一种多功能井式无马弗热处理气氛炉

技术领域

本发明涉及热处理炉技术领域，尤其涉及一种多功能井式无马弗热处理气氛炉。

背景技术

为使金属工件具有较好的力学性能、物理性能和化学性能，常通过热处理改善工件的使用性能；为保证零件的热处理效果，需要在特定气氛环境中进行加热，为此一般采用炉胆（俗称：马弗罐）实现密封；马弗罐在渗碳工艺中长期处于930℃以上高温环境，工作环境恶劣，耐热钢在这样的温度下和碳势气氛中长期工作，易发生变形和碳腐蚀，导致使用寿命较短。

这种情况迫使马弗罐变为易损件，每次维修和更换马弗罐，不仅会损失大量的耐热钢，还会浪费大量的生产时间，严重影响了热处理生产的效率。另外，由于马弗罐的存在，炉子的热惯性较大，炉内温度难以快速达到预设值，造成热处理炉能耗过高。

中国专利申请号201210555542.6公开了一种采用燃烧加热方式的立式无马弗不锈钢连续退火炉。炉体内设有用于传送不锈钢板且交错分布的炉辊，沿炉辊传送的不锈钢板两侧设有辐射管；辐射管的一端设有烟气出口，辐射管的另一端设有点火及值班烧嘴和主燃烧器且二者连通，点火及值班烧嘴与值班烧嘴燃料进口、值班烧嘴风进口对应连通，主燃烧器与主燃料进口连通；炉体上设有保护性气体入口和保护性气体出口。该方案中的燃料不在炉内而是在辐射管内燃烧，由于没有了马弗，也就没有了马弗更换引起的退火炉大修，将退火炉大修间隔时间延长。

但是该技术方案中，虽然通过取消马弗延长了热处理炉的大修时间，但是并未对热处理炉的密封保温性能进行改良，在炉膛中的密封不良处会有热量溢出，削弱了对热处理炉能耗的改良效果。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足之处，提供一种多功能井式无马弗热处理气氛炉，通过在炉体的内外两侧分别设置内圈和外圈进行密封，通过内圈的陶瓷纤维与外圈的硅胶条的不同耐热性能以及密封性能，实现对高温炉体的保温密封效果，解决了取消马弗结构后的热处理炉密封性不足的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多功能井式无马弗热处理气氛炉，包括：

炉体，所述炉体包括可拆卸安装的炉壳以及炉盖；

执行单元，安装于所述炉体上的执行单元用于实现炉体的热处理工艺过程，还包括安装于所述炉体内侧的炉衬以及炉体外侧的升降装置；所述执行单元包括开设于所述炉体上的滴注装置、取样装置、排气装置、热电偶、氧探头和风机；

密封机构，所述密封机构分别布置于所述炉体与执行单元的接触处以及所述炉盖与炉壳的接触处，密封机构包括朝向所述炉体中心的内圈或朝向所述炉体表面的外圈中的一种或多种；

炉壳与炉盖闭合后，执行单元运行，在热处理工艺的升温过程中，密封机构中的内圈和外圈分别在炉体内外侧的不同温度条件下起到密封作用。

进一步，还包括开设于所述炉体中并与所述内圈以及外圈位置相对应的膨胀空间，膨胀空间在所述炉体达到热处理工艺温度的过程中，使所述炉体与内圈以及外圈之间从空隙状态变为接触状态。

更进一步，位于所述内圈以及外圈下方的膨胀空间为下凹式设置；且所述内圈对应膨胀空间的容积以及其截面轮廓的曲率大于所述外圈对应膨胀空间的容积以及其截面轮廓的曲率。

作为一种优选，还包括固设于所述炉壳侧壁的支撑部，支撑部均匀布置在所述炉壳的周向外侧；支撑部与炉壳的上端面共同支撑闭合状态下的炉盖。

进一步，炉衬包括：

支撑层，贴合布置于炉体内壁的一侧；

耐热层，布置于朝向炉体中心的一侧；

连接层，固设于所述支撑层与耐热层之间的连接层包括若干个堆叠设置的相变材料层。

作为一种优选，堆叠设置的所述相变材料层包括：

轴向相变部，所述轴向相变部沿其轴向弹性伸缩；

径向相变部，所述径向相变部沿其径向弹性伸缩；

轴向相变部以及径向相变部相互交错构成相变材料层，且轴向相变部以及径向相变部中填充有不同密度的相变材料。

更进一步，还包括布置于所述支撑层外侧的胀缩部，胀缩部对应于所述炉盖与炉壳的接触面位置，胀缩部为楔形设置的热膨胀材料。

进一步，还包括固悬挂于所述炉衬上的辐射式热源或悬挂于所述炉体中的对流式热源中的一种或多种，且辐射式热源和对流式热源沿炉体的重力方向分区布置；

所述辐射式热源包括：

悬挂部，若干个悬挂部分布式固设于所述炉衬上；

砖钉，固设于所述悬挂部朝向炉体侧壁的砖钉用于连接至炉衬上；

帽体，固设于所述悬挂部朝向炉体中心的一侧；以及

电热元件，安装于所述悬挂部的帽体上。

作为一种优选，砖钉为筒体结构设置，砖钉包括：

弹性部，滑动套设于砖钉的螺纹段中；

抵靠部，固设于弹性部朝向炉衬的末端；

砖钉在安装至炉衬后，抵靠部与炉衬中的连接层相接触，连接层中相变材料层的膨胀通过抵靠部传递向弹性部使砖钉带动悬挂部产生动作，并同步改变悬挂部对应电热元件的运行状态。

进一步，对流式热源包括蛇形或螺旋布置在所述炉体内中空管，中空管内用于流通加热气体，中空管在其周向外侧的表面开设有孔口。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明利用在炉体的内外两侧分别设置内圈和外圈进行密封，通过内圈的陶瓷纤维与外圈的硅胶条的不同耐热性能以及密封性能，实现对高温炉体的保温密封效果。

（2）本发明利用开设在炉体中的膨胀空间，用于降低炉体材料在升温过程中的热膨胀对密封机构的材料造成干涉，在保持内圈以及外圈密封性能的前提下延长其使用寿命。

（3）本发明利用沿筒体周向均布的支撑部，与炉壳共同支撑炉盖的重量，使采取较薄壁厚的炉壳在降低其蓄热量的情况下满足使用强度要求，继而使较薄壁厚的炉体减少其蓄热损耗。

（4）本发明利用炉衬中的温度变化使轴向相变部与径向相变部实现其在单一方向上的胀缩形变，将交错堆叠的多个相变部固定在相变材料层中的相应区域内，使作为相变材料填充物载体的相变材料层的胀缩过程处于稳定状态；从而保持炉衬在炉盖与炉壳开合过程中的胀缩形变的轮廓处于可控范围内。

（5）本发明利用设置于炉体内的中空管，配合强制对流的加热气体，与工件进行换热，节省制造马弗罐所需的耐热钢，减少热处理时间，节约电能、降低设备安装维护成本、提高设备控温精度和温控速率。

综上所述，本发明具有在无马弗井式热处理技术中，避免了定期更换马弗罐的消耗，同时节省了能耗等优点。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明炉体结构剖视图；

图3为本发明炉盖与炉壳结构仰视角度的示意图；

图4为本发明炉体结构的爆炸图；

图5为本发明炉衬结构示意图；

图6为本发明辐射式热源结构示意图；

图7为图2中A处的局部放大图；

图8为图4中B处的局部放大图；

图9为图5中C处的局部放大图；

图中：1、炉体；10、膨胀空间；11、炉壳；111、支撑部；12、炉盖；2、执行单元；20、炉衬；201、支撑层；2011、胀缩部；202、耐热层；203、连接层；2031、轴向相变部；2032、径向相变部；21、升降装置；3、密封机构；31、内圈；32、外圈；41、辐射式热源；411、悬挂部；412、砖钉；4121、弹性部；4122、抵靠部；413、帽体；414、电热元件；42、对流式热源；421、中空管；422、孔口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

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设备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。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。

实施例一

如图1-3、7所示，本实施例所述的一种多功能井式无马弗热处理气氛炉，包括：

炉体1，所述炉体1包括可拆卸安装的炉壳11以及炉盖12；

执行单元2，安装于所述炉体1上的执行单元2用于实现炉体1的热处理工艺过程，还包括安装于所述炉体1内侧的炉衬20以及炉体1外侧的升降装置21；所述执行单元2包括开设于所述炉体1上的滴注装置、取样装置、排气装置、热电偶、氧探头和风机；

密封机构3，所述密封机构3分别布置于所述炉体1与执行单元2的接触处以及所述炉盖12与炉壳11的接触处，密封机构3包括朝向所述炉体1中心的内圈31或朝向所述炉体1表面的外圈32中的一种或多种；

炉壳11与炉盖12闭合后，执行单元2运行，在热处理工艺的升温过程中，密封机构3中的内圈31和外圈32分别在炉体1内外侧的不同温度条件下起到密封作用。

在本实施例中，工件进行热处理工艺过程时，炉体1的密封性同样影响其能耗水平，通过在炉体1的内外两侧分别设置内圈31和外圈32进行密封，其中内圈31采用方形高温陶瓷纤维编织带密封，编织中夹杂高温耐热钢丝增加强度，外圈32采用耐高温硅胶条；利用陶瓷纤维与硅胶条不同的耐热性能以及密封性能，一方面陶瓷纤维的强度起到支撑作用而避免硅胶条受炉盖12过大的重力挤压破坏，另一方面硅胶条更佳的形变性能确保炉体1中接触面的密封效果。

具体的，如图2-4、7-8所示，还包括开设于所述炉体1中并与所述内圈31以及外圈32位置相对应的膨胀空间10，膨胀空间10在所述炉体1达到热处理工艺温度的过程中，使所述炉体1与内圈31以及外圈32之间从空隙状态变为接触状态；

在本实施例中，炉体1所采用的材料如耐热钢，在热处理工艺的升温过程中会产生微量的热膨胀，例如在炉盖12与炉壳11闭合后的升温形变过程中，对密封机构3中的内圈31和外圈32产生额外的挤压造成损耗；通过开设在炉体1中的膨胀空间10，用于降低炉体1材料在热处理升温过程中与密封机构3材料间的干涉，在保持内圈31以及外圈32密封性能的前提下延长其使用寿命。

更具体的，如图2-4、7-8所示，位于所述内圈31以及外圈32下方的膨胀空间10为下凹式设置；且所述内圈31对应膨胀空间10的容积以及其截面轮廓的曲率大于所述外圈32对应膨胀空间10的容积以及其截面轮廓的曲率。

在本实施例中，下凹式设置的膨胀空间10，使炉盖12与炉壳11间的密封机构3通过放置方式实现可拆卸安装，便于及时更换受损的内圈31或外圈32，利用差异化设置的膨胀空间10，满足外圈32橡胶材料的弹性形变量大于内圈31陶瓷纤维材料的弹性形变量的情况，进一步延长作为密封材料的内圈31以及外圈32的使用寿命。

具体的，如图1-4所示，还包括固设于所述炉壳11侧壁的支撑部111，支撑部111均匀布置在所述炉壳11的周向外侧；支撑部111与炉壳11的上端面共同支撑闭合状态下的炉盖12。

本实施例中，炉壳11的筒体经整体滚制成型，在其搭接处采用双面满焊处理，并沿炉壳11筒体的竖直方向固定支撑部111，例如焊接工字钢加强，工字钢沿筒体圆周方向均匀布置；在炉盖12平面板下部四周与炉体1上面板接触处进行机械加工，增加钢板下表面粗糙度和平面度，使粗糙度在Ra6.3以内，平面度控制在1毫米以内，以便于炉盖12下部与炉壳11的密封机构3中的陶瓷纤维和硅胶条形成有效密封，且设置支撑部111的工字钢顶端接触炉盖12，使采取较薄壁厚的炉壳11在降低其蓄热量的情况下满足使用强度要求。

需要说明的是，通过固连在炉壳11外侧作为支撑部111的工字钢，配合与炉体1外侧的升降装置21进行传动连接；实现炉壳11与炉盖12间的闭合能够采取垂直伸缩补偿式、水平或倾斜伸缩补偿式或旋转式等密封模式，选择其中具有高温气密性的密封结构形式。

具体的，如图2-5、7、9所示，炉衬20包括：

支撑层201，贴合布置于炉体1内壁的一侧；

耐热层202，布置于朝向炉体1中心的一侧；

连接层203，固设于所述支撑层201与耐热层202之间的连接层203包括若干个堆叠设置的相变材料层。

在本实施例中，支撑层201如砌筑在炉体1底部的保温砖或重质砖，耐热层202如抵靠在炉体1侧壁的陶瓷纤维模块气凝胶等，连接层203例如密封设置的掺有不同石蜡组分的液体，使其在炉体1升温过程中处于液态，具备较高的吸热性能，同时能够在炉体1的底部与侧壁间起到良好的热传导作用，均衡整个炉衬20结构的温度状态；

值得一提的是，在完成对工件的热处理工艺后，炉衬20在开合炉盖12过程中的降温，使连接层203中的相变材料转变为固态，提升对炉衬20中连接层203两侧的支撑层201与耐热层202间的隔热性，同时在支撑层201和耐热层202之间的连接层203具备变温的滞后性，使炉体1在切换热处理工件的过程中，连接层203中的相变材料固化并释放热量，进而减少炉衬20温度的降低量，从而减小炉衬20在炉体1中的温度变化范围，降低热惯性损耗。

具体的，如图7、9所示，堆叠设置的所述相变材料层包括：

轴向相变部2031，所述轴向相变部2031沿其轴向弹性伸缩；

径向相变部2032，所述径向相变部2032沿其径向弹性伸缩；

轴向相变部2031以及径向相变部2032相互交错构成相变材料层，且轴向相变部2031以及径向相变部2032中填充有不同密度的相变材料。

本实施例中，炉衬20中的温度变化使轴向相变部2031与径向相变部2032分别在各自的轴向及径向上伸缩变化，例如使轴向相变部2031与径向相变部2032的轴向面与径向面分别采用不同弹性模量的硅橡胶部密封设置，实现其在单一方向上的胀缩形变，进而便于将交错堆叠的多个相变部固定在相变材料层中的相应区域内，使作为相变材料填充物载体的相变材料层的胀缩过程处于稳定状态。

更具体的，如图4-5、7所示，还包括布置于所述支撑层201外侧的胀缩部2011，胀缩部2011对应于所述炉盖12与炉壳11的接触面位置，胀缩部2011为楔形设置的热膨胀材料。

本实施例中，采用热膨胀材料如楔形的硅橡胶圈，使其随炉衬20升温膨胀并伸入至内圈31与炉体1间的空隙中，并使其紧密贴合在炉衬20的支撑层201与炉体1侧壁之间，提高内圈31在炉壳11与炉盖12间的密封性。

实施例二

如图2、4-6所示，其中与实施例一中相同或相应的部件采用与实施例一相应的附图标记，为简便起见，下文仅描述与实施例一的区别点。该实施例二与实施例一的不同之处在于：

还包括固悬挂于所述炉衬20上的辐射式热源41或悬挂于所述炉体1中的对流式热源42中的一种或多种，且辐射式热源41和对流式热源42沿炉体1的重力方向分区布置；

所述辐射式热源41包括：

悬挂部411，若干个悬挂部411分布式固设于所述炉衬20上；

砖钉412，固设于所述悬挂部411朝向炉体1侧壁的砖钉412用于连接至炉衬20上；

帽体413，固设于所述悬挂部411朝向炉体1中心的一侧；以及

电热元件414，安装于所述悬挂部411的帽体413上。

靠近炉壳11与炉盖12结合的部位以及炉壳11底部炉衬20处的蓄热损失较大，井式炉上部、中部和下部热气流分布有所区别，为获得更好的炉温均匀性，将辐射式热源41如电热丝以及对流式热源42如流动热空气的加热功率分为上中下三区，三区单独设计实现分区控制，利用辐射式热源41的电热丝迅速升温，配合对流式热源42中的循环气流均衡炉体1中的热量分布状态。

在本实施例中，根据炉体1中工件需进行的热处理工艺参数，选择炉衬20上悬挂部411的安装布置形式，使悬挂部411通过砖钉412上的螺纹旋转插入至炉衬20耐热层202的纤维材料中进行固定，实现炉体1中热量的分区控制以及悬挂部411的便捷安装，接着将电热元件414卡合至帽体413上完成安装，实现对炉体1内部的加热。

具体的，如图6、9所示，砖钉412为筒体结构设置，砖钉412包括：

弹性部4121，滑动套设于砖钉412的螺纹段中；

抵靠部4122，固设于弹性部4121朝向炉衬20的末端；

砖钉412在安装至炉衬20后，抵靠部4122与炉衬20中的连接层203相接触，连接层203中相变材料层的膨胀通过抵靠部4122传递向弹性部4121使砖钉412带动悬挂部411产生动作，并同步改变悬挂部411对应电热元件414的运行状态。

本实施例中，当炉体1内对应悬挂部411的局部温度过高时，若干个堆叠设置相变材料层之间处于不同的胀缩状态，对应局部高温区域的相变材料层膨胀，通过挤压相接触的抵靠部4122位移，改变滑动安装于筒体结构砖钉412中弹性部4121的位置，配合与电热元件414电性连接的元件如行程开关或变阻器，实现单独控制对应电热元件414的运行状态，维持炉体1内的温度均衡性。

具体的，如图2、4所示，对流式热源42包括蛇形或螺旋布置在所述炉体1内中空管421，中空管421内用于流通加热气体，中空管421在其周向外侧的表面开设有孔口422。

本实施例中，通过向中空管421内通入加热气体实现在炉体1中的强制对流，与其中热处理的工件进行换热，配合开设于中空管421表面的开口，进一步在炉体1内形成局部旋流或绕流，增强炉体1内气氛分布的均衡性。

工作步骤

步骤一、工件进行热处理工艺过程时，炉体1所采用的材料如耐热钢，在热处理工艺的升温过程中会产生微量的热膨胀，通过开设在炉体1中的膨胀空间10，用于降低炉体1材料在热处理升温过程中与密封机构3材料间的干涉；

步骤二、下凹式设置的膨胀空间10，使炉盖12与炉壳11间的密封机构3通过放置方式实现可拆卸安装，固连在炉壳11外侧作为支撑部111的工字钢，配合与炉体1外侧的升降装置21进行传动连接，实现炉壳11与炉盖12间的闭合能够采取垂直伸缩补偿式、水平或倾斜伸缩补偿式或旋转式等密封模式中具有高温气密性的密封结构形式；

步骤三、根据炉体1中工件需进行的热处理工艺参数，选择炉衬20上悬挂部411的安装布置形式，使悬挂部411通过砖钉412上的螺纹旋转插入至炉衬20耐热层202的纤维材料中进行固定，实现炉体1中热量的分区控制以及悬挂部411的便捷安装，接着将电热元件414卡合至帽体413上完成安装，对炉体1内部加热；

步骤四、当炉体1内对应悬挂部411的局部温度过高时，若干个堆叠设置相变材料层之间处于不同的胀缩状态，对应局部高温区域的相变材料层膨胀，通过挤压相接触的抵靠部4122位移，改变滑动安装于筒体结构砖钉412中弹性部4121的位置，配合与电热元件414电性连接的元件如行程开关或变阻器，实现单独控制对应电热元件414的运行状态；

步骤五、通过向中空管421内通入加热气体实现在炉体1中的强制对流，与其中热处理的工件进行换热，配合开设于中空管421表面的开口，进一步在炉体1内形成局部旋流或绕流；

步骤六、在完成对工件的热处理工艺后，炉衬20在开合炉盖12过程中的降温，使连接层203中的相变材料转变为固态，提升对炉衬20中连接层203两侧的支撑层201与耐热层202间的隔热性，同时在支撑层201和耐热层202之间的连接层203具备变温的滞后性，使炉体1在切换热处理工件的过程中，连接层203中的相变材料固化并释放热量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。