高真空可视电磁高温炉试验装置

技术领域

本发明涉及耐火材料高温服役性能监测技术领域，特别是涉及一种高真空可视电磁高温炉试验装置。

背景技术

耐火材料、高温合金、复合材料等高温材料被广泛应用于冶金、电力、石油化工和航空航天工业等高温工业生产中，其服役环境通常为高温条件，长时间服役过程中，材料高温行为(断裂、蠕变等)对于设备安全、高效运行及其结构的可靠性评定、寿命预测以及安全设计至关重要。传统材料高温服役性能研究方式较为复杂，多取用后材料评价材料的服役行为，难以获知耐火材料高温服役性能动态瞬态信息，限制了高性能材料的开发与应用。

耐火材料通常在极端的高温环境下使用，例如高温熔炼、火力发电、钢铁冶炼等领域。因此，了解耐火材料在高温条件下的性能变化对于确保工业设备的安全运行至关重要。随着科技的进步，通过机器视觉技术将更加直观和全面监测耐火材料在高温复杂环境下的变化。高速摄影技术、激光技术和高温显微镜等技术的发展，使得耐火材料高温可视化技术不断完善。利用高速摄像机和热像仪可以观察材料在高温下的表面变化和热分布情况，而激光诱导荧光技术则可以帮助观察材料内部的结构和变化。这些技术的应用使得人们能够更加直观地了解耐火材料在高温条件下的行为和性能特点，为材料设计和工程应用提供了重要的参考依据。但是，现有的耐火材料高温可视化的试验过程中，试验装置中存在气氛条件单一以及挥发性气体造成拍摄效果较差的缺陷。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高拍摄效果且炉膛气氛具有可控性的高真空可视电磁高温炉试验装置。

一种高真空可视电磁高温炉试验装置，包括炉体单元、加热单元、磁场程序单元、气氛单元以及摄影单元；

所述炉体单元包括炉壳、气体流量计以及可视化窗口，所述可视化窗口固定设置于所述炉壳的一侧，所述可视化窗口的两侧均固定连接有门栓螺杆，且所述门栓螺杆远离所述可视化窗口的端部设置有合页，以将所述可视化窗口铰接于所述炉壳一侧，所述气体流量计设置于所述炉壳的外部；

所述加热单元设置于所述炉体单元的内部，包括炉膛、吹扫结构以及隔热砖，所述吹扫结构插设于所述炉膛的底部，所述炉膛内部靠近所述吹扫结构的一侧设置有试样台，所述炉膛的两侧均连通有发热体，所述隔热砖设置于所述炉膛的外部；

所述磁场程序单元包括高频直流电源和高温线圈，所述气氛单元包括机械泵、通气管以及分子泵，所述分子泵与机械泵的一端通过波纹管连通，所述机械泵的另一端通过所述波纹管与所述炉体单元连通，所述通气管的一端与所述炉体单元连通，另一端接通空气，且所述通气管上设置有气阀；

所述摄影单元包括工业相机、标定板以及支架，所述工业相机通过杆件固定设置于所述支架顶部，且固定安装于所述杆件的两端，所述杆件中部设置有主动光源，所述标定板设置于所述工业相机与所述可视化窗口之间。

在其中一个实施例中，所述试样台用于放置喷洒有高温散斑混合液的溶液试样，所述高温散斑混合液的溶质为氧化铝微粉、溶剂为水，且溶质与溶剂的质量比为1.5～3:1，用于喷洒于溶液试样的待测表面，经110～200℃热处理1～3小时后生成耐高温散斑；

所述摄影单元用于透过所述可视化窗口对所述试样台上的溶液试样进行监测。

在其中一个实施例中，所述发热体与所述炉膛的两侧表面相接触，所述高温线圈设置于所述炉膛的顶部表面和底部表面，用于调节所述炉膛内部的磁场。

在其中一个实施例中，所述工业相机上具有光圈、焦距以及带通滤光镜片，所述主动光源用于为所述工业相机提供亮度，所述光圈、焦距以及带通滤光镜片用于调整所述工业相机的成像效果，所述标定板用于配合所述工业相机进行坐标选取，以确定拍摄位置。

在其中一个实施例中，所述气氛单元用于通过气瓶根据实验要求调动所述吹扫结构对所述炉膛中的气氛环境进行改变，向所述炉膛中注入气瓶中的气体。

在其中一个实施例中，所述气氛单元还用于通过所述机械泵和波纹管根据试验要求对所述炉膛进行抽真空处理，所述气体流量计用于检测所述炉体单元注入空气或者抽真空处理过程中的气体流量。

在其中一个实施例中，所述可视化窗口的中部采用石英玻璃，所述吹扫结构与所述炉膛底部的相接处为圆孔结构，所述吹扫结构位于所述圆孔结构中，并通过所述通气管与所述炉壳外的气瓶相连通，所述试样台与所述圆孔结构相切。

在其中一个实施例中，所述吹扫结构用于在所述试样台上试样的加热程序启动前向所述试样台吹扫保护性气体。

在其中一个实施例中，所述波纹管从所述炉膛的一侧导出与所述机械泵相连，所述气体流量计与所述吹扫结构相连通，以检测所述吹扫结构中的气体流量。

在其中一个实施例中，还包括激光测距仪，所述激光测距仪用于测量所述工业相机与试样台上试样之间的水平直线距离，以辅助所述标定板选取拍摄位置。

上述高真空可视电磁高温炉试验装置，在高温可视化试验中，针对高温熔体或高温熔体与材料反应产生的挥发性气体对图片拍摄质量的影响，通过吹扫结构可以充入保护性气体来吹散影像图片拍摄质量的挥发性气体，进而提高图片采集的质量。此外，还能够通过气瓶对气氛单元中的气氛环境进行改变，使得气氛单元中的气氛具有多样性，提高气氛环境的可控性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的高真空可视电磁高温炉试验装置的炉体单元结构示意图；

图2为本发明提供的高真空可视电磁高温炉试验装置的加热单元结构示意图；

图3为本发明提供的高真空可视电磁高温炉试验装置的磁场程序单元结构示意图；

图4为本发明提供的高真空可视电磁高温炉试验装置的气氛单元结构示意图；

图5为本发明提供的高真空可视电磁高温炉试验装置的摄影单元结构示意图。

附图标记：

100、炉体单元；110、炉壳；120、合页；130、门栓螺杆；140、气体流量计；150、可视化窗口；151、石英玻璃；160、螺丝；200、加热单元；210、炉膛；220、吹扫结构；230、试样台；231、试样；240、隔热砖；250、发热体；300、磁场程序单元；310、高频直流电源；320、高温线圈；400、气氛单元；410、机械泵；420、气阀；430、通气管；440、波纹管；450、分子泵；500、摄影单元；510、支架；520、工业相机；530、主动光源；540、光圈；550、焦距；560、带通滤光镜片；570、标定板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地说明，显然，所描述的实施例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。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”或“设置于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。本发明的说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

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“上”、“下”可以是第一特征直接和第二特征接触，或第一特征和第二特征间接地通过中间媒介接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或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”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

除非另有定义，本发明的说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本发明的说明书所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

下面结合图1至图5描述本发明的高真空可视电磁高温炉试验装置。

如图1至图5所示，在一个实施例中，一种高真空可视电磁高温炉试验装置，包括炉体单元100、加热单元200、磁场程序单元300、气氛单元400以及摄影单元500，其中，炉体单元100包括炉壳110、气体流量计140以及可视化窗口150，可视化窗口150固定设置于炉壳110的一侧，可视化窗口150的两侧均固定连接有门栓螺杆130，且门栓螺杆130远离可视化窗口150的端部设置有合页120，以将可视化窗口150铰接于炉壳110一侧，气体流量计140设置于炉壳110的外部。

在本实施例中，加热单元200设置于炉体单元100的内部，包括炉膛210、吹扫结构220以及隔热砖240，吹扫结构220插设于炉膛210的底部，炉膛210内部靠近吹扫结构220的一侧设置有试样台230，炉膛210的两侧均连通有发热体250，隔热砖240设置于炉膛210的外部。磁场程序单元300包括高频直流电源310和高温线圈320，气氛单元400包括机械泵410、通气管430以及分子泵450，分子泵450与机械泵410的一端通过波纹管440连通，机械泵410的另一端通过波纹管440与炉体单元100连通，通气管430的一端与炉体单元100连通，另一端接通空气，且通气管430上设置有气阀420。摄影单元500包括工业相机520、标定板570以及支架510，工业相机520通过杆件固定设置于支架510顶部，且固定安装于杆件的两端，杆件中部设置有主动光源530，标定板570设置于工业相机520与可视化窗口150之间。

在本实施例中，试样台230用于放置喷洒有高温散斑混合液的试样231，高温散斑混合液的溶质为氧化铝微粉、溶剂为水，且溶质与溶剂的质量比为1.5～3:1，用于喷洒于试样231的待测表面，经110～200℃热处理1～3小时后生成耐高温散斑。摄影单元500用于透过可视化窗口150对试样台230上的试样231进行监测。发热体250与炉膛210的两侧表面相接触，高温线圈320设置于炉膛210的顶部表面和底部表面，用于调节炉膛210内部的磁场。

在本实施例中，工业相机520上具有光圈540、焦距550以及带通滤光镜片560，主动光源530用于为工业相机520提供亮度，光圈540、焦距550以及带通滤光镜片560用于调整工业相机520的成像效果，标定板570用于配合工业相机520进行坐标选取，以确定拍摄位置。气氛单元400用于通过气瓶根据实验要求调动吹扫结构220对炉膛210中的气氛环境进行改变，向炉膛210中注入气瓶中的气体。气氛单元400还用于通过机械泵410和波纹管440根据试验要求对炉膛210进行抽真空处理，气体流量计140用于检测炉体单元100注入空气或者抽真空处理过程中的气体流量。可视化窗口150的中部采用石英玻璃151，吹扫结构220与炉膛210底部的相接处为圆孔结构，吹扫结构220位于圆孔结构中，并通过通气管430与炉壳110外的气瓶相连通，试样台230与圆孔结构相切。吹扫结构220用于在试样台230上试样231的加热程序启动前向试样台230吹扫保护性气体。

在本实施例中，波纹管440从炉膛210的一侧导出与机械泵410相连，气体流量计140与吹扫结构220相连通，以检测吹扫结构220中的气体流量。另外，还设置有激光测距仪来测量工业相机520与试样台230上试样231之间的水平直线距离，以辅助标定板570选取拍摄位置。

上述高真空可视电磁高温炉试验装置，在高温可视化试验中，针对高温熔体或高温熔体与材料反应产生的挥发性气体对图片拍摄质量的影响，通过吹扫结构可以充入保护性气体来吹散影像图片拍摄质量的挥发性气体，进而提高图片采集的质量。此外，还能够通过气瓶对气氛单元中的气氛环境进行改变，使得气氛单元中的气氛具有多样性，提高气氛环境的可控性。

结合图1至图5所示，在具体的实施例中，首先制备试样，配制溶液，在溶液的待测表面喷洒高温散斑混合液。随后，放入高真空可视电磁高温炉，试样231放入炉体单元100的炉膛210中，并置于试样台230上。炉体单元100上设有可视窗口模块，可视窗口模块用于摄影单元500对试样231进行监测。加热单元200(吹扫结构220)的发热体250与炉膛210的左右表面接触，炉膛210上下表面设有调节磁场的高温线圈320。然后，调节支架510角度、工业相机520的光圈540、焦距550和带通滤光镜片560，打开主动光源530，调整至试验所需的亮度，同时再次调节光圈540、焦距550和带通滤光镜片560，将试样231成像效果调整至试验需要，配合标定板570进行拍摄。之后，根据试验要求注入气体或者抽真空，将试样231放入炉膛210后将炉体单元100设置完备，利用气瓶根据试验所需通过吹扫结构220对炉膛中的气氛环境进行改变，以及利用机械泵410和波纹管440将炉膛210抽真空。吹扫结构220持续充入保护性气体，再启动加热程序，摄影单元500高温拍摄，数据分析，试验结束。

在本实施例中，克服了挥发性气体影响光路造成的拍摄效果不佳或炉膛210气氛单一的问题，通过设置气氛单元200，降低高温挥发性气体对光折射率所产生的影响，进而提高图像采集质量和计算精度。另外，配合摄影单元500所提取的材料高温服役动态瞬态表面图像内容，能够实现对材料高温服役性能的动态、可视化监测。

需要说明的是，高温散斑混合液的溶质为氧化铝微粉，溶剂为水，溶质与溶剂的质量比为(1.5～3)：1，将高温散斑混合液喷涂在试样203的待测表面，将试样231经110～200℃热处理1～3h后制得耐高温散斑。

在本实施例中，炉壳110上设有可视窗模块，可视窗模块包括与炉壳110铰接的门栓螺杆130、设于炉壳110外表面上的合页120，门栓螺杆130的非铰接一端设有螺丝160，螺丝160与门栓螺杆130、合页120相配合以将可视窗模块压紧于炉壳110上，可视窗模块内部为炉膛210加热模块，可视窗模块的外表面设有用于监测的石英玻璃151，炉壳110上设有气体流量计140。炉壳110为钢制方形外壳，可视窗模块为钢制方形模块，门栓螺杆130的一端通过合页120与炉壳110铰接，另一端焊接有螺丝160，可视窗模块可以绕合页120移动。合页120为钢制合页，一端连接炉壳110，另一端连接门栓螺杆130。门栓螺杆130为钢制材料，一端接在合页120上，螺丝160为钢制螺丝。炉壳110及炉膛210用于为整个监测过程中所涉及的部件提供支撑作用。

在本实施例中，炉壳110包括加热单元200(吹扫结构220)、位于炉壳110内部且中空的炉膛210，炉膛210的左右表面相对应位置处均开设有与加热程序相配合的发热体250，上下表面设有高温线圈320，下表面设有试样台230。炉膛210的下表面相对应位置处开设有与气氛单元400相配合的孔，炉膛210的前表面设有保温用的隔热砖240。炉膛210为刚玉材料制成，内部为中空方形空间，试样台230由刚玉材料制成，为长方体形态，发热体250的材料为钨丝。隔热砖240为轻质氧化铝材料制成，炉壳110上设有可视窗模块，可视窗模块包括开设于模块上的可视化窗口150以及隔热砖240，可用于取试样231，合页120用于可视窗模块的移动，螺丝160与门栓螺杆130、合页120相配合以将可视窗模块压紧于炉壳110上。可视窗模块为矩形通孔，开设于炉壳110的中心。玻璃为一块略大于可视窗口的石英质玻璃，可视窗模块、石英玻璃151用于提供摄影单元500对试样进行监测的窗口，石英玻璃151用于阻挡炉膛210内的部分热辐射，隔热砖240用于对炉膛210内的试样231进行保温。

在本实施例中，加热单元200(吹扫结构220)包括加热炉膛模块，加热炉膛内部含有安装于炉膛210左右表面的发热体250、安装于炉膛210下表面的试样台230以及同样位于下表面的吹扫结构220，发热体250穿过炉膛210经线路连接到炉体单元100下方的加热程序。高频直流电源310也位于下侧，利用炉膛210上下表面的高温线圈320调节磁场。吹扫结构220位于下侧高温线圈320的上方，发热体250位于炉膛210两侧呈轴对称形态。吹扫结构220参数如表1所示：

表1

在本实施例中，吹扫结构220在加热程序开启前启动，冲入氮气或氩气等保护性气体。在高温熔体或高温熔体与材料反应产生挥发性气体造成散斑点拍摄不清晰时，吹扫结构220可吹散挥发性气体。在试验结束后，炉膛210温度下降至100℃后可关闭吹扫结构220。

另外，高温线圈320的参数如表2所示：

表2

在本实施例中，发热体250用于提高炉膛210内的温度，加热试样231。高频直流电源310利用高温线圈320控制炉膛210内的磁场强度。气氛单元400包括机械泵410、与机械泵410相连并用耐高温橡胶材料密封安装于机械泵410上面的波纹管440以及固定在炉膛210侧边的气阀420和正面的气体流量计140，以及安装于通气管430末端的吹扫结构220，最后是与机械泵410相连的分子泵450。通气管430为不锈钢材料所制的圆管，长度为20cm，外接软管密封于气瓶。波纹管440由不锈钢材料制成，接于机械泵410。气氛单元400用于改变炉膛210中的气氛环境和吹散挥发性气体，机械泵410利用波纹管440抽真空，气阀420用于控制通气管430的开关，气体流量计140用于调节输入气体的流速。

在本实施例中，摄影单元500还包括支架510、设于支架510上的两个工业相机520，主动光源530设于支架510上且位于两个工业相机520之间，工业相机520的镜头上依次为光圈540、焦距550和带通滤光镜片560，两个工业相机520之间呈小角度。开启主动光源530，通过工业相机520记录试样231表面形貌信息变化，主动光源530发射的光线为波长350～450nm的蓝光。带通滤光镜片560的光波截止范围为10～30nm，中心波长与主动光所发射光线的波长相同。支架510为三角支架，放置于可视化窗口150的正前方，位置略低。支架510的高度不低于可视化窗口150的下边。摄影单元500用于实时监测试样的变化，工业相机520用于为试样231拍照，主动光源530用于为试样231的拍照提供光源，支架510用于固定工业相机520和主动光源530。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。