董冰峰

（北京華海中誼節(jié)能科技股份有限公司 北京 102699）

真空熱處理技術(shù)具有無氧化、無脫碳、脫氣、脫脂、表面質(zhì)量好、變形微小、熱處理零件綜合力學(xué)性能優(yōu)異、無污染無公害等一系列突出優(yōu)點。真空爐生產(chǎn)中存在爐內(nèi)板材在加熱過程中加熱速度明顯滯后于爐膛升溫速度的現(xiàn)象，而且溫度越低滯后越明顯、裝料越厚滯后越明顯［1-2］。對此，本設(shè)計為解決這種大型幅面的鋯及鋯合金板材的真空退火提供了一種真空熱處理設(shè)備。

1 設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)要求

設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)包括有效加熱區(qū)的尺寸、裝爐量、最高溫度、工作溫度、爐溫均勻度、極限真空度、溫控等、方面，設(shè)計的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)

工藝指標(biāo)要求包括待退火板材尺寸、退火后板材要求、退火加熱方式、退火冷卻方式、空爐冷卻速率、帶料冷卻速率、壓強等方面，具體要求詳見表2。

表2 設(shè)備工藝指標(biāo)

2 設(shè)備結(jié)構(gòu)

本設(shè)備由爐體、后檢修門、加熱室、前爐蓋及運行機(jī)構(gòu)、真空系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、充氣系統(tǒng)、外循環(huán)冷卻系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和工件輸送車等組成。真空爐主體由爐殼、鎖緊圈、加熱室、冷電極、熱電偶裝置、氣缸組件及壓力表規(guī)管等組成。

2.1 爐殼設(shè)計

爐殼采用雙層水冷夾層結(jié)構(gòu)，爐殼外壁為優(yōu)質(zhì)碳素鋼板；內(nèi)壁采用SUS304L 不銹鋼，且內(nèi)壁鏡面拋光。內(nèi)壁外壁間通冷卻水。前、后爐門與爐體法蘭采用鎖緊圈承壓結(jié)構(gòu)，由氣缸自動鎖緊爐門，能使回充氣體壓力達(dá)到2bar。

爐殼厚度計算：根據(jù)壓力容器國家標(biāo)準(zhǔn)GB 150-88真空容器按承受外壓設(shè)計，設(shè)計壓力取1.25 倍的最大內(nèi)外壓力差。對于帶有夾套的真空容器，設(shè)計壓力為上述真空容器的設(shè)計壓力再加上夾套內(nèi)的設(shè)計壓力，設(shè)計溫度為150℃，圓筒厚度計算公式［3］：

式中：P 為設(shè)計壓力（MPa）；Di為圓筒的內(nèi)直徑（mm）；［σ］t為設(shè)計溫度下圓筒材料的許用應(yīng)力（MPa）；Φ為焊縫系數(shù)。

此爐的設(shè)計壓力為：（0.3+0.1）×1.25=0.5MPa（0.3MPa為夾套內(nèi)水壓，0.1MPa為真空容器的內(nèi)外壓差）。

圓筒內(nèi)壁的內(nèi)直徑為Φ2400mm；［σ］t查國家標(biāo)準(zhǔn)碳鋼材質(zhì)的許用應(yīng)力為50MPa；Φ查國家標(biāo)準(zhǔn)為0.9；因此，計算厚度為δ=13.4mm；腐蝕裕量不銹鋼取C2=1mm；故內(nèi)壁厚度為C=δ+C2=14.4mm；實際內(nèi)壁厚度取14mm。

外壁計算：外壁內(nèi)外壓差為0.2MPa，設(shè)計壓力為0.2×1.25=0.25MPa。

外壁內(nèi)直徑Φ2500mm；按計算公式厚度δ=6.9mm；腐蝕裕量碳鋼取2mm，故內(nèi)壁厚度為C=δ+C2=7mm，考慮大尺寸變形問題及爐體開孔數(shù)量等，實際外壁厚度為10mm。

2.2 加熱室設(shè)計

加熱室設(shè)計成圓筒形結(jié)構(gòu)。隔熱屏由框架及兩層0Cr25Ni20 耐熱鋼+三層1Cr18Ni9Ti 不銹鋼薄板+一層304不銹鋼護(hù)板組成。加熱元件為模塊化設(shè)計的多圈鉬帶，均勻布置成圓筒形，可單獨拆卸，損壞時更換方便。加熱元件通過12 個水冷電極與爐外接線連接。加熱室前后蓋均布置有加熱元件，各通過3 個水冷電極與外部連接。

設(shè)備為五區(qū)控溫，每區(qū)獨立調(diào)整。

爐體上加熱元件總共18圈，6圈為一個加熱區(qū)，角形接法，前后蓋各為一個加熱區(qū)，采用星形接法。

加熱功率的計算及確定：

P = KFE(T/1000)G［4］

式中：P為電爐額定功率；K、E、G為系數(shù)（用于金屬屏?xí)r：K=0.91；E=0.76；G=2.53）；F為有效工作空間外表面積（d㎡）；T 為額定溫度（K）。有效區(qū)尺寸3500mm×1300mm×800mm；最 高 溫 度950℃；F=3640d ㎡；T=因為滿載加熱，且裝載量比較大，因此實際調(diào)壓器功率為1.1P；N=427×1.1≈470kW；實際取值500kW。

加熱元件采用鉬加熱帶，均勻布置。加熱帶具有凹型肋槽結(jié)構(gòu)，保證了高溫狀態(tài)下加熱帶的強度并延長了使用壽命；加熱元件為模塊化設(shè)計，可單獨拆卸，損壞時更換方便。采用99 瓷進(jìn)行絕緣處理。料臺由耐熱鋼支撐、耐熱鋼爐床組成，料臺滿足最大載荷及相應(yīng)料盤的承要求，且在高溫下不變形，以保證產(chǎn)品質(zhì)量。采用的托料裝置為三排爐床，不含軸承或輥輪，避免了長期使用的故障率。背部絕緣不需要在加熱帶打孔，支撐件和瓷件位于加熱帶的背面，瓷件使用壽命更長，加熱帶免打孔避免了電阻變化和局部過熱，使用壽命更長。

2.3 外循環(huán)風(fēng)冷系統(tǒng)

外循環(huán)風(fēng)冷系統(tǒng)由外循環(huán)鼓風(fēng)機(jī)，臥式組裝式銅翅片換熱器，進(jìn)出風(fēng)管路，進(jìn)、排風(fēng)氣動隔熱閥、金屬波紋管及磁流體密封電機(jī)等組成。加熱時，隔熱擋板閥關(guān)閉，將爐體與外循環(huán)冷卻系統(tǒng)隔開，以保證熱量不會流失。風(fēng)冷時，進(jìn)、排風(fēng)隔熱擋板閥打開，啟動外循環(huán)風(fēng)機(jī)，冷卻氣體進(jìn)入爐內(nèi)并經(jīng)由隔熱屏錯層氣流孔從180°方向均勻進(jìn)入加熱室內(nèi)，再由加熱室上部180°分布的風(fēng)孔排出，加熱室。之后氣體再導(dǎo)入爐子頂部的兩根出風(fēng)管，通過熱交換器降低溫度后返回鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口，從而完成一個循環(huán)，達(dá)到快速冷卻的目的。換熱器采用帶翅片的銅管，翅片與銅管為一體化結(jié)構(gòu)，兩端為組裝式密封結(jié)構(gòu)，損失時便于拆卸并更換。

鼓風(fēng)機(jī)通過磁流體密封裝置和電機(jī)連接，電機(jī)在大氣中，便于保真空，利于維修。電機(jī)配有變頻器。磁流體密封裝置為一種先進(jìn)的真空密封裝置［5-8］，近年來，逐步在一些對真空密封有高要求的設(shè)備上采用，而采用磁流體密封裝置和大功率電機(jī)連接使用，在真空爐上還不多見。采用錯層式風(fēng)冷系統(tǒng)，可保證技術(shù)要求的冷速前提下，氣流較緩，減小對氧化鋁粉末的影響。

3 結(jié)語

（1）成功設(shè)計了一種解決大幅面鋯板真空退火處理的真空退火爐。

（2）采用背部絕緣的加熱帶支架結(jié)構(gòu)，由不需要在加熱帶上進(jìn)行打孔，能顯著增強加熱帶的使用壽命。

（3）采用磁流體密封裝置結(jié)構(gòu)的風(fēng)冷系統(tǒng)能最大限度地保證系統(tǒng)的真空度，并且便于維修。