CN107799235A - 一种连续热处理装置及MgB2超导线/带材热处理方法 - Google Patents

一种连续热处理装置及MgB2超导线/带材热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种连续热处理装置，该装置利用电机通过传动皮带带动收线轮转动，从而带动引线牵引待热处理材料依次经过热处理装置的加热区和冷却区，进行动态的连续热处理和冷却处理，一步实现了材料的快速升降温，减少了热处理过程中材料不同位置的温度差异，改善了热处理的质量，扩大了装置的应用范围。本发明还公开了一种MgB2超导线/带材热处理的方法，该方法将MgB2超导线/带材置于上述连续热处理装置中，然后在惰性气体保护下进行连续的快速升降温的热处理，避免了MgB2超导芯丝生成非超导的杂质相以及MgB2线/带材之间出现粘连现象，灵活可控，方便高效。

Description

一种连续热处理装置及MgB2超导线/带材热处理方法
技术领域
本发明属于热处理技术领域，具体涉及一种连续热处理装置及MgB2超导线/带材热处理方法。
背景技术
热处理是一种通过温度来改变材料表面或内部的化学成分与组织，获得所需性能的热加工工艺。常规的热处理的方法为静态热处理，即将待热处理材料装入热处理装置中，通过控制热处理的温度和时间来实现热处理过程。热处理量越大，需要的热处理装置规格也就越大，但大型的热处理装置升降温时间较长，热处理时材料中不同位置的温度差异较大，热处理的效果不佳，同时热处理装置的容积有限，单次处理量有限，极大限制了其应用范围。
MgB2材料的超导临界转变温度(Tc)约为39K，是已知的具有最高超导临界转变温度的简单二元化合物。目前制备MgB2超导线带材的方法主要为粉末装管法(PIT)，包括原位粉末装管法(in-situ PIT)和先位粉末装管法(ex-situ PIT)。原位粉末装管法以Mg和B的混合粉末为前驱体粉末，装管后加工成线/带材，再进行热处理，使混合粉末形成MgB2超导相。由于Mg和B反应形成MgB2的过程较快，所以需要进行快速升降温的热处理。先位粉末装管法以MgB2超导粉末为前驱体粉末，装管后加工成线/带材，不需热处理即可使用。但由于MgB2具有类似陶瓷的脆性且硬度较大，加工过程中MgB2晶粒的连接性减弱，产品的超导性能受影响，因此常通过热处理改善MgB2粉末晶粒的连结性，提高芯材的致密度，最终提升产品的超导性能，该热处理过程也需要快速升降温，避免MgB2在长时间高温状态下转化为MgB4等非超导的杂质相。
传统的MgB2线/带材热处理方法为静态热处理，即将MgB2线/带材卷成盘状在恒温条件下进行热处理，如果线/带材的长度较大，就需要置于大型的热处理设备中，但大型的热处理设备升降温时间较长，容易导致MgB2线/带材的MgB2超导芯丝发生转化或与包套材料发生扩散反应，生成非超导的杂质相，并且长时间的高温会使MgB2线/带材之间出现粘连现象，最终影响MgB2线/带材的超导性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供了一种连续热处理装置，该装置利用电机通过传动皮带带动收线轮转动，从而带动引线牵引待热处理材料依次经过加热区和冷却区，进行动态的连续热处理和冷却处理，减少了热处理过程中材料不同位置的温度差异，改善了热处理的质量；本发明还提供了一种MgB2超导线/带材热处理的方法，该方法将MgB2超导线/带材置于上述连续热处理装置中，然后在惰性气体保护下进行连续的快速升降温的热处理，避免了MgB2超导芯丝生成非超导的杂质相以及MgB2线/带材之间出现粘连现象，灵活可控，方便高效。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：包括热处理炉，所述热处理炉包括炉体、温控仪和用于支撑炉体的炉架，所述炉体中穿设有炉管，且炉管的两端均伸出炉体，所述炉管的两端分别安装有炉管进线端帽口和炉管出线端帽口，炉管上安装有炉管进线端帽口的一端开设有进气孔，炉管上安装有炉管出线端帽口的一端开设有出气孔，靠近炉管出线端帽口的炉管上套装有套管冷却器，所述套管冷却器上开设有冷却水入口和冷却水出口，所述冷却水入口开设在远离炉管出线端帽口的套管冷却器的一端，所述冷却水出口开设在靠近炉管出线端帽口的套管冷却器的一端，所述炉管中贯穿有引线，所述引线的一端穿出炉管进线端帽口缠绕在放线轮上，所述引线的另一端穿出炉管出线端帽口缠绕在收线轮上，所述收线轮通过传动皮带与电机连接。
上述的一种连续热处理装置，其特征在于，所述炉体外包覆有保温层。
另外，本发明还提供了一种MgB2超导线/带材热处理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将MgB2超导线/带材的起始端与穿出炉管进线端帽口的引线的一端相连，然后缠绕到放线轮上，再将引线的另一端穿出炉管出线端帽口缠绕在收线轮上；
步骤二、通过温控仪调节炉管中的温度，然后将惰性保护气体经由进气孔通入炉管中，推动空气从出气孔排出，再将水经由冷却水入口通入套管冷却器，从冷却水出口排出；
步骤三、调节电机的转速，电机通过传动皮带带动收线轮转动，引线牵引MgB2超导线/带材匀速进入炉管中进行连续热处理，然后通过套管冷却器进行冷却，最后缠绕到收线轮上，得到热处理后的MgB2超导线/带材。
上述的一种MgB2超导线/带材热处理方法，其特征在于，步骤二中所述惰性保护气体的流量为0.1L/min～1.0L/min，所述惰性保护气体为氩气。
上述的一种MgB2超导线/带材热处理方法，其特征在于，步骤三中所述热处理的温度为650℃～950℃。
上述的一种MgB2超导线/带材热处理方法，其特征在于，步骤三中所述MgB2超导线/带材的速度为0.1m/min～2.0m/min。
本发明一种连续热处理装置中的温控仪型号为shimaden FP93。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的连续热处理装置采用电机通过传动皮带带动收线轮转动，从而牵引待热处理材料依次经过热处理装置的加热区和冷却区，进行动态的连续热处理和冷却处理，一步实现了材料的快速升降温，减少了热处理过程中待热处理材料不同位置的温度差异，改善了热处理的质量；另外，本装置中的引线可直接与待热处理材料的起始端相连，热处理和冷却过程中待热处理材料无需卷成盘状，增加了待热处理材料的长度，扩大了装置的应用范围。
2、本发明的连续热处理装置可根据待热处理材料的性质和尺寸，通过温控仪调节热处理的温度，并可通过调节电机的速度来控制热处理的时间，灵活方便，简单高效。
3、本发明将连续热处理装置用于MgB2超导线/带材的热处理，可有效避免了长时间的升降温过程导致MgB2超导线/带材中的MgB2超导芯丝发生转化或与包套材料发生扩散反应，生成非超导的杂质相，保证了MgB2线/带材的超导性能。
4、本发明将连续热处理装置用于MgB2超导线/带材的热处理时，MgB2超导线/带材之间不会产生接触，避免了高温使MgB2线/带材之间出现的粘连现象，改善了MgB2线/带材的热处理质量，从而实现较大长度的MgB2线/带材的热处理。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明连续热处理装置的结构示意图。
附图标记说明：
1—放线轮； 2—引线； 3—热处理炉；
3-1—炉管进线端帽口； 3-2—进气孔； 3-3—炉体；
3-4—炉管； 3-5—保温层； 3-6—出气孔；
3-7—炉管出线端帽口； 3-8—炉架； 3-9—温控仪；
4—套管冷却器； 4-1—冷却水入口； 4-2—冷却水出口；
5—收线轮； 6—传动皮带； 7—电机。
具体实施方式
本发明一种连续热处理装置通过实施例1进行详细描述。
实施例1
如图1所示的一种连续热处理装置，包括热处理炉3，所述热处理炉3包括炉体3-3、温控仪3-9和用于支撑炉体3-3的炉架3-8，所述炉体3-3中穿设有炉管3-4，且炉管3-4的两端均伸出炉体3-3，所述炉管3-4的两端分别安装有炉管进线端帽口3-1和炉管出线端帽口3-7，炉管3-4上安装有炉管进线端帽口3-1的一端开设有进气孔3-2，炉管3-4上安装有炉管出线端帽口3-7的一端开设有出气孔3-6，靠近炉管出线端帽口3-7的炉管3-4上套装有套管冷却器4，所述套管冷却器4上开设有冷却水入口4-1和冷却水出口4-2，所述冷却水入口4-1开设在远离炉管出线端帽口3-7的套管冷却器4的一端，所述冷却水出口4-2开设在靠近炉管出线端帽口3-7的套管冷却器4的一端，所述炉管3-4中贯穿有引线2，所述引线2的一端穿出炉管进线端帽口3-1缠绕在放线轮1上，所述引线2的另一端穿出炉管出线端帽口3-7缠绕在收线轮5上，所述收线轮5通过传动皮带6与电机7连接。
该连续热处理装置的炉管3-4包括穿设在炉体3-3中的加热区和套装有套管冷却器4的冷却区，炉管3-4中贯穿有引线2，引线2的两端分别缠绕在放线轮1和收线轮5上，将待热处理材料与引线2连接后，电机7通过传动皮带6带动收线轮5，牵引与引线2连接的待热处理材料依次通过加热区和冷却区，一步实现了材料的快速升降温，待热处理材料中不同位置的温差较小，热处理的质量较好，并且有利于实现快速升降温；引线2可直接与待热处理材料的起始端相连，热处理和冷却过程中待热处理材料无需卷成盘状，增加了待热处理材料的长度，扩大了装置的应用范围。
本发明一种MgB2超导线/带材热处理的方法通过实施例2～实施例5进行详细描述，该热处理方法采用的装置为实施例1中的一种连续热处理装置。
实施例2
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将12芯MgB2超导带材的起始端与穿出炉管进线端帽口3-1的引线2的一端相连，然后缠绕到放线轮1上，再将引线2的另一端穿出炉管出线端帽口3-7缠绕在收线轮5上；所述12芯MgB2超导带材的横截面为0.4mm×3.2mm的矩形；
步骤二、通过温控仪3-9调节炉管3-4中的温度为650℃，将氩气经由进气孔3-2通入炉管3-4中，推动空气从出气孔3-6排出，然后关闭进气孔3-2和排气孔3-6，使炉管3-4在650℃的条件下稳定10min，再将水经由冷却水入口4-1通入套管冷却器4，从冷却水出口4-2排出；所述氩气的流量为0.1L/min；
步骤三、调节电机7的转速，电机7通过传动皮带6带动收线轮5转动，引线2牵引12芯MgB2超导带材匀速进入炉管3-4中，在650℃热处理80min，然后通过套管冷却器4进行冷却，最后缠绕到收线轮5上，得到热处理后的12芯MgB2超导带材；所述12芯MgB2超导带材的速度为0.1m/min。
经超导传输性能测试，本实施例得到的热处理后的12芯MgB2超导线材在4.2K，4T的临界电流密度Jc为1.61×104A/cm2。
对比例1
步骤一、将12芯MgB2超导带材盘卷后放置于热处理设备中，向热处理设备中通入氩气至空气全部排出；所述氩气的流量为0.1L/min；
步骤二、调节热处理设备中的温度为650℃并稳定10min，然后将12芯MgB2超导带材在650℃热处理80min，随炉冷却后取出，得到热处理后的12芯MgB2超导带材；所述12芯MgB2超导带材的横截面为0.4mm×3.2mm的矩形。
经超导传输性能测试，本实施例得到的热处理后的12芯MgB2超导带材在4.2K，4T的临界电流密度Jc为1.0×104A/cm2。
将实施例2与对比例1比较可知，同等条件下使用本发明热处理方法的MgB2超导带材的临界电流密度Jc大于传统热处理方法的MgB2超导带材的临界电流密度Jc，即使用本发明热处理方法的MgB2超导带材的超导性能更为优良。
实施例3
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将7芯MgB2超导线材的起始端与穿出炉管进线端帽口3-1的引线2的一端相连，然后缠绕到放线轮1上，再将引线2的另一端穿出炉管出线端帽口3-7缠绕在收线轮5上；所述7芯MgB2超导线材的直径为1.0mm；
步骤二、通过温控仪3-9调节炉管3-4中的温度为700℃，将氩气经由进气孔3-2通入炉管3-4中，推动空气从出气孔3-6排出，然后关闭进气孔3-2和排气孔3-6，使炉管3-4在700℃的条件下稳定10min，再将水经由冷却水入口4-1通入套管冷却器4，从冷却水出口4-2排出；所述氩气的流量为0.2L/min；
步骤三、调节电机7的转速，电机7通过传动皮带6带动收线轮5转动，引线2牵引7芯MgB2超导线材匀速进入炉管3-4中，在700℃热处理40min，然后通过套管冷却器4进行冷却，最后缠绕到收线轮5上，得到热处理后的7芯MgB2超导线材；所述7芯MgB2超导线材的速度为0.2m/min。
经超导传输性能测试，本实施例得到的热处理后的7芯MgB2超导线材在4.2K，4T的临界电流密度Jc为1.52×104A/cm2。
实施例4
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将37芯MgB2超导线材的起始端与穿出炉管进线端帽口3-1的引线2的一端相连，然后缠绕到放线轮1上，再将引线2的另一端穿出炉管出线端帽口3-7缠绕在收线轮5上；所述37芯MgB2超导线材的直径为0.8mm；
步骤二、通过温控仪3-9调节炉管3-4中的温度为950℃，将氩气经由进气孔3-2通入炉管3-4中，推动空气从出气孔3-6排出，然后关闭进气孔3-2和排气孔3-6，使炉管3-4在950℃的条件下稳定10min，再将水经由冷却水入口4-1通入套管冷却器4，从冷却水出口4-2排出；所述氩气的流量为1.0L/min；
步骤三、调节电机7的转速，电机7通过传动皮带6带动收线轮5转动，引线2牵引37芯MgB2超导线材匀速进入炉管3-4中，在950℃热处理4min，然后通过套管冷却器4进行冷却，最后缠绕到收线轮5上，得到热处理后的37芯MgB2超导线材；所述37芯MgB2超导线材的速度为2.0m/min。
经超导传输性能测试，本实施例得到的热处理后的37芯MgB2超导线材在4.2K，4T的临界电流密度Jc为1.24×104A/cm2。
实施例5
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将12芯MgB2超导带材的起始端与穿出炉管进线端帽口3-1的引线2的一端相连，然后缠绕到放线轮1上，再将引线2的另一端穿出炉管出线端帽口3-7缠绕在收线轮5上；所述12芯MgB2超导带材的横截面为0.4mm×3.2mm的矩形；
步骤二、通过温控仪3-9调节炉管3-4中的温度为900℃，将氩气经由进气孔3-2通入炉管3-4中，推动空气从出气孔3-6排出，然后关闭进气孔3-2和排气孔3-6，使炉管3-4在900℃的条件下稳定10min，再将水经由冷却水入口4-1通入套管冷却器4，从冷却水出口4-2排出；所述氩气的流量为0.5L/min；
步骤三、调节电机7的转速，电机7通过传动皮带6带动收线轮5转动，引线2牵引12芯MgB2超导带材匀速进入炉管3-4中，在900℃热处理16min，然后通过套管冷却器4进行冷却，最后缠绕到收线轮5上，得到热处理后的12芯MgB2超导带材；所述12芯MgB2超导带材的速度为0.5m/min。
经超导传输性能测试，本实施例得到的热处理后的12芯MgB2超导线材在4.2K，4T的临界电流密度Jc为1.33×104A/cm2。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.一种连续热处理装置，其特征在于，包括热处理炉(3)，所述热处理炉(3)包括炉体(3-3)、温控仪(3-9)和用于支撑炉体(3-3)的炉架(3-8)，所述炉体(3-3)中穿设有炉管(3-4)，且炉管(3-4)的两端均伸出炉体(3-3)，所述炉管(3-4)的两端分别安装有炉管进线端帽口(3-1)和炉管出线端帽口(3-7)，炉管(3-4)上安装有炉管进线端帽口(3-1)的一端开设有进气孔(3-2)，炉管(3-4)上安装有炉管出线端帽口(3-7)的一端开设有出气孔(3-6)，靠近炉管出线端帽口(3-7)的炉管(3-4)上套装有套管冷却器(4)，所述套管冷却器(4)上开设有冷却水入口(4-1)和冷却水出口(4-2)，所述冷却水入口(4-1)开设在远离炉管出线端帽口(3-7)的套管冷却器(4)的一端，所述冷却水出口(4-2)开设在靠近炉管出线端帽口(3-7)的套管冷却器(4)的一端，所述炉管(3-4)中贯穿有引线(2)，所述引线(2)的一端穿出炉管进线端帽口(3-1)缠绕在放线轮(1)上，所述引线(2)的另一端穿出炉管出线端帽口(3-7)缠绕在收线轮(5)上，所述收线轮(5)通过传动皮带(6)与电机(7)连接。
2.根据权利要求1所述的一种连续热处理装置，其特征在于，所述炉体(3-3)外包覆有保温层(3-5)。
3.一种利用权利要求1或2所述的连续热处理装置对MgB2超导线/带材进行热处理的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将MgB2超导/带材的起始端与穿出炉管进线端帽口(3-1)的引线(2)的一端相连，然后缠绕到放线轮(1)上，再将引线(2)的另一端穿出炉管出线端帽口(3-7)缠绕在收线轮(5)上；
步骤二、通过温控仪(3-9)调节炉管(3-4)中的温度，然后将惰性保护气体经进气孔(3-2)通入炉管(3-4)中，推动空气从出气孔(3-6)排出，再将水经冷却水入口(4-1)通入套管冷却器(4)，从冷却水出口(4-2)排出；
步骤三、调节电机(7)的转速，电机(7)通过传动皮带(6)带动收线轮(5)转动，引线(2)牵引MgB2超导线/带材匀速进入炉管(3-4)中进行连续热处理，然后通过套管冷却器(4)进行冷却，最后缠绕到收线轮(5)上，得到热处理后的MgB2超导线/带材。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤二中所述惰性保护气体的流量为0.1L/min～1.0L/min，所述惰性保护气体为氩气。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤三中所述热处理的温度为650℃～950℃。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤三中所述MgB2超导线/带材的速度为0.1m/min～2.0m/min。
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