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      大容積熱風(fēng)箱式爐設(shè)計(jì)

      2015-12-22 07:26:36臧福海
      科技視界 2015年24期
      關(guān)鍵詞:電阻爐蝸殼熱風(fēng)

      臧福海

      (中國(guó)電子科技集團(tuán)第43 研究所恒力公司,安徽 合肥 230088)

      0 引言

      熱風(fēng)循環(huán)箱式電阻爐,是一種借助高溫循環(huán)風(fēng)機(jī)使?fàn)t內(nèi)氣氛強(qiáng)制流動(dòng)的加熱設(shè)備,通過(guò)加強(qiáng)對(duì)流傳熱,提高爐溫均勻性,加快升溫速率。

      本文所述熱風(fēng)循環(huán)電阻爐的電熱元件均勻布置在爐膛兩側(cè),與爐膛內(nèi)工件之間有耐熱不銹鋼隔板,隔板與爐膛側(cè)壁形成氣流通道,循環(huán)氣流入口處設(shè)置有控溫?zé)犭娕迹隹谔幵O(shè)置有測(cè)溫?zé)犭娕?。爐膛外側(cè)與爐架之間采用全陶瓷纖維保溫材料。保溫材料與外掛板之間留有空氣夾層,以降低設(shè)備表面溫度。圖1 所示為該設(shè)備的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖(俯視)。

      圖1 熱風(fēng)循環(huán)箱式電阻爐

      1 結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

      1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      爐膛采用SUS304 不銹鋼板制作,圍成加熱及熱風(fēng)循環(huán)腔體;爐膛有效使用容積約為1100×1200×1275mm。熱空氣在爐膛內(nèi)流動(dòng),大大提高溫度均勻性。由于熱風(fēng)的攪拌,加強(qiáng)了爐膛內(nèi)氣氛的對(duì)流和均熱作用。

      爐膛和爐架為分離設(shè)計(jì),爐膛置于爐架底部的6 個(gè)承重滾輪上,前后可自由滑動(dòng)。當(dāng)爐膛受熱時(shí),可沿長(zhǎng)度方向自由伸長(zhǎng)。

      圖2 爐門(mén)示意圖

      為防止?fàn)t膛內(nèi)熱氣泄漏,爐門(mén)處從內(nèi)到外共設(shè)計(jì)了2 層密封。內(nèi)層采用陶瓷纖維繩密封結(jié)構(gòu),外層采用硅橡膠密封圈密封,為延長(zhǎng)其使用壽命,在爐膛口密封處設(shè)計(jì)有不銹鋼冷卻水套,用于冷卻降溫。門(mén)鎖采用多點(diǎn)手輪旋轉(zhuǎn)方式鎖緊機(jī)構(gòu),可以同時(shí)對(duì)門(mén)四周均勻鎖緊。另外爐門(mén)固定裝置安裝于爐膛端面,采用活動(dòng)雙鉸鏈機(jī)構(gòu),可隨爐膛自由伸長(zhǎng)而移動(dòng),密封效果更好。

      設(shè)備頂部設(shè)計(jì)有排氣煙囪,用于排放加熱過(guò)程中產(chǎn)生的大量廢氣及煙霧,可通過(guò)風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)把手來(lái)控制排放流量。

      圖3 熱風(fēng)爐外形示意圖

      1.2 控制系統(tǒng)

      控制系統(tǒng)集成在爐體上。選用日本島電FP93 智能程序溫控儀,該儀表可帶4 組曲線最大40 段可編程,6 組專家PID 參數(shù),更高級(jí)的區(qū)域PID 算法,溫度曲線的調(diào)節(jié)通過(guò)設(shè)定自動(dòng)控制進(jìn)行。

      圖4 自整定示意圖

      PID 將偏差比例(Proportional)、積分(Integral)、微分(Derivative)通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量,對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制[1]。溫控儀接受熱電偶檢測(cè)的信號(hào),控制電力模塊。該儀表具有PID 參數(shù)自整定功能,如圖4 所示為自整定示意圖。

      2 參數(shù)計(jì)算

      2.1 功率計(jì)算

      最大加熱功率是指爐內(nèi)電熱元件在單位時(shí)間內(nèi)所能提供最大加熱能力。根據(jù)爐膛容積或單位爐膛內(nèi)表面積,按表1 所列公式和數(shù)據(jù)可概略計(jì)算最大功率。根據(jù)設(shè)備使用率的高低來(lái)選擇表中的上限值及下限值。

      表1 爐膛內(nèi)表面積與加熱功率的關(guān)系

      本文所述設(shè)備爐膛內(nèi)表面面積總和大約為8m2,設(shè)備最高使用溫度為400℃,取單位表面積功率值為6kW,根據(jù)公式可計(jì)算出加熱功率大概為8×6kW=48(kW)。

      熱風(fēng)爐的循環(huán)風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)爐膛內(nèi)氣體在爐膛內(nèi)循環(huán)流動(dòng),沿途克服這些阻力所消耗的電能,最終都轉(zhuǎn)化為熱量,其中大部分為循環(huán)氣體吸收,少部分被風(fēng)道所吸收。式中:P—電機(jī)功率(kW);

      n—電能轉(zhuǎn)化系數(shù),離心風(fēng)機(jī)為0.65~0.75;軸流風(fēng)機(jī)為0.7~0.8。

      由式1 可見(jiàn),熱風(fēng)電機(jī)的大部分機(jī)械能都轉(zhuǎn)化為了熱量。確定設(shè)備加熱功率時(shí),應(yīng)考慮該部分熱量的作用。

      2.2 循環(huán)風(fēng)量計(jì)算

      氣流速度與爐膛溫度均勻性有密切關(guān)系,流速越大,越有利于提高爐溫均勻度。由于氣流沿途有溫降,用氣流在爐膛內(nèi)的循環(huán)次數(shù)能更確切地反映氣流速度與爐溫均勻度的關(guān)系。

      循環(huán)次數(shù)是指氣流在爐膛內(nèi)每秒鐘流動(dòng)的周期數(shù)。循環(huán)次數(shù)越高,爐溫均勻度越好。循環(huán)次數(shù)一定時(shí),氣流流動(dòng)路途越長(zhǎng),所需氣流速度則越大,因而所需循環(huán)空氣量也越多[2]。

      已知?dú)饬魉俣然驓饬餮h(huán)次數(shù)以及爐膛氣流通道的截面積,即可算出循環(huán)風(fēng)量:

      式中ω—?dú)饬魉俣龋╩/s);

      A—?dú)饬魍ǖ澜孛娣e(m2);

      K—?dú)饬鲹Q算系數(shù),查詢相關(guān)資料對(duì)于此類爐型取K=1

      按圖2 所示尺寸,可得出通道截面積A=0.15*1.274≈0.2m2,通道長(zhǎng)度約1.4m,取循環(huán)次數(shù)為0.5,可知ω=1.4/2=0.7m/s,通道數(shù)取9??傻贸?/p>

      圖5 爐膛風(fēng)道尺寸

      3 加熱元件

      3.1 加熱元件類型

      圖6 加熱管

      本文所述電阻爐的加熱元件為管狀電熱元件,由金屬管、螺旋狀電阻絲及導(dǎo)熱性、絕緣性好的結(jié)晶氧化鎂等組成。具有熱效率高、壽命長(zhǎng)、機(jī)械強(qiáng)度好、安裝方便、使用安全等優(yōu)點(diǎn)。

      3.2 加熱元件安裝

      加熱元件布置于爐壁與爐膛內(nèi)隔板之間的氣流通道內(nèi),以橫向排布方式均勻布置在爐膛兩側(cè)(如圖1 所示)。為便于底部溫度的調(diào)節(jié),也可額外在爐膛底部布置加熱元件。

      4 熱風(fēng)循環(huán)裝置設(shè)計(jì)

      4.1 風(fēng)機(jī)位置設(shè)計(jì)

      風(fēng)機(jī)位于爐膛后部,通過(guò)蝸殼及兩側(cè)風(fēng)道將空氣吹過(guò)加熱元件,氣氛加熱后。水平進(jìn)入爐膛內(nèi)對(duì)工件進(jìn)行均勻加熱,然后經(jīng)后部吸風(fēng)口吸入循環(huán)風(fēng)機(jī),充分循環(huán)攪拌。

      圖7 風(fēng)機(jī)位置圖

      4.2 導(dǎo)流裝置設(shè)計(jì)

      蝸殼對(duì)風(fēng)機(jī)性能影響很大,若去掉蝸殼,風(fēng)機(jī)性能將下降50%以上。本文所述熱風(fēng)箱式爐采用雙循環(huán)方式,風(fēng)機(jī)置于爐體后部,兩側(cè)共兩個(gè)循環(huán)風(fēng)道,后部蝸殼雙向出風(fēng)。

      在熱風(fēng)腔體中,由于空間有限,蝸殼的擴(kuò)張段較短,出口面積大,氣流壓力損失較大。在設(shè)計(jì)蝸殼時(shí),導(dǎo)流片的形狀應(yīng)力求擴(kuò)散合理,導(dǎo)流片數(shù)量以4~8 片為宜,導(dǎo)流片安裝角度根據(jù)葉輪形狀和流量大小而定。蝸殼的寬度設(shè)計(jì)時(shí)以不碰到葉輪為準(zhǔn)。蝸殼結(jié)構(gòu)示意圖如圖8 所示。

      圖8 蝸殼結(jié)構(gòu)示意圖

      5 小結(jié)

      對(duì)于熱風(fēng)爐,爐膛內(nèi)的循環(huán)風(fēng)起著至關(guān)重要的作用。因此,設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是確定爐膛內(nèi)氣流速度和循環(huán)風(fēng)量,合理的流速和風(fēng)量直接影響著爐溫均勻性和燒結(jié)產(chǎn)品的質(zhì)量。而影響循環(huán)風(fēng)的因素,除了風(fēng)機(jī)本身性能之外,導(dǎo)流裝置的結(jié)構(gòu)亦至關(guān)重要[3]。

      采用理論計(jì)算法確定流速較繁瑣,而經(jīng)驗(yàn)法較直觀,在工程設(shè)計(jì)計(jì)算中,一般我們傾向于用經(jīng)驗(yàn)法,理論法只作為設(shè)計(jì)合理性的驗(yàn)證。

      [1]呂小紅.電阻爐智能溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D].武漢科技大學(xué),2008.

      [2]王秉銓.工業(yè)爐設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010,784-788.

      [3]付德興.空氣循環(huán)電爐的設(shè)計(jì)與計(jì)算[J].科學(xué)與財(cái)富,2013(7).

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