程?hào)|軍，王 彤，齊靈軍

（中國工程物理研究院，四川綿陽 621700）

0 引言

陶瓷燒成專用設(shè)備主要以硅鉬棒氧化燒結(jié)爐為主，在生產(chǎn)中設(shè)備在起爐、運(yùn)行與降溫的不同階段時(shí)常出現(xiàn)斷棒現(xiàn)象，原因有棒體材料配方與制作工藝、棒體更換安裝方法等環(huán)節(jié)（圖1）。其中，涉及棒體加工質(zhì)量的問題，可以通過采購貨比三家擇優(yōu)選取而解決；燒成工藝與產(chǎn)品裝出爐方法可不斷優(yōu)化提升，但是最容易被忽視的就是棒體的正確安裝方法，看似簡(jiǎn)單的連接操作實(shí)則有較多的注意事項(xiàng)與控制要領(lǐng)。

圖1 氧化燒結(jié)爐內(nèi)棒體裝配與分布結(jié)構(gòu)

1 在用二硅化鉬發(fā)熱元件使用現(xiàn)狀

目前，崗位在用氧化燒結(jié)爐主要分為實(shí)驗(yàn)與批生產(chǎn)兩大類。其中，實(shí)驗(yàn)爐通常采用的是U 形直棒體結(jié)構(gòu)，安裝方式采取爐頂垂直懸掛吊裝形式，棒體使用過程中基本上無異常斷棒情況發(fā)生（圖2）；批生產(chǎn)氧化燒結(jié)設(shè)備普遍采用L 形直角棒體，安裝方式采取爐壁側(cè)方位垂直插入懸掛定位結(jié)構(gòu)，使用中時(shí)常出現(xiàn)斷棒情況。

圖2 實(shí)驗(yàn)爐U 形直棒體安裝示意

圖3 批生產(chǎn)設(shè)備L 形棒體結(jié)構(gòu)與安裝效果

棒體的正常使用壽命通?？梢赃_(dá)到1.5 年，就如實(shí)驗(yàn)爐一樣，燒結(jié)爐次頻繁，但棒體使用狀況良好；而用于批生產(chǎn)設(shè)備的棒體則差強(qiáng)人意，隨時(shí)有可能出現(xiàn)各種部位的斷棒情況（圖4）。

圖4 各種使用斷棒情況

2 L 形二硅化鉬發(fā)熱元件常見故障現(xiàn)象與原因分析

氧化燒結(jié)爐在用L 形二硅化鉬發(fā)熱元件棒體因生產(chǎn)廠家的不同，外觀基本上呈L 形結(jié)構(gòu)但卻存在著一些細(xì)微差異。以常用棒體規(guī)格型號(hào)Φ9 mm/Φ18 mm 為例，由外觀尺寸可見其棒體冷端直徑與熱端直徑的明顯變化，而轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)部位目前則存在直角焊、弧形彎、T 形焊等3 種在用形式，而弧形彎棒體結(jié)構(gòu)在冷熱端焊接過程中，又可以細(xì)分為冷端弧形彎曲與熱端弧形彎曲對(duì)接焊兩種結(jié)構(gòu)，致使棒體在爐內(nèi)的使用壽命狀態(tài)極其復(fù)雜化（圖5）。

圖5 3 種典型的L 形棒體結(jié)構(gòu)及爐內(nèi)裝配使用效果

二硅化鉬電熱元件屬于金屬陶瓷材料，其在室溫狀態(tài)下類似陶瓷、有很大的脆性，耐沖擊強(qiáng)度較低，因此在轉(zhuǎn)移與安裝的過程中要格外小心，以防損壞；而其在高溫時(shí)又具有一定的軟塑性，因此安裝時(shí)需格外注意與爐壁的裝配距離。其中，弧形彎棒體因自身轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)特征，裝配時(shí)與爐壁存在受限空間，而比較容易控制間距；特別是直角與T 形棒體結(jié)構(gòu)，因安裝時(shí)極易緊貼壁體，需務(wù)必嚴(yán)格加以掌控。直角彎的棒體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，屬冷端棒體端頭45°斜切后對(duì)接焊，通過變徑過渡再與熱端棒體對(duì)接熔焊而成。使用過程中，時(shí)常出現(xiàn)冷端彎曲所致熱端與爐壁接觸反應(yīng)、形變與斷裂現(xiàn)象。

T 形彎棒體結(jié)構(gòu)，就是在臨近冷端棒體末端位置，采取直接與熱端棒體垂直熔焊的方案，在使用中存在與直角棒相同的裝配問題。

相比而言，弧形彎棒體是目前較為普遍使用的一種棒體結(jié)構(gòu)，針對(duì)其中冷端彎曲與熱端彎曲在用結(jié)構(gòu)現(xiàn)存的問題，通過對(duì)比使用可以看出，處于橫置的冷端其直徑是熱端的倍數(shù)，即使在高溫與熱端棒體自重的影響下，變形也是相對(duì)穩(wěn)定和緩慢，可以有效避免熱端向爐壁靠攏而產(chǎn)生的形變與應(yīng)力斷棒。但是熱端彎曲的L 形棒體結(jié)構(gòu)，熱端與冷端對(duì)焊的一部分同處于爐壁插孔內(nèi)，即使在裝配環(huán)節(jié)很好地控制了熱端與爐壁的間距，在高溫下熱端棒體也會(huì)在重力的作用下向爐壁靠攏，冷態(tài)時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力斷棒現(xiàn)象（圖6）。

圖6 使用中棒體狀態(tài)與典型斷裂現(xiàn)象

3 L 形二硅化鉬發(fā)熱元件安裝使用技巧

3.1 爐內(nèi)手持式發(fā)熱元件棒體推進(jìn)裝配技巧

爐內(nèi)手持棒體在插入裝配環(huán)節(jié)，因殼體孔洞不暢或冷端推進(jìn)時(shí)左右棒體受力不均所導(dǎo)致的不同步，而在熱端弧頂或冷熱端焊點(diǎn)連接位置產(chǎn)生的嚴(yán)重?cái)喟魡栴}。

針對(duì)L 形棒體轉(zhuǎn)角特征，充分依托其原棒體防形變限位木夾，手持該部位整體推進(jìn)至殼體裝配孔洞內(nèi)，待外連鋁帶連接完畢后再取下限位塊，從根本上解決棒體在該環(huán)節(jié)非同步受力推進(jìn)的斷棒問題。

3.2 殼體保溫層發(fā)熱元件陶瓷阻熱套管的安裝

設(shè)備在使用過程中，特別是在高溫?zé)Y(jié)階段，殼體外圍棒體定位安裝孔洞的四周時(shí)常出現(xiàn)較為嚴(yán)重的漏熱現(xiàn)象，致使?fàn)t體能耗增高的同時(shí)，電爐熱場(chǎng)的溫度均勻性受到一定影響（圖7）。究其原因，主要是因?yàn)榘趔w的頻繁插入與拔出更換過程，致使殼體外圍輕質(zhì)氧化鋁保溫材料粉化、脫落，裝配孔洞不斷擴(kuò)大化。

圖7 隔熱屏棒體漏熱與便捷臨時(shí)應(yīng)對(duì)方法

通過爐體砌爐環(huán)節(jié)耐火材料與保溫材料的搭配使用不難看出，殼體環(huán)剖面由里及外依次為高鋁質(zhì)爐腔磚、氧化鋁陶瓷板、纖維棉、納米絕熱板等材料；相對(duì)而言，高鋁質(zhì)爐腔磚的高溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度則較為穩(wěn)定，而且高溫體積穩(wěn)定性好，其對(duì)應(yīng)棒體插入定位孔洞不宜產(chǎn)生形變；而緊鄰的氧化鋁陶瓷板在使用中效果也非常好，相對(duì)麻煩的是纖維棉填充材料及最外層氧化鋁保溫板，在棒體裝配環(huán)節(jié)易出現(xiàn)材料塌陷與脆化、剝落現(xiàn)象，致使?fàn)t殼外圍棒體定位孔洞四周產(chǎn)生大量的輻射熱，嚴(yán)重時(shí)將使棒體端頭噴鋁部位溫度過高而導(dǎo)致低溫氧化和鋁熔化侵蝕發(fā)熱體冷端現(xiàn)象。

針對(duì)棒體在使用中存在的弊端，一方面可通過正確的棒體更換方法，延緩輕質(zhì)保溫材料的使用壽命；另一方面可通過在保溫層棒體四周增添陶瓷套管，抑制保溫材料孔洞的擴(kuò)大（圖8）。

圖8 隔熱屏棒體漏熱應(yīng)對(duì)處理方法圖示

3.3 殼體爐壁棒體冷端固定夾具的安裝

通常硅鉬棒試驗(yàn)燒結(jié)設(shè)備，均采用U 形直棒體爐頂垂直懸掛的定位吊裝結(jié)構(gòu)。因?yàn)槎杌f電熱元件在常溫下脆性很大，高溫時(shí)又有可塑性，所以U 形元件的最好安裝方法是垂直懸掛，即通過固定夾將元件垂直懸掛于爐頂（圖2），同時(shí)可避免鋁帶連接時(shí)將機(jī)械應(yīng)力傳遞到元件薄弱的發(fā)熱端，引起元件斷裂現(xiàn)象。

而在用陶瓷批生產(chǎn)氧化燒結(jié)裝備，通常采用的是L 形直角棒體結(jié)構(gòu)與爐壁側(cè)方位90°插入懸掛定位安裝方式。該安裝方式的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)棒體冷端順利插入爐壁隔熱層后，即可形成有效的懸掛支撐結(jié)構(gòu)。因此，制造廠家相對(duì)于U 形直棒體夾具固定方法，在控制棒體冷端長(zhǎng)度降低成本的同時(shí)，也省去了棒體夾具定位的常規(guī)做法，當(dāng)設(shè)備引進(jìn)后，作業(yè)人員基本上沿襲了設(shè)備固有的棒體“便捷”安裝步驟與方法，因此就暴露出圖9 所示的常見問題。

圖9 隔熱屏棒體連接鋁帶安裝的典型錯(cuò)誤

當(dāng)棒體更換完畢后，送電試升溫時(shí)發(fā)現(xiàn)自身或鄰近棒體又出現(xiàn)斷棒問題，如燒結(jié)過程中斷棒、斷電降溫環(huán)節(jié)出現(xiàn)斷棒。究其原因，主要還是因棒體更換時(shí)連接帶的安裝方法不當(dāng)、棒體固定夾具的缺失等。此時(shí)，固定夾具的功能不再以承擔(dān)整個(gè)發(fā)熱元件的重量為目的，而是要確保L 形棒體在連接帶的安裝過程中，應(yīng)力不在棒體相對(duì)薄弱的熱端弧頂與焊點(diǎn)處聚集。

建議采納U 形棒體夾具固定安裝步驟，針對(duì)目前棒體冷端長(zhǎng)度不足、無添加空間的現(xiàn)狀，可在采購環(huán)節(jié)調(diào)整棒體加工尺寸。其次，每根棒體的更換均涉及左右相鄰棒體連接鋁帶的拆卸，方法也至關(guān)重要；因元件間雙環(huán)型連接鋁帶結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如僅對(duì)一邊進(jìn)行拆卸，極易出現(xiàn)棒體“別勁”情況，最終應(yīng)力將在棒體薄弱點(diǎn)熱端釋放而產(chǎn)生斷棒現(xiàn)象；正確操作方法應(yīng)為雙環(huán)同步拆卸與進(jìn)退，加之棒體定位夾具的作用，可有效確保棒體的使用壽命（圖10）。

圖10 隔熱屏側(cè)方位棒體連接鋁帶的安裝定位步驟

3.4 隔熱屏內(nèi)棒體冷端貫通式陶瓷套管的設(shè)計(jì)與安裝

電熱元件在高溫工作時(shí)因?yàn)殡姶帕Φ鹊挠绊懀谄錈岫瞬糠謺?huì)產(chǎn)生一定變形，如果發(fā)熱體安裝太靠近爐壁，可能導(dǎo)致元件熱端碰到爐壁與材料反應(yīng)或散熱不良而致使超溫?fù)p壞。即使在棒體安裝的初期考慮到與爐壁的預(yù)留間隙，但爐腔內(nèi)冷端部分會(huì)在長(zhǎng)期高溫以及熱端的重力作用下產(chǎn)生明顯軟化下垂現(xiàn)象，同樣會(huì)導(dǎo)致上述情況的發(fā)生。

綜上所述，建議在設(shè)備購置調(diào)研階段，明確要求廠方對(duì)各棒體裝配孔洞位置添加貫通式陶瓷套管，并延伸至爐腔壁以內(nèi)20～30 mm 為準(zhǔn)，可有效托住高溫下變形的冷端棒體，從而避免熱端變形后與爐壁接觸導(dǎo)致超溫?fù)p壞棒體情況發(fā)生。同時(shí)，使棒體更換安裝過程暢通無阻，而且還同步確保了外部殼體表面的良好保溫效果（圖11）。

圖11 隔熱屏棒體貫通式陶瓷套管安裝設(shè)計(jì)思路

4 改進(jìn)后二硅化鉬發(fā)熱元件使用效果

通過對(duì)棒體的調(diào)研、學(xué)習(xí)與相關(guān)斷棒原因分析，找到了崗位在用氧化燒結(jié)設(shè)備棒體頻繁斷裂的原因，更換了其中一臺(tái)氧化爐整體36 根冷端加長(zhǎng)發(fā)熱棒體，并進(jìn)行棒體套管的安裝實(shí)施改造，開展同等燒結(jié)爐次、運(yùn)行工藝、陶瓷坯體燒結(jié)使用效果的對(duì)比驗(yàn)證。一年多時(shí)間內(nèi)先后僅對(duì)12 根棒體進(jìn)行過一次性更換，改進(jìn)后棒體整體使用壽命得到有效提升，很好地驗(yàn)證與落實(shí)了技術(shù)革新思路，現(xiàn)已在其余批生產(chǎn)設(shè)備上推廣運(yùn)用（圖12）。

圖12 氧化爐屏體加熱件管道預(yù)埋裝配示意