真空熱壁罐式爐研制

臧福海 高文 王俊晨

摘要：本文介紹了一種有效容積90L、額定溫度800℃、最高溫度1000℃、可在真空環境、惰性氣氛及還原性氣氛環境下進行熱處理工藝的熱壁罐式爐的結構特點及關鍵部件的設計方法和選用原則。采用間接加熱方式，內部設有氣氛循環裝置。采取具有PID參數自整定功能的智能溫控模塊進行爐溫控制，觸摸屏+可編程控制器集中控制。實驗結果表明，設備冷態極限恒溫800℃時，爐膛內溫度均勻性優于±5℃，爐溫控制精度可達±1℃，滿足爐溫控制的高精度、高均勻度以及高穩定性的要求。

關鍵詞：電阻爐;罐式爐;真空爐;氣氛循環;MIM/CIM

ABSTRACT：This paper introduces the structure characteristics of a hot-wall Retort furnace with effective volume of 90L，rated temperature of 800 ℃，maximum temperature of 1000 ℃，heat treatment process in vacuum environment，inert atmosphere and reducing atmosphere，and the design method and selection principle of key components.Indirect heating is adopted，and an atmosphere circulating device is installed inside.Intelligent temperature control module with self-tuning function of PID parameters is adopted for furnace temperature control，and touch screen + programmable controller is used for centralized control.The experimental results show that the cold limit vacuum of the equipment is less than 5 Pa，the uniformity of temperature in the furnace is better than ±5℃.The accuracy of temperature control can reach ±1℃.It meets the requirements of high accuracy，high uniformity and high stability of temperature control.

Key words：Resistance furnace;Retort Furnace;Vacuum Furnace;Air circulation;MIM/CIM

1引言

MIM/CIM-金屬或陶瓷粉末注射成形是典型的學科跨界產物，其工藝流程中需要使用粘結劑，使金屬或陶瓷粉末混合后便于成形。高溫燒結之前，需將有機物去除，即脫脂。脫脂是否完全，對產品性能影響很大。一般有機物在300°C時即可排出，而MIM/CIM工藝過程中，脫脂溫度介于600°C～800°C之間。脫脂過程中，升溫速率要求緩慢，防止有機物碳化。

針對以上工藝需求，研發設計一款額定溫度可達800℃、最高溫度1000℃，適用于需要在特定保護氣體或反應氣體氣氛下的熱處理工藝，以及600℃以下的真空熱處理工藝的電阻爐設備。圖1-1所示為熱壁罐式爐結構示意圖。

2結構設計

2.1罐體設計

馬弗采用SUS310S不銹鋼制作，圓形罐體結構，內面拋光處理;爐腔設計按照真空腔體設計要求。為保證罐體密封性，爐口法蘭處設有燕尾槽，槽內安裝氟橡膠O型圈。燕尾槽背面設有冷卻水套，防止密封條在高溫環境下損壞。如圖2-1所示為罐體結構示意圖。

2.2循環風裝置設計

為提高罐體內部溫度均勻性和氣氛均勻性，在罐體后部設計循環風獲得裝置;該裝置由驅動電機、磁流體密封傳動及葉輪組成（如圖2-2所示）;電機驅動磁流體傳動高速旋轉，帶動葉輪同步旋轉。葉輪產生的氣流通過罐體內壁與內膛夾腔往復循環，提升腔體有效區域內溫度均勻性及工藝氣氛的均勻分布，使爐內產品充分反應燒結。

2.3反射屏設計

為防止高溫狀態下爐門外壁溫度過高，在爐門與有效腔體之間設有隔熱屏裝置;隔熱屏材質選用與罐體材質相同的SUS310不銹鋼薄板，多層間隔布局方式，可有效地降低爐膛內的熱損失。圖2-3所示為反射屏結構示意圖。

2.3爐門設計

爐門為不銹鋼材質;為提高門板的真空抗壓能力，將門板設計為球面結構;門內板與外板之間形成夾腔，夾腔內填充陶瓷纖維保溫材料，可有效降低門外板表面溫度。鎖緊裝置選用手輪鎖緊方式，操作時方便、省力。如圖2-4所示為爐門結構示意圖。

3真空氣氛系統設計

3.1真空系統設計

通過雙極旋片式真空泵獲取真空，極限真空度可達10Pa。所有真空管路均由304不銹鋼制作，氬弧焊接，帶標準真空密封法蘭，電解拋光;系統真空度由電阻規檢測，并通過真空計讀取。整個真空系統中的閥門均為程序自動控制，自動模式下系統自動順序動作，且具有聯動互鎖和完備的安全保護功能，在斷電時各閥門均處于關閉狀態以保護爐內工藝狀態。

3.2氣氛系統設計

為了保證盡可能低的氧含量，抽真空后再用氮氣沖刷。該過程會循環幾次，使爐罐內有個純凈的氣氛環境。真空的建立優先于氮氣進氣。真空輔助設備會快速形成一個潔凈的氣氛環境，僅消耗少量的氮氣。

在氧氣的含量盡可能被降低后，通入惰性氣體至微正壓。此時，可向爐膛內通入氫氣;在使用氫氣過程中若氫氣壓力過低，系統自動打開氮氣閥門，充入氮氣保證爐膛壓力，防止外部空氣倒灌。

4控制系統設計

控制系統采用可編程控制器+觸摸屏集中控制，友好人機界面，監控操作方便。通過K分度熱偶測量溫度，日本山武智能溫控模塊采集熱電偶信號，觸發控制固態繼電器，實現并達到控制溫度的目的;山武智能溫控模塊具有PID參數自整定、高溫上限報警、熱電偶失效指示等多項報警保護功能。

觸摸屏具有顯示/存儲工藝文件功能，方便調用固化工藝;實時顯示與記錄報警狀態及工藝參數;具有多級權限管理，配有數據、報警、操作記錄功能，數據、報警、操作可追溯。

4.3溫度異常報警處理系統

當溫度出現超溫現象時，溫度報警系統立即切斷加熱并發出聲光報警信號。

5參數計算

5.1功率計算

5.1.1按爐膛內表面積計算

罐體尺寸：Φ630×895，最高溫度1000℃;爐膛內表面積約2.5m2，升溫速率按5℃/min計算。

根據式

取C=25，計算可得P≈30kW;

式中P為爐子安裝功率（kW），τ為空爐升溫時間（h），A為爐膛內表面積（m2），t為爐溫（℃），C是系數，熱損失較大的爐子，C=30～35，熱損失較小的爐子，C=20～25。

5.1.2按爐膛容積計算

根據式

式中P為爐子安裝功率（kW），V為爐膛容積（m3），C是系數。

根據罐體尺寸可得罐體容積約為0.28m3，取系數C=75，根據公式二計算可得P≈32kW。

5.2循環風量計算

氣流速度與爐膛溫度均勻性有密切關系，流速越大，越有利于提高爐溫均勻度。由于氣流沿途有溫降，用氣流在爐膛內的循環次數能更確切地反映氣流速度與爐溫均勻度的關系。

循環次數是指氣流在爐膛內每秒鐘流動的周期數，循環次數越高，爐溫均勻度越好[2]。

已知氣流速度或氣流循環次數以及爐膛氣流通道的截面積，即可算出循環風量：

根據爐膽及內膛尺寸可得氣流通道截面尺寸約為0.15m2，取氣流換算系數為2.5。根據式（4-4）計算可得V=3600×0.75×0.15×2.5≈1012m3/h。

6小結

本文所述熱壁罐式爐設備，特別適用于MIM/CIM、金屬增材制造工藝流程中的脫脂工藝，也可用于粉末冶金行業的還原燒結工藝。氣密爐罐，可實現真空密封;氣氛控制精確，純度高;目前已在某企業投產使用。實際生產使用表明：爐溫均勻性好，控溫精度高，真空度和壓升率等相關指標都滿足指標要求。

參考文獻

[1]Carbolite·Gero.MIM/CIM/3D打印工藝解決方案推薦[DB/OL]，2018.

[2]王秉銓.工業爐設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2010.784-788.

作者簡介：臧福海（1984-），安徽合肥人，碩士，合肥工業大學，機械設計及理論專業，研究方向：數字化設計及現代設計理論。