大型管材真空退火炉计算机监控系统研制

2009-10-01 张乃禄西安石油大学电子工程学院

　　近些年来，随着航空、航天、核电、国防等尖端工业的发展，对钛、锆等稀有金属管材的质量有着极高的要求，真空退火是钛、锆等稀有金属及合金材加工的重要工艺过程，真空退火炉的真空度、控温精度和温区均匀性要求越来越受到人们的重视。不同的真空状态和退火温度, 对稀有金属管材产生截然不同的效果, 这是一个精密而复杂的过程。为了保证钛、锆等稀有金属管材退火工艺要求和提高管材成品质量, 必须对不同的材质、规格、牌号,选择相应的退火工艺曲线,并严格控制加热工艺参数,如:加热温度、升温速度、保温时间、真空度、加热电流、电压等。针对稀有金属管材真空退火的设备特点和工艺要求以及退火温度、真空度精确控制的需要，研制基于IPC+PLC+智能仪表的管材真空退火炉计算机控制系统,实现真空退火炉的抽真空、加热、退火、快冷工艺参数检测与全过程优化控制，提高钛、锆等稀有金属管材的质量具有重要意义。

　　本文以西部钛业有限责任公司16m钛管材真空退火炉项目为背景，结合钛、锆等稀有金属管材真空退火工艺和控制要求，介绍稀有金属管材真空退火炉计算机监控系统的研制和技术特点。

1、管材真空退火炉工艺和设备特点

1.1、管材真空退火炉组成及其工艺

　　大型管材真空退火炉为冷却水套式单室内加热退火炉。由炉体、发热体、冷却水套、真空系统、料车、进出料台架、冷却水系统、气路系统和电控系统组成。如图1 所示。

　　(1) 炉体：炉体为卧式圆筒形双层水冷结构。内壳、外壳及法兰的材料均为不锈钢，钢号为：1Cr18Ni9Ti，采用氩弧焊接。前后开门，前门装料。炉门开闭采用气缸推拉结构，自动开闭。配置宽带式高温合金加热器。宽带式加热器与水冷炉壁间配置6层0.5mm 厚的奥氏体不锈钢隔热屏。加热室安装有两个真空测点和一个16点标温接口。

　　(2) 料车：料车为框架式结构，两端固定有隔热屏，采用高温滚动轴承，在炉室内导轨上自如移动。真空退火工艺第一步就是通过料车完成的，料车立柱上可放活动横梁，被退火管材放置在横梁上，可摆放三层（根据料的直径可进行调整），由料车将料送进炉室。

　　(3) 炉门：进料端为平板式炉门，由铰链悬挂在门式架上，由平移气缸可使炉门移开。另外，门端有两个炉门锁紧气缸，可将炉门紧紧靠在室体法兰上。另一端炉门为全不锈钢制的双层水冷椭圆封头结构。铰链连接侧开门。炉门与炉体间采用氟橡胶密封件而达到高真空密封要求。在料车将料送进炉室后，关上炉门。

　　(4) 真空系统：配三台JK1000的扩散泵机组以维持被退火材料退火各阶段的较高真空度。每套JK1000扩散泵配置由ZJP－1200罗茨泵和两台2X－70机械泵组成前级系统，维持泵选用2X-30机械泵。真空退火工艺第二步即抽真空，炉门关闭以后，运行抽真空子程序，在真空度逐渐提高的情况下，依次启动机械泵、罗茨泵和维持泵,直至达到真空退火工艺的要求。

　　(5) 加热器及隔热屏：炉内共设9段独立控温的加热器，加热器由Cr20Ni80电阻带制成，6层不锈钢隔热屏。真空退火工艺是在达到工艺要求的真空度以后，运行加热子程序，按照预先设计好的温控曲线对管材进行真空热处理。

　　(6) 水冷系统：水冷系统包括水箱、管件及阀门均采用不锈钢件。冷却水系统具有水压低、缺水报警及联锁保护功能。当料完成退火工作后，温度达到出炉温度后，关闭预抽阀门，打开充气阀门，待炉室压力与外界压力平衡后，就可以进行出料和装料了。

　　(7) 温控系统：全炉采用九段加热，每段加热体、热偶、温控仪、可控硅调压器控温构成，加热功率720kW，用户提供三相四线制电源3×380V+1，总功率不少于920kW。

管材真空退火炉组成示意图

图1 管材真空退火炉组成示意图

1.2、控制技术要求

(1) 最高工作温度：850℃。
(2) 工作温度：500～800℃。
(3) 控温精度：±1℃。
(4) 极限真空度：1.33×10- 3 Pa。
(5) 工作真空度：1.33×10- 2 Pa。
(6) 压升率：＜1 Pa/h。
(7) 炉温均匀度：≤±3℃(在500～900℃范围内检测)。
(8) 炉壁温升：≤50℃。