楊新圓，劉裕盛，陳煒

(中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095)

0 引言

Fe-C 高溫共晶點(diǎn)復(fù)現(xiàn)裝置主要是利用純金屬Fe 粉與高純石墨粉在一定溫度條件下的共晶作用，形成溫坪，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)高溫?zé)犭娕?銅點(diǎn)溫度以上)的檢定或校準(zhǔn)，該方法可以將溫度傳感器的固定點(diǎn)溯源溫度值由銅點(diǎn)溫度1084.62℃提高到1153℃，并且校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度較以往采用的B 型偶校準(zhǔn)方法大大減小，能夠解決現(xiàn)階段高溫?zé)犭娕妓菰吹膯栴}。

高溫均熱爐主要是為Fe-C 高溫共晶溫度點(diǎn)復(fù)現(xiàn)提供一個(gè)穩(wěn)定的溫度環(huán)境，滿足其復(fù)現(xiàn)過程對(duì)溫場(chǎng)的要求，該爐子能夠?qū)崿F(xiàn)溫度的自動(dòng)控制、升降溫速率的設(shè)置調(diào)整，恒定溫區(qū)達(dá)到100 mm 以上。

1 高溫均熱爐

高溫均熱爐為整個(gè)共晶點(diǎn)裝置的關(guān)鍵部件?？紤]到復(fù)現(xiàn)用石墨坩堝需要垂直放置，因此高溫均熱爐的爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為立式。由于Fe-C 裝置復(fù)現(xiàn)的溫度點(diǎn)在1153℃左右，因此采用耐溫可到1200℃的鎳鉻絲作為加熱絲進(jìn)行繞制，并通過溫場(chǎng)的測(cè)試結(jié)果來(lái)進(jìn)行加熱絲之間的間隙調(diào)整，確保達(dá)到最終的溫場(chǎng)要求。考慮到復(fù)現(xiàn)過程的要求，即爐體中心區(qū)100 mm 內(nèi)，溫場(chǎng)均勻度滿足±1℃，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用三段加熱的方式，上下段調(diào)整配合中間段，完成均勻溫區(qū)的實(shí)現(xiàn)。溫控系統(tǒng)配置自動(dòng)溫度設(shè)定及采集軟件，可以通過上位機(jī)軟件設(shè)定升降溫曲線，并能實(shí)時(shí)讀取三部分爐溫，溫度控制系統(tǒng)采用日本島電公司的SR23 型溫度控制器并配以相應(yīng)的可控硅和固態(tài)繼電器組合進(jìn)行溫度控制，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制，SR23 控制器選配485 通訊模式，以便計(jì)算機(jī)通訊連接用?？紤]到特殊氣氛熱電偶的要求以及灌制過程中減少對(duì)共晶體的污染，爐體部分還配置了抽真空系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)，爐體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 爐體設(shè)計(jì)

高溫均熱爐采用三段加熱方式。均熱爐主體選用陶瓷管，即陶瓷管的外部采用三段纏繞加熱絲，每段加熱絲的中心點(diǎn)作為控溫傳感器的接入點(diǎn)，如圖2所示。陶瓷管內(nèi)徑60 mm，外徑80 mm。纏繞加熱絲時(shí)上下留10 mm 空間纏繞，分三段繞絲，每段繞絲長(zhǎng)度為100 mm，上下兩端作為輔助加熱絲，要求中間的100 mm 溫區(qū)內(nèi)溫度均勻性滿足1℃，具體的上段和下段溫度調(diào)節(jié)值大小根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)情況來(lái)調(diào)節(jié)確定。每段加熱絲中間部分為控溫?zé)犭娕迹o貼陶瓷管的外表面，通過熱電偶的反饋值，實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制，根據(jù)溫場(chǎng)的測(cè)試情況，來(lái)對(duì)上端和下端的輔助加熱的溫度值進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果溫場(chǎng)均勻性差異較大，還需調(diào)整加熱絲的間距來(lái)調(diào)整溫場(chǎng)，逐步逼近，最后確保滿足中心溫區(qū)的要求。

圖1 高溫均熱爐結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 爐絲纏繞及控溫位置圖

1.2 水冷系統(tǒng)

在高溫均熱爐剛玉管外部的上端，采用鋁錠加工，內(nèi)部形成水冷路線，實(shí)現(xiàn)對(duì)剛玉管的出口端的冷卻，確保端溫度降低。水冷系統(tǒng)考慮的節(jié)能的要求，采用循環(huán)冷卻水裝置，其冷卻水溫度可控制在5℃左右，水流量最大可設(shè)定在5 L/min，足以滿足氧化鋁保護(hù)管上端冷卻要求。水冷線路圖具體如圖3所示。

1.3 充氣保護(hù)系統(tǒng)和抽真空系統(tǒng)

充氣保護(hù)系統(tǒng)選用純度優(yōu)于99.99%的氬氣，抽真空系統(tǒng)在選用優(yōu)質(zhì)的真空泵來(lái)對(duì)密封系統(tǒng)進(jìn)行抽空，系統(tǒng)真空度可優(yōu)于10 Pa。充氣保護(hù)系統(tǒng)和抽真空系統(tǒng)通過閥門切換，通入到氧化鋁密封管中。具體的氣路原理圖如圖3所示。

圖3 高溫爐充氣保護(hù)、抽真空和水冷系統(tǒng)框圖

1.4 腔體密封件

高溫爐爐體的末端采用鋁加工密封件，結(jié)構(gòu)如圖4所示。鋁制密封件內(nèi)部有冷卻水孔，可以減小爐體端部的溫度。O 型密封圈選用聚四氟乙烯材料，比較耐高溫。

圖4 鋁制腔體密封件

1.5 溫度控制系統(tǒng)

溫度控制器選用日本島電公司的高精度控溫表SR23，根據(jù)加熱絲和溫升過程的功率計(jì)算，采購(gòu)滿足要求的功率模塊，控溫波動(dòng)滿足不大于0.2℃/15 min。控制系統(tǒng)采用可控硅方式。高溫均熱爐三段的控制系統(tǒng)各為一套，但以中間控制為主。上端和下端的控制系統(tǒng)根據(jù)中間溫場(chǎng)測(cè)試的具體情況，進(jìn)行相關(guān)溫度調(diào)節(jié)，確保滿足具體的溫場(chǎng)技術(shù)指標(biāo)要求。每段溫度控制電路原理圖見圖5。

溫度控制箱的控制面板采用電流表、電壓表和控溫儀表三套同時(shí)顯示，確保各段的溫度按預(yù)期設(shè)定。

2 高溫均熱爐溫場(chǎng)測(cè)試

高溫均熱爐測(cè)試前先將250 mm 高的石墨均溫塊放置在剛玉管中，插入測(cè)溫傳感器(一等標(biāo)準(zhǔn)S 型熱電偶)，將熱電偶的末端接入冰瓶后，再用銅導(dǎo)線引入到測(cè)溫儀上，圖6 為連接測(cè)量設(shè)備后的效果圖。對(duì)Fe-C高溫共晶點(diǎn)均熱爐的溫控器進(jìn)行溫度設(shè)定，測(cè)試1150℃溫度點(diǎn)的垂直溫場(chǎng)數(shù)據(jù)，根據(jù)測(cè)試前的經(jīng)驗(yàn)及規(guī)律將上、中、下三段溫控儀的設(shè)定值分別設(shè)定為1150.0℃，1145.0℃和1145.0℃。當(dāng)溫場(chǎng)在設(shè)定值穩(wěn)定后開始測(cè)試，測(cè)試示意圖見圖7。

圖6 高溫均熱爐

測(cè)試位置從剛玉管底端開始(將剛玉管底端記為0 mm)，每隔1 min 將熱電偶向上提升10 mm，一直提升直至250 mm 處，待溫度值穩(wěn)定后再每隔1 min 將熱電偶向下降10 mm，直至回到剛玉管底端，每次熱電偶位置變化之前溫度穩(wěn)定時(shí)記錄測(cè)溫儀顯示的溫度值;最后將溫場(chǎng)同一高度兩次的測(cè)量值求平均。

圖7 垂直溫場(chǎng)測(cè)試示意圖

從剛玉管底端開始測(cè)試熱電偶向上250 mm 范圍內(nèi)上、下行程垂直溫場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果見表1。

表1 垂直溫場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)

從測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出:從剛玉管底端往上90 ～190 mm范圍內(nèi)垂直溫場(chǎng)變化在1℃以內(nèi)。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)三段高溫均熱爐的溫場(chǎng)測(cè)試結(jié)果來(lái)看，其測(cè)試的垂直溫場(chǎng)梯度數(shù)據(jù)能夠滿足開展Fe-C 高溫共晶點(diǎn)溫度復(fù)現(xiàn)的要求。根據(jù)測(cè)試的結(jié)果進(jìn)一步對(duì)爐體繞絲、溫度控制等進(jìn)行優(yōu)化，使其性能進(jìn)一步提高，更好地滿足復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)的需求。

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