[0001] 本发明涉及高温热工装备与材料制备技术领域，具体的，涉及一种基于电极控制的高温热工装置及电极控制方法。

[0002] 超快速高温烧结技术(UHS，Ultrafast High‑temperature Sintering)于2020年首次公开(高温烧结系统和方法，申请公布号：CN114206802A)，该方法将样品放置于两层导电碳元件之间，通过电流焦耳热原理将所述导电碳元件迅速加热，进而使样品快速升温，实现材料的超快速合成、烧结以及反应等。该方法虽然对样品材料的化学组成与物理性能没有特殊要求，但受限于导电碳元件的层状结构以及样品摆放位置，其无法实现对厚度超过1厘米的大尺寸样品的高温制备。在此基础上，“超快加热烧结装置及超快升温反应釜”(专利号：202122655653.1)公开了一种基于高熔点导电粉末的超快加热方法，通过将样品埋入高熔点导电粉末形成良好包覆，实现大尺寸复杂结构样品的超快速升温与制备。然而，由于导电粉末对样品的三维堆埋包覆，热电偶、红外等测温仪器无法获取样品的实时温度；并且由于导电粉末电导率与热导率随温度变化，使得整个热过程无法精准控制且温度场分布不稳定，最终导致该工艺方法可操作性差，工程化应用困难。

[0034] 下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0035] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0036] 此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0037] 本发明提供了一种基于电极控制的高温热工装置，包括炉体1、测温装置、发热及保温结构单元以及联动控制单元；

[0038] 发热及保温结构单元设置在炉体内，包括上电极18、下电极19以及导电粉末22，上电极18为可移动的，与下电极19中间留有间隙地对称布置在导电粉末中，导电粉末22在炉体内堆砌形成导电粉床，并在在上电极18与下电极19极板间隙中堆积形成电流负载核心区域26，并由上电极18与下电极19对电流负载核心区域26施加电流负载；导电粉末22由石墨、碳粉、碳纳米材料、碳化物等可导电碳基物质的其中一种或多种组合而成；

[0039] 测温装置设置在炉体1上，并与联动控制单元连接，用于实时测量高温烧结工作时发热及保温结构单元的温度数据，并将实时温度数据发送给联动控制单元；

[0040] 联动控制单元包括与上电极18和下电极19相连的联动控制机构，以及与测温装置和联动控制机构相连的计算机控制系统13；联动控制单元用于从测温装置处接收实时温度数据，并将实时温度数据与预设的电流‑温度曲线进行对比，根据对比结果控制上电极18移动，增大或减小上电极18与下电极19极板间距的大小，以及上电极18与下电极19对导电粉床施加的电流负载大小，从而调整电流负载核心区域26内的电阻和热导，具体的为：

[0041] 上电极18与下电极19之间的间距增大，两极板间的导电粉末受到的压力减小，堆积状态趋于松散，导致上电极18与下电极19极板间的电流负载核心区域26的电阻升高、热导降低；上电极18与下电极19极板之间的间距减小，上电极18与下电极19极板间的导电粉末受到的压力增大，堆积状态趋于紧实，导致电流负载核心区域26电阻降低、热导增大；即，增大或减小的上电极18与下电极19之间的电流负载核心区域26的电阻值，等效于恒流模式下增大或减小作用于该区域两端的电压，同时减小或增大该区域粉末的热导率，最终实现PID逻辑控制算法下的过程原位控制与迅速响应，使整个“升温‑保温‑降温”热过程获得期望的精准温度‑时间控制。

[0042] 使用时，首先将发热及保温结构单元放置于炉体单元内，再将发热及保温结构单元中的导电粉末22堆积在一起，形成导电粉床，然后将上电极18与下电极19留有间隙的对称布置在导电粉床中，最后将样品放入上电极18与下电极19之间的间隙中的电流负载核心区域26内，使得导电粉末22对样品进行全方位包裹；

[0043] 对上电极18与下电极19进行通电，在上电极18与下电极19之间的间隙中形成电流负载，根据焦耳定律，导电粉末22会在电流负载的作用下产生热量，从而对置于由导电粉末22堆积而成的电流负载核心区域26中的样品进行全方位快速加热；

[0044] 测温装置在加热时对电流负载核心区域26温度进行实时监测，并将实时温度数据传输给联动控制单元；联动控制单元将从测温装置处接收的实时温度数据与预设的时间‑温度曲线进行对比，并根据对比结果控制发热及保温结构单元中的上电极18位移，和/或增大减小上电极18与下电极19的电流输出值，进而控制样品及电流负载核心区域26的温度；此外，若是测温装置出现问题，无法将温度数据传输到计算机控制系统13处，或是操作人员根据高温热工过程进行的情况，希望手动控制时，也可对计算机控制系统手动输入指令，从而控制联动控制机构进行工作。

[0045] 以下为本发明的优选实施方式：

[0046] 在一个优选实施例中，为了使导电粉末22在炉体1内的布置更为集中，发热及保温结构单元还包括设置在炉体1内的金属容器20以及用于安装固定金属容器20的定位底座21，定位底座21安装在炉体1内部下壁中心位置，金属容器20安装在定位底座21上，上电极
18、下电极19以及导电粉末22设置于金属容器20内；

[0047] 在一个优选实施例中，联动控制单元中的联动控制机构包括程控电源15与程控电机12；

[0048] 程控电源15设置在炉体1外部，分别与上电极18和下电极19连接，为上电极18和下电极19提供电流；

[0049] 程控电机12设置在炉体1上壁，下端还设置有传动机构16，传动机构16下端还设置有电极夹持装置17，进而通过电极夹持装置17夹持上电极18，使得程控电机12可操控上电极18进行竖直方向上的上下位移；

[0050] 在一个优选实施例中，为了避免上电极18在向上位移时上电极18与下电极19之间出现空腔，急剧加大上电极18与下电极19之间的电阻，在上电极18极板上均匀设置有小孔，当上电极18向上位移时，位于上电极18极板上方的导电粉末22在重力的作用下可通过小孔掉落到上电极18与下电极19之间的电流负载核心区域26中，避免在上电极18与下电极19之间形成空腔；同时，在上电极18向下位移时，上电极18与下电极19之间的导电粉末22也可通过小孔溢出。

[0051] 在一个优选实施例中，所述测温装置包括设置在炉体1上顶壁外部中心位置的双色红外测温仪10。

[0052] 在一个优选实施例中，在炉体1上壁外侧中心位置设置有用于安装双色红外测温仪10的红外测温仪支架9；以及设置在炉体4上壁，位于红外测温仪支架9下方，并与红外测温仪支架9在轴向上对齐的测温窗8。

[0053] 在一个优选实施例中，上电极19沿轴向设有上下贯通的中间通路25。

[0054] 使用时，双色红外测温仪10可通过炉体1上壁的测温窗8以及上电极18的中间通路25直接观测到电流负载核心区域26中心位置，可直接测量上电极18与下电极19极板之间电流负载核心区域26的温度，更加准确的测定出样品实时温度数据。

[0055] 在一个优选实施例中，炉体1上还包括用于开合炉体1的炉门2，炉门2上还设置有用于观测内部状况的观察窗6。

[0056] 本发明还提出了一种高温热工装置电极控制方法，使用如以上所述的高温热工装置，包括如下步骤：

[0057] 步骤(1)，测温装置测量发热及保温结构单元实时温度数据

[0058] 步骤(2)，测温装置将测得的实时温度数据发送给联动控制单元；

[0059] 步骤(3)，联动控制单元将实时温度数据与预设的时间‑温度程序曲线进行实时对比，获得二者间偏差，根据偏差调控上极板18与下极板19之间温度。

[0060] 在一个优选实施例中，步骤(3)中还包括根据偏差生成控制指令，并根据控制指令调控上电极18位移和/或上极板18与下极板19上的电流负载，进而调控上极板18与下极板19之间温度。

[0061] 在一个优选实施例中，步骤(3)中调控上电极18位移和/或上极板18与下极板19上的电流负载的方法为：

[0062] 若发热及保温结构单元的温度低于预设的下极限温度，则联动控制单元下达增大上极板18与下极板19上的电流输出或/和增大上电极18与下电极19极板间距的指令；

[0063] 若发热及保温结构单元的温度高于预设的上极限温度，则联动控制单元下达减小甚至关闭上极板18与下极板19上的电流输出或/和减小上电极18与下电极19极板间距的指令；

[0064] 若发热及保温结构单元的需求电压或电流量值等于或大于预设的电压或电流区间上极限时，则联动控制单元下达增大上电极18与下电极19极板间距的指令；

[0065] 若发热及保温结构单元的需求电压或电流量值小于预设的电压或电流区间下极限时，则联动控制单元下达减小上电极18与下电极19极板间距甚至关闭电流输出的指令。

[0066] 当系统出现故障，联动控制单元无法从测温装置接收数据，或者操作人员认为需要进行手动控制时，可手动从联动控制单元输入指令。

[0067] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明本身，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。