2000度,高温碳管炉,的设计

2000度高温碳管炉的设计学校：西安科技大学指导教师：李晓池教授签名：作者：高小斐签名：摘要碳化硅陶瓷具有很好的耐高温性能和抗热震性，应用于机械、冶金、建材、化工、航天航空等十多个工业领域。碳化硅陶瓷的工业生产，主要是使用碳管炉烧成的。该设计是用于碳化硅陶瓷烧成的2000度高温碳管炉的设计，该设计采用石墨做发热体，铜套与石墨发热体相连，再与电气设备相接，形成供电系统。使用碳毡，炭黑，硅酸铝棉和石棉作隔热保温层，使用氮气做保护气氛。该设计的碳管炉，是连续性加热生产，可大大提高生产效率。关键词：高温，气氛保护，碳管炉，隔热保温，设计论文类型：设计型Thedesignofcarbonfurnacewith

2000degreehightemperatureUniversity:Xi'anScienceandTechnologyuniversityInstructsteacher:LiXiaochiSignature:Author:gaoxiaofeiSignature:Abstract.Carbontubefurnaceheatingelementsmadeofcarbontubes,carbontubesmadeofgraphiteexteriorthermalinsulationmaterials.Amongthem,carbongraphitetubefurnacesurroundingmaterialthroughanexternalsealed.Externalair-cooledfurnacewall,importsandexports,apartfromthegeneralsealingmeasures,thereisnootherspecialquarantinemeasures,importcoverwithwatercooling,heatingcarbonnanotubespoorworkingconditions,temperatureoftenaround2000duetosinteringfurnacetheadvantageofsimplestructure,furnace,heatingspeed,highoperatingtemperatures,intheactualproductionmorewidely.KeyWords:hightemperature,protectiveatmosphere,carbontubefurnace,insulation，designThesisType:Designtype目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第一章概述51.1陶瓷纤维的发展现状及应用前景51.1.1陶瓷纤维的发展现状51.2碳管炉的发展现状61.2.1碳管炉的种类6\o"CurrentDocument"1.2.2碳管炉8\o"CurrentDocument"1.3本设计的创新之处：9\o"CurrentDocument"1.4选题的目的和意义9\o"CurrentDocument"第二章设计说明书10\o"CurrentDocument"2.1发热体材料的选择与设计10\o"CurrentDocument"2.1.1发热材料的选择10\o"CurrentDocument"2.1.2发热材料的设计11\o"CurrentDocument"2.2隔热保温材料选择与设计122.2.2碳毡选取及厚度计算132.2.3硅酸铝棉选取及厚度计算142.2.4石棉选取及厚度计算152.3供电系统的设计162.4碳管炉炉体设计选型162.5控制系统20\o"CurrentDocument"2.5.1温度控制20\o"CurrentDocument"2.5.2保护气氛的选取与设定202.5.3报警和安全控制21\o"CurrentDocument"2.6结论21\o"CurrentDocument"致谢22参考文献23第一章概述1.1陶瓷纤维的发展现状及应用前景1.1.1陶瓷纤维的发展现状陶瓷纤维制品是指用陶瓷纤维为原材料，通过加工制成的重量轻、耐高温、热稳定性好、导热率低、比热小及耐机械震动等优点的工业制品，专门用于各种高温，高压，易磨损的环境中.陶瓷纤维是一种纤维状轻质耐火材料，具有重量轻、耐高温、热稳定性好、导热率低、比热小及耐机械震动等优点，因而在机械、冶金、化工、石油、陶瓷、玻璃、电子等行业都得到了广泛的应用［3］.近几年由于全球能源价格的不断上涨、节能已成为中国国家战略的背景下，比隔热砖与浇筑料等传统耐材节能达10-30%的陶瓷纤维在中国国内得到了更多更广的应用，发展前景十分看好［6］。到目前为止，中国国内现在大大小小的陶瓷纤维生产厂家共有二百多家，但分类温度为1425°C（含锆纤维）及以下的陶瓷纤维的生产工艺，只分为甩丝毯与喷吹毯两种。普通陶瓷纤维又称硅酸铝纤维，因其主要成分之一是氧化铝，而氧化铝又是瓷器的主要成分，所以被叫做陶瓷纤维［2］。而添加氧化锆或氧化铭，可以使陶瓷纤维的使用温度进一步提高。1.1.2陶瓷纤维的应用及开发前景由于能源价格不断上涨，燃料成本将会成为扼制陶瓷业发展的瓶颈，节能愈加重要。人们对窑炉热损失愈来愈关心，有的直接在原有耐火内衬表面加贴一层耐火陶瓷纤维以提高热效率。在加贴前必须将窑壁上明显的裂纹或剥落部位修复好［6］。不过隔热耐火砖与耐火纤维也不能任意滥用。迄今为止如碱性吹氧炼钢炉、水泥回转窑等内衬，由于高温化学侵蚀严重，都暂时不能用纤维作内衬。对于连续加热设备如陶瓷隧道窑，早已实现了采用耐火陶瓷纤维用作连续加热设备的内衬，据有关资料报道，快速推板窑与隧道窑中采用耐火陶瓷纤维节能效果都很显著。尤其是超高温加热，如烧成温度在1538C-1649C的窑炉中，采用耐火纤维的节能效果最佳［1］。目前，欧美及日本的陶瓷窑炉设备全部采用陶瓷纤维内衬。不久前日本将燃气隧道窑分解为诸如车厢结构进行分节制造、然后再运抵瓷厂施工现场组装，这一切都是由于采用陶瓷纤维材料，大大节省了窑炉造价，更简便的缘故。从材质改型方面推进陶瓷纤维制品节能效果的研究也正在进行中［11］。主要用途1、各种隔热工业窑炉的炉门密封、炉口幕帘。2、高温烟道、风管的衬套、膨胀的接头。3、石油化工设备、容器、管道的高温隔热、保温。4、高温环境下的防护衣、手套、头套、头盔、靴等。5、汽车发动机的隔热罩、重油发动机排气管的包裹、告诉赛车的复合制动摩擦衬垫。6、输送高温液体、气体的泵、压缩机和阀门用的密封填料、垫片。7、高温电器绝缘。8、防火门、防火帘、灭火毯、接火花用垫子和隔热覆盖等防火缝制品。9、航天、航空工业用的隔热、保温材料、制动摩擦衬垫。10、深冷设备、容器、管道的隔热、包裹。11、高档写字楼中的档案库、金库、保险柜等重要场所的绝热、防火隔层，消防自动防火帘。1.2碳管炉的发展现状1.2.1碳管炉的种类随着现代工业的飞速发展，各种高温烧结设备也在不断改进和创新，目前我国主要的碳管炉是中频炉和电阻炉两种。1.2.1.1中频炉中频炉是一种将工频50HZ交流电转变为中频（300HZ以上至1000HZ）的电源装置，把三相工频交流电，整流后变成直流电，再把直流电变为可调节的中频电流，供给由电容和感应线圈里流过的中频交变电流，在感应圈中产生高密度的磁力线，并切割感应圈里盛放的金属材料，在金属材料中产生很大的涡流。利用电磁感应原理加热金属［4］。图1.1中频锻造加热炉中频炉加热装置具有体积小，重量轻、效率高、热加工质量优及有利环境等优点正迅速淘汰燃煤炉、燃气炉、燃油炉及普通电阻炉，是新一代的金属加热设备。中频炉是铸造锻造及热处理车间的主要设备，其工作的稳定性、可靠性及安全性是流水作业的铸造锻造及热处理生产线正常稳定工作的保证。中频炉在热加工领域有着很好的发展前景如主要生产锻造锻前加热炉，透热炉以及用于:透热、轧制、锻造、弯管、热处理（淬火）、焊接等工艺的感应加热中频炉的技术参数（以6.0吨/2800KW中频炉为例）工作温度1600°C—1750°C最高工作温度2100°C炉衬厚度150mm感应圈内径1410mm1.2.1.2电阻炉电阻炉是利用电流使炉内电热元件或加热介质发热，从而对工件或物料加热的工业炉。电阻炉在机械工业中用于金属锻压前加热、金属热处理加热、钎焊、粉末冶金烧结、玻璃陶瓷焙烧和退火、低熔点金属熔化、砂型和油漆膜层的干燥等。图1.2陶瓷纤维电阻炉电阻炉以电为热源，通过电热元件将电能转化为热能，在炉内对金属进行加热，功率是根据电阻炉的热平衡原则确定的［5］，具有结构简单、炉温均匀、便于控制、加热质量好、无烟尘、无噪声等优点，但使用费较高。主要技术参数（以一般小型箱式电阻炉为例）炉膛尺寸260*170*120mm使用温度1200°C表面温度60C电源电压220V1.2.2碳管炉碳管炉是五十年代的主要碳化设备，又称石墨管电炉，是硬质合金生产中最早使用的碳化设备，属直热式炉。图1.3高温碳管炉碳管炉发热原理是既为炉膛又为发热体的石墨管通以低电压、大电流依靠石墨管的电阻使电能变成热能。炉子配用变压器输出电压（10〜20）伏，输入电压220伏，导电系统是在石墨管两端分别套上石墨锥体，通电水冷铜套，法兰处用石棉板绝缘，炉体用碳黑，碳毡，氧化铝棉和石棉板保温。碳管炉的优点是炉体结构简单、升温速度快、工作温度高。缺点是炉管容易氧化，寿命短、能耗高、导电铜套耗损大、周围环境差额定功率：50KW最高温度：2200C炉身尺寸：0800mmX1600mm炉管尺寸：0128mmXo152mmX1500mm石墨舟皿尺寸：0120mmX93mmX320mm工作温度：1900C1.3本设计的创新之处：•采用石墨高温发热体，利用气氛保护，大大增加使用寿命。•炉体、智能控制器分体设计，美观、大方。•采用碳纤维、炭黑、陶瓷纤维等多层保温材料，大幅度的提高了升温速度，并减少了热能消耗，保温效果好，炉外表温度低。•采用进口温控仪表，全新数字显示，数字设定温度，智能控制输出，可减少视读和人为操作误差，大大提高工作效率。•设有多种保护装置，提高了安全性及可靠性。•独立控制系统，方便维修更换。•炉体上开有排气孔，便于废气排放。1.4选题的目的和意义随着工业发展脚步的加快，市场对烧结炉的要求越来越高，传统的碳管炉的优点是炉体结构简单、升温速度快、工作温度高。缺点是碳管炉的损坏部位有加热碳管的外侧壁、碳管两端进口和出口处。这些部位经常被氧化，导致表皮脱落，致使碳管强度不高，出现裂纹，最后导致碳管断裂。为了克服这些不足，满足烧结工艺对炉温的高要求，我们通过对老式高温炉温度控制系统进行技术改造，对加热，保温，冷却，气氛保护系统等几个主要问题的重新设计和改进，改造后的高温炉能通过控温程序准确控制烧结过程,温差降到最低，并达到了节能、省时的效果，同时通过炉体的改进使炉子更安全，更耐用。第二章设计说明书2.1发热体材料的选择与设计2.1.1发热材料的选择高温气氛保护碳管炉是高温烧结炉中一类比较常见的设备，而发热体又是碳管炉中关键部分之一，为提高碳管炉的使用寿命，石墨发热体的选材和设计至关重要。发热体经常容易被氧化，导致表皮脱落，致使碳管强度不高，出现裂纹,最后导致碳管断裂。而石墨管的断裂意味着碳管炉的寿命将大大降低［13。］因此，发热体的选择对于碳管炉是至关重要的。通常使用各项同性的高纯石墨作为发热材料。用石墨材料制成的烧结炉加热发热体部件。石墨具有优良的导电、导热性能，在特种工业炉为电炉中常用石墨作为发热体。工业电炉中早期选用石墨电极作发热体，后选用密度高的高功率电极作发热体（熔炼石英玻璃也采用石墨电极作发热体）。半导体工业发展，提炼单晶硅，单晶错，砷化镓、磷化铟等材料的加热炉选择高纯细结构石墨和各向同性石墨作发热体。一些特殊的工业炉和实验炉用炭布或石墨布作发热体。表1各向同性石墨性能项目体积密度哽度（肯氏）HS电阻率，国抗拉强度/MPa抗折强度凡4Fa抗压强度/MPa抗冲击系数/（N■on］）"cm弹性模量/GPh热导率/W，（m・K）T线膨胀系数/T一］异向度3垂肯2平行）灰分辨指标1.77-J.8043〜547-1114-2422'4051-7817709.5~1耳.5134-143⑵5〜4*6〉x史1.05-1.10(50-^50)xJQ-4BaiKe?&CSCfSaCCGM石墨发热体的设计应参照选用石墨的电阻率而定。石墨发热体的机械加工，包装，运输，贮藏过程中应该保持洁净，避免污染。石墨发热体在使用过程中常会出现变形现象，这是由于石墨的蠕变所造成。室温时石墨蠕变很小，当温度升到1700°C或更高时，几小时后可观察到蠕变，应力消除后，材料中留有残余应变，造成石墨发热体塑性变形。反映在实际使用中石墨变形造成热场不均匀，规格尺寸越大变形越小，颗粒小比颗粒大的石墨变形大。防止石墨发热体变形的办法是，在使用前，先空烧一次（先通电升温）用支架将发热体支撑住，空烧温度应大于实际使用温度100〜200C。为消除热应力造成石墨发热体变形，一些厂商将用于发热体的石墨最大颗粒由0.075mm，扩大至0.5〜1mm，取得了较好效果由于石墨发热元件能耐高温，在保护气氛中最高可耐2800C，在真空状态下最高可耐2200C，而且几何尺寸保持稳定。但在500C以上就氧化严重，故适于在保护气氛和真空状态下使用。根据本次设计，碳管炉需要气氛保护，所以炉内用高纯氮气气封，用石墨套和导电铜套连接，外部接入电缆。2.1.2发热体的设计

图2.1石墨发热体设计图2.2隔热保温材料选择与设计高温碳管炉保温材料的主要作用是减少热能损耗，节约能源;保证生产工艺流程的需要，提高设备能力;改善劳动条件，实现安全生产;延长设备的运行期限。碳管炉保温材料在碳管炉中主要起到保温和电绝缘双重作用。保温材料对碳管炉的炉温上升有着非常重要的影响，保温材料的质量和厚度在很大程度上决定了碳管炉热能的利用效率和炉子各部位的温差，决定了烧结碳化硅等耐高温陶瓷材料的能耗。隔热保温材料还关系到耐火材料砌体和炉体建筑结构的安全性和使用性能［8］。隔热保温材料的电绝缘性是确保电流有效作用于炉管的关键。要求热导率低，保温性能好；电阻率大，电绝缘性能好;在高温下不与炉内制品发生反应;价格便宜并易于大量采购［15］。表2为超高温气氛保护碳管炉隔热保温材料的选用。表2.2超高温气氛保护碳管炉隔热保温材料的选用用途使用温度为采用材料高温炉观测窗1000〜1500透明Al2O3预热端炉衬<1800Al2O3纤维耐高温层2500〜3000碳毡隔热层1000〜1600硅酸铝棉保温层600〜1000石棉2.2.1氧化铝（这要介绍氧化铝纤维，你设计中，选用氧化铝纤维做保温材料，没有使用氧化铝微粉。按碳管炉设计耐火保温材料温度由高到低的顺序，中心是碳管发热体，发热体外面套的是石墨套管，石墨套管外面包的是碳毡，碳毡外面包的是氧化铝纤维，氧化铝纤维外面包的是硅酸铝纤维，你在保温材料选择和设计中要确定保温材料的材质和厚度，这些要根据每层材料要耐受的温度差和导热系数计算。因此，你把氧化铝纤维的厚度也计算一下。你没有选择耐火的石墨套管，就算了氧化铝是将铝矶土原料经过化学处理，除去硅、铁、钛等的氧化物而制得，是纯度很高的氧化铝原料，Al力3含量一般在99%以上。矿相是由40%〜76%的Y-Al力3和24%〜60%的a-AI2O3组成。Y-Al力3于950〜1200°C可转变为a-Al力3（刚玉），同时发生显著的体积收缩。刚玉（a-Al2O3）用工业氧化铝或铝土矿石经电熔或烧结后制得。刚玉的矿物组成为a-Al2O3，其密度约为3.85〜4.01g/cm3，熔点2050C，变形温度为1750C，热传导性好，电绝缘性、化学稳定性良好，能抗侵蚀，而且在1800C以下具有抵抗还原剂作用的能力。它具有高温下机械强度大、抗热震性好、抗侵蚀性强、热膨胀系数小等特点［14］。由于刚玉不仅能承受高温的作用，而且还能抵抗温度剧变、炉气的侵蚀，所以我们选择刚玉作为碳管炉预热端部分的炉衬。2.2.2碳毡选取及厚度计算碳管炉可用炭黑，炭毡等作保温隔热材料。炭黑是由烃类碳氢化合物的热分解或不完全燃烧制得的具有高度分散度的黑色粉末状炭质物料。平均粒径在30um左右，碳纤维毡是由碳纤维针刺成毡，经预氧化、炭化、石墨化等生产过程制成的性能优异的高温隔热材料。在真空和惰性气氛下，碳毡最小使用温度可达1400C，石墨毡最小使用温度可达2800C，甚至可耐3000C高温。它具有耐热温度高、隔热性好、密度小、质地柔软、裁剪容易等特点，可以快速地加热和冷却，是高温炉理想的保温隔热材料。根据预设碳管炉的温度分布，发热碳管工作时的温度约为2000C，即碳毡的工作环境温度约为2000C，包裹碳毡后，碳毡外温度约为1400C查"真空电阻炉设计门得，碳毡在2000C时导热系数约为：入=0.465W硅酸铝棉在1400C时导热系数约为：入二0.571W因为该碳管炉由里到外的隔热保温材料依次是碳毡，硅酸铝棉和石棉，所以根据多层圆筒壁导热，每层导热都相等的结论，可以得到：Q1=Q2；并且土】等Q二…■心，其中Tx，Ty分别为该单层保温隔热材料前后的温度，入为该保温隔热材料的导热系数，dx，dy分别为该单层保温隔热材料包裹后的内外径。则内外径之差就是碳毡的厚度，将已知条件带入公式，设碳毡的厚度为100mm，2.2.3硅酸铝棉选取及厚度计算硅酸铝耐火纤维或称陶瓷纤维，是以优质焦宝石、高纯氧化铝、二氧化硅、锆英沙等为原料，选择适当的工艺处理，经电阻炉熔融喷吹或甩丝，使化学组成与结构相同与不同的分散材料进行聚合纤维化制得的无机材料。根据不同的原料和工艺可以生产出硅酸铝棉。硅酸铝棉具有容重小，导热系数低，绝热效果显著，耐热性能优良等特点，特别适用于绝热节能效果要求苛刻的高温热工设备和供热管道的隔热保温，是一种新型、优质绝热节能材料，在冶金、石化、电力、陶瓷等部门具有广阔的推广前景。根据预设碳管炉的温度分布，，碳毡外温度约为1400°C，而后在围上硅酸铝棉，在它的外面，温度约为900C查":真空电阻炉设计:"得，硅酸铝棉在1400C时导热系数约为：入二0.571W/(m-C)石棉的导热系数为：入=0.605W因为该碳管炉由里到外的隔热保温材料依次是碳毡，硅酸铝棉和石棉，所以根据多层圆筒壁导热，每层导热都相等的结论，可以得到：Q2=Q3；并且其中Tx，Ty分别为该单层保温隔热材料前后的温度，入为该保温隔热材料的导热系数，dx，dy分别为该单层保温隔热材料包裹后的内外径。则内外径之差就是碳毡的厚度，将已知条件带入公式，硅酸铝棉的厚度约为110mm2.2.4石棉选取及厚度计算石棉是指具有高抗张强度、高挠性、耐化学和热侵蚀、电绝缘和具有可纺性的矿物产品。石棉由纤维束组成，而纤维束又由很长很细的能相互分离的纤维组成。石棉可分为蛇纹石石棉（温石棉）和闪石石棉两类。石棉具有高度耐火性、电绝缘性和绝热性，是重要的防火、绝缘和保温材料。目前石棉制品或含有石棉的制品有近3000种，主要用于机械传动、制动以及保温、防火、隔热、防腐、隔音、绝缘等方面。根据预设碳管炉的温度分布，，硅酸铝棉外面温度约为900°C，包裹石棉外后温度为60C查"真空电阻炉设计门得，/（m-C]石棉的导热系数为：入=0.605W因为该碳管炉由里到外的隔热保温材料依次是碳毡，硅酸铝棉和石棉，所以根据多层圆筒壁导热，每层导热都相等的结论，可以得到：Q2=Q3；并且土】等Q=-…心，其中Tx，Ty分别为该单层保温隔热材料前后的温度，入为该保温隔热材料的导热系数，dx，dy分别为该单层保温隔热材料包裹后的内外径。则内外径之差就是碳毡的厚度，将已知条件带入公式，石棉的厚度约为380mm碳管炉的隔热保温材料层见下图图2.2碳管炉隔热保温层材料设计图从内到外隔热保温材料依次为碳毡，氧化铝棉，石棉2.3供电系统的设计(供电系统要根据石墨发热体的电阻计算功率、供电电压和电流。有了这些供电参数才能选择供电设备)供电系统是碳管炉的重要组成部分，由于烧结炉只有1个加热区，故采用WT-100B型高精度程序控制仪，该温控设备可对单点温度进行测量和程序控制，测量值与设定值同步显示，并可根据用户要求储存若干温度曲线。供电系统连接在控制系统之后，作为整个烧结设备的最后部分，变压器输出电压(10〜20)伏，输入电压220伏。2.4碳炉体配套设施的设计碳管炉是以发热材料为主体，其控制部分由气氛保护系统、电气系统组成。碳管炉的优点是炉体结构简单、升温速度快、工作温度高，分为自动加热和手动加热两种，由于手动加热在升温过程中必须不断地观察并调节电流大小以控制升温速度，因而在烧结样品时温度控制不够准确，且花费较多的时间、耗费较多的电量，故我们选择自动加热方式，在炉温过高、电路短路、电流过大等不安全情况下响起报警，以便及时处理。碳管炉炉体主要是发热体，陶瓷纤维保温层和钢铁外置炉体组成。石墨管既是高温炉的炉管又是发热元件，加热温度一般在2000°C左右［9］。石墨管与通冷却水的铜套连接。碳管炉炉温采用幅射高温计测量，电子电位差计指示，幅射高温计安装在石墨保护管内。石墨套主要连接两端铜套，设计如下IPSIPS图2.3石墨套设计图导电铜套设计如下：2010CDa图2.4导电铜套设计图导电铜套的水箱设计如下：（水箱在导电铜套外，尺寸要配套）图2.5导电铜套水箱设计图炉盖设有一个观察窗，用于观察工件加热情况。石墨发热体的周围包围着隔热保温装置，它是由碳毡，硅酸铝棉，石棉组装在一起构成。炉盖设计如下，图2.6炉盖设计图碳管炉前端为预热部分，物料经预热部分后，进入主体发热炉烧结，而后，再进入冷却系统，最后形成产品从炉口运出。预热部分长约为3000mm，发热石墨管长为4000mm，冷却端长约为6000mm。设计的碳管炉见下图（这个设计图中要用虚线表示发热体和产品进入通道，在整个长度方向是贯通的。推舟和推入装置是否是一回事？炉体两端的几米长的是一个筒体，右端和中间的炉体相连，是为了便于产品装入，同时离高温区有一定距离，这样便于装产品和形成高温区的保护气氛，也便于安装产品推入装置。左边的筒体和高温炉相连，是一个待冷却水的钢筒体，主要是为了产品冷却和高温区的隔离，便于形成保护气氛，你标的各部分名称要清楚，要知道标的是干啥用的图2.7碳管炉设计图其中，1——推舟，2——导电铜套，3——冷却水入口，4——冷却水出口，5——碳毡，6——氧化铝棉，7——硅酸铝棉，8——炉盖，9——保护气体，10——气体缓冲瓶，11——推入装置2.5控制系统（控制系统能否再增加一些内容，写的太简单2.5.1温度控制采用固态继电器PID的ON/OFF方式，用自日本进口PID智能温度控制器对炉膛温度进行控制，一旦发现炉膛温度异常立即报警并切断加热电源。2.5.2保护气氛的选取与设定由于氮气的最高浓度达不到百分之百，加上元件本身附带氧气，为防止炉里发热体氧化和爆炸，必须给保护气体中混入少量氢气，因为氢气本身具有还原性。保护气体出口接入液体缓冲瓶，外接排气管，这样做主要是为了防止突然断电，炉内气体骤缩，外接氧气回流至炉内，以此更好的保护