專利名稱：用于高溫操作的感應(yīng)電爐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種感應(yīng)電爐，其適于在大約3000℃及以上的溫度下操作。結(jié)合瀝青纖維的石墨化和其他含碳纖維，其具有特殊的應(yīng)用，將利用特殊參考對(duì)其進(jìn)行描述。然而，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到電爐也適合其他高溫處理，例如去除金屬雜質(zhì)的石墨材料的鹵素凈化。
背景技術(shù)：
多年來(lái)，大量感應(yīng)電爐用于纖維石墨化和其他高溫操作。一個(gè)典型的感應(yīng)電爐包括一個(gè)稱為基座的導(dǎo)電容器。在感應(yīng)加熱線圈中流動(dòng)的交流電(ac)產(chǎn)生一個(gè)隨時(shí)間變化的電磁場(chǎng)。由線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)穿過(guò)基座。磁場(chǎng)在基座內(nèi)感應(yīng)出電流，基座產(chǎn)生熱。待加熱的材料包含在基座內(nèi)，通常其被稱為“熱區(qū)域”，或電爐的最熱部分。
對(duì)于要求高達(dá)約3000℃高溫的操作，石墨是一種形成基座的優(yōu)選材料，因?yàn)槠浼染哂袑?dǎo)電性，又能經(jīng)受非常高的溫度。然而，石墨具有升華轉(zhuǎn)而蒸發(fā)的趨向。當(dāng)溫度升高到大約3100℃時(shí)，升華明顯加強(qiáng)。因?yàn)樨灤┗臏囟茸兓?，所以在大約3100℃的標(biāo)準(zhǔn)操作溫度下，電爐壽命通常以周來(lái)計(jì)算。在3400℃下，壽命通常僅有幾個(gè)小時(shí)。因此，在3000℃以上的溫度下操作的電爐，往往經(jīng)歷相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的停工期，以替換部件。
含碳纖維石墨尤其得益于3000℃以上溫度的處理。例如，在鋰電池的構(gòu)成中，鋰的攝取依靠石墨的溫度，當(dāng)石墨溫度升高時(shí)，攝取隨之改善。在加熱期間，通過(guò)使用高溫計(jì)來(lái)測(cè)量電爐內(nèi)不同部位的溫度實(shí)現(xiàn)了整個(gè)基座的熱分布的改進(jìn)。根據(jù)所測(cè)量的溫度，感應(yīng)功率的不同密度隨后沿基座長(zhǎng)度傳遞到基座的若干部分。然而，隨著時(shí)間的推移，高溫計(jì)易于失靈，需要再校準(zhǔn)。
為增加基座壽命，一旦完成了高溫加熱操作，希望迅速冷卻電爐。一般，冷卻管環(huán)繞電爐載有水。然而，因?yàn)殡姞t通常是徹底絕熱的，所以經(jīng)常要花大約一周時(shí)間使電爐從其操作溫度冷卻下來(lái)。在一些應(yīng)用中，使用熱交換器來(lái)加速冷卻。在這樣的設(shè)計(jì)中，經(jīng)由電爐絕熱的熱損失，電爐冷卻到大約1500℃的溫度。隨后，熱區(qū)域的上面和下面的閥門打開(kāi)，經(jīng)過(guò)外部熱交換器的壓力環(huán)流開(kāi)始形成。對(duì)于極少在2800℃以上操作的電爐，此系統(tǒng)工作得很好。在那些通常在3000℃以上操作的電爐中，熱區(qū)域部件的頻繁更換使得這些設(shè)計(jì)對(duì)于操作來(lái)說(shuō)是高價(jià)的。在其他設(shè)計(jì)中，從電爐上去除電爐上方的松散絕熱材料，從而加速冷卻。結(jié)果，在每一次加熱處理后都需要更換絕熱體。
本發(fā)明提供了一種新的改進(jìn)的感應(yīng)電爐和使用方法，其克服了以上涉及的問(wèn)題以及其他問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種電爐。該電爐包括一個(gè)容器，其形成了一個(gè)內(nèi)部腔室，用于容納待處理物品和一個(gè)加熱所述容器的加熱裝置。一個(gè)蓋子可選擇地關(guān)閉容器內(nèi)部腔室。冷卻系統(tǒng)包括形成腔室的圓頂，以及提升機(jī)構(gòu)，其可選擇地提升蓋子，允許熱氣從容器內(nèi)部腔室流到圓頂。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，為電爐提供了一個(gè)冷卻系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)包括一個(gè)形成內(nèi)部腔室的圓頂。冷卻裝置冷卻該圓頂。系統(tǒng)包括在感應(yīng)電爐熱區(qū)域和圓頂之間選擇性地提供流體連通的裝置，以及包括一個(gè)裝置，其根據(jù)熱區(qū)域溫度和內(nèi)部腔室溫度中的至少一個(gè)來(lái)控制連通裝置。
根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)方面，提供一種感應(yīng)電爐。該電爐包括一個(gè)基座，其形成一個(gè)容納待處理物品的內(nèi)部腔室，基座由石墨制成。感應(yīng)線圈在基座內(nèi)感應(yīng)出電流，以加熱基座?；饷娴囊粚尤嵝允种屏藦幕A的碳蒸汽逸出。
根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)方面，提供了一種操作電爐的方法。此方法包括在含氣體的第一腔室中加熱待處理的物品，以及主動(dòng)冷卻含氣體的第二腔室。第二腔室與第一腔室可選擇地流體連接。在加熱步驟后，通過(guò)可選擇地流體連接第一腔室與第二腔室，來(lái)冷卻第一腔室，因此允許熱量從第一腔室內(nèi)的氣體流動(dòng)到第二腔室內(nèi)的氣體。
本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例的優(yōu)勢(shì)在于有效增加了電爐壽命。
本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于減小了冷卻時(shí)間。
本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于冷卻系統(tǒng)易于從電爐上拆卸，簡(jiǎn)化了基座和其他熱區(qū)域部件的拆卸和替換。
本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例的其他優(yōu)勢(shì)來(lái)自于在監(jiān)控整個(gè)電爐的電爐溫度變化方面的更高精度。
當(dāng)讀到以下內(nèi)容以及看到附圖時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)勢(shì)將是顯而易見(jiàn)的。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)分批感應(yīng)電爐的側(cè)面剖視圖，顯示了處于閉合位置的電爐蓋；圖2是圖1的批量感應(yīng)電爐的側(cè)面剖視圖，顯示了處于開(kāi)啟位置的電爐蓋；圖3是沿圖2中A-A的電爐壁的放大剖視圖，顯示了一個(gè)安裝在其中的高溫計(jì)；圖4是圖1和圖2的電爐壁的放大的側(cè)面剖視圖，顯示了一個(gè)安裝在其中的高溫計(jì)；圖5是圖1的冷卻系統(tǒng)的側(cè)面剖視圖；圖6是一個(gè)曲線圖，說(shuō)明了隨著時(shí)間的推移，冷卻系統(tǒng)對(duì)電爐溫度的影響；圖7是圖5的執(zhí)行部件的放大側(cè)面剖視圖；圖8是圖5的密封和引導(dǎo)機(jī)構(gòu)的放大的側(cè)面剖視圖；圖9是圖5的圓頂?shù)膫?cè)面正視圖，顯示了安裝在外部的冷卻管；圖10是圖5的圓頂?shù)母┮晥D，顯示了安裝在外部的冷卻管；以及圖11是圖5的夾緊機(jī)構(gòu)的側(cè)面剖視圖。
具體實(shí)施例方式
參考圖1和圖2，一個(gè)適合在3000℃以上溫度下操作的感應(yīng)電爐包括一個(gè)由如石墨的導(dǎo)電材料制成的基座10?；ㄒ粋€(gè)圓柱側(cè)面壁12，在其下端由基底14封閉?？刹鹦兜慕^熱蓋16封閉基座的上開(kāi)口端部18，以形成一個(gè)內(nèi)部腔室20，此腔室提供了容納待處理物品的熱區(qū)域。蓋16包括一個(gè)由石墨制成的蓋子部分22，其位于一個(gè)由基座在鄰近上端部18處形成的隔板24之上。蓋子部分22附著于一個(gè)擴(kuò)大的絕熱塞子26的下表面上，塞子最好由剛性絕熱材料制成，例如石墨剛性絕熱材料。塞子26在其上端部具有向外延伸的外圍凸緣。在感應(yīng)電爐操作周期的加熱階段，蓋16封閉內(nèi)部腔室20，允許電爐在例如氬等惰性氣體的微小正壓力下工作。惰性氣體是這樣的氣體在部件和產(chǎn)品暴露的溫度范圍內(nèi)，其不與電爐部件或進(jìn)行熱處理的產(chǎn)品發(fā)生反應(yīng)。這防止了碳以及石墨電爐部件和熱處理產(chǎn)品的氧化。在低于大約1900℃的工作溫度下，可以使用氮作為惰性氣體，隨后當(dāng)溫度到達(dá)該水平時(shí)，用氬替換氮。正壓力最好至大約20千克/平方米。
由感應(yīng)線圈30感應(yīng)加熱基座10，由交流電源(未示出)提供動(dòng)力。線圈30產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)，其穿過(guò)基座，在基座中感應(yīng)出電流，并且導(dǎo)致基座發(fā)熱。待熱處理的物品，例如用于形成石墨的瀝青纖維，位于罐32內(nèi)，該罐最好由石墨制成。在加熱處理前，將罐32裝載到基座腔室20中。熱通過(guò)輻射從基座傳遞到纖維中。
在整個(gè)基座截面中，流過(guò)基座10的感應(yīng)電流是不均勻的。在外表面34的電流密度最大，并且朝著內(nèi)表面36按指數(shù)規(guī)律下降。選擇基座厚度，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)過(guò)基座的相對(duì)均勻的電流分布，并且感應(yīng)出一些電流，并在電爐內(nèi)的石墨罐32中直接生成熱。電爐合適的厚度大約為5厘米。經(jīng)過(guò)基座截面的溫度分布給出了從外表面34提升溫度到基座內(nèi)的一個(gè)最大值，隨后降到內(nèi)表面36的較低值。
如在圖3和4中的最佳所示，基座的外表面34用柔性石墨板材的阻擋層40包裹?？梢垣@得從俄亥俄州Lakewood，OH.的Graftech公司出品的名稱為Grafoil的商品的合適石墨板材。柔性石墨板材最好由在添加溶液中添加石墨片來(lái)構(gòu)成，該溶液含有酸，例如硫磺和硝酸的化合物，隨后利用熱量將添加的微粒分層。當(dāng)暴露在足夠的溫度下，通常大約為700℃或700℃以上，微粒以可折疊方式膨脹，從而生成具有蠕蟲(chóng)狀外形的顆粒。此“蠕蟲(chóng)”可以在一起壓縮成柔韌或完整的膨脹石墨板材，通常稱為“柔性石墨”，無(wú)需粘合劑。
通過(guò)控制壓縮率，可以改變用于阻擋層40的板材密度和厚度。板材密度通常在大約0.4克/立方厘米到大約2.0克/立方厘米的范圍內(nèi)，厚度最好為大約0.7到1.6毫米。
粘合劑(未示出)可以應(yīng)用在柔性石墨板40和基座10的外表面34之間，從而在裝配電爐期間，保持板與基座接觸。雖然也設(shè)想僅在鄰近那些被加熱到最高溫度、通常稱為“熱區(qū)域”的區(qū)域使用石墨板，但石墨板最好覆蓋基座的整個(gè)外表面34，包括側(cè)壁12和基底14。石墨板用作圍繞基座的蒸汽阻擋層，抑制了從基座表面34升華的碳蒸汽的逸出。這導(dǎo)致了碳蒸汽的部分壓力在鄰近基座的區(qū)域增加。碳在基座上的蒸發(fā)率和再沉淀率之間很快達(dá)到平衡，其抑制了石墨進(jìn)一步從基座蒸發(fā)的損失。
繼續(xù)參考圖1和3，基座位于具有底緣52的壓力容器50內(nèi)，例如，壓力容器由玻璃纖維制成，底緣52由鋁制成。壓力容器內(nèi)襯有冷卻管54，其最好由非磁性材料制成，例如銅。冷卻管設(shè)置成垂直，螺旋形回路。冷卻管彼此電絕緣，以防止圓周方向的電流。例如水等的冷卻液體，一直通過(guò)冷卻管流動(dòng)，從而防止管和其他電爐部件過(guò)熱。
冷卻管鑄成耐火材料厚層56，耐火材料主要包括碳化硅，其提供了良好的導(dǎo)熱性、強(qiáng)度和電絕緣。在耐火材料和鄰近側(cè)壁12以及基底14的基座10之間，填有絕熱材料層58，例如碳黑。在電爐工作期間，絕熱材料層58原地固定柔性石墨層40。碳黑最好是細(xì)粉末形式，當(dāng)替換或修理基座10時(shí)，這使得碳黑能通過(guò)真空從電爐吸出?；S之很容易從電爐拆卸。絕熱材料層58的厚度保持最小值，從而提供快速冷卻時(shí)間。選擇最佳絕熱級(jí)別，從而防止過(guò)多的熱損失，并提供盡可能最短的冷卻時(shí)間。與傳統(tǒng)電爐相比，因?yàn)榧訜岫黾拥哪芰恳?，與來(lái)自快速冷卻時(shí)間的電爐生產(chǎn)力的增益相抵消。
現(xiàn)在參考圖5，冷卻系統(tǒng)60可選擇地安裝到電爐上端部，從而封閉基座腔室20的上端部。冷卻系統(tǒng)包括一個(gè)由銅或其他非磁性材料制成的圓頂62。圓頂62形成了一個(gè)內(nèi)部的、不透氣的圓頂腔室64，其在微小正壓力下容納有惰性氣體。在電爐操作周期的加熱時(shí)間部分中，圓頂下端部66與基座腔室20通過(guò)電爐蓋16(圖1)隔離。蓋16沒(méi)有必要使內(nèi)部腔室20與周圍環(huán)境中隔離，因?yàn)閳A頂用于此目的。在爐周期的冷卻時(shí)間部分中，主動(dòng)冷卻圓頂。特別地，如在圖9和10中所示，冷卻管68固定到圓頂外表面上，并與一個(gè)外部的熱交換器70連接。圓頂整個(gè)表面最好都用于冷卻，從而最大化熱量去除率。第一組冷卻管68A環(huán)繞圓頂?shù)膱A柱側(cè)壁72，而第二組冷卻管68B位于圓頂上壁74的外部。
經(jīng)由一個(gè)適當(dāng)定位的絞盤(pán)(未示出)，冷卻系統(tǒng)60可從一個(gè)遠(yuǎn)離電爐的位置移動(dòng)到電爐頂部的位置。圓頂下端部的外圍凸緣76夾緊于電爐壁的上部分78(分別包括耐火材料和玻璃纖維壓力容器的上端部)中，該上部分78在基座上方延伸(圖2)。
在冷卻期間，圓頂用作電爐的熱交換器。如在圖5中所示，可操作一個(gè)提升機(jī)構(gòu)80，以提升電爐蓋16。這在電爐腔室和圓頂腔室64之間產(chǎn)生一個(gè)開(kāi)口82(圖2)。尤其是，從一個(gè)關(guān)閉位置提升蓋16到一個(gè)開(kāi)啟位置，關(guān)閉位置如圖1中所示，其中蓋子部分22位于隔板24上，而開(kāi)啟位置如圖2中所示，其中蓋子部分與隔板間隔一段距離。通過(guò)自然對(duì)流，進(jìn)行基座腔室20的熱氣和圓頂62內(nèi)的冷氣迅速的混合。使用反饋控制并通過(guò)提升蓋16來(lái)調(diào)節(jié)開(kāi)口程度，從而限制圓頂腔室64內(nèi)的溫度低于銅的熔點(diǎn)，最好在大約200-300℃的范圍內(nèi)，雖然在溫度檢測(cè)和控制特別精確的情況下，可選擇地承受更高的溫度。蓋16可在箭頭B的方向上以任意量，移動(dòng)至一個(gè)使其整體位于圓頂內(nèi)的位置(圖5)。
整個(gè)冷卻系統(tǒng)60可以從電爐上移走，允許容易地拆卸基座10，以便維修或替換。一個(gè)最佳顯示于圖11中的夾緊機(jī)構(gòu)84，可選擇地將冷卻機(jī)構(gòu)的外圍凸緣76夾到電爐壁78上。這樣，在加熱處理期間，圓頂62將腔室20的上端部和圓頂腔室64與外部的、周圍的環(huán)境隔離。夾緊機(jī)構(gòu)84包括一個(gè)冷卻管86，給冷卻管供給冷卻水，從而使夾緊機(jī)構(gòu)保持冷卻。如圖1所示，一個(gè)外部支架88可選擇地承載圓頂?shù)拇蟛糠种亓浚员苊鈱?duì)電爐壁78上端部可能的損壞。
參考圖5，一個(gè)或更多個(gè)例如熱電偶等的溫度探測(cè)器90，放置于圓頂62內(nèi)。溫度探測(cè)器為控制系統(tǒng)92提供信號(hào)，如果圓頂腔室64內(nèi)的溫度變高，該控制系統(tǒng)用信號(hào)通知提升機(jī)構(gòu)80放下蓋子，以減小開(kāi)口82的尺寸，而如果溫度下降到預(yù)設(shè)水平以下，控制系統(tǒng)指示提升機(jī)構(gòu)，通過(guò)提升蓋16來(lái)增加開(kāi)口尺寸。
如在圖5中所示，在圓頂腔室64內(nèi)可選擇地提供流體混合裝置，例如風(fēng)扇94，以改善基座腔室20和圓頂腔室64之間的氣體循環(huán)。
在大約1500℃以上，熱度最快速地流過(guò)電爐側(cè)面，因而經(jīng)過(guò)絕熱層58的冷卻速度相對(duì)較快。這樣，在循環(huán)的冷卻部分的最初時(shí)期，圓頂62的冷卻效果通常并不有利。因此，在大約3100℃和大約1500℃之間的最初冷卻時(shí)期，電爐蓋16最好保持閉合。一旦爐溫達(dá)到大約1500℃，絕熱材料抑制冷卻，圓頂62的冷卻作用變得有效。因此，最好在這個(gè)階段開(kāi)始蓋16的提升。
圖6顯示了上端冷卻系統(tǒng)60在電爐冷卻速度上的效果。顯示了兩條曲線，一條顯示了沒(méi)有圓頂?shù)碾姞t的預(yù)測(cè)冷卻，另一條顯示了使用圓頂62的預(yù)測(cè)冷卻。能夠看到當(dāng)使用圓頂時(shí)，冷卻時(shí)間大約為48小時(shí)，從而總體冷卻時(shí)間減少了至少一半。這些結(jié)果是針對(duì)內(nèi)徑63厘米、高241厘米的基座以及4.65平方米的圓頂傳熱面積(也就是，圓頂側(cè)壁72和頂壁74的總面積)來(lái)預(yù)測(cè)的。
再次參考圖5，同時(shí)參考圖7，提升機(jī)構(gòu)80有利地包括一個(gè)直線執(zhí)行部件100。通過(guò)一個(gè)活節(jié)聯(lián)軸器104，執(zhí)行部件100在其下端連接到一個(gè)安裝板102上。安裝板102通過(guò)螺栓106或其他合適的固定構(gòu)件安裝到圓頂上壁74上。直線執(zhí)行部件100伸展或者收縮，從而收起或釋放滾鏈108的一端，滾鏈越過(guò)一個(gè)滑輪系統(tǒng)110；直線執(zhí)行部件可包括一個(gè)由空氣或液壓操作的活塞107。滾鏈108的另一端與垂直定向的圓柱提升桿112的上端連接。直線執(zhí)行部件100、安裝板102、滾鏈108和滑輪系統(tǒng)110支撐在不銹鋼或類似材料制成的機(jī)架114內(nèi)，并且不經(jīng)受圓頂腔室64內(nèi)的熱氣。
提升桿112的下端延伸進(jìn)入圓頂腔室64，并且通過(guò)不銹鋼聯(lián)結(jié)器120與電爐蓋16連接。聯(lián)結(jié)器120安裝到石墨支撐桿121上，支撐桿延伸恰好穿過(guò)蓋16。同時(shí)參考圖8，提升桿112穿過(guò)執(zhí)行部件安裝板102內(nèi)的第一開(kāi)口122以及圓頂上壁74的第二開(kāi)口124。
繼續(xù)參考圖8，一個(gè)密封和引導(dǎo)系統(tǒng)130用來(lái)引導(dǎo)桿112的下端通過(guò)開(kāi)口122、124，并在圓頂腔室64和機(jī)架114內(nèi)部之間提供密封。密封和引導(dǎo)系統(tǒng)尤其包括一個(gè)不銹鋼制成的圓柱套管132。在套管下端133以上很短的距離，將套管焊接或安裝到一個(gè)環(huán)形安裝凸緣134上，該凸緣又環(huán)繞開(kāi)口122用螺栓固定到安裝板102上。用螺栓138將套管上端安裝到第二環(huán)形凸緣136上。套管132的下端133延伸到安裝板102下方。套管132下端部133，將如O型圈等的環(huán)形密封件140擠壓靠在圓頂上壁74的上表面。當(dāng)提升桿穿過(guò)密封件上下移動(dòng)時(shí)，密封件與提升桿密閉接合。在套管132內(nèi)上下軸承144、145之間支撐間隔管142，上下軸承分別倚靠凸緣136和密封件140。間隔管142容納提升桿112從中穿過(guò)。
再次轉(zhuǎn)向電爐操作，安裝若干個(gè)高溫計(jì)150(在優(yōu)選實(shí)施例中為3個(gè))，與相應(yīng)的管152保持熱連通，管穿過(guò)基座壁12進(jìn)入基座腔室20(圖2-4)。在加熱和冷卻基座腔室期間，高溫計(jì)150放置于基座腔室20的不同區(qū)域，并且允許連續(xù)監(jiān)測(cè)周圍溫度。高溫計(jì)150最好信號(hào)通知控制系統(tǒng)92，控制系統(tǒng)92使用檢測(cè)溫度來(lái)確定何時(shí)信號(hào)通知提升機(jī)構(gòu)80開(kāi)始提升蓋16。
在一個(gè)爐周期開(kāi)始前，在整個(gè)熱區(qū)域的不同地點(diǎn)，將若干證明盤(pán)154也放置在基座腔室20內(nèi)。證明盤(pán)154提供每一個(gè)盤(pán)所暴露的最高溫度的精確確定。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，證明盤(pán)由碳制成，碳在加熱處理期間變成石墨。通過(guò)測(cè)量暴露的盤(pán)154的石墨晶粒的大小，并且與從精確校準(zhǔn)試樣盤(pán)獲得的那些尺寸相比較，來(lái)確定最高溫度。通過(guò)產(chǎn)生的衍射模式，X射線衍射技術(shù)可用來(lái)自動(dòng)確定晶粒尺寸。
在加熱處理后，檢測(cè)證明盤(pán)154，從而顯示出比僅靠高溫計(jì)150所能提供的更詳細(xì)的溫度分布模式。此外，盤(pán)154對(duì)高溫計(jì)150提供檢查，隨著時(shí)間的推移，高溫計(jì)有不再準(zhǔn)確、甚至完全損壞的趨勢(shì)。因?yàn)楸P(pán)的低成本以及使用簡(jiǎn)易，比起高溫計(jì)的可行性，可使用更多的證明盤(pán)。在每一次加熱處理后，丟棄盤(pán)154，更換新的盤(pán)。
最好對(duì)每一個(gè)電爐維持一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，從而存儲(chǔ)高溫計(jì)的讀數(shù)和盤(pán)的測(cè)量值，并且對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)分析。在幾個(gè)爐周期過(guò)程中，能夠?qū)Ω邷赜?jì)錯(cuò)誤、感應(yīng)線圈端部效應(yīng)以及不良絕熱區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)和更正。
典型的加熱處理進(jìn)行如下。將待處理的物品，例如石墨化的瀝青纖維，加載到一個(gè)或者多個(gè)罐32內(nèi)。對(duì)罐進(jìn)行封閉，并且連同若干新證明盤(pán)154一起，放入基座腔室20中。冷卻系統(tǒng)由一個(gè)適當(dāng)定位的絞盤(pán)(未示出)操控，直到凸緣76位于爐壁部分78上。在微小的正壓力下，基座腔室20和圓頂腔室64內(nèi)的空氣被替換成惰性氣體。在加熱處理期間，惰性氣體經(jīng)由入口和出口進(jìn)給管(未示出)持續(xù)通過(guò)腔室20。通過(guò)直線執(zhí)行部件100將蓋16降到閉合位置，在該位置上，蓋封閉了基座腔室20。經(jīng)過(guò)冷卻管54的冷卻水流開(kāi)始流動(dòng)(在提升蓋16之前，圓頂冷卻可以推遲一段時(shí)間)。給感應(yīng)線圈30提供電源，以加熱基座10，從而使基座腔室進(jìn)入工作溫度。這可能需要一到兩天或更多的時(shí)間。一旦達(dá)到工作溫度，例如3150℃，將基座腔室20內(nèi)的溫度在該工作溫度下保持足夠長(zhǎng)的時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)理想的石墨化水平，或完成其他熱處理過(guò)程?？刂葡到y(tǒng)92使用基于高溫計(jì)測(cè)量的反饋控制，從而根據(jù)檢測(cè)的溫度來(lái)啟動(dòng)感應(yīng)線圈30。
一旦加熱階段完成，切斷感應(yīng)線圈30的電源，并且經(jīng)由通過(guò)絕熱層58的熱傳導(dǎo)，電爐開(kāi)始冷卻。一旦基座腔室20的溫度下降到大約1500℃，指示直線執(zhí)行部件100輕微提升蓋16到一個(gè)打開(kāi)位置，允許基座腔室20內(nèi)的熱氣與圓頂腔室64內(nèi)的冷氣混合。當(dāng)基座腔室內(nèi)的溫度進(jìn)一步下降時(shí)，執(zhí)行部件100將蓋16進(jìn)一步提離腔室，增大開(kāi)口82的尺寸，以便維持最大化的冷卻速度，而圓頂腔室64不會(huì)過(guò)熱。在大約1000℃以下，最好用熱電偶替換高溫計(jì)150。一旦基座腔室20達(dá)到適當(dāng)?shù)牡蜏?，冷卻系統(tǒng)60被移走或向空氣敞開(kāi)，例如通過(guò)開(kāi)啟圓頂62中的閥門(未示出)。
由冷卻系統(tǒng)60提供的改善的對(duì)柔性石墨阻擋層40的冷卻，以及由描述的證明盤(pán)154提供的精確溫度監(jiān)控，均有助于改善電爐運(yùn)作。通過(guò)使用柔性石墨，基座壽命得到了明顯改善。在基座一部分受到柔性石墨保護(hù)、而另一部分未受到保護(hù)的測(cè)試中，僅在短時(shí)間之后，測(cè)試顯示出基座的這些部分每一個(gè)的厚度有明顯不同。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在3000℃以上工作的電爐，在基座更換之間持續(xù)的時(shí)間是沒(méi)有柔性石墨阻擋層40的傳統(tǒng)電爐的4-5倍。感應(yīng)電爐適合于在至3150℃的操作溫度下延長(zhǎng)操作，這對(duì)于先前的感應(yīng)電爐來(lái)說(shuō)是不可行的。
可以理解當(dāng)參考一個(gè)感應(yīng)電爐對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行描述時(shí)，該冷卻系統(tǒng)也可以用于冷卻在高溫下操作的其他類型的電爐。
參考優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述。很顯然，對(duì)于閱讀并且理解了前述詳細(xì)描述的人來(lái)說(shuō)，可以作出修改和變動(dòng)。在后附權(quán)利要求書(shū)或其等效要求的范圍內(nèi)，本發(fā)明被解釋為包括所有這些修改和變動(dòng)是所預(yù)期的。
權(quán)利要求
1.一種電爐，包括容器，其形成了一個(gè)內(nèi)部腔室，用于容納待處理物品；加熱該容器的裝置；可選擇地關(guān)閉容器內(nèi)部腔室的蓋子；以及冷卻系統(tǒng)，其包括形成腔室的圓頂，以及提升機(jī)構(gòu)，其可選擇地提升蓋子，允許熱氣從容器內(nèi)部腔室流入圓頂。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電爐，其特征在于圓頂可選擇地安裝在容器上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的電爐，其特征在于提升機(jī)構(gòu)包括線性執(zhí)行部件。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的電爐，其特征在于線性執(zhí)行部件通過(guò)一個(gè)提升桿與蓋可操控地連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的電爐，其特征在于為了進(jìn)行垂直運(yùn)動(dòng)，提升桿的下端安裝在圓頂內(nèi)，由圓頂承載線性執(zhí)行部件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的電爐，其特征在于在第一位置和第二位置之間，所述提升機(jī)構(gòu)移動(dòng)蓋子，在第一位置時(shí)，蓋子封閉容器內(nèi)部腔室，在第二位置時(shí)，蓋子位于圓頂腔室內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的電爐，其特征在于圓頂腔室能夠維持惰性氣體的正壓力。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的電爐，進(jìn)一步包括主動(dòng)冷卻圓頂?shù)睦鋮s裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的電爐，其特征在于冷卻裝置包括安裝到圓頂表面的冷卻管，冷卻流體流經(jīng)此冷卻管。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的電爐，進(jìn)一步包括監(jiān)控圓頂溫度的溫度探測(cè)器。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的電爐，其特征在于加熱裝置包括一個(gè)感應(yīng)線圈，而容器包括一個(gè)基座，感應(yīng)線圈在基座內(nèi)感應(yīng)出電流，從而加熱基座。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的電爐，其特征在于圓頂由非磁性材料制成。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的電爐，其中基座由石墨制成，該感應(yīng)電爐進(jìn)一步包括基座外表面的一層柔性石墨，其抑制了從基座升華的碳蒸汽逸出。
14.一種用于感應(yīng)電爐的冷卻系統(tǒng)，包括形成內(nèi)部腔室的圓頂；冷卻圓頂?shù)睦鋮s裝置；在感應(yīng)電爐熱區(qū)域和圓頂之間可選擇地提供流體連通的裝置，以及根據(jù)熱區(qū)域溫度和一個(gè)內(nèi)部腔室溫度中的至少一個(gè)來(lái)控制連通裝置的裝置。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其特征在于，冷卻裝置包括冷卻管，冷卻液體流過(guò)冷卻管從而冷卻圓頂。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其特征在于，可選擇地提供流體連通的裝置包括提升機(jī)構(gòu)，在第一位置和第二位置之間，其可選擇性移動(dòng)蓋子，在第一位置時(shí)，蓋子封閉熱區(qū)域，與圓頂內(nèi)部腔室隔開(kāi)，在第二位置時(shí)，熱氣從熱區(qū)域流入圓頂內(nèi)。
17.一種感應(yīng)電爐，包括基座，其形成一個(gè)容納待處理物品的內(nèi)部腔室，基座由石墨制成；感應(yīng)線圈，其在基座內(nèi)感應(yīng)出電流，以加熱基座；以及基座外表面的一層柔性石墨，其抑制了從基座升華的碳蒸汽逸出。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的電爐，進(jìn)一步包括包裹著柔性石墨層的一層粉末狀絕熱材料，其使柔性石墨層與基座保持接觸。
19.一種操作電爐的方法，包括在包含氣體的第一腔室內(nèi)加熱待處理的物品；主動(dòng)冷卻包含氣體的第二腔室，第二腔室與第一腔室可選擇地流體連接；在加熱步驟后，通過(guò)可選擇地流體連接第一腔室與第二腔室，來(lái)冷卻第一腔室，因此允許熱量從第一腔室內(nèi)的氣體流動(dòng)到第二腔室內(nèi)的氣體。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，進(jìn)一步包括探測(cè)第二腔室的溫度；以及控制第一和第二腔室之間的開(kāi)口尺寸，從而確保第二腔室的溫度保持在預(yù)先設(shè)定的水平以下。
21.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，進(jìn)一步包括在加熱步驟前，在第一腔室內(nèi)放置證明盤(pán)；以及在冷卻第一腔室的步驟后，移開(kāi)證明盤(pán)并且對(duì)盤(pán)進(jìn)行檢測(cè)，以確定在加熱步驟期間每一個(gè)盤(pán)所暴露的最高溫度。
22.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其特征在于加熱步驟包括將第一腔室加熱到至少3000℃的溫度。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其特征在于加熱步驟包括將第一腔室加熱到至少3100℃的溫度。
24.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，在加熱步驟前，進(jìn)一步包括用柔性石墨材料環(huán)繞由石墨制成的第一腔室的壁，抑制加熱步驟期間石墨從壁上的揮發(fā)。
25.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其特征在于第一和第二腔室中的氣體為在正壓力下的惰性氣體。
26.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其特征在于，冷卻第一腔室的步驟包括當(dāng)?shù)谝磺皇覂?nèi)的溫度下降到大約1500℃時(shí)，可選擇地流體連接第一腔室和第二腔室。
27.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其特征在于，可選擇地流體連接第一腔室和第二腔室的步驟包括提升可選擇地閉合第一腔室的蓋子，從而在第一和第二腔室之間提供一個(gè)開(kāi)口，通過(guò)升降蓋子來(lái)調(diào)控開(kāi)口尺寸。
28.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，進(jìn)一步包括在第一腔室上安裝圓頂，從而將第一腔室與周圍環(huán)境隔離，圓頂形成第二腔室，并且通過(guò)蓋子與第一腔室間隔，圓頂承載一個(gè)提升機(jī)構(gòu)，該提升機(jī)構(gòu)可選擇地提升蓋子，從而在冷卻步驟期間允許第一腔室和第二腔室之間流體連通。
全文摘要
一種可在超過(guò)3100℃的溫度下操作的感應(yīng)電爐，具有一個(gè)冷卻系統(tǒng)(60)，其可選擇地安裝于爐壁(76)的上端。冷卻系統(tǒng)包括一個(gè)圓頂(62)，其通過(guò)冷卻水管(68)主動(dòng)冷卻。在加熱處理的冷卻期間，最初通過(guò)電爐絕熱層(58)遠(yuǎn)離熱區(qū)域的熱傳導(dǎo)，自然地進(jìn)行冷卻。一旦電爐熱區(qū)域(20)內(nèi)的溫度達(dá)到大約1500℃，安裝于圓頂?shù)囊粋€(gè)提升機(jī)構(gòu)(80)輕微提升電爐蓋(16)，允許來(lái)自熱區(qū)域的熱氣與圓頂內(nèi)較冷的氣體混合。這加速了熱區(qū)域的冷卻，大大減少了冷卻時(shí)間，不需要定期更換的閥門或其他復(fù)雜冷卻機(jī)件來(lái)阻塞電爐本身。通過(guò)用柔性石墨阻擋層(40)包裹基座，提高了石墨電爐基座(10)在高操作溫度下的壽命；柔性石墨阻擋層(40)抑制了石墨的蒸發(fā)。此外，位于基座內(nèi)的證明盤(pán)(154)提供了熱區(qū)域的精確溫度分布。
文檔編號(hào)F27D99/00GK1659415SQ03812903
公開(kāi)日2005年8月24日 申請(qǐng)日期2003年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月4日
發(fā)明者D·J·米勒, W·H·羅夫, A·W·因特米爾, T·R·托曼, 邵理璋, S·L·斯特隆 申請(qǐng)人:尤卡碳工業(yè)有限公司