用于無機熔體制備高溫爐的研制

宋廷壽　張偉　劉慧　劉世權

摘 要：針對傳統高溫爐在制備無機熔體時的不便之處，提出了改造方案。改造后的高溫爐具有對爐內進行實時監控的功能；并使實驗過程中的加料方便、快捷，減少了爐內和熔體溫度的降低，減少了操作者的勞動強度和危險性，具有一定的實用價值。目前，所述成果已獲國家發明專利1項（用于無機熔體制備的高溫爐ZL201210372392.5），實用新型專利1項（高溫爐爐門開啟裝置ZL201420722515.8）。

關鍵詞：無機熔體 溢料 漏料 爐膛 可推拉抽屜式托盤 爐門

中圖分類號：TH873 文獻標識碼：A 文章編號：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

許多無機材料如陶瓷熔塊、玻璃、金屬等都是經過高溫熔化制成熔體后，再采用水淬或固化成型技術而獲得的[1]。在無機熔體制備過程中，高溫爐是最常用的設備。高溫爐廣泛用于高校實驗室及小型工廠小規模生產。

通常，原料按一定配比混合均勻后，置于耐火容器（坩堝）中，經電加熱或火焰加熱到一定溫度并保溫后形成熔體。隨溫度升高、時間延長，熔體成分均勻，粘度下降。在整個熔體制備過程中，配合料發生一系列物理化學變化，形成成分均勻的熔體，最終用于成型制品或制備水淬料。

實驗過程中，經常發生溢料、漏料等事故。漏料是指熔體與盛裝它的耐火容器發生化學反應，導致容器被熔體腐蝕穿透，熔體將流入爐膛。經常是人們準備取熔體用于成型或進行水淬時，才發現容器中熔體已大部分或全部從容器中漏出[2]。這一方面導致物料和人力、時間的巨大浪費；另一方面，造成爐膛的嚴重污染。無論是上述哪種情況，都需要工作人員在高溫狀態下及時把流到爐膛中的熔體（液）清理出來，否則高溫熔體在冷卻后粘附在爐膛耐火材料上，嚴重影響以后的使用，如爐底不平，以后使用時極易造成容器傾覆；熔體還會進一步與爐膛粘連，并進一步腐蝕爐膛材料，導致爐膛直接報廢。如何及時發現溢料和漏料事故，是解決處置上述問題的關鍵。

此外，很多實驗過程中要多次向容器中加料或觀察熔體的熔化情況，目前多是取出容器加料后放回或從容器挑出物料來觀察，這些都是高溫操作，勞動強度大，工作環境差，極易導致容器損壞及操作人員燙傷。

1 傳統高溫爐存在的不足

1.1 爐內情況不易觀察

目前使用的高溫爐，在整個加熱（升溫、保溫）過程中都是封閉的，根本無法隨時知道物料在爐膛中發生的情況，若經常打開爐門觀察，高溫情況下會使爐內溫度急劇降低，影響正常的升溫及作業制度，同時也容易使爐膛的耐火材料產生裂紋，縮短爐膛的使用壽命。

1.2 向爐內加料不方便

對于實驗過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。由于目前實驗室用高溫爐爐門通常采用左（右）開關手動形式，一般需要兩人配合操作，一人取出容器加料，另一人要把爐門（或擋磚）關上，以防爐內溫度降低太多，當要把加完物料的容器重新放回爐內時，另一人要再次把爐門打開。在取出或放回容器時，稍不小心，極易將容器摔落地面或側翻，具有一定的危險性，操作也很不方便。

2 解決方案

針對上述的不足，根據多年的經驗與體會，采用以下解決方案。

2.1 安裝攝像頭進行實時監控

在爐頂頂部設觀察孔，在觀察孔上安裝上小下大的錐形耐火磚，錐形磚上端蓋石英玻璃板，上方安裝攝像頭（見圖1）。這樣，透過玻璃板和攝像頭即可遠程監視爐內情況，并可觀察陶瓷熔塊或玻璃、金屬熔體的變化，一旦發生漏（溢）料，可及時發現并處置。該功能還可移植到其它高溫爐（如用于陶瓷、水泥等的燒結爐）上。

2.2 采用下開式爐門

將傳統的側開式爐門改為下開式，當爐門完全打開后，呈水平狀態；將爐底原有的墊板去掉，使爐底呈現出原有的凹槽；將整個爐膛抬高，使爐底與爐口下沿在一個平面上；制作一個可推拉抽屜式耐火托盤，前面中央有兩個未穿透孔，便于夾具推拉，長度不超過爐膛長（深）度的2/3，寬度小于爐門寬度，托盤左右側面有護沿，護沿高出底部2cm，后面護沿的高度略低于爐口上沿。將耐火容器（坩堝）放在托盤中。當需要添加物料時，將托盤拉出至后沿到爐口的位置，使后沿擋住爐口，減少爐內熱量的散失，防止爐內溫度的急劇降低，如果實驗過程中發生漏（溢）料，漏（溢）出的物料會流在耐火托盤中，起到了保護爐膛的作用。（見圖2）

2.3 用電動開關爐門[3-4]

下開式爐門，可以設計成手動，也可以設計成電動的。具體裝置如圖3、圖4所示。

減速電機1與轉軸4固定在爐體側面，齒輪2固定在減速電機1的轉軸上，齒輪3固定在轉軸4上，齒輪2與齒輪3嚙合。支桿16固定在爐門17的上方，纜繩5一端卷繞在轉軸4上，另一端固定在支桿16上。轉軸6固定在爐門17的下端，轉軸14、15固定在爐體前方的下端。錐齒輪9、10分別固定在轉軸14、15上，轉軸6與轉軸14通過連桿7連接在一起，連桿7上設置擋片8。三角形支撐板11固定在轉軸15上。其工作原理如下。

由減速電機1帶動齒輪2轉動，齒輪2與齒輪3嚙合，齒輪3帶動轉軸4轉動，纜繩5一端卷繞在轉軸4上，另一端與固定在爐門17上方的支桿16連接，通過電機的正反轉，卷繞在轉軸4上的纜繩5被卷緊或松開，從而實現爐門17的自動開關。

當減速電機轉動，卷繞在轉軸4上的纜繩被松開時，爐門17會打開。當爐門完全打開時（轉動90℃），轉軸6隨著爐門17一起同向轉動90℃，與轉軸6和轉軸14連接的連桿7做向上運動，使轉軸14與轉軸6一起作同向轉動90℃。轉軸14帶動2個錐齒輪9也同向轉動90℃，錐齒輪9與錐齒輪10嚙合，從而帶動2個錐齒輪10在垂直方向上轉動90度，但轉動方向相反。錐齒輪10帶動兩個轉軸15及固定在轉軸上的三角形支撐架11，也相向轉動90℃，從而實現三角形支撐架11的打開（垂直爐體前面殼體），起到支撐爐門的作用。相反地，當減速電機1向相反方向轉動時，纜繩5會被卷緊，爐門會關閉，整個聯動機構會做與爐門17打開時方向相反的轉動。當爐門被完全關閉時，整個聯動機構會向相反方向轉動90℃，三角形支撐架11會收起（貼近爐體前面的殼體）。從而實現了三角形支撐架11與爐門17開關的聯動。

通過控制柜上的開、關按鈕，控制減速電機1的正反轉。當爐門完全關閉時，通過連桿7上的擋片8觸動限位開關13，使電機停止轉動。當爐門打開90℃時，通過連桿7上的擋片8觸動限位開關12，使電機停止轉動。

3 結語

本方案實現了爐內物料熔化情況的實時監控；對于實驗過程中要多次向容器中加料的，只需拉出爐內的耐火托盤至爐門上，即可進行加料，一人即可操作，并縮短了操作時間，解決爐內和物料溫度急劇降低的問題。此外，由于增加了耐火托盤，也能很好地保護爐膛。所述裝置只需在普通硅鉬棒爐子上稍加改造即可實現，所用配件如爐膛、硅鉬棒等都是通用的，不需要單獨定制，維護費用不會增加，卻在很大程度上降低了實驗者的操作強度與危險性。

參考文獻

[1] 常鈞，黃世峰，劉世權.無機非金屬材料工藝與性能測試[M].北京：化學工業工業出版社，2007.

[2] 西北輕工業學院.玻璃工藝學[M].北京：輕工業出版社，1982：292-294.

[3] 吳宗澤.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2002.

[4] 邱宣懷.機械設計[M].北京：高等教育出版社，1997.