ZC30B真空加熱爐維修與技術改進分析

蔣小軍 李海濱

（中國工程物理研究院電子工程研究所，四川 綿陽621000）

1 設備簡介及故障現象

該設備為ZC30B－13型臥式雙室熱處理爐（圖1），額定功率為30kW，最高使用溫度可達1 320 ℃，控制柜面板如圖2所示。

圖1 ZC30B－13型臥式雙室熱處理爐

圖2 控制柜面板

故障現象如下：

（1）加熱時電極的導線發熱異常，溫度太高。

（2）溫度控制誤差較大，溫控不精確，保溫時檢測到的實際溫度高于設定溫度7～8 ℃。

（3）保溫期間電流表滿偏，設備配置的電流表量程為800A，故障出現后，電流表的指針已遠超電流表的額定刻度值，無法準確顯示此時主回路中的工作電流。

2 故障分析及處理方法

針對上述第一個故障現象，我們從該設備發熱體的特殊性判斷出應該是發熱體連接不緊密，也就是所謂的接觸不良，然后又有短路現象所致。該設備的加熱室由石墨氈制成隔熱層，固定在金屬框籠上，放在爐體中間作為爐膛，石墨布固定在一對石墨匯流環上作加熱體，環上引出兩只鉬棒作為電極，它們穿過爐膛的絕熱層插入到水冷金屬電極中，金屬電極再穿過容器的最外層，其末端與外電路連接。加熱體的負載為石墨布，因為石墨布導電性非常好，如果采用其他加熱元件，如爐絲或加熱棒，在一千多度的高溫下早已熔化，而且溫升較慢。以上這些部件如果破壞或松動，都將造成工作異常現象。

打開爐膛后，發現兩只匯流環都有不同程度的破損，尤其是前匯流環，兩只立柱與上環架和下環架的連接是線和點連接，鉬螺釘也已熔化了一半，再測加熱體與外殼的絕緣電阻，只有70Ω，已屬短路，上述這些現象，必將引起爐體電流異常。在尋找短路點時，發現了以前從未見過的現象，爐體上大部分用于絕緣的瓷套管已被石墨的粉塵滲入，這樣瓷管就變成了導體，在沒有替代品的情況下，我們用砂紙將瓷套兩個截面清理干凈，這樣就可以使接觸于金屬的端面恢復到絕緣狀態。

對于第二個故障現象，控溫精度受多種因素影響，如鉑電阻、控制加熱體的導電執行元件、溫控儀以及真空度。對于這臺設備，以前我們維修的內容基本上是一些繼電器、加熱體等硬件或強電線路，這次出現的故障比以往復雜，須逐一排查每一部件，這臺設備的控溫線路在多年前已被改造過，改造后的電氣原理圖也沒有，無技術資料可查，于是嘗試著畫出它的主電路圖。這臺設備最初是利用兩種控溫儀表構成兩套獨立的溫控系統，改造后，利用一塊較為先進的溫控儀表FP21和設備原配的TG－1型可控制硅功率調節器組成了現用的溫控系統。

此時的控溫情況為：（1）當設定溫度為200～250 ℃時，系統能在設定的時間內加熱到設定溫度，在保溫期間，精度可達±1 ℃，而且保溫期間的功率輸出基本符合FP21 型儀表經內部計算所顯示的功率大小，這可在電流表的指針指示體現出來。（2）當溫度設定為400～450 ℃時，系統能在設定的時間內達到設定溫度，但精度誤差為2～3 ℃。（3）當設定溫度為600～650 ℃時，誤差為4～5 ℃。（4）當設定溫度為800～1 100 ℃時，誤差為7～8 ℃。以上這些現象有一個規律：溫度越高，誤差越大，而且保溫時的功率輸出顯示與電流表指示值不相符，表現為FP21 顯示輸出功率為11%～12%時，電流表指示針在700～800A 范圍內波動，使得控溫不精確。

我們對能造成這種現象的相關器件做了逐一排查，采用新標檢的鉑電阻，更換可控硅，最后對TG－1控制儀表內部的相關器件進行更換，發現問題依然存在。在這種情況下，必須要對整個線路及控制原理進行清晰的分析，于是畫出儀表內部及外部連接的部分原理圖。對于這個電路，筆者分析兩只可控硅反向并聯，就構成了一個交流調壓電路，根據發熱體對電壓的要求，用兩組獨立的觸發脈沖信號G1和g去控制交流電壓正負兩半波的相位進行交流調壓，實現功率調節。在這個電路中，380V 交流電壓經變壓器變壓后輸出40V 交流電壓，變壓器容量為50kVA，兩只反向并聯的可控硅與加熱體串聯后接在變壓器次級。可控硅控制角的大小決定了導通角的大小，控制角越小，導通角越大，則輸出的平均電壓值就越大；反之，控制角越大，導通角就越小，輸出的平均電壓值就越小。在加熱體功率確定的情況下，也就是該加熱體的材料為石墨布，它的額定功率為30kW，改變電壓的大小，也就改變了電流大小。這些過程的變化都取決于FP21 和TG－1 兩塊儀表的輸出指令及變化的信號，采用兩只可控硅反向并聯，是為了獲得電源在負半周時的電壓，提高電源的利用率。并聯在可控硅兩端的電阻和電容起保護作用，在可控硅一端出現過電壓時，電容就被充電，當可控硅被導通后。電容就通過可控硅放電，為防止過大的電容放電電流通過可控硅，串聯了電阻進行限流，這也是在其他很多電子線路中常見的阻容吸收電路。為了理解兩塊儀表的配合使用和內部向外輸出的信號，筆者拆檢了TG－1周波控制器，試著畫出了局部的器件連接圖，這部分是觸發可控硅的主要電路。

至于第三個問題，也就是電流表滿偏，是石墨布的功率變大所致，以前的石墨布功率較小，現購的石墨布功率較大，如果以本設備額定功率30kW 來計算，石墨布的阻值應為P＝U2/R，即R＝362/30 000＝0.043 2Ω，經過實驗，利用5根窄石墨布便可達到23kW，這已能完全滿足工作需要，在滿功率工作時，工作電流已被控制在700A范圍內。

3 難點及技術改進

3.1 難點

該設備加熱體所有部件均為石墨材料，在操作過程中必須用手去緊固，如果利用工具，則會導致石墨螺桿及匯流環斷裂。

3.2 技術改進

（1）該設備多年前曾被改造過，原設計的溫控系統線路未被解除（因控制方式不一樣，現已不用）。將這套線路從現用的系統中剝離出去，解除相互聯系的各接點，簡化了線路和易發生故障的分支線路，可為日后的維修減少排查線路故障的時間。

（2）利用鉬絲替代原用的石墨繩縫合爐腔的石墨氈，起到了既耐高溫又不易斷裂的作用。

（3）反復試驗，將功率控制在23kW 之內，既保證了工作使用要求，又減少了石墨布與匯流環之間的隱性故障。

（4）提高了匯流環的整體緊密度和機構強度。

（5）對電極輸出端改用多股焊靶線進行連接，消除了高溫時電極易松動過熱的現象。

4 結語

以上為ZC30B真空加熱爐維修心得，希望能為同類設備維修與改造提供參考。

［1］張興.電力電子技術［M］.北京：科學出版社，2010.

［2］樂建波.溫度控制系統——自動控制專業項目教學教程之四［M］.北京：化學工業出版社，2007.