内热式多级连续真空炉炉温均匀性的测定及改善

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)昆明理工大学信息工程与自动化学院 作者:王跃飞

  内热式多级连续真空炉广泛应用于二元合金的分离中,但由于炉膛冷凝罩内温度均匀性差而影响了产品质量。真空炉温度控制水平不高是导致真空炉炉温均匀性差,制约真空炉广泛应用和发展的重要原因。本文以内热式多级连续真空炉温度控制为研究对象,利用模糊算法离线整定PID(由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成的控制器)参数,得到了较为理想的控制效果。同时利用有限元法分析真空炉温度场分布规律并依此安装测量热电偶,在未加料的情况下测量结果表明:利用模糊算法整定PID参数后炉膛内各测试点温度偏差较改善前明显缩小,偏差降低率最小为2.38%,最大为6.35%。提高了真空炉冶炼合金的种类范围和产品质量。

  炉温均匀性是真空冶金炉的主要性能指标,是保证产品质量的重要工艺参数。内热式多级连续真空炉作为真空冶金的代表性设备之一,应用于多种二元合金的分离,特别在分离Sn-Pb二元合金中,因其处理流程短、产品质量高、几乎零污染等优点,得到广泛应用。虽然在工业生产中投用多年,但冷凝罩内物料温度难以在线检测,温度均匀性和稳定性难以保证,影响了产品质量,制约了该炉在不同合金分离中的应用和发展。近年来关于真空冶金炉数值模拟方面的研究比较多,但真空技术网(http://www.chvacuum.com/)发现未见关于改善真空冶金炉温度场均匀性方面的文献。

  本文根据有限元法分析真空炉温场分布规律,对内热式多级连续真空炉冷凝罩内物料分离段安装双铂铑高温热电偶测量炉内温度。设计了一种模糊整定PID参数控制器,通过对真空炉温度控制系统的优化,有效降低了温度突变区域,改善了炉温均匀性,保证产品质量。

1、内热式多级连续真空炉温度场均匀性测定

  1.1、内热式多级连续真空炉模型的物理描述及炉温有限元分析

  内热式多级连续真空炉由12级蒸发盘、3层冷凝罩、供电装置、抽真空系统和水冷系统等组成。利用石墨电柱将电能转换为热能对坩埚内熔体进行加热。其中水冷系统既使炉壳温度保持在相对低的温度下,又使炉膛内形成温度差,使蒸发盘上的金属分子向冷凝盘上富集,达到分离提炼金属的目的。真空炉示意图如图1所示。

内热式多级连续真空炉结构示意图

图1 内热式多级连续真空炉结构示意图

内热式多级连续真空炉冷凝罩分析简图

图2 内热式多级连续真空炉冷凝罩分析简图

  抽真空后,炉膛内仍存在稀薄气体。在辐射换热中,假设气体只有氮气和氧气混合物,从工程热辐射角度分析,氧气、氮气均为对称的双原子结构分子,无吸收热辐射的能力,可看作不参与辐射换热的透明体,石墨电柱的热辐射能直接穿过稀薄空气介质到达炉壁,炉壁吸收辐射能而升温,炉壁和加热体之间形成辐射场,对放入辐射场中的物体产生辐射温度。为了利用有限元法分析炉膛内温场分布情况,将图1冷凝罩以内的部分简化为圆柱状,如图2所示。由于该炉炉膛内温度场主要由石墨电柱和炉壁之间的热辐射形成,因此忽略石墨电柱和炉壁分别与空气介质之间的热传导。

4、结论

  本文根据有限元法分析了内热式多级连续真空炉温度场的分布,并结合真空炉体积,安装了四组测量高温热电偶测量冷凝罩内的实际温度。以内热式多级连续真空炉的温度为被控对象,利用模糊算法离线整定PID各个参数设计控制器。通过对控制器改进前后温度数据的比较,结果说明:

  ①改善后,炉膛温度控制效果得到明显提高。

  ②根据测温热电偶的测量,控制器在改善后,冷凝罩内温度偏差降低率最高下降了6.35%。

  针对目前真空炉温度测量难度大,控制水平低和温度场均匀性差等现状,本文以内热式多级连续真空炉为研究对象,在提高生产效益的同时也对不同类型真空冶金炉的改善有一定的参考意义。

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