用于霍普金森压杆实验的加热炉的制作方法
【专利摘要】本发明提出一种用于霍普金森压杆实验的加热炉，包括：炉体，所述炉体内具有加热腔室；炉门，所述炉门与所述炉体相连以打开和关闭所述加热腔室；夹具，所述夹具设在所述加热腔室内；和硅钼棒，所述硅钼棒具有热端和冷端，所述热端设在所述加热腔室内且由所述夹具夹持，所述冷端穿过所述炉体延伸至外界。根据本发明实施例的用于霍普金森压杆实验的加热炉，采用硅钼棒作为加热炉的发热元件，最高使用温度可达1400℃，可以满足霍普金森高温实验所需要的温度要求，结构简单。
【专利说明】用于霍普金森压杆实验的加热炉
【技术领域】
[0001]本发明涉及实验用高温加热设备【技术领域】，尤其是涉及一种用于霍普金森压杆实验的加热炉。
【背景技术】
[0002]高温炉是实验用的一种高温加热设备，以电加热为主，用以烧结、熔化、加热、热处理等。
[0003]高温炉大体上由炉体、电源系统、测温控温系统及相应的附属设备或装置等几部分构成。高温炉的分类方式有多种。按其作业方式，可分为周期式作业炉和连续式作业炉两大类。实验室常用的一般为周期式作业炉。按炉体的形状特点可划分为箱式炉、管式炉等。按最高工作温度，又可分为中温炉、高温炉和超高温炉等类型。高温炉的最高工作温度是炉子的一个主要技术指标，它是由加热元件决定的。而高温炉的最高工作温度和不同的炉型，又是决定其用途的关键因素。高温炉的加热元件主要有电阻丝、硅碳棒、硅钥棒，最高加热温度分别为1200°C、1400°C、1400°C。
[0004]霍普金森压杆实验用于研究材料动态力学性能，该实验常常需要材料在较高的温度下进行。而加热设备主要是电阻丝为加热元件的高温炉。实验室高温炉的加热元件一般使用的电阻丝为铁铬铝、镍铬、镍铬铁等高电阻合金丝，一般最高使用温度不超过1200°C，它们具有高电阻率，电阻温度系数小，抗氧化良好的机械加工和焊接性能，在高温下有较高强度，可以加工成各种尺寸形状，在高温下耐腐蚀性好，尤其适合在含有硫和硫化物气氛中使用，且价格低廉，适用于专用电炉，实验室电炉和各种箱式炉等。
[0005]但是由于电阻丝在高温下的易烧断特性，往往导致其最高加热温度为800°C左右，很多材料例如高温铁基合金和镍基合金，测试其高温动态力学性能时需要加热到1000°c以上，使用电阻丝高温炉很难在这样高的温度长时间保温。
【发明内容】
[0006]本申请的发明人认识到，硅钥棒是一种以二硅化钥为基础制成的耐高温、抗氧化、低老化的新型电阻发热元件。它的特性是在氧化气氛下加热到高温，表面能生成一层致密的石英玻璃膜，保护其不再氧化，因此具有独特的高温抗氧化性。在氧化气氛下，棒体的发热温度可达1830°C，最高使用温度为1400°C。
[0007]本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一。
[0008]为此，本发明的一个目的在于提出一种结构简单、可以满足霍普金森高温实验所需要的温度要求的用于霍普金森压杆实验的加热炉。
[0009]根据本发明实施例的用于霍普金森压杆实验的加热炉，包括:炉体，所述炉体内具有加热腔室；炉门，所述炉门与所述炉体相连以打开和关闭所述加热腔室；夹具，所述夹具设在所述加热腔室内；和硅钥棒，所述硅钥棒具有热端和冷端，所述热端设在所述加热腔室内且由所述夹具夹持，所述冷端穿过所述炉体延伸至外界。[0010]根据本发明实施例的用于霍普金森压杆实验的加热炉，采用硅钥棒作为加热炉的发热元件，最高使用温度可达1400°C，可以满足霍普金森高温实验所需要的温度要求，结构简单。
[0011]另外，根据本发明上述实施例的用于霍普金森压杆实验的加热炉还可以具有如下附加的技术特征:
[0012]根据本发明的一个示例，所述用于霍普金森压杆实验的加热炉还包括第一隔热层和第二隔热层，所述第一隔热层布满所述炉体的内壁，所述第二隔热层布满所述炉门的内壁。
[0013]根据本发明的一个示例，所述第一隔热层和所述第二隔热层均为隔热石棉层。
[0014]根据本发明的一个示例，所述用于霍普金森压杆实验的加热炉还包括耐热砖，所述耐热砖布满所述炉体的底壁。
[0015]根据本发明的一个示例，所述耐热砖为刚玉砖。
[0016]根据本发明的一个示例，所述硅钥棒的热端构造成U形。
[0017]根据本发明的一个示例，所述U形的硅钥棒的热端竖直地被所述夹具夹持。
[0018]根据本发明的一个示例，所述U形的硅钥棒的热端为互相串联的两个。
[0019]根据本发明的一个示例，所述炉体为圆柱形炉体。
[0020]根据本发明的一个示例，所述夹具为坩埚夹具。
[0021]本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中:
[0023]图1是根据本发明一个实施例的用于霍普金森压杆实验的加热炉的示意图；和
[0024]图2是根据本发明另一实施例的用于霍普金森压杆实验的加热炉的示意图。
【具体实施方式】
[0025]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0026]在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底” “内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0027]此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。[0028]在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0029]在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0030]本申请的发明人认识到，硅钥棒是一种以二硅化钥为基础制成的耐高温、抗氧化、低老化的新型电阻发热元件。它的特性是在氧化气氛下加热到高温，表面能生成一层致密的石英玻璃膜，保护其不再氧化，因此具有独特的高温抗氧化性。在氧化气氛下，棒体的发热温度可达1830°C，最高使用温度为1400°C。
[0031]硅钥棒属于脆性材料，它的组织、焊口、抗弯强度直接影响着它的质量。组织不致密会造成发热元件电阻不均匀，发热效果不好，甚至导致自断。焊口是冷热端的连接点，直接关系到元件能否正常使用，抗折强度低使得产品的运输和安装比较困难，提高了生产和使用的成本。
[0032]硅钥棒具有以下两个特性。第一个特性是硅钥棒的主要成分二硅化钥在高温氧化环境中使用时能在表面形成一层石英玻璃保护膜。该膜能阻止二硅化钥的氧化，在700°C以下，二硅化钥不能形成保护膜，因此要求二硅化钥必须尽快通过室温至700°C这一温区，第二个特性是硅钥棒的电阻修正系数随着温度的升高而明显增大。
[0033]下面参考附图来详细描述根据本发明实施例的用于霍普金森压杆实验的加热炉。
[0034]如图1和图2所示，根据本发明实施例的用于霍普金森压杆实验的加热炉，包括:炉体1，炉门(图中未示出)，夹具3，和硅钥棒41，42。
[0035]具体而言，炉体I内具有加热腔室10。炉体I为圆柱形炉体。
[0036]所述炉门与炉体I相连以打开和关闭加热腔室10。
[0037]夹具3设在加热腔室10内。夹具3为坩埚夹具。
[0038]硅钥棒41，42具有热端和冷端，所述热端设在加热腔室10内且由夹具3夹持。所述冷端穿过炉体I延伸至外界。
[0039]根据本发明实施例的用于霍普金森压杆实验的加热炉，采用硅钥棒作为加热炉的发热元件，最高使用温度可达1400°C，可以满足霍普金森高温实验所需要的温度要求，结构简单。
[0040]根据本发明的一个示例，所述用于霍普金森压杆实验的加热炉还包括第一隔热层51和第二隔热层(图中未示出)。第一隔热层51布满炉体I的内壁，所述第二隔热层布满所述炉门的内壁(即炉门面向加热腔室10的壁)。有利地，第一隔热层51和所述第二隔热层均为隔热石棉层。由此，可以防止热量散失。
[0041 ] 根据本发明的一个示例，所述用于霍普金森压杆实验的加热炉还包括耐热砖6。耐热砖6布满炉体I的底壁。有利地，根据本发明的一个示例，耐热砖6为刚玉砖。由此，可以起到保温和保护炉内构件的作用。
[0042]根据本发明的一个示例，硅钥棒41、42的热端构造成U形。有利地，U形的硅钥棒41，42的热端竖直地被夹具3夹持。进一步地，U形的硅钥棒41、42的热端为互相串联的两个。
[0043]换句话说，根据本发明实施例的用于霍普金森压杆实验的加热炉，主要应用于使用高温炉加热材料的实验。
[0044]根据本发明实施例的用于霍普金森压杆实验的加热炉，包括:圆柱形炉体I。炉体I可以分为左炉体部和右炉体部，左炉体部与右炉体部相配合形成加热腔室10。隔热石棉层设在炉体与炉门的内壁上。刚玉砖用以保持加热腔室10内温度和炉子在高温下的使用安全性。两根U形的硅钥棒的热端，竖直安装在加热腔室10的夹具3上，U形的硅钥棒的热端在加热腔室10中裸露，硅钥棒的冷端穿过隔热石棉层露在炉体I外。两根U形的硅钥棒的热端是串联连接，采用用多层铝箔作为导线连接。
[0045]也就是说，根据本发明实施例的用于霍普金森压杆实验的加热炉，包括:夹具3，呈立方型，由坩埚构成，共有三个，分别位于左、右炉体部中，将U形的硅钥棒的热端串联起来；刚玉砖，平铺在炉体I的底壁上，起保温和保护炉内构件的作用；硅钥棒的热端呈U形，共有两根串联起来。由于硅钥棒是脆性材料，所以需要竖直固定。炉体，分为左右两部分，呈圆柱形，由厚度为2_的钢板焊成。另外炉门及所有导空的缝隙须用隔热石棉层堵严，防止热量散失。
[0046]由于硅钥棒的主要成分二硅化钥在700°C以上高温环境中使用才能在表面形成一层石英玻璃保护膜，阻止二硅化钥的氧化，因此要求二硅化钥必须尽快通过室温至700°C这
一温区。
[0047]硅钥棒的热端与冷端的焊接质量是决定产品使用寿命的关键性因素之一，因此焊接冷热端时必须将其焊牢。
[0048]根据本发明实施例的用于霍普金森压杆实验的加热炉，最高加热温度可达1400 0C，极大地提高了加热炉的加热温度，方便了材料的高温实验。
[0049]根据本发明实施例的用于霍普金森压杆实验的加热炉与电阻丝加热炉相比，加热速率至少提高一倍以上，能有效缩短实验时间。
[0050]根据本发明实施例的用于霍普金森压杆实验的加热炉，由于硅钥棒的抗氧化作用能有显著提高加热炉的使用寿命，从而节约实验成本。
[0051]根据本发明实施例的用于霍普金森压杆实验的加热炉在使用时，将加热炉的接线与变压器相连，用变压器调节其电压，将材料用热电偶丝固定，深入到炉体中间的圆形通道内，进行加热。材料的温度可在热电偶的显示屏上读出。
[0052]硅钥棒由多层铝箔导线与电极相连，电极另一端与电源相接。
[0053]由于硅钥棒加热元件的机械性能和陶瓷制品一样，在常温下属于脆性材料，容易断裂，高温时又有可塑性，所以硅钥棒最好是垂直安装。炉门及所有导空的缝隙须用石棉堵严，防止热量散失。
[0054]在温度较高时的硅钥棒加热件的阻值较低温时高。因此，要确保设备安全、可靠运行，低温时必须将主回路的电压和电流控制在允许范围内。[0055]在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0056]尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
【权利要求】
1.一种用于霍普金森压杆实验的加热炉，其特征在于，包括: 炉体，所述炉体内具有加热腔室； 炉门，所述炉门与所述炉体相连以打开和关闭所述加热腔室； 夹具，所述夹具设在所述加热腔室内；和 硅钥棒，所述硅钥棒具有热端和冷端，所述热端设在所述加热腔室内且由所述夹具夹持，所述冷端穿过所述炉体延伸至外界。
2.根据权利要求1所述的用于霍普金森压杆实验的加热炉，其特征在于，还包括第一隔热层和第二隔热层，所述第一隔热层布满所述炉体的内壁，所述第二隔热层布满所述炉门的内壁。
3.根据权利要求2所述的用于霍普金森压杆实验的加热炉，其特征在于，所述第一隔热层和所述第二隔热层均为隔热石棉层。
4.根据权利要求2所述的用于霍普金森压杆实验的加热炉，其特征在于，还包括耐热砖，所述耐热砖布满所述炉体的底壁。
5.根据权利要求4所述的用于霍普金森压杆实验的加热炉，其特征在于，所述耐热砖为刚玉砖。
6.根据权利要求1所述的用于霍普金森压杆实验的加热炉，其特征在于，所述硅钥棒的热端构造成U形。
7.根据权利要求6所述的用于霍普金森压杆实验的加热炉，其特征在于，所述U形的硅钥棒的热端竖直地被所述夹具夹持。
8.根据权利要求7所述的用于霍普金森压杆实验的加热炉，其特征在于，所述U形的硅钥棒的热端为互相串联的两个。
9.根据权利要求1所述的用于霍普金森压杆实验的加热炉，其特征在于，所述炉体为圆柱形炉体。
10.根据权利要求1所述的用于霍普金森压杆实验的加热炉，其特征在于，所述夹具为坩埚夹具。
【文档编号】F27B17/02GK103673608SQ201310683864
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月12日 优先权日:2013年12月12日
【发明者】王罡, 聂振国, 融亦鸣, 林永亮, 齐伟 申请人:清华大学