大型卧式真空退火炉的研制

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京有色金属研究总院 作者:王轩

  该大型卧式真空退火炉是用于钛、锆等稀有金属管材退火的真空热处理设备,退火工件最长尺寸为16m,是国内长度和容量最大的真空退火炉。本文着重介绍了该炉的技术性能、主要机构的设计、动作原理及其结构特点等。

  真空退火是钛、锆等稀有金属中间和成品加工的重要工艺过程,在无氧化和无污染状态下进行消除应力再结晶退火,以消除加工硬化和恢复塑性[1] 。近年来,随着国内航空、航天、航海、核电、国防等尖端工业的高速发展,不仅对钛、锆等稀有金属管棒材的需求量大大提高,而且对其质量和性能也有了更高的要求,管棒材的单根长度也由3 m~6 m 增加到10 m~16 m,因此,目前的真空退火工艺和设备难以满足这些尖端工业快速发展的要求。

  目前,北京有色金属研究总院根据当前尖端工业的需求,结合自身的设计和使用等实践经验,开发制造了用于钛、锆等稀有金属的大型真空退火炉,退火工件长度最长可达16 m。

1、主要技术参数

  型式:卧式、外循环式快冷、真空电阻炉。有效均温区Φ850 mm×16000 mm(600 mm×600 mm×16000mm)最高温度:900℃,工作温度:500℃~850℃,温度均匀性:±5℃,控温精度:±1℃,极限真空度:1.0×10- 3 Pa,工作真空度:1.0×10- 2 Pa,压升率:≤0.67 Pa/h,额定加热功率:900 kW

2、炉体机构的设计及特点[2]

  该炉为冷却水套式卧式真空退火炉,单室内加热。由炉体、真空系统、进出料系统及料架、工件快速冷却系统、加热系统和电控系统等组成。

2.1、炉体

  炉体组成结构如图1 所示。炉体为卧式圆筒形双层水冷结构,包括壳体、加热室、前炉门、后炉门。炉壳法兰的材料均为不锈钢,采用氩弧焊接。前后开门,前门装料。炉门为全不锈钢双层水冷椭圆封头结构,进料端炉门能自动开闭,另外一端炉门气动缸锁紧,侧开门形式。炉体上安装有充气接口及阀门、放气阀、标温接口、检漏接口等。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5 层0.5 mm 厚的不锈钢隔热屏。炉门与炉体法兰间采用橡胶密封圈,达到高真空密封要求,密封性能稳定、可靠。

真空退火炉

2.4、真空系统

  为迅速排除炉室腔体内气体及物料热处理时大量放出的杂质气体,保持炉室真空度符合工艺要求, 本设备配置了2 组抽气能力强大的KT- 800A 扩散泵机组。2 个扩散泵都装有挡油帽并实施温度监控,配有加热功率调节器,防止返油。同时为防止真空泵油蒸汽对工件的污染,在KT- 800A 扩散泵口设置了低温氟利昂冷阱,提高了真空室的洁净度。

2.5、冷却水系统及加热室快冷系统

  冷却水系统包括分水器、水箱、阀门、管路及各种检测元件,具有水压、水流、水温和缺水报警及联锁等功能。同时,为了提高设备的工作效率,此设备设置了气体快速冷却系统。快冷系统由交换器、磁流体密封装置、快冷风机、软接管、接管等部件组成。设备运行至快速冷却工序时,充氩气阀打开,向炉内充入高纯氩气。炉内气体压力达到设定点后,快冷装置中风机启动,热气进入热交换器,进行热交换,冷却后的气体经通风管道送入炉体,冷却工件,如此循环工作。在此工作过程中,当炉内压力低于70 kPa 时,氩气阀就自动打开,向炉内补充氩气。

2.6、电控系统

  电控系统[4]由工控机、工控组态软件、数据采集卡、温控仪(欧陆)带通讯、输入输出模块、PLC(带相应的I/O 扩展,通讯接口)、真空计带输出控制、带通讯接口等组成。电控系统由若干控制柜(厂方设计)组成,控制柜面板上有真空系统以及供电加热系统操作模拟图。同时还有各段加热电流、温度以及扩散泵电流显示。整个控制系统均可以自动和手动自由切换,操作(控制)柜上配有常用的控制按钮。调用、运行加热程序分别可从上位机和主控温仪上操作。在炉门附近安装有操作箱,便于观察与控制送料机构的进出,该操作箱包括进料、出料、停止等按钮和指示灯。主回路包括低压熔断器、快速熔断器,真空机组分段后用小型变压器或功率模块代替大型磁调,减少占地面积,运行稳定,节能环保,故障率低。

3、结束语

  该退火炉退火工件最长尺寸为16 m,是国内长度和容量最大的真空钛材退火炉,属热处理行业的关键设备,填补了超长、大容量真空退火炉的国内空白。目前已在多家企业投入生产运行,实际生产运行表明: 炉温均匀性好,控温精度高,真空度和压升率等相关指标都大大优于钛、锆等稀有金属管、棒材的退火工艺要求,对国内稀有金属及钛生产装备行业发展具有十分重要的现实意义。

参考文献

  [1] 张翥,王群骄, 等.钛的金属学和热处理[M]. 北京:冶金工业出版社,2009.
  [2] 巴德纯,于溥, 等. 真空工程技术[M]. 北京:化学工业出版社,2006.
  [3] 杨世铭.传热学基础.2 版[M].北京:高等教育出版社,2004.
  [4] 北京中海汇通.3500 系列可编程回路调节器使用说明书[M].北京:北京中海汇通科技有限公司,版本1.0.

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