大容積熱風(fēng)箱式爐設(shè)計(jì)

臧福海

（中國(guó)電子科技集團(tuán)第43 研究所恒力公司，安徽 合肥 230088）

0 引言

熱風(fēng)循環(huán)箱式電阻爐，是一種借助高溫循環(huán)風(fēng)機(jī)使?fàn)t內(nèi)氣氛強(qiáng)制流動(dòng)的加熱設(shè)備，通過(guò)加強(qiáng)對(duì)流傳熱，提高爐溫均勻性，加快升溫速率。

本文所述熱風(fēng)循環(huán)電阻爐的電熱元件均勻布置在爐膛兩側(cè)，與爐膛內(nèi)工件之間有耐熱不銹鋼隔板，隔板與爐膛側(cè)壁形成氣流通道，循環(huán)氣流入口處設(shè)置有控溫?zé)犭娕迹隹谔幵O(shè)置有測(cè)溫?zé)犭娕?。爐膛外側(cè)與爐架之間采用全陶瓷纖維保溫材料。保溫材料與外掛板之間留有空氣夾層，以降低設(shè)備表面溫度。圖1 所示為該設(shè)備的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（俯視）。

圖1 熱風(fēng)循環(huán)箱式電阻爐

1 結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

爐膛采用SUS304 不銹鋼板制作，圍成加熱及熱風(fēng)循環(huán)腔體；爐膛有效使用容積約為1100×1200×1275mm。熱空氣在爐膛內(nèi)流動(dòng)，大大提高溫度均勻性。由于熱風(fēng)的攪拌，加強(qiáng)了爐膛內(nèi)氣氛的對(duì)流和均熱作用。

爐膛和爐架為分離設(shè)計(jì)，爐膛置于爐架底部的6 個(gè)承重滾輪上，前后可自由滑動(dòng)。當(dāng)爐膛受熱時(shí)，可沿長(zhǎng)度方向自由伸長(zhǎng)。

圖2 爐門(mén)示意圖

為防止?fàn)t膛內(nèi)熱氣泄漏，爐門(mén)處從內(nèi)到外共設(shè)計(jì)了2 層密封。內(nèi)層采用陶瓷纖維繩密封結(jié)構(gòu)，外層采用硅橡膠密封圈密封，為延長(zhǎng)其使用壽命，在爐膛口密封處設(shè)計(jì)有不銹鋼冷卻水套，用于冷卻降溫。門(mén)鎖采用多點(diǎn)手輪旋轉(zhuǎn)方式鎖緊機(jī)構(gòu)，可以同時(shí)對(duì)門(mén)四周均勻鎖緊。另外爐門(mén)固定裝置安裝于爐膛端面，采用活動(dòng)雙鉸鏈機(jī)構(gòu)，可隨爐膛自由伸長(zhǎng)而移動(dòng)，密封效果更好。

設(shè)備頂部設(shè)計(jì)有排氣煙囪，用于排放加熱過(guò)程中產(chǎn)生的大量廢氣及煙霧，可通過(guò)風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)把手來(lái)控制排放流量。

圖3 熱風(fēng)爐外形示意圖

1.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)集成在爐體上。選用日本島電FP93 智能程序溫控儀，該儀表可帶4 組曲線最大40 段可編程，6 組專家PID 參數(shù)，更高級(jí)的區(qū)域PID 算法，溫度曲線的調(diào)節(jié)通過(guò)設(shè)定自動(dòng)控制進(jìn)行。

圖4 自整定示意圖

PID 將偏差比例（Proportional）、積分（Integral）、微分（Derivative）通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制[1]。溫控儀接受熱電偶檢測(cè)的信號(hào)，控制電力模塊。該儀表具有PID 參數(shù)自整定功能，如圖4 所示為自整定示意圖。

2 參數(shù)計(jì)算

2.1 功率計(jì)算

最大加熱功率是指爐內(nèi)電熱元件在單位時(shí)間內(nèi)所能提供最大加熱能力。根據(jù)爐膛容積或單位爐膛內(nèi)表面積，按表1 所列公式和數(shù)據(jù)可概略計(jì)算最大功率。根據(jù)設(shè)備使用率的高低來(lái)選擇表中的上限值及下限值。

表1 爐膛內(nèi)表面積與加熱功率的關(guān)系

本文所述設(shè)備爐膛內(nèi)表面面積總和大約為8m2，設(shè)備最高使用溫度為400℃，取單位表面積功率值為6kW，根據(jù)公式可計(jì)算出加熱功率大概為8×6kW=48（kW）。

熱風(fēng)爐的循環(huán)風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)爐膛內(nèi)氣體在爐膛內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，沿途克服這些阻力所消耗的電能，最終都轉(zhuǎn)化為熱量，其中大部分為循環(huán)氣體吸收，少部分被風(fēng)道所吸收。式中：P—電機(jī)功率（kW）；

n—電能轉(zhuǎn)化系數(shù)，離心風(fēng)機(jī)為0.65～0.75；軸流風(fēng)機(jī)為0.7～0.8。

由式1 可見(jiàn)，熱風(fēng)電機(jī)的大部分機(jī)械能都轉(zhuǎn)化為了熱量。確定設(shè)備加熱功率時(shí)，應(yīng)考慮該部分熱量的作用。

2.2 循環(huán)風(fēng)量計(jì)算

氣流速度與爐膛溫度均勻性有密切關(guān)系，流速越大，越有利于提高爐溫均勻度。由于氣流沿途有溫降，用氣流在爐膛內(nèi)的循環(huán)次數(shù)能更確切地反映氣流速度與爐溫均勻度的關(guān)系。

循環(huán)次數(shù)是指氣流在爐膛內(nèi)每秒鐘流動(dòng)的周期數(shù)。循環(huán)次數(shù)越高，爐溫均勻度越好。循環(huán)次數(shù)一定時(shí)，氣流流動(dòng)路途越長(zhǎng)，所需氣流速度則越大，因而所需循環(huán)空氣量也越多[2]。

已知?dú)饬魉俣然驓饬餮h(huán)次數(shù)以及爐膛氣流通道的截面積，即可算出循環(huán)風(fēng)量：

式中ω—?dú)饬魉俣龋╩/s）；

A—?dú)饬魍ǖ澜孛娣e（m2）；

K—?dú)饬鲹Q算系數(shù)，查詢相關(guān)資料對(duì)于此類爐型取K=1

按圖2 所示尺寸，可得出通道截面積A=0.15*1.274≈0.2m2，通道長(zhǎng)度約1.4m，取循環(huán)次數(shù)為0.5，可知ω=1.4/2=0.7m/s，通道數(shù)取9?？傻贸?/p>

圖5 爐膛風(fēng)道尺寸

3 加熱元件

3.1 加熱元件類型

圖6 加熱管

本文所述電阻爐的加熱元件為管狀電熱元件，由金屬管、螺旋狀電阻絲及導(dǎo)熱性、絕緣性好的結(jié)晶氧化鎂等組成。具有熱效率高、壽命長(zhǎng)、機(jī)械強(qiáng)度好、安裝方便、使用安全等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 加熱元件安裝

加熱元件布置于爐壁與爐膛內(nèi)隔板之間的氣流通道內(nèi)，以橫向排布方式均勻布置在爐膛兩側(cè)（如圖1 所示）。為便于底部溫度的調(diào)節(jié)，也可額外在爐膛底部布置加熱元件。

4 熱風(fēng)循環(huán)裝置設(shè)計(jì)

4.1 風(fēng)機(jī)位置設(shè)計(jì)

風(fēng)機(jī)位于爐膛后部，通過(guò)蝸殼及兩側(cè)風(fēng)道將空氣吹過(guò)加熱元件，氣氛加熱后。水平進(jìn)入爐膛內(nèi)對(duì)工件進(jìn)行均勻加熱，然后經(jīng)后部吸風(fēng)口吸入循環(huán)風(fēng)機(jī)，充分循環(huán)攪拌。

圖7 風(fēng)機(jī)位置圖

4.2 導(dǎo)流裝置設(shè)計(jì)

蝸殼對(duì)風(fēng)機(jī)性能影響很大，若去掉蝸殼，風(fēng)機(jī)性能將下降50%以上。本文所述熱風(fēng)箱式爐采用雙循環(huán)方式，風(fēng)機(jī)置于爐體后部，兩側(cè)共兩個(gè)循環(huán)風(fēng)道，后部蝸殼雙向出風(fēng)。

在熱風(fēng)腔體中，由于空間有限，蝸殼的擴(kuò)張段較短，出口面積大，氣流壓力損失較大。在設(shè)計(jì)蝸殼時(shí)，導(dǎo)流片的形狀應(yīng)力求擴(kuò)散合理，導(dǎo)流片數(shù)量以4～8 片為宜，導(dǎo)流片安裝角度根據(jù)葉輪形狀和流量大小而定。蝸殼的寬度設(shè)計(jì)時(shí)以不碰到葉輪為準(zhǔn)。蝸殼結(jié)構(gòu)示意圖如圖8 所示。

圖8 蝸殼結(jié)構(gòu)示意圖

5 小結(jié)

對(duì)于熱風(fēng)爐，爐膛內(nèi)的循環(huán)風(fēng)起著至關(guān)重要的作用。因此，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是確定爐膛內(nèi)氣流速度和循環(huán)風(fēng)量，合理的流速和風(fēng)量直接影響著爐溫均勻性和燒結(jié)產(chǎn)品的質(zhì)量。而影響循環(huán)風(fēng)的因素，除了風(fēng)機(jī)本身性能之外，導(dǎo)流裝置的結(jié)構(gòu)亦至關(guān)重要[3]。

采用理論計(jì)算法確定流速較繁瑣，而經(jīng)驗(yàn)法較直觀，在工程設(shè)計(jì)計(jì)算中，一般我們傾向于用經(jīng)驗(yàn)法，理論法只作為設(shè)計(jì)合理性的驗(yàn)證。

［1］呂小紅.電阻爐智能溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D].武漢科技大學(xué)，2008.

［2］王秉銓.工業(yè)爐設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010，784-788.

［3］付德興.空氣循環(huán)電爐的設(shè)計(jì)與計(jì)算[J].科學(xué)與財(cái)富，2013（7）.