蔡天羽

（河南師范大學(xué),河南新鄉(xiāng)453007）

電磁平板一體式加熱爐的研制及應(yīng)用測試

蔡天羽

（河南師范大學(xué),河南新鄉(xiāng)453007）

利用電磁加熱速度快,平板加熱控溫精度高的優(yōu)點,設(shè)計了一種電磁平板一體式加熱爐.利用LM339電壓比較器比較放大的測溫信號和參考信號實現(xiàn)了電磁加熱和平板加熱之間的轉(zhuǎn)換.大功率的電磁加熱保證了加熱爐的快速升溫,采用高導(dǎo)熱的石墨片提高了表面的溫度均勻性,利用鑲嵌在石墨片表面的高精度熱電偶以及PID控制器實現(xiàn)了表面的高精度控溫,通過循環(huán)利用電磁線圈的風(fēng)冷裝置實現(xiàn)了爐體加熱環(huán)境的穩(wěn)定性控制.升溫測試和純鈦表面熱氧化實驗證明,該加熱爐升溫速度快、溫度均勻性好、控溫精度高,能夠為材料表面改性方面的研究提供幫助.

電磁加熱；平板加熱；加熱速度；控溫精度

隨著科學(xué)技術(shù)對材料性能要求的不斷提高,材料的表面改性已成為研究的熱點.現(xiàn)有的表面改性技術(shù)有噴涂、鍍膜、陽極氧化、滲氮、熱氧化等.其中熱氧化是目前最為簡單、操作方便、成本最低的一種改性方法[1-3].熱氧化以及熱處理相關(guān)的表面改性技術(shù)對材料受熱的均勻性、加熱的速度、控溫的精度都有很高的要求.對于固體材料的熱處理一般采用平板加熱,因為平板加熱的溫度均勻性和控溫精度相對較高[4-5],然而現(xiàn)有的平板加熱的速度較慢,嚴(yán)重影響了材料熱處理的精度,同時也因加熱時間長而影響了試驗進(jìn)度.電磁加熱速度快,但一般通過控制功率進(jìn)行控溫,控制精度不高[6-7].

針對上述加熱方式的局限性,結(jié)合電磁加熱速度快、平板加熱控溫精度高的優(yōu)點,本文利用PID高精度控溫[8-9]以及電壓比較控制技術(shù)[10],提出一種能夠快速均勻?qū)Σ牧线M(jìn)行加熱的電磁平板一體式加熱爐,以滿足熱處理表面改性工藝的基本需求.

1 工作原理

如圖1所示,該加熱裝置可以分為3個主要部分：邏輯控制系統(tǒng)、電磁加熱系統(tǒng)及平板加熱系統(tǒng).邏輯控制系統(tǒng)包括信號放大器、電壓比較器、繼電器以及熱電偶2.電磁加熱系統(tǒng)和平板加熱系統(tǒng)共用一個鑄鐵基板.平板加熱系統(tǒng)包括熱電偶1、PID控制器以及調(diào)功調(diào)壓器.

圖1 電磁平板一體式加熱爐原理Fig.1 Schematic diagram of the furnace

1.1 邏輯控制設(shè)計

加熱過程分為圖2所示的兩個階段,其中V2為熱電偶2的輸出電壓,V為預(yù)設(shè)溫度輸出電壓.第一階段,當(dāng)放大100倍的電壓V2小于放大80倍的電壓V的時候,電磁加熱系統(tǒng)工作,加熱鑄鐵基板和其內(nèi)部的電熱管；當(dāng)放大100倍的V2大于等于放大80倍的V的時候,電磁加熱停止工作,平板加熱開始工作,此時由表面的熱電偶6和PID控制器控制加熱爐的溫度穩(wěn)定到預(yù)設(shè)溫度.

圖2 電磁加熱與平板加熱的轉(zhuǎn)換邏輯控制Fig.2 Logic control principle of transformation between electromagnetic and plate heating

1.2 電壓比較控制單元電路設(shè)計

具體的電壓比較控制原理如圖3所示,預(yù)設(shè)溫度參考電壓信號V和熱電偶2的電壓V2經(jīng)過交流逆變后分別放大80倍和100倍,整流之后通過電壓比較器控制繼電器的通斷,進(jìn)而實現(xiàn)電磁加熱和平板加熱之間的轉(zhuǎn)換.

圖3 電壓比較控制單元電路Fig.3 Circuit diagram of voltage comparing and controlling unit

1.3 整體結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計

該爐體主體部分為鑄鐵基板、電磁線圈及外殼.如圖4所示,電熱管以螺旋的方式封裝在一個直徑為130 mm,厚20 mm的鑄鐵板內(nèi),成型以后,表面用2 000目的砂紙拋光.在加熱板的下表面和周邊涂刷保溫材料（榮立恒業(yè)RLHY-12）,每次涂刷厚度小于1 mm,涂刷25遍,保溫材料總厚度為20 mm. RLHY-12是由用于航天器保溫隔熱的太空技術(shù)衍生出來的新材料,具有高效、薄層、防火、防腐、絕緣等多種優(yōu)點.該材料應(yīng)用納米陶瓷技術(shù),擁有0.03 W/（m·K）的極低導(dǎo)熱系數(shù),能夠阻止熱量穿透涂層,隔熱保溫效率可達(dá)90%以上.在鑄鐵基板上表面壓緊一個導(dǎo)熱石墨片,其垂直方向?qū)嵯禂?shù)為20 W/（m·K）,水平方向?qū)嵯禂?shù)為300 W/（m·K）.導(dǎo)熱石墨片保證了加熱板的溫度均勻性.在石墨片上距離中心點30 mm的地方鑲嵌一個高精度的誤差限制級K型熱電偶（美國OMEGA,直徑為0.2 mm）,并用不銹鋼保護套管屏蔽測量過程中的電磁干擾.

電磁線圈額定功率設(shè)定為1 600 W.鑄鐵基板距離電磁線圈25 mm,保證了第一階段有效地加熱,中間填充硅酸鋁保溫棉,減小基板溫度對電磁線圈的影響.電磁線圈和外殼后面板距離大于6 cm,保證電磁場不會影響風(fēng)機和控制面板的運行.平板加熱溫控裝置由日本島電公司研制的高精度的PID控制器以及調(diào)功調(diào)壓器組成,控溫精度可達(dá)0.1 K.爐子的電路板以及電磁線圈冷卻方式設(shè)計為風(fēng)冷,由一個工作電壓為220 V的風(fēng)機（12038 HST）來實現(xiàn),風(fēng)機功率為16 W,轉(zhuǎn)速為2 550 r/min.加熱過程中風(fēng)扇以恒定速度運轉(zhuǎn),向爐內(nèi)送風(fēng),如圖4中箭頭所示,空氣經(jīng)線圈和保溫層預(yù)熱后,穩(wěn)定地流過樣品表面,最后從排氣孔排出.這樣的設(shè)計有兩個作用：1、為電磁線圈降溫；2、預(yù)熱后流動的空氣使腔體保持在一個穩(wěn)定的環(huán)境中.爐體頂端設(shè)置一個KBr窗口,用來觀察被加熱樣品的表面狀況和測量其輻射特性.

圖4 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.4 Overall structural design

2 加熱性能及鈦氧化實驗測試

2.1 實驗過程

為驗證該加熱爐的升溫速度以及控溫精度,同一時間對普通商用的平板電阻加熱爐（英國Specac P/N GS05850）和該一體式加熱爐進(jìn)行升溫比較,預(yù)設(shè)溫度為600℃.純鈦不同程度的熱氧化可以呈現(xiàn)出不同的色彩,也可以不同程度地提高其表面耐磨性[3].本實驗選取純鈦作為測試對象,其成分如表1所示.

表1 純鈦樣品成分Tab.1 Compositions of pure Titanium

把購置的純鈦鈦板加工為12個直徑13 mm、厚度2 mm的圓片樣品.把得到的樣品依次用80、120、240、400、600、800和1 000目的水磨砂紙打磨均勻,然后用蒸餾水（2次,每次5 min）、丙酮（2 min）和無水乙醇（2 min）超聲清洗,測量出表面的粗糙度,然后浸入無水乙醇中備用.經(jīng)打磨后的樣品平均粗糙度為Rq=0.275±0.036 μm,Rq代表樣品的均方根粗糙度,表征打磨后樣品表面的粗糙程度.將清洗后的樣品隨機分為3組,每組4個.1組作為對照組不進(jìn)行熱氧化處理,2組和3組分別選出2個使用普通平板加熱爐和該一體式加熱爐加熱到400℃,保持氧化30 min,另外2個加熱到600℃,保持氧化30 min.觀察氧化過程各樣品表面的顏色變化,使用掃描電鏡（蔡司Zeiss,SUPPA 40）對氧化后的表面進(jìn)行觀察.

2.1 升溫測試

圖5為普通平板加熱爐和改進(jìn)后的一體式加熱爐的升溫曲線.

圖5 升溫曲線比較Fig.5 Comparation of heating curve

由圖5可以看出,改進(jìn)后的爐子升溫很快,升溫速率接近100℃/min,相比普通的平板加熱,升溫時間縮短了近一倍.圖6為加熱爐從600℃到達(dá)到熱平衡的穩(wěn)定過程.

圖6 加熱爐穩(wěn)定過程Fig.6 Comparation of stabilization process

由圖6可以看出,該電磁平板一體式加熱爐和普通平板加熱爐的穩(wěn)定過程所需時間幾乎相同.這是因為在達(dá)到自身熱平衡的過程中,兩種加熱爐用的是同一種控溫方式和相同的保溫方式.溫度穩(wěn)定過程中,電磁平板一體式加熱爐的溫度波動較大,這是因為電磁加熱功率太大,導(dǎo)致切斷電磁加熱時,鑄鐵基板的溫度分布不均勻,部分電磁加熱殘余熱量經(jīng)熱傳導(dǎo)升高了石墨片的溫度.當(dāng)兩種爐子達(dá)到熱平衡以后,其控溫精度相同,同為0.1 K.

2.2 溫度均勻性驗證

2.2.1 顏色驗證使用普通平板加熱爐對純鈦樣品做的不同溫度和時間的熱氧化,每個溫度均會出現(xiàn)多種顏色,并且沒有明顯的規(guī)律可循.可見現(xiàn)有的平板加熱爐表面溫度測量不準(zhǔn)確,溫度分布不均勻,溫差較大.另外熱氧化過程中,不同時間不同區(qū)域的氧濃度也會發(fā)生變化,進(jìn)而影響熱氧化的均勻性.使用該一體式加熱爐對純鈦在不同溫度下進(jìn)行熱氧化,樣品表面的顏色變化均勻一致,且隨溫度的升高和時間的增加呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律變化（如表2所示）.該現(xiàn)象證明了一體式加熱爐的溫度均勻性得到了明顯的改善,熱氧化的氧濃度穩(wěn)定性也得到了提高.

表2 一體式加熱爐熱氧化處理過程中的樣品顏色變化Tab.2 Color changes of samples during the thermal oxidation process

2.2.2 表面結(jié)構(gòu)驗證為了更直觀地說明純鈦表面熱氧化的均勻程度,采用掃描電鏡對氧化后表面的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察,表面有鈦的氧化物附著的地方顯白色,基底為黑色.圖7為純鈦在400℃和600℃分別氧化30 min后表面的形貌.

圖7 熱氧化后純鈦的表面形貌Fig.7 Surface morphology of the samples after thermal oxidation

由圖7可以看到,兩種不同溫度的熱氧化后,鈦表面都有氧化物產(chǎn)生,且在觀察區(qū)域內(nèi)氧化物分布均勻,證明了該加熱爐具有較好的溫度均勻性,同時說明在熱氧化過程中樣品表面的氧濃度非常穩(wěn)定.

2.3 耐磨性驗證

為體現(xiàn)該加熱爐在表面改性中的具體應(yīng)用,從上述3組樣品中每組選出2個,在磨損試驗機上進(jìn)行球-盤摩擦試驗,磨件材質(zhì)為GCr15鋼,磨損時間為5～15 min,載荷為10 kg,轉(zhuǎn)速為200 r/min,磨損前后采用GT-2A精密分析天平分別稱重.圖8為3組經(jīng)過不同處理后的樣品的磨損結(jié)果.縱坐標(biāo)為磨損掉的質(zhì)量.

圖8 3組樣品的磨損曲線Fig.8 Wear curves of three groups of samples

由圖8可以看出,沒有經(jīng)過熱氧化處理的樣品在同種條件下的磨損最為嚴(yán)重,400℃氧化30 min后的樣品磨損較輕,600℃氧化30 min后的樣品磨損最輕.說明使用該加熱爐進(jìn)行不同條件下的熱氧化可以有目的地改善純鈦的耐磨性,且樣品在600℃氧化30 min后的耐磨性比在400℃氧化30 min要更好.

3 小結(jié)

本文針對目前材料的熱氧化工藝,利用電磁加熱技術(shù)、PID控溫技術(shù)以及電壓比較控制系統(tǒng),設(shè)計了一種電磁平板一體式加熱爐.經(jīng)升溫測試和熱氧化實驗表明,該加熱爐融合了電磁加熱和平板加熱的優(yōu)點,加熱速度快,溫度均勻性好,控溫精度高,加熱環(huán)境穩(wěn)定,能夠快速應(yīng)用于目前材料表面改性方面的研究.

[1]SILVA M A M,MARTINELLI A E,ALVES C,et al.Surface modification of Ti implants by plasma oxidation in hollow cathode discharge[J].Surface&Coatings Technology,2006,200（8）：2618-2626.

[2]SIMKA W,SOCHA R P,DERCZ G,et al.Anodic oxidation of Ti 13Nb 13Zr alloy in silicate solutions[J].Applied Surface Science,2013,279（8）：317-323.

[3]李旭,彭小燕,段雨露,等.工業(yè)純鈦的高溫?zé)嵫趸袨閇J].中國有色金屬學(xué)報,2013（8）：2190-2199.

[4]TAMEMASA H,SATO M.Method for manufacturing sheet heating element,fixing device,and image forming apparatus：US9239555[P].2016.

[5]AGHVAMI M,FAGHRI A.Analysis of flat heat pipes with various heating and cooling configurations[J].Applied Thermal Engineering,2011,31（14/15）：2645-2655.

[6]尤波,寧繼超,賈德利,等.基于自適應(yīng)控制的電磁加熱系統(tǒng)[J].控制工程,2011,18（6）：962-965.

[7]ZHU L L,ZHENG X J.A Theory for electromagnetic heat conduction and a numerical model based on boltzmann equation[J]. International Journal of Nonlinear Sciences&Numerical Simulation,2006,7（3）：339-344.

[8]ZOU Zhiyun,ZHAO Dandan,GUO Ning,et al.Fuzzy auto-tuning PID control ofthe temperature of a small electric-heating reactor[J]. Computers&Applied Chemistry,2009,26（8）：1008-1012.

[9]WANG Shunhuang,LI Xiaotian,ZHENG Qiubao,et al.Nonlinear PID algorithm and its application in distributed system of the electronic heating furnace[J].1995,21（6）：675-681.

[10]王廣武.運算放大器和電壓比較器測試技術(shù)的實踐應(yīng)用[J].半導(dǎo)體技術(shù),2006,31（4）：280-283.

（責(zé)任編輯：鄧天福）

Design of One-piece furnace composed of electromagnetic heating and plate heating tianyu cai

CAI Tianyu
（Henan Normal University,Xinxiang 453007,China）

One-piece furnace composed of electromagnetic heating and plate heating was proposed based on the high heating speed of electromagnetic heating and the high precision temperature control of plate heating.By means of voltage comparator which compares the amplifying temperature signal and the reference signal,the furnace executed the transformation between electromagnetic heating and plate heating.The high-powered electromagnetic heating guarantee the high warming speed of the furnace.The surface temperature homogeneity was improved by a graphite sheet with high conductivity of heat.Using a high precision thermocouple installed on the surface of graphite sheet and a PID temperature controller,the high precision temperature control of the surface was realized.By means of recycling the fan cooler of electromagnetic coil,the stability of furnace atmosphere was controlled.The warming test and experiment on surface thermal oxidation of Ti proved that this furnace possess fast rate of warming,good temperature homogeneity and high precision of temperature control and could offer help to the studies in the material surface modification.

electromagnetic heating；plate heating；heating speed；precision temperature control

TG155.1

A

1008-7516（2016）06-0069-06

10.3969/j.issn.1008-7516.2016.06.016

2016-09-22

國家自然科學(xué)基金（61307122,61475043）

蔡天羽（1998―）,男,河南新鄉(xiāng)人.主要從事電阻爐加熱方式研究.