金屬材料半成品及成品高溫退火是提高材料性能及使用可靠性的一道重要工序。而在高真空狀態(tài)退火有避免氧化、脫碳和去氣、脫脂的作用，除了鋼、銅及其合金，還廣泛應(yīng)用于鈦、鉭、鉬、鈮、鋯等與氣體親和力較強(qiáng)的稀有金屬。為了提高稀有金屬的性能，防止高溫氧化，滿足現(xiàn)代生產(chǎn)的需要，筆者設(shè)計(jì)制造了箔材真空退火爐，用于在高真空狀態(tài)下對(duì)金屬箔材、板材等進(jìn)行高溫退火處理，還適用于鋼、銅及其合金生產(chǎn)企業(yè)及高校實(shí)驗(yàn)室、科研單位等。
1、箔材真空退火爐設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)
(1)有效均溫區(qū)尺寸/mm×mm：Ф1000×3000
(2)加熱區(qū)最高溫度/℃：1050
(3)工作溫度/℃：950
(4)均溫區(qū)控溫精度/℃：±1
(5)爐溫均勻性/℃：±5
(6)極限真空度/Pa：1.33×10-3
(7)工作真空度/Pa：1.33×10-2
(8)壓升率/Pa·h-1：0.67
(9)空爐抽空時(shí)間/min：≤30 (連續(xù)生產(chǎn)時(shí)由大氣壓抽至工作真空狀態(tài))
(10)加熱功率/kW：420
(11)加熱電源空載電壓/V：70
(12)加熱區(qū)布置：三區(qū)+兩端補(bǔ)償+5 區(qū)自動(dòng)溫度控制
(13)空爐升溫時(shí)間：從室溫升到950 ℃≤3 h
(14)氬氣保護(hù)強(qiáng)制循環(huán)冷卻時(shí)間：從工作溫度950 ℃降到80 ℃時(shí)間≤6h
(15)壓縮空氣壓力/MPa：0.4～0.6
(16)額定裝爐量(每爐)/kg：1000
2、箔材真空退火爐設(shè)備的構(gòu)成
高溫高真空熱處理爐是現(xiàn)代冶金技術(shù)、現(xiàn)代真空爐技術(shù)和計(jì)算機(jī)與微電子技術(shù)進(jìn)步的產(chǎn)物。箔材真空退火爐是應(yīng)用金屬電熱輻射的原理， 對(duì)難熔金屬、鈦及鈦合金等材料進(jìn)行高溫真空退火處理。本設(shè)備主要由液壓自動(dòng)送料裝置、真空系統(tǒng)、真空爐室、電加熱器、內(nèi)循環(huán)風(fēng)冷系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)及全自動(dòng)測(cè)溫控溫電控系統(tǒng)等組成。設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。
3、主要解決的技術(shù)難點(diǎn)
3.1、液壓自動(dòng)送料裝置
通常情況下，熱處理爐的送料裝置由于在爐內(nèi)受熱，同時(shí)要求保證真空度，其材料要求全部采用耐熱鋼，如0Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti等，造價(jià)昂貴，成本高。而本設(shè)備采用液壓自動(dòng)送料裝置，解決了高溫退火中送料車長(zhǎng)期受熱變形，影響傳動(dòng)和真空密封的問題。本裝置采用了由爐外料臺(tái)、爐內(nèi)支撐系統(tǒng)、液壓送料車、矯形底架和矯形壓板組成的裝出料系統(tǒng)。送料車始終處于爐外冷態(tài)，不在爐內(nèi)受熱，全部采用普通碳素鋼(Q235)制作，造價(jià)低廉，節(jié)約資金。同時(shí)減少了真空室內(nèi)的放氣物體，有效地縮短了抽空時(shí)間，提高了設(shè)備的真空度。
液壓送料車配有微型液壓升降系統(tǒng)和自動(dòng)行走驅(qū)動(dòng)裝置，主要用于裝料和出料。考慮到生產(chǎn)工藝要求，對(duì)箔材(0.2～0.5 mm)高溫狀態(tài)進(jìn)行校型處理，保證其表面平整度，設(shè)備配備了專用的矯形底架和兩塊矯形壓板，如圖2 所示，均采用耐高溫鑄鋼件。而考慮到爐內(nèi)支撐系統(tǒng)由于長(zhǎng)期高溫狀態(tài)承載，均選用耐熱鋼0Cr25Ni20 制作。
正常工作時(shí)，將需要處理的料放置在矯形底架上，由液壓千斤頂將矯形底架升起，液壓送料車由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，沿爐外固定料臺(tái)和爐內(nèi)軌道移動(dòng)將料送到爐內(nèi)， 液壓千斤頂下降將矯形底架放到爐內(nèi)支撐架上后，液壓送料車沿軌道退出爐外。
3.2、真空系統(tǒng)全自動(dòng)化控制、監(jiān)測(cè)
在真空爐的生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)材料被氧化，特別是鈦材、鉬材等有色金屬，高溫狀態(tài)下易發(fā)生氧化，出現(xiàn)發(fā)藍(lán)、發(fā)黃等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響材料的性能。而真空系統(tǒng)主要是為了除氣，保持必要的工作真空度，防止高溫時(shí)物料被氧化。本設(shè)備配置K-800高真空油擴(kuò)散泵+ZJ-1200羅茨泵+H-150滑閥泵的真空機(jī)組兩套及配置帶有啟閉信號(hào)的氣動(dòng)閥門，見圖3。
真空系統(tǒng)由數(shù)字式真空計(jì)全量程測(cè)量、觸摸屏式顯視、自動(dòng)切換和控制系統(tǒng)真空，并采用DMR2100無紙記錄儀做全程紀(jì)錄和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存。真空系統(tǒng)所有動(dòng)作均具有聯(lián)鎖保護(hù)功能，聯(lián)鎖要求：真空系統(tǒng)主閥未關(guān)閉，充氣閥打不開;充氣閥未關(guān)閉，真空系統(tǒng)主閥打不開。真空系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化，有效提高了工作效率，保障了生產(chǎn)和安全。
3.3、磁性流體密封技術(shù)的應(yīng)用
高真空動(dòng)密封問題是影響真空性能指標(biāo)的難點(diǎn)之一，一般的機(jī)械式密封裝置由于使用周期短易損，存在摩擦和振動(dòng)，而且噪音大，不能夠保證高真空的穩(wěn)定。本設(shè)備的循環(huán)風(fēng)冷系統(tǒng)屬于動(dòng)密封傳動(dòng)，密封的可靠性將會(huì)直接影響真空性能指標(biāo)。
1995年美國(guó)人帕佩爾(Papell)發(fā)明的磁性流體，是把磁鐵礦等強(qiáng)磁性的微細(xì)粉末(約100×10-10m)在水、油類、酯類、醚類等液體中進(jìn)行穩(wěn)定分散的一種膠態(tài)液體。這種液體具有在通常離心力和磁場(chǎng)作用下，既不沉降和凝聚又能使其本身承受磁性，可以被磁鐵吸引的特性。而磁性流體密封技術(shù)是在磁性流體的基礎(chǔ)上發(fā)展的，屬非接觸密封，當(dāng)磁性流體注入具有磁場(chǎng)的間隙中時(shí)，在磁場(chǎng)的作用下，它可以充滿整個(gè)間隙，成為一種液體“O 型密封圈”，將縫隙通道堵死而達(dá)到密封的目的。
磁性流體密封技術(shù)與機(jī)械密封相比，密封圈由永磁結(jié)構(gòu)和一個(gè)穩(wěn)定的磁性流體組成，機(jī)械磨損僅發(fā)生在軸承上，具有良好可靠性，使用壽命長(zhǎng)。因?yàn)槊芊馊o磨損，沒有微粒產(chǎn)生，降低了整個(gè)系統(tǒng)的污染，而且低氣壓可使密封圈便于維修。磁性流體低的黏滯阻力和無接觸密封結(jié)構(gòu)，又決定了穩(wěn)定操作和高速旋轉(zhuǎn)能力，力矩可100%的輸送。磁性流體真空傳動(dòng)裝置在循環(huán)風(fēng)冷傳動(dòng)系統(tǒng)的使用，保證了高真空的穩(wěn)定性，解決了真空動(dòng)密封難的問題，極大的提高了設(shè)備的使用性能。
3.4、電加熱器系統(tǒng)
高溫真空電阻爐主要采用鉬、鉭、鎢等金屬電阻加熱，熱量通過加熱器輻射傳向被加熱工件。本設(shè)備分主區(qū)(三個(gè)加熱區(qū))+兩端補(bǔ)償共五區(qū)加熱、控溫，加熱總功率420 kW。主加熱區(qū)采用高溫鉬帶制成三相加熱器(圖4 所示為一個(gè)區(qū)三相加熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖)，爐外三角型接法。兩端爐門布置單相加熱器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，補(bǔ)償加熱體全部采用高溫鉬絲束。保溫反射屏采用一層高溫鉬+四層耐熱不銹鋼制成。
加熱電源采用晶閘管調(diào)壓模塊帶電爐變壓器，應(yīng)用MR-13多段曲線可編程序溫度控制器，加熱自動(dòng)控制為可控硅PID連續(xù)控制，控制工藝曲線自動(dòng)升、降溫、冷卻全過程。每區(qū)均裝有K 型控溫?zé)犭娕?，?duì)升溫、保溫、降溫做全程跟蹤、監(jiān)測(cè)記錄，實(shí)現(xiàn)加熱過程的全自動(dòng)控制。
3.5、真空爐室及冷卻、氣路系統(tǒng)
真空爐室采用雙層水冷夾套結(jié)構(gòu)， 內(nèi)層材質(zhì)0Cr18Ni9，外層水套材質(zhì)普通碳鋼Q235。底部設(shè)有冷卻水泥沙排除口，可方便清洗、排污。球冠型封頭爐門，橫向平移式結(jié)構(gòu)，采用汽缸拉緊式鎖緊。為了縮短物料降溫時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，配有專用內(nèi)循環(huán)式風(fēng)冷系統(tǒng)。采用向真空室充氬氣內(nèi)置風(fēng)機(jī)強(qiáng)制循環(huán)冷卻。冷卻時(shí)，先關(guān)閉真空計(jì)，再向爐內(nèi)充入工作氣體(氬氣)，通過電接點(diǎn)壓力表控制(氣體壓力為0.02~0.05 MPa)爐內(nèi)壓力。冷風(fēng)從爐體后端進(jìn)入爐內(nèi)，跟爐料充分接觸后變成熱風(fēng)，沿爐室內(nèi)壁循環(huán)進(jìn)行冷卻。
3.6、電氣控制系統(tǒng)
采用進(jìn)口MR-13多段曲線可編程序溫度控制器，以及歐姆龍公司CPM1A可編程序控制器，保證設(shè)備按工藝曲線自動(dòng)升降溫。主要電器元件為知名進(jìn)口器件，可靠性高，工作時(shí)只需按動(dòng)按鈕即可按預(yù)先設(shè)定的工藝曲線自動(dòng)完成升、降溫、冷卻全過程控制，具有過流、短路、缺水、超溫等一系列完善的自動(dòng)保護(hù)措施。自動(dòng)控制系統(tǒng)采用歐姆龍公司PLC可編程序控制器，并配有手動(dòng)爐前操作盒，可以安全、方便的控制爐門開啟、關(guān)閉及工件進(jìn)出爐的全部動(dòng)作。整個(gè)電氣系統(tǒng)設(shè)有安全保護(hù)、聯(lián)鎖和報(bào)警系統(tǒng)，對(duì)重大故障，立即切斷電源并進(jìn)行聲光報(bào)警。自動(dòng)化程度高，性能可靠，壽命長(zhǎng)，而且操作簡(jiǎn)單方便。
