技术领域
[0001] 本
发明属于
热处理设备，尤其涉及一种
钛、锆等稀有金属的大型
真空退火炉。
背景技术
[0002] 退火是将金属材料或
工件按工艺要求加热到一定
温度，经过保温一段时间，然后根据适宜速度冷却，改变金属组织结构和性能（改变晶粒结构、细化组织、消除应
力和
软化材料）的一种金属热处理工艺。目的是将经过
铸造、锻轧、
焊接或切削加工的金属材料或工件软化，改善塑性和韧性，使其化学成分均匀化，去除内部残余
应力，充分发挥金属材料潜能，达到用户要求，延长金属材料使用寿命。
[0003] 真空退火是国内外航空制造业用于去除钛、锆等稀有金属
合金氢的唯一工艺方法，以降低氢含量浓度并使之达到安全
水平，从而保证钛、锆等稀有金属合金结构在其寿命期间的安全可靠性。
[0004] 对于钛、锆等稀有金属，他们在高温下性质活泼，易受到与其
接触的耐火材料等的污染，更易与
碳、
氧、氮、氢化合，所以这些材料的高温加热最好始终在真空环境中进行；故真空退火的目的是在退火的同时减少氧化和除氢，并降低残余应力。
[0005] 由钛、锆等稀有金属的性能决定了要求钛、锆等稀有金属的退火真空度的控制要稳定，工件温度要均匀，加热环境要整洁，温度的控制要精确，均温性要好。
[0006] 随着航空、航天、国防、核电等尖端工业的发展，钛、锆等稀有金属得到了广泛应用，不仅使数量的需求量增多，单根长度也由3M—6M增加到10—16M，甚至更长，这就需要超长和大容量的真空
退火炉。
[0007] 而目前的真空退火设备难以满足钛、锆等稀有金属的真空退火。较为突出的
缺陷是：1、现国内最长为15米管材的真空退火炉，均温区为15M，加热器为Π字形结构，不封闭，
工作温度常用于800℃，轴向、径向最大温差为±10℃；
2、进料机构多为整体料架，受热时容易产生较大
变形，使进出炉体驱动困难以及进料时未达到理想的料位要求。且不能适应不规则形状原料的送料，堆叠在一起，致使原料受热不均，不能全部达到工艺要求，极大的影响退火生产的效率及品质。
[0008] 另外，对于亟待开发研制的超长和大容量的真空退火炉设备需要配套的冷却系统跟进。
发明内容
[0009] 本发明的目的是提供一种大型真空退火炉，其送料机构能适应不同尺寸规格的原料且可随意组装，加热装置温度均匀性好，整机性能优良。
[0010] 为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：一种大型真空退火炉，由炉体、加热装置、送料系统、真空系统、冷却系统和电控系统组成；所述的加热装置置于炉体的炉胆内；所述的送料机构，包括有送料台车、牵引小车、料架及供料架沿其往复行走的
导轨，全程导轨由送料台车上带有的导轨和炉体内的导轨组合构成，送料台车上的导轨可与炉体内导轨实现对接，送料台车在行走机构的作用下沿铺设于炉
门前的
钢轨前后移动；所述料架经滚轮排于导轨上行走，该滚轮排由若干平行排列的滚轮组成，各滚轮由轴和滚轮排架连为一体；所述的真空系统用于维持炉体内退火各阶段的真空度；所述的冷却系统至少包括有为各组加热器冷却的
冷却水系统；所述的加热装置由若干组相互活接的加热器组成，顺序安装于炉胆内，在各组加热器与炉胆内壁间设有若干层
隔热屏；所述供料架沿其往复行走的导轨上安置一组可拆卸的分段料架，各分段料架间采用活性连接。
[0011] 所述的加热器采用Cr20Ni80
电阻加热带，每组电阻加热带盘成圆环形鼠笼状。
[0012] 所述的每组加热器为相互独立的可
调温区，每区内均设控温及测温装置。
[0013] 所述每区内的控温装置为带通讯的温控仪，测温装置为测温的
热电偶，还配有带输出控制的真空计。
[0014] 在所述供料架沿其往复行走的导轨上放有滚轮排，滚轮排由若干平行排列的滚轮组成，各滚轮由轴和滚轮排架连为一体，所述的分段并活性连接的料架经其下面焊有的导轨放在滚轮排上前后自如的运动。
[0015] 所述的各分段料架为由若干立柱及
底板组成的
框架式组装结构，其中，底板为“井”字网格形状，并在底板上均匀设有用于安装立柱的结构单元。
[0016] 在立柱上放置至少一层活动横梁。
[0017] 对应各独立的加热器可调温区，均配置一套气体快速冷却系统，由交换器、磁
流体、快冷
风机及为快冷风提供输送通道的接管组成。
[0018] 本发明的优点是：（1）系统设计能够满足钛、锆等稀有金属管材真空退火工艺和控制要求,真空和
温度控制精度高, 炉温均匀性好，可以满足钛、锆管材退火的苛刻要求；
（2）每组加热器均为圆环形鼠笼状，加热
覆盖面积大，对称均匀性好；加热器材料升温快，能够减少能耗，延长使用寿命，且采用分段独立控温，可以满足各种应用的需求；
（3）送料系统连接简单、易用、可靠，料架变形小，原料受热均匀，可大幅提高退火生产品质；
（4）利用本发明技术可制造长度和容量较大的真空退火炉，且能够保证温度均匀性好、可获得良好的再结晶组织及力学性能，填补了超长、大容量真空退火炉的国内空白，对于国内稀有金属及钛生产装备行业发展具有十分重要的现实意义；
（5）智能仪表集散控制系统的控制精度高，动态响应快，可实现退火炉真空度全过程自动控制以及炉区温度高精度和多温区高均温性控制，对改善工艺水平，稳定产品
质量，降低能耗具有显著的经济和社会效益。
附图说明
[0019] 图1 为本发明真空退火炉结构示意图（主视，左半部分）。
[0020] 图2为本发明真空退火炉结构示意图（主视，右半部分）。
[0021] 图3为图1的右视图。
[0022] 图4 为本发明真空退火炉加热装置结构示意图。
[0023] 图5 为真空退火炉加热装置的单个加热带结构示意图。
[0024] 图 6 为 本 发 明 绝 缘 用 瓷 件 结 构 示 意 图（图 4 中 的 部分放大图）。
[0025] 图7 为图4中的 部分放大结构示意图。
[0026] 图8a 为本发明真空退火炉送料机构结构示意图（主视，左侧部分示意）。
[0027] 图8b为本发明真空退火炉送料机构结构示意图（主视，右侧部分示意）。
[0028] 图9为本发明真空退火炉送料机构结构示意图（右视）。
[0029] 图10a为真空退火炉送料机构的底板（网格状平台，左半部分）结构示意图。
[0030] 图10b为真空退火炉送料机构的底板（网格状平台，右半部分）结构示意图。
[0031] 下面结合附图及具体
实施例对本发明做进一步详细说明。
具体实施方式
[0032] 参阅图1、图2和图3所示，本发明大型真空退火炉采用单室、内加热的卧式结构，由炉体1、加热装置2、送料系统3、真空系统4、冷却系统5和电控系统组成。
[0033] 所述的炉体1包括壳体、加热室、
前炉门、后炉门。炉体可呈卧式圆筒形双层水冷结构。前后开门，前门装料。炉门开闭可采用
气缸推拉结构，自动开闭。炉门与炉体
法兰间采用
橡胶密封圈，达到高真空密封要求，密封稳定、可靠。还安装有充气
接口及
阀门、放气阀、标温接口、检漏接口等。
[0034] 参见图4及图7，所述的加热装置由多组相互活接的加热器1组成，顺序安装于炉胆内，易于安装维修及更换。加热器1与炉胆2内壁间设有一组隔热屏3，采用4-6层耐热
不锈钢隔热屏适宜，图中所示实施例中采用5层。各加热器之间在留有适量热伸长余地的前提下尽量减小距离，以减小两区交界处的温差。并采用分段独立控温，每组为相互独立的可调温区，每区均设有控温及测温单元，具有校温热电偶及接口，方便调控。
[0035] 加热单元装置1的加热体采用Cr20Ni80电阻加热带，其
电阻率较高，加工性能好，高温强度好，升温快，节约能耗，用后不变脆，使用寿命长，具有奥氏体组织，基本无
磁性。另，每组电阻加热带盘成圆环形鼠笼状（参见图2），加热覆盖面积大，对称均匀性好。当真空-2
度达到1.3×10 Pa时，电阻加热带1被通电加热，使工件达到退火温度。本发明加热装置的每组电阻加热带盘成圆环形鼠笼状的轴向长度以15～25米适宜，20米为佳。当然，其长度亦可根据使用的需求做任何方式的调整。
[0036] 卧式与炉胆同心圆形的
炉膛，使加热体分布均匀，炉胆能在纵向径向都均匀受热，确保±2℃的炉温均匀度。同时，由于圆形结构
散热面积小，
热损失较小，提高了热效率，节约
能源。炉胆2可以由内、外两层构成，保证耐热温度在1100℃。
[0037] 所述的加热装置1（即电阻加热带）通过绝缘用瓷件5固定在炉胆2内壁上，该绝缘用瓷件5采用优质99%氧化
铝瓷件，具有防沉积结构，保证绝缘元件能够长期稳定工作。
[0038] 所述的防沉积结构，可参见图6所示，绝缘用瓷件5通过瓷座6与电阻加热带1固定连接。是因为：在真空环境及高温状态下，挥发出的化学成分易
镀在绝缘用瓷件上，引起
短路，故本防沉积结构的瓷座6相当于为加热带盖上了一个大帽子，可以有效的防止短路现象的发生。
[0039] 图7所示的是为电阻加热带提供通电加热的连接板7部分的结构示意，该连接板7的上端穿过隔热屏及炉胆，并通过螺钉和
螺栓固定在炉体内壁上且与水冷
电极的一端电极连通，其下端通过螺钉和螺栓固定在鼠笼状的电阻加热带1的一极端12上，鼠笼状的电阻加热带1的另一极端11与水冷电极4的另一电极电连通（参见图4、图5所示）；连接板7与隔热屏及炉胆间有绝缘套8。
[0040] 本发明的炉体内分布有多个控温用的热偶，分别控制每段加热。并有一个监测热偶，在超温时发出报警
信号。
[0041] 参见图8a、图8b和图9所示，所述的送料系统包括有送料台车、牵引小车（图中未示出）、料架及供料架沿其往复行走的导轨，全程导轨由送料台车上带有的导轨４和炉体内的导轨（图中未示出）组合构成，送料台车上的导轨可与炉体内导轨实现对接，送料台车在行走机构的作用下沿铺设于炉门前的钢轨6前后移动，所述的送料台车可以是整体结构，亦可是分体连接结构形式，由一组分体式的单元送料台车（图中所示实施例的7、8、9和10）连接构成。
[0042] 本发明的改进点在于：将料架设计为若干段相互活性连接且可拆卸的分段料架1，安置在供其往复行走的导轨4上，并由挡料柱2护围。
[0043] 为使得料架的运行自如，在导轨4上放有滚轮排5，滚轮排由许多平行排列的滚轮组成，各滚轮由轴和滚轮排架连为一体。所述的分段并活性连接的料架经其下面焊有的导轨放在滚轮排上前后自如的运动。
[0044] 对于所述的牵引小车及行走机构均为
现有技术，此处不赘述。
[0045] 本发明真空退火炉送料机构将各分段料架1设计为由若干立柱及底板组成的框架式组装结构，其中，底板为“井”字网格形状，参见图10a、图10b所示，并在底板上均匀设有用于安装立柱的结构单元，该所述的用于安装立柱的结构单元可以是在底板上均匀铸有的安装立柱的安装孔，亦可以是其他可安装立柱的结构。
[0046] 整个分段料架1可以随意组装，分层放料，其立柱上可放置活动横梁而构成整体的料框，并且料框的形式为活动可随意拆卸，任意组装（如装料可以选择只装一层或只装二层等等），而不是简单堆叠在一起，原料的受热均匀性好，产品品质高。
[0047] 所述的各分段料架在长度方向分段为15～25米构成，20米为佳，每段之间采用活性连接。
[0048] 送料机构工作时，送料台车向前移动，其上的导轨与炉体内的导轨对接。牵引小车与料架挂钩连接后，牵引小车将炉内的料架牵引到送料台车的导轨上，使料架上的工件出炉，当料架上装好新的工件后，牵引小车将料架推入炉内。送料台车向后移动，炉门关闭，进行加热工作。
[0049] 所述的真空系统，为维持被退火材料退火各阶段的较高真空度，本发明真空退火炉送料机构选用多套扩散
泵机组，每套扩散泵机组配置有由一台泵和一台机械泵组成的前级系统。在各级真空管道上布置有检漏接口，密封好并易于用于检漏；管道连接使用不锈钢
波纹管，防止震动影响机组的正常运行。
[0050] 本发明真空退火炉设备的真空测量采用带输出控制的真空计（如美国瓦里安数字式真空计）,并可以辅助配有相应品牌的冷规和电阻规分别测量炉内的高、低真空度，送真空计显示测量值；真空测量用规管应合理布置，采用电阻规测量前级管道压力；通过PLC机对真空系统进行控制。
[0051] 所述的冷却系统包括有冷却水系统，包括分水器、水箱、阀门、管路及各种检测元件，可以是常规的冷却水系统，亦可设计为可对水压、水流、水温和缺水报警及联
锁。
[0052] 为了提高本发明真空退火炉设备的工作效率，配置了气体快速冷却系统。快冷系统由交换器、磁流体、快冷风机、软接管、接管等部件组成。设备运行至快速冷却工序时，充氩气阀打开，向炉内充入高纯氩气。炉内气体压力达到设定点后，快冷装置中风机启动，热气进入
热交换器，进行热交换，冷却后的气体经
通风管道送入炉体，冷却工件，如此循环工作。在此工作过程中，当炉内压力低于70KPa时，氩气阀就自动打开，向炉内补充氩气。
[0053] 所述的电控系统即可以采用常规的控制手段，亦可实施独特的自动控制：由若干控制柜组成，控制柜面板上可以有真空系统以及供电加热系统的操作模拟图。电控系统可由工控机、工控组态
软件、
数据采集卡、带通讯的温控仪、输入输出模
块、PLC（带相应的I/O扩展，通讯接口）、带输出控制的真空计、通讯接口等组成。电控系统同时还配有各段加热
电流、温度以及扩散泵电流显示。整个控制系统均可以自动和手动自由切换，操作（控制）柜上配有常用的控制按钮。调用、运行加热程序分别可从上位机和主控温仪上操作。在炉门附近安装有操作箱，便于观察与控制送料机构的进出，该操作箱包括进料、出料、停止等按钮和指示灯。对于电控系统，可以采用现有技术，亦可根据需要与时共进研发新的控制功能，其不作为本发明
申请的重点，故不赘述。
[0054] 上述各实施例可在不脱离本发明的范围下加以若干变化，故以上的说明所包含及附图中所示的结构应视为例示性，而非用以限制本发明申请
专利的保护范围。
