用于氧化物纤维制品的超高温烧结炉及烧结方法与流程

本发明涉及一种用于氧化物纤维制品的超高温烧结炉及烧结方法，属于高温材料热处理设备与技术领域。

背景技术：

氧化物纤维制品作为一种在航空航天、民用高温隔热保温节能环保行业急需的材料，具有高熔点、耐高温、轻质、高强度等特点，如zro2、mgo、al2o3、cao及其复合氧化物纤维等，具有非常广泛的用途，成为各类研究机构研发的热点。

但该类氧化物都具有非常高的熔点，在2000℃以上，且在高温下的粘度小，很难采用高温熔融的方法制备相应纤维材料，多采用溶胶-凝胶法或聚合物前驱体方法，一般经过纺丝溶液配制-成纤-烧结等过程，而且纤维及其制品随着处理温度的升高，纤维的直径或体积出现不同程度的收缩。若不经过高温处理，纤维制品在使用过程中会出现持续收缩，无法保证原有的尺寸和形状，造成节能效果下降，严重时造成物料的损坏、设备的烧蚀甚至高温带来的人员财产损失。

目前工业上可长期使用的高温炉最高到1700-1750℃，距离上述氧化物的熔点还有几百度的温差，而且该类纤维材料期望使用的温度在2000℃甚至更高。所以，普通的高温炉已满足不了实际的需求。可达到2000℃甚至2300℃只有石墨或者钨钼两种加热方式，其中钨钼加热已达到温度的极限，很难重复使用，高温下挥发严重，一是污染产品，二是成本昂贵。而石墨加热方式的温度空间较大、可调，可做成连续式或间歇式高温炉，且在真空或者n2、ar等惰性气体保护下可正常运行，但最主要的问题是，高温下石墨挥发或接触与al2o3、zro2、mgo等氧化物发生反应，c与其中的o相结合，一是造成石墨板或发热体的损耗破坏，降低设备使用寿命；二是形成大量co，对环境和产品都带来污染。

此外，中国专利文件cn1352375a公开了电阻加热式超高温真空烧结炉，其主要包括炉体,电阻加热装置和真空压力及超高温检测部分等辅助装置；电阻加热装置中电源两极通过炉外大电流母线及金属水冷电极进入烧结炉,再经由碳－石墨材料制成的过渡电极连接于发热体板架上,构成完整的回路系统；电阻加热装置中发热体板架采用一侧上下发热体串联,两侧并联的电路结构。中国专利文件cn100347507c公开了一种用于制备氧化锆连续纤维的烧结炉，其特征在于，主要包含一个内管和一个外管，内管和外管均由石英或氧化铝、氧化锆陶瓷制成，外管用于加热，加热炉丝均匀缠于其外管外部；内管用于吹气，一头密闭，另一头与外部相通，内管上接一气体阀门，沿内管壁一周轴向均匀刻有狭缝，通气时气流可从内管管内经由细小狭缝成辐射状向管外吹出，内管套在外管内，外管周圈包裹有隔热层，外管两端塞有密闭绝热陶瓷塞，其中一端的塞子将内管与外管套在一起，另一端塞子中心套有一根直接与外部相通的、直径与内管相同、接有气体阀门的石英或陶瓷管，作为外管的进出气管道。上述烧结炉不仅结构复杂，而且没有对烧结炉组件进行处理，在高温烧结过程中，无法避免石墨与氧化物纤维发生反应。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种用于氧化物纤维制品的超高温烧结炉及烧结方法，该烧结炉可阻止石墨与处理氧化物纤维之间的反应，以期获得经超高温处理的氧化物纤维制品，同时也防止炉体及内部配件的氧化，延长使用寿命，减少环境污染。

本发明的技术方案如下：

一种用于氧化物纤维制品的超高温烧结炉，包括石墨电极和筒体，所述的筒体内设置有硬毡筒，所述的筒体和硬毡筒之间设置有石墨毡和碳毡，所述的石墨毡靠近硬毡筒的一侧，所述的硬毡筒内设置有石墨舟，所述的石墨舟和硬毡筒之间设置有间距，所述的石墨舟内设置有承烧装置，石墨电极设置在石墨舟和硬毡筒之间的间距中。

根据本发明，优选的，所述的石墨舟为空腔结构，石墨材质，空腔内壁左右两侧分别设置有突起。突起的设置将石墨舟内部空间分为多层，可充分利用炉膛空间，提高烧结效率。不同层次的突起可承载多层承烧板。在使用过程中，必要时可封闭石墨舟，以形成温度均匀的温场。

根据本发明，优选的，所述的石墨舟的内壁设置有隔离保护层，用于阻止高温下石墨挥发。优选的隔离保护层的材质为bn、sio2、sic、zrb2等，为耐高温、抗氧化、绝缘、导热材料。

根据本发明，优选的，所述的石墨舟下方和硬毡筒下方设置有通气孔，用于通入n2、ar等惰性气体，可有效减少烧结过程产生的无益成分。

根据本发明，优选的，所述的硬毡筒为空腔结构，石墨材质；所述的石墨毡和碳毡环绕硬毡筒。石墨毡、碳毡和硬毡筒共同构成了烧结炉的保温层，具有最优的保温隔热节能效果。石墨毡为碳毡在1800-2000℃高温处理得到。石墨材质的硬毡筒和石墨毡能够耐受2000℃以上的高温，为烧结炉提供充分的保温作用。

根据本发明，优选的，所述的承烧装置，包括第一承烧板，所述第一承烧板的上表面设置有凹槽，所述的凹槽中设置有承烧球，所述的承烧球凸出于第一承烧板表面并且可在凹槽中自有转动。

本发明在第一承烧板上设置凹槽，在凹槽内设置承烧球。这种设置使得氧化物纤维板与第一承烧板的接触面积大大减小，减小了氧化物纤维板收缩时的摩擦阻力。同时承烧球可在凹槽中自有转动，进一步减少氧化物纤维板的摩擦阻力。

根据本发明，优选的，凹槽的直径大于承烧球的直径，进一步优选的，承烧球的直径为5-10mm。这种设置，更有利于承烧球在凹槽中自有转动。

根据本发明，优选的，凹槽为半球形凹槽，凹槽在第一承烧板表面均匀分布；进一步优选的，相邻两个凹槽的中心间距为20-30mm。

根据本发明，优选的，所述的承烧装置还设置有两个以上的第二承烧板并由承烧球支撑，第二承烧板的面积小于第一承烧板的面积。

根据本发明，优选的，所述的第二承烧板的形状为方形或圆形。进一步优选的，方形第二承烧板的大小为(70-100)*(50-70)*(5-10)mm，圆形第二承烧板的直径为30-100mm厚度5-10mm。

根据本发明，优选的，相邻两个第二承烧板之间设置有间距，进一步优选的，间距大小为15-30mm。设置第二承烧板可以进一步承载氧化物纤维板，在氧化物纤维板收缩时，第二承烧板可以在承烧球上滑动，进一步防止氧化物纤维板因收缩不均匀导致断裂。第二承烧板之间设置间距，保证氧化物纤维板高温收缩时第二承烧板之间留有足够的空间。

根据本发明，优选的，所述的第一承烧板、承烧球和第二承烧板为石墨材质。石墨材质可以实现更高温度的热处理。进一步优选的，第二承烧板上方还设置有隔离板。隔离板的尺寸和之间的间距与第二承烧板相同。优选的，隔离板所用材料具有较高的高温强度和稳定性，且导热性好，如硼化锆、碳化锆、氮化锆等之一或者它们的混合。在工作状态时，隔离板位于第二承烧板和氧化物纤维板之间，可防止石墨材质的第二承烧板与氧化物纤维板之间的直接接触，避免第二承烧板和氧化物纤维板之间发生化学反应。

根据本发明，使用上述超高温烧结炉对于氧化物纤维制品的烧结方法，包括步骤如下：

(1)将待烧结的氧化物纤维板布置完成后对超高温烧结炉进行升温，升温程序为：4h升温到600℃，然后5h升温到1500℃，2h升温到1800℃；2h升温到1950℃，1950℃恒温2h，之后开始降温；100min降温到1700℃，60min降温到1500℃，之后自然降温至室温；

或者，4h升温到600℃，然后5h升温到1500℃，2h升温到1800℃；3h升温到2000℃，2000℃恒温2h，之后开始降温；200min降温到1400℃，之后自然降温至室温；

或者，4h升温到600℃，然后5h升温到1500℃，2h升温到1800℃；200min升温到2050℃，2050℃恒温2h，之后开始降温；200min降温到1500℃，之后自然降温至室温；

或者，4h升温到600℃，然后5h升温到1500℃，2h升温到1800℃；4h升温到2200℃，2200℃恒温3h，之后开始降温；300min降温到1500℃，之后自然降温至室温；

(2)烧结过程气体环境为：升温至600℃之前炉内保持抽真空，真空度-0.1mpa；降温至1500℃之前使用n2作保护气氛，之后至降至600℃前保持抽真空，真空度-0.1mpa；

或者，升温至600℃之后到降温至1500之前使用n2作保护气氛，其他时间保持抽真空，真空度-0.1mpa；

本发明未详尽说明的，均按本领域现有技术。

本发明的特点和有益效果如下：

1、本发明的用于氧化物纤维制品的高温烧结炉，其加热方式采用石墨电极，结构是连续式或者间歇式，可在真空或者n2、ar等惰性气体保护下正常运行，高效节能环保。设置隔离保护层，使得石墨在高温下不挥发，石墨与氧化物之间不反应，无污染。

2、本发明的承烧装置中，在第一承烧板上设置凹槽，在凹槽内设置承烧球，使得氧化物纤维板与第一承烧板的接触面积大大减小，减小了氧化物纤维板收缩时的摩擦阻力。同时承烧球可在凹槽中自有转动，进一步减少氧化物纤维板的摩擦阻力。设置第二承烧板可以进一步承载氧化物纤维板，在氧化物纤维板收缩时，第二承烧板可以在承烧球上滑动，进一步防止氧化物纤维板因收缩不均匀导致断裂。同时，第二承烧板上方设置有隔离板，可防止石墨材质的第二承烧板与氧化物纤维板之间的直接接触，避免第二承烧板和氧化物纤维板之间发生化学反应。

3、使用本发明的烧结炉，氧化物纤维制品经高温烧结后，完好无损，尺寸规则，在1700-2200℃范围内具有不收缩、不变形、无污染的特点。

附图说明：

图1为本发明超高温烧结炉的主体结构示意图。

图2为本发明超高温烧结炉硬毡筒内石墨舟的主体结构示意图。

图3为本发明超高温烧结炉中承烧装置的主体结构示意图。

其中：1、硬毡筒；2、筒体；3、石墨毡；4、碳毡；5、承烧装置，5-1、第一承烧板，5-2、承烧球，5-3、第二承烧板，5-4、隔离板，5-5、凹槽；6、石墨舟；7、通气孔，8、氧化物纤维板。

具体实施例：

下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步说明，但不限于此。

实施例1

如图1-3所示，一种用于氧化物纤维制品的超高温烧结炉，包括石墨电极和筒体2，所述的筒体2内设置有硬毡筒1，所述的筒体2和硬毡筒1之间设置有石墨毡3和碳毡4，所述的石墨毡3靠近硬毡筒1的一侧，所述的硬毡筒1内设置有石墨舟6，所述的石墨舟6和硬毡筒1之间设置有间距，所述的石墨舟6内设置有承烧装置5，石墨电极设置在石墨舟6和硬毡筒1之间的间距中。

所述的石墨舟6为空腔结构，石墨材质，空腔内壁左右两侧分别设置有突起。突起的设置将石墨舟6内部空间分为多层，可充分利用炉膛空间，提高烧结效率。不同层次的突起可承载多层承烧板5。

所述的石墨舟6的内壁设置有隔离保护层，用于阻止高温下石墨挥发。隔离保护层的材质为bn、sio2、sic或zrb2。

所述的石墨舟6下方和硬毡筒1下方设置有通气孔7，用于通入n2、ar等惰性气体，可有效减少烧结过程产生的无益成分。

所述的硬毡筒1为空腔结构，石墨材质；所述的石墨毡3和碳毡4环绕硬毡筒1。石墨毡3、碳毡4和硬毡筒1共同构成了烧结炉的保温层，具有最优的保温隔热节能效果。石墨毡3为碳毡4在1800-2000℃高温处理得到。石墨材质的硬毡筒1和石墨毡3能够耐受2000℃以上的高温，为烧结炉提供充分的保温作用。

所述的承烧装置5，包括第一承烧板5-1，所述第一承烧板5-1的上表面设置有凹槽5-5，所述的凹槽5-5中设置有承烧球5-2，所述的承烧球5-2凸出于第一承烧板5-1表面并且可在凹槽5-5中自有转动。凹槽5-5的直径大于承烧球5-2的直径，承烧球5-2的直径为5-10mm。凹槽5-5为半球形凹槽，凹槽5-5在第一承烧板5-1表面均匀分布；相邻两个凹槽5-5的中心间距为20-30mm。所述的承烧装置5还设置有两个以上的第二承烧板5-3并由承烧球5-2支撑，第二承烧板5-3的面积小于第一承烧板5-1的面积。所述的第二承烧板5-3的形状为方形或圆形。方形第二承烧板5-3的大小为(70-100)*(50-70)*(5-10)mm，圆形第二承烧板5-3的直径为30-100mm厚度5-10mm。相邻两个第二承烧板5-3之间设置有间距，间距大小为15-30mm。所述的第一承烧板5-1、承烧球5-2和第二承烧板5-3为石墨材质。第二承烧板5-3上方还设置有隔离板5-4。隔离板5-4的尺寸和之间的间距与第二承烧板5-3相同。隔离板5-4所用材料具有较高的高温强度和稳定性，且导热性好，如硼化锆、碳化锆、氮化锆等之一或者它们的混合。

实施例2

如实施例1所述，不同的是：

石墨舟6内壁保护层为sic，摆放待烧产品，第一承烧板5-1为420*320*30mm的石墨承烧板，隔离板5-4采用70*50*10mm的zrb2块排列，上面放置尺寸为400*300*60mm、密度为0.4g/cm³的氧化锆纤维板。重复上述操作制作六组待烧试样，然后将六组试样放置于石墨舟6中，封上烧结炉的前后门(门上留有测温孔)。

布置完成后对超高温烧结炉进行升温，升温程序为4h升温到600℃，然后5h升温到1500℃，2h升温到1800℃，2h升温到1950℃，1950℃恒温2h，之后开始降温。100min降温到1700℃，60min降温到1500℃，之后自然降温至室温。

烧结过程气体环境为：升温至600℃之前炉内保持抽真空，真空度-0.1mpa。降温至1500之前使用n2作保护气氛，之后至降至600℃前保持抽真空，真空度-0.1mpa。

开炉后得到无灰化无裂纹氧化锆样品，测得密度平均为0.64g/cm³。用手抚摸石墨舟6内壁，无明显碳黑现象；观察内壁，隔离保护层依然完好无损。观察zrb2隔离板5-4与碳板接触面无变色等反应现象，zrb2隔离板5-4保持完整无开裂，可重复使用。

实施例3

如实施例1所述，不同的是：

石墨舟6内壁保护层为sic，摆放待烧产品。第一承烧板5-1为420*320*30的石墨承烧板，隔离板5-4采用70*50*10mm的zrn块排列，将三组上面放置尺寸为400*300*60mm、密度为0.3g/cm³的氧化锆纤维板，另外三组上面放置相同尺寸密度为0.4g/cm³的氧化锆纤维板。将六组试样放置于石墨舟6中，封上前后门。

布置完成后对超高温烧结炉进行升温，升温程序为4h升温到600℃，然后5h升温到1500℃，2h升温到1800℃，3h升温到2000℃，2000℃恒温2h，之后开始降温。200min降温到1400℃，之后自然降温至室温。

烧结过程气体环境为：升温至600℃之后到降温至1400之前使用n2作保护气氛，其他时间保持抽真空，真空度-0.1mpa。

开炉后得到无灰化无裂纹氧化锆样品，测得密度变化情况0.3g/cm³变为0.55g/cm³；0.4g/cm³变为0.65g/cm³。用手抚摸石墨舟6内壁，无明显碳黑现象；观察内壁，隔离保护层依然完好无损。观察zrn隔离板5-4与碳板接触面无变色等反应现象，zrn隔离板5-4大部分保持完整无开裂，可重复使用。

实施例4

如实施例1所述，不同的是：

石墨舟6内壁保护层为bn，摆放待烧产品，第一承烧板5-1为420*320*30mm的石墨承烧板，三组隔离板5-4采用70*50*10mm的zrn块排列，另外三组采用相同尺寸的zrb2块排列，上面放置两块尺寸为300*200*60mm、密度为0.5g/cm³的氧化锆纤维板。将六组试样放置于石墨舟6中，封上前后门。

布置完成后对超高温烧结炉进行升温，升温程序为4h升温到600℃，然后5h升温到1500℃，2h升温到1800℃，200min升温到2050℃，2050℃恒温2h，之后开始降温。200min降温到1500℃，之后自然降温至室温。

烧结过程气体环境为：升温至600℃之后到降温至1500之前使用n2作保护气氛，其他时间保持抽真空，真空度-0.1mpa。

开炉后得到无灰化无裂纹氧化锆样品，测得样品密度平均为1.0g/cm³。用手抚摸石墨舟6内壁，无明显碳黑现象；观察内壁，隔离保护层完好无损。zrn/zrb2隔离板5-4与碳板接触面无变色等反应现象，zrn/zrb2隔离板5-4保持完整无开裂，可重复使用。

实施例5

如实施例1所述，不同的是：

石墨舟6内壁保护层为sic，第一承烧板5-1为420*320*30mm的石墨承烧板，隔离板5-4采用70*50*10mm的zrc块排列，上面放置两块尺寸为400*150*60mm、密度为1.0g/cm³的氧化锆纤维板。重复上述操作制作六组待烧试样，然后将六组试样放置于石墨舟6中，封上前后门。

布置完成后对超高温烧结炉进行升温，升温程序为4h升温到600℃，然后5h升温到1500℃，2h升温到1800℃，4h升温到2200℃，2200℃恒温3h，之后开始降温。300min降温到1500℃，之后自然降温至室温。

烧结过程气体环境为：升温至600℃之后到降温至1500之前使用n2作保护气氛，其他时间保持抽真空，真空度-0.1mpa。

开炉后得到无灰化无裂纹氧化锆样品，测得密度平均为1.65g/cm³。用手抚摸石墨舟6内壁，无明显碳黑现象；观察内壁，隔离保护层依然完好无损。zrc隔离板5-4与碳板接触面无变色等反应现象，zrc隔离板5-4保持完整无开裂，可重复使用。