国内外金属化炉概述(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京真空电子技术研究所 作者:刘晓芳

  随着电真空技术的不断发展,对陶瓷与金属封接件的要求也越来越高,在其制造过程中金属化这道工序是极为关键的,金属化的质量直接会影响到封接件的质量和可靠性。那么金属化炉便成为影响产品质量的关键设备。近十几年来,我国一些企业从国外引进了一些金属化炉,国内的一些制造厂也生产了大量用于陶瓷金属化的设备,其中有些厂家吸取了国外设备的许多优点并不断改进,再加上近年来国内金属制造业和耐火材料制造业的发展,生产出了比较先进实用的金属化炉,为国内陶瓷金属化的规模生产提供了优良的设备。

  金属化炉主要分为立式和卧式两种类型。立式炉为间歇式炉,它的特点是温度曲线可随着所烧产品的类型而进行特殊设置,可以烧结尺寸比较大的产品,可以控制干湿氢的转换,耗气量较小,可以灵活地进行生产,其缺点是产量低,温度均匀性不太好,易出现花斑和金属化面发花的现象。卧式炉为连续式炉,适于大批量生产,工艺调整好后能够稳定生产,产品一致性较好,其缺点是温度曲线不宜经常变化,炉内的干湿氢气氛不易控制,耗气量大,不宜频繁升降温,一次性投资较大。下面对两种类型的金属化炉的结构和特点进行以下概要介绍。

1、卧式炉

  以美国进口的BTU炉为例。

1.1、炉体概述

  该炉是一种连续工作的高温推板炉,在可控气氛(通常为氢气或氮氢混合气) 下进行工作,其外形见图1所示。氮氢混合气是由液氨分解制成,生产成本较低,国内卧式氢炉多采用氮氢混合气。主炉体分成三大部分:预热区、高温加热区和冷却区。需进炉的产品先放在主炉体南侧传送带的推板上,由入口推杆、主推杆、出口推杆、返回推杆来完成连续循环工作。产品的推进速度可调节,每个加热区独立进行加热,这样就可满足不同的金属化工艺曲线。如降低推进速度可使预热、保温及降温时间延长。工艺气体的输入和排出由气体控制系统完成。

炉子外形图

图1  炉子外形图

1.2、炉子的几个主要组成部分

1.2.1、传送及驱动系统

  驱动系统由四个推杆组成,每个推杆由一个直流马达带动,其中主推杆因需推二十多块推板和产品,马达的功率较大。推板由耐高温的耐火材料制成,缺点是进炉多次后易开裂,容易卡舟,需经常观察,及时更换。推板也可用钼板,使用寿命长,但造价较高。返回传送带由金属框架构成,有底轮和侧轮,可减少推板运动时的摩擦力。

1.2.2、出入口

  出、入口门由钢板制成,由压缩空气控制气动阀门完成开关门动作。门口设有天然气常明火和紫外线探测器,一旦火头熄灭,它会立即启动点火器点火,将天然气点燃。在关门时出入口的氢气量较小,开门前自动将气量增大,这时炉子保持正压,可防止空气过多地进入炉内,造成产品出炉时金属化面氧化。两炉门方向均与推进方向成90°。国内有的厂家在炉门处作了一些改进,如出口炉门与推进方向成180°,相当于延长了冷却段,使产品的出炉温度有所降低,开门时还可减少外部空气进入炉内。另外,还缩短了开启炉门的时间,减少了开门时的耗气量。

1.2.3、主炉体

  炉膛的最内层由高温耐火材料构成一个上方为拱形的内腔,使用金属钼带作为加热元件,钼带分布在内腔两侧,热量直接辐射至产品上。其优点是加热子不与耐火材料接触,不会发生炉管或炉丝板烧熔现象。炉膛的底部由若干个炉底板组成,炉底板两侧边缘凸起,使推板在凹槽内前行,可防止推板偏离方向而造成卡舟。卡舟对于卧式氢炉来说是一个不好处理的故障,首先要将炉温降低到一定的程度,再用器具将炉内的产品和推板全部弄出,检查炉丝的受损情况(若受损严重,就必须将炉子降至室温,开盖更换炉丝) ,再将推板依此推入,升温工作,既耽误时间又毁坏了一些推板和钼舟。每个加热区上方安装一个热电偶,其信号传至中央控制器自动控制炉内温度。热偶为铂铑热偶,外套一根致密的刚玉管,防止氢气进入,管内充氮气保护。国内现在主要采用钨铼热偶,其造价低,适于在氢气中使用,但其稳定性较差,易漂移,因此需经常检测。内腔外是几层高温耐火砖,最外层是几层轻质保温砖。

  在预热区的上方有一个排气口,内置一个瓷质烟囱,从排气口逸出的氢气由天然气常明火点燃,并设有一个紫外线探测器,其作用同出入口的紫外线探测器。从炉内排出的有机物质也会在瓷制烟囱内堆积,因此炉子使用一定时间后,需清理瓷烟囱内的污物,防止其结块后掉入炉内污染产品或因炉内排气不畅而影响金属化质量。在炉顶排气口处还设有炉压调节装置,可根据压力表显示由人工进行炉内压力调节。

  冷却区后部是一方形钢制通道,外壁安装了几圈铜制水管,内通冷却循环水,使产品在该段能较快地降温。冷却水量由人工控制,可根据出口水温来进行调节。有些厂家将水冷区也分为几段,每段可独立控制水量。

  炉子的两端还各设有一个观察口,在卡舟和处理时观察炉内情况。

1.2.4、湿氢装置

  由于金属化工艺要求高温段炉内气氛为湿氢,所以必须设置一个湿氢装置。它位于冷却区的旁边,一部分干氢进入湿氢罐后变成湿氢再进入炉内,罐内应用去离子水(因自来水易结垢,会造成管路堵塞) 。湿氢装置还配有加热器和水位计。加热器可自动控制罐内的水温,水位计可自动调节罐内的水位,使之保持恒定。这样才能保证湿氢量的稳定,从而使金属化层很好地烧结于陶瓷表面。

1.3、自动控制系统

  该炉自动化程度较高,技术人员将工艺输入计算机后,炉子将自动完成整个工艺过程。操作人员的任务是装卸产品和处理报警。其还配置了一套专用软件,界面见图2 。功能齐备,界面清晰,便于操作。

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