石墨管碳化爐紅外測(cè)溫結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

潘 登

(自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司,四川自貢643011)

石墨管碳化爐紅外測(cè)溫結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

潘 登

(自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司,四川自貢643011)

分析了常規(guī)石墨管碳化爐紅外測(cè)溫存在的問題及成因,提供了一種新的測(cè)溫光學(xué)通道結(jié)構(gòu),較好地解決了常規(guī)石墨管爐測(cè)溫控溫不準(zhǔn)確的問題。

紅外測(cè)溫;石墨管碳化爐;溫度失控;灰分;氣化;冷凝

1 引言

粗晶碳化鎢作為一種特殊的硬質(zhì)合金原料,相對(duì)常規(guī)的硬質(zhì)合金原料具有更高的硬度和韌性,采用粗晶碳化鎢為原料制作的硬質(zhì)合金有著更為優(yōu)異的熱硬性,耐磨和抗沖擊性能,被廣泛應(yīng)用于礦山采掘工具、石油鉆探工具、高溫高壓模具、鋼材軋制用輥環(huán)、穿甲彈彈頭等方面。

碳化是碳化鎢生產(chǎn)的一個(gè)關(guān)鍵工序,業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為采用較高的溫度碳化,有利于碳化鎢晶粒發(fā)育長(zhǎng)大,碳化反應(yīng)更徹底,碳和粗顆粒鎢粉的混合物經(jīng)過2 000℃以上的長(zhǎng)時(shí)間碳化反應(yīng)能得到晶粒發(fā)育飽滿、晶形完整的粗晶碳化鎢[1]。

因此粗晶碳化鎢的碳化要求生產(chǎn)設(shè)備具有很高的工作溫度和較長(zhǎng)的使用壽命,而要達(dá)到這個(gè)要求的關(guān)鍵是如何保證高溫復(fù)雜環(huán)境下測(cè)溫控溫的可靠性。目前國(guó)內(nèi)使用的碳化設(shè)備主要有:中頻炭化爐、石墨管炭化爐以及德國(guó)克萊默公司生產(chǎn)的臥式高溫炭化爐[2],其中石墨管炭化爐因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、易于維修等特點(diǎn)使用最為廣泛。

2 常規(guī)石墨管炭化爐紅外測(cè)溫結(jié)構(gòu)剖析

目前國(guó)內(nèi)廣泛采用的石墨管爐是五十年代前蘇聯(lián)援建的產(chǎn)物,迄今仍為國(guó)內(nèi)鎢業(yè)系統(tǒng)制取碳化物、復(fù)式碳化物的主要設(shè)備,該爐加熱功率75k W,工作溫度1 600℃～2 300℃,粗晶碳化鎢產(chǎn)量約24kg/h[3],由于陳舊的設(shè)計(jì)理念,結(jié)構(gòu)上存在諸多缺陷,故障率高,工作可靠性差,最突出的問題是控溫不準(zhǔn)確。

目前常用的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 石墨管炭化爐

圖1中的變壓器、銅排、兩端的水冷電極及石墨爐管串接成一個(gè)導(dǎo)電回路,該爐是典型的電阻爐,采用石墨爐管做電熱元件,同時(shí)石墨爐管也是爐膛,碳和鎢粉的混合物盛裝在石墨舟皿內(nèi)從石墨爐管內(nèi)單列通過,被加熱產(chǎn)生碳化反應(yīng)形成碳化鎢,高溫的石墨舟皿通過末端的水冷套被冷卻后出爐,石墨爐管外側(cè)填充壓緊的碳黑為保溫材料。

該爐采用閉環(huán)控制的控溫系統(tǒng),由紅外測(cè)溫儀、PID儀表、調(diào)功器、變壓器、石墨爐管組成。紅外測(cè)溫儀通過檢測(cè)石墨爐管高溫部位發(fā)出的紅外線波長(zhǎng)來檢測(cè)溫度,PID儀表依據(jù)工藝設(shè)定溫度和紅外測(cè)溫儀檢測(cè)的實(shí)際溫度來控制調(diào)功器的輸出電壓,即控制變壓器一次側(cè)電壓,變壓器二次側(cè)電壓(即加載到石墨管兩端的電壓)隨一次側(cè)電壓變化而變化,從而控制了石墨爐管的發(fā)熱量。該爐的紅外測(cè)溫光學(xué)通路結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 紅外測(cè)溫結(jié)構(gòu)圖(爐管徑向剖視)

如圖2所示,鉆有盲孔的石墨管位于爐體中部徑向位置,石墨管的盲板端緊挨爐管外壁,爐管的熱量傳導(dǎo)到石墨管的盲板上后使得兩者溫度接近。石墨管穿過碳黑及保溫層,其開口端放置在爐殼測(cè)溫孔內(nèi),測(cè)溫孔外部連接有一冷卻套,在冷卻套的另一端固定有紅外測(cè)溫儀光纖探頭,石墨管盲板上發(fā)出的紅外線透過冷卻套內(nèi)孔被光纖探頭探測(cè)到。由于不同溫度下的紅外線波長(zhǎng)不一樣,紅外測(cè)溫儀根據(jù)光纖探頭接收到的紅外線就可以測(cè)量出石墨管盲板上的溫度,這一溫度接近石墨爐管外壁的溫度,我們以此作為石墨管爐的加熱控制溫度。

石墨和炭黑材料中一般含有少量的Si、Al、Fe、Ca、Mg等雜質(zhì)構(gòu)成的灰分,石墨管爐在2 000℃以上的高溫下工作一段時(shí)間之后,在高溫區(qū)的測(cè)溫石墨管、爐管、炭黑里的這些灰分將會(huì)氣化慢慢逸出,由于測(cè)溫石墨管一端開口與爐殼外大氣導(dǎo)通,而爐殼內(nèi)部空間密閉,氣態(tài)的灰分在微壓下通過測(cè)溫石墨管內(nèi)孔向爐殼外的方向擴(kuò)散,測(cè)溫石墨管越靠近爐殼位置溫度越低,氣態(tài)灰分?jǐn)U散途中一旦遇到低于其凝點(diǎn)的溫度環(huán)境就會(huì)凝結(jié)成液態(tài),慢慢地沉積在測(cè)溫石墨管壁上,越積越多。

一般經(jīng)過6h左右,灰分凝結(jié)成的揮發(fā)物將會(huì)堵塞測(cè)溫石墨管,紅外測(cè)溫儀檢測(cè)到的溫度將會(huì)是揮發(fā)物的溫度。這一溫度比我們最初控制的爐管外壁溫度約低400℃～600℃,遠(yuǎn)低于PID儀表所設(shè)定的工藝溫度。此時(shí)的PID儀表將紅外測(cè)溫儀檢測(cè)到的揮發(fā)物的溫度仍然視為爐管的溫度,認(rèn)為爐管加熱溫度偏低,將會(huì)加大調(diào)功器的輸出功率,爐管的溫度將隨加熱功率增大而上升,爐管的實(shí)際溫度將會(huì)逐漸高于工藝溫度,造成爐管加熱溫度失控。

因此操作工人每班都會(huì)設(shè)法在高溫下清理測(cè)溫石墨管內(nèi)的揮發(fā)物,或者更換新的測(cè)溫石墨管。當(dāng)操作工人疏忽這一操作時(shí),由于調(diào)功器輸出功率有限,失控的爐管溫度升高到一定程度后將會(huì)在一熱平衡溫度下保持穩(wěn)定,在這一遠(yuǎn)高于工藝溫度下產(chǎn)出的產(chǎn)品將全部報(bào)廢。

3 新型石墨管炭化爐紅外測(cè)溫結(jié)構(gòu)

新紅外測(cè)溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原理是。灰分在高于其凝點(diǎn)的溫度下會(huì)保持氣態(tài),將氣態(tài)的灰分往高溫爐管內(nèi)輸送,使灰分在遠(yuǎn)離測(cè)溫孔的位置冷凝成固態(tài)或液態(tài),爐管內(nèi)凝結(jié)的灰分被移動(dòng)的舟皿帶出爐子,按這一原理設(shè)計(jì)的新型石墨管炭化爐紅外測(cè)溫結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 改進(jìn)后紅外測(cè)溫結(jié)構(gòu)圖(爐管軸向剖視)

如圖3所示,在原有的爐管外面套了一個(gè)石墨套管,石墨套管徑向開孔連接測(cè)溫石墨管,測(cè)溫石墨管內(nèi)孔已改為通孔,光纖探頭直接檢測(cè)到爐管外壁溫度,從冷卻支架進(jìn)氣孔通入氮?dú)?冷卻支架的一端被玻璃鏡片擋住形成盲孔,氮?dú)庵荒芡鶢t內(nèi)方向流動(dòng)。當(dāng)?shù)獨(dú)庠谶M(jìn)入測(cè)溫石墨管后被加熱,熱氮?dú)鈳?dòng)灰分氣體往爐內(nèi)高溫區(qū)域持續(xù)流動(dòng),經(jīng)過石墨套管和爐管之間的間隙后,沿爐管上的徑向小孔進(jìn)入爐管內(nèi),灰分會(huì)在爐管出料端的內(nèi)壁冷凝成液態(tài),被經(jīng)過的舟皿帶往卸料端冷卻成固體,最終隨舟皿排出爐子。

滲進(jìn)測(cè)溫石墨管內(nèi)的少量氣態(tài)灰分遇見冷的氮?dú)鈺?huì)迅速固化成細(xì)小顆粒,隨著工作時(shí)間推移,部分顆粒在氮?dú)獾拇祾呦聲?huì)擴(kuò)散到玻璃鏡片上沉積下來,對(duì)光纖測(cè)溫構(gòu)成干擾,此時(shí)需操作工人將閘閥關(guān)閉,取下玻璃鏡片清除塵埃。也可以設(shè)計(jì)一正對(duì)玻璃鏡片的噴嘴,自動(dòng)用高壓氣體脈動(dòng)吹掃,實(shí)現(xiàn)無人值守。

因?yàn)榈獨(dú)饨?jīng)過小孔時(shí)會(huì)帶走爐管熱量,小孔附近的爐管溫度將會(huì)變低,爐管上的徑向小孔要遠(yuǎn)離光纖探頭檢測(cè)區(qū)域,否則會(huì)使?fàn)t管控溫出現(xiàn)較大偏差。

4 結(jié)論

在高溫下耐火材料中雜質(zhì)的氣化、凝結(jié)會(huì)對(duì)紅外測(cè)溫產(chǎn)生干擾,經(jīng)過改進(jìn)的紅外測(cè)溫裝置可以將氣化后的雜質(zhì)保持在氣態(tài)并在遠(yuǎn)離測(cè)溫點(diǎn)的區(qū)域冷凝排放,可有效消除這一干擾。

[1] 朱早生.碳管爐碳化工藝的研究[J].硬質(zhì)合金,2002,19(3):144-147.

[2] 關(guān)珍祥.淺談碳化爐[J].中國(guó)鎢鉬,1997(12): 13-18.

[3] 高鴻章.碳化爐的發(fā)展[J].硬質(zhì)合金,2003,20 (1):38-40.

Study On the Construction of Novel Infrared Pyrometer for Graphite-tube Carburization Furnace

PAN Deng
(Zigong Cemented Carbide Corp.,Ltd.,Zigong,Sichuan,643011)

The disadvantages and the origin of those disadvantages of the infrared pyrometer usually adopted in the conventional Graphite-tube Carburization Furnace are presented in the article.A novel construction of optical pyrometer is invented to provide an effective solution to guarantee the accuracy of temperature measuring and temperature controlling.

infrared temperature measurement;graphite-tube carburization furnace;uncontrolled temperature;ash content;gasification;condensation

TG155 TG146

:B

1001-5108(2015)04-0083-04

潘登,工程師,主要從事粉末冶金設(shè)備的研發(fā)設(shè)計(jì)工作。