一种生产氮化物的反应炉的制作方法

本实用新型属于氮气燃烧与金属生产氮化物设备领域，具体涉及一种生产氮化物的反应炉。

背景技术：

目前金属氮化物应用领域越来越广泛，金属氮化物因其性能活泼，物理性能优良等特点受到关注。但是其氮化技术确十分困难，目前主要方式是将金属放置于氮气环境下，加热到高温使金属跟氮气充分反映。目前生产氮化物的反应炉也就是氮化炉的主要结构样式有两种，一种管式炉，一种井式炉。采用外加热方式，对整个炉膛空间进行加热，加热过程缓慢，降温也是采用外侧降温的方式，降温的速度更慢，效率低。而且这两种炉子炉膛空间有限，每次产能较低。并且因为空间小，金属氮化反应过程中释放热量集中，炉内压力上升较快，生产安全性差。金属氮化反应，特别是对于剧烈燃烧并释放大量热量的活性金属，对其氮化尤其注意安全，需要安全可靠的设备才能完成，过程中实时监控反应温度并控制氮气流量，保证氮化过程安全。

另外，金属燃烧需要一定温度，并且温度要求均匀，为了使得金属周围环境温度达到燃烧温度且均匀，就需要做好炉膛保温，保护材料越厚，炉内散发温度越少，温度更均匀。但是保温做好了，降温又是问题。金属氮化完全反应氮化过程也就1小时左右，但是降温过程要耗时8-10小时，大大降低了生产效率。但是降温过程又不能完全将炉门打开，高温下，氮化物金属遇到空气会剧烈反应而氧化，必须要100度以下才能打开炉门。因此以往传统氮化炉无法实现保温性能和降温速度的统一。

在真空条件下氮化炉降温时间远远超过实际工作时间还有原因在于炉盖也不能开启，只能通过炉壁降温。目前大多数采用炉壁上做水冷管道，炉膛内部散发的热量碰到冷炉壁后，将热量传递给炉壁，炉壁的温度由水冷管道带走，但这个过程依然很慢，因为炉体内部热量都集中在加热炉膛中，炉膛有很好的保温材料包围，热量散发缓慢，因此此方法仍不能很快降低炉内温度。需要长时间，温度才能降低，而长时间放置难免会进入空气使得物料氧化，影响纯度。加快降温速度，提高生产效率至关重要。需要一种适应于真空条件下氮化炉的降温方式。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种安全性能好、效率高、保温性能好、冷却散热效果好的生产氮化物的反应炉。

本实用新型的目的是以下述方式实现的：一种生产氮化物的反应炉，包括炉体、炉体内部设置至少一层反应装置；反应装置包括保温炉膛、保温炉盖、加热装置和料盘，加热装置和料盘设置在保温装置围成的空间里面；炉体上设置冷却装置，炉体前端设置炉门；在炉体上设置有充氮气口，充氮气口通过充气阀连接充气装置；在炉体上设置有抽真空口，炉体上设置一端连通炉体内部的压力表，压力表电连接控制器控制充气阀开启或关闭；炉体内设置温度传感器，温度传感器和加热装置电连接控制器；保温炉盖连接提升机构，提升机构另一端通过炉壁上的通孔穿出炉体，提升机构与炉体之间设置密封机构；炉体外侧设置循环管道，循环管道两端分别与炉体连通，循环管道内部两端分别设置风机，风机靠近炉体一侧的循环管道内设置水冷挡板；保温炉盖上设置管道入口，循环管道的一端延伸通过保温炉盖的管道入口进入保温炉膛内部。

循环管道外表面设置水冷管道；冷却装置为炉体外表面焊接的冷却水路。

保温炉盖在保温炉膛上上下移动；所述提升机构为气缸，气缸的活塞杆通过通孔进入炉体与保温炉盖相连使保温炉盖上下移动，活塞杆与通孔之间设置密封机构。

保温炉盖与保温炉膛通过耐高温合页连接；保温炉盖连接钢丝绳，钢丝绳由设置在炉体外部的卷扬机带动；钢丝绳穿过炉体的炉壁的通孔且与炉壁之间设置密封机构。

密封机构外壁与通孔焊接，密封机构内部设置密封孔，密封孔内从下到上依次设置Y型密封法兰、Y型密封圈、O型密封法兰、O型密封圈、O型密封圈、O型密封法兰、Y型密封圈、Y型密封法兰。

炉体内设置至少两个反应装置，循环管道延伸进入炉膛的一端设置分支循环管道伸入每个反应装置的保温炉膛内部。

本实用新型的有益效果是：本实用新型不对整个炉体加热，而是在比较大的炉体内部设置相对小的保温炉膛和保温盖以及加热电阻丝组成的反应装置对金属加热并保温。一方面：直接加热金属，耗能较小、加热速度快；不加热炉体，对炉管材料要求降低，加热功率降低很多，炉子成本大幅降低。第二：炉体很容易做大，反应剧烈时炉体内压力上升慢，有足够时间控制氮气流量。安全性提高。第三：一个炉体内设置多个反应装置，相当于多个炉子同时反应，极大的提高了生产效率。第四；氮气充分利用，降低了氮气的消耗。

保温炉膛和保温炉盖具有保温作用，但是很难散热，提升机构和密封机构可以在反应完成后通过打开炉盖实现更好的散热降温，而且打开炉盖过程中炉体内部气体和外部气体不会交换，保证了散热效果和产品质量。

在炉体外部设置连通炉体内部的循环管道，通过风机使炉体内气体流动，通过流动降温更快更均匀。两个风机一个将炉体内部的热气抽出，另一个将冷却后的气体吹入，炉体内的气体流动，使得炉体内部温度快速降低。循环管道和炉体自成一个整体，避免了外部空气进入。水冷管道使循环管道降温，炉体内部热气体经过循环管道降温后在进入炉体内，从而降低炉体内部温度。减少了降温时间，物料氧化时间段，纯度更高。降温速度很快，缩短了生产时间，提高效率。保温炉膛内温度是最高的，循环管道一端延伸通入保温炉膛内部，则可以更快的交换这一部分的热量，促进降温。

附图说明

图1为多层反应装置氮化炉。

图2为炉膛示意图。

图3炉体外形图。

图4为氮化炉冷却循环装置实施例1。

图5为氮化炉冷却循环装置实施例2。

图6为氮化炉冷却循环装置实施例3。

图7为保温炉盖与循环管道俯视图。

图8为氮化炉冷却循环装置实施例4。

图9为氮化炉内部炉盖开合装置实施例1。

图10为图9中密封机构放大图。

图11为氮化炉内部炉盖开合装置实施例2。

图12为生产氮化物的反应炉实施例。

其中1为炉体、2为炉门、3为冷却水路、4为反应装置、41为保温炉膛、42为保温炉盖、43为加热电阻丝、44为料盘、45为热电偶、46为电极、5为充氮气口、6为抽真空口、7为压力表、8为机械泄压阀、9为电控泄压阀、10为炉膛支架、11为密封机构，110为密封孔，111为Y型密封法兰、112为Y型密封圈、113为O型密封法兰、114为O型密封圈、115为尼龙垫圈、116为橡胶圈、12为气缸、13为活塞杆、14为钢丝绳、15为卷扬机、16为吊环、17为导向轮、18为循环管道、19为风机、20为水冷挡板、21为水冷管道、22为管道入口、23为分支循环管道、24为阀门、25为侧边开口。

具体实施方式

如图1-12所示，生产氮化物的反应炉，有多种实施例。

如图1-3所示，多层反应装置氮化炉，包括炉体1、炉体1内部设置至少一层反应装置4。反应装置4包括保温装置、加热装置和料盘44，加热装置和料盘44设置在保温装置围成的空间里面。炉体1上设置冷却装置，炉体1前端设置炉门2；在炉体1上设置有充氮气口5，充氮气口5通过充气阀连接充气装置。在炉体1上设置有抽真空口6，炉体1上设置一端连通炉体1内部的压力表7，压力表7电连接控制器控制充气阀开启或关闭。炉体1内设置温度传感器，温度传感器和加热装置电连接控制器。

本实用新型包括真空系统，真空系统包括真空泵和真空管道以及真空计。炉体1的反应装置4内放入金属料后，首先需要对炉体1抽真空。抽真空口6通过抽气阀连接真空管道和抽气装置。抽真空后，需要通过氮气到预定的压力。炉体1上的压力表7可以为电接点压力表。电接点压力表有上限和下限值，充气过程中压力表指针到达上限时，电接点压力表发出信号，电磁阀即充气阀关闭，停止充气，当氮气消耗炉体内部压力下降低于下限值时，充气阀打开，自动往炉内冲入氮气，直到达到上限值时关闭氮气充气气路。温度传感器将温度信号传给控制器，控制器控制加热装置调整温度。这些都由控制器通过电路控制。

冷却装置为炉体1外表面焊接的冷却水路3。炉体1呈圆柱形，分炉身、上炉盖、下炉盖、炉门2，都是采用碳钢或耐热不锈钢焊接而成，且其表面上都焊接了冷却水路3，以降低炉体1表面温度。这种方式，炉体1结构比较简单，可以为单层炉壁结构的炉体。无论是制造炉体1还是安装冷却水路都比较方便且成本低。当然，炉体1也可以分为炉体内部和炉体外壁，冷却装置此时可以为设置在炉体内部和炉体外壁之间的循环水通路，循环水通道进水口设置在一侧炉体外壁的下端，循环水通道出水口设置在对侧炉体外壁的上端。

保温装置为用保温材料制成的保温炉膛41和保温炉盖42；加热装置为加热电阻丝43，加热电阻丝43设置在保温炉膛41内部。炉体1内设置炉膛支架10，保温炉膛41设置在炉膛支架10上。保温炉膛41是圆饼型的，用耐火保温材料制作，内嵌加热电阻丝43，加热电阻丝43分布在保温炉膛41底部和四周。保温炉盖42也是用保温材料制成，是实心圆饼，保温炉盖42和保温炉膛41用耐高温合页连接，方便打开放取物料。加热电阻丝43连接电极46，炉壁上开孔安装电极接线柱，电极接线柱与容器绝缘，以免加热时炉壁带电，电极接线柱外面连接外部电源，电极接线柱里面连接电极。

料44盘设置在保温炉膛41内部、位于加热电阻丝43内侧，料盘44与保温炉膛41之间设置热电偶45，热电偶45电连接控温仪。热电偶45也设置有对应的电路和炉壁上的开孔。

热电偶45是一种温度传感器，可以将温度信号传递给控温仪，控温仪也是一种控制器。控温仪控制加热电路。温度过高时，温度传感器将信号发给控温仪，控温仪控制加热装置停止加热。温度低时，控温仪控制加热装置开始加热或者增大加热速度。氮化温度控制通过自动控温仪控制，可根据需要设定工艺曲线。

炉体1上设置机械泄压阀8和电连接压力表7的电控泄压阀9。机械泄压阀8和电控泄压阀9为炉体1的压力保护系统，机械泄压阀8是当炉体1内部压力达到一定值时，机械泄压阀8自动打开放气，维持炉体内部压力平衡；电控泄压阀9由电接点压力表和电磁阀门组成，电接点压力表有上限和下限值，当炉体内部压力达到一定压力时，此压力小于机械泄压阀8泄压压力，电接点压力表发出信号，电控泄压阀9打开来泄压，当压力降到一定值时关闭电控电磁阀，停止泄压。炉体上还可以设置手动放气阀。

如图9-11所示，在加热及反应的过程中，保温炉盖42和保温炉膛41可以起到保温作用。但是保温材料散热比较慢，保温炉膛41上没有设置水冷散热机构，只靠炉体上的冷却水路3仍然需要不少时间。因此可以在上面提到的多层反应装置氮化炉内设置炉盖开合装置，氮化反应中合上炉盖，氮化反应结束后，打开保温炉盖散热，保保温炉膛内的热量可以通过炉内热传递给炉壁，通过炉壁将热量散出，可以更加方便的降温。而且在开炉盖的过程中，保持炉体密封状态，使外面空气不会进入炉体，影响产品的质量。

如图9-10所示，封闭的炉体1内设置保温炉膛41，保温炉盖42盖在炉膛上。保温炉盖42连接提升机构，提升机构另一端通过炉壁上的通孔穿出炉体1，提升机构与炉体1之间设置密封机构11。提升机构可以为气缸12，气缸12的活塞杆13通过通孔进入炉体1与保温炉盖42相连使保温炉盖42上下移动，活塞杆13与通孔之间设置密封机构11。气缸12通过支架固定在炉体1顶部，气缸12主体上安装两个接近开关，两个接近开关位置就是气缸上下限位置，当气缸上升到上限接近开关时，接近开关发出信号，关闭压缩空气，气缸停止上升，当气缸下降的下限接近开关位置时，接近开关发出信号，关闭压缩空气，气缸停止下降。气阀由电磁铁控制，接受外界信号打开和关闭气路。

密封机构11外壁与通孔焊接，密封机构11内部设置通过活塞杆的密封孔110，密封机构11从下到上依次设置Y型密封法兰111、Y型密封圈112、O型密封法兰113、O型密封圈114、O型密封圈114、O型密封法兰113、Y型密封圈112、Y型密封法兰111。Y型密封圈112、O型密封法兰113之间还可以设置尼龙垫圈115，O型密封法兰113、O型密封圈114之间也可以设置橡胶圈116。2个O型密封圈114之间也有类似垫圈之类的部件隔开彼此。通过四层密封保证活塞杆13运动过程中炉体气体不与外界连通。炉体内设置多个反应装置4时，多个保温炉盖42之间可以相连，这样可以用同一套提升装置同时提起或者放下所有的保温炉盖。本实用新型炉盖开合装置也可以用于真空炉或者气氛炉。

如图11所示，对于与保温炉膛41通过耐高温合页连接的保温炉盖42，因为保温炉盖42为转动开合，用气缸的活塞头直接连接显然不行。可以使用钢丝绳14作为提升装置。保温炉盖42连接钢丝绳14，钢丝绳14由设置在炉体1外部的卷扬机15带动。钢丝绳14穿过炉体1的炉壁的通孔且与炉壁之间设置密封机构11。密封机构11可以为图10中的密封机构，不同之处在于钢丝绳14的直径与活塞杆13直径不同。保温炉盖42上可以设置吊环16，钢丝绳14一端设置在吊环16内。炉体1内和炉体2外分别设置导向轮17使两个导向轮17之间的钢丝绳14垂直。避免保温炉盖42开启过程中，钢丝绳14角度倾斜与密封机构11之间摩擦变大损伤钢丝绳14。

如图4-8所示，金属加热以及反应在保温装置内进行，这样容易达到预定的反应温度，节省能源。但是需要散热时，保温材料却不容易散热，靠炉体炉壁外焊接的冷却水路来冷却整个炉体包括保温装置内部需要很久才能达到可以打开炉门的温度。打开保温炉盖42加快散热是一种方法，也可以在冷却装置上改进使氮化炉快速冷却。

氮化炉快速冷却循环装置，包括密封的炉体1；炉体1炉壁上设置冷却装置，炉体1内部设置至少一个反应装置4；反应装置4包括保温装置、加热装置和料盘44，加热装置和料盘44设置在保温装置围成的空间里面。炉体1外侧设置循环管道18，循环管道18两端分别与炉体1连通，循环管道18内部两端分别设置风机19，风机19靠近炉体1一侧的循环管道18内设置水冷挡板20。

在炉体1外部设置连通炉体内部的循环管道18，通过风机19使炉体1内气体流动，通过流动降温更快更均匀。在炉体1一侧上下各开两个孔，孔径100-200mm，然后用相应直径的循环管道18在炉体1外部连接两个孔，使得循环管道18和炉体1内部形成密封的循环管路18。循环管道18材质和炉体1材质一致，焊接牢固，无焊缝。循环管道18直径100-200mm，但不限于此尺寸；循环管道18壁厚3-10mm。风机19附近靠近炉体1位置，在循环管道18上安装有水冷挡板20，先行对热气体降温，防止电机直接接触热空气而损坏。水冷挡板20结构是多个U型管结构，不限此结构，只要可以增加接触面积的方式都可以，可以充分延长水管长度，增加与热空气的接触面积。水冷挡板20进出水口穿过循环管道18，与外部水管相连，出水管道和循环管道交叉处充分焊接牢固，避免漏气。循环管道18上设置各种孔使电线等经过，风机电连接控制器。风机电机通过密封电极和外部线路连接，密封电极在循环管道上安装，保证不漏气。

循环管道18外表面设置水冷管道21。水冷管道21可以为螺旋管道缠绕在循环管道18外表面，螺旋管道里面通冷水给循环管道18降温，从而降低循环管道18内部气体的温度。水冷管道21直径15-25mm，壁厚1-3mm。根据实际需要不限于此尺寸。两个风机19一个将炉体1内部的热气抽出，另一个将冷却后的气体吹入，炉体1内的气体流动，使得炉体内部温度快速降低。循环管道18和炉体1自成一个整体，避免了外部空气进入。水冷管道21使循环管道18降温，炉体1内部热气体经过循环管道18降温后在进入炉体1内，从而降低炉体1内部温度。减少了降温时间，物料氧化时间段，纯度更高。降温速度很快，缩短了生产时间，提高效率。

如图4-5所示，对于在保温炉膛41上方位置上下移动开合的保温炉盖42；保温炉盖42上设置管道入口22，循环管道18的一端延伸通过保温炉盖42的管道入口22进入保温炉膛41内部。保温炉膛41内温度是最高的，循环管道18一端通入内部，则可以更快的交换这一部分的热量，促进降温。优选为，冷空气吹入端的循环管道18进入保温炉膛41内部。保温炉盖42可以上下移动开合，循环管道18不会影响进料以及出料。管道入口22的形状与循环管道18配合。保温炉膛41与保温炉盖42之间并不是完全密封的，所以管道入口22与循环管道18之间的空隙不会对产品质量造成影响。炉体内设置至少两个反应装置4的，循环管道18延伸进入炉膛的一端设置分支循环管道23伸入每个反应装置4的保温炉膛41内部。循环管道18两端可以设置阀门24。阀门24控制炉体1与循环管道18内气体是否流通。冷却装置为炉体1外表面焊接的冷却水路3。这样保温炉膛41部分温度比较高，一方面通过循环管道18降温，另一方面温度向炉体1内部扩散，通过炉体1外表面的冷却水路3降温，降温速度更快，而且更均匀。

有多个反应装置4的炉体1，循环管道18也可以这样设置，循环管道18一端进入炉体1延伸进入一部分保温炉膛41，循环管道18另一端也进入炉体1延伸进入其余的保温炉膛41。

如图6-8所示，对于与保温炉膛41通过耐高温合页连接的保温炉盖42，炉体1外侧设置循环管道18，循环管道18两端分别与炉体1连通，循环管道18内部两端分别设置风机19，风机19靠近炉体1一侧的循环管道18内设置水冷挡板20。保温炉盖42上耐高温合页的对侧设置侧边开口25，循环管道18的一端延伸进入炉体1并通过保温炉盖的侧边开口18进入保温炉膛41内部。侧边开口25不是保温炉盖42内的孔，像上下开合的保温炉盖42一样。侧边开口25位于耐高温合页正对侧且不闭合是为了保证保温炉盖42能够沿着耐高温合页转动开合，不会受到分支循环管道的阻碍。侧边开口25的形状可以为半个椭圆或者半个圆或者半个圆加长方形等。其余与保温炉盖上下移动开合的相同。

如图12所示，一种生产氮化物的反应炉，为了更好的降温、提高安全性能和效率，在多层反应装置氮化炉上设置了炉盖开合装置和快速冷却循环管道18。这样反应时候加热迅速、保温性能好、氮化炉内压力变化小，安全可靠；降温时，保温炉盖42开启、且循环管道18将冷却后的风吹入保温炉膛41，散热快、生产效率高。具体可以多层反应装置氮化炉的基础上根据保温炉盖42与保温炉膛41的开合方式选择上文公开过的炉盖开合装置的提升机构和密封机构11、选择循环管道18适合的冷却循环方式。

保温炉盖42连接提升机构，提升机构另一端通过炉壁上的通孔穿出炉体1，提升机构与炉体之间设置密封机构11；炉体1外侧设置循环管道18，循环管道18两端分别与炉体1连通，循环管道18内部两端分别设置风机19，风机19靠近炉体1一侧的循环管道18内设置水冷挡板21；保温炉盖42上设置管道入口22，循环管道18的一端延伸通过保温炉盖42的管道入口22进入保温炉41膛内部。循环管道18外表面设置水冷管道21；冷却装置为炉体外表面焊接的冷却水路3。

保温炉盖42在保温炉膛41上上下移动；提升机构为气缸12，气缸12的活塞杆13通过通孔进入炉体1与保温炉盖42相连使保温炉盖42上下移动，活塞杆13与通孔之间设置密封机构11。密封装置11的结构上文已有。

当保温炉盖42与保温炉膛41通过耐高温合页连接；保温炉盖42连接钢丝绳14，钢丝绳14由设置在炉体1外部的卷扬机15带动；钢丝绳14穿过炉体1的炉壁的通孔且与炉壁1之间设置密封机构11，其余细节上文已经公开。

炉体1内设置至少两个反应装置4时，循环管道18延伸进入保温炉膛41的一端设置分支循环管道23伸入每个反应装置4的保温炉膛41内部。

具体实施时：本实用新型改变以往设计，采取内加热方式，多层反应装置4设置在炉1体内部。炉体1可以承受一定正压。首先，开启炉门2，将金属放入料盘44，密闭炉体1，对炉体1进行抽真空，真空小于10Pa后，通入氮气到1个大气压，通电加热保温炉膛41内的加热电阻丝43，待金属温度达到氮化温度时，金属开始燃烧，并释放热量，其释放的热量足以提供后续金属反应所需能量，因此此时断开电源，能够节省能源。反应过程中氮气因为消耗会减少，通过电接点压力表7来调整容器内部氮气压力，氮气压力上限0.12Mpa，下限0.09Mpa，当氮气消耗使容器内部压力低于0.09Mpa时，电接点压力表感应到压力，发出信号，打开氮气充气阀，氮气自动往容器内部充，当压力达到0.12Mpa 时，电接点压力表发出信号，关闭氮气充气阀。氮化温度控制通过自动控温仪控制，可根据需要设定工艺曲线。控制炉体1内压力，调整氮气流量，当炉体内部压力不变时，氮化完成。

反应完成降温过程中，通过钢丝绳14或者气缸12带动保温炉盖42打开，并且打开循环管道18的阀门24，开启风机19和水冷管道21，气体从炉体1内被抽到循环管道18降温后冷空气回到保温炉膛41内对其降温，同时冷却水路3降低炉体1内气体的温度。温度到室温后打开炉门，取出物料。

本实用新型不对整个炉体加热，而是在比较大的炉体内部设置相对小的保温炉膛和保温盖以及加热电阻丝组成的反应装置对金属加热并保温。一方面：直接加热金属，耗能较小、加热速度快；不加热炉体，对炉管材料要求降低，加热功率降低很多，炉子成本大幅降低。第二：炉体很容易做大，反应剧烈时炉体内压力上升慢，有足够时间控制氮气流量，避免了氮化过程温度上升而造成的炉体内部压力急剧上升带来的危险因素，安全性提高。第三：一个炉体内设置多个反应装置，有至少两套加热电阻丝、炉膛和保温炉盖以及热电偶，相应的配置两套控温仪和接触器，一个炉子相当于两个炉子，氮气充分利用，减少了氮气消耗，氮化产量提高一倍，效率提高一倍。在炉体1上设置保温炉盖42自动开启闭合机构以及循环管道18冷却降温机构可以使炉体1均匀却快速的降温，提高了生产效率。