支撑物的设计和材料怎样选取；四是玻璃封边材料的选取 问题。只有上述问题得到解决，才能生产出真正意义上的“真空玻璃”。 最先研究真空玻璃的是美国克罗拉多太阳能研究所( s e r i ) 由d k b e n s o n 教授领导 的真空玻璃研究小组，他们提出用玻璃珠( 直径0 3 0 5 m m ，间距2 5 3 5 m m ) 阵列作为支 撑物把两块玻璃隔开，放进真空电阻炉中烘烤排气，达到要求的真空度后用二氧化碳激 光束在红外探测照相机指引下沿玻璃边缘加热，使两块玻璃熔合丽制成真空玻璃。但是 没有取得成功，其主要的原因是玻璃边缘在激光束高温加热时产生气泡，而这些气泡破 坏了两片玻璃间隔在真空炉内已达到的高真空度。其次，该研究组试图用饕通玻璃珠阵 列做支撑也是不可能成功的。后来的实验证明，在此条件下玻璃珠无法承受极大的大气 压而破碎。其次是悉尼大学应用物理系r e c o l l i n 教授领导韵真空玻璃研究组，在总结 s e r i 经验基础上，他们又回到了传统的电真空器件( 如灯泡、显像管等) 制作理念上。比 如，两块玻璃边沿用低熔点玻璃粉熔封；设置一个抽气管对玻璃问隔内抽真空；选用金 属和陶瓷材料制作支撑物；实验证明上述方案是可行的。罨管真空玻璃腔体狭窄，侄i 由 于腔体体积很小，通过小口径抽气口快速达到要求的真空度是可能的。后来又用计算机 模拟计算，从理论上证明了这一点。在对玻璃边封结材料的研究方面，国内外的些专 利试图把夹层玻璃技术和设备稍加改动来制作真空玻璃t t o 。其特点是利用制作夹层玻璃 用的p v b 或e n 膜或其它的有机材料作为玻璃封边材辩，在8 0 ( 2 至1 4 0 。c 的温度私l 大约 1 0 2 p a 的真空条件下热压成形，支撑物则模仿悉尼大学选用金属等无机材料，还有的 真接建议用p v b 或e n 等材料。毫无疑问，如果这些设想能实现，则将使真空玻璃的生 产：【艺大大简化。比如，把高温封边改为低温，去掉了抽气口和封1 ：1 9 - 艺等，便于大批 量生产并将低成本，节约能耗。但是这里面存在很多问题，比如有机材料是否适用于静 态真空器件，在1 0 0 c 左右低温条件下能否使玻璃表面达到充分排气等，这些问题还需 要进一步的研究。 1 4 课题研究的内容和研究方法 1 4 1 课题的主要内容 1 1 实验用真空电阻炉的研制 此部分主要包括：实验用真空电辍炉加热系绕的研制，实验用真空电阻炉真空系统 的研制，实验用真空电阻炉水冷系统的研制，实验用真空电阻炉控制系统的研制。 2 ) 实验用真空电阻炉的性能分析 此部分主要包括：真空箱体的密闭性能；真空系统的抽气性能；加热系统的性能： 一一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 3 ) 实验用真空电阻炉工作模型的建立 此部分主要包括实验用真空电阻炉传热模型的建立，压力场模型和物体升温模型的 建立。 4 ) 炉体内温度场的模拟 在此部分运用f l u e n t 有限元分析软件对实验用真空电阻炉在低真空条件下，其 内部各点的温度进行模拟。 5 ) 对本次研究课题的总结与进一步的期望 1 4 2 课题的研究方法 1 ) 实验用真空电阻炉的设计与制造 首先根据客户对实验用真空电阻炉提出的要求进行总体设计，然后根据总体设计方 案查阅资料，结合本次设计的特点对不同的设计方法进行比较、优化，选出最适合本次 设计的方案。 2 ) 实验用真空电阻炉的调试 实验用真空电阻炉豹调试先是从真空系统，依次到加热系统、控制系统。根据调试 所出现的问题进行设计方法的改造。 4 ) 实验用真空电阻炉的性能测试 主要是根据客户对设备提出的性能要求依次测试，直到达到客户所提出的要求。 5 ) 实验用真空电班炉的理论研究 在理论研究方砸，采用理论和实际相结合的方法，对实践中出现的阀题进行理论分 析，从实践中采集实验数据，再根据实验数据建立数学模型，最终所建的数学模型应用 于实践从而更好的指导再生产。 一3 一 东北大学硕士学位论文 第二章实验用真空电阻炉的研制 第二章实验用真空电阻炉的研制 2 1 实验用真空电阻炉研制的原则 因为本课题是一实际项目，经济性必须始终贯穿在研制、制造过程当中，在满足客 户对设备提出的性能要求前提下，设计越简单、经济越好。根据1 1 节客户对实验用真 空电阻炉提出的设备组成和性能要求，本次实验用真空电阻炉研制的重点主要是加热系 统的研制、真空系统的研制、水冷系统的研制、控制系统的研制。 2 2 加热系统的研制 对加热系统的研制要包括以下几个方面的内容：1 、电热元件的选择；2 、加热体元 件引出结构的研制：3 、蕊热屏结构的研制；4 、真空电炉电绝缘技术的研制。 2 。2 1 电热元件的选择 在1 2 节讨论了外热式和内热式真空电阻炉的特点，本次设计中吸取外热式真空电 阻炉供电系统简单与内热式真空电阻炉炉体内绝热层设计简单两方面的优点，对加热元 件的选取上，采用电辐射搬热管作为实验用真空电阻炉的加热元件。采用电辐射加热管， 优点主要有以下几个方面： 1 )u 型电热辐射管可以悬挂在设备的上壁接线头伸出到炉壳外，因此可以 使用3 8 0 v 电源直接供电，简化了电控系统的结构，降低了成本； 2 ) 电热辐射管外壁与电热丝是绝缘的，所以不用担心它与炉体发生短路现象； 3 ) 在加热管上可以涂覆远红外涂层来增加加热效率，这是其它金属丝电极难 以做到的； 4 ) 发热体产生的挥发物极少，不会污染零件与炉膛，可以得到商真空状态i j ： 5 ) 由于辐射管可布置密集、均匀而且热辐射能力好，因此炉温均匀性好【l 引； 6 ) 安装结构简单，便予维修、更换： 对实验用真空电阻炉内电辐射加热管的研制主要有以下几个方面；电热元件的材 料、电热元件的结构、电热元件的布置与供电方式、电热元件接线的方法。 2 2 1 1 电热元件材料 真空电炉的电热元件向工件的传热方式和普通电加热炉不同，以辐射传热为主， 由 于炉体内抽真空，电热元件与炉内气氛互相作用的条件不同于一般电阻炉，一般没有氧 一9 一 东北大学硕士学位论文笨二章实验用真空电阻炉的研制 化气氛，同时真空下的脱气脱脂作用对炉内气氛和工件加热也十分有利，炉子在真空条 件下电热元件易于长期稳定的工作。此外，在真空下，电热材料的挥发速度高于其他电 炉，这是电热元件设计中应该考虑的因素。 电热元件材料的选取一般要依据以下几个方面u 1 ： ( 1 ) 根据电阻炉的最高使用温度确定，一般电热元件豹工作温度比炉子的最高使用 温度高出1 0 1 5 0 。遥常的选用范围如下： 炉子的最高使用温度小于1 0 0 0 ，选用镍铬合金，铁铬铝合金； 炉子的最高使用温度小于1 2 0 0 ，选用铁铬铝合会： 炉子的最高使用温度大与1 2 0 0 ，选用钼、钨、钽等及石墨。 ( 2 ) 根据电阻炉的结构特点选择电热元件材料。如革室卧式气淬真空炉选能抵御 油蒸汽污染的石墨布材料为宜 ( 3 ) 根据真空电阻炉工艺的特殊要求来确定。如处理精密合金，宜选用钼等纯余耩。 ( 4 ) 选用辐射面积大，辐射效率高，性能比较稳定鲍材料如石墨布。 ( 5 ) 选用资源丰富，经挤适用的材料，如