關(guān)于提升高真空高溫氣淬爐加熱穩(wěn)定性的研究

滕廣力

摘 要 為了滿足對大型鈦合金、不銹鋼等材料的熱處理，越來越多的大型高真空高溫?zé)崽幚碓O(shè)備投入使用;該類設(shè)備造價(jià)高，控制系統(tǒng)復(fù)雜，且大多為國外進(jìn)口設(shè)備，設(shè)備故障后維修周期長，備件價(jià)格高，該類設(shè)備故障后往往能夠影響一個企業(yè)的正常生產(chǎn);本文主要針對國外TAV臥式高真空高溫氣淬爐進(jìn)行分析，通過對真空爐通信網(wǎng)絡(luò)、加熱控制原理、冷卻系統(tǒng)等方面研究，提升真空爐運(yùn)行穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞 調(diào)功器;加熱帶;熱輻射;溫均性;PID調(diào)整;絕緣阻值

1設(shè)備概述

1.1 臥式真空氣淬爐工作流程

在運(yùn)行自動加熱程序時(shí)，必須保證安全信號正常，安全繼電器工作正常，冷卻水壓正常，系統(tǒng)無報(bào)警。

1.2 加熱系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

加熱系統(tǒng)主要由調(diào)功器、變壓器及鉬制環(huán)形加熱帶組成，加熱控制為全段式PID調(diào)節(jié)。

臥式真空爐共分4個溫度控制區(qū)：1區(qū)、2區(qū)、3區(qū)、4區(qū)，4個區(qū)分別由4臺調(diào)功器控制，采用熱輻射方式進(jìn)行加熱。在中部和后端部分布4根“S”形控制熱電偶，用于加熱控制系統(tǒng)的爐溫控制; 2區(qū)、3區(qū)分布2根“S”形安全熱電偶，由溫控表UDI1700采集信號，用于爐內(nèi)的超溫控制;爐體內(nèi)分布19根“N”型負(fù)載熱電偶，用于工件加熱曲線的記錄;其中控制熱電偶和負(fù)載熱電偶均由PLC進(jìn)行采集，PLC由路由器通過工業(yè)以太網(wǎng)與5000B記錄儀進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[1]。

2真空爐溫均性調(diào)試

真空爐主要分為4個加熱區(qū)，其中1區(qū)和4區(qū)為單相補(bǔ)償控制，2區(qū)和3區(qū)為三相PID控制。控制信號由AC2219模塊轉(zhuǎn)換為4通道的0～10V的電壓信號控制調(diào)功器輸出功率的大小，1區(qū)和4區(qū)根據(jù)與中區(qū)2、3區(qū)的溫度差及系統(tǒng)設(shè)置的加熱速率輸出對應(yīng)的百分比，1區(qū)和4區(qū)將PLC的控制輸出分為：10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%，并對應(yīng)AC2219控制模塊的0～10V 電壓信號;2區(qū)和3區(qū)通過設(shè)定溫度與實(shí)時(shí)溫度值通過PID計(jì)算PLC輸出對應(yīng)的值，并由AC2219模塊轉(zhuǎn)換為0～10V 電壓信號。

系統(tǒng)2區(qū)原有PID值為：20、250、40，3區(qū)原有PID值為：15、250、40;在多次整定后現(xiàn)有2區(qū)PID值為：20、550、28，3區(qū)PID值為：20、550、28;在整定后進(jìn)行加溫測試時(shí)，9點(diǎn)溫度依舊偏高，在加熱結(jié)束將爐門打開后發(fā)現(xiàn)，爐膛內(nèi)鉬制加熱帶由于高溫變形，造成9點(diǎn)附近兩個加熱帶距離過近，造成輻射溫度過高，在對加熱帶固定支架調(diào)整后，溫度均勻性滿足±5℃[2]。

3真空爐加熱系統(tǒng)絕緣阻值研究

熱處理爐爐體為中空設(shè)計(jì)，中間為冷卻水循環(huán)回路，在爐子運(yùn)行時(shí)為爐體降溫，爐體上留有電極進(jìn)入爐體內(nèi)的孔，為了防止熱輻射對電極造成損壞，因此在電極上下端留有冷卻水循環(huán)系統(tǒng);通過冷卻水交互裝置，各電極及需降溫部位均由橡膠軟管連接，保證為各部件提供一個安全的工作溫度環(huán)境。

3.1 爐內(nèi)加熱系統(tǒng)絕緣研究

在進(jìn)行加熱運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，在對變壓器后端加熱負(fù)載斷開后，測量加熱帶對地絕緣阻值，整個加熱系統(tǒng)對地導(dǎo)通，無法滿足加熱系統(tǒng)工作所需絕緣阻值。

將加熱帶和電極脫離，并將加熱帶支撐架拆卸分解，在對加熱帶和加熱帶支撐架仔細(xì)分析后發(fā)現(xiàn)：在加熱帶和支撐架上吸附了大量黑色金屬氧化物，且不容易去除，在爐膛和隔熱屏中間存在大量黑色金屬氧化物粉末;加熱帶支撐架主要起支撐固定加熱帶和保證加熱帶與爐體絕緣作用。

解決措施

（1）對所有加熱帶支撐架附件進(jìn)行吹砂工藝處理，去除表面吸附的金屬氧化物;更換絕緣瓷套，并清理爐內(nèi)和5層隔熱屏之間的金屬氧化物粉末。

（2）改進(jìn)加熱帶與爐體絕緣結(jié)構(gòu)，現(xiàn)將每層隔熱屏之間加裝絕緣瓷套，保證整個加熱系統(tǒng)與爐體之間絕緣性更好。

3.2 冷卻系統(tǒng)絕緣研究

在將加熱系統(tǒng)絕緣處理完成，再次對加熱帶與爐體絕緣阻值測試，2區(qū)、3區(qū)和4區(qū)絕緣均符合要求，但1區(qū)爐門加熱帶對爐體阻值仍為導(dǎo)通狀態(tài)，在后續(xù)發(fā)現(xiàn)其1區(qū)電極上冷卻水管被擊穿，導(dǎo)致水管由絕緣狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)，對絕緣冷卻橡膠水管擊穿原理分析，橡膠絕緣體主要有以下四大性質(zhì)：

（1）電氣絕緣性質(zhì)。①導(dǎo)電性：加壓后有微小電流通過;②絕緣擊穿：達(dá)到某電壓時(shí)電流急劇增大，絕緣體變導(dǎo)體;

（2）電介質(zhì)性質(zhì)。①介質(zhì)極化：介質(zhì)在電場中電荷中心重新分布，對外顯電性（相對介電常數(shù)為3～3.5）;②介電損耗：當(dāng)施加交流電壓時(shí)，物質(zhì)內(nèi)部電荷往復(fù)運(yùn)動、吸收電源能量、發(fā)熱。

絕緣橡膠水管加上電場時(shí)，介質(zhì)發(fā)生損耗，引起發(fā)熱，使介質(zhì)溫度升高，而介質(zhì)的電阻具有負(fù)的溫度系數(shù)，即溫度上升時(shí)電阻將變小，這又會使電流進(jìn)一步增大，損耗發(fā)熱亦跟著增大，因此如果介質(zhì)中發(fā)生的熱量比發(fā)散的熱量大時(shí)，介質(zhì)溫度將不斷上升，進(jìn)一步將引起介質(zhì)分解、碳化等，使介質(zhì)擊穿。

在爐體上留有電極進(jìn)入爐體內(nèi)部的預(yù)留孔，爐體與電極密封端之間使用水套密封，由于預(yù)留孔內(nèi)部密封未處理好，導(dǎo)致部分熱輻射從爐體內(nèi)部散發(fā)出來，造成橡膠水管溫度升高;在大電流（4000A電流）形成的強(qiáng)電場環(huán)境中，且水管中的水存在游離的鎂離子、鉀離子等，使介質(zhì)損耗增加，介質(zhì)溫度將不斷上升，進(jìn)一步將引起介質(zhì)分解、碳化等，使橡膠介質(zhì)被擊穿[3]。

4結(jié)束語

通過對真空爐的加熱控制系統(tǒng)研究，掌握了溫均性不達(dá)標(biāo)時(shí)加熱系統(tǒng)的全段式PID調(diào)整方法。對加熱帶絕緣阻值導(dǎo)通原因分析，通過對加熱帶及加熱帶支撐架金屬物質(zhì)分析，優(yōu)化工藝流程，改善加熱帶絕緣結(jié)構(gòu)，提高真空爐加熱系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性;通過分析真空爐冷卻系統(tǒng)絕緣橡膠水管擊穿原理，采用合理技術(shù)手段，規(guī)避橡膠水管被擊穿條件，為電極和加熱系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的冷卻環(huán)境，減少真空爐由于冷卻不足引起的部件損壞及加熱系統(tǒng)不穩(wěn)定現(xiàn)象。

通過對國外TAV臥式真空氣淬爐控制系統(tǒng)研究，減少了設(shè)備故障率，節(jié)省了維修費(fèi)用，為國外先進(jìn)熱處理設(shè)備修理提供了新思路。

參考文獻(xiàn)

[1] 漆漢宏.PLC電氣控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012：69.

[2] 齊占慶.電氣控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：202.

[3] 陳繼武.溫控技術(shù)在加熱爐中的應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000：119.