程東軍，王 彤，齊靈軍

（中國工程物理研究院，四川綿陽 621700）

0 引言

陶瓷燒成專用設備主要以硅鉬棒氧化燒結爐為主，在生產(chǎn)中設備在起爐、運行與降溫的不同階段時常出現(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，看似簡單的連接操作實則有較多的注意事項與控制要領。

圖1 氧化燒結爐內(nèi)棒體裝配與分布結構

1 在用二硅化鉬發(fā)熱元件使用現(xiàn)狀

目前，崗位在用氧化燒結爐主要分為實驗與批生產(chǎn)兩大類。其中，實驗爐通常采用的是U 形直棒體結構，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)氧化燒結設備普遍采用L 形直角棒體，安裝方式采取爐壁側方位垂直插入懸掛定位結構，使用中時常出現(xiàn)斷棒情況。

圖2 實驗爐U 形直棒體安裝示意

圖3 批生產(chǎn)設備L 形棒體結構與安裝效果

棒體的正常使用壽命通常可以達到1.5 年，就如實驗爐一樣，燒結爐次頻繁，但棒體使用狀況良好；而用于批生產(chǎn)設備的棒體則差強人意，隨時有可能出現(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 形結構但卻存在著一些細微差異。以常用棒體規(guī)格型號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)角結構部位目前則存在直角焊、弧形彎、T 形焊等3 種在用形式，而弧形彎棒體結構在冷熱端焊接過程中，又可以細分為冷端弧形彎曲與熱端弧形彎曲對接焊兩種結構，致使棒體在爐內(nèi)的使用壽命狀態(tài)極其復雜化（圖5）。

圖5 3 種典型的L 形棒體結構及爐內(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；而其在高溫時又具有一定的軟塑性，因此安裝時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)角結構特征，裝配時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 形棒體結構，因安裝時極易緊貼壁體，需務必嚴格加以掌控。直角彎的棒體結構較為復雜，屬冷端棒體端頭45°斜切后對接焊，通過變徑過渡再與熱端棒體對接熔焊而成。使用過程中，時常出現(xiàn)冷端彎曲所致熱端與爐壁接觸反應、形變與斷裂現(xiàn)象。

T 形彎棒體結構，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構，針對其中冷端彎曲與熱端彎曲在用結構現(xiàn)存的問題，通過對比使用可以看出，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)生的形變與應力斷棒。但是熱端彎曲的L 形棒體結構，熱端與冷端對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在重力的作用下向爐壁靠攏，冷態(tài)時產(chǎn)生應力斷棒現(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時左右棒體受力不均所導致的不同步，而在熱端弧頂或冷熱端焊點連接位置產(chǎn)生的嚴重斷棒問題。

針對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

設備在使用過程中，特別是在高溫燒結階段，殼體外圍棒體定位安裝孔洞的四周時常出現(xiàn)較為嚴重的漏熱現(xiàn)象，致使爐體能耗增高的同時，電爐熱場的溫度均勻性受到一定影響（圖7）。究其原因，主要是因為棒體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，裝配孔洞不斷擴大化。

圖7 隔熱屏棒體漏熱與便捷臨時應對方法

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；相對而言，高鋁質(zhì)爐腔磚的高溫結構強度則較為穩(wěn)定，而且高溫體積穩(wěn)定性好，其對應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，致使爐殼外圍棒體定位孔洞四周產(chǎn)生大量的輻射熱，嚴重時將使棒體端頭噴鋁部位溫度過高而導致低溫氧化和鋁熔化侵蝕發(fā)熱體冷端現(xiàn)象。

針對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大（圖8）。

圖8 隔熱屏棒體漏熱應對處理方法圖示

3.3 殼體爐壁棒體冷端固定夾具的安裝

通常硅鉬棒試驗燒結設備，均采用U 形直棒體爐頂垂直懸掛的定位吊裝結構。因為二硅化鉬電熱元件在常溫下脆性很大，高溫時又有可塑性，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），同時可避免鋁帶連接時將機械應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)氧化燒結裝備，通常采用的是L 形直角棒體結構與爐壁側方位90°插入懸掛定位安裝方式。該安裝方式的優(yōu)點是當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構。因此，制造廠家相對于U 形直棒體夾具固定方法，在控制棒體冷端長度降低成本的同時，也省去了棒體夾具定位的常規(guī)做法，當設備引進后，作業(yè)人員基本上沿襲了設備固有的棒體“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誤

當棒體更換完畢后，送電試升溫時發(fā)現(xiàn)自身或鄰近棒體又出現(xiàn)斷棒問題，如燒結過程中斷棒、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連接帶的安裝方法不當、棒體固定夾具的缺失等。此時，固定夾具的功能不再以承擔整個發(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，應力不在棒體相對薄弱的熱端弧頂與焊點處聚集。

建議采納U 形棒體夾具固定安裝步驟，針對目前棒體冷端長度不足、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，方法也至關重要；因元件間雙環(huán)型連接鋁帶結構特點，如僅對一邊進行拆卸，極易出現(xiàn)棒體“別勁”情況，最終應力將在棒體薄弱點熱端釋放而產(chǎn)生斷棒現(xiàn)象；正確操作方法應為雙環(huán)同步拆卸與進退，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計與安裝

電熱元件在高溫工作時因為電磁力等的影響，在其熱端部分會產(chǎn)生一定變形，如果發(fā)熱體安裝太靠近爐壁，可能導致元件熱端碰到爐壁與材料反應或散熱不良而致使超溫損壞。即使在棒體安裝的初期考慮到與爐壁的預留間隙，但爐腔內(nèi)冷端部分會在長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，同樣會導致上述情況的發(fā)生。

綜上所述，建議在設備購置調(diào)研階段，明確要求廠方對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，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致超溫損壞棒體情況發(fā)生。同時，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計思路

4 改進后二硅化鉬發(fā)熱元件使用效果

通過對棒體的調(diào)研、學習與相關斷棒原因分析，找到了崗位在用氧化燒結設備棒體頻繁斷裂的原因，更換了其中一臺氧化爐整體36 根冷端加長發(fā)熱棒體，并進行棒體套管的安裝實施改造，開展同等燒結爐次、運行工藝、陶瓷坯體燒結使用效果的對比驗證。一年多時間內(nèi)先后僅對12 根棒體進行過一次性更換，改進后棒體整體使用壽命得到有效提升，很好地驗證與落實了技術革新思路，現(xiàn)已在其余批生產(chǎn)設備上推廣運用（圖12）。

圖12 氧化爐屏體加熱件管道預埋裝配示意