CN105403048A - 一种蠕变持久试验机用长时连续工作加热炉 - Google Patents

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王美玲
八木晃一
冯强
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Abstract

本发明涉及一种蠕变持久试验机用长时连续工作加热炉，应用于金属材料长时蠕变持久性能测试和寿命评估。其特点在于加热炉采用双炉丝设计，两套加热丝独立间隔绕制在炉管上，通过控制***设计，工作炉丝组因故障发生加热中断时，切换并启动备用炉丝组，解决金属材料蠕变持久性能测试过程中因加热炉的炉丝故障引起的试验中断问题，提高加热炉的长时连续工作寿命。该方法简便易行，在蠕变持久试验机用高温加热炉及其他电热丝加热设备中容易实现，并可以实现工业化生产。

Description

一种蠕变持久试验机用长时连续工作加热炉
技术领域
本发明属金属材料力学性能测试分析特别是长时蠕变持久性能测试分析领域，具体涉及一种蠕变持久试验机用长时连续工作加热炉。
背景技术
固体材料在一定温度下，保持应力不变时，应变随时间延长而增加的现象称为蠕变。材料的蠕变行为是时间、应力、温度共同作用的结果，只要作用的时间足够长，蠕变在应力远小于弹性极限时也能出现。同样，材料的蠕变行为在低温下也会发生，但只有达到一定的温度才能变得显著，该温度称为材料的蠕变温度。各种金属材料的蠕变温度约为0.3Tm（Tm为熔化温度，以热力学温度表示），对于一些低熔点金属如铅、锡等，温室下就会发生蠕变。因此，对于能源、石油化工、航空航天领域长时高温受载条件下工作的构件，蠕变损伤是其主要的失效形式，材料的蠕变寿命是材料研发、构件设计、寿命预测和可靠性评估必须参考的基本高温力学性能之一。
1905年英国菲利普斯（F.Philips）首先观察到金属丝的蠕变现象，但直到1922年英国迪肯森（Dickenson）发表了钢的蠕变试验结果后，人们才开始认识到高温承载下金属构件均会发生蠕变，蠕变试验研究从此受到重视，并将105h蠕变断裂时所对应的应力，称为材料的蠕变断裂强度或持久强度极限，规定其为高温结构材料设计的依据。但在20世纪30年代，材料一定温度下的蠕变断裂试验不可能连续进行105h，材料的持久强度极限很难通过试验实测获得。因此，研究者陆续提出了各种高温结构材料持久强度外推方法，这些就是高温结构材料寿命评估技术的原型。随着科学技术的不断发展，大量105h甚至2×105h蠕变断裂数据的出现，科研人员尤其是工程技术人员对外推方法进行了不断的检验、分析总结和优化，形成了现有的高温结构材料蠕变寿命评估方法体系：持久强度模型（等温外推模型，时间-温度参数模型，Robinson寿命消耗模型）、蠕变变形模型（θ预测法，蠕变曲线外推）以及基于断裂力学的蠕变损伤开裂和裂纹扩展模型。
根据国际标准的规定，利用外推模型进行金属材料蠕变持久寿命评估时，最短试验时间不应低于外推寿命的1/3，即：要获得材料蠕变断裂强度或持久强度极限，最少需要开展3300小时的长时蠕变持久试验。蠕变持久试验机用高温在长时高温的工作过程中，由于温度持续较高，炉丝与电极接触不良等原因，会导致高温炉的炉丝氧化断开。一旦高温炉的某段炉丝断开，该段的温度就会立刻下降，高温蠕变试验就无法继续进行，由此引起的试验误差具有不可恢复性，材料的性能数据就需要重新开始评估，造成资源的极大浪费，因此，保证蠕变持久试验机加热炉炉丝的长时连续工作是对金属材料的长时蠕变持久性能测试有着重要的意义。
发明内容
本发明提出一种蠕变持久试验机用长时连续工作加热炉，通过双炉丝设计以保证加热炉的长时连续工作。
一种蠕变持久试验机用长时连续工作加热炉，其特征在于，所述加热炉通过双炉丝设计以保证加热炉的长时连续工作。
进一步的，所述加热炉炉体为直筒式结构，所述加热炉包括：炉管、炉衬、端盖、盖板、炉丝组件与炉壳，所述炉管上下两端均设置所述端盖，所述炉管设置于所述炉衬之内，所述炉壳包覆于所述炉衬表面，所述炉丝组件与所述炉管连接，所述盖板通过六角螺钉与所述端盖连接。
进一步的，所述炉衬包括：对流空气层和保温层，所述保温层靠近所述炉管，所述对流空气层靠近所述炉壳，所述保温层为高温纤维保温材料，所述对流空气层为空腔，所述对流空气层与保温层之间设置有内衬板，所述炉壳侧面上下两侧均设置有对流空气口。
进一步的，所述炉管侧面设有双螺旋槽。
进一步的，所述炉丝组件包括：工作炉丝、备用炉丝、炉丝接线柱、电极固定板与电源接头保护罩，所述加热炉为上中下三段式加热，所述炉管的上、中、下部分别绕制所述工作炉丝和备用炉丝，所述工作炉丝组和备用炉丝组独立间隔绕制在炉管侧面的双螺旋槽内。
进一步的，所述电极固定板固定在所述炉壳上，所述炉丝接线柱固定在所述电极固定板上，所述工作炉丝、备用炉丝两端分别与对应的炉丝接线柱连接，所述电源接头保护罩设置于所述炉壳上，所述工作炉丝、备用炉丝、炉丝接线柱、电极固定板均容纳于所述电源接头保护罩内。
与现有加热炉相比，本发明的特点在于，能够在工作炉丝组出现故障发生加热中断时，快速启动备用炉丝组，在标准要求的温度波动范围内保证加热炉的连续工作，从理论上可使加热炉的工作寿命提高一倍。
附图说明
图1为本发明加热炉纵剖面结构示意图；
图2为本发明加热炉横截面结构示意图；
图3为本发明实施例1加热炉双丝切换过程中的温度曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
一种蠕变持久试验机用长时连续工作加热炉，所述加热炉通过双炉丝设计以保证加热炉的长时连续工作，所述加热炉炉体为直筒式结构，所述加热炉包括：炉管1、炉衬2、端盖3、盖板4、炉丝组件5与炉壳6，所述炉管1上下两端均设置所述端盖3，所述炉管1设置于所述炉衬2之内，所述炉壳6包覆于所述炉衬2表面，所述炉丝组件5与所述炉管1连接，所述盖板4通过六角螺钉与所述端盖3连接。所述炉衬2包括：对流空气层21和保温层22，所述保温层22靠近所述炉管1，所述对流空气层21靠近所述炉壳6，所述保温层22为高温纤维保温材料，所述对流空气层21为空腔，所述对流空气层21与保温层22之间设置有内衬板23，所述炉壳6侧面上下两侧均设置有对流空气口61。所述炉管1侧面设有双螺旋槽，所述炉管1可以为马弗管。所述炉丝组件5包括：工作炉丝51、备用炉丝52、炉丝接线柱53、电极固定板54与电源接头保护罩55，所述加热炉为上中下三段式加热，所述炉管1的上、中、下部分别绕制所述工作炉丝51和备用炉丝52，所述工作炉丝组和备用炉丝组独立间隔绕制在炉管1内侧的双螺旋槽内，所述电极固定板54固定在所述炉壳6上，所述炉丝接线柱53固定在所述电极固定板54上，所述工作炉丝51、备用炉丝52两端分别与对应的炉丝接线柱53连接，所述电源接头保护罩55设置于所述炉壳6上，所述工作炉丝51、备用炉丝52、炉丝接线柱53、电极固定板54均容纳于所述电源接头保护罩55内。所述炉丝接线柱53采用独特的套管式设计，通过高温合金焊丝与炉丝焊接，构成稳定的连接结构。工作和备用双套加热丝通过控制***形成可选择的闭环结构，试验开始时，先启动工作加热丝，工作加热丝出现故障发生加热中断时，切换加热丝，启动备用炉丝52组继续工作。
通过工作和备用炉丝不同温度下最佳控温参数的***试验和精确测量，800℃时，工作炉丝组故障后启动备用炉丝组，加热炉在5分钟之内即可稳定到原有的目标温度，而且稳定过程中的温度平均波动小于5℃，完全满足国际标准ISO204-2009和国内标准GB2039-2-12对蠕变持久试验过程中温度波动的要求。
【实施例1】启动加热炉的工作炉丝组，待加热到目标温度800℃并稳定后切断工作炉丝组5min后，启动备用炉丝组；二次稳定后切断备用炉丝组15min后，再次启动备用工作炉丝组；三次稳定后再次切断工作加热丝5min后，启动备用炉丝组；四次稳定后最后切断备用炉丝组2min后，启动工作炉丝组。
从实施例所得到的双丝加热炉炉丝切换过程中的温度变化曲线可以看出，工作过程中，工作炉丝组出现故障加热中断时，如果工作人员或控制***能够在5min中内将加热丝切换至备用炉丝组，整个切换过程中，加热炉上、中、下三段的炉温波动可控制在5℃以内，该温度波动满国际标准ISO204-2009和国内标准GB2039-2-12对长时蠕变持久试验过程中温度波动的要求。
综上所述，本发明可以在国内外标准要求的控温精度内将蠕变持久用高温加热炉的理论寿命提高一倍以上，可有效保证加热炉的连续工作时间。
与现有加热炉相比，本发明的特点在于，能够在工作炉丝组出现故障发生加热中断时，快速启动备用炉丝组，在标准要求的温度波动范围内保证加热炉的连续工作，从理论上可使加热炉的工作寿命提高一倍。

Claims (6)

1.一种蠕变持久试验机用长时连续工作加热炉，其特征在于，所述加热炉通过双炉丝设计以保证加热炉的长时连续工作。
2.根据权利要求1所述加热炉，其特征在于，所述加热炉炉体为直筒式结构，所述加热炉包括：炉管、炉衬、端盖、盖板、炉丝组件与炉壳，所述炉管上下两端均设置所述端盖，所述炉管设置于所述炉衬之内，所述炉壳包覆于所述炉衬表面，所述炉丝组件与所述炉管连接，所述盖板通过六角螺钉与所述端盖连接。
3.根据权利要求2所述加热炉，其特征在于，所述炉衬包括：对流空气层和保温层，所述保温层靠近所述炉管，所述对流空气层靠近所述炉壳，所述保温层为高温纤维保温材料，所述对流空气层为空腔，所述对流空气层与保温层之间设置有内衬板，所述炉壳侧面上下两侧均设置有对流空气口。
4.根据权利要求2所述加热炉，其特征在于，所述炉管侧面设有双螺旋槽。
5.根据权利要求2所述加热炉，其特征在于，所述炉丝组件包括：工作炉丝、备用炉丝、炉丝接线柱、电极固定板与电源接头保护罩，所述加热炉为上中下三段式加热，所述炉管的上、中、下部分别绕制所述工作炉丝和备用炉丝，所述工作炉丝组和备用炉丝组独立间隔绕制在炉管侧面的双螺旋槽内。
6.根据权利要求5所述加热炉，其特征在于，所述电极固定板固定在所述炉壳上，所述炉丝接线柱固定在所述电极固定板上，所述工作炉丝、备用炉丝两端分别与对应的炉丝接线柱连接，所述电源接头保护罩设置于所述炉壳上，所述工作炉丝、备用炉丝、炉丝接线柱、电极固定板均容纳于所述电源接头保护罩内。
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