立式合成爐設(shè)計探討

劉國霞　崔慧敏　張海林

摘要：青島賽瑞達(dá)電子裝備股份有限公司自主研發(fā)的立式合成爐適用于碳納米材料及其他合成材料的制備，具有產(chǎn)量高、穩(wěn)定性好、操作簡單等優(yōu)點。文章介紹了合成爐的組成部分以及主要組成部分在設(shè)計中存在的難點和解決方法。

關(guān)鍵詞：立式合成爐；納米材料；加熱器；工藝腔室；氣體控制系統(tǒng)；收料裝置 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TK229 文章編號：1009-2374（2016）08-0024-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.08.013

隨著科學(xué)技術(shù)和材料應(yīng)用的發(fā)展，人們對材料的要求越來越高。而納米材料作為21世紀(jì)最有前途的材料，被廣泛地應(yīng)用在化工、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境、食品等領(lǐng)域。根據(jù)生產(chǎn)工藝腔室大、工藝溫度高、溫度均勻性高、納米材料輕收集困難等特點設(shè)計的立式合成爐是一種新型納米材料生產(chǎn)設(shè)備，主要包括加熱器、工藝腔室、氣體控制系統(tǒng)、收料裝置、尾氣處理、真空系統(tǒng)、水路系統(tǒng)、電器控制等部分。青島賽瑞達(dá)電子裝備股份有限公司生產(chǎn)的立式合成爐設(shè)備整體外形圖如圖1所示，現(xiàn)將主要部分介紹如下。

加熱器是設(shè)備的核心部分。此臺設(shè)備的工藝溫度要求高，所以采用上、中、下三段加熱。如果工藝溫度要求不高，即沒有溫區(qū)的要求，完全可以采用一個加熱器進(jìn)行加熱，這樣加熱器就可以有2～3個電極。電極的引出可以從爐子頂部引出，這樣便于石墨電極和紫銅電極的安裝，加熱器的結(jié)構(gòu)和安裝就會相對簡單。因為客戶的工藝溫度要求高，所以在加熱器的設(shè)計上就存在一定的難度。為了滿足客戶的溫度要求，即溫度1650℃，上、中、下三段控溫、控溫精度≤±5℃以及反應(yīng)物質(zhì)的要求，最終采用三個優(yōu)質(zhì)石墨熱器進(jìn)行加熱。每個石墨加熱器采用并聯(lián)輸出，每個石墨加熱器有兩個電極從爐體輸出，其中石墨加熱器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

石墨加熱器在設(shè)計時除了要滿足電參數(shù)外，還要考慮石墨加熱的安裝、拆卸方便。因為此設(shè)備的工藝腔室比較大而長，加熱器存在如何定位、絕緣以及如何與工藝腔室外殼連接等問題。

石墨加熱器即需要定位牢固，又需要與其他部件絕緣。在石墨加熱器定位方面，最終采用托盤加絕緣耐高溫瓷套的方式解決了石墨加熱器的多層定位的問題。因為工藝腔室比較長，所以石墨電極和紫銅電極的連接不能采用傳統(tǒng)的夾持抱緊方式。關(guān)于石墨加熱器與工藝腔室外殼的連接，采用更改安裝方式的方法來解決。即將石墨電極和紫銅電極先通過螺紋連接，待加熱器固定好后再固定紫銅電極特殊的安裝順序以及特殊結(jié)構(gòu)來解決。而且三個石墨加熱器的安裝和拆卸都要按照一定的順序來進(jìn)行。

2 工藝腔室

工藝腔室是設(shè)備的主要部分，在此腔室內(nèi)，通入的氣體或者其他物質(zhì)在一定溫度和壓力條件下發(fā)生反應(yīng)，生成工藝所要求的物質(zhì)。

此臺設(shè)備的有效工藝腔室為Φ500（內(nèi)徑）mm×2000（高）mm。根據(jù)反應(yīng)氣體以及其他物質(zhì)的特殊性，工藝管采用石墨管。工藝腔室的基本結(jié)構(gòu)是工藝管外面是加熱器，加熱器外面是隔熱保溫層，最外面就是殼體，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。

工藝腔室的殼體采用雙層夾水的特殊結(jié)構(gòu)。隔熱保溫層采用多層石墨氈和金屬反射屏的結(jié)構(gòu)。通過殼體和隔熱保溫層的特殊結(jié)構(gòu)既保證了加熱所需溫度，又保證了爐體外殼溫度接近室溫的要求，最終降低了設(shè)備使用的功率損耗，更好地滿足了設(shè)備的使用要求。

工藝腔室要有良好的密封性，現(xiàn)將主要的密封部分介紹如下：石墨工藝管的上面是石墨蓋，石墨蓋上有噴槍，向工藝管內(nèi)噴灑液體反應(yīng)物。石墨工藝管和石墨蓋之間，要求密封可靠。為了解決石墨工藝管和石墨蓋的密封問題，采用定位臺階的方式，保證石墨工藝管和石墨蓋的密封性。石墨蓋和噴槍之間也需要密封可靠，不泄露氣體和反應(yīng)物。為了保證石墨蓋和噴槍之間的密封性和安裝的可靠性，采用彈簧壓緊的特殊機(jī)構(gòu)。

工藝腔室還配有進(jìn)氣、熱電偶、紅外測溫、真空、尾氣排放和收料等接口。

3 氣體控制系統(tǒng)

氣體控制系統(tǒng)的作用是要保證設(shè)備工藝氣體和反應(yīng)物順利進(jìn)入工藝腔室，并能精確地控制通入氣體或其他物質(zhì)的量。氣體控制系統(tǒng)一般包括手動閥、氣動閥（或電磁閥）、流量控制儀器（質(zhì)量流量計或者浮子流量計）、氣路管路和各種接頭。

因此臺設(shè)備的工藝中需要有液體通過噴槍噴入，所以氣體控制系統(tǒng)除了反應(yīng)氣體的控制外，還要有噴入液體的控制，也就是需要液體流量計，因通入液體的特性需要在液體流量計之前要有液體輸入裝置。而在一般的氣體控制系統(tǒng)中，只有氣體的控制，沒有液體的控制。因液體反應(yīng)物具有一定的黏度，存在流動不暢等特點以及反應(yīng)液體的其他特性，液體的用量的精確控制有一定的難度。我們最終采用液體流量計和蠕動泵的方法進(jìn)行解決。

此設(shè)備的通入氣體主要分為保護(hù)氣體和工藝氣體。工藝氣體通入工藝腔室內(nèi)進(jìn)行工藝反應(yīng)，吹掃氣體充入隔熱保溫層和外殼之間，保護(hù)加熱器和隔熱保溫層。

4 收料裝置

因為此臺設(shè)備合成的納米材料具有生產(chǎn)量大、生成速度快等特點，所以需要有收料裝置，便于納米材料的收集和存放。因納米材料本身具有輕小、蓬松以及大小級別難劃分等特點，所以收集存在一定的難度?，F(xiàn)在只是在設(shè)備的下端設(shè)有收料桶，還沒有形成連續(xù)化的收料裝置。在生產(chǎn)初期客戶還要通過收料裝置觀察物料的運動情況以及反應(yīng)情況，而且因為產(chǎn)品的溫度較高，所以收料桶還要有保溫隔熱和水冷等部件，以保證收料裝置的正常使用。

5 尾氣處理

如果工藝氣體中有易燃、易爆、有毒氣體或者工藝反應(yīng)過程中產(chǎn)生易燃、易爆、有毒氣體，為了減少和杜絕這些氣體對人身、環(huán)境的影響，就需要將這些氣體通過尾氣處理裝置，使處理后的氣體完全符合相關(guān)的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)后，才能排入大氣。

因為此臺設(shè)備的工藝氣體中有氫氣，而且工藝反應(yīng)過程中也會產(chǎn)生氫氣，所以必須將反應(yīng)后的氣體通過尾氣處理裝置。尾氣處理裝置內(nèi)部裝水，氣體先通過水，讓水吸收一部分水溶性的氣體，然后再經(jīng)過點火裝置，將可燃性氣體（如氫氣）燃燒，然后才能排放到大氣中。此外，此臺設(shè)備的尾氣裝置還設(shè)有液位觀察窗口以及水的自動加入和排出接口。

6 真空系統(tǒng)

“真空”是指在指定空間內(nèi)低于環(huán)境大氣壓力的氣體狀態(tài)，也就是該空間內(nèi)的氣體分子密度低于該地區(qū)的氣體分子數(shù)密度。不同的真空狀態(tài)就意味著該空間具有不同的分子數(shù)密度。

在電子裝備領(lǐng)域，很多情況下為了保證生產(chǎn)工藝的順利進(jìn)行，即保證反應(yīng)物在特定的工藝溫度和特定的工藝氣體壓力環(huán)境條件下，不被氧化或者保證反應(yīng)氣體的純度，通常情況下都需要真空系統(tǒng)。真空系統(tǒng)一般都包括真空泵、截止閥、壓力檢測、真空管路等，特殊的還需要冷阱、壓力調(diào)節(jié)等裝置。

在此設(shè)備中，為了保證工藝腔室的氣密性以及定期方便進(jìn)行設(shè)備維護(hù)檢漏，設(shè)有簡捷的真空系統(tǒng)，即采用機(jī)械泵、擋板閥、壓變等真空零部件來保證設(shè)備的低真空要求。

7 結(jié)語

青島賽瑞達(dá)電子裝備股份有限公司自主研發(fā)的立式合成爐，是此領(lǐng)域內(nèi)的國內(nèi)首臺設(shè)備，已經(jīng)成功應(yīng)用于市場，滿足了客戶的生產(chǎn)要求，得到客戶的好評，推動了電子裝備和材料科技的發(fā)展，并為此種納米材料的批量連續(xù)化生產(chǎn)奠定了很好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]王秉銓.工業(yè)爐設(shè)計手冊（第2版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

[2]達(dá)道安.真空設(shè)計手冊（第3版）[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004.

作者簡介：劉國霞（1978-），女，山東安丘人，青島賽瑞達(dá)電子裝備股份有限公司研發(fā)設(shè)計人員，碩士，研究方向：機(jī)械制造及其自動化。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）