真空炉密封结构的改进

用于硬质合金真空烧结的真空炉设计温度1600℃,容积50L,功率为50kW。发热体采用石墨棒组装而成,其工作电压低(相电压<20V),工作电流大(相电流>1000A)。为了保证真空炉的工作真空度,减少真空泄漏,安装在炉体上的附件如进电极、热电偶导出装置都设计了密封结构,但该密封结构在安装和使用等方面都存在一定问题。

一、进电极密封结构的改进

真空炉的进电极(也叫水冷电极﹑铜电极或进电铜电级)是将电能引入到炉内电热元件(此处是石墨棒)上的导电装置,采用水冷方式,用紫铜制造。它与炉室内石墨发热体相连,通过炉壳(此真空炉炉壳采用圆筒状双层水冷结构)时要保证良好的真空密封;同时,进电极与炉壳应有良好的绝缘性能。因此,在进电级与炉壳之间设计有密封结构。

1.原进电极密封结构

原有的真空烧结炉进电极密封结构(图1) ,进电极与炉壳电极孔之间有两个聚四氟乙烯(或采用电胶木)绝缘套,密封用的О型橡胶圈放在两个绝缘套中间。安装时,保持进电极与炉壳之间的位置相对固定,逐步拧紧铜电极外部的螺母,О型橡胶密封圈在两个绝缘套的挤压下膨胀,最后形成进电极与电极孔之间的完全密封。

这种密封结构看似简单,但安装时一拧紧螺母,进电极就会往外走,且伴有少许旋转,从而带动炉内石墨过渡电极旋转,很难保持其与炉壳之间的位置相对固定,而进电极位移过大极易损坏炉内的石墨过渡电极与石墨发热体。图1的进电极﹑绝缘套和炉壳电极孔之间间隙很小,没有调整的余地,安装较为困难。在正常的使用过程中,尽管进电极中通有冷却水,炉内也有碳毡用来防止热辐射,伸入炉内的少部分绝缘套在传导热与剩余的辐射热的共同作用下,用不了多久就会变形,О型橡密封胶圈上的挤压力减小,最终密封受到破坏,从而导致真空泄漏。

2.改进后的进电极密封结构

改进后的进电极密封结构如图2所示。紧固用的螺母换成了法兰,O型圈移到炉壳外,法兰1(焊接在炉壳上)为不锈钢材料(防止涡流效应),从绝缘的角度考虑,法兰2应采用聚四氟乙烯材料,其上连有一小截绝缘套伸入炉壳进电极孔内。法兰1与法兰2之间的端面,进电极﹑法兰2与法兰3之间的间隙均用О型圈密封。此结构在紧固时,可保证进电极没有任何位移。较薄的绝缘套使进电极与孔之间的间隙增大,安装时调整余地大,容易实现与石墨过渡电极之间的连接,即使绝缘套变形,也不会造成法兰密封的破坏。经此改进,满足安装和使用的要求,提高了产品质量。

二、热电偶密封结构的改进

热电偶作为测温和控温装置的感温元件,是真空炉加热室重要的测试装置。硬质合金真空烧结炉的工作温度在1400℃以上,同时温度控制的精度要求高,因此炉内温度检测采用了价格昂贵的B分度(铂铑30一铂铑6)热电偶。所以不仅要保证热电偶丝的引出符合真空密封的要求,而且应注意使用方便,降低成本。

1.原热电偶密封结构

原有热电偶的密封结构(图3),真空橡胶密封垫和聚四氟乙烯套上钻有两个小孔,热电偶上的电极丝(ψ0 . 5nn)从中间穿过,拧紧外面的紧压螺母,橡胶密封垫受到聚四氟乙烯垫的挤压形成密封。此结构不管炉内是否采用保护套管,热电偶丝总是裸露在真空气氛中,高温下受含碳气氛腐蚀,寿命很快降低。实践表明烧结1~2炉产品,热电偶就会断偶,这无论是从热电偶的消耗还是从产品的生产角度来说都是不经济的。

2.改进后的热电偶密封结构

改进后的热电偶密封结构如图4所示,刚玉保护套管(ψ16nm)从炉内一直伸到炉外,套管与炉壳之间利用О型橡胶密封圈密封,热电偶直接置入套管内即可测温。此时刚玉套管将炉内真空与炉外大气隔离开来,热电偶处于大气环境,长期使用也不至于损坏。此方法的缺点是刚玉套管尽管能耐高温(1800℃以上),长期的热胀冷缩也会使其产生细微裂纹,观察到套管附近发热体有氧化的情况即应及时更换。

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