大型臥式真空退火爐的研制
該大型臥式真空退火爐是用于鈦、鋯等稀有金屬管材退火的真空熱處理設(shè)備，退火工件最長(zhǎng)尺寸為16m，是國(guó)內(nèi)長(zhǎng)度和容量最大的真空退火爐。本文著重介紹了該爐的技術(shù)性能、主要機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、動(dòng)作原理及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等。
真空退火是鈦、鋯等稀有金屬中間和成品加工的重要工藝過程，在無氧化和無污染狀態(tài)下進(jìn)行消除應(yīng)力再結(jié)晶退火，以消除加工硬化和恢復(fù)塑性[1] 。近年來，隨著國(guó)內(nèi)航空、航天、航海、核電、國(guó)防等尖端工業(yè)的高速發(fā)展，不僅對(duì)鈦、鋯等稀有金屬管棒材的需求量大大提高，而且對(duì)其質(zhì)量和性能也有了更高的要求，管棒材的單根長(zhǎng)度也由3 m~6 m 增加到10 m~16 m，因此，目前的真空退火工藝和設(shè)備難以滿足這些尖端工業(yè)快速發(fā)展的要求。
目前，北京有色金屬研究總院根據(jù)當(dāng)前尖端工業(yè)的需求，結(jié)合自身的設(shè)計(jì)和使用等實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)制造了用于鈦、鋯等稀有金屬的大型真空退火爐，退火工件長(zhǎng)度最長(zhǎng)可達(dá)16 m。
1、主要技術(shù)參數(shù)
型式：臥式、外循環(huán)式快冷、真空電阻爐。有效均溫區(qū)Φ850 mm×16000 mm(600 mm×600 mm×16000mm)最高溫度：900℃，工作溫度:500℃~850℃，溫度均勻性:±5℃，控溫精度：±1℃，極限真空度:1.0×10- 3 Pa，工作真空度:1.0×10- 2 Pa，壓升率:≤0.67 Pa/h，額定加熱功率:900 kW
2、爐體機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及特點(diǎn)[2]
該爐為冷卻水套式臥式真空退火爐，單室內(nèi)加熱。由爐體、真空系統(tǒng)、進(jìn)出料系統(tǒng)及料架、工件快速冷卻系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等組成。
2.1、爐體
爐體組成結(jié)構(gòu)如圖1 所示。爐體為臥式圓筒形雙層水冷結(jié)構(gòu)，包括殼體、加熱室、前爐門、后爐門。爐殼法蘭的材料均為不銹鋼，采用氬弧焊接。前后開門，前門裝料。爐門為全不銹鋼雙層水冷橢圓封頭結(jié)構(gòu)，進(jìn)料端爐門能自動(dòng)開閉，另外一端爐門氣動(dòng)缸鎖緊，側(cè)開門形式。爐體上安裝有充氣接口及閥門、放氣閥、標(biāo)溫接口、檢漏接口等。配置寬帶式高溫合金加熱器。寬帶式加熱器與水冷爐壁間配置5 層0.5 mm 厚的不銹鋼隔熱屏。爐門與爐體法蘭間采用橡膠密封圈，達(dá)到高真空密封要求，密封性能穩(wěn)定、可靠。
2.4、真空系統(tǒng)
為迅速排除爐室腔體內(nèi)氣體及物料熱處理時(shí)大量放出的雜質(zhì)氣體，保持爐室真空度符合工藝要求， 本設(shè)備配置了2 組抽氣能力強(qiáng)大的KT- 800A 擴(kuò)散泵機(jī)組。2 個(gè)擴(kuò)散泵都裝有擋油帽并實(shí)施溫度監(jiān)控，配有加熱功率調(diào)節(jié)器，防止返油。同時(shí)為防止真空泵油蒸汽對(duì)工件的污染，在KT- 800A 擴(kuò)散泵口設(shè)置了低溫氟利昂冷阱，提高了真空室的潔凈度。
2.5、冷卻水系統(tǒng)及加熱室快冷系統(tǒng)
冷卻水系統(tǒng)包括分水器、水箱、閥門、管路及各種檢測(cè)元件，具有水壓、水流、水溫和缺水報(bào)警及聯(lián)鎖等功能。同時(shí)，為了提高設(shè)備的工作效率，此設(shè)備設(shè)置了氣體快速冷卻系統(tǒng)。快冷系統(tǒng)由交換器、磁流體密封裝置、快冷風(fēng)機(jī)、軟接管、接管等部件組成。設(shè)備運(yùn)行至快速冷卻工序時(shí)，充氬氣閥打開，向爐內(nèi)充入高純氬氣。爐內(nèi)氣體壓力達(dá)到設(shè)定點(diǎn)后，快冷裝置中風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，熱氣進(jìn)入熱交換器，進(jìn)行熱交換，冷卻后的氣體經(jīng)通風(fēng)管道送入爐體，冷卻工件，如此循環(huán)工作。在此工作過程中，當(dāng)爐內(nèi)壓力低于70 kPa 時(shí)，氬氣閥就自動(dòng)打開，向爐內(nèi)補(bǔ)充氬氣。
2.6、電控系統(tǒng)
電控系統(tǒng)[4]由工控機(jī)、工控組態(tài)軟件、數(shù)據(jù)采集卡、溫控儀(歐陸)帶通訊、輸入輸出模塊、PLC(帶相應(yīng)的I/O 擴(kuò)展，通訊接口)、真空計(jì)帶輸出控制、帶通訊接口等組成。電控系統(tǒng)由若干控制柜(廠方設(shè)計(jì))組成，控制柜面板上有真空系統(tǒng)以及供電加熱系統(tǒng)操作模擬圖。同時(shí)還有各段加熱電流、溫度以及擴(kuò)散泵電流顯示。整個(gè)控制系統(tǒng)均可以自動(dòng)和手動(dòng)自由切換，操作(控制)柜上配有常用的控制按鈕。調(diào)用、運(yùn)行加熱程序分別可從上位機(jī)和主控溫儀上操作。在爐門附近安裝有操作箱，便于觀察與控制送料機(jī)構(gòu)的進(jìn)出，該操作箱包括進(jìn)料、出料、停止等按鈕和指示燈。主回路包括低壓熔斷器、快速熔斷器，真空機(jī)組分段后用小型變壓器或功率模塊代替大型磁調(diào)，減少占地面積，運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)能環(huán)保，故障率低。
3、結(jié)束語
該退火爐退火工件最長(zhǎng)尺寸為16 m，是國(guó)內(nèi)長(zhǎng)度和容量最大的真空鈦材退火爐，屬熱處理行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，填補(bǔ)了超長(zhǎng)、大容量真空退火爐的國(guó)內(nèi)空白。目前已在多家企業(yè)投入生產(chǎn)運(yùn)行，實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行表明: 爐溫均勻性好，控溫精度高，真空度和壓升率等相關(guān)指標(biāo)都大大優(yōu)于鈦、鋯等稀有金屬管、棒材的退火工藝要求，對(duì)國(guó)內(nèi)稀有金屬及鈦生產(chǎn)裝備行業(yè)發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。
參考文獻(xiàn)
[1] 張翥，王群驕, 等.鈦的金屬學(xué)和熱處理[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2009.
[2] 巴德純，于溥, 等. 真空工程技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.
[3] 楊世銘.傳熱學(xué)基礎(chǔ).2 版[M].北京：高等教育出版社，2004.
[4] 北京中海匯通.3500 系列可編程回路調(diào)節(jié)器使用說明書[M].北京：北京中海匯通科技有限公司，版本1.0.
