臧福海 高文 王俊晨

摘要：本文介紹了一種有效容積90L、額定溫度800℃、最高溫度1000℃、可在真空環(huán)境、惰性氣氛及還原性氣氛環(huán)境下進(jìn)行熱處理工藝的熱壁罐式爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)方法和選用原則。采用間接加熱方式，內(nèi)部設(shè)有氣氛循環(huán)裝置。采取具有PID參數(shù)自整定功能的智能溫控模塊進(jìn)行爐溫控制，觸摸屏+可編程控制器集中控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)備冷態(tài)極限恒溫800℃時(shí)，爐膛內(nèi)溫度均勻性優(yōu)于±5℃，爐溫控制精度可達(dá)±1℃，滿足爐溫控制的高精度、高均勻度以及高穩(wěn)定性的要求。

關(guān)鍵詞：電阻爐;罐式爐;真空爐;氣氛循環(huán);MIM/CIM

ABSTRACT：This paper introduces the structure characteristics of a hot-wall Retort furnace with effective volume of 90L，rated temperature of 800 ℃，maximum temperature of 1000 ℃，heat treatment process in vacuum environment，inert atmosphere and reducing atmosphere，and the design method and selection principle of key components.Indirect heating is adopted，and an atmosphere circulating device is installed inside.Intelligent temperature control module with self-tuning function of PID parameters is adopted for furnace temperature control，and touch screen + programmable controller is used for centralized control.The experimental results show that the cold limit vacuum of the equipment is less than 5 Pa，the uniformity of temperature in the furnace is better than ±5℃.The accuracy of temperature control can reach ±1℃.It meets the requirements of high accuracy，high uniformity and high stability of temperature control.

Key words：Resistance furnace;Retort Furnace;Vacuum Furnace;Air circulation;MIM/CIM

1引言

MIM/CIM-金屬或陶瓷粉末注射成形是典型的學(xué)科跨界產(chǎn)物，其工藝流程中需要使用粘結(jié)劑，使金屬或陶瓷粉末混合后便于成形。高溫?zé)Y(jié)之前，需將有機(jī)物去除，即脫脂。脫脂是否完全，對(duì)產(chǎn)品性能影響很大。一般有機(jī)物在300°C時(shí)即可排出，而MIM/CIM工藝過程中，脫脂溫度介于600°C～800°C之間。脫脂過程中，升溫速率要求緩慢，防止有機(jī)物碳化。

針對(duì)以上工藝需求，研發(fā)設(shè)計(jì)一款額定溫度可達(dá)800℃、最高溫度1000℃，適用于需要在特定保護(hù)氣體或反應(yīng)氣體氣氛下的熱處理工藝，以及600℃以下的真空熱處理工藝的電阻爐設(shè)備。圖1-1所示為熱壁罐式爐結(jié)構(gòu)示意圖。

2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1罐體設(shè)計(jì)

馬弗采用SUS310S不銹鋼制作，圓形罐體結(jié)構(gòu)，內(nèi)面拋光處理;爐腔設(shè)計(jì)按照真空腔體設(shè)計(jì)要求。為保證罐體密封性，爐口法蘭處設(shè)有燕尾槽，槽內(nèi)安裝氟橡膠O型圈。燕尾槽背面設(shè)有冷卻水套，防止密封條在高溫環(huán)境下?lián)p壞。如圖2-1所示為罐體結(jié)構(gòu)示意圖。

2.2循環(huán)風(fēng)裝置設(shè)計(jì)

為提高罐體內(nèi)部溫度均勻性和氣氛均勻性，在罐體后部設(shè)計(jì)循環(huán)風(fēng)獲得裝置;該裝置由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、磁流體密封傳動(dòng)及葉輪組成（如圖2-2所示）;電機(jī)驅(qū)動(dòng)磁流體傳動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)葉輪同步旋轉(zhuǎn)。葉輪產(chǎn)生的氣流通過罐體內(nèi)壁與內(nèi)膛夾腔往復(fù)循環(huán)，提升腔體有效區(qū)域內(nèi)溫度均勻性及工藝氣氛的均勻分布，使?fàn)t內(nèi)產(chǎn)品充分反應(yīng)燒結(jié)。

2.3反射屏設(shè)計(jì)

為防止高溫狀態(tài)下爐門外壁溫度過高，在爐門與有效腔體之間設(shè)有隔熱屏裝置;隔熱屏材質(zhì)選用與罐體材質(zhì)相同的SUS310不銹鋼薄板，多層間隔布局方式，可有效地降低爐膛內(nèi)的熱損失。圖2-3所示為反射屏結(jié)構(gòu)示意圖。

2.3爐門設(shè)計(jì)

爐門為不銹鋼材質(zhì);為提高門板的真空抗壓能力，將門板設(shè)計(jì)為球面結(jié)構(gòu);門內(nèi)板與外板之間形成夾腔，夾腔內(nèi)填充陶瓷纖維保溫材料，可有效降低門外板表面溫度。鎖緊裝置選用手輪鎖緊方式，操作時(shí)方便、省力。如圖2-4所示為爐門結(jié)構(gòu)示意圖。

3真空氣氛系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過雙極旋片式真空泵獲取真空，極限真空度可達(dá)10Pa。所有真空管路均由304不銹鋼制作，氬弧焊接，帶標(biāo)準(zhǔn)真空密封法蘭，電解拋光;系統(tǒng)真空度由電阻規(guī)檢測(cè)，并通過真空計(jì)讀取。整個(gè)真空系統(tǒng)中的閥門均為程序自動(dòng)控制，自動(dòng)模式下系統(tǒng)自動(dòng)順序動(dòng)作，且具有聯(lián)動(dòng)互鎖和完備的安全保護(hù)功能，在斷電時(shí)各閥門均處于關(guān)閉狀態(tài)以保護(hù)爐內(nèi)工藝狀態(tài)。

3.2氣氛系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了保證盡可能低的氧含量，抽真空后再用氮?dú)鉀_刷。該過程會(huì)循環(huán)幾次，使?fàn)t罐內(nèi)有個(gè)純凈的氣氛環(huán)境。真空的建立優(yōu)先于氮?dú)膺M(jìn)氣。真空輔助設(shè)備會(huì)快速形成一個(gè)潔凈的氣氛環(huán)境，僅消耗少量的氮?dú)狻?/p>

在氧氣的含量盡可能被降低后，通入惰性氣體至微正壓。此時(shí)，可向爐膛內(nèi)通入氫氣;在使用氫氣過程中若氫氣壓力過低，系統(tǒng)自動(dòng)打開氮?dú)忾y門，充入氮?dú)獗ＷC爐膛壓力，防止外部空氣倒灌。

4控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用可編程控制器+觸摸屏集中控制，友好人機(jī)界面，監(jiān)控操作方便。通過K分度熱偶測(cè)量溫度，日本山武智能溫控模塊采集熱電偶信號(hào)，觸發(fā)控制固態(tài)繼電器，實(shí)現(xiàn)并達(dá)到控制溫度的目的;山武智能溫控模塊具有PID參數(shù)自整定、高溫上限報(bào)警、熱電偶失效指示等多項(xiàng)報(bào)警保護(hù)功能。

觸摸屏具有顯示/存儲(chǔ)工藝文件功能，方便調(diào)用固化工藝;實(shí)時(shí)顯示與記錄報(bào)警狀態(tài)及工藝參數(shù);具有多級(jí)權(quán)限管理，配有數(shù)據(jù)、報(bào)警、操作記錄功能，數(shù)據(jù)、報(bào)警、操作可追溯。

4.3溫度異常報(bào)警處理系統(tǒng)

當(dāng)溫度出現(xiàn)超溫現(xiàn)象時(shí)，溫度報(bào)警系統(tǒng)立即切斷加熱并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。

5參數(shù)計(jì)算

5.1功率計(jì)算

5.1.1按爐膛內(nèi)表面積計(jì)算

罐體尺寸：Φ630×895，最高溫度1000℃;爐膛內(nèi)表面積約2.5m2，升溫速率按5℃/min計(jì)算。

根據(jù)式

取C=25，計(jì)算可得P≈30kW;

式中P為爐子安裝功率（kW），τ為空爐升溫時(shí)間（h），A為爐膛內(nèi)表面積（m2），t為爐溫（℃），C是系數(shù)，熱損失較大的爐子，C=30～35，熱損失較小的爐子，C=20～25。

5.1.2按爐膛容積計(jì)算

根據(jù)式

式中P為爐子安裝功率（kW），V為爐膛容積（m3），C是系數(shù)。

根據(jù)罐體尺寸可得罐體容積約為0.28m3，取系數(shù)C=75，根據(jù)公式二計(jì)算可得P≈32kW。

5.2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[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：

根據(jù)爐膽及內(nèi)膛尺寸可得氣流通道截面尺寸約為0.15m2，取氣流換算系數(shù)為2.5。根據(jù)式（4-4）計(jì)算可得V=3600×0.75×0.15×2.5≈1012m3/h。

6小結(jié)

本文所述熱壁罐式爐設(shè)備，特別適用于MIM/CIM、金屬增材制造工藝流程中的脫脂工藝，也可用于粉末冶金行業(yè)的還原燒結(jié)工藝。氣密爐罐，可實(shí)現(xiàn)真空密封;氣氛控制精確，純度高;目前已在某企業(yè)投產(chǎn)使用。實(shí)際生產(chǎn)使用表明：爐溫均勻性好，控溫精度高，真空度和壓升率等相關(guān)指標(biāo)都滿足指標(biāo)要求。

參考文獻(xiàn)

[1]Carbolite·Gero.MIM/CIM/3D打印工藝解決方案推薦[DB/OL]，2018.

[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.

作者簡(jiǎn)介：臧福海（1984-），安徽合肥人，碩士，合肥工業(yè)大學(xué)，機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)，研究方向：數(shù)字化設(shè)計(jì)及現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論。