關于提升高真空高溫氣淬爐加熱穩定性的研究

滕廣力

摘 要 為了滿足對大型鈦合金、不銹鋼等材料的熱處理，越來越多的大型高真空高溫熱處理設備投入使用;該類設備造價高，控制系統復雜，且大多為國外進口設備，設備故障后維修周期長，備件價格高，該類設備故障后往往能夠影響一個企業的正常生產;本文主要針對國外TAV臥式高真空高溫氣淬爐進行分析，通過對真空爐通信網絡、加熱控制原理、冷卻系統等方面研究，提升真空爐運行穩定性。

關鍵詞 調功器;加熱帶;熱輻射;溫均性;PID調整;絕緣阻值

1設備概述

1.1 臥式真空氣淬爐工作流程

在運行自動加熱程序時，必須保證安全信號正常，安全繼電器工作正常，冷卻水壓正常，系統無報警。

1.2 加熱系統網絡拓撲圖

加熱系統主要由調功器、變壓器及鉬制環形加熱帶組成，加熱控制為全段式PID調節。

臥式真空爐共分4個溫度控制區：1區、2區、3區、4區，4個區分別由4臺調功器控制，采用熱輻射方式進行加熱。在中部和后端部分布4根“S”形控制熱電偶，用于加熱控制系統的爐溫控制; 2區、3區分布2根“S”形安全熱電偶，由溫控表UDI1700采集信號，用于爐內的超溫控制;爐體內分布19根“N”型負載熱電偶，用于工件加熱曲線的記錄;其中控制熱電偶和負載熱電偶均由PLC進行采集，PLC由路由器通過工業以太網與5000B記錄儀進行數據交換[1]。

2真空爐溫均性調試

真空爐主要分為4個加熱區，其中1區和4區為單相補償控制，2區和3區為三相PID控制。控制信號由AC2219模塊轉換為4通道的0～10V的電壓信號控制調功器輸出功率的大小，1區和4區根據與中區2、3區的溫度差及系統設置的加熱速率輸出對應的百分比，1區和4區將PLC的控制輸出分為：10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%，并對應AC2219控制模塊的0～10V 電壓信號;2區和3區通過設定溫度與實時溫度值通過PID計算PLC輸出對應的值，并由AC2219模塊轉換為0～10V 電壓信號。

系統2區原有PID值為：20、250、40，3區原有PID值為：15、250、40;在多次整定后現有2區PID值為：20、550、28，3區PID值為：20、550、28;在整定后進行加溫測試時，9點溫度依舊偏高，在加熱結束將爐門打開后發現，爐膛內鉬制加熱帶由于高溫變形，造成9點附近兩個加熱帶距離過近，造成輻射溫度過高，在對加熱帶固定支架調整后，溫度均勻性滿足±5℃[2]。

3真空爐加熱系統絕緣阻值研究

熱處理爐爐體為中空設計，中間為冷卻水循環回路，在爐子運行時為爐體降溫，爐體上留有電極進入爐體內的孔，為了防止熱輻射對電極造成損壞，因此在電極上下端留有冷卻水循環系統;通過冷卻水交互裝置，各電極及需降溫部位均由橡膠軟管連接，保證為各部件提供一個安全的工作溫度環境。

3.1 爐內加熱系統絕緣研究

在進行加熱運行時，系統報警，在對變壓器后端加熱負載斷開后，測量加熱帶對地絕緣阻值，整個加熱系統對地導通，無法滿足加熱系統工作所需絕緣阻值。

將加熱帶和電極脫離，并將加熱帶支撐架拆卸分解，在對加熱帶和加熱帶支撐架仔細分析后發現：在加熱帶和支撐架上吸附了大量黑色金屬氧化物，且不容易去除，在爐膛和隔熱屏中間存在大量黑色金屬氧化物粉末;加熱帶支撐架主要起支撐固定加熱帶和保證加熱帶與爐體絕緣作用。

解決措施

（1）對所有加熱帶支撐架附件進行吹砂工藝處理，去除表面吸附的金屬氧化物;更換絕緣瓷套，并清理爐內和5層隔熱屏之間的金屬氧化物粉末。

（2）改進加熱帶與爐體絕緣結構，現將每層隔熱屏之間加裝絕緣瓷套，保證整個加熱系統與爐體之間絕緣性更好。

3.2 冷卻系統絕緣研究

在將加熱系統絕緣處理完成，再次對加熱帶與爐體絕緣阻值測試，2區、3區和4區絕緣均符合要求，但1區爐門加熱帶對爐體阻值仍為導通狀態，在后續發現其1區電極上冷卻水管被擊穿，導致水管由絕緣狀態變為導電狀態，對絕緣冷卻橡膠水管擊穿原理分析，橡膠絕緣體主要有以下四大性質：

（1）電氣絕緣性質。①導電性：加壓后有微小電流通過;②絕緣擊穿：達到某電壓時電流急劇增大，絕緣體變導體;

（2）電介質性質。①介質極化：介質在電場中電荷中心重新分布，對外顯電性（相對介電常數為3～3.5）;②介電損耗：當施加交流電壓時，物質內部電荷往復運動、吸收電源能量、發熱。

絕緣橡膠水管加上電場時，介質發生損耗，引起發熱，使介質溫度升高，而介質的電阻具有負的溫度系數，即溫度上升時電阻將變小，這又會使電流進一步增大，損耗發熱亦跟著增大，因此如果介質中發生的熱量比發散的熱量大時，介質溫度將不斷上升，進一步將引起介質分解、碳化等，使介質擊穿。

在爐體上留有電極進入爐體內部的預留孔，爐體與電極密封端之間使用水套密封，由于預留孔內部密封未處理好，導致部分熱輻射從爐體內部散發出來，造成橡膠水管溫度升高;在大電流（4000A電流）形成的強電場環境中，且水管中的水存在游離的鎂離子、鉀離子等，使介質損耗增加，介質溫度將不斷上升，進一步將引起介質分解、碳化等，使橡膠介質被擊穿[3]。

4結束語

通過對真空爐的加熱控制系統研究，掌握了溫均性不達標時加熱系統的全段式PID調整方法。對加熱帶絕緣阻值導通原因分析，通過對加熱帶及加熱帶支撐架金屬物質分析，優化工藝流程，改善加熱帶絕緣結構，提高真空爐加熱系統運行穩定性;通過分析真空爐冷卻系統絕緣橡膠水管擊穿原理，采用合理技術手段，規避橡膠水管被擊穿條件，為電極和加熱系統提供穩定可靠的冷卻環境，減少真空爐由于冷卻不足引起的部件損壞及加熱系統不穩定現象。

通過對國外TAV臥式真空氣淬爐控制系統研究，減少了設備故障率，節省了維修費用，為國外先進熱處理設備修理提供了新思路。

參考文獻

[1] 漆漢宏.PLC電氣控制技術[M].北京：機械工業出版社，2012：69.

[2] 齊占慶.電氣控制技術[M].北京：機械工業出版社，2002：202.

[3] 陳繼武.溫控技術在加熱爐中的應用[M].北京：機械工業出版社，2000：119.