專利名稱：燃燒合成用高壓合成設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及燃燒合成制備氮化鐵合金的高壓合成設(shè)備，特別 是一種制備氮化釩鐵的高壓合成設(shè)備。
背景技術(shù)：
"燃燒合成"是當(dāng)今材料合成領(lǐng)域的高技術(shù)，燃燒合成是在1967 年前蘇聯(lián)科學(xué)院化學(xué)物理所的科學(xué)家研究火箭固體燃料燃燒時(shí)發(fā)現(xiàn) 的，經(jīng)過(guò)40多年的研究，燃燒合成已經(jīng)形成一門介于燃燒科學(xué)和材料 科學(xué)之間的新學(xué)科-"結(jié)構(gòu)宏觀動(dòng)力學(xué)"。在國(guó)內(nèi)此項(xiàng)技術(shù)的研究始 于80年代后期，此項(xiàng)目在"八五"期間列入國(guó)家高技術(shù)863計(jì)劃，它 是當(dāng)今材料合成領(lǐng)域內(nèi)的高技術(shù)，其合成原理是先利用外部所提供的 極少量能量，誘發(fā)高放熱反應(yīng)體系的局部放熱化學(xué)反應(yīng)，以形成反應(yīng) 前緣的燃燒波，此后的合成反應(yīng)在自身放熱的支持下再誘發(fā)臨近物料 的繼續(xù)化學(xué)反應(yīng)，直到全部物料反應(yīng)完畢。"燃燒合成"工藝的特點(diǎn) 是節(jié)能、高效、低成本，環(huán)保性能好。舉例說(shuō)明釩鐵的氮化合成是 在高壓氮?dú)庵羞M(jìn)行的，它屬于"滲透燃燒合成"類型，在高壓氮的作 用下加快了合成反應(yīng)的進(jìn)行。在常壓下合成氮化釩鐵需要10 - 15小 時(shí)，而在高壓下只需10幾分鐘。
有關(guān)氮化燃燒合成用的高壓設(shè)備，國(guó)內(nèi)目前使用的是1992年由鋼 鐵研究總院與俄羅斯科學(xué)院宏觀結(jié)構(gòu)動(dòng)力研究所簽訂合資建立高技 術(shù)陶瓷生產(chǎn)線而引進(jìn)的30立升俄國(guó)最大容積的高壓燃燒合成生產(chǎn)設(shè) 備。此高壓合成器容積為30立升，直徑為200mm，長(zhǎng)為1000mm,氮 氣的工作壓力為20Mpa,主要用于合成高技術(shù)陶瓷材料。此高壓合成 器的材質(zhì)為不銹鋼，高壓氮?dú)庠礊槠垦b氮?dú)?，由帶點(diǎn)火電極的高壓筒 體及兩個(gè)螺紋密封端蓋組成，其中，裝料端的端蓋機(jī)械連接在高壓筒 體上，由一個(gè)液壓裝置來(lái)帶動(dòng)，裝料后在液壓裝置的作用下，端蓋緊 蓋在高壓筒體口，然后再旋轉(zhuǎn)一定角度實(shí)行高壓密封。此高壓合成器主要根據(jù)一常規(guī)壓力表的壓力指示來(lái)了解與監(jiān)控材料合成的過(guò)程。此 高壓合成器的操作臺(tái)在高壓室外，儀表上有啟動(dòng)液壓裝置的按鈕及電 點(diǎn)火用的自耦變壓器、電流表及電壓表，儀表旁邊有一個(gè)常規(guī)的壓力 表及手動(dòng)卸壓閥，冷卻水的溫度可以從出水口用手監(jiān)測(cè)。
上述高壓合成器具有如下不足
1、 設(shè)備出現(xiàn)超壓時(shí)，完全依靠人工的觀察及手動(dòng)卸壓來(lái)調(diào)控是 非常危險(xiǎn)的；
2、 溫度是材料合成中的重要參數(shù)，該高壓合成器并未對(duì)此參數(shù) 進(jìn)行測(cè)量；
3、 液壓裝置比較復(fù)雜，造價(jià)也高，在端蓋關(guān)閉時(shí)呈一弧線運(yùn)動(dòng)， 造成高壓密封圈的磨損而使壽命較低，必須經(jīng)常更換，影響生產(chǎn)的正 常進(jìn)行。
值得注意的是目前我國(guó)正處于大搞基本建設(shè)時(shí)期，需要大量的 螺紋鋼筋等低合金鋼材，螺紋鋼筋在整個(gè)鋼材產(chǎn)量中的比重約為25 % ,目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的螺紋鋼筋主要為II級(jí)螺紋鋼筋，如果把強(qiáng)度較低
的n級(jí)螺紋鋼筋都提高到m級(jí)螺紋鋼筋與國(guó)際接軌，就可以節(jié)約14% 的鋼材，因而有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。目前生產(chǎn)m級(jí)螺紋鋼筋
釆用釩氮合金或50釩鐵作為添加劑。1998年美國(guó)戰(zhàn)略礦物公司來(lái)華推 廣其釩氮合金產(chǎn)品后，我國(guó)的研究單位及鋼廠進(jìn)行大量研究表明，在 鋼中加入釩氮合金元素后，對(duì)鋼的強(qiáng)化更有效，還可以節(jié)約30-40 %稀有昂貴釩元素的加入量。但由于釩氮合金以往從美國(guó)進(jìn)口 ，而美 國(guó)也不轉(zhuǎn)讓其技術(shù)。近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)過(guò)技術(shù)攻關(guān)，在美國(guó)碳還原后常 壓氮化工藝原理的基礎(chǔ)上也能生產(chǎn)出釩氮合金，并建立了一條年產(chǎn) 2000 ~ 2500噸的釩氮合金生產(chǎn)線，但其產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的 需求。2006年我國(guó)生產(chǎn)鋼筋總量為8000萬(wàn)噸，每生產(chǎn)i萬(wàn)噸m級(jí)螺紋 鋼筋需要加入7公斤釩氮合金，即使生產(chǎn)50%的III級(jí)螺紋鋼筋也需要 2.8萬(wàn)噸的釩氮合金，因此50釩鐵仍為重要的合金添加劑，浪費(fèi)了寶 貴的釩資源。大量的試驗(yàn)表明，含氮釩鐵與釩氮合金一樣，用于生產(chǎn) III級(jí)螺紋鋼筋和節(jié)省釩資源與釩氮合金具有同等的效力。但目前用國(guó) 內(nèi)30立升容積的燃燒合成器生產(chǎn)含氮釩鐵，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足大量的市場(chǎng)需求，故必須研究具有更高生產(chǎn)能力、造價(jià)更低的大容積燃燒合成用 高壓合成設(shè)備。

實(shí)用新型內(nèi)容
針對(duì)上述情形，本實(shí)用新型的目的在于提供一種功能更加完善、 生產(chǎn)能力更強(qiáng)、造價(jià)更低的生產(chǎn)氮化釩鐵的大型高壓合成設(shè)備。
為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型燃燒合成用高壓合成設(shè)備采用的技
術(shù)方案為 一種燃燒合成用高壓合成設(shè)備，包含有高壓缸體，高壓缸 體具有冷卻水套，其重點(diǎn)在于該高壓缸體的內(nèi)徑的范圍是300mm 至350mm,長(zhǎng)度的范圍是1350mm至1500mm，容積的范圍是85立升 至150立升。
該高壓缸體為一端密封另 一端開口結(jié)構(gòu)，該高壓缸體通過(guò)一端蓋 結(jié)構(gòu)螺紋旋轉(zhuǎn)壓密封，該端蓋結(jié)構(gòu)與高壓缸體的開口的密封通過(guò)等高 度平移密封。
該高壓缸體開口處設(shè)有高壓密封圏，該端蓋結(jié)構(gòu)包含與高壓密封 圈相抵靠的該高壓密封塞，該高壓密封塞連接帶有螺紋結(jié)構(gòu)的高壓螺 塞，該高壓螺塞通過(guò)手輪旋轉(zhuǎn)，該端蓋結(jié)構(gòu)通過(guò)運(yùn)行于軌道上的小車 承載，該小車高度可調(diào)，該端蓋結(jié)構(gòu)通過(guò)小車高度的調(diào)節(jié)，與高壓缸
體開口等高，實(shí)現(xiàn)平移密封。
該高壓缸體內(nèi)連^姿測(cè)溫?zé)犭婑睢?br> 該高壓缸體連接真空泵，該真空泵連接有真空表及電磁真空放氣閥。
該高壓缸體連接有高壓安全閥。 該高壓缸體連接有壓力傳感器。
該高壓缸體的兩端設(shè)有進(jìn)水口，冷卻水套為雙向水冷結(jié)構(gòu)，于該 冷卻水套的出水口處設(shè)有冷卻水溫報(bào)警器。
該高壓缸體的材質(zhì)為16Mn鋼。 本實(shí)用新型燃燒合成用高壓合成設(shè)備的有益效果如下
1、高壓合成器的內(nèi)徑和長(zhǎng)度擴(kuò)大后，材料單爐合成量比30立升 的高壓合成器提高了3 5倍。根據(jù)目前大量生產(chǎn)的記錄數(shù)據(jù)，高壓合成器的直徑擴(kuò)大到
350mm、長(zhǎng)度增加到1500mm，采用此設(shè)備生產(chǎn)氮化釩鐵的單爐產(chǎn)量 可以達(dá)到80-100公斤。
2、 由于降低了設(shè)備的工作壓力，故設(shè)備的材質(zhì)可采用16Mn鋼代 替不銹鋼，使得生產(chǎn)氮化釩鐵高壓合成設(shè)備的造價(jià)大幅度降低。
3、 由于高壓合成器的內(nèi)徑擴(kuò)大，單位截面內(nèi)合成的產(chǎn)品量比30 立升高壓合成器提高了2.25倍，而單位輻射熱損失只增加了1.5倍，故 大容積合成器合成材料時(shí)內(nèi)部溫度會(huì)升高。以往由于30立升的高壓合 成器合成材料時(shí)內(nèi)部熱量不足，以50釩鐵為原料時(shí)，必須加入一定量 的鋁粉以補(bǔ)充熱量才能使燃燒合成順利進(jìn)行。而大容積合成器在不添 加鋁粉情況下，合成反應(yīng)就能順利進(jìn)行。這樣不僅使合成工藝更加簡(jiǎn) 化，而且降低了產(chǎn)品中的鋁(雜質(zhì))含量。
4、 成品破碎時(shí)，約有l(wèi) ~2%產(chǎn)品尺寸不合格的小塊料和粉末料 及少量合成不完全的產(chǎn)品，釩是貴重稀缺的元素，故需重新回爐合成 回收，由于大容積合成器合成熱量的增力口，在50釩鐵配料中加入了 1 ~ 2%的惰性返回料，燃燒合成仍能順利進(jìn)行，從而提高了原料的利用 率。
5、 此設(shè)備可用于生產(chǎn)40氮化釩鐵，50氮化釩鐵，60氮化釩鐵， 80氮化釩鐵，氮化鈦鐵，氮化硅鐵等氮化鐵合金。


圖l為本實(shí)用新型燃燒合成用高壓合成設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式

請(qǐng)參見(jiàn)圖l所示，本實(shí)用新型燃燒合成用高壓合成設(shè)備的結(jié)構(gòu)， 包含有高壓缸體l、高壓進(jìn)氣管15、高壓閥18與卸壓閥17。本實(shí)用 新型的改進(jìn)點(diǎn)在于該高壓缸體1的內(nèi)徑的范圍是300mm至350mm， 長(zhǎng)度的范圍是1350mm至1500mm，容積的范圍是85立升至150立升， 該高壓缸體1為一端密封另一端開口結(jié)構(gòu)，該高壓缸體1通過(guò)一端蓋 結(jié)構(gòu)3螺紋旋轉(zhuǎn)壓密封，該端蓋結(jié)構(gòu)3與高壓缸體的開口的密封通過(guò)等高度平移密封。具體來(lái)講，該高壓缸體1開口處設(shè)有高壓密封圈2， 該端蓋結(jié)構(gòu)3包含與高壓密封圈31相抵靠的該高壓密封圏2,該高 壓密封塞連接帶有螺紋結(jié)構(gòu)的高壓螺塞32,該高壓螺塞32通過(guò)手輪 4旋轉(zhuǎn)，該端蓋結(jié)構(gòu)通過(guò)運(yùn)行于軌道上的小車5承載，該小車5高度 可調(diào)，該端蓋結(jié)構(gòu)3通過(guò)小車高度的調(diào)節(jié)，與高壓缸體開口等高，實(shí) 現(xiàn)平移密封。高壓密封塞31是平移進(jìn)入高壓缸體1，所以，并未對(duì) 高壓密封圈2造成結(jié)構(gòu)上的磨損，使得高壓密封圈2的使用壽命提高 IO倍以上，大大節(jié)約了成本。
本燃燒合成用高壓合成設(shè)備高壓缸體1的材質(zhì)為合金鋼(16Mn 鋼)，該材質(zhì)的強(qiáng)度按材料在250。C時(shí)的強(qiáng)度計(jì)算的，冷卻水出水溫 度為50°C。在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，為了降低設(shè)備的制造成本，將設(shè) 備的安全工作壓力降低至16Mpa,原30立升高壓合成器采用不銹鋼 材料是因?yàn)楹铣傻X等氮化物陶瓷時(shí)，需加銨鹽做催化劑，會(huì)出現(xiàn) 設(shè)備腐蝕的問(wèn)題，而本實(shí)用新型高壓合成器用于合成氮化釩鐵、氮化 鈦鐵、氮化硅鐵等則不存在此問(wèn)題。
本實(shí)用新型最大改進(jìn)之一在于將現(xiàn)有的30立升的容積結(jié)構(gòu)擴(kuò)大 為85立升 150立升，此高壓合成設(shè)備的內(nèi)徑為300mm ~ 350mm， 長(zhǎng)度為1350mm 1500mm。本實(shí)用新型高壓合成設(shè)備容積的擴(kuò)大是 進(jìn)行了充分的研究和試驗(yàn)而得出的。 一些常見(jiàn)氮化物在絕熱條件下可 以達(dá)到的溫度為BN—3700K; HfN—5100K, ZrN—4900K， NbN— 3500K, Si3N4—4300K, A1N—2900K, VN—3500K，受快速反應(yīng)溫 度劇升的影響，高壓缸體的壓力劇升，在設(shè)備擴(kuò)大容積后，在單位時(shí) 間內(nèi)參加反應(yīng)的物料更多，溫度上升的幅度更大，設(shè)備的安全問(wèn)題尤 為突出，因此通過(guò)高壓安全閥自動(dòng)卸壓和手動(dòng)卸壓裝置來(lái)保證設(shè)備的 安全。我國(guó)高壓合成器的容量是逐漸擴(kuò)大的，由最早的8立升，10 立升，20立升，最后到30立升，其高壓缸體的結(jié)構(gòu)為整體鍛件結(jié)構(gòu)。 考慮到溫度是在一個(gè)狹窄的燃燒波區(qū)內(nèi)，只要合成器的內(nèi)徑不變，在 同一截面內(nèi)合成料的量的變化也不大，其放出的熱量的變化也不會(huì)太 大，雖然爐料總量增加，但熱量通過(guò)冷卻爐壁帶走部分后，高壓缸體 內(nèi)的溫度不會(huì)升高很多。大量生產(chǎn)實(shí)踐證明，在增加合成器的長(zhǎng)度后，由于合成器水冷散熱面積也增加了，高壓缸體1內(nèi)的溫度甚至還略微 下降。同時(shí)，由于合成反應(yīng)是大量吸氮的反應(yīng)，高壓爐體內(nèi)的壓力不 會(huì)因?yàn)闋t體的內(nèi)徑增大而壓力增加，相反，大量的試驗(yàn)表明，爐體內(nèi) 的壓力還會(huì)隨著反應(yīng)的持續(xù)而下降，需要在反應(yīng)的過(guò)程中補(bǔ)充氮?dú)狻?因此，本實(shí)用新型高壓合成設(shè)備在上述研究成果下，將內(nèi)徑擴(kuò)大到
300mm 350mm,長(zhǎng)度擴(kuò)大到1350mm ~1500mm。
為了更好的實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制，本實(shí)用新型燃燒合成用高壓合成 設(shè)備安裝了測(cè)量溫度的熱電耦7,該熱電偶7的測(cè)量數(shù)據(jù)可以反饋到 與高壓缸體鏈接的計(jì)算機(jī)操作盤上，使得操作者得以測(cè)定高壓氮?dú)饧?高壓缸體在合成反應(yīng)過(guò)程中的溫度變化，隨時(shí)掌握設(shè)備內(nèi)部溫度的參 數(shù)。
本實(shí)用新型將現(xiàn)有技術(shù)中的冷卻水套8的單進(jìn)水口結(jié)構(gòu)改進(jìn)為 雙進(jìn)水口結(jié)構(gòu)，在高壓缸體1的兩端分別設(shè)有進(jìn)水口 9，實(shí)現(xiàn)雙向水 流，加大了進(jìn)入高壓缸體l內(nèi)冷卻水的流量，增強(qiáng)了水冷效果。在冷 卻水套的出水口 IO處配設(shè)有冷卻水溫報(bào)警器11,冷卻水溫報(bào)警器11 將冷卻水的溫度反饋計(jì)算機(jī)操作盤上，使得操作者直觀的了解冷卻水 的溫度。保證了水的冷卻效果。
本實(shí)用新型燃燒合成用高壓合成設(shè)備裝設(shè)高壓安全閥12，該高 壓安全閥12能夠自動(dòng)控制高壓缸體1內(nèi)的壓力，當(dāng)高壓缸體1內(nèi)的 壓力超過(guò)高壓安全閥12設(shè)定的承受壓力，該高壓安全閥12自動(dòng)卸壓， 以保證設(shè)備在安全的壓力范圍內(nèi)進(jìn)行合成反應(yīng)。
本實(shí)用新型燃燒合成用高壓合成設(shè)備安裝有壓力傳感器19,該 壓力傳感器19將壓力值反饋到計(jì)算機(jī)操作盤上，使得操作者能夠詳 細(xì)了解設(shè)備內(nèi)反應(yīng)過(guò)程中的壓力值。
本實(shí)用新型燃燒合成用高壓合成設(shè)備安裝有真空泵13，該真空 泵13連接真空表14及電磁真空放氣閥16。在化學(xué)反應(yīng)前，通過(guò)真 空泵13將高壓缸體1內(nèi)抽為真空，然后通過(guò)高壓進(jìn)氣管15，充入氮 氣，燃燒合成用高壓合成設(shè)備由帶點(diǎn)火的電極20引燃化學(xué)反應(yīng)。合 成反應(yīng)完成后，由卸壓閥17卸壓。
綜上所述，本實(shí)用新型提供一生產(chǎn)能力非常高的燃燒合成用高壓合成設(shè)備，因此，提出實(shí)用新型專利申請(qǐng)；然而所述僅為本實(shí)用新型 的較佳實(shí)施例而已，并非以此局限本實(shí)用新型，因此，凡一切與本實(shí) 用新型構(gòu)造、裝置、特征等近似、雷同的，皆應(yīng)仍屬本實(shí)用新型的專 利申請(qǐng)保護(hù)的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1、一種燃燒合成用高壓合成設(shè)備，包含有高壓缸體，高壓缸體具有冷卻水套，其特征在于該高壓缸體的內(nèi)徑的范圍是300mm至350mm，長(zhǎng)度的范圍是1350mm至1500mm，容積的范圍是85立升至150立升；該高壓缸體為一端密封另一端開口結(jié)構(gòu)，該高壓缸體通過(guò)一端蓋結(jié)構(gòu)螺紋旋轉(zhuǎn)壓密封，該端蓋結(jié)構(gòu)與高壓缸體的開口的密封通過(guò)等高度平移密封。
2、 如權(quán)利要求1所述的燃燒合成用高壓合成設(shè)備，其特征在于 該高壓缸體開口處設(shè)有高壓密封圈，該端蓋結(jié)構(gòu)包含與高壓密封圈相 抵靠的該高壓密封塞，該高壓密封塞連接帶有螺紋結(jié)構(gòu)的高壓螺塞， 該高壓螺塞通過(guò)手輪旋轉(zhuǎn)，該端蓋結(jié)構(gòu)通過(guò)運(yùn)行于軌道上的小車承 栽，該小車高度可調(diào)，該端蓋結(jié)構(gòu)通過(guò)小車高度的調(diào)節(jié)，與高壓缸體 開口等高，實(shí)現(xiàn)平移密封。
3、 如權(quán)利要求2所述的燃燒合成用高壓合成設(shè)備，其特征在于 該高壓缸體內(nèi)連^妄測(cè)溫?zé)犭婑睢?br> 4、 如權(quán)利要求3所述的燃燒合成用高壓合成設(shè)備，其特征在于 該高壓缸體連接真空泵，該真空泵連接有真空表及電磁真空放氣閥。
5、 如權(quán)利要求4所述的燃燒合成用高壓合成設(shè)備，其特征在于 該高壓缸體連接有高壓安全閥。
6、 如權(quán)利要求5所述的燃燒合成用高壓合成設(shè)備，其特征在于 該高壓缸體連接有壓力傳感器。
7、 如權(quán)利要求6所述的燃燒合成用高壓合成設(shè)備，其特征在于 該高壓缸體的兩端設(shè)有進(jìn)水口，冷卻水套為雙向水冷結(jié)構(gòu)，于該冷卻 水套的出水口處設(shè)有冷卻水溫報(bào)警器。
8、 如權(quán)利要求7所述的燃燒合成用高壓合成設(shè)備，其特征在于 該高壓缸體的材質(zhì)為16Mn鋼。
專利摘要本實(shí)用新型一種燃燒合成用高壓合成設(shè)備，包含有高壓缸體，高壓缸體具有冷卻水套，該高壓缸體的內(nèi)徑的范圍是300mm至350mm，長(zhǎng)度的范圍是1350mm至1500mm，容積的范圍是85立升至150立升；該高壓缸體為一端密封另一端開口結(jié)構(gòu)，該高壓缸體通過(guò)一端蓋結(jié)構(gòu)螺紋旋轉(zhuǎn)壓密封，該端蓋結(jié)構(gòu)與高壓缸體的開口的密封通過(guò)等高度平移密封，該高壓缸體開口處設(shè)有高壓密封圈，該端蓋結(jié)構(gòu)包含與高壓密封圈相抵靠的該高壓密封塞，該高壓密封塞連接帶有螺紋結(jié)構(gòu)的高壓螺塞，該高壓螺塞通過(guò)手輪旋轉(zhuǎn)，該端蓋結(jié)構(gòu)通過(guò)運(yùn)行于軌道上的小車承載，該小車高度可調(diào)，該端蓋結(jié)構(gòu)通過(guò)小車高度的調(diào)節(jié)，與高壓缸體開口等高，實(shí)現(xiàn)平移密封，此設(shè)備提高了生產(chǎn)能力。
文檔編號(hào)C22C1/04GK201232081SQ200820126490
公開日2009年5月6日 申請(qǐng)日期2008年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月3日
發(fā)明者劉克忠, 張伯鵬, 晉心翠, 王聲宏, 王朝暉 申請(qǐng)人:承德金科科技開發(fā)有限責(zé)任公司