可用于ito靶材烧结的气氛钟罩炉的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种可用于ITO靶材烧结的气氛钟罩炉，包括炉体、炉架、冷却系统、气氛控制调节系统和温度控制系统，炉体为一安装于炉架上的中空结构，内部的腔体设置为炉膛，炉体的底部设有作为活动炉门的窑车，且窑车作为活动炉门关闭时能与炉体形成密封连接，炉膛的顶部及四周的内壁上设置有高温耐火材料层，炉体的顶部安装有加热元件并向下延伸至炉膛内，冷却系统的冷却风管道穿过炉体底部的侧壁并通向炉膛内，气氛控制调节系统的通气管路穿过炉体底部的侧壁并通向炉膛内，温度控制系统包括安装于炉体上的多个测温热电偶。本发明具有结构简单、成本低、维护方便、烧结效果好等优点，且特别适用于ITO靶材的烧结。
【专利说明】可用于ITO靶材烧结的气氛钟罩炉
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种工业用烧结炉，尤其涉及一种气氛钟罩炉。
【背景技术】
[0002]ITO靶材是氧化铟和氧化锡粉末按一定比例混合后经过一系列的生产工艺加工成型，再高温气氛烧结(160(TC以上，通氧气烧结)形成的黑灰色陶瓷半导体。ITO靶材是一种新型的铟锡氧化物特种功能陶瓷材料，是稀散金属铟的深加工高新技术产品。ITO靶材是生产透明导电膜玻璃极其重要的材料之一，加之价格昂贵，生产制作工艺难度较大，至今仍是国际市场短缺的材料，目前国际上只有少数发达国家能够生产高性能的ITO靶材。
[0003]按目前的生产工艺分，ITO靶材主要有三种制备方法:热压法、热等静压法和气氛烧结法。然而前两种制备方法由于存在工艺上固有的一些缺陷，产品质量难以得到质的提升。采用烧结法工艺制备ITO靶材，需要特定的烧结炉，窑炉最高温度要求达到1600°C，因这种装备技术含量高，国内尚未掌握该窑炉的制造技术。并且，这种高温窑炉维护工作量很大，现有技术很难保证有效的售后服务。虽然部分国外厂家有尝试生产此类型的烧结炉，但结构异常复杂，且设备价格昂贵。
[0004]因此，对ITO靶材的核心设备——大型气氛烧结炉进行设计和改进，使其更加适应自身工艺的需求，进而促进ITO靶材研发生产水平的提高，这是目前本领域技术人员亟待的解决的问题。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、成本低、维护方便、烧结效果好、且特别适用于ITO靶材烧结的气氛钟罩炉。
[0006]为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种可用于ITO靶材烧结的气氛钟罩炉，包括炉体、炉架、冷却系统、气氛控制调节系统和温度控制系统，所述炉体为一安装于炉架上的中空结构，内部的腔体设置为炉膛，炉体的底部设有作为活动炉门的窑车，且窑车作为活动炉门关闭时能与炉体形成密封连接，所述炉膛的顶部及四周的内壁上设置有高温耐火材料层，所述炉体的顶部安装有加热元件并向下延伸至炉膛内，所述冷却系统的冷却风管道穿过炉体底部的侧壁并通向炉膛内，所述气氛控制调节系统的通气管路穿过炉体底部的侧壁并通向炉膛内，所述温度控制系统包括安装于炉体上的多个测温热电偶。
[0007]上述本发明的技术方案中，通过对加热元件的布设方向进行改进，使得整个气氛钟罩炉的温度场分布更加均匀，温区的控制更加容易，更加容易满足ITO靶材高温加热的要求；另外通过将冷却风管道和通气管路布设在炉体的底部位置，使得气氛气体的进气更加均匀，冷却效率更加高效，更符合ITO靶材的烧结特点和要求。
[0008]上述本发明的气氛钟罩炉中，优选的，所述窑车装设于轨道上，且窑车通过一与其连接的升降机构实现其作为活动炉门的启闭。
[0009]上述本发明的气氛钟罩炉中，更优选的，所述窑车作为活动炉门关闭时，窑车通过轻质纤维毯密封结合砂封的双密封模式与炉体形成密封连接。具体的，轻质纤维毯密封结构优选是指所述窑车与炉体底部的高温耐火材料层直接接触的部分设置有一轻质纤维毯。所述砂封的密封结构优选包括设置于窑车周围边缘处的砂封槽和设置于炉体底部的双层砂封刀，所述砂封槽位于轻质纤维毯的外侧，所述双层砂封刀设置于炉体底部的高温耐火材料层下方，且双层砂封刀对接插入所述砂封槽实现砂封。
[0010]在上述优选的密封结构中，本发明首先在窑车与窑口的高温耐火材料层直接接触的部分设置了一层耐高温的轻质纤维毯，该轻质纤维毯特别优选是硅酸铝纤维毯(其中Al2O3含量高于95% )，其具有容重小、弹性好、耐高温、可压缩性强等特点，当窑车上升时，轻质纤维毯被压缩成常态的一半高度，能够起到很好的初步密封隔绝作用，防止了高温气流的流动。在此基础上，我们又进一步优选设计了一套砂封系统。传统的砂封结构一般只使用单个砂封刀片，由于砂封槽内部的密封砂经过多次使用后，可能会出现砂子表面不平整现象，局部高或者局部低，从而使得砂封刀局部也会出现未完全插入砂中的情况，造成高温气体溢出，上述优选的技术方案采用了双层砂封刀模式，两片尺寸相同的砂封刀同时插入到砂封槽内，这样一方面由于砂面不平整造成泄漏的概率少了一半，另一方面如果双层砂封刀和密封砂都接触充分，在双层砂封刀之间就会形成一道空气隔层，由于空气的导热系数很低，能有效的降低窑车和窑口外钢壳的表面温度，在起到节能的同时还可起到安全防护作用。
[0011]上述本发明的气氛钟罩炉中，优选的，所述炉体顶部设有穿过炉顶钢板及炉顶高温耐火材料层的安装孔，所述加热元件为U形硅钥棒，U形硅钥棒穿过所述安装孔竖直向下伸入炉膛内；且加热元件沿炉膛周围布置，加热元件所在的平面与炉膛内壁垂直正交。
[0012]上述本发明的气氛钟罩炉中，优选的，所述高温耐火材料层是由多个耐火材料组块拼装而成，各耐火材料组块之间相互挤压形成一密封整体；所述耐火材料组块通过外锚固方式固定在炉体的外钢壳上。由于炉膛内部无内锚固方式所需要的填充物，这便减少了透火的可能性。
[0013]上述本发明的气氛钟罩炉中，优选的，所述冷却系统包括一提供冷却风的离心风机，离心风机进口端配置空气过滤器，出口端安装气控阀门并通过管道(优选不锈钢管)连接到一根母管上，母管上均匀开设有多个进气小管，各进气小管连接到炉体底部的冷却风管道。
[0014]上述本发明的气氛钟罩炉中，优选的，所述气氛控制调节系统还包括设置在通气管路上的压力开关、减压阀、电磁阀和玻璃转子流量计。通过玻璃转子流量计可以控制进入炉体内部各点的气氛气体流量，从而调节控制炉体内部的气氛。
[0015]上述本发明的气氛钟罩炉中，优选的，所述炉体的顶部设有排气孔，所述排气孔上设有下盖板，下盖板上开设有大孔径通孔；下盖板的大孔径通孔上设有上盖板，上盖板上设有小孔径通孔；上盖板由一驱动装置驱动其开启或关闭大孔径通孔。
[0016]上述本发明的气氛钟罩炉中，优选的，所述炉体为矩形柱状，所述炉体的两长边底部的侧壁上开设有连通冷却风管道和通气管路的进气孔，各进气孔在穿过高温耐火材料层的部分均埋设陶瓷套管；所述测温热电偶在靠近炉体顶部四个角落的位置安装，并将炉膛划分为四个加热区域。为了更好地控制炉体内的加热温度及温度场的分布，可以通过增设温度控制模块并根据各温区的测量值对炉内的温度进行相应的调节。
[0017]为了便于更加智能化的控制整个气氛钟罩炉，同时优化人机交互界面，可以对上述本发明的气氛钟罩炉配备控制系统，使所述窑车的驱动系统、窑车的升降机构、冷却系统、气氛控制调节系统以及温度控制系统等都与控制系统相连接，并通过常规的控制模块对整个气氛钟罩炉进行综合控制。
[0018]与现有技术相比，本发明的优点在于:
[0019]1、本发明提供了一种可用于大尺寸ITO靶材的烧结设备，而现有其他的烧结炉很难适用于大尺寸ITO靶材的烧结；
[0020]2、本发明的气氛钟罩炉设计了具有多重检测窑口处气密性功能的密封装置及检测分析系统；这不仅更能保证ITO靶材的烧结质量，而且对节能降耗及设备安全性均具有积极意义；
[0021]3、由于ITO靶材烧结温度高，本发明优选改进了耐火纤维组块的结构和设置方式(包括选择较佳的耐火材料密度等措施)，使得在成本和保温性能上达到完美的结合，相比现有的其他耐火材料结构，本发明炉壳的外表温度更低，更加节能和安全；
[0022]4、本发明中通过窑车通过轨道可进行水平方向的运动，有利于烧结物料的装卸，能有效的增加工作效率和提高施工的安全性；
[0023]5、本发明通过对气氛钟罩炉的布置、加热装置、冷却系统和温控系统等进行改进和优化，使得本发明在用于ITO靶材加热时更容易满足高温加热要求，能够提高加热和冷却效率，使温度场、气氛场的分布更加均匀，更好地保证ITO靶材的烧结质量。
[0024]总的来说，本发明的气氛钟罩炉结构简单、成本低、安全节能、工作效率高、有利于保证ITO靶材的烧结质量，在ITO靶材的烧结领域具有广阔的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0026]图1为本发明较佳实施例中的气氛钟罩炉的结构示意图。
[0027]图2为图1所示的气氛钟罩炉的炉体及窑车组装后的剖视图。
[0028]图3为本发明图2中A处的局部放大图。
[0029]图例说明:
[0030]1、炉体；2、气缸；3、高温耐火材料层；4、测温热电偶；5、冷却系统；6、气氛控制调节管道系统；7、气控阀门；8、玻璃转子流量计；9、炉架；10、升降机构；11、物料；12、窑车；13、轨道；14、离心风机；15、空气过滤器；16、气氛控制箱；17、加热元件；18、炉膛；19、上盖板；20、下盖板；21、气氛气体进气孔；22、冷却风进风孔；23、轻质纤维毯；24、双层砂封刀；25、砂封槽；26、刚玉砂。
【具体实施方式】
[0031]为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
[0032]需要特别说明的是，当某一元件被描述为“固定于、固接于、连接于或连通于”另一元件上时，它可以是直接固定、固接、连接或连通在另一元件上，也可以是通过其他中间连接件间接固定、固接、连接或连通在另一元件上。
[0033]除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
[0034]除有特别说明，本发明中用到的各种试剂、材料均为可以从市场上购买的商品或者可以通过公知的方法制得的产品。
[0035]实施例:
[0036]一种如图1、图2所示的用于ITO靶材烧结的气氛钟罩炉，包括炉体1、炉架9、冷却管道5、气氛控制调节系统6和温度控制系统。炉架9安装定位于地面，炉体I安装于炉架9上方，并通过螺栓固定，使得炉架9不发生水平方向的位移。
[0037]如图1、图2所示，炉体I为一安装于炉架9上的矩形柱状中空结构，主要采用不锈钢板拼接焊制而成，内部的腔体设置为炉膛18，炉膛18的顶部及四周的内壁上设置有高温耐火材料层3，冷却系统的冷却风管道穿过炉体底部的侧壁并通向炉膛18内，气氛控制调节系统6的通气管路穿过炉体I底部的侧壁并通向炉膛18内，温度控制系统包括安装于炉体I上的多个测温热电偶4。
[0038]如图1、图2所示，炉体I的底部设有作为活动炉门的窑车12，炉体I底部开孔，用于承装物料11的窑车12的进入，且窑车12作为活动炉门关闭时能与炉体I形成密封连接。窑车12装设于两条平行的轨道13上，轨道13安装固定于地面，窑车12可在其上水平运动。另外，窑车12通过一与其连接的升降机构10实现其作为活动炉门的启闭。窑车12上装有耐高温的氧化铝陶瓷纤维板、高温砖以及支撑用的承重柱，当物料11放置于窑车12上后，沿着轨道13移动窑车12，窑车12和定位装置接触后，通过升降机构10缓慢地将窑车12提升，在炉架9的适当位置安装有定位光栅，定位光栅检测到信号后，窑车12即停止运行。
[0039]如图2、图3所示，窑车12作为活动炉门关闭时，窑车12通过轻质纤维毯23密封结合砂封的双密封模式与炉体I形成密封连接。窑车12与炉体I底部的高温耐火材料层3直接接触的部分设置有一轻质纤维毯23。砂封的密封结构包括设置于窑车12周围边缘处的砂封槽25和设置于炉体I底部的双层砂封刀24，砂封槽25位于轻质纤维毯23的外侧，双层砂封刀24设置于炉体I底部的高温耐火材料层3下方，且双层砂封刀24对接插入砂封槽25实现砂封。具体的密封原理为:在窑车12进入炉膛18并定位后，窑车12边缘处的耐高温轻质纤维毯23得到压缩，初步将炉膛18密封，并保证炉膛18内的高温气流不会直接溢出；然后，在炉体I底部最外圈还设置有一圈金属制双层砂封刀24，双层砂封刀24会进一步插入装有刚玉砂26的砂封槽25中，起到再次密封的作用，保证了炉膛的气密性。
[0040]如图1、图2所示，炉体I顶部设有穿过炉顶钢板及炉顶高温耐火材料层3的加热元件安装孔、热电偶安装孔及排气孔，炉体I的顶部通过加热元件安装孔安装有加热元件17，并向下延伸至炉膛18内。本实施例中的加热元件17为U形硅钥棒，U形硅钥棒穿过加热元件安装孔竖直向下伸入炉膛18内。加热元件17沿炉膛18周围均匀布置，使得炉膛各个区域加热均匀，为提高加热效率，加热元件17所在的平面与炉膛18内壁(高温耐火材料层3组成的壁面)垂直正交。
[0041]本实施例中，高温耐火材料层3是由多个耐火材料组块拼装而成，各耐火材料组块之间相互挤压形成一密封整体；耐火材料组块通过外锚固方式固定在炉体I的外钢壳上。本实施例中，高温耐火材料层3选用的耐火材料必须能在纯氧气氛下长期承受1600°C的高温，并且具有一定抗气流冲刷的能力，为此，我们选用了市场上已有的Al2O3含量极高的耐火材料组块，其密度达到200kg/m3。为避免炉体I外壁温度过高，降低能耗损失，在靠近炉体I的外钢壳处选择了导热系数很小的轻质耐火棉。
[0042]如图1所示，本实施例的气氛钟罩炉中，冷却系统5包括一提供冷却风的静音离心风机14，离心风机14进口端配置空气过滤器15，出口端安装气控阀门7并通过管道连接到一根母管上，母管上均匀开设有多个进气小管，各进气小管连接到炉体I底部的冷却风管道。冷却风通过的所有连接管路均采用不锈钢管连接而成。离心风机14的风量可以通过控制系统调节一台与离心风机连接的变频器频率进行调节，气控阀门7可由控制系统根据需要控制其启闭。包括母管、进气小管等在内的流量分配管道围绕炉体I布置并呈首尾相连状态，这有利于冷却风均匀地进入炉膛18内部。
[0043]如图1所示，本实施例的气氛钟罩炉中，气氛控制调节系统6主要包括相关的管道系统，还包括设置在气氛控制箱16内部的压力开关、防爆减压阀、电磁阀、以及安装于炉体I上分配气量的玻璃转子流量计8等，这些元件均可与控制系统相连，控制系统可以通过打开或关闭电磁阀来控制进入炉膛18的气氛气体种类，并在气源压力过低时发出报警。通过调节玻璃转子流量计8的最大输出能力可调节炉膛18内部的气氛浓度和调节速度。在烧结时，需要不断的向炉膛18内加入工艺要求的保护性气体，以满足物料11烧结的需求。为使得炉膛18各处都有较为均匀的气氛场分布，本发明选择在炉体I两长边底部的高温耐火材料层3和外钢壳处开设多个气氛气体进气孔21。同样的，在降温时，为了提高降温速率，在炉膛18两长边底部还开设了冷却风进风孔22。所有的气氛气体进气孔21、冷却风进风孔22在穿过高温耐火材料层3的部分均埋设陶瓷套管，以保护耐火材料不被破坏。
[0044]为配合上述冷却系统5和气氛控制调节系统6的不同进气量的需求，在炉体I顶部设有两档位排气孔。当需要小风量冷却时，气缸2动作，关闭炉体I顶部的上盖板19，气体从上盖板19开设的小孔径通孔排出；当要求输送更多的风量时，气缸2拉动炉体上盖板19呈90°位置开启，气体从下部设置的下盖板20的大孔径通孔内排出。上盖板19和下盖板20内均衬有高温氧化铝纤维组块及用于通气的陶瓷套管。
[0045]本实施例的气氛钟罩炉中，高温耐火材料层3内部形成炉膛18，炉膛18的腔体空间被划分为多个加热区域。具体在本实施例中，炉膛18被划分为4个区域，且分别由四个测温热电偶4测温，在配备控制系统的情况下，四个测温热电偶4可将温度值传送到控制系统。
[0046]为了提高自动化控制水平，本实施例的气氛钟罩炉还包括控制系统，该控制系统主要负责从设备中的各种传感器读取数据并分析处理，结合用户设定的工艺要求，做进一步的处理，并控制相应的执行机构动作。同时，还具有历史记录保存、查询、打印等功能。本发明提供的气氛钟罩炉较之目前国内进口的同档次设备，具有采购成本低、维护方便、维修周期短、使用效率高、节能节电等多种优点，对于ITO行业的发展有着重要意义。
[0047]对本发明实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例。
【权利要求】
1.一种可用于ITO靶材烧结的气氛钟罩炉，包括炉体、炉架、冷却系统、气氛控制调节系统和温度控制系统，所述炉体为一安装于炉架上的中空结构，内部的腔体设置为炉膛，炉体的底部设有作为活动炉门的窑车，且窑车作为活动炉门关闭时能与炉体形成密封连接，所述炉膛的顶部及四周的内壁上设置有高温耐火材料层，其特征在于:所述炉体的顶部安装有加热元件并向下延伸至炉膛内，所述冷却系统的冷却风管道穿过炉体底部的侧壁并通向炉膛内，所述气氛控制调节系统的通气管路穿过炉体底部的侧壁并通向炉膛内，所述温度控制系统包括安装于炉体上的多个测温热电偶。
2.根据权利要求1所述的气氛钟罩炉，其特征在于:所述窑车装设于轨道上，且窑车通过一与其连接的升降机构实现其作为活动炉门的启闭。
3.根据权利要求2所述的气氛钟罩炉，其特征在于:所述窑车作为活动炉门关闭时，窑车通过轻质纤维毯密封结合砂封的双密封模式与炉体形成密封连接。
4.根据权利要求3所述的气氛钟罩炉，其特征在于:所述窑车与炉体底部的高温耐火材料层直接接触的部分设置有一轻质纤维毯。
5.根据权利要求3所述的气氛钟罩炉，其特征在于:所述砂封的密封结构包括设置于窑车周围边缘处的砂封槽和设置于炉体底部的双层砂封刀，所述砂封槽位于轻质纤维毯的外侧，所述双层砂封刀设置于炉体底部的高温耐火材料层下方，且双层砂封刀对接插入所述砂封槽实现砂封。
6.根据权利要求1?5中任一项所述的气氛钟罩炉，其特征在于:所述炉体顶部设有穿过炉顶钢板及炉顶高温耐火材料层的安装孔，所述加热元件为U形硅钥棒，U形硅钥棒穿过所述安装孔竖直向下伸入炉膛内；且加热元件沿炉膛周围布置，加热元件所在的平面与炉膛内壁垂直正交。
7.根据权利要求1?5中任一项所述的气氛钟罩炉，其特征在于:所述高温耐火材料层是由多个耐火材料组块拼装而成，各耐火材料组块之间相互挤压形成一密封整体；所述耐火材料组块通过外锚固方式固定在炉体的外钢壳上。
8.根据权利要求1?5中任一项所述的气氛钟罩炉，其特征在于:所述冷却系统包括一提供冷却风的离心风机，离心风机进口端配置空气过滤器，出口端安装气控阀门并通过管道连接到一根母管上，母管上均匀开设有多个进气小管，各进气小管连接到炉体底部的冷却风管道。
9.根据权利要求1?5中任一项所述的气氛钟罩炉，其特征在于:所述气氛控制调节系统还包括设置在通气管路上的压力开关、减压阀、电磁阀和玻璃转子流量计；所述炉体的顶部设有排气孔，所述排气孔上设有下盖板，下盖板上开设有大孔径通孔；下盖板的大孔径通孔上设有上盖板，上盖板上设有小孔径通孔；上盖板由一驱动装置驱动其开启或关闭大孔径通孔。
10.根据权利要求1?5中任一项所述的气氛钟罩炉，其特征在于:所述炉体为矩形柱状，所述炉体的底部的侧壁上开设有连通冷却风管道和通气管路的进气孔，各进气孔在穿过高温耐火材料层的部分均埋设陶瓷套管；所述测温热电偶在靠近炉体顶部四个角落的位置安装，并将炉膛划分为四个加热区域。
【文档编号】F27B9/04GK104296529SQ201410298798
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年6月27日 优先权日:2014年6月27日
【发明者】欧阳建, 张勋郎, 卓晓军, 陈立三, 赵为上, 杨克辉, 彭伟, 高平立, 侯季淹, 易焕能, 欧旭明 申请人:长沙矿冶研究院有限责任公司