用于无机熔体制备高温炉的研制

宋廷寿　张伟　刘慧　刘世权

摘 要：针对传统高温炉在制备无机熔体时的不便之处，提出了改造方案。改造后的高温炉具有对炉内进行实时监控的功能；并使实验过程中的加料方便、快捷，减少了炉内和熔体温度的降低，减少了操作者的劳动强度和危险性，具有一定的实用价值。目前，所述成果已获国家发明专利1项（用于无机熔体制备的高温炉ZL201210372392.5），实用新型专利1项（高温炉炉门开启装置ZL201420722515.8）。

关键词：无机熔体 溢料 漏料 炉膛 可推拉抽屉式托盘 炉门

中图分类号：TH873 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）09（c）-0098-03

Preparation of a High Temperature Furnace Used for the Melting of Inorganic Materials

Song Tingshou Zhang Wei Liu Hui Liu Shiquan

（School of Materials Science and Engineering，University of Jinan，Jinan Shangdong，250022，China）

Abstract：Concerning about the incovenience in the meting of inorganic materials in traditional high temperature furnaces，we have made some changes to the furnace. After the reformations， the inside of the furnace can be real-time visulized.In addition，the batch charging work can be quick and convenient， so that the decrease in the furnace temperature upon opening the furnace door becomes less.Also，the labor intensity and the risks facing high temperature can be reduced.At the present，the reformation results have be authorized a national invention patent（A high temperature furnace used for inorganic materialsmelting，No.201210372392.5）and a new real application patent（A device for opening and closure of the door of a high temperature furnace，No.201420722515.8）.

Key Words：Inorganic melts；Overflowing；Melt leaking；Drawable plates；Door

許多无机材料如陶瓷熔块、玻璃、金属等都是经过高温熔化制成熔体后，再采用水淬或固化成型技术而获得的[1]。在无机熔体制备过程中，高温炉是最常用的设备。高温炉广泛用于高校实验室及小型工厂小规模生产。

通常，原料按一定配比混合均匀后，置于耐火容器（坩埚）中，经电加热或火焰加热到一定温度并保温后形成熔体。随温度升高、时间延长，熔体成分均匀，粘度下降。在整个熔体制备过程中，配合料发生一系列物理化学变化，形成成分均匀的熔体，最终用于成型制品或制备水淬料。

实验过程中，经常发生溢料、漏料等事故。漏料是指熔体与盛装它的耐火容器发生化学反应，导致容器被熔体腐蚀穿透，熔体将流入炉膛。经常是人们准备取熔体用于成型或进行水淬时，才发现容器中熔体已大部分或全部从容器中漏出[2]。这一方面导致物料和人力、时间的巨大浪费；另一方面，造成炉膛的严重污染。无论是上述哪种情况，都需要工作人员在高温状态下及时把流到炉膛中的熔体（液）清理出来，否则高温熔体在冷却后粘附在炉膛耐火材料上，严重影响以后的使用，如炉底不平，以后使用时极易造成容器倾覆；熔体还会进一步与炉膛粘连，并进一步腐蚀炉膛材料，导致炉膛直接报废。如何及时发现溢料和漏料事故，是解决处置上述问题的关键。

此外，很多实验过程中要多次向容器中加料或观察熔体的熔化情况，目前多是取出容器加料后放回或从容器挑出物料来观察，这些都是高温操作，劳动强度大，工作环境差，极易导致容器损坏及操作人员烫伤。

1 传统高温炉存在的不足

1.1 炉内情况不易观察

目前使用的高温炉，在整个加热（升温、保温）过程中都是封闭的，根本无法随时知道物料在炉膛中发生的情况，若经常打开炉门观察，高温情况下会使炉内温度急剧降低，影响正常的升温及作业制度，同时也容易使炉膛的耐火材料产生裂纹，缩短炉膛的使用寿命。

1.2 向炉内加料不方便

对于实验过程中要多次向容器中加料的，目前多是取出容器加料后放回。由于目前实验室用高温炉炉门通常采用左（右）开关手动形式，一般需要两人配合操作，一人取出容器加料，另一人要把炉门（或挡砖）关上，以防炉内温度降低太多，当要把加完物料的容器重新放回炉内时，另一人要再次把炉门打开。在取出或放回容器时，稍不小心，极易将容器摔落地面或侧翻，具有一定的危险性，操作也很不方便。

2 解决方案

针对上述的不足，根据多年的经验与体会，采用以下解决方案。

2.1 安装摄像头进行实时监控

在炉顶顶部设观察孔，在观察孔上安装上小下大的锥形耐火砖，锥形砖上端盖石英玻璃板，上方安装摄像头（见图1）。这样，透过玻璃板和摄像头即可远程监视炉内情况，并可观察陶瓷熔块或玻璃、金属熔体的变化，一旦发生漏（溢）料，可及时发现并处置。该功能还可移植到其它高温炉（如用于陶瓷、水泥等的烧结炉）上。

2.2 采用下开式炉门

将传统的侧开式炉门改为下开式，当炉门完全打开后，呈水平状态；将炉底原有的垫板去掉，使炉底呈现出原有的凹槽；将整个炉膛抬高，使炉底与炉口下沿在一个平面上；制作一个可推拉抽屉式耐火托盘，前面中央有两个未穿透孔，便于夹具推拉，长度不超过炉膛长（深）度的2/3，宽度小于炉门宽度，托盘左右侧面有护沿，护沿高出底部2cm，后面护沿的高度略低于炉口上沿。将耐火容器（坩埚）放在托盘中。当需要添加物料时，将托盘拉出至后沿到炉口的位置，使后沿挡住炉口，减少炉内热量的散失，防止炉内温度的急剧降低，如果实验过程中发生漏（溢）料，漏（溢）出的物料会流在耐火托盘中，起到了保护炉膛的作用。（见图2）

2.3 用电动开关炉门[3-4]

下开式炉门，可以设计成手动，也可以设计成电动的。具体装置如图3、图4所示。

减速电机1与转轴4固定在炉体侧面，齿轮2固定在减速电机1的转轴上，齿轮3固定在转轴4上，齿轮2与齿轮3啮合。支杆16固定在炉门17的上方，缆绳5一端卷绕在转轴4上，另一端固定在支杆16上。转轴6固定在炉门17的下端，转轴14、15固定在炉体前方的下端。锥齿轮9、10分别固定在转轴14、15上，转轴6与转轴14通过连杆7连接在一起，连杆7上设置挡片8。三角形支撑板11固定在转轴15上。其工作原理如下。

由减速电机1带动齿轮2转动，齿轮2与齿轮3啮合，齿轮3带动转轴4转动，缆绳5一端卷绕在转轴4上，另一端与固定在炉门17上方的支杆16连接，通过电机的正反转，卷绕在转轴4上的缆绳5被卷紧或松开，从而实现炉门17的自动开关。

当减速电机转动，卷绕在转轴4上的缆绳被松开时，炉门17会打开。当炉门完全打开时（转动90℃），转轴6随着炉门17一起同向转动90℃，与转轴6和转轴14连接的连杆7做向上运动，使转轴14与转轴6一起作同向转动90℃。转轴14带动2个锥齿轮9也同向转动90℃，锥齿轮9与锥齿轮10啮合，从而带动2个锥齿轮10在垂直方向上转动90度，但转动方向相反。锥齿轮10带动两个转轴15及固定在转轴上的三角形支撑架11，也相向转动90℃，从而实现三角形支撑架11的打开（垂直炉体前面壳体），起到支撑炉门的作用。相反地，当减速电机1向相反方向转动时，缆绳5会被卷紧，炉门会关闭，整个联动机构会做与炉门17打开时方向相反的转动。当炉门被完全关闭时，整个联动机构会向相反方向转动90℃，三角形支撑架11会收起（贴近炉体前面的壳体）。从而实现了三角形支撑架11与炉门17开关的联动。

通过控制柜上的开、关按钮，控制减速电机1的正反转。当炉门完全关闭时，通过连杆7上的挡片8触动限位开关13，使电机停止转动。当炉门打开90℃时，通过连杆7上的挡片8触动限位开关12，使电机停止转动。

3 结语

本方案实现了炉内物料熔化情况的实时监控；对于实验过程中要多次向容器中加料的，只需拉出炉内的耐火托盘至炉门上，即可进行加料，一人即可操作，并缩短了操作时间，解决炉内和物料温度急剧降低的问题。此外，由于增加了耐火托盘，也能很好地保护炉膛。所述装置只需在普通硅钼棒炉子上稍加改造即可实现，所用配件如炉膛、硅钼棒等都是通用的，不需要单独定制，维护费用不会增加，却在很大程度上降低了实验者的操作强度与危险性。

参考文献

[1] 常钧，黄世峰，刘世权.无机非金属材料工艺与性能测试[M].北京：化学工业工业出版社，2007.

[2] 西北轻工业学院.玻璃工艺学[M].北京：轻工业出版社，1982：292-294.

[3] 吳宗泽.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2002.

[4] 邱宣怀.机械设计[M].北京：高等教育出版社，1997.