一種真空環(huán)境下使用的加熱爐設(shè)計(jì)

高志廣 張黎源

（核工業(yè)理化工程研究院，天津 300180）

0 引言

該文研究的加熱爐與傳統(tǒng)的高溫真空爐[1-3]有相似之處，但又有本質(zhì)不同。相似之處是兩者均為真空環(huán)境下提供高溫的裝置。不同之處主要包括2個(gè)方面：1）該文研究的加熱爐將加熱爐與提供真空環(huán)境的真空腔體分離開來，是一個(gè)剝離真空功能的獨(dú)立裝置。2）該文研究的加熱爐主要用于對管狀坩堝加熱，其中管狀坩堝的主體封閉在加熱區(qū)，坩堝管口位于加熱區(qū)外部，加熱區(qū)不是全封閉。傳統(tǒng)的真空爐真空腔和加熱腔一般是同一腔體，通過冷卻真空腔達(dá)到冷卻加熱爐的目的，該文研究的加熱爐單獨(dú)設(shè)置水冷，加熱爐及其水冷結(jié)構(gòu)直接暴露于真空環(huán)境下工作，因此要求水冷結(jié)構(gòu)具有高可靠性，避免在真空腔室中出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，大大增加了設(shè)計(jì)難度；同時(shí)加熱爐的加熱區(qū)不完全封閉，須留出管狀坩堝出口，這在傳統(tǒng)真空爐中幾乎是沒有的。

1 設(shè)計(jì)要求

該加熱爐用于對兩排陣列形式的管狀坩堝進(jìn)行加熱，根據(jù)加熱工藝的需求，對加熱爐提出以下3點(diǎn)設(shè)計(jì)要求：1）加熱溫度不低于1 500 ℃。2）陣列坩堝和加熱體可方便更換。3）加熱爐四周與上下端面均設(shè)置水冷，且水冷結(jié)構(gòu)無焊縫。

2 總體結(jié)構(gòu)

該加熱爐為立方形結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對兩列陣列管狀坩堝的加熱。加熱爐的爐襯采用金屬隔熱屏式結(jié)構(gòu)[4-5]，一般工業(yè)高溫爐的隔熱屏層數(shù)為6～8層[6-7]，但是由于加熱爐整體位于真空腔室內(nèi)，為減少向真空腔室內(nèi)散發(fā)熱量，該加熱爐共設(shè)10層隔熱屏；該加熱爐采用的是盤管形式的水冷結(jié)構(gòu)，加熱爐的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。加熱爐工作時(shí)安裝到真空室中，水冷電極和水冷管路通過專用法蘭貫穿至真空室外部。

圖1 加熱爐總體結(jié)構(gòu)

3 加熱爐總加熱功率設(shè)計(jì)計(jì)算

加熱爐的總加熱功率Φ1包含三部分，如公式（1）所示。

式中：Φ2為加熱時(shí)的有用熱流量，kW；Φ3為損失的熱流量，kW；Φ4為加熱爐內(nèi)結(jié)構(gòu)材料蓄熱所消耗的熱量，kW。下面分別計(jì)算計(jì)算Φ2、Φ3和Φ4。為安全起見，按最高加熱溫度為1 600 ℃進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

3.1 加熱爐有用熱流量Φ2計(jì)算

加熱爐的有用熱流量Φ2可用公式（2）進(jìn)行計(jì)算。

式中：m為加熱爐內(nèi)裝入工件最大質(zhì)量，kg；c為工件在升溫區(qū)間內(nèi)的平均比熱容，J/（kg·K）；T1為工件加熱的最高溫度，1 600 ℃，即1 873 K；T0為工件加熱的起始溫度，K；τ為工件的升溫時(shí)間，s，按1 h計(jì)算。

對于該加熱爐，被加熱的工件主要為陣列坩堝，坩堝材料為鉭，經(jīng)計(jì)算得Φ2≈0.013 kW。

3.2 加熱爐損失熱流量Φ3計(jì)算

加熱爐損失熱流量Φ3可用公式（3）進(jìn)行計(jì)算。

式中：Φ5為通過隔熱屏反射到水冷壁被帶走的熱損失，kW；Φ6為通過水冷電極帶走的熱損失，kW；Φ7為通過焊接在水冷壁上的支撐件造成的熱短路損失，kW；Φ8為在隔熱屏上開設(shè)的一些空洞造成的其他熱損失，kW。Φ9為通過坩堝口輻射出的熱損失，kW。

3.2.1Φ5計(jì)算

Φ5包括隔熱屏側(cè)壁和上下兩端的熱損失，其中隔熱屏側(cè)壁的熱損失Φ51的計(jì)算公式如公式（4）所示。

式中：Af為加熱體的輻射面積，m2；Tf為加熱體的溫度，取高于爐體工作溫度100 K，即1 973 K；Tn+1為最外層隔熱層的溫度，按400 K計(jì)算，K；σH為相互輻射系數(shù)，W/（m2·K4）。

經(jīng)計(jì)算，σH=0.1946，可得隔熱屏側(cè)壁的熱損失如公式（5）所示。

加熱爐下端的屏蔽與側(cè)面類似，可用面積比例算法進(jìn)行估算，加熱爐下端隔熱屏的熱損失如公式（6）所示。

式中：A下為加熱區(qū)下端面面積，m2；A側(cè)為加熱區(qū)側(cè)面面積，m2。

考慮加熱爐上端屏蔽層相對較少，按通過加熱爐下端隔熱屏損失的熱量的3倍進(jìn)行估算，如公式（7）所示。

綜上可知，通過隔熱屏反射到水冷壁被帶走的熱損失Φ5，如公式（8）所示。

3.2.2Φ6、Φ7和Φ8計(jì)算

Φ6為通過水冷電極帶走的熱損失，經(jīng)估算，取Φ6=0.15kW。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：

3.2.3Φ9計(jì)算

與通常的加熱爐不同，該加熱爐上端的坩堝口直接暴露在真空室，因此由坩堝口輻射到真空室的熱損失需要單獨(dú)計(jì)算，下面首先建立單個(gè)坩堝向外輻射熱量的計(jì)算模型。

坩堝的尺寸為Φ5mm×80mm，坩堝被加熱到1 600 ℃，即（1600+273）K=1873K，可將坩堝口處假想為一黑體表面A1，且A2的熱力學(xué)溫度為0 K，如圖2所示。

圖2 單個(gè)坩堝輻射熱量計(jì)算模型

則A1與A2之間的輻射換熱量即為從坩堝口發(fā)射出的輻射能，即

式中：T1—坩堝內(nèi)表面的溫度，T1=1873 K；σ為斯忒潘-玻爾茲曼常數(shù)，σ=5.67×10-8W/（m2·K4）；ε為鉭1 600 ℃的黑度，取ε=0.25；A1為坩堝的內(nèi)表面積，A1=πr2+πdh≈1.276×10-3m2；A2為坩堝口的截面積，A2=πr2≈2×10-5m2。

可得，Φ1，2≈13W。共12個(gè)坩堝，則所有坩堝向真空室輻射的熱量如公式（12）所示。

3.2.4 總損失熱流量Φ3計(jì)算

綜上計(jì)算，將數(shù)據(jù)代入式（3）可得

3.3 加熱爐結(jié)構(gòu)材料蓄熱所消耗的熱量Φ4計(jì)算

加熱爐的蓄熱是指加熱爐從室溫升到最高工作溫度時(shí)間內(nèi)，加熱爐內(nèi)部組件所吸收的能量，可用公式（14）計(jì)算。

式中：m為各構(gòu)件的質(zhì)量，kg；c為不同構(gòu)件的各自平均比熱容，J/（kg·K）；△T為各構(gòu)件的升高溫度，K；τ為升溫時(shí)間，取3 600 s。

按照1 h從室溫將加熱區(qū)加熱到1 600 ℃計(jì)算，計(jì)算可得Φ4=0.431 W，考慮加熱爐內(nèi)部陶瓷等其他部件的蓄熱，取Φ4=0.5 kW。

3.4 加熱爐總加熱功率Φ1計(jì)算

綜上可得，放入工件時(shí)總加熱功率如公式（15）所示。

4 加熱爐加熱體及水冷設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1 加熱爐加熱體設(shè)計(jì)計(jì)算

總加熱功率Φ1=1.379 kW，為安全起見按2 kW計(jì)算，加熱電流取I=250 A，可得所需加熱片的電阻如公式（16）和公式（17）所示。

式中：L為加熱體長度，m；S為加熱體截面積，m2；ρ為加熱體電阻率，Ω·m。

綜合考慮加熱體的結(jié)構(gòu)、空間尺寸、安裝等因素，最終加熱體的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 鉭加熱片設(shè)計(jì)參數(shù)

為減小加熱體引出屏蔽層部分輻射熱量過多，設(shè)計(jì)時(shí)引出部分采用多層鉭片焊接在一起的結(jié)構(gòu)形式，減小引出部分的電阻，從而減少引出部分的產(chǎn)熱，加熱體的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 加熱體

4.2 加熱爐水冷設(shè)計(jì)計(jì)算

對于該加熱爐，水冷結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有十分苛刻的要求，而水流量的計(jì)算是水冷能力能否滿足要求的基本依據(jù)，根據(jù)冷卻水消耗量的計(jì)算如公式（18）所示。

式中：m為冷卻水消耗量，kg/s；c為水的比熱容，kJ/（kg·K）；T1、T2為水管出水與進(jìn)水溫度，分別取303 K與293 K，Φ3'為水冷結(jié)構(gòu)帶走的總熱量。

Φ3'=Φ5+Φ7+Φ8=560W，代入數(shù)據(jù)可得

水管的當(dāng)量直徑如公式（20）所示。

式中：D為水管的直徑，m；v為水管內(nèi)水的流速，硬水取為1.5m/s；V為水的體積流量，m3/s。

可算得D=2.76×10-3m≈3.3mm，為安全考慮，冷卻水管采用外徑Φ8 mm、內(nèi)徑Φ6 mm的無縫管。

5 加熱爐關(guān)鍵技術(shù)問題處理

5.1 隔熱屏結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

常用加熱爐的爐腔及隔熱屏多為圓形，隔熱屏的結(jié)構(gòu)較為簡單，該加熱爐受坩堝布局、溫度場要求以及真空室空間等限制，加熱區(qū)需為立方形，同時(shí)加熱爐上端面需為坩堝組件預(yù)留敞口。為解決隔熱屏受熱后引起熱變形問題，專門設(shè)計(jì)交錯(cuò)拼接式隔熱屏結(jié)構(gòu)，如圖4所示，四周的隔熱屏通過拼接圍成立方形，這樣每片屏蔽層的兩端均為自由端，可避免隔熱屏受熱引起局部扭曲過大問題，且四周與底面隔熱屏交錯(cuò)布置，有利于提高熱屏熱屏蔽效果。

圖4 交錯(cuò)式屏蔽層結(jié)構(gòu)

5.2 設(shè)計(jì)容易更換的加熱體

很多加熱爐的加熱體采用一次安裝，加熱爐的壽命取決于加熱體的壽命。即便有些加熱爐的加熱體可以更換，但是拆裝工作較為復(fù)雜。為解決加熱體便捷更換的問題，專門設(shè)計(jì)易更換加熱體組件，將加熱體與前2層隔熱屏設(shè)計(jì)為1個(gè)組件。更換加熱體時(shí)，需要將加熱爐上端蓋上的過渡板拆卸下來，加熱體組件便可整體取出進(jìn)行更換，如圖5所示。此外加熱體組件更換時(shí)，受熱損傷較重的前兩層隔熱屏也得到替換，保證了隔熱屏的熱屏蔽效果。

圖5 加熱體組件更換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.3 無焊接水冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于該加熱爐在真空環(huán)境中工作，為避免加熱爐水冷結(jié)構(gòu)向真空環(huán)境內(nèi)漏水，傳統(tǒng)加熱爐的焊接水套結(jié)構(gòu)不宜使用，研究人員專門設(shè)計(jì)了無焊縫的管盤繞水冷結(jié)構(gòu)，提升了水冷結(jié)構(gòu)的可靠性。該設(shè)計(jì)中分別對加熱爐的上下端蓋和側(cè)壁進(jìn)行水冷，上、下端蓋共用1條水冷管路，側(cè)壁單獨(dú)采用1條水冷管路，如圖6所示。

6 樣機(jī)測試

加熱爐實(shí)物圖如圖7所示，每個(gè)零件經(jīng)超聲清洗后，進(jìn)行組裝。經(jīng)測試，加熱爐加熱溫度可達(dá)1 500 ℃，考慮加熱爐內(nèi)部絕緣陶瓷的耐溫能力，達(dá)到1 500 ℃后，不再繼續(xù)升溫。

7 結(jié)論

該文介紹了一種在真空環(huán)境下使用的加熱爐的設(shè)計(jì)，包括加隔熱屏、水冷結(jié)構(gòu)、加熱體設(shè)計(jì)、加熱爐總功率、加熱體以及水冷等設(shè)計(jì)計(jì)算，并對設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題的解決方案進(jìn)行介紹。該加熱爐將加熱功能與真空功能剝離開來，且加熱區(qū)不完全封閉，這與傳統(tǒng)真空爐有著很大不同，大大增加了設(shè)計(jì)難度。該加熱爐采用分體、交錯(cuò)式隔熱屏結(jié)構(gòu)，減小了隔熱屏受熱變形不可控問題；采用無焊縫水冷結(jié)構(gòu)，提升水冷結(jié)構(gòu)可靠性，防止在真空環(huán)境中漏水；采用便拆裝式加熱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)快速更換加熱體組件。根據(jù)該文設(shè)計(jì)，最終完成了加熱爐樣機(jī)研制，經(jīng)測試，加熱能力滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 水冷結(jié)構(gòu)

圖7 加熱爐實(shí)物圖